编者按：在赛文研究院主办的“2022年智慧交管技术与应用跨年分享会”中，集美大学交通运输学科教授、领军人才于德新就交叉口所面临的问题及解决方案，作了《交叉口组织设计典型案例与理论探索》报告。

该报告就交通设计的内涵与发展趋势、交叉口组织设计典型案例、交叉口信号控制理论探索三方面进行了深入分析。

一、引言

交通设计的内涵可以概括为安全、通畅、便利以及与环境协调为目标，以交通系统的“资源”（包括时间、空间、环境资源等）为约束条件，确定交通的通行权、时空关系与相应的管理方案及相关设施的布局。交叉口交通设计内容包括组织设计（即我们通常所说的渠化）与信号控制调优两部分。

目前交通组织设计的趋势是进行精细化设计，即以最大限度减少管理所占用的资源和降低管理成本为主要目标；伴随着5G、车联网等新技术的发展，众多学者对交通信号控制理论研究越来越倾向于“网联化+智能化”趋势下的交通信号控制优化。

二、交叉口组织设计典型案例

下面我将主要就十字交叉口、T（Y）形交叉口、环岛和异形交叉口群等方面进行汇报。

接下来我们以河北省衡水市育才大街与人民路交叉口为例，介绍十字交叉口交通组织优化，交叉口优化前存在如下问题：如交通空间分配不均导致的通行能力不足，慢行交通通行权不明确导致的通行秩序混乱。针对道路通行能力不足问题，我们采用拓宽路口通行空间，增加机动车道等方式缓解交通压力。

针对慢行交通路权不明，通行秩序混乱的问题，我们通过物理隔离明确路权，设置非机动车二次过街等候区等方式进行交通组织工作。

以下是优化后的仿真效果图，可以看出，改造后总体运行效率提高约12%。

下面我们继续以河北省衡水市南环东路与京衡大街交叉口为例，对Y型交叉口的交通组织优化进行介绍。该交叉口改造前存在的主要问题是路面标志标线模糊、缺少信号灯控制、缺少渠化岛引导车流等问题。

针对上述问题，我们增设了交通标志、标识、护栏与信号机等硬件设施，明确路权，确保交通参与者各行其道，安全通行。

下面我们以长春市南湖广场交叉口为例，介绍环形交叉口交通组织优化。该交叉口位于长春市主城区，为五条主干路相交的交叉口，并与高架快速路进出匝道相连。存在岛内交通运行秩序混乱、行人信号灯故障或缺失、环岛内设置公交停靠站影响通行效率等问题。

我们通过无人机、浮动车等多种方式采集了流量、速度、排队长度、延误等交通参数，经计算判定该交叉口高峰期间处于过饱和状态，交通拥堵严重，供求矛盾突出。

针对交叉口现存的问题，我们提出了三种渠化方案，分别是保留岛内绿化带进行渠化设计，拆除岛内绿化带进行渠化设计以及在拆除岛内绿化带的基础上将公交站点外移进行渠化设计。

并结合上述三种渠化方案，我们同时设计了以下六种控制方案并行，并进行了不同方案的组合，经过仿真验证，推荐使用渠化方案二与控制方案一、二、三、五相结合的交通设计方案。鉴于交通冲突对环岛通行能力的损耗，我们设计了渐次离岛的通行方式，可最大程度减少环形交叉口的冲突，保证拥挤情况下的通行秩序。

下面我们继续以河北衡水市前进大街与人民路交叉口为例，介绍异形交叉口交通组织优化设计情况。改造前该交叉口存在通行能力不足、信号配时不合理、慢行交通路权不明确、人行通道宽度不足等问题。

针对道路通行能力不足的问题，我们采用了拓展右转车道、调整车道设置等措施，增加南北方向直行通行能力。

针对慢行交通路权不明，交通秩序混乱的问题，我们重新布局了人行横道位置、拓宽非机动车道空间、铺设红绿黄三色路面、设置非机动车二次过街引导标志，引导车辆二次过街。

针对路口四个方向红绿灯轮放的问题，我们拆除了桥上原来的护栏、清除了原标线、施划左转待转区、将两个路口看作一个路口进行信号配时；同时我们针对万德福超市出入口路权不清晰问题，拆除绿化带，铺设了沥青路面。

针对万德福超市北侧行人通道宽度不足的问题，我们将采用占用原非机动车道的形式，铺设了红色路面，安装了护栏，避免行人和非机动车冲突。

这是改造后的仿真效果，可以看出改造以后，机动车的总体运行效率提高了16%，南北方向的车辆的通行效率提升了32%，这个效果是比较明显的。

同时我们团队还对一个更为复杂的异形交叉口群进行了交通组织设计，这个交叉口是位于河北省唐山市，该交叉口在改造前存在缺少信号控制、交通路权不明确、通行秩序混乱、左转车辆与对向车辆冲突、道路通行能力不足、右转车辆过多、易发生排队溢出现象等问题。

针对该交叉口群的诸多问题，我们采用了设置硬隔离，单向交通联动控制等方式进行了改造设计。以下是改造前后的实际航拍路况对比，可以看到改造前拥挤排队情况特别明显，改造以后，这种情况得到了较为显著的改善。

同时我们团队也在国内的其他的城市完成了一些类似的案例，这是我们相似案例的一个完成情况。

三、交叉口信号控制理论探索

在智能网联车辆快速发展的背景下，不同网联化程度下交叉口车辆轨迹控制与信号协同优化方法已成为当前信号控制领域研究的热点和难点。针对这个问题，我们以提高网联环境下交叉口车辆通行效率为目的，分析不同智能网联车辆渗透率下，智能网联车辆与非网联车辆混行的交通特性。目前，逐层研究完全网联状态及部分网联状态下车辆轨迹优化和信号协同控制方法已经成为主流。

针对完全网联环境下无信号控制单交叉口车辆轨迹优化，我们采用基于资源预定和虚拟交通信号灯的解决方案，对车辆控制问题进行维度拆解，将集成式控制方法拆解为两阶段最优控制问题，每阶段建立对应的最优目标函数，进行目标函数的解析求解；并根据道路几何特性设计与之对应的车辆通行规则，设计约束触发式激活规则，缩减因轨迹约束和安全约束导致的计算负担。

现阶段，我们完成了如下工作：

1.提出两阶段CAV轨迹优化策略，在保证最大通行能力的基础上提高燃油经济性和驾驶舒适性；考虑道路区域的拓扑结构差异，采用不同的行程时间确定规则保证最大通行能力；

2.采用庞特里亚金最大值原理（PMP）构建哈密顿方程，在车辆动力学和安全性要求下平滑车辆轨迹；

3.为了降低计算复杂度，设计了约束激活规则避免后退轨迹的出现并确保最佳的车辆间隙，弥补PMP理论的缺点，

此外，我们完成了一篇SCI论文，并在2021年进行了发表。

下图是完全网联环境下无信号控制交叉口车辆轨迹优化的仿真轨迹的实际展示，以及对应的油耗结果对比和车辆延误对比的示意图。

同时我们还对完全网联环境下信号交叉口车辆轨迹控制与信号调优方法进行了研究，并采用了相应的解决方案和研究方法，并于今年发表了一篇SCI论文。

目前，本部分研究已完成了如下工作：

1.建立同时控制交通信号和优化车辆轨迹的双层控制框架：在上层，采用相位控制优化模型确定最优信号方案，提高交叉口运行效率；在下层，通过最优化理论推导车辆轨迹优化问题的解析解。并通过改进的滚动优化策略实现交叉口的迭代控制。

2.研究考虑车辆的变道需求，应用并改进了MOBIL变道模型。此外，对传统的车辆跟随模型进行了改进，允许车辆在道路中考虑更多的其他车辆。

下图是与之对应的碰撞安全系数、速度、离散度以及时间轨迹的仿真对比情况，以及油耗结果和延误结果的对比情况。

同时我们还研究了部分网联环境下信号交叉口车辆队列控制与信号协同优化方法，如下是对应的研究方向和研究方法。后续，我们将对基于车辆稳定性分析的队列控制方法、基于非线性规划/近似约简求解的协同控制方法等方向进行研究。

为不同类型的车辆开发不同的车辆控制模型，进而研究车辆队列和轨迹控制方法；通过车辆队列影响因素及收益性分析，确定交叉口最优通过车辆队列规模；基于车辆队列最优规模，研究交叉口信号控制协同方法。

同时我们还研究了在网联环境下多交叉口的协调控制方法，如下是对应的研究方向和研究方法。后续，我们将基于传统控制的干线协调方法；车队离散模型的多交叉口控制方法等方向进行研究。

在交叉口层面，为不同类型交叉口开发针对性的通过性控制策略；路段层面，研究车辆行驶的路段效用函数，构建优化模型求解路段行驶方案；道路网络层面，研究路径规划的群体协同策略及相位协调方案。

我的报告到此结束。在最后，我要特别感谢我们课题组的张林教授、郑黎黎教授、周户星副教授、姜忠太博士、王世广博士以及袁梓珉硕士！