基于可變導向車道的應急車輛通行策略研究*

趙 欣 李 燦 陳珊珊

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

基于可變導向車道的應急車輛通行策略研究*

趙 欣 李 燦 陳珊珊

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

提出應急車輛在交叉口的可變導向車道優先控制概念，并建立交叉口車輛實時延誤模型，制定對應的信號優先控制及時空組合優先控制策略，在實現應急車輛無延誤的前提下，以交叉口車輛總延誤最小為目標，建立多相位信號優化配時模型，并選用Lingo軟件對該非線性約束優化問題進行求解.仿真結果表明，可變導向車道優先控制策略能夠顯著減小應急車輛在交叉口的延誤，相較于傳統的信號優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.

應急車輛；可變導向車道；時空組合優先；控制策略

0 引 言

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

為了順應道路發展，并更大程度地減少應急車輛的通行時間，及時挽救更多的生命或財產，將目前道路上正逐步興起的可變導向車道技術引入到應急車輛通行策略中，實現“可變導向車道優先控制”，并制定完善的應急車輛優先通行方案，以期達到應急車輛盡可能安全快速到達急救現場的目的.

1 應急車輛優先通行問題分析

1.1 應急車輛通行特點

通過調查了解到，我國應急車輛被法規賦予的優先通行權難以保障，主要原因包括為：①不少社會車輛駕駛員缺乏避讓應急車輛的意識；②由于交通安全管理不暢導致“守法困境”，社會車輛因避讓應急車輛產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法難；④“車多路少”的矛盾加劇了交通擁堵.

應急車輛不受信號控制，利用逆行或換道優先通行，這種方式會導致應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間，還對應急車輛的行駛安全產生威脅.據調查，美國7年中應急車輛的碰撞事件發生多達600多件[8]，而弗吉利亞地區的關于應急車輛事故調查的報告中顯示有約31%的事故發生在交叉口區域[9].故為提高應急車輛在交叉口的通行安全，文中的研究中將應急車輛納入交叉口信號管理，即應急車輛嚴格按照信號指示行駛，此時會產生紅燈延誤.

1.2 可變導向車道優先控制概述

典型的設有可變導向車道的信號交叉口結構見圖1.該交叉口東進口道內側第二條車道即為可變導向車道，車道上方標志牌對應的箭頭為可變導向箭頭，在值班交警或控制中心的調控下可靈活更改指示方向.

圖1 設置可變導向車道的交叉口

可變導向車道優先控制是指將可變導向車道應用到應急車輛通行中，當交叉口控制中心接收到應急指令時，優先考慮可變導向車道為應急車輛行駛方向上的所有車輛提供通行，提高該方向上排隊車輛的消散能力，減小應急車輛的排隊延誤，見圖2.

可變導向車道優先控制的目的是通過與交叉口信號優先控制的配合，盡可能地減小應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應急車輛優先原則.可變導向車道屬性的變化是以應急車輛優先通行目的為主，交叉口整體延誤最小為輔進行控制的.②路權明確原則.標志牌上游行駛車輛及在可變導向車道等待的車輛均明確車道導向信息，按道行駛.③合理分配原則.在考慮可變導向車道的信號配時優化模型中，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間.

圖2 可變導向車道優先控制(以應急車輛需左轉為例)

2 應急車輛交叉口時空組合優先控制策略

2.1 通行方案

傳統的應急車輛優先通行方法是當應急車輛到達相應路段時，由路段處的檢測器檢測到應急車輛到達之后，再進行實施相應的優先通行措施.具體示意圖見圖3，當檢測器檢測到應急車輛即將通過交叉口直行或者左轉，但此時直行、左轉相位處于紅燈狀態，信號燈控制系統接收到反饋信息并進行緊急處理，采用應急車輛強制優先模式(一般采取延長綠燈時間或縮短紅燈時間)，提供給應急車輛交叉口優先通行權利.

圖3 傳統應急車輛交叉口信號優先控制

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

而應急車輛交叉口時空組合優先控制方案旨在減少與應急車輛同方向行駛的排隊車輛數，降低應急車輛在交叉口的等待時間和行車延誤.具體示意圖見圖4，當檢測器檢測到應急車輛即將通過交叉口左轉，前方有大量排隊車輛，而直行車道排隊車輛較少，觸發可變導向車道功能，將1條直行車道轉變為左轉車道，即進口道由原來的1條左轉車道變為2條，左轉方向排隊車輛顯著減少，應急車輛到達交叉口時延誤顯著降低.

該方法適用于進口道滿足設置可變導向車道條件的交叉口，并需要信號控制進行條件輔助，需配有可變導向車道標志及標線，且可視性和實用性要求較高.

圖4 應急車輛交叉口時空優先控制

2.2 時空優先控制策略

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”，僅采取傳統的信號優先控制手段無法有效減小應急車輛在交叉口的排隊延誤，且長時間對應急車輛請求方向上開放綠燈會嚴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與車道兩方面綜合考慮，制定時空組合優先控制策略.

2.2.1 延誤模型建立

圖5 交叉口相位相序

圖6 交叉口信號配時圖

延誤是評價交叉口時空資源是否最佳配置的重要指標，也是應急車輛在信號交叉口實現優先控制的重要依據，其中紅燈及排隊延誤是應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信號配時分別見圖5～6，以排隊車輛消散時間和紅燈延誤時間為計算對象建立應急車輛實時交叉口延誤模型，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) 若應急車輛東西向直行

(1)

2) 若應急車輛東西向左轉

(2)

3) 若應急車輛在南北向行駛

(3)

此外，根據應急車輛請求方向上車道排隊車輛數、車輛到達率及單車道通行能力，得到排隊車輛消散時間τ為

(4)

式中：t為應急車輛在交叉口的延誤時間；T*為應急車輛預計到達交叉口的時刻；C為信號周期時長；tc為T*除以C的余數；floor(·)為向下取整函數；[·]為紅燈延誤時間；gi,Ii(i=1,2,3)分別為各相位的綠燈時長及綠燈間隔時間；q,λ分別為應急車輛請求方向上車道的排隊車輛數及車輛到達率；n為請求方向上的車道數；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所表示的時間段

1) 排隊車輛未完全消散 該種情況的判斷條件為應急車輛到達交叉口所經歷的時間內有效綠燈時間小于應急車輛請求方向上排隊車輛消散時間，即

(5)

應急車輛由此在交叉口產生的排隊延誤時間

(6)

與傳統的信號優先控制策略不同，調整時間Δt中不僅要考慮交叉口行人過街安全與車輛行駛安全，還需考慮由可變導向車道轉變導向所需的清空時間.應急車輛出發時刻，信號燈顯示狀態不同，Δt取值不同.

(1) 處于第二相位或第三相位期間 應急車輛出發時刻，信號處于第二相位或第三相位期間，時空優先控制策略中需插入可變導向車道原導向清空相位，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 應急車輛出發時刻，信號處于第一相位綠燈期間，采取縮短紅燈時間策略，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) 排隊車輛可完全消散 該種情況的判斷條件為應急車輛到達交叉口所經歷的時間內有效綠燈時間不小于應急車輛請求方向上排隊車輛消散時間，即

(10)

其中Δt取值與排隊車輛未完全消散情況下的取值相對應.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，Y計算公式為

(11)

為確保排隊車輛在有效綠燈時間內完全消散，并保證應急車輛到達時刻能夠實現綠燈通行，其相應約束條件如下.

(12)

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

(13)

上述配時模型的求解屬于非線性約束優化問題，即在多個自變量滿足其約束條件情況下求解目標函數最值，選用Lingo軟件對配時方案進行求解，該軟件內置建模語言，輸入模型簡練直觀，且具有運行速度快、計算能力強等特點.

3 實例分析

3.1 交叉口相關參數

為檢驗可變導向車道優先控制對應急車輛交叉口控制策略的影響，將分別制定信號優先控制方案及時空組合優先控制方案，對2種方案下應急車輛延誤及交叉口總延誤情況進行比較.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刻開始執行，信號配時中各相位車輛啟動損失時間LS、黃燈時長A、及綠燈間隔時間I均為3 s，即總信號周期時長為110 s，東西向可變導向車道原方向均為直行，交叉口其他相關渠化數據及由此得到的信號控制參數見表1，其中可變導向車道最長清空時間的計算中，車輛行駛速度為9 km/h.

此外，通過交通量調查統計并進行數據處理后，分別得到可變導向車道控制觸發前后各相位的最大流量比，見表2.

表1 交叉口渠化相關參數

表2 交叉口各相位最大流量比計算

3.2 控制方案效果對比

為體現可變導向車道優先控制對交叉口控制策略影響的實時性，將分別從應急車輛到達交叉口J的不同時刻進行方案效果比較分析.假設應急車輛于16:30從急救中心出發，并預測于16:31或16:33到達交叉口J西進口道，欲進行左轉.由計算知，應急車輛出發時刻，交叉口J信號狀態為第一相位顯示綠燈時間15 s，且通過調查，該時段各相位車輛到達率λi(i=1,2,3)分別為：1 787，406，715 pcu/h，應急車輛請求方向上車輛到達率λ為208 pcu/h，此外，假設通過智能手段測得進口道請求方向上排隊車輛數為20輛.

1) 若應急車輛預測于16:31到達交叉口J 根據計算，在正常信控及2種不同優先控制策略下，請求方向上排隊車輛消散情況及應急車輛延誤時間對比見表3.

表3 不同策略下的應急車輛排隊延誤對比 s

由表3可知，若應急車輛出發時刻在交叉口J實施信號優先控制，其在該交叉口的延誤可比正常信號控制時減少17 s，若實施時空信號優先控制，可比正常信號控制時減少53 s，減少時間約為信號優先控制的3倍.故該種情況下應觸發可變導向車道優先控制，達到有效減小應急車輛交叉口延誤的目的.

2) 若應急車輛預測于16:33到達交叉口J 同樣，在正常信控及2種不同優先控制策略下，請求方向上排隊車輛消散情況及應急車輛延誤時間對比見表4.

表4 不同策略下的應急車輛排隊延誤對比 s

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

表5 不同策略下的交叉口總延誤對比

2種優先控制策略下的方案目標是：在保證應急車輛無延誤通過交叉口的前提下，達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，傳統的信號優先控制方案會導致交叉口總延誤上升，主要是由于為了降低應急車輛在交叉口的延誤，對應急車輛請求方向上采用延長綠燈時間或縮短紅燈時間的方法，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；而時空組合優先控制方案在對應急車輛實行可變導向車道優先控制的同時，對其他相位的信號重新優化配時，使得交叉口總延誤減小，減小幅度達36.6%，由此說明可變導向車道優先控制對應急車輛通行效率提高的重要性.

4 結 束 語

針對應急車輛，提出了“可變導向車道優先控制”的概念，通過分析交叉口應急車輛的延誤類型，建立了交叉口車輛實時延誤模型，并制定了對應的時空組合優先控制策略，根據交叉口排隊車輛消散情況，以及應急車輛出發時刻交叉口的信號顯示狀態，分別給出了2種策略的信號控制方案，并在2種策略能夠實現應急車輛無延誤的前提下，以交叉口車輛總延誤最小為目標，建立了多相位的信號優化配時模型.最后，基于城市路網，借助Lingo軟件，以應急車輛排隊延誤及交叉口車輛總延誤為評價指標，針對應急車輛不同的出發時刻，將2種優先策略的控制方案與正常信號控制方案進行了效果對比.對比結果表明，時空組合優先控制明顯優于其他2種控制，能夠有效提高應急車輛的通行效率，并減小對社會車輛通行的影響.

[1]OBENBERGER J T. Methodology to assess traffic signal transition strategies employed to exit preemption control[D]. Blacksburg: Virginia Polytechnic Institute and State University,2007.

[2]BACHELDER A, FOSTER C. System would predictively preempt traffic light for emergency vehicles[R/OL].[2014-03-09].http://www.nasatech.com/briefs/oct04/npo30573.html.

[3]田芳,王強.特種車輛綠燈暢行系統[J].黑龍江工程學院學報(自然科學版),2009,23(2):44-47.

[4]謝秉磊,胡正,趙航.交叉口應急車輛信號優先控制的兩階段模型[J].系統工程學報,2011(3):392-399.

[5]胡正.城市應急車輛信號優先控制與仿真研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

[6]宋輝華.基于多智能體的多應急車輛信號優先控制問題研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

[7]畢煦東.城市應急車輛優先通行關鍵問題研究[D].成都:西南交通大學,2014.

[8]National Highway Traffic Safety Inistration. Fatality analysis reporting system[R]. Washington DC: Department of Transportation,2002.

[9]SOO H Y. Towards the development of a decision support system for emergency vehicle preemption and transit signal priority investment planning[D]. Blacksburg: Virginia Polytechnic Institute and State University,2004.

[10]徐洪峰,鄭明明,李克平.機動車相位固定最小綠燈時間計算方法[J].公路交通科技,2008,25(5):105-110.

[11]吳兵，李曄.交通管理與控制[M].北京:人民交通出版社,2009.

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

*教育部留學回國人員科研啟動基金項目資助(20131j0005)

U491.4

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.002

趙欣(1979—)：男，博士，副教授，主要研究領域為智能交通系統、進化算法及組合優化