基于車聯網技術的特殊車輛優先通行信號協調控制方法研究

文/陳澤平

在當今社會發生緊急事件后，車輛能否及時地達到現場成為了評價社會進步的指標。因此，提出了基于車聯網技術的特殊車輛優先通行信號協調控制方法研究這一課題，基于車聯網龐大的數據支撐，設計特殊車輛優先通行信號優先級別，對路口的相位進行計算，并預設鎖定相位的范圍，根據相位條件設置最小綠燈時長。基于車聯網數據計算相應的信號周期，合理的信號周期是實現優先通行信號協調控制的前提。并在仿真軟件中搭建車輛行駛的仿真條件，通過仿真車輛交叉路口的行駛，驗證車聯網技術信號協調控制方法的有效性，實驗結果表明該方法的車輛延誤時間最短。

0.引言：

車輛的通行離不開信號燈的指引。交通信號燈不僅被應用在日常的公共交通當中，更是特勤任務和緊急救援中調節交通狀況的信號指示。車輛優先通行信號和普通的紅綠燈相結合，為調節城市的交通狀態、創造文明城市做出自己的貢獻。城市中的交通場景隨著人口基數的變化越來越復雜，如果不對交通狀況進行規劃和管控，就會出現嚴重的交通擁堵現象[1]，構建交通管控信號體系非常重要。特殊車輛優先通行信號控制在綠色交通的戰略指導下發展越來越科學，推廣在我國各級城市的交通管理中來。按照我國車輛優先通行的政策，制定車輛特殊車輛優先通行的規則，目前該規則的制定已逐漸成熟，可以作為建設體制的參考。傳統的特殊車輛的優先通行的控制方法是建立優先通道，并改造專業的信號燈作為特殊車輛的交通指示標志。在馬路上布置射頻設備，和專業的信號設備，在特殊車輛中安裝接收信號的芯片，以便可以精確定位到特殊車輛的位置。在信號發出的時候觸發實時定位，信號機可進行特殊車輛信號優先切換，提前幾秒鐘亮起信號燈[2]，保證特殊車輛優先行駛。不僅可以實現特殊車輛的權益，還可以控制整個路面的通行效率。但該方式對其配套設施有一定要求。例如道路的基本建設和其他硬件設施，前期投入很高，需要很長時間才能收回成本。硬件設施的改變靈活性較差，在交通狀態改變的情況下需要人為進行信號變更頻率的更改，否則就會在車輛密集的路口起到適得其反的效果，車輛的優先駕駛導致對正常的通行秩序產生干擾。而特殊車輛較少的道路，正常車輛依舊要等優先通行的信號發生變化才能行駛。縮減了車輛的有效行駛時間，造成道路資源的浪費。因此傳統的優先控制方法的靈活性差，使用范圍狹窄。只有當特殊車輛的路線固定，行駛時間固定（例如：公交車）的時候使用。對于面對突發事件使用的車輛，例如救護車、災害救援車、消防車或抓捕犯人的警車等特殊車輛的出行時，不容易發揮自己的作用。本文基于傳統方法的問題改善優先通行信號協調控制方法的不靈活性，將車聯網融入到信號協調的控制當中，分析多種道路交通的特征和控制場景。設計了新的車輛的信號協調控制方法。涵蓋了大部分的特殊車輛。在實現信號優先協調功能的前提下，減少設備的增量。降低投資成本。

1.設計特殊車輛優先通行信號優先級別。

特殊車輛的信號優先控制應該先確定信號的優先級別，首先應確定車輛的實時位置。并計算位置和信號控制路口的相位，普通車輛在車輛行駛的過程中，遇到紅燈車輛統一停下，優先行駛車輛的綠燈率先亮起，普通車輛的綠燈亮起。如果是需要緊急行駛的特殊車輛，則不會受紅燈的束縛，其他車輛要避讓。首先要獲得車輛的定位數據，由于車輛是移動的物體，因此在定位的時候，采取動態定位的方式[3]。定位信號的更新周期為3 s~5 s，根據車輛行駛的方向和車輛的路線，對路口的相位進行計算，并預設鎖定相位的范圍。而引導車輛行駛的后臺信號根據相位鎖定范圍進行相位鎖定指令的發送，控制系統對接收的信號進行反饋。信號燈接收到命令后開啟綠燈，使特殊車輛通過。路口的執行指令使信號機產生變化，車輛在綠燈的狀態下可以一直保持通行的狀態。鎖定相位與行駛路口之間的距離，并計算綠燈時長。綠燈的時長達到最小值的時候滿足解鎖相位條件，將最小綠燈時長作為時間標準，不滿足時間標準的采取長時間相位解鎖的訓練方式，直到時間滿足條件為止。信號調度計劃從特殊車輛過路口之后，也就是下一個相位變為普通車輛的調度規則，信號機的變化算法利用了車聯網技術，這種算法消耗的時間短、能耗低、容易實現。可以適應各種交通變化情況，只要網絡技術條件滿足無線聯網就可以控制路口的信號機，按照規則進行變化。特殊車輛優先通行不會因為左轉待轉區的車輛積壓而被打斷，路口待行區的直行車輛也不影響特殊車輛的正常通行。特殊車輛的優先通行的可靠性和靈活性是由鎖定范圍決定的，范圍越大可靠性越高[4]。為了使特殊車輛能夠在執行任務的過程中不因信號問題耽誤時間，在鎖定范圍的設置中，將優先特殊車輛的任務設置為最高級。為了保證該信號優先級別確定方法的可靠性，鎖定范圍設置一定要適中。根據路口相位進行判斷，為避免特殊車輛已經從路口行駛出去，信號燈卻仍舊未切換的情況，綠燈與紅燈之間的時間差按照最小值取值，鎖定范圍設置過大影響優先控制效果，其他流向的社會車輛的權益也需要保障，因此在高峰時段要減少優先通行的頻率。

2.基于車聯網數據計算相應的信號周期。

特殊車輛優先通行信號優先級別設置完成之后，應為信號燈設置最佳周期。優先相位綠燈時長設置為T，信號周期根據車流量的變化而產生變化，但周期應保證一定的平穩。周期的可調整時長為t，預設時間的過程中原則為t＜T，t的時長設置根據路口實時交通運行狀況不宜過長，并隨著實際情況的變化隨時調整。例如在日常的行車時間周期之間的差為3 s，那么在早晚高峰的時候周期差就要縮短為1.5 s，車輛到達下一個路口的時間按照時速55km進行計算，在上一個路口遇到的是綠燈，在下一個路口大概率遇到的也是綠燈，增加司機的有效行車時間，并對信號周期的方案按照實際情況進行調整。信號燈顯示紅燈，并距離綠燈的時間小于10 s，此時屬于車輛在綠燈顯示前達到[5-7]，相位時長最大減少10-t秒，基本可以保證車輛等待時間在合理的范圍內，且一定能在綠燈時間內行駛過該路口。若車輛達到路口的時候正好信號燈為綠燈，且綠燈的時長在10s以上，基本可以保證車輛到達時可以順利行駛過路口。但在特殊車輛到達路口時綠燈剛好結束，則特殊車輛要在路口處等待至少25s的時間，優先相位的時長為25+t，車輛無法順利的通過，此時只能減少車輛的等待時長。通過周期提前的方式對信號變化進行逐步調整，周期時長的調整值和相位長度的數值相等。主要的調整方式為將實時位置數據的更新時間縮短為2s，并根據車聯網的速度動態計算的方式，計算特殊車輛達到下游路口的時間。設置路口的信號周期為C，則綠燈信號的變化參數為u，則C的計算公式：

常數10的單位為s，根據周期長度的適配時差調整信號周期，經過計算保證特殊車輛在綠燈信號燈亮起的時候，車輛可以到達路口[8-9]。但在高峰時期仍舊會出現車輛排隊的隊伍過長導致車輛達到路口的時候，綠燈也已經結束的情況。此時應該增加特殊車輛相位長度，檢測車輛通過路口的最長時間，保證車輛能夠順利通過。下一個相位開始恢復普通車輛的運行周期，周期的計算可以避免特殊車輛對正常通行秩序影響，平衡難度小可確保車輛暢行。但車聯網的原信號周期長度是計算的基礎參數，因此在取值的時候影響優先效果[10]，為避免優先控制可靠性降低，大周期路口的信號燈變化頻率相對較低。周期和優先級別的確定可制定信號燈的變化規則，最終實現特殊車輛優先通行信號協調控制。

3.仿真實驗。

為了驗證本文設計的優先控制方法的優越性，與傳統的人工智能算法優先協調控制方法和Vissim信號協調控制方法相比，對比三種方法的特殊車輛在交叉路口的延誤時間。

3.1仿真環境

仿真軟件采用MATTY車輛參數仿真軟件，在仿真軟件中設定雙向車道為6個。設定車輛的流量為1100veh/h，基于特殊車輛的目的和駕駛員的心理作為行駛參數，交通信號燈的綠燈時長為40s，黃燈的緩沖時間為3秒，紅燈的周期為57s，信號燈三種顏色的循環一次的周期為100s，路口四相位的設置為南北左轉、東西右轉，南北右轉直行，東西左轉直行。特殊車輛的限速為55公里每小時，而正常車輛的限速為40公里每小時，在當前的仿真環境下，設置五組車輛實驗，計算車輛的路口延誤的時間。

3.2仿真結果與分析評價

三種方法的時間計算結果如圖1所示：

圖1 實驗結果

仿真實驗結果如圖1所示：在三種控制方法中，本文設計的方法車輛的延誤時間在2s~4s左右。而傳統的兩種控制方法最小延誤時間也在6s左右，最長延誤時間可達14s，對于特殊車輛來說在交叉路口的總停車次數越少，遇到的紅燈越少，延誤的時間就越短，尤其對于救援和抓捕車輛來說，車輛優先通行信號協調做的越好，越有利于車輛有效駕駛時間的提升。

結束語：

本文設計了基于車聯網技術的特殊車輛優先通行信號協調控制方法，因此在進行特殊車輛的信號優先控制的時候，使用信號等級優化和周期合理分配的方式。提升交通優先控制的精細化程度。提升信號變化的敏感性，本文方法將排隊長度、車頭時距、轉向流量等參數都進行了細化。是優先控制方案的數據支撐，也為日后路口運行狀況的判斷作出貢獻。