應急車輛作用下的路段交通仿真模型研究

王強華，劉小明，王 文，李穎宏，王宗鈺

（1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.北方工業大學城市道路智能交通控制技術北京市重點實驗室，北京 100041）

0 引言

微觀交通流仿真模型作為交通流理論研究的基礎組成部分之一，對交通仿真及交通管理控制方法的發展具有重要意義。目前較為典型的微觀交通流模型主要包括非線性跟馳模型、元胞自動機模型等［1－5］。在以往的研究中，微觀交通流模型構建更多側重于車輛之間的時空關系，即通過加入駕駛者感知能力、判斷力以及理性程度等因素，使其與實際車輛行為更加接近。相對而言，上述模型對特殊車輛（如應急車輛）加入到車流中以后，車輛間相互影響作用關系以及由此產生的交通流特性變化特征等問題還較少提及。在實際交通環境中，應急車輛是一類特殊車輛，主要包括警車、消防車、救護車、工程救險車等執行應急救援服務的車輛。應急車輛的特殊性導致其行為過程與普通車輛有所差異，因此有必要對其進行專門研究，而研究考慮應急車輛的路段交通流模型也將會對應急車輛路徑優化、交通管制措施制定等提供有益的指導。

1 模型構建

在路段交通流中，由于應急車輛的加入，車輛的行駛規則較通常狀況下會有所變化。根據《中華人民共和國道路交通安全法》中的相關規定，當應急車輛出現在交通流中時，其他車輛需要讓行，給予應急車輛優先通行權。基于此，在模型構建過程中，根據車輛屬性及其所在車道，將車輛分為四類：應急車輛；與應急車輛不在同一車道的普通車輛；與應急車輛在同一車道但位置處于應急車輛前方的車輛；與應急車輛在同一車道但位置處于應急車輛后方的車輛。以下將根據上述四類車輛分別制定其行為規則，其中的應急車輛影響范圍是指對應急車輛聲光指示有所響應（具體表現為跟車換道行為的變化）的范圍大小，大小用元胞數來表示，其示意圖如圖1所示。圖1中虛線框內為應急車輛影響范圍，其中車輛a為應急車輛，車輛c、d為應急車輛影響范圍內與應急車輛在同一車道的前車，車輛b為應急車輛影響范圍內相鄰車道普通車輛。

圖1 應急車輛影響范圍示意圖

在本文中取一條道路，將其視為長度為3 150m的離散格點，其中包含兩條車道的行車格點，每條車道外側為停車格點，為簡單起見，兩類格點間距均為7.5m，每車道被分為420個格點，即L=420。在任一時刻行車格點為空或被一輛車占據。系統采用周期性邊界條件，從左向右行駛車輛當駛出右邊界后從左邊界（如左邊界被占據則等待）重新進入，初始時刻車輛隨機分布在車道上。普通車輛最大速度為vmax=5，應急車輛最大速度為vmax=6。根據車輛的行為過程，分以下幾類情形進行分析：a）車輛在本車道的跟車行駛；b）應急車輛強制換道；c）應急車輛自由換道；d）應急車輛影響范圍內僅有一輛車時，與應急車輛在同一車道的前車換道情形；e）應急車輛影響范圍內僅有一輛車時，與應急車輛在同一車道的前車不具備換道條件；f）應急車輛響應范圍內有n（n＞1）輛車時，與應急車輛在同一車道的前車換道情形；g）應急車輛影響范圍內相鄰車道普通車輛不能換道情形；h）普通車輛在應急車輛影響范圍外自由換道的情形。

由于篇幅關系，以下主要對上述車輛行為中的b）、d）、f）進行分析，分別建立其元胞自動機交通行為規則如下（需指出的是，在本車道跟車行駛采用的NS模型，應急車輛由于其特殊性，在本文中的設計不執行隨機慢化規則）。

1.1 應急車輛強制換道

考慮到應急車輛的特殊性，當其有換道意圖時，普通車輛一般會給予支持，也即相鄰車道后車可能會減速以使應急車輛完成換道，但考慮到安全性因素，由于后車最大減速度一般情況下取值為6～8m/s2，因此本文設計應急車輛的強制換道規則如下：

{應急車輛以概率Pm完成強制換道，同時相鄰車道后車速度：

式中，第n輛車為應急車輛，gapn（t）、gapn.other（t）、gapn.back（t）分別為t時刻第n輛車與本車道前方車輛間的距離、t時刻第n輛車與相鄰車道前方車輛間的距離、t時刻與第n輛車與相鄰車道后方車輛間的距離；gapn（t）＜min{vn（t）＋1，vn，max}表示第n輛車在原車道受到阻擋，此處的vn，max為應急車輛最大行駛速度；gapn，other（t）＞gapn（t）表示應急車輛可以在另一車道上達到更快的速度；vnb，other（t）為相鄰車道后車速度，gapn.back（t）＞（vnb.other（t）－min{vn（t）＋1，vn，max}）表示與目標車道后車安全換道間距符合條件（考慮到避免急剎車情況的出現，此處認為后車最大減速度為一個格點（7.5m/s2））；gapn.back（t）≤（1＋vnb，other，max－min{vn（t）+1，vn，max}）表示應急車輛與相鄰車道后車之間的距離不足以使應急車輛自由換道，vnb，other，max為應急車輛相鄰車道后車最大行駛速度。

1.2 應急車輛影響范圍內僅有一輛車時，與應急車輛在同一車道的前車換道情形

應急車輛影響范圍內僅有一輛車時，由于受應急車輛的影響，應急車輛前車將根據相鄰車道前后車空間、速度等因素考慮是否換道，具體包括以下兩種情況。

1.2.1 前車自由換道

考慮到應急車輛的影響，相對于STCA模型來說需進行一些修改，其約束條件更為寬松，即當該車換道至相鄰車道后即便速度并無改觀，也執行換道行為。

式中，此處第n輛車為普通車輛，gapn（t）、gapn.other（t）、gapn.bak（t）分別為t時刻第n輛車與本車道前方車輛間的距離、t時刻第n輛車與相鄰車道前方車輛間的距離、t時刻與第n輛車與相鄰車道后方車輛間的距離；vn，max為普通車輛最大行駛速度。

在應急車輛的影響下，此時普通車輛自由換道時有兩個特征：a）原車道前車不一定對本車的加速產生阻礙；b）換道后本車速度未必有改觀。

1.2.2 前車減速換道

由于受到應急車輛的影響，前車執行換道行為時主要以判斷與目標車道后車的距離是否滿足安全間距為主，換道后該車輛的速度會降低，換道規則設計如下：

1.3 應急車輛本車道影響范圍內n輛車時前車換道情形

應急車輛本車道影響范圍內n輛車時，需要首先判斷影響范圍內本車道車輛數，在此基礎上，以與應急車輛最近的前車受影響最大為出發點，依次判斷范圍內車輛是否滿足換道條件，參見規則2.4與2.5，需要指出的是，如應急車輛本車道影響范圍內相鄰車輛的路段空間映射到相鄰車道上，在相鄰車道該空間內沒有其他車輛，則由于存在時間前后關系，距離應急車輛較遠的車輛需首先判斷距離應急車輛較近的車輛（本車道后車）是否準備換道，如準備換道，則該車輛的換道條件將受距離應急車輛較近車輛的影響?；谏鲜龇治?，本文設計判斷流程及相應的規則如下：

a）判斷影響范圍內第一輛前車C1是否滿足換道條件，見規則2.4與2.5；

b）如不滿足換道條件，則判斷第二輛車C2是否滿足換道條件，依次類推直至Cn；

c）如某輛車Ci滿足換道條件且執行換道，則判斷Ci+1是否滿足換道條件時，要考慮Ci換道后的位置、速度影響，情況1為車輛Ci換道后與Ci+1之間路段空間映射到相鄰車道上，如該空間內有其他車輛，則直接判斷Ci+1是否滿足換道條件，情況2為車輛Ci換道后與Ci+1之間路段空間映射到相鄰車道上，如該空間內無其他車輛，則判斷Ci+1是否滿足換道條件時，其在相鄰車道上的后車或前車（以Ci換道后位置是否超過Ci+1的位置來判斷）為Ci。

2 模擬與分析

模擬時每次的演化時步為10 000步（每個仿真時步對應現實時間1s），為消除初態影響，取后600步運行結果。為了消除隨機性對結果的影響，每條件下做10次仿真，其后對10個樣本取平均。模擬過程中，根據所處交通條件的變化，車輛將相應地執行前文中描述的元胞自動機交通模型規則。

下文先分析應急車輛在受到前車阻礙執行換道的情況下路段交通流的變化特征。設定pm=0.5、pn=0.5，應急車輛影響響應范圍fw分別為10、30和60個格點時，在不同車輛密度ρ情況下，應急車輛與普通車輛平均速度的變化過程。仿真結果如圖2所示，從圖2可以看出，隨著車流密度的增加，應急車輛與普通車輛的平均速度均呈下降趨勢，且在密度ρ=0.2～0.7之間時下降較快，應急車輛在路段上行駛的時空情況見圖3。此外，在相同影響范圍情況下，總體上應急車輛的平均速度要高于普通車輛的平均速度，隨著密度的增加，這兩類車輛平均速度之間的差值逐漸減小，當密度ρ＞0.9之后，兩類車輛平均速度已十分接近。且從圖3也可以看出，在相同的車流密度下，應急車輛影響范圍越大，它所能獲得的平均速度越高，其與普通車輛平均速度之間的差值也越大。

圖2 不同fw車輛隨交通流密度變化平均速度的變化過程

圖3 行駛的時空圖

圖3a）為ρ=0.2、pm=0.5、pn=0.5，fw=10時，應急車輛在路段上行駛的時空圖，圖3b）為ρ=0.9、pm=0.5、pn=0.5，fw=10時，應急車輛在路段上行駛的時空圖。對比這兩幅圖可以看出，在車流密度較小時（ρ=0.2），應急車輛基本能以最大速度持續向前行駛，此時應急車輛的平均速度較大，路段行程時間較短；當車流密度很大時（ρ=0.9），此時應急車輛在車流中受阻程度嚴重，以較高速度前進的機會變少且持續時間變短，此時應急車輛平均速度較小，路段行程時間大幅上升。

以下分析應急車輛換道或不換道時對交通流運行速度的影響。圖4為應急車輛換道（參數設置為pm=0.5、pn=0.5，fw分別為10、30和60）、應急車輛不換道（參數設置為pm=0、pn=0.5，fw分別為10、30和60）時，不同交通流密度下路段普通車輛平均速度的對比。圖5為應急車輛換道（參數設置為fw=10、pm=0.5、pn=0.5）、應急車輛不換道（參數設置為fw=10、pm=0、pn=0.5）時，不同交通流密度下應急車輛平均速度的對比。圖6為應急車輛換道（參數設置為fw=60、pm=0.5、pn=0.5）、應急車輛不換道（參數設置為fw=60、pm=0、pn=0.5）時，不同交通流密度下應急車輛平均速度的對比。

從這三幅圖中可以看出：首先是無論應急車輛換道與否，在設置的三個影響范圍內，隨著路段交通流密度的變化，整個路段普通車輛的平均速度變化不大；其次是應急車輛執行換道行為時，其平均速度較不執行換道行為時的平均速度略高，且當影響范圍較小時（fw=10），在一個較寬的車流密度范圍內（ρ≤=0.7），兩種情況下的平均速度差值較明顯，而當影響范圍較大時（fw=60），在密度較低的情況下（ρ≤=0.3），兩種情況下的平均速度差值較明顯，之后兩種情況下的平均速度已比較接近。這說明當車流密度較小時，應急車輛換道可能性較大，其受前車阻礙程度較小，此時應急車輛影響響應范圍對應急車輛的速度影響不大；而當車流密度逐漸變大時，較小的應急車輛響應范圍下，前車對應急車輛的阻礙相對較大，此時應急車輛換道對其速度的提高起到一定作用；較大的應急車輛影響響應范圍下，前車對應急車輛的阻礙相對較小，加之應急車輛影響響應范圍內換道至相鄰車道的車輛數相對較多，也導致應急車輛換道的機會變小，此時應急車輛換道與不換道兩種行為下的平均速度會比較接近。

圖4 應急車輛執行/不執行換道時普通車輛平均速度變化過程

圖5 當fw=10應急車輛執行/不執行換道時應急車輛平均速度變化過程

圖6 當fw=60應急車輛執行/不執行換道時應急車輛平均速度變化過程

3 結語

應急車輛的特殊性使其行為過程與普通車輛有所差異，因而有應急車輛加入的路段交通流運行特性較以往也有了一定程度上的不同。基于此，本文在對不同車輛屬性及相互影響下行為特征分析的基礎上，將路段車輛進行分類并分別構建了應急車輛和不同類別普通車輛跟車換道元胞自動機行為規則，進一步通過數值仿真，給出了不同參數設置條件下應急車輛本身及路段交通流交通特性的變化過程。研究結果表明：其一，在相同的車流密度下，應急車輛影響響應范圍越大，應急車輛所能獲得的平均速度越高，其與普通車輛平均速度之間的差值也越大；其二，無論應急車輛換道與否，在本文設置的三個影響響應范圍下，隨著路段交通流密度的變化，整個路段普通車輛的平均速度變化不大，也即應急車輛的換道及其影響響應范圍對整個路段交通流的平均速度影響不大，而應急車輛執行換道行為時，其平均速度較不執行換道行為時的平均速度略高。上述結論將會對實際交通管理和控制過程中應急車輛路徑優化、交通管制措施制定等提供有益的指導。

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