林睿睿，孫曉楠，岳小泉，張可欣，連培昆

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

已有的固定配時(shí)方案信號(hào)燈控制系統(tǒng)僅考慮社會(huì)車輛通行效率最優(yōu)而忽略了特種車輛執(zhí)行任務(wù)時(shí)的緊急性，雖然執(zhí)行任務(wù)中的特種車輛可以獲得優(yōu)先通行權(quán)，但闖紅燈終究是危險(xiǎn)的，因此如何解決特種車輛快速通行是不容忽視的問題。當(dāng)前許多學(xué)者對(duì)特種車輛綠波通行展開了相關(guān)研究，強(qiáng)成[1]通過分析特種車輛行車特性，研究不同交叉口下的特種車輛信號(hào)優(yōu)先。豆雪珊[2]設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)自適應(yīng)交叉口優(yōu)先控制策略，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急車輛優(yōu)先通過和通過后信號(hào)配時(shí)平滑恢復(fù)。董爭(zhēng)[3]等分析軍車城市道路通行綠波信號(hào)保障需求,提出綠波保障連續(xù)性分析處理方法和軍車城市道路通行綠波信號(hào)保障應(yīng)用條件。Khaled Shaaban[4]等開發(fā)了一種最佳路徑選擇和特種車輛優(yōu)先的聯(lián)合策略，在特種車輛到達(dá)前清理交叉路口。牟海波[5]等研究了應(yīng)急車輛信號(hào)優(yōu)先轉(zhuǎn)換回正常運(yùn)行狀態(tài)的控制策略。黃敏[6]等提出一種基于雙層規(guī)劃模型的應(yīng)急車輛優(yōu)先通行策略，綜合考慮應(yīng)急車輛的時(shí)效性以及交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率。鄭林輝[7]基于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境交通特性，結(jié)合路段車輛讓行、交叉口信號(hào)控制為應(yīng)急車輛提供優(yōu)先通行服務(wù)。范寬[8]等利用警報(bào)聲來識(shí)別特種車輛所在的車道，從而保證特種車輛的優(yōu)先通行。張立立[9]等指出解決應(yīng)急車輛優(yōu)先通行的兩個(gè)核心問題是應(yīng)急車輛的優(yōu)先控制和優(yōu)先控制與路徑規(guī)劃的相互作用。

目前大部分研究從路徑規(guī)劃、交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制著手，實(shí)現(xiàn)特種車輛綠波通行。本文旨在信號(hào)控制基礎(chǔ)上，通過設(shè)置合理的檢測(cè)器位置，更快做出判斷，實(shí)現(xiàn)特種車輛綠波通行，減少行程時(shí)間。

1 綠波通行方案

1.1 綠波機(jī)制

在特種車輛上安裝定位及信號(hào)接收發(fā)射裝置，實(shí)現(xiàn)特種車輛當(dāng)前位置的準(zhǔn)確定位，方便執(zhí)行任務(wù)時(shí)向信號(hào)燈控制中心發(fā)出優(yōu)先通行請(qǐng)求，并在所有交叉口的上下游合適位置設(shè)置特種車輛信號(hào)檢測(cè)器，通過檢測(cè)裝置與特種車輛行駛速度估計(jì)出特種車輛到達(dá)前方交叉口所需運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)到特種車輛即將到達(dá)相應(yīng)交叉口時(shí)，檢測(cè)器將消息傳送到交通管理部門，經(jīng)交通管理部門同意后，再將控制指令發(fā)送到信號(hào)燈控制中心，調(diào)整當(dāng)前信號(hào)燈配時(shí)方案。

通過綠燈延長(zhǎng)或紅燈早斷策略來實(shí)現(xiàn)特種車輛綠波通行，特種車輛通過后及時(shí)進(jìn)行信號(hào)配時(shí)的恢復(fù)，且在之后的執(zhí)行相位中對(duì)前一相位進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償，以保證信號(hào)配時(shí)周期維持不變。

假設(shè)通過修改調(diào)整相位的策略來維持特種車輛綠波通行的前提是特種車輛保持正常行駛速度，不會(huì)發(fā)生速度改變，則相位變化時(shí)間有以下約束：

(1)

式中，Tq為排隊(duì)消散時(shí)間，s；q為車輛排隊(duì)數(shù)，輛；c為通行能力，輛/h；λ為車輛到達(dá)率，輛/h。

(2)

式中，t為特種車輛行駛到交叉口的時(shí)間，s；S為特種車輛到交叉口的距離，m；V0為特種車輛正常行駛速度，km/h。

(1)Tq>t，前方排隊(duì)未消散，則分為以下兩種方案:

前方相位為綠燈：采用綠燈延長(zhǎng)方案，相位調(diào)整時(shí)間T=Tq-t；

前方相位為紅燈或黃燈：采用綠燈提前方案，相位調(diào)整時(shí)間T=Tq-R，R為剩余紅燈時(shí)間，s；

(2)Tq

圖1 車速引導(dǎo)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vehicle speed guidance

當(dāng)特種車輛行駛到位置①時(shí)，檢測(cè)裝置將前方綠燈倒計(jì)時(shí)時(shí)間反饋到特種車輛上，用于估算特種車輛該加速多少；特種車輛到達(dá)位置②時(shí)開始加速，達(dá)到一定速度后，正好在位置③的時(shí)候跟上前方車隊(duì)并在剩余綠燈時(shí)間里通過交叉口。

速度引導(dǎo)約束條件如下：

(3)

V0

(4)

式中，V特為特種車輛調(diào)整后速度，km/h；a為特種車輛加速度，km/s2；G為剩余綠燈時(shí)間，s；m為檢測(cè)裝置到交叉口停車線的距離，m。(注：法規(guī)上規(guī)定特種車輛執(zhí)行任務(wù)時(shí)無車速限制，但金山大道限速70 km/h，出于安全考慮，本文規(guī)定特種車輛車速上限不超過1.2V0)

不論是通過信號(hào)配時(shí)調(diào)整還是速度引導(dǎo)，檢測(cè)器位置均需設(shè)置合理，檢測(cè)器的位置可通過下面公式計(jì)算：

(5)

式中，V為車隊(duì)最后一輛車通過交叉口的速度，km/h。

檢測(cè)裝置到交叉口停車線的距離m的約束條件為:

(6)

式中，T為信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)，s；v為特種車輛行駛速度，km/h；L為特種車輛前方車隊(duì)長(zhǎng)度，m。

行駛過程存在其他社會(huì)車輛影響，為保證調(diào)整后特種車輛能順利通過交叉口，往往在調(diào)整時(shí)間上增加3 s。

1.2 通行流程

當(dāng)檢測(cè)到有特種車輛即將到達(dá)交叉口時(shí)：

(1)單輛特種車通過交叉口

如果特種車輛通行方向?yàn)榫G燈相位，則判斷特種車輛通行所需時(shí)間是否大于剩余相位時(shí)間，若否，則按照當(dāng)前車速正常行駛即可通過交叉口；若大于，在保證安全的情況下加速通過交叉口；如果達(dá)到最高行駛車速還是不能在綠燈相位內(nèi)通過交叉口，則短暫延長(zhǎng)綠燈，保證特種車輛可以通過當(dāng)前交叉口，隨后重新檢測(cè)是否有特種車輛到達(dá)。

如果特種車輛通行方向?yàn)榧t燈相位，則判斷特種車輛到達(dá)交叉口的所需時(shí)間，若時(shí)間大于剩余紅燈時(shí)間，即紅燈相位繼續(xù)；若小于，則應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈，疏通特種車輛前方排隊(duì)車輛，保證特種車輛順利通過交叉口，隨后重新檢測(cè)是否有特種車輛到達(dá)。

(2)多輛特種車通過交叉口

當(dāng)特種車輛同方向來車時(shí)，如果行駛方向信號(hào)為紅燈，則該方向的信號(hào)相位按第一輛到達(dá)特種車實(shí)施信號(hào)優(yōu)先相位，直到最后一輛特種車通過交叉口為止。如果行駛方向信號(hào)為綠燈，則綠燈延長(zhǎng)至最后一輛特種車輛通過。

當(dāng)特種車輛通行方向沖突時(shí)，通過控制中心判斷特種車輛到達(dá)順序，若同時(shí)到達(dá)，則分為對(duì)向車道來車和相交車道來車。若為對(duì)向車道，提前清空兩個(gè)路口直行道車輛，然后按照交通規(guī)則，右轉(zhuǎn)讓左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)讓直行原則讓特種車輛通行。若為相交車道，按照順時(shí)針順序，路口1清空直行車道車輛，路口2清空左轉(zhuǎn)車道車輛，然后按照交通規(guī)則，右轉(zhuǎn)讓左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)讓直行原則讓特種車輛通行。若不是同時(shí)到達(dá)，按照先到先通行順序進(jìn)行信號(hào)燈控制。

1.3 評(píng)價(jià)模型

在評(píng)價(jià)交通流運(yùn)行狀態(tài)時(shí)常用到的評(píng)價(jià)指標(biāo)有流量、停車次數(shù)、平均延誤時(shí)間等。特種車輛在路面上的交通量較少，因此流量不適于作為本文的評(píng)價(jià)指標(biāo)。且特種車輛執(zhí)行任務(wù)過程中，需要其它車輛避讓來保證特種車輛綠波通行，因此本文選取社會(huì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度L、特種車輛平均延誤時(shí)間D、行程時(shí)間T來評(píng)價(jià)本文所提通行策略的效果。參考文獻(xiàn)[10]建立了評(píng)價(jià)模型：

W=w1×T+w2×L+w3×D

(7)

w1+w2+w3=1

(8)

式中，w1、w2、w3表示非負(fù)的權(quán)重系數(shù)，具體取值范圍如表1所示。

表1 權(quán)重系數(shù)的確定

2 仿真驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)象為金山大道高峰時(shí)段交通現(xiàn)象(即強(qiáng)迫流狀態(tài))。金山大道作為福州市眾多道路中一條重要的主干道，經(jīng)過梅花樓、花溪、洪灣、建新、金洲、金榕6條路，形成6個(gè)主要交叉口，早晚高峰時(shí)期常有堵車現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.1 交通基礎(chǔ)情況

金山大道與金榕路、金洲路、建新路、洪灣路、花溪路及福州展覽城形成的交叉口見圖2。

圖2 金山大道路網(wǎng)圖Fig.2 Jinshan Road network

2.2 仿真評(píng)價(jià)

高峰時(shí)段金山大道交通量較大，此時(shí)各條道路均出現(xiàn)擁堵情況，因此以各交叉口次干路方向的社會(huì)車輛平均排隊(duì)長(zhǎng)度與特種車輛通過金山大道所需時(shí)間以及延誤來進(jìn)行分析。各交叉口次干路的平均排隊(duì)長(zhǎng)度折線圖見圖3。

圖3 各交叉口次干路的平均排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比折線圖Fig.3 Comparison of the average queuing length at each intersection of the secondary roads

由圖得出，實(shí)行特種車輛綠波通過后，各交叉口次干路平均排隊(duì)長(zhǎng)度都有增加，對(duì)比原配時(shí)方案下的排隊(duì)長(zhǎng)度，實(shí)行特種車輛綠波通行導(dǎo)致的排隊(duì)長(zhǎng)度增加屬于可接受范圍。

通過仿真驗(yàn)證，在現(xiàn)狀交通信號(hào)燈配時(shí)方案下，特種車輛經(jīng)過金山大道全段路程所需時(shí)間852 s，延誤時(shí)間687 s，而本文提出的控制策略進(jìn)行特種車輛綠波通行后，車輛通過金山大道所需時(shí)間僅198 s，大大提高特種車輛執(zhí)行任務(wù)的效率。

本次仿真目標(biāo)是高峰時(shí)段金山大道的通行情況，處在強(qiáng)迫流時(shí)評(píng)價(jià)模型中行程時(shí)間權(quán)重較大，取w1=0.5、w2=0.4、w3=0.1，通過式(7)計(jì)算，W1=813.4，W2=293.08。實(shí)行特種車輛綠波通行方案后的評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)于原配時(shí)方案，總體達(dá)到預(yù)期的控制效果。我國(guó)駕駛員在等待紅燈的極限時(shí)長(zhǎng)約80 s，本文提出方案相位調(diào)整時(shí)間未達(dá)極限時(shí)長(zhǎng)一半，且國(guó)家的法律規(guī)定社會(huì)車輛要為執(zhí)行任務(wù)的特種車輛讓行，因此屬于可接受方案。

3 結(jié)論

本文以特種車輛綠波通行為主要目標(biāo)，更快地檢測(cè)車輛的到達(dá)并對(duì)信號(hào)燈相位做出調(diào)整，在不改變信號(hào)配時(shí)周期的前提下，控制信號(hào)燈提前或延長(zhǎng)特種車輛所在方向綠燈相位，以及車速引導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)特種車輛綠波通行，極大程度地減少特種車輛在救援過程中的行程延誤，保證緊急救援的實(shí)現(xiàn)。并以福州市倉山區(qū)金山大道及所包含的交叉口各次干道驗(yàn)證本文提出的方法。最終通過VISSIM仿真驗(yàn)證，本文所提方案以增加2～3輛的社會(huì)車輛排隊(duì)為代價(jià)，縮短了81%特種車輛通行時(shí)間。