本文是一篇博士论文，论文通过对国内外研究现状的分析，在队列编队控制以及交叉口管控策略优化的研究基础上，从平面交叉口混合队列协同控制策略框架设计、智能网联环境下的最优队列协同编队控制、基于混合队列的十字交叉口协同控制策略、基于混合队列的环形交叉口协同控制策略四个方面对智能网联环境下的城市平面交叉口管控策略优化开展了深入研究。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
平面交叉口作为连接各条道路的节点，是城市道路网络的关键组成部分[1–4]。由于相交道路上的各向交通流需要先在交叉口处汇集再转向其他道路，车辆间的冲突和干扰全部集中在有限的空间内，这使车辆在交叉口内的通行效率大大降低，同时也使平面交叉口成为了交通事故的高发区域。随着交通量的增加，平面交叉口极易成为城市道路网络的瓶颈区域[5–9]。增加交叉口的通行能力，降低交叉口发生交通事故的风险是提高城市道路网络服务水平的关键。对于已建成的平面交叉口，其线型及各部分几何尺寸已经确定，对交叉口设计进行优化的可行性受到道路红线规划等因素的制约。因此，优化交叉口管控措施更具有现实意义[10–13]。
平面交叉口管控策略通常遵循两个原则。一是交通分离原则，将交叉口内来自不同方向的交通流在时间和空间上进行分离以确保路径交织的车辆间不会产生干扰和冲突。二是交通量控制与调节原则，比如设置专用道、禁止左转、限速等，通过调控交叉口内的冲突类型和冲突发生频率来提高车辆通过交叉口的效率[14–17]。基于上述原则，城市平面交叉口主要存在两种管控形式：无信号控制与信号控制。以典型的十字平面交叉口为例，无信号控制主要采取基于规则的交通组织方法，主要包括两路停车和四路停车两种规则。无论是两路停车还是四路停车，无信号控制都不会限制车辆进入交叉口，只规定了各向交通流的通行优先权以指导冲突车辆让行[18–21]。由于驾驶员对于其他车辆运动感知存在滞后性以及驾驶风格具有差异性，交通需求量较大时，车辆会因为缺乏可插车间隙及高效的车间协同而在停车线处排队，进而造成延误[22–24]。相较于无信号控制，信号控制在城市平面交叉口中的使用更为广泛。信号交叉口利用信号相位将不同方向的交通流在时间上进行分离，在每个相位内仅允许不存在路径冲突或存在较弱路径冲突的交通流同时通过交叉口。信号控制可以显著降低交叉口发生交通事故的概率，同时可以避免交叉口因为交通流的混乱交织而造成的死锁。
1.2 国内外研究现状
以混合队列作为对象设计平面交叉口控制策略存在两个关键问题。一是将随机不均匀的混合交通流在交叉口上游路段以“1+n”队列形式进行编队，二是协调混合队列在平面交叉口的通行权分配方案，优化混合队列通过交叉口的轨迹。下文从混合队列的编队控制以及平面交叉口管控策略优化两个方面对现有研究进行了总结。
1.2.1 混合队列编队控制研究现状
随着自动驾驶技术以及车联网技术的发展，CAV将成为未来交通流的重要组成部分。由于CAV具有交通信息感知及可控性优势，当CAV的渗透率达到一定水平时，队列可能会成为更有效的交通流组织方式。Chen等人基于多智能体系统建立了自适应控制模型以模拟CAV的车间(vehicle-to-vehicle, V2V)通信，构建了一个统一的混合队列模型，提出了分布式协作方法并推导出了队列的稳定性条件。通过对不同CAV渗透率、不同车辆顺序以及不同驾驶员反应时间等条件下对队列的稳定性进行数值仿真验证了混合队列的性能表现[45]。Gong等人在对人工驾驶车辆实时轨迹预测的基础上开发了一个基于一步或多步模型预测控制的协同混合队列控制模型，通过仿真实验证明提出的混合队列控制模型能够有效的抑制交通震荡的传播，保证混合队列的平滑性和渐进稳定性[46]。Mahbub等人考虑不同目标设计了一系列的混合交通流环境下的编队控制方法。在早期的研究中通过解析CAV和人工驾驶车辆之间的动力学相互作用关系建立了一个严格的混合队列编队控制框架，通过控制CAV使之与人工驾驶车辆形成队列[37]。在后续的研究中还设计了一个多目标优化控制器，直接控制CAV作为引导车辆形成队列，而不需要给出具体的人工驾驶车辆动力学参数[47]。
第2章 平面交叉口混合队列两阶段控制策略框架设计
2.1 控制场景描述
2.1.1 交叉口上游路段
在城市道路网络中，交叉口的上游路段（以下简称路段）同时也是另一个交叉口的下游路段，路段内的交通流由刚刚通过上游交叉口的各向车辆构成。这些车辆通过自由段后，将会根据目的地驶入对应方向的渠化段车道进入交叉口，然后在对应方向的出口驶出，如图2-1。路段的构成主要包括两个部分：第一部分是可以自由换道的区域，车道间由单虚线分隔。第二部分是下游交叉口的引道，也叫做渠化区，车道由单实线分隔。在渠化区内，车辆不允许换道，且每条车道对应特定的交叉口行驶方向。
在路段内，如果不考虑编队，车辆仅需要在自由区域内根据其在下一个交叉口的行驶方向选择对应的车道并完成换道。在这一过程中，车辆的换道位置和时机完全取决于交通流状态。也就是说，车辆在满足换道条件的任意位置均可以进行换道，且换道后跟驰的前车是随机的。
2.2 控制对象分析
2.2.1 混合队列编队形式
混合交通流由CAV和CHV构成，在形成混合队列后存在四种跟驰关系，即CHV跟驰CAV，CHV跟驰CHV，CAV跟驰CAV，CAV跟驰CHV。
即便在混合交通流中CAV的渗透率已经达到了一定水平，由于交通流时空分布的不均匀性，CAV与CHV的比例在不同时间不同区域内仍然会存在差异。因此，在路段上组织车辆编队形成混合队列时成员车辆的分布也是随机的，以上四种跟驰关系都会存在[89,90]。在一对跟驰关系中，后车的纵向运动是由前车的纵向运动状态决定的，同时也与车辆自身的动力学特性有关。当不同类型的车辆处于相同的跟驰场景时，会由于其对前车运动状态的感知水平，对自身轨迹的规划方法以及控制器的响应时间和控制精度等差异而表现出不同的纵向运动轨迹[91,92]。当后车是一辆CHV时，尽管车载通信设备可以辅助驾驶员进行超视距感知并提高对前车运动状态的感知精度，但由于车辆的轨迹规划和控制仍由驾驶人主导，更为保守的安全条件判断和更长的生理反应时间会导致CHV的跟驰轨迹较CAV具有更多的延迟和更大的跟驰间隙。当后车是一辆CAV时，由于车载感知和通信设备可以实时获取前车的位置、速度以及加速度等轨迹参数，且轨迹规划和控制器较驾驶人有更高的决策效率和控制精度，可以与前车实现近似同步驾驶，跟驰间隙和速度误差总是保持在有限的范围内，跟驰轨迹更加平滑稳定。
第3章 考虑行驶方向的最优混合队列编队控制 ...................... 23
3.1 最优混合队列编队控制框架 ............................ 23
3.2 考虑车辆交叉口行驶方向的混合队列编队方案优化 ................ 24
第4章 十字交叉口混合队列协同控制 .......................... 55
4.1 十字交叉口队列协同控制关键问题分析 ................... 55
4.2 十字交叉口队列运动冲突分析 ......................... 56
第5章 环形交叉口混合队列协同控制 .................. 75
5.1 环形交叉口队列协同控制关键问题分析 ................... 75
5.2 混合队列重组方案优化及车道分布决策 .................... 76
第5章 环形交叉口混合队列协同控制
5.1 环形交叉口队列协同控制关键问题分析
根据第二章的分析，混合队列在环形交叉口内的冲突方式与十字交叉口不同。队列进入交叉口后其轨迹不是固定的，需要根据环岛内的车辆分布选择可行的绕行车道，并且在合并和驶出时需要强制换道，冲突位置随机。因此协调混合队列在环形交叉口内的冲突需要解决的关键问题也与十字交叉口不同。在合并阶段，缓冲区内队列需要找到合适的可插车间隙进行换道以合并进入环岛。在绕行和驶出阶段，需要协调所有环岛内队列的换道决策以优化队列的车道分布并优化队列的轨迹。由于队列规模的不确定性以及跟驰车辆纵向运动的滞后性，如果将队列当做一个整体进行合并和换道，为了保证安全，需要一个相当大的间隙才能满足需求，但会造成环形交叉口内队列的让行延误。并且让行会造成减速波的向后传递从而降低环形交叉口内车辆的通行效率，可插车间隙更难产生，导致严重的拥堵和排队。然而，队列进入环岛后会与内部的队列进行交织，这给组织目的出口相同的车辆组成新的队列创造了机会。可以通过对缓冲区内的队列以及环形交叉口内的队列进行统一的拆分重组，将队列的合并过程转化成队列重组问题，让换道在重编队过程中以车辆为单位分散进行，以避免前述问题的发生。
基于上述分析，针对环形交叉口提出了混合队列协同控制控制方法 (COCSOMP-RA)。解决的问题主要包括两部分，第一部分是对即将进入环形交叉口的混合队列与环形交叉口内的队列进行拆分重组，通过决策单车最优的插车间隙实现混合队列汇入环形交叉口。考虑到队列与目的出口的相对位置关系，为了避免在后续的行驶中进行不必要的换道，还应该在重组过程中考虑各队列的车道分布，以使重组后的混合队列分布在最优的车道上。第二部分是对重组后的混合队列进行轨迹优化以提高队列通过交叉口的通行效率。环岛东侧入口处的一组队列作为示例来说明提出的策略，如图5-2所示。
6章 总
