基于可變導(dǎo)向車道的應(yīng)急車輛通行策略研究*

趙 欣 李 燦 陳珊珊

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

基于可變導(dǎo)向車道的應(yīng)急車輛通行策略研究*

趙 欣 李 燦 陳珊珊

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

提出應(yīng)急車輛在交叉口的可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制概念，并建立交叉口車輛實(shí)時(shí)延誤模型，制定對應(yīng)的信號優(yōu)先控制及時(shí)空組合優(yōu)先控制策略，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)急車輛無延誤的前提下，以交叉口車輛總延誤最小為目標(biāo)，建立多相位信號優(yōu)化配時(shí)模型，并選用Lingo軟件對該非線性約束優(yōu)化問題進(jìn)行求解.仿真結(jié)果表明，可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制策略能夠顯著減小應(yīng)急車輛在交叉口的延誤，相較于傳統(tǒng)的信號優(yōu)先控制也能夠減小對社會車輛延誤的影響，具有更好的適用性.

應(yīng)急車輛；可變導(dǎo)向車道；時(shí)空組合優(yōu)先；控制策略

0 引 言

應(yīng)急車輛在交叉口處的通行問題一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn).Obenberger[1]對應(yīng)急車輛的信號優(yōu)先控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)對信號交叉口實(shí)行單點(diǎn)控制，并采用車載GPS單元發(fā)射控制信號的方式，保證應(yīng)急車輛的綠色通行；Bachelder等[2]提出一種基于感應(yīng)線圈的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制系統(tǒng)；田芳等[3]以特種車輛為研究對象，構(gòu)建了其在交叉口的綠燈暢行系統(tǒng)，并給出了一種信號控制邏輯；謝秉磊等[4]通過對應(yīng)急車輛交叉口信號系統(tǒng)的控制，降低應(yīng)急車輛通過交叉口的延誤，通過分析應(yīng)急車輛具體的運(yùn)行方式、運(yùn)行特性及運(yùn)行過程，得到適合不同交叉口的應(yīng)急車輛的檢測方式和應(yīng)急車輛檢測器設(shè)置的具體位置.綜上，國內(nèi)外專家學(xué)者從“硬措施”的角度對應(yīng)急車輛在交叉口處的通行策略進(jìn)行了大量研究，傳統(tǒng)的方法是在路段或交叉口設(shè)置應(yīng)急車輛檢測器，當(dāng)檢測到應(yīng)急車輛到達(dá)時(shí)實(shí)施該路段下游交叉口的信號優(yōu)先控制[5-7].然而由于城市道路擁堵情況日益嚴(yán)重、社會車輛駕駛員避讓意識薄弱等因素的影響，應(yīng)急車輛被賦予的優(yōu)先權(quán)屢屢深陷困境；且早晚高峰時(shí)段，車輛排隊(duì)長度溢出交叉口的現(xiàn)象頻現(xiàn)，而城市相鄰交叉口間的距離較短，排隊(duì)車輛很難在短時(shí)間內(nèi)消散完，因此采用傳統(tǒng)的交叉口信號控制策略會使應(yīng)急車輛通行效率大打折扣.

為了順應(yīng)道路發(fā)展，并更大程度地減少應(yīng)急車輛的通行時(shí)間，及時(shí)挽救更多的生命或財(cái)產(chǎn)，將目前道路上正逐步興起的可變導(dǎo)向車道技術(shù)引入到應(yīng)急車輛通行策略中，實(shí)現(xiàn)“可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制”，并制定完善的應(yīng)急車輛優(yōu)先通行方案，以期達(dá)到應(yīng)急車輛盡可能安全快速到達(dá)急救現(xiàn)場的目的.

1 應(yīng)急車輛優(yōu)先通行問題分析

1.1 應(yīng)急車輛通行特點(diǎn)

通過調(diào)查了解到，我國應(yīng)急車輛被法規(guī)賦予的優(yōu)先通行權(quán)難以保障，主要原因包括為：①不少社會車輛駕駛員缺乏避讓應(yīng)急車輛的意識；②由于交通安全管理不暢導(dǎo)致“守法困境”，社會車輛因避讓應(yīng)急車輛產(chǎn)生的違法行為可以免于處罰，但申請撤銷違法記錄的取證程序繁瑣；③對于不避讓行為的查處執(zhí)法難；④“車多路少”的矛盾加劇了交通擁堵.

應(yīng)急車輛不受信號控制，利用逆行或換道優(yōu)先通行，這種方式會導(dǎo)致應(yīng)急車輛與社會車輛的摩擦或碰撞概率增大，不僅可能增加延誤時(shí)間，還對應(yīng)急車輛的行駛安全產(chǎn)生威脅.據(jù)調(diào)查，美國7年中應(yīng)急車輛的碰撞事件發(fā)生多達(dá)600多件[8]，而弗吉利亞地區(qū)的關(guān)于應(yīng)急車輛事故調(diào)查的報(bào)告中顯示有約31%的事故發(fā)生在交叉口區(qū)域[9].故為提高應(yīng)急車輛在交叉口的通行安全，文中的研究中將應(yīng)急車輛納入交叉口信號管理，即應(yīng)急車輛嚴(yán)格按照信號指示行駛，此時(shí)會產(chǎn)生紅燈延誤.

1.2 可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制概述

典型的設(shè)有可變導(dǎo)向車道的信號交叉口結(jié)構(gòu)見圖1.該交叉口東進(jìn)口道內(nèi)側(cè)第二條車道即為可變導(dǎo)向車道，車道上方標(biāo)志牌對應(yīng)的箭頭為可變導(dǎo)向箭頭，在值班交警或控制中心的調(diào)控下可靈活更改指示方向.

圖1 設(shè)置可變導(dǎo)向車道的交叉口

可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制是指將可變導(dǎo)向車道應(yīng)用到應(yīng)急車輛通行中，當(dāng)交叉口控制中心接收到應(yīng)急指令時(shí)，優(yōu)先考慮可變導(dǎo)向車道為應(yīng)急車輛行駛方向上的所有車輛提供通行，提高該方向上排隊(duì)車輛的消散能力，減小應(yīng)急車輛的排隊(duì)延誤，見圖2.

可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制的目的是通過與交叉口信號優(yōu)先控制的配合，盡可能地減小應(yīng)急車輛交叉口延誤與交叉口整體延誤.其控制原則主要包含：①應(yīng)急車輛優(yōu)先原則.可變導(dǎo)向車道屬性的變化是以應(yīng)急車輛優(yōu)先通行目的為主，交叉口整體延誤最小為輔進(jìn)行控制的.②路權(quán)明確原則.標(biāo)志牌上游行駛車輛及在可變導(dǎo)向車道等待的車輛均明確車道導(dǎo)向信息，按道行駛.③合理分配原則.在考慮可變導(dǎo)向車道的信號配時(shí)優(yōu)化模型中，需以保證行人及駕駛員行駛安全為前提，合理分配各相位綠燈時(shí)間.

圖2 可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制(以應(yīng)急車輛需左轉(zhuǎn)為例)

2 應(yīng)急車輛交叉口時(shí)空組合優(yōu)先控制策略

2.1 通行方案

傳統(tǒng)的應(yīng)急車輛優(yōu)先通行方法是當(dāng)應(yīng)急車輛到達(dá)相應(yīng)路段時(shí)，由路段處的檢測器檢測到應(yīng)急車輛到達(dá)之后，再進(jìn)行實(shí)施相應(yīng)的優(yōu)先通行措施.具體示意圖見圖3，當(dāng)檢測器檢測到應(yīng)急車輛即將通過交叉口直行或者左轉(zhuǎn)，但此時(shí)直行、左轉(zhuǎn)相位處于紅燈狀態(tài)，信號燈控制系統(tǒng)接收到反饋信息并進(jìn)行緊急處理，采用應(yīng)急車輛強(qiáng)制優(yōu)先模式(一般采取延長綠燈時(shí)間或縮短紅燈時(shí)間)，提供給應(yīng)急車輛交叉口優(yōu)先通行權(quán)利.

圖3 傳統(tǒng)應(yīng)急車輛交叉口信號優(yōu)先控制

該方法適用于沒有路段排隊(duì)車輛或車流量較小的情況，通過對交叉口的信號燈時(shí)間顯示的控制，為應(yīng)急車輛提供優(yōu)先的綠燈信號，從而保證其優(yōu)先通行.

而應(yīng)急車輛交叉口時(shí)空組合優(yōu)先控制方案旨在減少與應(yīng)急車輛同方向行駛的排隊(duì)車輛數(shù)，降低應(yīng)急車輛在交叉口的等待時(shí)間和行車延誤.具體示意圖見圖4，當(dāng)檢測器檢測到應(yīng)急車輛即將通過交叉口左轉(zhuǎn)，前方有大量排隊(duì)車輛，而直行車道排隊(duì)車輛較少，觸發(fā)可變導(dǎo)向車道功能，將1條直行車道轉(zhuǎn)變?yōu)樽筠D(zhuǎn)車道，即進(jìn)口道由原來的1條左轉(zhuǎn)車道變?yōu)?條，左轉(zhuǎn)方向排隊(duì)車輛顯著減少，應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時(shí)延誤顯著降低.

該方法適用于進(jìn)口道滿足設(shè)置可變導(dǎo)向車道條件的交叉口，并需要信號控制進(jìn)行條件輔助，需配有可變導(dǎo)向車道標(biāo)志及標(biāo)線，且可視性和實(shí)用性要求較高.

圖4 應(yīng)急車輛交叉口時(shí)空優(yōu)先控制

2.2 時(shí)空優(yōu)先控制策略

隨著交通擁堵問題成為我國大中型城市普遍存在的“城市病”，僅采取傳統(tǒng)的信號優(yōu)先控制手段無法有效減小應(yīng)急車輛在交叉口的排隊(duì)延誤，且長時(shí)間對應(yīng)急車輛請求方向上開放綠燈會嚴(yán)重影響其他相位社會車輛的通行，從而加劇整個交叉口的總延誤，故從交叉口信號配時(shí)與車道兩方面綜合考慮，制定時(shí)空組合優(yōu)先控制策略.

2.2.1 延誤模型建立

圖5 交叉口相位相序

圖6 交叉口信號配時(shí)圖

延誤是評價(jià)交叉口時(shí)空資源是否最佳配置的重要指標(biāo)，也是應(yīng)急車輛在信號交叉口實(shí)現(xiàn)優(yōu)先控制的重要依據(jù)，其中紅燈及排隊(duì)延誤是應(yīng)急車輛交叉口延誤的主要影響因素.以圖1所示的三相位交叉口為例，其信號相位相序及其對應(yīng)信號配時(shí)分別見圖5～6，以排隊(duì)車輛消散時(shí)間和紅燈延誤時(shí)間為計(jì)算對象建立應(yīng)急車輛實(shí)時(shí)交叉口延誤模型，文中以三相位交叉口為例，其他類型交叉口均可仿照得出各自的延誤公式.

1) 若應(yīng)急車輛東西向直行

(1)

2) 若應(yīng)急車輛東西向左轉(zhuǎn)

(2)

3) 若應(yīng)急車輛在南北向行駛

(3)

此外，根據(jù)應(yīng)急車輛請求方向上車道排隊(duì)車輛數(shù)、車輛到達(dá)率及單車道通行能力，得到排隊(duì)車輛消散時(shí)間τ為

(4)

式中：t為應(yīng)急車輛在交叉口的延誤時(shí)間；T*為應(yīng)急車輛預(yù)計(jì)到達(dá)交叉口的時(shí)刻；C為信號周期時(shí)長；tc為T*除以C的余數(shù)；floor(·)為向下取整函數(shù)；[·]為紅燈延誤時(shí)間；gi,Ii(i=1,2,3)分別為各相位的綠燈時(shí)長及綠燈間隔時(shí)間；q,λ分別為應(yīng)急車輛請求方向上車道的排隊(duì)車輛數(shù)及車輛到達(dá)率；n為請求方向上的車道數(shù)；N為請求方向上單車道的飽和流量.

2.2.2 信號控制策略

圖7 Δt所表示的時(shí)間段

1) 排隊(duì)車輛未完全消散 該種情況的判斷條件為應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口所經(jīng)歷的時(shí)間內(nèi)有效綠燈時(shí)間小于應(yīng)急車輛請求方向上排隊(duì)車輛消散時(shí)間，即

(5)

應(yīng)急車輛由此在交叉口產(chǎn)生的排隊(duì)延誤時(shí)間

(6)

與傳統(tǒng)的信號優(yōu)先控制策略不同，調(diào)整時(shí)間Δt中不僅要考慮交叉口行人過街安全與車輛行駛安全，還需考慮由可變導(dǎo)向車道轉(zhuǎn)變導(dǎo)向所需的清空時(shí)間.應(yīng)急車輛出發(fā)時(shí)刻，信號燈顯示狀態(tài)不同，Δt取值不同.

(1) 處于第二相位或第三相位期間 應(yīng)急車輛出發(fā)時(shí)刻，信號處于第二相位或第三相位期間，時(shí)空優(yōu)先控制策略中需插入可變導(dǎo)向車道原導(dǎo)向清空相位，Δt取值如下.

綠燈期間

(7)

綠燈間隔期間

(8)

(2) 處于第一相位期間 應(yīng)急車輛出發(fā)時(shí)刻，信號處于第一相位綠燈期間，采取縮短紅燈時(shí)間策略，Δt取值如下.

綠燈期間：

(9)

綠燈間隔期間：Δt取值與式(8)相同，其中i=1.

2) 排隊(duì)車輛可完全消散 該種情況的判斷條件為應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口所經(jīng)歷的時(shí)間內(nèi)有效綠燈時(shí)間不小于應(yīng)急車輛請求方向上排隊(duì)車輛消散時(shí)間，即

(10)

其中Δt取值與排隊(duì)車輛未完全消散情況下的取值相對應(yīng).該種情況下的示意圖見圖8.

圖8 可完全消散情況下請求方向上信號控制

圖中[Y]是Y的向下取整數(shù)，Y計(jì)算公式為

(11)

為確保排隊(duì)車輛在有效綠燈時(shí)間內(nèi)完全消散，并保證應(yīng)急車輛到達(dá)時(shí)刻能夠?qū)崿F(xiàn)綠燈通行，其相應(yīng)約束條件如下.

(12)

應(yīng)急車輛在交叉口的優(yōu)先控制策略分為信號優(yōu)先控制策略與時(shí)空優(yōu)先控制策略，2種策略制定的目標(biāo)均為應(yīng)急車輛交叉口延誤最小，若策略制定后應(yīng)急車輛仍有延誤，則采取延長綠燈時(shí)間或縮短紅燈時(shí)間等配時(shí)方案，若策略制定后應(yīng)急車輛無延誤，則交叉口信號優(yōu)化配時(shí)在滿足式(12)的約束條件下，選取交叉口總延誤最小的方案.根據(jù) Webster 公式[11]可知，該配時(shí)方案的目標(biāo)函數(shù)為

(13)

上述配時(shí)模型的求解屬于非線性約束優(yōu)化問題，即在多個自變量滿足其約束條件情況下求解目標(biāo)函數(shù)最值，選用Lingo軟件對配時(shí)方案進(jìn)行求解，該軟件內(nèi)置建模語言，輸入模型簡練直觀，且具有運(yùn)行速度快、計(jì)算能力強(qiáng)等特點(diǎn).

3 實(shí)例分析

3.1 交叉口相關(guān)參數(shù)

為檢驗(yàn)可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制對應(yīng)急車輛交叉口控制策略的影響，將分別制定信號優(yōu)先控制方案及時(shí)空組合優(yōu)先控制方案，對2種方案下應(yīng)急車輛延誤及交叉口總延誤情況進(jìn)行比較.選取某1交叉口J為研究對象，該交叉口渠化及初始相位情況見圖9.

圖9 交叉口J示意圖

圖9中初始信號控制從0刻開始執(zhí)行，信號配時(shí)中各相位車輛啟動損失時(shí)間LS、黃燈時(shí)長A、及綠燈間隔時(shí)間I均為3 s，即總信號周期時(shí)長為110 s，東西向可變導(dǎo)向車道原方向均為直行，交叉口其他相關(guān)渠化數(shù)據(jù)及由此得到的信號控制參數(shù)見表1，其中可變導(dǎo)向車道最長清空時(shí)間的計(jì)算中，車輛行駛速度為9 km/h.

此外，通過交通量調(diào)查統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，分別得到可變導(dǎo)向車道控制觸發(fā)前后各相位的最大流量比，見表2.

表1 交叉口渠化相關(guān)參數(shù)

表2 交叉口各相位最大流量比計(jì)算

3.2 控制方案效果對比

為體現(xiàn)可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制對交叉口控制策略影響的實(shí)時(shí)性，將分別從應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口J的不同時(shí)刻進(jìn)行方案效果比較分析.假設(shè)應(yīng)急車輛于16:30從急救中心出發(fā)，并預(yù)測于16:31或16:33到達(dá)交叉口J西進(jìn)口道，欲進(jìn)行左轉(zhuǎn).由計(jì)算知，應(yīng)急車輛出發(fā)時(shí)刻，交叉口J信號狀態(tài)為第一相位顯示綠燈時(shí)間15 s，且通過調(diào)查，該時(shí)段各相位車輛到達(dá)率λi(i=1,2,3)分別為：1 787，406，715 pcu/h，應(yīng)急車輛請求方向上車輛到達(dá)率λ為208 pcu/h，此外，假設(shè)通過智能手段測得進(jìn)口道請求方向上排隊(duì)車輛數(shù)為20輛.

1) 若應(yīng)急車輛預(yù)測于16:31到達(dá)交叉口J 根據(jù)計(jì)算，在正常信控及2種不同優(yōu)先控制策略下，請求方向上排隊(duì)車輛消散情況及應(yīng)急車輛延誤時(shí)間對比見表3.

表3 不同策略下的應(yīng)急車輛排隊(duì)延誤對比 s

由表3可知，若應(yīng)急車輛出發(fā)時(shí)刻在交叉口J實(shí)施信號優(yōu)先控制，其在該交叉口的延誤可比正常信號控制時(shí)減少17 s，若實(shí)施時(shí)空信號優(yōu)先控制，可比正常信號控制時(shí)減少53 s，減少時(shí)間約為信號優(yōu)先控制的3倍.故該種情況下應(yīng)觸發(fā)可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制，達(dá)到有效減小應(yīng)急車輛交叉口延誤的目的.

2) 若應(yīng)急車輛預(yù)測于16:33到達(dá)交叉口J 同樣，在正常信控及2種不同優(yōu)先控制策略下，請求方向上排隊(duì)車輛消散情況及應(yīng)急車輛延誤時(shí)間對比見表4.

表4 不同策略下的應(yīng)急車輛排隊(duì)延誤對比 s

由表4可知，該種情況下2種優(yōu)先策略均滿足應(yīng)急車輛在交叉口無排隊(duì)延誤的目的，為得到兩種策略下的最優(yōu)信號配時(shí)方案，通過Lingo軟件對信號配時(shí)模型求解，并與正常信號配時(shí)下的交叉口總延誤進(jìn)行比較，整理見表5.

表5 不同策略下的交叉口總延誤對比

2種優(yōu)先控制策略下的方案目標(biāo)是：在保證應(yīng)急車輛無延誤通過交叉口的前提下，達(dá)到交叉口總延誤最小的目的，由表5可知，與正常信號控制相比，傳統(tǒng)的信號優(yōu)先控制方案會導(dǎo)致交叉口總延誤上升，主要是由于為了降低應(yīng)急車輛在交叉口的延誤，對應(yīng)急車輛請求方向上采用延長綠燈時(shí)間或縮短紅燈時(shí)間的方法，勢必會影響其他相位社會車輛的正常通行，增大交叉口的總延誤；而時(shí)空組合優(yōu)先控制方案在對應(yīng)急車輛實(shí)行可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制的同時(shí)，對其他相位的信號重新優(yōu)化配時(shí)，使得交叉口總延誤減小，減小幅度達(dá)36.6%，由此說明可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制對應(yīng)急車輛通行效率提高的重要性.

4 結(jié) 束 語

針對應(yīng)急車輛，提出了“可變導(dǎo)向車道優(yōu)先控制”的概念，通過分析交叉口應(yīng)急車輛的延誤類型，建立了交叉口車輛實(shí)時(shí)延誤模型，并制定了對應(yīng)的時(shí)空組合優(yōu)先控制策略，根據(jù)交叉口排隊(duì)車輛消散情況，以及應(yīng)急車輛出發(fā)時(shí)刻交叉口的信號顯示狀態(tài)，分別給出了2種策略的信號控制方案，并在2種策略能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)急車輛無延誤的前提下，以交叉口車輛總延誤最小為目標(biāo)，建立了多相位的信號優(yōu)化配時(shí)模型.最后，基于城市路網(wǎng)，借助Lingo軟件，以應(yīng)急車輛排隊(duì)延誤及交叉口車輛總延誤為評價(jià)指標(biāo)，針對應(yīng)急車輛不同的出發(fā)時(shí)刻，將2種優(yōu)先策略的控制方案與正常信號控制方案進(jìn)行了效果對比.對比結(jié)果表明，時(shí)空組合優(yōu)先控制明顯優(yōu)于其他2種控制，能夠有效提高應(yīng)急車輛的通行效率，并減小對社會車輛通行的影響.

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Research on Traffic Strategy of Emergency Vehicle Based on Variable Approach Lane

ZHAO Xin LI Can CHEN Shanshan

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

The concept of “variable approach lane priority control” to the emergency vehicle is put forward the vehicles’ real-time delay model is established and signal priority control and combination of space- time priority control strategy are set in this paper. Then on the condition that emergency vehicle has no delay at the intersection, the signal timing model of multiple phases is established to minimize total vehicle delay and the lingo software is used to solve the nonlinear constrained optimization problem. Simulation results show that, variable approach lane priority control strategy can significantly reduce the delay of emergency vehicle at intersection. Compared with the traditional signal priority control, this method can also reduce the influence on social vehicles’ delay and has better applicability.

emergency vehicle; variable approach lane; combination of space-time priority; control strategy

2016-12-14

*教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金項(xiàng)目資助(20131j0005)

U491.4

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.002

趙欣(1979—)：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芙煌ㄏ到y(tǒng)、進(jìn)化算法及組合優(yōu)化