考慮社會車輛通行效率的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制策略

祁坤

摘要 文章提出了一種新的交通信號控制策略，旨在平衡應(yīng)急車輛通行的迫切性和社會車輛通行效率。該策略通過預(yù)測應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口的時間，并根據(jù)實(shí)時交通情況進(jìn)行信號配時調(diào)整，以確保應(yīng)急車輛盡快通行的同時最小化對社會車輛的影響。通過Python對交通軟件SUMO進(jìn)行二次開發(fā)，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示該策略能顯著減少應(yīng)急車輛通行時間和社會車輛延誤時間。

關(guān)鍵詞 應(yīng)急車輛；信號控制策略；二次開發(fā)；通行效率

中圖分類號 U491文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0011-03

0 引言

目前，應(yīng)急車輛通行優(yōu)先的研究已相當(dāng)充分，主要集中在車道規(guī)劃和信號調(diào)控[1-2]，以及可變車道技術(shù)的應(yīng)用[3]。然而，在應(yīng)急車輛通行路段中保障社會車輛通行效率的相關(guān)研究尚不完善。傳統(tǒng)策略只注重應(yīng)急車輛通行效率，而未考慮實(shí)時監(jiān)控和交叉口信號燈調(diào)控，導(dǎo)致資源浪費(fèi)和社會車輛擁堵。綜合考慮應(yīng)急車輛和社會車輛通行情況，需要更智能、全面的交通控制策略應(yīng)對城市道路的挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對上述問題，該文引入了信號優(yōu)先控制策略，旨在保障應(yīng)急車輛快速通行的同時考慮社會車輛通行效率。通過實(shí)時調(diào)整交叉口信號燈的相位配時方式，在盡可能減少對社會車輛的干擾下，優(yōu)化通行效率。該策略能夠滿足應(yīng)急車輛需求，同時最小化信號配時調(diào)整，提高了交叉口通行效率。

1 場景分析

在城市交叉口管理中，專用道和信號優(yōu)先相位的設(shè)計(jì)旨在為特殊車輛提供獨(dú)立通行通道，確保其快速通過交叉口。尤其對于應(yīng)急車輛，在確保其通行權(quán)益的同時，也需考慮減少對一般車輛的影響，以提高整體道路交通的通行效率。

當(dāng)前的交叉口信號控制策略主要關(guān)注應(yīng)急車輛通行效率，通常在應(yīng)急車輛到達(dá)之前就為其開辟專用信號相位，但這種策略忽視了對社會車輛的考慮。由于缺乏對應(yīng)急車輛通行時間需求的準(zhǔn)確預(yù)測，社會車輛往往在交叉口排隊(duì)等候，導(dǎo)致通行效率下降。尤其在靠近應(yīng)急點(diǎn)的情況下，來自兩個方向的應(yīng)急車輛同時到達(dá)交叉口時，社會車輛的等待時間會進(jìn)一步延長。因此，交叉口信號控制策略仍有改進(jìn)空間。

該文提出的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制策略，通過實(shí)時監(jiān)測交通流，準(zhǔn)確預(yù)測應(yīng)急車輛到達(dá)時間，并靈活調(diào)整信號配時，以保障應(yīng)急車輛快速通過交叉口，盡量減少對社會車輛的干擾。

2 應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制策略

2.1 應(yīng)急車輛車道設(shè)計(jì)

該文提出了一種應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制策略，目的是提高應(yīng)急車輛通行效率，并減少對一般交通流的干擾。該策略通過在傳統(tǒng)應(yīng)急車道上設(shè)置檢測器，并與交叉口信號燈進(jìn)行緊密聯(lián)動，以及時有效地調(diào)整信號，確保應(yīng)急車輛優(yōu)先通行。為確保應(yīng)急車輛在行駛過程中不受其他車輛的干擾，將交叉口進(jìn)口道最外側(cè)車道被設(shè)計(jì)為專用車道。該專用車道配備了檢測器，以確保準(zhǔn)確識別應(yīng)急車輛。檢測器位置距離交叉口50～150 m[4]，該設(shè)計(jì)旨在提供足夠的識別和信號調(diào)整時間，以滿足應(yīng)急車輛的需求。

2.2 信號控制方式

應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制策略，采用紅燈早斷和綠燈延長兩種方式進(jìn)行信號控制。根據(jù)檢測器預(yù)測應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口的時間點(diǎn)，信號配時調(diào)控方案可分為以下三種情況：

（1）當(dāng)預(yù)測到應(yīng)急車輛在交叉口信號燈紅燈前期到達(dá)時，采用綠燈延長策略，延長上一相位的綠燈時長，以確保應(yīng)急車輛在紅燈相位開始之前通過交叉口。

（2）當(dāng)預(yù)測到應(yīng)急車輛在交叉口信號燈紅燈后期到達(dá)時，采用紅燈早斷策略，提前結(jié)束該相位的紅燈時間，使得應(yīng)急車輛到達(dá)時交叉口信號燈剛好轉(zhuǎn)為綠燈，應(yīng)急車輛可直接通過。

（3）當(dāng)預(yù)測到應(yīng)急車輛在交叉口信號燈綠燈期間到達(dá)時，則不進(jìn)行任何調(diào)控，交叉口信號燈維持原狀態(tài)，應(yīng)急車輛可直接通過。

為保證兩個方向上的應(yīng)急車輛順利通過交叉口，交叉口信號配時方案應(yīng)根據(jù)應(yīng)急車輛到達(dá)時間靈活調(diào)整，以減少應(yīng)急車輛在交叉口的行駛時間。調(diào)控策略包括兩種情況：第一種情況是當(dāng)一個方向上的應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時，另一個方向上的應(yīng)急車輛未到達(dá)，交叉口信號燈可采用紅燈早斷或綠燈延長控制策略，確保該方向上的應(yīng)急車輛快速通過。第二種情況是兩個方向上的應(yīng)急車輛在短時間內(nèi)先后到達(dá)交叉口，需要在同一信號周期內(nèi)采用紅燈早斷和綠燈延長兩種方式調(diào)控，或在兩個連續(xù)周期內(nèi)分別采用一種方式調(diào)控，以確保兩個方向上的應(yīng)急車輛都能快速通過。具體采用哪種方式進(jìn)行調(diào)控，取決于最小化對社會車輛的影響，并根據(jù)約束條件和應(yīng)急車輛到達(dá)時間進(jìn)行決定。

綜上所述，采用差異化的信號調(diào)控策略能更好地考慮交叉口雙向車流的通行效率，特別是有利于降低應(yīng)急車輛的通行時間，確保其優(yōu)先通行。這一戰(zhàn)略性調(diào)控不僅提高了交叉口整體的運(yùn)行效率，也在緊急情況下確保了應(yīng)急車輛的迅速通過。通過差異化的信號調(diào)度，交叉口管理系統(tǒng)能更智能、靈活地應(yīng)對不同車流壓力，最大限度地優(yōu)化道路交通流動。

2.3 約束條件

為確保交通信號控制系統(tǒng)有效運(yùn)行，應(yīng)減小對交叉口行人和垂直行駛的社會車輛的影響。因此，最短紅燈時間（gmin）應(yīng)設(shè)定為不少于7 s，以維護(hù)行人的安全和順暢通行。同時，考慮整個信號周期的時長，最長綠燈時間（gmax）則不應(yīng)超過信號相位周期的總時長。

3 信號優(yōu)先控制模型

3.1 應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時間的確認(rèn)

為更加準(zhǔn)確預(yù)測應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口的時間點(diǎn)并做出相應(yīng)的調(diào)控，需要推算應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口的準(zhǔn)確時間。假設(shè)Ti為應(yīng)急車輛到達(dá)檢測點(diǎn)所在截面的時刻，當(dāng)應(yīng)急車輛以恒定行駛速度V行駛至檢測器時，在已知檢測點(diǎn)到交叉口距離的情況下，由經(jīng)典運(yùn)動學(xué)可得應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時間ti。

3.2 應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時信號燈周期的確認(rèn)

假設(shè)應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時處于某個信號周期的第k秒，記錄該次的調(diào)控方式，直到第i輛應(yīng)急車輛。當(dāng)?shù)趇輛應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口，根據(jù)前i?1輛應(yīng)急車輛的調(diào)控方案，減去前i?1輛應(yīng)急車輛早斷總時間再加上延長總時間，對原有周期C取余，余數(shù)即應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時處于某個信號周期的時間k，進(jìn)而計(jì)算出應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時該信號相位的剩余時間。

3.3 信號配時優(yōu)化模型

假設(shè)交叉口信號燈一個周期的時間為C，并且按照先紅燈（R）后綠燈（G）的順序進(jìn)行。分析應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時，交叉口信號燈的剩余時間；并根據(jù)不同的剩余時間，進(jìn)而采用不同的信號配時策略，保證應(yīng)急車輛的順利通行。其中n為應(yīng)急車輛到達(dá)時，信號燈已進(jìn)行的周期數(shù)。

Case 1：當(dāng)檢測器預(yù)測到一個方向上的應(yīng)急車輛或者兩個方向上的應(yīng)急車輛，均在交叉口信號燈綠燈相位階段到達(dá)交叉口，即ti∈G時。則不需要調(diào)整原有交叉口信號配時，應(yīng)急車輛可直接通過交叉口。

Case 2：當(dāng)檢測器預(yù)測到一個方向上的應(yīng)急車輛在紅燈相位前期到達(dá)交叉口，并且另一個方向上的應(yīng)急車輛還未到達(dá)，即時，則應(yīng)采用綠燈延長策略。在應(yīng)急車輛通過檢測器時，延長應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口紅燈相位上一周期的綠燈時間。綠燈延長時間如式（1）所示：

（1）

Case 3：當(dāng)檢測器預(yù)測到兩個方向上的應(yīng)急車輛均在紅燈相位前期到達(dá)交叉口，即且時，則應(yīng)采用綠燈延長策略。在應(yīng)急車輛通過檢測器時，延長應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口紅燈相位上一周期的綠燈時間。延長時間應(yīng)為兩個方向上較晚到達(dá)交叉口時間的應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口的時間，延長時間如式（2）所示：

（2）

Case 4：當(dāng)檢測器預(yù)測到一個方向上的應(yīng)急車輛在紅燈相位前期到達(dá)交叉口，而另一個方向上的應(yīng)急車輛在紅燈相位后期到達(dá)交叉口，即且時。為了最小化對社會車輛的影響，需要對比兩個方向上應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口的時間差。

當(dāng)兩個方向上的應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口的時間差小于行人最短安全過街時間gmin時，則采用綠燈延長策略，延長上一周期綠燈相位時長。延長時間為兩個方向上較晚到達(dá)交叉口時間的應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口的時間，延長時間如式（3）所示：

（3）

當(dāng)兩個方向上的應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口的時間差大于行人最短安全過街時間gmin時，則需要同時采用綠燈延長和紅燈早斷策略。在延長上一個周期綠燈相位時長，保證較早到達(dá)交叉口的應(yīng)急車輛通過交叉口的同時，還應(yīng)縮短該周期的紅燈時間，使得較晚到達(dá)交叉口的應(yīng)急車輛也能夠順利通過交叉口。綠燈延長時間和紅燈早斷時間如式（4）所示：

（4）

Case 5：當(dāng)檢測器預(yù)測到一個方向上的應(yīng)急車輛在紅燈相位后期到達(dá)交叉口，而另一個方向上的應(yīng)急車輛還未到達(dá)交叉口，即時，則采用紅燈早斷策略。通過縮短應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時信號相位的紅燈時長，保證應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時能夠不受交叉口信號燈的影響，直接穿越交叉口。早斷時間如式（5）所示：

（5）

Case 6：當(dāng)檢測器預(yù)測到兩個方向上的應(yīng)急車輛均在紅燈相位后期到達(dá)交叉口，即且時，應(yīng)采用紅燈早斷策略。為滿足兩個方向上應(yīng)急車輛均能順利通過交叉口，紅燈早斷時間應(yīng)保證更早到達(dá)交叉口的應(yīng)急車輛能夠通過交叉口，當(dāng)該時間段第一個到達(dá)交叉口的應(yīng)急車輛能夠順利通過交叉口時，另一個方向上的應(yīng)急車輛也能成功通過交叉口。因此早斷時間如式（6）所示：

（6）

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該文擬采用Python對SUMO進(jìn)行二次開發(fā)，對提出的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制策略進(jìn)行仿真分析。在一條應(yīng)急車輛專用道、一條直行右轉(zhuǎn)車道、一條左轉(zhuǎn)車道組成的交叉口進(jìn)口道環(huán)境下，比較在不設(shè)置信號優(yōu)先策略、傳統(tǒng)應(yīng)急車輛優(yōu)先控制策略和提出的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制策略的三種方式下，應(yīng)急車輛和社會車輛的通行時間。通過仿真結(jié)果驗(yàn)證提出的策略的有效性。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

該研究繼續(xù)選擇經(jīng)典的四進(jìn)口道交叉口作為研究對象，并通過SUMO仿真工具構(gòu)建了符合該文提出的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制策略的路網(wǎng)環(huán)境，探究應(yīng)急車輛和社會車輛在該文提出的控制策略下的運(yùn)行情況。

在交叉口信號配時方面，該文采用經(jīng)典四相位信號配時，每個信號相位時長為30 s。該實(shí)驗(yàn)中涉及的其他參數(shù)如表1所示：

在上述參數(shù)下，仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置進(jìn)入交叉口后當(dāng)應(yīng)急車輛與社會車輛發(fā)生沖突時，應(yīng)急車輛享有優(yōu)先通行權(quán)，除此之外，進(jìn)入路網(wǎng)的車輛均服從泊松分布，以模擬真實(shí)路網(wǎng)環(huán)境下的車輛到達(dá)情況。

在未設(shè)置任何信號優(yōu)先策略中，交叉口信號配時方案仍不改變；在傳統(tǒng)應(yīng)急車輛優(yōu)先控制中，當(dāng)任何方向上的應(yīng)急車輛進(jìn)入路網(wǎng)時，交叉口信號燈會為其開辟20 s的專用信號相位，同時禁止其他車輛通行；在該文提出的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先策略中，只有當(dāng)應(yīng)急車輛到達(dá)交叉口時才采用該策略，否則不進(jìn)行優(yōu)先調(diào)控。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該研究分別對無信號優(yōu)先策略、傳統(tǒng)應(yīng)急車輛優(yōu)先控制策略以及該文提出的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制三種運(yùn)行策略進(jìn)行了詳細(xì)分析。對出行500次的應(yīng)急車輛進(jìn)行觀察，收集應(yīng)急車輛通過同一交叉口路段所需的時間，并對三種車道控制策略方案的性能進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在無信號優(yōu)先控制下應(yīng)急車輛通行時間最長，而在傳統(tǒng)信號優(yōu)先和該文提出的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制情況下，應(yīng)急車輛通行時間相近。在無信號優(yōu)先策略下，應(yīng)急車輛的通行時間受信號燈狀態(tài)影響，而信號優(yōu)先策略則使得應(yīng)急車輛能夠快速通過。社會車輛的延誤表現(xiàn)為在無信號優(yōu)先策略下延誤最低，傳統(tǒng)優(yōu)先控制下延誤最高，而該文提出的策略則處于兩者之間，兼顧了應(yīng)急車輛和社會車輛的通行需求，有效保障了交叉口通行效率。

5 結(jié)論

該文提出了一種考慮社會車輛通行效率的應(yīng)急車輛信號優(yōu)先控制策略，旨在保障應(yīng)急車輛順利通行的同時最小化對社會車輛的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略能顯著減少社會車輛在交叉口的延誤時間，而應(yīng)急車輛通行時間與傳統(tǒng)策略相近。該策略不僅提高了應(yīng)急車輛響應(yīng)速率和緊急救援效率，還緩解了應(yīng)急車輛對道路交通的影響，減少了社會車輛的出行壓力。

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