強(qiáng) 成

（中國(guó)人民解放軍63996部隊(duì)駕駛員訓(xùn)練基地，北京 100094）

前言

特種車輛是指執(zhí)行特別任務(wù)的專用車輛，包括警車、消防車、救護(hù)車、工程救險(xiǎn)車、軍事監(jiān)理車等?！兜缆方煌ò踩ā芬延幸?guī)定，特種車輛執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，在確保安全的前提下，不受行駛路線、行駛方向、行駛速度和信號(hào)燈的限制，其他車輛和行人應(yīng)當(dāng)讓行。隨著機(jī)動(dòng)車保有量的日益增加，特種車輛快速通行與交通擁堵之間的矛盾日益突出，如何使特種車輛安全順暢通行，正逐漸得到專家學(xué)者的高度關(guān)注。美國(guó)、日本等國(guó)家的交通控制系統(tǒng)中就包括緊急車輛優(yōu)先系統(tǒng)，不少學(xué)者對(duì)公交信號(hào)優(yōu)先控制也進(jìn)行了研究[1-2]。在我國(guó)，關(guān)于公交信號(hào)優(yōu)先的研究有很多[3-6]，而特種車輛信號(hào)優(yōu)先的研究和應(yīng)用相對(duì)較少。北京2008年奧運(yùn)會(huì)期間，在奧體中心區(qū)利用射頻技術(shù)進(jìn)行了道路交叉口公交車信號(hào)優(yōu)先和奧運(yùn)VIP車輛信號(hào)緊急優(yōu)先的設(shè)計(jì)[7]；文獻(xiàn)[8]利用無(wú)線通訊和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于單點(diǎn)控制的特種車輛綠燈暢行系統(tǒng)，文獻(xiàn)[9]將ZIGBEE技術(shù)用于特殊車輛信號(hào)優(yōu)先控制中，發(fā)現(xiàn)車路間的通信可以提高車輛的運(yùn)行效率，同時(shí)駕駛員獲得交叉口信號(hào)的信息也在一定程度上提高了車輛運(yùn)行的安全性。

在執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，特種車輛可闖紅燈，在信號(hào)交叉口存在較大的安全隱患，因此，設(shè)計(jì)安全、有效的特種車輛信號(hào)優(yōu)先控制方法是十分必要的。本文在特種車輛行車特性和信號(hào)優(yōu)先理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了特種車輛交叉口信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)，并闡述了信號(hào)優(yōu)先控制的策略，控制系統(tǒng)可以有效提高特種車輛的行車速度與交通安全性。

1 特種車輛優(yōu)先控制范疇

執(zhí)行緊急任務(wù)的特種車輛速度快，在交通安全前提下，享有優(yōu)先通行權(quán)，不受行駛路線、行駛方向、行駛速度和信號(hào)燈的限制，其他車輛和行人應(yīng)當(dāng)讓行。當(dāng)特種車輛執(zhí)行非緊急任務(wù)時(shí)，不享有道路通行優(yōu)先權(quán)，且不能使用警報(bào)器和標(biāo)志燈具。

公交優(yōu)先包括空間優(yōu)先和時(shí)間優(yōu)先[10]。類似地，特種車輛優(yōu)先也可包括空間優(yōu)先和時(shí)間優(yōu)先兩種?？臻g優(yōu)先是指對(duì)特種車輛在通行空間上給予優(yōu)先，如設(shè)置專用車道。時(shí)間優(yōu)先是指在交叉口為特種車輛提供優(yōu)先通行信號(hào)，不必考慮交叉口總體效益的最佳化，在安全通行前提下，最大化減少特種車輛延誤，降低特種車輛的路線行程時(shí)間，提高特種車輛的運(yùn)行效率。然而，特種車輛在執(zhí)行緊急任務(wù)的出行量相對(duì)較小，再加上特種車輛不受標(biāo)志、標(biāo)線等限制，所以，通過(guò)設(shè)置特種車輛專用道的可行性較低，空間優(yōu)先具有很大的限制性和局限性，因此特種車輛時(shí)間優(yōu)先則更加符合實(shí)際，時(shí)間優(yōu)先常用方法是交叉口信號(hào)優(yōu)先。

2 特種車輛交叉口信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)

特種車輛交叉口信號(hào)優(yōu)先是一種絕對(duì)優(yōu)先，不必考慮交叉口總體效益最佳化，它的總體目標(biāo)應(yīng)該是特種車輛綠燈暢行和保證交通安全。特種車輛信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)由特種車輛檢測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、交叉口信號(hào)控制系統(tǒng)、交通管理與控制中心四部分組成，如圖1所示。

圖1 特種車輛交叉口信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)

2.1 特種車輛檢測(cè)系統(tǒng)

在特種車輛上安裝車載終端，包括GPS、特種車輛信號(hào)發(fā)射器、通信終端三部分。GPS實(shí)現(xiàn)了交通管理與控制中心對(duì)特種車輛的定位和追蹤。特種車輛信號(hào)發(fā)射器一般具有固定頻率，用于向交通管理與控制中心和信號(hào)控制器發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，實(shí)現(xiàn)特種車輛與交叉口信號(hào)系統(tǒng)之間的通信，特種車輛在執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，需要打開信號(hào)發(fā)射器，不執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，關(guān)閉信號(hào)發(fā)射器。通信終端的作用是實(shí)現(xiàn)特種車輛與交通管理與控制中心、交通信號(hào)控制系統(tǒng)之間的通信，對(duì)特種車輛發(fā)布出行誘導(dǎo)信息，并預(yù)先調(diào)整相應(yīng)道路交叉口的信號(hào)系統(tǒng)。

在需要實(shí)行特種車輛信號(hào)優(yōu)先時(shí)，交叉口的上、下游分別設(shè)置與特種車輛信號(hào)發(fā)射器相應(yīng)頻率的信號(hào)檢入和檢出設(shè)備。當(dāng)檢入設(shè)備檢測(cè)到有特種車輛到達(dá)時(shí)，將特種車輛到達(dá)信息快速傳遞到信號(hào)機(jī)控制系統(tǒng)和交通管理與控制中心，由交通管理與控制中心實(shí)施優(yōu)先策略，然后發(fā)出指令給信號(hào)機(jī)控制系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)特種車輛順暢優(yōu)先通過(guò)交叉口。設(shè)置檢出設(shè)備的目的是為了讓控制系統(tǒng)獲取特種車輛離開交叉口的信息，以便調(diào)整信號(hào)配時(shí)。

特種車輛檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)數(shù)器記錄檢入和檢出設(shè)備間的特種車輛數(shù)，計(jì)數(shù)器通過(guò)通行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與特種車輛、交通管理與控制中心、交通信號(hào)控制系統(tǒng)之間的信息交流。當(dāng)檢入設(shè)備被激活時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)加 1，當(dāng)檢出設(shè)備被激活時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)減 1。在檢測(cè)設(shè)備正常工作情況下，僅當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)大于或等于1時(shí)才考慮特種車輛信號(hào)優(yōu)先的問(wèn)題。當(dāng)檢測(cè)設(shè)備出錯(cuò)或計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)異常時(shí)，需要對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化操作，計(jì)數(shù)器工作流程如圖2所示。

圖2 計(jì)數(shù)器工作流程圖

2.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)將檢測(cè)設(shè)備的輸出信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)控制系統(tǒng)和交通管理與控制中心，作為信號(hào)控制決策的輸入；同時(shí)將控制策略從交通管理與控制中心傳輸給信號(hào)控制器，來(lái)控制信號(hào)燈的顯示，當(dāng)沒有交通管理與控制中心的情況下，由信號(hào)控制系統(tǒng)直接控制信號(hào)燈。此外，通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車載終端與交通管理與控制中心之間的通信，車載終端將車輛的類型、出發(fā)點(diǎn)、目的地等信息傳輸?shù)浇煌ü芾砼c控制中心，交通管理與控制中心將出行路徑、注意事項(xiàng)等出行信息傳輸給車輛終端。通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子系統(tǒng)間的信息互通，系統(tǒng)通信的效率直接影響到信號(hào)優(yōu)先控制的精確度。

2.3 交通信號(hào)控制系統(tǒng)

交通管理與控制中心通過(guò)車載終端及信號(hào)檢測(cè)設(shè)備來(lái)定位及追蹤特種車輛，獲取特種車輛信號(hào)優(yōu)先請(qǐng)求，并將交叉口信號(hào)調(diào)整方案?jìng)鬏斀o相應(yīng)的交叉口信號(hào)控制系統(tǒng)，并指令信號(hào)控制系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)調(diào)整信號(hào)。

交通信號(hào)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)響應(yīng)信號(hào)優(yōu)先請(qǐng)求并執(zhí)行相應(yīng)的信號(hào)變換，信號(hào)變換可由信號(hào)控制器執(zhí)行，也可以先由交通管理與控制中心對(duì)優(yōu)先請(qǐng)求進(jìn)行采集和處理，然后驅(qū)動(dòng)交叉口信號(hào)控制器來(lái)執(zhí)行。在不設(shè)置交通管理與控制中心的條件下，信號(hào)控制系統(tǒng)將基于預(yù)置策略做出是否要進(jìn)行特種車輛信號(hào)調(diào)整的決策，同時(shí)還要負(fù)責(zé)對(duì)優(yōu)先請(qǐng)求進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)排隊(duì)管理。

2.4 交通管理與控制中心

交通管理與控制中心對(duì)特種車輛進(jìn)行定位追蹤及出行誘導(dǎo)，并設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)整的控制方案，實(shí)現(xiàn)特種車輛的優(yōu)先暢行。特種車輛在執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，通過(guò)車載終端將特種車輛的屬性信息發(fā)送給交通管理與控制中心，交通管理與控制中心則開始對(duì)特種車輛實(shí)行全程定位監(jiān)控和出行誘導(dǎo)，并在合理的時(shí)間范圍內(nèi)調(diào)整途經(jīng)交叉口的信號(hào)控制方案，在安全的前提下，使特種車輛以最短的時(shí)間到達(dá)目的地，同時(shí)，保證道路交叉口不存在交通沖突，提高了交通安全性。若特種車輛出現(xiàn)故障或需要緊急救助，控制中心也可提供必要的信息或救援工作。在交通狀態(tài)較為簡(jiǎn)單的交叉口，可不設(shè)置交通管理與控制中心，車輛終端只包括專用信號(hào)發(fā)射器,車輛與交通信號(hào)控制系統(tǒng)之間進(jìn)行信息通訊，實(shí)現(xiàn)特種車輛的檢測(cè)與優(yōu)先通行。

3 特種車輛交叉口信號(hào)優(yōu)先控制策略

3.1 單輛特種車通過(guò)交叉口

特種車輛通過(guò)車載終端將車輛的類型、出發(fā)點(diǎn)、目的地等信息傳輸?shù)浇煌ü芾砼c控制中心，交通管理與控制中心對(duì)特種車輛開始進(jìn)行定位追蹤。當(dāng)特種車輛經(jīng)過(guò)信號(hào)檢測(cè)設(shè)備時(shí)，信號(hào)檢測(cè)設(shè)備將特種車輛的行駛速度傳送給交通管理與控制中心或信號(hào)控制系統(tǒng)，供其計(jì)算到達(dá)交叉口的時(shí)間。一般情況下，黃色信號(hào)燈作為綠燈和紅燈之間緩沖，顯示時(shí)間短，則特種車輛信號(hào)優(yōu)先控制中可以把黃燈當(dāng)作紅燈處理。如果行駛方向信號(hào)燈為紅燈且剩余紅燈時(shí)間大于特種車輛到達(dá)交叉口的時(shí)間，可以通過(guò)縮短目前信號(hào)相位使下一個(gè)綠燈相位提前到達(dá)來(lái)實(shí)施特種車輛信號(hào)優(yōu)先；如果該方向的信號(hào)燈為綠燈且剩余綠燈時(shí)間小于特種車輛到達(dá)交叉口的時(shí)間，則通過(guò)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間使特種車輛順利通過(guò)。當(dāng)特種車輛經(jīng)過(guò)交叉口后，檢出設(shè)備會(huì)檢測(cè)到車輛已駛過(guò)，則停止該方向的信號(hào)優(yōu)化。另外，為了減少由于特種車輛優(yōu)先通過(guò)而帶來(lái)的對(duì)道路交叉口交通流的不良影響，需要在特種車輛經(jīng)過(guò)后，對(duì)沖突相位進(jìn)行綠燈時(shí)間補(bǔ)償。

目前我國(guó)常見的普通交叉路口主要有十字型路口、T型路口、Y型路口三種類型 ，十字型交叉路口是最為常見的一種，信號(hào)優(yōu)先檢測(cè)方式如圖3所示，m和n分別為檢入設(shè)備和檢出設(shè)備距離信號(hào)交叉口停車線的距離。信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)啟動(dòng)后，特種車輛行駛方向信號(hào)燈變?yōu)榫G燈，為保證特種車輛暢行，沖突方向信號(hào)燈應(yīng)為紅燈，沖突方向非特種車輛停車等待特種車輛通過(guò)。T型交叉路口比十字型路口少一個(gè)方向，但是其交通通行情況卻和十字型路口相似[8]，所以T型交叉路口的優(yōu)先系統(tǒng)控制方案與十字型的相同。

圖3 十字型交叉口特種車輛信號(hào)優(yōu)先檢測(cè)方式示意圖

Y型交叉路口的設(shè)計(jì)方案則與十字型、T型交叉口不同，從特種車輛綠燈暢行和安全角度考慮，當(dāng)一個(gè)方向?qū)嵭行盘?hào)優(yōu)先時(shí)候，其余兩個(gè)方向則應(yīng)該均處于紅燈禁行狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 Y型交叉口特種車輛信號(hào)優(yōu)先檢測(cè)方式示意圖

考慮到特種車輛信號(hào)優(yōu)先的總體目標(biāo)是交通安全和特種車輛綠燈暢行，因此，在特種車輛到過(guò)交叉口前，必須有足夠的時(shí)間處理沖突相位的信號(hào)配時(shí)，使特種車輛通過(guò)信號(hào)交叉口時(shí)，恰好是綠燈且沖突相位恰好是紅燈。所以，信號(hào)檢測(cè)設(shè)備的位置選擇比較重要。

信號(hào)檢入設(shè)備的位置與特種車輛行駛速度、系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)等因素有關(guān)，通常情況下，特種車輛從信號(hào)檢入設(shè)備到交叉口停車線行駛時(shí)間要大于系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，且小于信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)，使特種車輛觸發(fā)檢入設(shè)備后，系統(tǒng)能夠有時(shí)間啟動(dòng)信號(hào)優(yōu)先，同時(shí)保證行駛時(shí)間在信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)的k倍范圍內(nèi)，避免資源浪費(fèi)。

式中，v為特種車輛的行駛速度；m為信號(hào)檢入設(shè)備與該方向交叉口停車線的距離；t為特種車輛從信號(hào)檢入設(shè)備行駛到交叉口停車線的時(shí)間；T系為特種車輛檢測(cè)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)；T為信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)；k為參數(shù)，取值受交叉口流量影響。

檢入設(shè)備檢測(cè)到特種車輛，交叉口對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈若為綠燈，則需延長(zhǎng)綠燈時(shí)間，保證特種車輛可以按照正常速度通過(guò)信號(hào)交叉口；當(dāng)檢入設(shè)備檢測(cè)到特種車輛，交叉口對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈為紅燈時(shí)，若在交叉口處有車輛排隊(duì)，需要保證在特種車輛到達(dá)前，排隊(duì)的非特種車輛在交叉口處疏散。檢入設(shè)備檢測(cè)到特種車輛，交叉口對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈若為黃燈，則按照紅燈處理即可。

當(dāng)檢入設(shè)備檢測(cè)到特種車輛，信號(hào)燈為紅燈時(shí)，特種車輛速度及通過(guò)信號(hào)交叉口的時(shí)間受交叉口排隊(duì)非特種車輛的影響。在特種車輛優(yōu)先控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，紅燈變?yōu)榫G燈，需要保證因紅燈而在信號(hào)交叉口等待的車輛，在特種車到達(dá)信號(hào)交叉口時(shí)已經(jīng)疏散，才能使特種車輛順暢通過(guò)信號(hào)交叉口。

式中，L為非特種車輛排隊(duì)長(zhǎng)度；V為最后一輛排隊(duì)的非特種車輛通過(guò)交叉口停車線的速度；a為非特種車輛行駛加速度；T消為非特種車輛排隊(duì)消散時(shí)間。

綜合（1）—（6）式，信號(hào)檢入設(shè)備與該方向交叉口停車線的距離m的約束條件為：

不同信號(hào)交叉口各參數(shù)取值不同，因此，信號(hào)檢入設(shè)備與該方向交叉口停車線的距離需要根據(jù)系統(tǒng)布置當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置。

檢出設(shè)備的設(shè)置位置需要滿足特種車輛在通過(guò)信號(hào)交叉口后，后續(xù)緊跟車輛與特種車輛保證必要的安全距離，防止特種車輛緊急停車、掉頭等行為導(dǎo)致的安全事故。

式中，n為檢出設(shè)備距離信號(hào)交叉口停車線的距離；T1、T2為特種車輛行駛安全時(shí)間系數(shù)，取值受交叉口交通流量的影響。

3.2 多輛特種車通過(guò)交叉口

多輛特種車需要通過(guò)信號(hào)交叉口時(shí)，需要由交通管理與控制中心與信號(hào)檢測(cè)設(shè)備判定特種車行駛方向及到達(dá)的先后順序，進(jìn)而啟動(dòng)信號(hào)優(yōu)先程序。

當(dāng)特種車輛的行駛方向相同時(shí)，如果行駛方向信號(hào)為紅燈或者黃燈，則該方向的信號(hào)燈變?yōu)榫G燈的時(shí)間應(yīng)按首輛特種車實(shí)施信號(hào)優(yōu)先相位開始，該方向的信號(hào)燈由綠燈變?yōu)榧t燈的時(shí)刻按最后一輛特種車通過(guò)檢出設(shè)備的時(shí)刻為止。如果行駛方向信號(hào)為綠燈，則綠燈信號(hào)延長(zhǎng)至最后一輛特種車通過(guò)。當(dāng)沖突方向的特種車輛相繼要通過(guò)信號(hào)交叉口時(shí)，則需要通過(guò)交通管理與控制中心判斷特種車到達(dá)信號(hào)交叉口的先后順序，按照先到先通行的原則進(jìn)行特種車輛信號(hào)優(yōu)先控制。

3.3 特種車輛信號(hào)優(yōu)先控制邏輯

特種車輛交叉口信號(hào)優(yōu)先控制邏輯如圖5所示，主要包含幾個(gè)步驟：

（1）到達(dá)交叉口的特種車輛數(shù)級(jí)判斷

當(dāng)信號(hào)檢入設(shè)備檢測(cè)到特種車輛到達(dá)時(shí)，首先對(duì)優(yōu)先車輛進(jìn)行車輛數(shù)判斷。當(dāng)?shù)竭_(dá)車輛為一輛特種車時(shí)，則立即發(fā)送優(yōu)先信號(hào)，及時(shí)對(duì)特種車輛進(jìn)行信號(hào)優(yōu)先；當(dāng)?shù)竭_(dá)特種車輛是多輛時(shí)，進(jìn)行第（2）步判斷。

圖5 特種車輛信號(hào)優(yōu)先控制邏輯示意圖

（2）特種車輛行駛方向判斷

當(dāng)特種車輛行駛方向相同時(shí)，進(jìn)行第（3）步判斷；當(dāng)特種車輛行駛方向沖突時(shí)，進(jìn)行第（4）步判斷。

（3）特種車輛行駛方向信號(hào)燈顏色判斷

特種車輛行駛方向信號(hào)燈為紅燈，則實(shí)行信號(hào)優(yōu)先，并且紅燈變?yōu)榫G燈的時(shí)間為第一輛特種車到達(dá)的時(shí)刻，綠燈變紅燈的時(shí)間為最后一輛特種車通過(guò)時(shí)刻。當(dāng)特種車輛行駛方向信號(hào)燈為綠燈時(shí)，則綠燈延長(zhǎng)至最后一輛特種車通過(guò)信號(hào)交叉口。

（4）沖突時(shí)先到交叉口車輛方向信號(hào)燈顏色判斷

通過(guò)信號(hào)檢入設(shè)備檢測(cè)特種車輛到達(dá)，經(jīng)交通管理與控制中心判斷車輛到達(dá)先后順序。當(dāng)沖突時(shí)先到交叉口車輛方向信號(hào)燈為紅燈時(shí)，信號(hào)優(yōu)先，然后按照先到先行的原則進(jìn)行特種車輛優(yōu)先通過(guò)。

4 小結(jié)

在交通安全和特種車輛綠燈暢行的要求下，智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。在特種車輛行車特性和優(yōu)先控制理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了特種車輛交叉口信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)，闡述了特種車輛交叉口信號(hào)優(yōu)先控制策略與邏輯，同時(shí)設(shè)定了檢測(cè)設(shè)備的位置約束條件，信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)的對(duì)接，具有技術(shù)上的可行性。信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了特種車輛的在交叉口的順暢通行，同時(shí)又確保了交叉口的行車安全。然而，特種車輛的優(yōu)先通行會(huì)造成非特種車輛的行車延誤增加，特種車輛信號(hào)優(yōu)先后，采取信號(hào)補(bǔ)償盡快疏散交通流還有待進(jìn)一步研究。