交通擁堵情況下應(yīng)急救援車輛優(yōu)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(chǔ)部，北京 102202；3.北方工業(yè)大學城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100144）

0 引言

應(yīng)急救援車輛在城市道路中的優(yōu)先通行已成為一個具有高關(guān)注度的社會輿論和城市管理的問題［1-4］。目前我國應(yīng)急救援車輛優(yōu)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(fā)的城市交叉口往往難以保障順利通行。

針對該問題，國內(nèi)外學者進行了相關(guān)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(fā)射裝置，實現(xiàn)了初級車路協(xié)同條件并提出公交車和特種車輛的優(yōu)先控制策略。楊兆升等［6］利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)實現(xiàn)簡單的車路協(xié)同環(huán)境，提出應(yīng)急車輛優(yōu)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(shù)構(gòu)建應(yīng)急車輛交叉口信號控制系統(tǒng)，通過令應(yīng)急車輛與路側(cè)系統(tǒng)進行交互通信實現(xiàn)優(yōu)先控制。Wang 等［8］設(shè)計了應(yīng)急車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)，提出了動態(tài)信號優(yōu)先控制策略，并在某市對所開發(fā)系統(tǒng)進行了實際應(yīng)用測試。龍文民等［9］在車路協(xié)同環(huán)境下實時獲取交叉口狀態(tài)信號、交叉口各方向排隊長度、應(yīng)急車輛自身位置及車速等信息，設(shè)計應(yīng)急車輛優(yōu)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(yīng)優(yōu)先請求的響應(yīng)，提出基于補償距離的應(yīng)急車輛優(yōu)先控制方法。Cao等［11］從應(yīng)急車輛性能角度出發(fā)，提出了以應(yīng)急車輛為中心的車路協(xié)同智能應(yīng)急交通系統(tǒng)，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(tǒng)被動交通控制理論為基礎(chǔ)進行建模和算法設(shè)計，當城市交叉口處于高度擁堵狀態(tài)時這些方法大多無計可施。為此，本文從擁堵情況下應(yīng)急救援車輛的優(yōu)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(shè)計優(yōu)先通行控制算法，并采用自主研發(fā)的應(yīng)急管理交通仿真軟件（Emergency Management Traffic Simulation Platform，EMTSP）［12］對設(shè)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(tǒng)以周期、綠信比調(diào)節(jié)為核心的交叉口信號被動控制轉(zhuǎn)變?yōu)檐嚨揽勺儭⑾辔幌嘈蚩烧{(diào)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(gòu)建時充分考慮4 類變量。

如圖1 所示，交叉口由內(nèi)部沖突區(qū)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(shè)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(shù)；qj，a，in（k）為采樣周期k內(nèi)上游路段發(fā)送給路段j，a的車輛數(shù)；qj，a，out（k）為采樣周期k內(nèi)路段j，a發(fā)送給下游路段的車輛數(shù)。建立車道基因的調(diào)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(diào)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(tài)模型

式中：Sj，a為路段通行能力；gj，a，o（k）為采樣周期k內(nèi)路段j，a所在相位的綠燈時間，且有g(shù)j，a，o（k）≥gj，a，o，min。綠燈時間gj，a，o（k）與調(diào)控變量φj，a，o（k）中的o和相位數(shù)量有關(guān)，因此可由表示；min｛wj，a（k），表示上下游路段連接與相位數(shù)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(nèi)不從屬于相序。

2 應(yīng)急車輛優(yōu)先控制算法設(shè)計

2.1 目標函數(shù)集合

由于交通場景的時變性，對不同場景應(yīng)該采用不同的控制目標函數(shù)，同時考慮到目標函數(shù)設(shè)計的統(tǒng)一性，令控制目標函數(shù)為

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

2.2 應(yīng)急救援車輛優(yōu)先通行主動控制方法

當應(yīng)急救援車輛優(yōu)先通行的需求產(chǎn)生時，此時其將采樣周期k內(nèi)執(zhí)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(zhí)行相位相匹配的n個相位作為下一步執(zhí)行相位的候選，再對每個候選相位選擇其連續(xù)執(zhí)行的m個相位作為控制鏈。以式（5）目標函數(shù)，以式（4）為控制模型，根據(jù)調(diào)整權(quán)重值，變化目標函數(shù)的形式，采用遺傳算法（Genetic algorithm，GA）作為優(yōu)化算法執(zhí)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(zhí)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(yīng)急車輛優(yōu)先通行主動控制流程圖

該方法的具體執(zhí)行步驟如下：

步驟1初始化算法參數(shù)，算法開始執(zhí)行。

步驟2場景辨識，判斷場景類型，在目標函數(shù)集合中選定對應(yīng)目標函數(shù)。

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

步驟4判斷是否有應(yīng)急救援車輛優(yōu)先通行的需求產(chǎn)生，如果有則通過調(diào)整權(quán)重值變化目標函數(shù)的形式，轉(zhuǎn)至步驟6；否則轉(zhuǎn)至步驟5。

步驟5啟動相位控制鏈預(yù)測，在所設(shè)置的相位控制鏈方案組中選擇當前執(zhí)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(tài)作為輸入，以為Jmin目標函數(shù)，并以GA 為優(yōu)化算法，分別執(zhí)行相容相位控制鏈方案組中的所有方案，并對執(zhí)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(yù)測，并激活車道控制，在所設(shè)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(zhí)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(tài)作為輸入，以為Jmin目標函數(shù)，并以GA 為優(yōu)化算法，分別執(zhí)行相容相位控制鏈方案組中的所有方案，并對執(zhí)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(jié)束后，執(zhí)行計算得到的方案。

3 實例仿真與分析

采用自主研發(fā)的EMTSP 對設(shè)計的應(yīng)急救援車輛優(yōu)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(guī)模的仿真路網(wǎng)，路網(wǎng)中的交通狀態(tài)模擬為｛非擁堵、擁堵｝兩種場景；應(yīng)急需求產(chǎn)生是隨機的，應(yīng)急救援中心的選址是固定的，以便真實模擬應(yīng)急需求產(chǎn)生后應(yīng)急救援車輛的通行情況。

圖3 應(yīng)急救援車輛優(yōu)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(shù)均選擇平均停車次數(shù)和平均延誤時間，數(shù)據(jù)采樣間隔為10 min。在｛非擁堵、擁堵｝兩個場景中，與傳統(tǒng)緊急救援車輛優(yōu)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(yīng)急救援車輛的平均延誤時間和平均停車次數(shù)。由圖4 可見，在非擁堵的應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)控制方法。其中，從圖4（a）可以看出，應(yīng)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(shù)降低47.06%。

圖4 應(yīng)急救援車輛優(yōu)先通行控制效果對比

4 結(jié)語

本文考慮交通擁堵情況下應(yīng)急救援車輛通行的實際需求和采用傳統(tǒng)被動交通控制理論設(shè)計的優(yōu)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(chǔ)，設(shè)計了應(yīng)急救援車輛主動控制方法。利用自主研發(fā)的應(yīng)急管理交通仿真平臺設(shè)計了中等規(guī)模的復(fù)雜交通路網(wǎng)，并將所提控制方法與傳統(tǒng)方法進行仿真對比分析，結(jié)果表明，采用本文所提方法在交通擁堵情況下應(yīng)急救援車輛的平均延誤時間和平均停車次數(shù)都優(yōu)于傳統(tǒng)方法，證明了所提方法的可用性和有效性。