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智慧交通未来发展之路——Cooperative Driving
2019/5/8
在现代社会，地面交通出行与我们每个人密切相关。在当前城市道路日益复杂和拥挤的情况下，如何保证交通出行的安全和便捷是国内外社会大众和科研工作者共同关注的热点问题。
实现该目的的重要方法之一是实施有效的交通控制。很多研究者将1914年出现在美国俄亥俄州克利夫兰市(Cleveland，Ohio)的电气交通信号灯作为地面交通控制系统的真正发轫如图1。在过去的100多年中，交通控制从理论方法到产品系统都经历了深刻的变化。然而在日益增长的交通出行需求压力下，现有的交通控制方法已经逐渐达到性能天花板。今后的地面交通控制应该如何发展是摆在所有研究者面前的重要问题。
所谓道路通行权(RightofWay，简称路权)，可理解为对特定时空范围道路资源的优先占有权和使用权。类似于铁路的轨道闭锁机制，地面驾驶同样需要保证在特定的时间和空间内，最多只有一辆车存在。换句话说，如果我们按照时间和空间两个维度，以最小时间和最小空间为分割单位，将道路资源划分为时空网格，那么，每个格子最多只能被一辆车占用。如果违反了这一法则，碰撞就会发生。
历史上的地面交通控制正是围绕着如何合理妥善解决路权竞争的问题而发展起来的。历经百年来的发展，交通系统大致经历了无控制时期、标识标线控制时期、单点定时交通信号控制时期、智能交通控制时期、车路协同时期和自动驾驶时期等几个阶段。
有鉴于此，我们从路权这个新的角度回顾了过去100多年地面交通控制发展的几个关键转变点，对比了各个时期交通路权的获取方式和性能。我们特别结合目前新兴的车联网、无人车和自动驾驶技术，探讨了基于规划分配或竞价获取的交通路权分配，分析了今后50年地面交通控制的发展方向。
1、无控制时期
最初，人们在遇到路权纷争时，往往遵从「先到先行，互相礼让」的基本原则。双方驾驶员根据各自目视的结果，决定由谁优先通过冲突区域，并按照默契各自驾驶。实际上，这也是从步行、骑马和驾驶马车时代起就遵循的基本路权决定方式。
但这一路权决定方式存在诸多问题：
1)该决定方式非常依赖于驾驶员对周边环境的正确感知和合理判断。在车速较快、视线不佳、交通状况复杂等情况下，驾驶员难以准确的判断何时何地会发生碰撞，因此无法决定路权归属。
2)该决定方式需要多方驾驶员采用能够共同理解的方式进行交流。在车灯还未出现的时候，驾驶员会将手臂伸出窗外，通过不同的手势来表示其行驶意图。即使在车灯已是车辆必备件的今日，驾驶员也经常以眼神和手势来辅助换道、并线等操作。为此，Google公司还在2015年提交了无人车和人类驾驶员交流的专利。然而，手势交流首先没有统一的交互标准。人们互相打手势或者眼神示意的方式千差万别;特别是由于历史文化差异，不同国家和地区对同一手势可能有截然不同的解读。其次，手势交流的通信速度慢、可视距离短、谈判效率低，在车辆速度较高时，极易出现误差而造成交通事故。
3)该决定方式在相当程度上取决于驾驶员个人的礼让精神，路权的分配很可能由「合作」演变为「竞争」，甚至「抢夺」。
基于这三点，基于默契的路权谈判很难在短时间内有效达成。因此，这一路权决定方式在汽车时代逐渐被新的交通控制方式所代替。
2、交通信号标线控制时期
早在中国周代，已有「列树以表道」的记载。在古罗马时代的军用大道上也设有里程碑和指路牌。但这些仅仅是标记道路信息，并未指示路权。
1903年，由于法国汽车联盟的积极推进而使法国成为世界上最早的在全国范围内使用统一的汽车交通标志的国家。而直到1930年以后，统一的交通标志法才在英国各地获得认可，使交通标志更加规范化。1935年，美国的第一版《统一交通控制设施手册》(ManualofUnitedTrafficControlDevices)出版，在全美国统一了制作交通标志的办法和标准。这一阶段，交通标志依然以提示驾驶员危险为主要职责。如法国的交通标志当时在黑色的木板上用白漆书写「左拐」、「右拐」、「桥梁」等提醒司机注意的文字。
1968年，联合国公布《道路交通和道路标志、信号协定》作为各国制定交通标志的基础。从此各国的交通标志在分类、形状、颜色、图案等方面逐渐向国际统一的方向发展。地面交通进入了「各行其道」的时代。
道路交通标识通常用图形符号和文字来传递特定的交通法规以及交通运行控制方法的信息。道路交通标线是由路面标线、箭头、文字、立面标识、突出路边、道路轮廓线等交通地面车道配合和路权设置的基础设施。这两者的作用都是为了管制、引导、控制和分配交通流，可单独使用也可配合使用。
交通标识标线控制的优势在于造价低廉耐用，尽量减少人对于路权的理解歧义和纷争。在道路中明确标识了道路使用权重的通行权、先行权、占用权等，是目前道路交通中最为重要的静态交通设施。特别是车道线的引入，大大简化了车道路权的分配方式，减少了车辆行驶冲突发生碰撞的风险。
但交通标识标线对交通冲突点(交叉路口和出入口匝道)区域中不同方向车辆的路权很难起到有序和安全的控制引导。因此，交通信号控制成为了地面交通控制的研究重点。
3、单定点交通控制时期
最早的交通信号灯出现在1868年英国伦敦威斯敏斯特区，为调度马车的运行而设立，由煤气点燃发光的，仅仅工作了20余天便因为煤气爆炸而夭折。所以，很多人认为1914年出现在美国俄亥俄州克利夫兰市(Cleveland，Ohio)的电气交通信号灯才是交通控制系统的真正发轫。而我国直到1929年才在上海市第一次安装交通信号灯。
交通信号灯的出现，使得「令行禁止」成为了交通冲突点的新型路权分配和提示方式。通常，交通信号控制用在道路空间上不同方向交通流冲突的交叉口，用来在时间维度上给不同方向的交通流分配道路通行权。
传统的交通控制系统将道路上的连续多个车辆视为流体，通过局部时空中的流体密度、速度和流率来简化描述车辆的运动。为了避免车辆在路口发生碰撞，一般根据车流方向划分不同的相位，在一段时间内依次切换各个相位，以便不同方向的车辆通过。切换一遍所有相位的时长称为周期，其中去掉红灯黄灯，路口能被利用的有效时间和周期的比值称为绿信比。
交通信号灯的引入一方面改善了交叉口通行秩序，另一方面降低了驾驶员信息负荷，从而减轻驾驶负担。在安装了交通信号灯的道路交叉口，潜在冲突区域的路权决定有了「权威认证」。路权由原先驾驶员之间的「分布式」谈判转变为「集中式」指派。从此，人们只需按照统一的红绿灯规则，和前车保持距离行进，无需花费时间和精力和其他方向的司机进行沟通，大大降低了道路交叉口的事故率。而居于高处、有着明亮颜色的红绿灯能够被通过道路交叉口的众多驾驶员一致看到并明确认知，很好地解决了消息交互和确认的问题。
但早期的信号灯由警察根据目视所及的有限信息，进行手动控制。每个警察仅能控制一个路口的信号灯。这种控制方式缺乏足够的交通信息感知能力和联动控制机制，难以提高交通效率。其后很长一段时间，交通信号的三个主要参数：周期、相位和绿信比，均被设置为定时切换，时段内固定的方式。这一工作方式虽然较人工控制简单，但仍然不能最大化交通运行效率。
实现该目的的重要方法之一是实施有效的交通控制。很多研究者将1914年出现在美国俄亥俄州克利夫兰市(Cleveland，Ohio)的电气交通信号灯作为地面交通控制系统的真正发轫如图1。在过去的100多年中，交通控制从理论方法到产品系统都经历了深刻的变化。然而在日益增长的交通出行需求压力下，现有的交通控制方法已经逐渐达到性能天花板。今后的地面交通控制应该如何发展是摆在所有研究者面前的重要问题。
所谓道路通行权(RightofWay，简称路权)，可理解为对特定时空范围道路资源的优先占有权和使用权。类似于铁路的轨道闭锁机制，地面驾驶同样需要保证在特定的时间和空间内，最多只有一辆车存在。换句话说，如果我们按照时间和空间两个维度，以最小时间和最小空间为分割单位，将道路资源划分为时空网格，那么，每个格子最多只能被一辆车占用。如果违反了这一法则，碰撞就会发生。
历史上的地面交通控制正是围绕着如何合理妥善解决路权竞争的问题而发展起来的。历经百年来的发展，交通系统大致经历了无控制时期、标识标线控制时期、单点定时交通信号控制时期、智能交通控制时期、车路协同时期和自动驾驶时期等几个阶段。
有鉴于此，我们从路权这个新的角度回顾了过去100多年地面交通控制发展的几个关键转变点，对比了各个时期交通路权的获取方式和性能。我们特别结合目前新兴的车联网、无人车和自动驾驶技术，探讨了基于规划分配或竞价获取的交通路权分配，分析了今后50年地面交通控制的发展方向。
1、无控制时期
最初，人们在遇到路权纷争时，往往遵从「先到先行，互相礼让」的基本原则。双方驾驶员根据各自目视的结果，决定由谁优先通过冲突区域，并按照默契各自驾驶。实际上，这也是从步行、骑马和驾驶马车时代起就遵循的基本路权决定方式。
但这一路权决定方式存在诸多问题：
1)该决定方式非常依赖于驾驶员对周边环境的正确感知和合理判断。在车速较快、视线不佳、交通状况复杂等情况下，驾驶员难以准确的判断何时何地会发生碰撞，因此无法决定路权归属。
2)该决定方式需要多方驾驶员采用能够共同理解的方式进行交流。在车灯还未出现的时候，驾驶员会将手臂伸出窗外，通过不同的手势来表示其行驶意图。即使在车灯已是车辆必备件的今日，驾驶员也经常以眼神和手势来辅助换道、并线等操作。为此，Google公司还在2015年提交了无人车和人类驾驶员交流的专利。然而，手势交流首先没有统一的交互标准。人们互相打手势或者眼神示意的方式千差万别;特别是由于历史文化差异，不同国家和地区对同一手势可能有截然不同的解读。其次，手势交流的通信速度慢、可视距离短、谈判效率低，在车辆速度较高时，极易出现误差而造成交通事故。
3)该决定方式在相当程度上取决于驾驶员个人的礼让精神，路权的分配很可能由「合作」演变为「竞争」，甚至「抢夺」。
基于这三点，基于默契的路权谈判很难在短时间内有效达成。因此，这一路权决定方式在汽车时代逐渐被新的交通控制方式所代替。
2、交通信号标线控制时期
早在中国周代，已有「列树以表道」的记载。在古罗马时代的军用大道上也设有里程碑和指路牌。但这些仅仅是标记道路信息，并未指示路权。
1903年，由于法国汽车联盟的积极推进而使法国成为世界上最早的在全国范围内使用统一的汽车交通标志的国家。而直到1930年以后，统一的交通标志法才在英国各地获得认可，使交通标志更加规范化。1935年，美国的第一版《统一交通控制设施手册》(ManualofUnitedTrafficControlDevices)出版，在全美国统一了制作交通标志的办法和标准。这一阶段，交通标志依然以提示驾驶员危险为主要职责。如法国的交通标志当时在黑色的木板上用白漆书写「左拐」、「右拐」、「桥梁」等提醒司机注意的文字。
1968年，联合国公布《道路交通和道路标志、信号协定》作为各国制定交通标志的基础。从此各国的交通标志在分类、形状、颜色、图案等方面逐渐向国际统一的方向发展。地面交通进入了「各行其道」的时代。
道路交通标识通常用图形符号和文字来传递特定的交通法规以及交通运行控制方法的信息。道路交通标线是由路面标线、箭头、文字、立面标识、突出路边、道路轮廓线等交通地面车道配合和路权设置的基础设施。这两者的作用都是为了管制、引导、控制和分配交通流，可单独使用也可配合使用。
交通标识标线控制的优势在于造价低廉耐用，尽量减少人对于路权的理解歧义和纷争。在道路中明确标识了道路使用权重的通行权、先行权、占用权等，是目前道路交通中最为重要的静态交通设施。特别是车道线的引入，大大简化了车道路权的分配方式，减少了车辆行驶冲突发生碰撞的风险。
但交通标识标线对交通冲突点(交叉路口和出入口匝道)区域中不同方向车辆的路权很难起到有序和安全的控制引导。因此，交通信号控制成为了地面交通控制的研究重点。
3、单定点交通控制时期
最早的交通信号灯出现在1868年英国伦敦威斯敏斯特区，为调度马车的运行而设立，由煤气点燃发光的，仅仅工作了20余天便因为煤气爆炸而夭折。所以，很多人认为1914年出现在美国俄亥俄州克利夫兰市(Cleveland，Ohio)的电气交通信号灯才是交通控制系统的真正发轫。而我国直到1929年才在上海市第一次安装交通信号灯。
交通信号灯的出现，使得「令行禁止」成为了交通冲突点的新型路权分配和提示方式。通常，交通信号控制用在道路空间上不同方向交通流冲突的交叉口，用来在时间维度上给不同方向的交通流分配道路通行权。
传统的交通控制系统将道路上的连续多个车辆视为流体，通过局部时空中的流体密度、速度和流率来简化描述车辆的运动。为了避免车辆在路口发生碰撞，一般根据车流方向划分不同的相位，在一段时间内依次切换各个相位，以便不同方向的车辆通过。切换一遍所有相位的时长称为周期，其中去掉红灯黄灯，路口能被利用的有效时间和周期的比值称为绿信比。
交通信号灯的引入一方面改善了交叉口通行秩序，另一方面降低了驾驶员信息负荷，从而减轻驾驶负担。在安装了交通信号灯的道路交叉口，潜在冲突区域的路权决定有了「权威认证」。路权由原先驾驶员之间的「分布式」谈判转变为「集中式」指派。从此，人们只需按照统一的红绿灯规则，和前车保持距离行进，无需花费时间和精力和其他方向的司机进行沟通，大大降低了道路交叉口的事故率。而居于高处、有着明亮颜色的红绿灯能够被通过道路交叉口的众多驾驶员一致看到并明确认知，很好地解决了消息交互和确认的问题。
但早期的信号灯由警察根据目视所及的有限信息，进行手动控制。每个警察仅能控制一个路口的信号灯。这种控制方式缺乏足够的交通信息感知能力和联动控制机制，难以提高交通效率。其后很长一段时间，交通信号的三个主要参数：周期、相位和绿信比，均被设置为定时切换，时段内固定的方式。这一工作方式虽然较人工控制简单，但仍然不能最大化交通运行效率。
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