交通擁堵情況下應急救援車輛優先通行主動控制方法

張立立，于 沛，李 晶，姚 迪，趙 琦，王 力

（1.北京石油化工學院信息工程學院，北京 102617；2.中國消防救援學院基礎部，北京 102202；3.北方工業大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室，北京 100144）

0 引言

應急救援車輛在城市道路中的優先通行已成為一個具有高關注度的社會輿論和城市管理的問題［1-4］。目前我國應急救援車輛優先通行仍需依靠交通參與者的自覺讓行等方式，在交通擁堵頻發的城市交叉口往往難以保障順利通行。

針對該問題，國內外學者進行了相關研究，蔣光勝等［5］以北京奧運交通保障為背景，通過在信號控制器安裝無線射頻識別裝置，在公交車、奧運VIP車輛和公安特種車輛上安裝發射裝置，實現了初級車路協同條件并提出公交車和特種車輛的優先控制策略。楊兆升等［6］利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術實現簡單的車路協同環境，提出應急車輛優先控制策略。王吟松等［7］利用專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術構建應急車輛交叉口信號控制系統，通過令應急車輛與路側系統進行交互通信實現優先控制。Wang 等［8］設計了應急車輛優先控制系統，提出了動態信號優先控制策略，并在某市對所開發系統進行了實際應用測試。龍文民等［9］在車路協同環境下實時獲取交叉口狀態信號、交叉口各方向排隊長度、應急車輛自身位置及車速等信息，設計應急車輛優先控制方法。Li等［10］考慮到車用無線通信（Vehicle to X，V2X）時延將影響應優先請求的響應，提出基于補償距離的應急車輛優先控制方法。Cao等［11］從應急車輛性能角度出發，提出了以應急車輛為中心的車路協同智能應急交通系統，以確保其快速通過，并降低對社會交通的影響。

上述研究都是以傳統被動交通控制理論為基礎進行建模和算法設計，當城市交叉口處于高度擁堵狀態時這些方法大多無計可施。為此，本文從擁堵情況下應急救援車輛的優先通行需求入手，以廣義主動交通控制理念為核心，建立高維度、多變量的主動交通控制模型，設計優先通行控制算法，并采用自主研發的應急管理交通仿真軟件（Emergency Management Traffic Simulation Platform，EMTSP）［12］對設計的方法進行示例驗證。

1 城市交叉口主動控制建模

以廣義主動交通控制理念為核心，建立主動交通控制模型，將傳統以周期、綠信比調節為核心的交叉口信號被動控制轉變為車道可變、相位相序可調且具有鏈狀連接特性的交叉口主動控制［13-14］。城市交叉口交通控制中涉及的時空變量包括車道、相位、相序、相位綠燈時間共4 類，在主動控制模型構建時充分考慮4 類變量。

如圖1 所示，交叉口由內部沖突區域和上下游連接路段組成。

圖1 交叉口輸入、輸出控制模型

設交叉口的連接路段集合中的路段j，a的方程為：

式中：nj，a（k）為路段j，a在采樣周期k的車輛數；qj，a，in（k）為采樣周期k內上游路段發送給路段j，a的車輛數；qj，a，out（k）為采樣周期k內路段j，a發送給下游路段的車輛數。建立車道基因的調控變量集

表示當前相位綠燈方式以飽和流率速度放行，其放行的下游車道由調控變量?j，a，o（k）決定。

將式（2）代入式（1）得到交叉口時空資源動態模型

式中：Sj，a為路段通行能力；gj，a，o（k）為采樣周期k內路段j，a所在相位的綠燈時間，且有gj，a，o（k）≥gj，a，o，min。綠燈時間gj，a，o（k）與調控變量φj，a，o（k）中的o和相位數量有關，因此可由表示；min｛wj，a（k），表示上下游路段連接與相位數量并不相同，原因即上下游不能沒有連接，但相位可以在采樣周期k內不從屬于相序。

2 應急車輛優先控制算法設計

2.1 目標函數集合

由于交通場景的時變性，對不同場景應該采用不同的控制目標函數，同時考慮到目標函數設計的統一性，令控制目標函數為

式中：JTTS為交叉口全部車輛的行程時間；JSTS為應急車輛的單車行程時間；α、β為權重系數。

2.2 應急救援車輛優先通行主動控制方法

當應急救援車輛優先通行的需求產生時，此時其將采樣周期k內執行某相位時交叉口的流量和排隊作為輸入，在信號控制方案中搜索與當前執行相位相匹配的n個相位作為下一步執行相位的候選，再對每個候選相位選擇其連續執行的m個相位作為控制鏈。以式（5）目標函數，以式（4）為控制模型，根據調整權重值，變化目標函數的形式，采用遺傳算法（Genetic algorithm，GA）作為優化算法執行n個控制鏈，并對n個控制鏈的所得J進行排序，取得Jmin的控制鏈的第一個相位作為當前相位的下一個執行相位，并將所得間隔時間、相位、綠燈時間作為輸出，如圖2 所示。

圖2 應急車輛優先通行主動控制流程圖

該方法的具體執行步驟如下：

步驟1初始化算法參數，算法開始執行。

步驟2場景辨識，判斷場景類型，在目標函數集合中選定對應目標函數。

步驟3實時檢測交通狀態，執行當前相位與綠燈時間，當進入時（啟動參數），輸出當前交叉口各路段交通流量輸入和排隊狀態。

步驟4判斷是否有應急救援車輛優先通行的需求產生，如果有則通過調整權重值變化目標函數的形式，轉至步驟6；否則轉至步驟5。

步驟5啟動相位控制鏈預測，在所設置的相位控制鏈方案組中選擇當前執行相位的相容控制鏈方案組，將步驟3 中的交通流量和排隊狀態作為輸入，以為Jmin目標函數，并以GA 為優化算法，分別執行相容相位控制鏈方案組中的所有方案，并對執行后的N（k+1）排名，輸出排名第1 的相容相位控制鏈方案中第1個相位、綠燈時間和間隔時間。該過程采用異步多線程計算，計算時間為。

步驟6啟動相位控制鏈預測，并激活車道控制，在所設置的車道和相位控制鏈方案組中選擇與當前場景相匹配且與當前執行車道和相位相容控制鏈方案組，將步驟1 中的交通流量和排隊狀態作為輸入，以為Jmin目標函數，并以GA 為優化算法，分別執行相容相位控制鏈方案組中的所有方案，并對執行后的排名，輸出排名第1 的相位控制鏈方案中第1 個車道、相位、綠燈時間和間隔時間。該過程采用異步多線程計算，計算時間為。

步驟7將步驟4 或步驟5 計算得到的（間隔時間、相位、綠燈時間、車道）輸出到主進程中，待當前相位的結束后，執行計算得到的方案。

3 實例仿真與分析

采用自主研發的EMTSP 對設計的應急救援車輛優先主動控制方法進行示例驗證，如圖3 所示，建立一個中等規模的仿真路網，路網中的交通狀態模擬為｛非擁堵、擁堵｝兩種場景；應急需求產生是隨機的，應急救援中心的選址是固定的，以便真實模擬應急需求產生后應急救援車輛的通行情況。

圖3 應急救援車輛優先控制仿真示例

每組仿真時間為2 h，每組進行10 次仿真并取平均值。其中，評價參數均選擇平均停車次數和平均延誤時間，數據采樣間隔為10 min。在｛非擁堵、擁堵｝兩個場景中，與傳統緊急救援車輛優先控制方法［5］進行對比分析。如圖4 分別為｛非擁堵、擁堵｝兩個場景下應急救援車輛的平均延誤時間和平均停車次數。由圖4 可見，在非擁堵的應急救援車輛通行場景下，采用本文所提的主動控制方法與傳統控制方法的控制效果相近；但隨著交通流的變化場景由非擁堵演化為擁堵時，此時采用本文所提的主動控制方法的控制效果明顯好于傳統控制方法。其中，從圖4（a）可以看出，應急救援車輛的平均停車延誤時間降低14.81%，從圖4（b）可以看出，平均停車次數降低47.06%。

圖4 應急救援車輛優先通行控制效果對比

4 結語

本文考慮交通擁堵情況下應急救援車輛通行的實際需求和采用傳統被動交通控制理論設計的優先通行控制方法存在的問題，利用廣義主動交通控制理念，將交通控制變量維度由三維（周期、綠信比、相位）提升到四維（綠燈、相位、相序、車道），建立了高維度、多變量的主動交通控制模型，使交叉口控制的彈性和能力得到大大增強。以該模型為基礎，設計了應急救援車輛主動控制方法。利用自主研發的應急管理交通仿真平臺設計了中等規模的復雜交通路網，并將所提控制方法與傳統方法進行仿真對比分析，結果表明，采用本文所提方法在交通擁堵情況下應急救援車輛的平均延誤時間和平均停車次數都優于傳統方法，證明了所提方法的可用性和有效性。