交叉口时空利用认知和利用评价技术

编者按：近日，在交通缓堵新技术及应用实践论坛上，公安部交通管理科学研究所助理研究员汤若天对交通精细化治理方面的研究和实践方面以《信号交叉口时空利用认知新技术研究和应用展望》为题做了精彩报告。

在面临着交叉口治堵存在“无全链条智能化缓堵治理措施”、“数据利用深度不足”和“治堵经验推广成本高”三大问题，公安部交通管理科学研究所依托国家重点研发计划课题：“安全效率协同导向的道路交通设施与空间组织一体化设计”，探索了一种交叉口时空认知和利用评价技术，该技术具有数据需求量小、不需要人工标定和机器训练、不依赖地图等优点，能够赋能现有的交叉口感知设备，助力精细化治理的大范围推广。

本次报告主要分为4个部分：研究背景和框架、交叉口时空认知技术、交叉口时空利用评价技术和技术的应用与展望。

随着社会生活质量水平的不断提升，城市居民的出行需求呈现出了多样化、个性化以及增量化的趋势，我国的城市道路环境日趋复杂，拥堵问题日趋凸显。为了应对上述这些问题，交通缓堵技术正逐渐向精细化和智能化的方向发展，出现了以潮汐车道、可变导向车道、借道左转等为代表的新型交通缓堵措施。

为了支撑交通缓堵技术的精细化和智能化转型，近年来我国城市道路上的感知设备在数量和种类上均呈现出了增长的趋势，基本上能够满足城市道路的全天候全场景的交通状态监测要求，并且可以获得大量的实时交通数据。

如何使用这些交通大数据，实现交通的精细化和智能化治理，成为了交通缓堵技术研究的一个新方向，实现交通缓堵的智能化治理，最先要解决的问题是让现在的感知设备知道需要治理的对象在哪里。

目前，基于多源数据融合的交通空间识别技术已经解决了这个问题。例如，在武汉的研究实践中，研究者通过融合车辆轨迹数据和遥感影像数据，利用神经网络模型解决了车辆轨迹数据因分布不均无法识别轨迹稀疏区域的问题，以及遥感影像数据因遮挡识别精度低的问题，实现了城市路网中交叉口的自动识别和提取。 

在识别到一个交叉口后，其次要解决的问题是让设备知道这个交叉口堵不堵，可以通过直接计算交叉口延误、排队长度等传统交通指标，或者构建分析交通流宏观基本图等方法来解决这个问题。例如，在北京的实践中，研究者基于车辆的轨迹数据，构建了路网的交通流宏观基本图，实现了路网堵点的自动筛选，以及交叉口分方向的拥堵识别 。

然而，上述的交叉口提取以及堵点筛选等技术在颗粒度上相对较大，无法对交叉口内部空间的利用情况进行有效的判别。

因此，在对具体的交叉口进行精细化治理的时候，现阶段仍需依靠交通工程师通过现场调研，确定优化方案，使得缓堵治理在最后的问题研判环节又回到了人工为主的状态，并没有形成全链条的缓堵治理智能化。

在数据处理方面，虽然交通工程师在分析拥堵问题的时候，也会借助大数据的工具，但主要还是用于计算一些传统交通指标，相比于交叉口的提取和堵点筛选这前两个阶段，在数据利用的深度上明显不足。

另外，由于缺乏可以直接复用的程序化流程，目前只能通过类似出版典型案例集的方式来总结交叉口精细化治理的经验，并进行推广，存在推广成本较高的问题。

为了解决上面这三个问题，公安部交通管理科学研究所探索了一种交叉口时空认知和利用评价技术，目的是让道路上的前端感知设备和人一样，学会如何识别交叉口的空间利用状态，从而自动研判交叉口空间利用存在的问题。

该技术的主要技术路径如下所示：

首先，基于道路感知设备收集到的数据，将道路空间进行栅格化处理，然后识别道路空间中的车辆可通行范围以及道路空间的类别。如果是交叉口，就进一步识别交叉口的相位情况，然后根据各相位下栅格的占用状态识别交叉口整体的空间利用分布情况，并且计算交叉口的利用状态指标，最后对交叉口的时空间利用情况进行评价。

交叉口时空认知和利用评价技术思路

课题组在青岛开展示范工作，这里以青岛市的黑龙江路和蚌埠路交叉口为示例交叉口，对交叉口时空认知技术进行具体的介绍。

课题组利用路口的毫米波雷达采集的交叉口数据开展研究，毫米波雷达具有抗干扰能力强、可全天候工作、安装成本低等优点，如下图所示，只要通过杆件利旧，在交叉口安装4台设备，就可以覆盖整个交叉口的空间范围，从而得到车辆的轨迹数据。

青岛市黑龙江路-蚌埠路交叉口设备部署示意图

轨迹数据的数据项主要包括时间戳、车道灯色和倒计时、车辆的ID、偏航角、速度、来向和经纬度。其中，时间戳、车辆的ID、速度、经纬度是必要的数据项，其他的数据项可以通过必要数据项进行推算。因此，任意可以采集到上述必要数据项的设备，都适用于该技术。

在对交叉口的车辆通行空间进行识别时，该技术先对毫米波雷达所覆盖的道路空间进行栅格化处理，通过车辆的历史轨迹数据，将交叉口空间分割成若干个大小相等的栅格，这里参考国内的城市道路标准宽度，取栅格的边长为三米；然后判断这个栅格是否被占用，如果栅格中的累计车辆轨迹点数量不小于设定的阈值，则判断栅格被占用，占用栅格所组成的空间，就是车辆可以通行的空间。

显然，阈值的取值会影响占用栅格的提取和判断，阈值如果取得太小，就容易提取到因路边停车、违规行驶等造成的异常占用栅格，反之如果取得过大，就会导致占用栅格数量的减少，从而导致识别到的车辆通行范围缩小。

交叉口车辆通行范围识别（一）

因此，该技术中关键的问题之一就是寻找判断占用栅格所需要的最优阈值。

为此，课题组研发了一种基于栅格占用状态的道路空间拓扑结构识别算法。在该算法中，道路空间被内边界和外边界所分割，内边界所包含的占用栅格组成的空间就是交叉口的车辆可通行空间，在内外边界间的占用栅格组成的空间就是连接交叉口的道路空间。

交叉口车辆通行范围识别（二）

当阈值的取值发生变化时，内外边界的位置以及它们之间的间距也会随之发生变化，寻找最优阈值的目标，就是寻找能够使内外边界间距稳定且最大时所对应的阈值区间，取该阈值区间中的最小阈值作为最优阈值。在确定最优阈值后，可以利用Seed-Filling算法识别交叉口内边界所包含的占有栅格组成的连通域，作为车辆通行范围。

另外，基于道路拓扑结构识别算法，还可以通过识别交叉口相连路段的数量来判断交叉口的类型。若识别到相连路段数量是三，则判断交叉口是三岔路口；若识别到相连路段数量是四，则判断交叉口是十字路口；若识别到相连路段数量大于四，则判断交叉口是多进口道路口。该判别方法还可以拓展到路段：若识别到相连路段数量是二，则判断该空间不是一个交叉口，而是一条路段。

进一步地，在识别到交叉口后，可以继续识别交叉口的进口道空间。方法和上述的车辆通行空间范围的识别类似，只需要在统计栅格中累计车辆轨迹点数量的时候，添加车辆的速度和偏航角这两个约束条件。

交叉口车辆通行范围识别（三）

在进行交叉口空间识别的同时，该技术还可以根据车辆的轨迹数据识别交叉口的相位，在本研究中课题组将信号机和毫米波雷达这两套系统打通，通过边缘计算得到相位相序以及相位时长等信息；另外，也可以直接通过交叉口不同转向车辆的连续时间序列数据来推算相位的情况。

交叉口时空利用评价技术从不同角度定义了不同相位下的交叉口时空利用状态，从交叉口在当前相位下是否能够被车辆利用的角度出发，可以将该相位下的交叉口空间分为相位可利用空间和相位不可利用空间；从交叉口在当前相位下是否已经被车辆利用的角度出发，可以将该相位下的交叉口空间分为相位已利用空间和相位未利用空间；相位可利用空间又可以进一步划分为相位已利用空间和相位潜在利用空间；相位不可利用空间也可以进一步划分为相位潜在冲突空间和交叉口渠化空间。

上述这些交叉口的空间利用状态都可以根据栅格在不同相位下的占用情况来决定，并且不同状态空间的大小对应该状态空间包含的栅格数量。

交叉口时空利用状态

该技术还定义了交叉口的时空利用指标及其计算方法，作为评价交叉口利用情况的依据。具体地，该技术从相位和交叉口两个层面去计算空间的占用率、利用率、冗余率、冲突率、潜力指数和均衡指数。该技术已经获得了国家发明专利的授权。

交叉口时空利用指标

该技术可以应用于以下四个方面。

第一，该技术可以应用于交叉口时空状态监测，赋能现有的交叉口前端感知设备，让它们进行动态的交叉口时空利用状态监测，从而实现城市路网交叉口提取，交叉口堵点筛选，交叉口缓堵治理的全链条智能化。

交叉口时空状态监测

这里展示了提取示范交叉口通行空间之后，利用另外一组历史数据进行的交叉口时空利用状态识别得到的结果，图中可以看到不同相位下交叉口的不同空间利用状态，需要注意的是蓝色的相位潜在利用空间。

第二，该技术可以应用于交叉口拥堵问题的研判，通过挖掘交叉口时空利用的规律，自动研判交叉口的堵点问题。

识别完交叉口状态之后，可以结合不同相位下车辆对交叉口的利用情况，对堵点进行研判，例如，示例交叉口的南进口道在相位1和相位2下，直行方向是通行的，右转车辆也能正常通行；在相位3、4、5下，虽然直行方向是不通行的，但由于右转车辆不受信号控制，理论上右转车辆在一定程度上还是能够通行的。

然而，从实际情况来看，相位3、4、5下右转的空间上存在着大量的潜在利用空间，说明在这三个相位下，右转空间是没有被车辆利用的，这和理论情况有所不同。因此，判断在相位3、4、5下，右转车辆受直行的待行车辆阻挡，通过对实地情况进行调研比对，证明该判断是正确的。

交叉口拥堵问题研判

第三，该技术还可以应用于交通组织的辅助决策，通过还原交叉口动态的利用情况，引导支撑交通组织措施的制定和应用。

例如，示例交叉口的南进口道在相位1下左转是可以通行的，在相位4和相位5下南出口道又存在大量的潜在利用空间，虽然这些未利用空间是在出口道外侧的，但是可以通过交通组织把现有车辆从出口道内侧转移到出口道外侧，从而将出口道内侧的空间给空出来，为设置借道左转创造了条件。

同时，可以发现在相位4、5、1下示例交叉口的北进口道前方存在一个潜在未利用的区域，因此可以考虑设置一个直行待转区。

图 交通组织辅助决策

第四，该技术还可以应用于信号配时方案的比选与优化。

以无锡市的梁清路和湖滨路交叉口为例，该交叉口存在车辆转向不均衡的问题，因此课题组设计了两个信号配时方案，方案一是东西直行、南北左转、南北直行、东西左转，方案二是东西直行、东西左转、南北左转、南北直行。

方案二是该交叉口的现行方案，与常见的四相位配时方案相比，方案二将南北直行和左转相位进行了交换，交叉口空间利用评价的结果是方案二的空间利用率比较高，这说明方案二作为现行方案具有一定的合理性。

另一方面，虽然方案一的空间利用率比较低，但是方案一在东西直行和南北直行的时候，通行方向的出口道存在大量的未利用的空间，可以考虑设置借道左转来缓解转向流量不均衡的问题。

信号配时方案比选与优化

通过这个例子，可以看出该技术不仅可以给信号配时方案比选提供新的依据，还可以把信号配时方案和交通组织设计联系在一起。

参考文献：

[1]李雅丽等，车辆轨迹与遥感影像多层次融合的道路交叉口识别[J],测绘学报，2021

[2]贺正冰等, Network wide identification of turn-level intersection congestion solely using sparse probe vehicle data , Transportation Research Part C,2019