基于互聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)急車輛的道路交通流研究

張 莉

(長治市交通運輸綜合行政執(zhí)法隊，山西 長治 046000)

1 引 言

基于互聯(lián)網(wǎng)和車輛的技術(shù)的研究簡稱為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分[1，2]。近年來，隨著通信技術(shù)的發(fā)展和各大汽車廠商的推廣，汽車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。在不久的將來，汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將在城市交通中發(fā)揮重要作用，汽車網(wǎng)絡(luò)也將成為眾多學者研究的重點[3]。

應(yīng)急車輛執(zhí)行緊急救援服務(wù)屬于非常特殊的混合交通流，所以它有優(yōu)先級流量和遵守交通規(guī)則，“它不受行駛方向、行駛速度和信號燈，應(yīng)該允許和其他車輛和行人?！壁w鑫等人提出了交叉口應(yīng)急車輛變道優(yōu)先控制的概念，建立了交叉口車輛實時延遲模型，并制定了相應(yīng)的信號優(yōu)先控制策略，采用多相位信號優(yōu)化，減少交叉口應(yīng)急車輛延誤的時間模型[4，5]。

研究項目提出一種自動機模型，該模型描述了應(yīng)急車輛在車輛互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境之間的關(guān)系，改善了普通車輛和緊急車輛在城市道路環(huán)境。此外，從改善交通流以減少應(yīng)急車輛延誤的角度來看，在模型中加入了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)急車輛生成規(guī)則。通過將應(yīng)急車輛和聯(lián)網(wǎng)普通車輛的運行數(shù)據(jù)進行對比，得出車聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)急車輛和普通車輛的影響。該模型能夠可應(yīng)用于應(yīng)急車輛在道路上的交通管理，通過互聯(lián)網(wǎng)先驗信息，能夠及時對應(yīng)急車輛行駛路線做出正確調(diào)整和指導，使得應(yīng)急車輛行駛更加便利。

2 車輛與應(yīng)急車輛聯(lián)網(wǎng)特征分析

在建立自動機模型之前，需要首先分析應(yīng)急車輛和互聯(lián)網(wǎng)車輛的交通特性。主要從車輛的行駛速度、加減速特性、停車時間、車道頻率和車輛啟動功能等方面進行分析。

2.1 普通車輛的特征

車聯(lián)網(wǎng)(Internet of Vehicles，簡稱IoV)是一種信息交換網(wǎng)絡(luò)，包含車輛位置、速度、路線，以及車輛、道路、人、網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施之間的無線通信。它的物理載體是通過電子設(shè)備，如射頻識別、攝像頭、傳感器、GPS。采用車載網(wǎng)絡(luò)、道路網(wǎng)絡(luò)、交通環(huán)境網(wǎng)絡(luò)等對信息進行采集，并按照通信協(xié)議和標準傳輸?shù)皆朴嬎阒行?。云計算中心利用計算機技術(shù)對車輛數(shù)據(jù)信息進行分析和處理，然后將結(jié)果反饋給駕駛員，以便交通管理人員控制。通過這種方式，車聯(lián)網(wǎng)能夠及時報告交通狀況，安排信號周期，實現(xiàn)人、車、路的智能監(jiān)控、調(diào)度和管理。由此可見，汽車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，是信息社會與汽車社會融合的結(jié)果。

2.2 應(yīng)急車輛的特征

在實際的交通環(huán)境中，應(yīng)急車輛頻率較低，是一種特殊類型的車輛，主要包括警車、消防車、救護車、工程救援車和提供其他應(yīng)急救援服務(wù)的車輛。根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法》第五十三條規(guī)定:警車、消防車、救護車、工程救援車輛在執(zhí)行緊急任務(wù)時，可以使用報警器、標志燈，在保證安全的前提下不受行駛路線、行駛方向、行駛速度和信號燈限制，其它車輛和行人應(yīng)向應(yīng)急車輛讓行。應(yīng)急車輛的特殊性使得應(yīng)急車輛的行為不同于普通車輛，當應(yīng)急車輛加入交通流時，交通特征與正常情況相比有一定程度的差異。

3 基于互聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)急車輛的城市道路交通流模型演化規(guī)律

3.1 自動機模型建模

將城市道路模型描述為兩個并置的一維離散網(wǎng)格鏈，其長度用L表示，每個網(wǎng)格對應(yīng)一個單元。每個單元被載具占據(jù)或在時刻t是空的。

為了反映模型聯(lián)網(wǎng)的特點，引入網(wǎng)絡(luò)(net)作為聯(lián)網(wǎng)標志，網(wǎng)絡(luò)n=1表示車輛n已連接到網(wǎng)絡(luò)。每輛車都有一個ID號，車輛n的ID號記為IDn。以區(qū)分緊急情況車輛和普通車輛，應(yīng)急車輛的ID設(shè)置為-1，普通車輛的身份證號為正整數(shù)。

車輛n在時刻t的頭部位置為Xn(t)，車速為vn(t)。dn為車輛n與原車輛之間的單元距離或數(shù)值，計算公式如下

dn=Xn-Xn-1-Lveh

(1)

式中：Lveh表示車輛長度n-1。所建立的自動機模型的演化規(guī)則也稱為變道規(guī)則，增加變道規(guī)則是由于道路上車輛普遍超車。

3.2 應(yīng)急車輛變道規(guī)則

普通的車輛變道規(guī)則是在STNS模型變道規(guī)則的基礎(chǔ)上，加入網(wǎng)絡(luò)化車輛的特點進行改進的。為了實現(xiàn)變道函數(shù)，將模型的每個時間步劃分為兩個子時間步。在第一個子時間步驟中，車輛根據(jù)建立的變道規(guī)則決定是否變道。在第二個子時間步驟中，根據(jù)單車道演化規(guī)則對車輛進行更新。

應(yīng)急車輛的變道規(guī)則與普通車輛稍有不同。在對應(yīng)急車輛的交通特性分析中，得出應(yīng)急車輛在行駛過程中頻繁的換道行為。為了保持高速運行，即使與目標車道后方車輛的距離很小，應(yīng)急車輛也會采取強制變道行為。

普通車輛行駛在前面有應(yīng)急車輛的車道內(nèi)，在應(yīng)急車輛沖擊范圍內(nèi)，必須采取強制變道行為，即無需檢查變道動機，但需要滿足安全條件。

4 數(shù)值模擬與分析

4.1 數(shù)值模擬中參數(shù)

該研究仿真的道路是一條兩車道的城市道路，數(shù)值模擬采用周期邊界規(guī)則，車輛總數(shù)為常數(shù)，其值記為n。選取周期邊界作為模型的邊界規(guī)則，為了滿足真實的道路交通情況，在一定范圍內(nèi)道路路段的交通大致均勻，不會有很大的平均密度差。由于汽車網(wǎng)絡(luò)的普及是一個過程，所以會出現(xiàn)部分道路車輛與車聯(lián)網(wǎng)的情況。為了調(diào)查這一情況，使用net來表示車輛在交通中的比例。

車輛類型分為大車和小型車。在城市地區(qū)的情況下，大車包括面包車、卡車、小型公共汽車和公共交通公共汽車。卡車或公共交通工具比轎車長得多。為了簡化模型，將車輛分為三種。它們分別是卡車，公共汽車和汽車，它們的長度(Lveh)分別是2單元格，2單元格和1單元格。對于車輛尺寸的假設(shè)是基于現(xiàn)場觀測的。轎車、客車和卡車的長度分別接近5 m、10 m和10 m，所提出的模型假設(shè)單元格長度為5 m。

4.2 車輛網(wǎng)絡(luò)對城市道路交通流的影響

圖1和圖2是有應(yīng)急車輛的交通流基本圖，該圖提供了不同連通車輛比例的情況。當net=0時，曲線在密度k=0.14處達到峰值，其中q=400。然后，隨著洞穴，水流開始下降。當密度k達到0.6時，流量q等于50。當k<1.3時，平均速度為自由速度，保持在8 m/s左右。當k>=1.3時，平均流速開始下降，最終在k=0.6時為0.5 m/s。

圖1 不同比例網(wǎng)絡(luò)車輛的交通流流量密度圖

圖2 不同網(wǎng)絡(luò)車輛百分比的交通流速度-密度圖

當net=0.5時，曲線在密度k=0.2處達到峰值，此時q=500。當密度k=0.6時，流量q=100。當k<1.8時，平均流速為自由流速，保持在8 m/s左右，當k> 1.8時，平均流速開始下降，最終在k=0.6時為0.8 m/s。

從對比中可以看出，車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的道路通行能力大于常規(guī)環(huán)境下的道路通行能力，在擁擠區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的密度下降趨勢也慢于常規(guī)環(huán)境。與常規(guī)環(huán)境相比，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的速度下降趨勢較慢。當net=0.6時，擁塞比net=0.2時要小，這表明車聯(lián)網(wǎng)可以改善城市道路的交通狀況。

4.3 避障規(guī)則對應(yīng)急車輛行駛速度和行駛時間的影響

圖3為應(yīng)急車輛速度-密度曲線和普通車輛速度-密度曲線。兩者均通過仿真得到，參數(shù)net=0.5。應(yīng)急車輛有特權(quán)他們不受紅綠燈的控制，也不受道路標志的限制，可以倒車。當應(yīng)急車輛執(zhí)行任務(wù)時，普通車輛需要避開它等。但應(yīng)急車輛的行駛也應(yīng)受到道路限制、前方車輛限制、十字路口限制等現(xiàn)實因素的制約。在理論條件下，應(yīng)急車輛的行駛條件遠遠優(yōu)于普通車輛。如果交通流量較大，道路處于擁堵狀態(tài)，一般車輛不回避應(yīng)急車輛，則應(yīng)急車輛的行駛條件相當于相同交通條件下的普通車輛。然而，如果普通車輛改變車道，故意加速以避開應(yīng)急車輛，這些行為可以降低道路上的密度，使應(yīng)急車輛行駛得更快。這一點可以從圖3中看出。由圖3可知，在擁擠條件下(密度>0.2)，應(yīng)急車輛的速度明顯高于普通車輛。這種現(xiàn)象與第2節(jié)對應(yīng)急車輛交通特性的分析是一致的。

圖3 應(yīng)急車輛與普通車輛的速度-密度圖

圖4 應(yīng)急車輛在不同網(wǎng)絡(luò)車輛比例下的行駛時間密度圖

圖4為不同網(wǎng)絡(luò)車輛比例的應(yīng)急車輛行駛時間密度圖。net=0和net=0.5情況下，應(yīng)急車輛行駛時間隨密度的增加呈指數(shù)增長趨勢。net=0時，應(yīng)急車輛行駛時間增長較快，而net=0.5時，應(yīng)急車輛行駛時間增長緩慢。車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中存在緊急情況的車道比正常環(huán)境下的車道更加通暢，車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的另一條車道更加擁堵，表明車聯(lián)網(wǎng)有利于應(yīng)急車輛的快速通行。車道上已有的應(yīng)急車輛比另一車道的擁堵情況要小，說明規(guī)避規(guī)則起到了幫助應(yīng)急車輛消除部分因素約束的作用，從而獲得更好的駕駛狀態(tài)。

5 結(jié) 論

通過分析應(yīng)急車輛和網(wǎng)絡(luò)化車輛的交通特性，建立互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下應(yīng)急車輛的自動機模型，并對模型進行了數(shù)值模擬和分析。

在擁擠條件下(密度>0.2)，應(yīng)急車輛的速度明顯高于普通車輛，且應(yīng)急車輛的速度波動較大，反映了應(yīng)急車輛的交通特性。當無普通車聯(lián)網(wǎng)時，應(yīng)急車輛行駛時間隨密度迅速增加。當部分普通車聯(lián)網(wǎng)時，應(yīng)急車輛行駛時間隨密度緩慢增加。研究結(jié)果表明，車聯(lián)網(wǎng)能夠改善城市交通狀況，有利于應(yīng)急車輛快速通行，為未來車聯(lián)網(wǎng)的推廣提供依據(jù)。