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(chē)輛通行效率最優(yōu)而忽略了特種車(chē)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(chē)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(chē)輛快速通行是不容忽視的問(wèn)題。當(dāng)前許多學(xué)者對(duì)特種車(chē)輛綠波通行展開(kāi)了相關(guān)研究，強(qiáng)成[1]通過(guò)分析特種車(chē)輛行車(chē)特性，研究不同交叉口下的特種車(chē)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(chē)輛優(yōu)先通過(guò)和通過(guò)后信號(hào)配時(shí)平滑恢復(fù)。董爭(zhēng)[3]等分析軍車(chē)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(chē)城市道路通行綠波信號(hào)保障應(yīng)用條件。Khaled Shaaban[4]等開(kāi)發(fā)了一種最佳路徑選擇和特種車(chē)輛優(yōu)先的聯(lián)合策略，在特種車(chē)輛到達(dá)前清理交叉路口。牟海波[5]等研究了應(yīng)急車(chē)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(chē)輛優(yōu)先通行策略，綜合考慮應(yīng)急車(chē)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(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境交通特性，結(jié)合路段車(chē)輛讓行、交叉口信號(hào)控制為應(yīng)急車(chē)輛提供優(yōu)先通行服務(wù)。范寬[8]等利用警報(bào)聲來(lái)識(shí)別特種車(chē)輛所在的車(chē)道，從而保證特種車(chē)輛的優(yōu)先通行。張立立[9]等指出解決應(yīng)急車(chē)輛優(yōu)先通行的兩個(gè)核心問(wèn)題是應(yīng)急車(chē)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(chē)輛綠波通行。本文旨在信號(hào)控制基礎(chǔ)上，通過(guò)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(chē)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(chē)輛上安裝定位及信號(hào)接收發(fā)射裝置，實(shí)現(xiàn)特種車(chē)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(chē)輛信號(hào)檢測(cè)器，通過(guò)檢測(cè)裝置與特種車(chē)輛行駛速度估計(jì)出特種車(chē)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(chē)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(mén)，經(jīng)交通管理部門(mén)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(guò)綠燈延長(zhǎng)或紅燈早斷策略來(lái)實(shí)現(xiàn)特種車(chē)輛綠波通行，特種車(chē)輛通過(guò)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(guò)修改調(diào)整相位的策略來(lái)維持特種車(chē)輛綠波通行的前提是特種車(chē)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(chē)輛排隊(duì)數(shù)，輛；c為通行能力，輛/h；λ為車(chē)輛到達(dá)率，輛/h。

(2)

式中，t為特種車(chē)輛行駛到交叉口的時(shí)間，s；S為特種車(chē)輛到交叉口的距離，m；V0為特種車(chē)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(chē)速引導(dǎo)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vehicle speed guidance

當(dāng)特種車(chē)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(chē)輛上，用于估算特種車(chē)輛該加速多少；特種車(chē)輛到達(dá)位置②時(shí)開(kāi)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(chē)隊(duì)并在剩余綠燈時(shí)間里通過(guò)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(chē)輛調(diào)整后速度，km/h；a為特種車(chē)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(chē)線的距離，m。(注：法規(guī)上規(guī)定特種車(chē)輛執(zhí)行任務(wù)時(shí)無(wú)車(chē)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(chē)輛車(chē)速上限不超過(guò)1.2V0)

不論是通過(guò)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(guò)下面公式計(jì)算：

(5)

式中，V為車(chē)隊(duì)最后一輛車(chē)通過(guò)交叉口的速度，km/h。

檢測(cè)裝置到交叉口停車(chē)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(chē)輛行駛速度，km/h；L為特種車(chē)輛前方車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度，m。

行駛過(guò)程存在其他社會(huì)車(chē)輛影響，為保證調(diào)整后特種車(chē)輛能順利通過(guò)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(chē)輛即將到達(dá)交叉口時(shí)：

(1)單輛特種車(chē)通過(guò)交叉口

如果特種車(chē)輛通行方向?yàn)榫G燈相位，則判斷特種車(chē)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(chē)速正常行駛即可通過(guò)交叉口；若大于，在保證安全的情況下加速通過(guò)交叉口；如果達(dá)到最高行駛車(chē)速還是不能在綠燈相位內(nèi)通過(guò)交叉口，則短暫延長(zhǎng)綠燈，保證特種車(chē)輛可以通過(guò)當(dāng)前交叉口，隨后重新檢測(cè)是否有特種車(chē)輛到達(dá)。

如果特種車(chē)輛通行方向?yàn)榧t燈相位，則判斷特種車(chē)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(chē)輛前方排隊(duì)車(chē)輛，保證特種車(chē)輛順利通過(guò)交叉口，隨后重新檢測(cè)是否有特種車(chē)輛到達(dá)。

(2)多輛特種車(chē)通過(guò)交叉口

當(dāng)特種車(chē)輛同方向來(lái)車(chē)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(chē)實(shí)施信號(hào)優(yōu)先相位，直到最后一輛特種車(chē)通過(guò)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(chē)輛通過(guò)。

當(dāng)特種車(chē)輛通行方向沖突時(shí)，通過(guò)控制中心判斷特種車(chē)輛到達(dá)順序，若同時(shí)到達(dá)，則分為對(duì)向車(chē)道來(lái)車(chē)和相交車(chē)道來(lái)車(chē)。若為對(duì)向車(chē)道，提前清空兩個(gè)路口直行道車(chē)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(chē)輛通行。若為相交車(chē)道，按照順時(shí)針順序，路口1清空直行車(chē)道車(chē)輛，路口2清空左轉(zhuǎn)車(chē)道車(chē)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(chē)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(chē)次數(shù)、平均延誤時(shí)間等。特種車(chē)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(chē)輛執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，需要其它車(chē)輛避讓來(lái)保證特種車(chē)輛綠波通行，因此本文選取社會(huì)車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度L、特種車(chē)輛平均延誤時(shí)間D、行程時(shí)間T來(lái)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(guò)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(chē)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(jiàn)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(chē)輛平均排隊(duì)長(zhǎng)度與特種車(chē)輛通過(guò)金山大道所需時(shí)間以及延誤來(lái)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(jiàn)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(chē)輛綠波通過(guò)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(chē)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(guò)仿真驗(yàn)證，在現(xiàn)狀交通信號(hào)燈配時(shí)方案下，特種車(chē)輛經(jīng)過(guò)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(chē)輛綠波通行后，車(chē)輛通過(guò)金山大道所需時(shí)間僅198 s，大大提高特種車(chē)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(guò)式(7)計(jì)算，W1=813.4，W2=293.08。實(shí)行特種車(chē)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(chē)輛要為執(zhí)行任務(wù)的特種車(chē)輛讓行，因此屬于可接受方案。

3 結(jié)論

本文以特種車(chē)輛綠波通行為主要目標(biāo)，更快地檢測(cè)車(chē)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(chē)輛所在方向綠燈相位，以及車(chē)速引導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)特種車(chē)輛綠波通行，極大程度地減少特種車(chē)輛在救援過(guò)程中的行程延誤，保證緊急救援的實(shí)現(xiàn)。并以福州市倉(cāng)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(guò)VISSIM仿真驗(yàn)證，本文所提方案以增加2～3輛的社會(huì)車(chē)輛排隊(duì)為代價(jià)，縮短了81%特種車(chē)輛通行時(shí)間。