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红绿灯不够用？自动驾驶或需要增加“白色信号灯”

众所周知，交通信号灯一般由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。但现在，北卡罗来纳州立大学的交通工程师提出为自动驾驶汽车增加交通信号「白灯」，以便其能有助于控制交通流量，并让人类司机了解当下路况。计算模拟结果显示，新方法能显著缩短车辆通过十字路口的行程时间，并降低燃料消耗。

目前，相关论文已经发表在IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems上。

引入交通信号白灯改善交通状况

该论文的通讯作者、北卡罗来纳州副教授 Ali Hajbabaie表示，「我们将这个概念称为『白色阶段』，利用了自动驾驶汽车本身的计算能力，目的是改善交通路口的交通状况。我们为白色阶段这一概念引入了新的交通信号灯，指引人类司机的行为。红灯仍然表示停止，绿灯仍然表示前进，白灯则指示人类司机只需跟随他们前面的汽车行驶即可。」

「白色阶段」这一概念的提出基于自动驾驶汽车本身的特点：既然这些车辆可以实现车与车之间的无线通信，也可以与控制交通信号的计算机建立通信联系。

根据设想，当某个路口行驶的自动驾驶汽车数量足够多时，交通信号白灯将被激活。白灯意味着自动驾驶汽车正在协调它们的行驶路线，以有效促进十字路口的交通。其余由人类司机驾驶的非自动驾驶车辆只需跟随前行车辆，如果前方的车辆停下来，人类司机便也停车，如果前方车辆行驶通过十字路口，那么人类司机也跟着通过十字路口。

此时，每辆自动驾驶汽车将接收其他自动驾驶汽车的计划行驶轨迹，以及所有人类驾驶汽车的预估行驶轨迹，通过计划分析，优化自己的行驶路线。

为了确保方案的可行性，自动驾驶汽车之间将就行驶轨迹达成协议，而普通汽车的行驶轨迹将有定制的汽车跟踪模型进行估算。

根据所有车辆的行驶路线，车辆将投票决定交通信号灯的颜色。车辆的混合整数非线性程序被线性化，并被嵌入到后退水平线控制中，以捕捉信号和轨迹优化的动态性质。

当绝大多数靠近十字路口的车辆都由人类司机驾驶时，交通信号灯将恢复为传统的红绿黄模式。

为了确保交通安全，研究人员对于白色阶段这一概念提出了一系列约束条件。

首先，只有当十字路口处停着的第一辆车是自动驾驶汽车时，白色阶段才会被激活。当停着的第一辆车变为普通汽车，白色阶段将被终止。另外，程序将确保十字路口不会出现「绿灯-白灯」或者「绿灯-绿灯」这样的组合搭配，因为这可能会导致潜在的安全事故。但「白灯-白灯」这样的搭配是安全的。同时，研究人员对于每一种信号灯所持续的最长时间都进行了限制，确保交通的安全、高效。

Hajbabaie 说，「将部分交通流量控制权交给自动驾驶汽车是一个相对新颖的想法，我们称之为 移动控制范例，它可以用于协调任何涉及到自动驾驶汽车的交通场景。我们认为在十字路口采用交通信号白灯非常重要，因为它可以告诉人类司机当时的路况，这样他们就知道在接近十字路口时应该做什么。」

同时，他强调，新的交通信号灯并不非得是白色，采用一个司机可以清楚识别的信号才是最重要的。

自动驾驶汽车越多，交通越通畅

研究人员在 2020 年首次提出了「白色阶段」交通路口概念。最初的概念依赖于集中式计算方法，控制交通灯的计算机负责接收附近所有自动驾驶汽车的输入，进行必要的计算，然后告诉自动驾驶汽车应该如何通过十字路口。

Hajbabaie 说，「我们已经改进了这个概念。我们的新方法采用的是分布式计算，这样可以有效利用所有自动驾驶汽车的计算资源来控制交通流量。这种方法更为高效，而且风险更低。例如，如果车辆与交通信号灯的通信中断或延迟，分布式计算方法依然可以顺利解决交通问题。」

此前，白相阶段这一概念无法落地就是因为交通白灯经常无法被激活。在最新的研究中，研究者观察到白色阶段的激活率随着自动驾驶汽车市场占有率的增加而增加。

当自动驾驶汽车的市场占有率达到50%时，白色阶段将频繁在十字路口被激活。当自动驾驶汽车的市场份额达到并超过70%时，交通白灯将成为主要的信号指示灯。值得注意的是，即使自动驾驶汽车的市场占有率达到90%，传统的红绿信号灯也依然会出现。

为了测试分布式计算白色阶段概念的性能，研究人员使用了微观交通模拟器。这些模拟器为复杂的计算模型，可以复制现实生活中的交通状况，甚至可以精确到个别车辆的行为。

通过这些模拟器，研究人员能够比较交通白灯对改善十字路口交通状况的作用，并且了解自动驾驶汽车数量对于该模式的影响。

模拟的结果表明，第一，无论是否采用白色阶段这一概念，自动驾驶汽车都能改善道路交通状况。其次，白色阶段能进一步改善交通流量，同时因为车辆无需走走停停，车辆的燃料消耗也相应减少。第三，十字路口的自动驾驶车辆所占百分比越高，车辆通过路口的速度就越快，油耗也更小。

模拟发现，在引入白色阶段概念的情况下，如果自动驾驶车辆只占总车辆的 10-30%，该概念对交通流量的改善相对较小。自动驾驶车辆的数量越多，白色阶段的优点将更明显。

Hajbabaie 说，「即使通过白色阶段交叉路口的自动驾驶车辆只有10%，交通拥堵问题依然能得到改善。10%的自动驾驶车辆将减少3%的交通拥堵，当30% 的车辆是自动驾驶时，交通拥堵会减少10.7%。」

不仅能用于十字路口

研究人员承认，目前的硬件设施还不足以全面实施分布式计算方法，但只需要对十字路口和现有的自动驾驶汽车进行少量修改，白色阶段这一概念便可落地实现。

研究人员还提出，白色阶段也将适用于特定地点和特殊场合。

例如，港口的商用车流量很大，因此交通状况对于港口至关重要。而商用车采用自动驾驶汽车的概率也较高，因此可以尝试在港口进行白色阶段试点项目，提升港口的交通运输效率。