刘干，王小刚，王昊
系统概述
I-ROAD三级信号诱导与控制系统是一个统一的智能交通平台，集成了区域路径引导、动态车道功能管理和自适应交通信号控制。该系统基于V2I（车路协同）通信技术和来自联网车辆网络的实时全息交通数据，能够同时优化交叉口控制的空间和时间维度，突破了传统仅基于时间的信号优化方法的根本局限性。
1. 背景与问题陈述
1.1 传统信号控制的局限性
传统的交通信号控制将路网几何形状、车辆到达时间和交叉口车道划分视为固定输入，仅优化时间变量——周期长度、绿灯间隔和相位差。这造成了结构性瓶颈：系统无法响应路网层面的路径效应，无法影响车辆到达模式，也无法重新配置车道功能。因此，信号配时优化只能带来微乎其微的收益，并且在交通流量饱和、需求高峰或非标准交通事件的情况下，系统会失效。
车辆到达、道路空间分配、车道划分和信号配时在实践中紧密耦合——它们既是其他因素的输入，也是其他因素的输出。仅将其中一个维度视为变量，无法进行有效的优化。
1.2 车联网的机遇
智能网联车辆（ICV）技术的兴起改变了交通控制的基本数据环境。车联网（V2I）通信使路侧基础设施——标志、信号灯、栏杆、照明设备——能够与过往车辆和云管理平台实时交换高精度、低延迟的数据。这为新一代集成式、多维度的交通控制奠定了技术基础。
中国在“中国制造2025”战略框架下的战略目标是：将道路交通事故减少80%，死亡人数减少90%，并将高速公路通行效率提高80%——这在很大程度上要依靠智能联网汽车基础设施来实现。
2. 系统架构
2. System Architecture
2.1 三级结构
该系统基于三级控制层级结构构建，对应于车辆接近路口时遇到控制装置的顺序。每一级都负责交通控制的一个不同方面，并通过车联网（V2I）与车辆进行双向通信。
一级——链路状况指示标志
第一级设备是安装在交叉路口上游的动态引导标志。它接收来自所有下游连接路段车辆的实时数据，处理这些数据，并显示路段级别的交通状况——以绿色（畅通）、黄色（繁忙）或红色（拥堵）表示——分别对应三个可能的行驶方向（直行、左转、右转）。目的地名称和当前路段名称会显示在方向箭头旁边。
该级别提供主动路线选择信息，使驾驶员能够在到达交叉路口之前改道，从而减少集中需求并重新平衡整个路网的压力。
二级——可变车道功能标志
第二级装置是安装在停止线上游 50-100 米处的可变车道功能标志。它能够根据实时交通流不平衡情况，动态地重新分配车道功能——例如，在左转高峰期将直行车道改为左转车道。
信号灯控制路口可变车道部署的条件包括：
- 进场路段至少需要三条车道（仅考虑左转和直行）。
- 上游链路长度至少需要 120 米，以便安装标志牌
- 左转与直行流量比值随时间的变化——即潮汐方向流
3级——自适应信号控制
第三层是交通信号控制器，它必须与车道功能的可变性变化同步。该系统中的信号控制包含两个组成部分：相位方案选择和信号配时优化。
根据进近几何形状和流动条件，支持并选择四种阶段方案类型：
- 对称式（双环式）释放——适用于平衡的反向车流；通常分为四个阶段，涵盖从每个方向的直行和左转动作。
- 单步释放——每个阶段的所有动作均采用同一方法；安全性高，冲突完全分离
- 混合式释放——结合了对称式和单向释放两种方式；对潮汐流条件有效。
- 重叠（超前/滞后）释放——当对向进近车流存在不平衡时采用；利用超前和滞后左转相位来适应不对称的需求。
信号配时采用韦伯斯特模型进行优化，以最大限度地减少交叉口总延误。绿灯时间按交通流量与饱和流量比值成比例分配，并在车道功能重新分配时重新计算。
3. 通信架构
3.1 V2I 网络设计
节点。路侧单元 (RSU) 通过先进的无线通信和下一代互联网协议，与所有现场设备和云管理平台保持实时双向数据交换。专用短程通信 (DSRC) 为行驶车辆中的车载单元 (OBU) 提供高速 I2V 链路。
路侧单元（RSU）主要通信接口：
RSU ↔ OBU（车辆）：用于 I2V 信息传输的 DSRC 高速连接
RSU ↔ 信号控制器：基于协议或通用的 I/O 接口，用于实时监测和相位控制
RSU ↔ 可变车道标志：实时状态获取和云端控制的功能切换
RSU ↔ 链路状态指示标志：运行监控；实时行程时间和网络状态更新
RSU ↔ 本地探测器：周期性全样本数据交换
RSU ↔ 互联网：来自地图平台的网络范围旅行时间和链路状况数据
云平台↔主动式发光标牌：环境光和天气触发式照明控制。
3.2 现场设备部署位置
设备部署遵循相对于停止线的特定空间顺序：
| 设备 | 位置 | 功能 |
| 链接状态指南标志 | 上游方法 | 路径选择指导；网络压力再平衡 |
| 可变车道标志 | 停止线上游 50–100 米处 | 动态车道功能分配；跨车道流量均衡 |
| 信号控制器 | 在停车线上 | 相位、顺序、绿灯分割、偏移——与车道功能变化同步 |
系统设备部署布局图，显示了三个控制级别之间的空间关系。
4. 仿真验证
4.1 仿真设置
为了验证系统有效性，我们围绕一个独立的信号交叉口设计了一个微观仿真实验。目标方案包含四条车道：左转专用车道、左转/直行共用车道（可变车道）、直行专用车道和右转专用车道。可变车道初始设置为直行车道。在仿真过程中，我们逐步增加左转需求相对于直行需求的比例，以触发可变车道的切换。
4.2 结果：1 级 — 链路状况指导
随着左转需求的增加，路段状况指示牌检测到下游两条路段的状况恶化。这两条路段的状态指示灯由绿色（畅通）变为黄色（拥堵），准确反映了交通拥堵的出现。该系统展现了准确的实时路段状况检测和显示能力。
4.3 结果：2 级——可变车道切换
当系统检测到左转排队长度超过设定的切换阈值时，它会将可变车道从直行功能重新分配给左转功能，并同时根据新的车道配置重新计算信号配时。
4.4 结果：队列长度和延迟
仿真结果表明，可变车道激活后性能有明显提升：
| 指标 | 结果 | 观察 |
| 左转队列 | ↓显著 | 切换车道后，排队人数减少到绿灯时间内可以清空；此前在固定车道配置下无法清空。 |
| 左转延误 | ↓显著 | 从第 4 个信号周期开始观察到衰减——该周期是首次达到切换阈值的周期。 |
| 直行队列 | 略微上升 | 车道减少导致略有增加；总增加量远小于左转排队减少量。 |
| 直接延迟 | ≈ 未改变 | 直线行驶延误没有出现统计学意义上的显著增加——证实了车道重新分配的净效益。 |
最终结果：左转排队长度和延误的减少远远超过了直行延误的微弱增加，证实了可变车道切换能够明显改善进近阶段的性能。produces a clear net improvement in approach-level performance.
5. 系统优势
以下功能定义了三电平系统与传统信号控制方法的区别：
| 时空协同优化车道功能（空间变量）作为信号配时计算的直接输入。时间和空间控制变量在单一框架内进行联合优化，突破了仅基于时间的信号方案优化的瓶颈，并实现了对各种需求模式的卓越适应性。 |
| 网络级和节点级联合考虑在节点级，交通流和各个车道是基本的控制单元。在网络级，系统监测关键路径上的交通饱和度和排队长度，在实现全网交通压力均衡的同时，优化交叉口的交通状况。 |
| 主动和被动式交通管理：宏观层面：系统预测区域内交通状况，并通过主动式发光标志发布路线引导，在路口前主动引导驾驶员选择路线。微观层面：系统根据实时到达的车流情况，进行战术性的信号灯和车道调整。 |
| 大数据与高分辨率本地数据相结合：来自互联网的数据（导航平台）提供路网行程时间估算和路段状况监测，用于区域信号规划调整；全样本、高分辨率本地检测器数据为交叉口级优化提供精确输入。两种数据流集成到同一个计算环境中。 |
| 云边协同架构：每个路口都配备一个高性能路侧单元（RSU）作为边缘汇聚节点，同时与信号控制器、可变车道标志和引导标志进行通信。云端和边缘管理功能采用分布式部署，以实现高弹性和低延迟响应。 |
| 主动式发光和智能照明主动式发光标志牌可扩大识别距离，在恶劣天气条件下保持清晰可见，并缩短驾驶员决策时间，从而直接提升道路安全。标志牌的照明可根据一天中的不同时段进行控制，也可根据环境光传感器和气象数据动态调节。 |
| 数字和网络化基础设施引导标志牌内置NB-IoT模块，可连接至智能物联网交通基础设施云平台。标志牌身份信息已完全数字化，为大规模车路协作提供V2X技术基础。 |
6. 部署与业绩记录
三级信号引导与控制系统已在中国首个联网车辆试点区域进行演示验证。现场部署证实，该方案技术有效、运行可靠、经济可行。该系统成功应对了所有运行场景：
- 日常需求波动和高峰时段管理
- 交通事件检测与响应
- 重大活动交通管理
- 执法和特种作战
- 恶劣天气
实地测试结果证实：该系统能够切实、持续地缓解城市交通拥堵——这并非理论模型，而是已部署、正在运行的基础设施解决方案。
7. 知识产权与标准
本系统所包含的技术受中国艾路科技有限公司（I-ROAD Technology Co., Ltd.）持有的发明专利保护。本文档是该系统概述的首次国际公开版本。所有技术均由艾路自主研发，并可根据客户需求进行功能定制。
现场设备的认证遵循部署所在地的适用国家或地区技术标准。各系统组件的技术参数记录在本网站提供的相应产品规格书中。
该系统描述借鉴了东南大学（交通运输学院）和I-ROAD发表的同行评审研究，证实了该系统的技术方法和仿真结果的独立学术验证。
（注：本文最初发表于2020年《中国交通科技》期刊）