特種車輛交叉口信號優先控制系統設計

強 成

（中國人民解放軍63996部隊駕駛員訓練基地，北京 100094）

前言

特種車輛是指執行特別任務的專用車輛，包括警車、消防車、救護車、工程救險車、軍事監理車等?！兜缆方煌ò踩ā芬延幸幎?，特種車輛執行緊急任務時，在確保安全的前提下，不受行駛路線、行駛方向、行駛速度和信號燈的限制，其他車輛和行人應當讓行。隨著機動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，正逐漸得到專家學者的高度關注。美國、日本等國家的交通控制系統中就包括緊急車輛優先系統，不少學者對公交信號優先控制也進行了研究[1-2]。在我國，關于公交信號優先的研究有很多[3-6]，而特種車輛信號優先的研究和應用相對較少。北京2008年奧運會期間，在奧體中心區利用射頻技術進行了道路交叉口公交車信號優先和奧運VIP車輛信號緊急優先的設計[7]；文獻[8]利用無線通訊和單片機技術，設計了基于單點控制的特種車輛綠燈暢行系統，文獻[9]將ZIGBEE技術用于特殊車輛信號優先控制中，發現車路間的通信可以提高車輛的運行效率，同時駕駛員獲得交叉口信號的信息也在一定程度上提高了車輛運行的安全性。

在執行緊急任務時，特種車輛可闖紅燈，在信號交叉口存在較大的安全隱患，因此，設計安全、有效的特種車輛信號優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優先理論的基礎上，設計了特種車輛交叉口信號優先控制系統，并闡述了信號優先控制的策略，控制系統可以有效提高特種車輛的行車速度與交通安全性。

1 特種車輛優先控制范疇

執行緊急任務的特種車輛速度快，在交通安全前提下，享有優先通行權，不受行駛路線、行駛方向、行駛速度和信號燈的限制，其他車輛和行人應當讓行。當特種車輛執行非緊急任務時，不享有道路通行優先權，且不能使用警報器和標志燈具。

公交優先包括空間優先和時間優先[10]。類似地，特種車輛優先也可包括空間優先和時間優先兩種。空間優先是指對特種車輛在通行空間上給予優先，如設置專用車道。時間優先是指在交叉口為特種車輛提供優先通行信號，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間，提高特種車輛的運行效率。然而，特種車輛在執行緊急任務的出行量相對較小，再加上特種車輛不受標志、標線等限制，所以，通過設置特種車輛專用道的可行性較低，空間優先具有很大的限制性和局限性，因此特種車輛時間優先則更加符合實際，時間優先常用方法是交叉口信號優先。

2 特種車輛交叉口信號優先控制系統

特種車輛交叉口信號優先是一種絕對優先，不必考慮交叉口總體效益最佳化，它的總體目標應該是特種車輛綠燈暢行和保證交通安全。特種車輛信號優先系統由特種車輛檢測系統、通信系統、交叉口信號控制系統、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優先系統

2.1 特種車輛檢測系統

在特種車輛上安裝車載終端，包括GPS、特種車輛信號發射器、通信終端三部分。GPS實現了交通管理與控制中心對特種車輛的定位和追蹤。特種車輛信號發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控制器發出請求信號，實現特種車輛與交叉口信號系統之間的通信，特種車輛在執行緊急任務時，需要打開信號發射器，不執行緊急任務時，關閉信號發射器。通信終端的作用是實現特種車輛與交通管理與控制中心、交通信號控制系統之間的通信，對特種車輛發布出行誘導信息，并預先調整相應道路交叉口的信號系統。

在需要實行特種車輛信號優先時，交叉口的上、下游分別設置與特種車輛信號發射器相應頻率的信號檢入和檢出設備。當檢入設備檢測到有特種車輛到達時，將特種車輛到達信息快速傳遞到信號機控制系統和交通管理與控制中心，由交通管理與控制中心實施優先策略，然后發出指令給信號機控制系統，以便實現特種車輛順暢優先通過交叉口。設置檢出設備的目的是為了讓控制系統獲取特種車輛離開交叉口的信息，以便調整信號配時。

特種車輛檢測系統通過計數器記錄檢入和檢出設備間的特種車輛數，計數器通過通行系統實現與特種車輛、交通管理與控制中心、交通信號控制系統之間的信息交流。當檢入設備被激活時，計數器計數加 1，當檢出設備被激活時，計數器計數減 1。在檢測設備正常工作情況下，僅當計數器的計數大于或等于1時才考慮特種車輛信號優先的問題。當檢測設備出錯或計數器計數異常時，需要對計數器進行初始化操作，計數器工作流程如圖2所示。

圖2 計數器工作流程圖

2.2 通信系統

通信系統將檢測設備的輸出信號傳輸到信號控制系統和交通管理與控制中心，作為信號控制決策的輸入；同時將控制策略從交通管理與控制中心傳輸給信號控制器，來控制信號燈的顯示，當沒有交通管理與控制中心的情況下，由信號控制系統直接控制信號燈。此外，通信系統實現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、出發點、目的地等信息傳輸到交通管理與控制中心，交通管理與控制中心將出行路徑、注意事項等出行信息傳輸給車輛終端。通信系統實現了各個子系統間的信息互通，系統通信的效率直接影響到信號優先控制的精確度。

2.3 交通信號控制系統

交通管理與控制中心通過車載終端及信號檢測設備來定位及追蹤特種車輛，獲取特種車輛信號優先請求，并將交叉口信號調整方案傳輸給相應的交叉口信號控制系統，并指令信號控制系統在規定的時間內調整信號。

交通信號控制系統負責響應信號優先請求并執行相應的信號變換，信號變換可由信號控制器執行，也可以先由交通管理與控制中心對優先請求進行采集和處理，然后驅動交叉口信號控制器來執行。在不設置交通管理與控制中心的條件下，信號控制系統將基于預置策略做出是否要進行特種車輛信號調整的決策，同時還要負責對優先請求進行優先等級排隊管理。

2.4 交通管理與控制中心

交通管理與控制中心對特種車輛進行定位追蹤及出行誘導，并設計信號調整的控制方案，實現特種車輛的優先暢行。特種車輛在執行緊急任務時，通過車載終端將特種車輛的屬性信息發送給交通管理與控制中心，交通管理與控制中心則開始對特種車輛實行全程定位監控和出行誘導，并在合理的時間范圍內調整途經交叉口的信號控制方案，在安全的前提下，使特種車輛以最短的時間到達目的地，同時，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。在交通狀態較為簡單的交叉口，可不設置交通管理與控制中心，車輛終端只包括專用信號發射器,車輛與交通信號控制系統之間進行信息通訊，實現特種車輛的檢測與優先通行。

3 特種車輛交叉口信號優先控制策略

3.1 單輛特種車通過交叉口

特種車輛通過車載終端將車輛的類型、出發點、目的地等信息傳輸到交通管理與控制中心，交通管理與控制中心對特種車輛開始進行定位追蹤。當特種車輛經過信號檢測設備時，信號檢測設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控制系統，供其計算到達交叉口的時間。一般情況下，黃色信號燈作為綠燈和紅燈之間緩沖，顯示時間短，則特種車輛信號優先控制中可以把黃燈當作紅燈處理。如果行駛方向信號燈為紅燈且剩余紅燈時間大于特種車輛到達交叉口的時間，可以通過縮短目前信號相位使下一個綠燈相位提前到達來實施特種車輛信號優先；如果該方向的信號燈為綠燈且剩余綠燈時間小于特種車輛到達交叉口的時間，則通過延長綠燈時間使特種車輛順利通過。當特種車輛經過交叉口后，檢出設備會檢測到車輛已駛過，則停止該方向的信號優化。另外，為了減少由于特種車輛優先通過而帶來的對道路交叉口交通流的不良影響，需要在特種車輛經過后，對沖突相位進行綠燈時間補償。

目前我國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，信號優先檢測方式如圖3所示，m和n分別為檢入設備和檢出設備距離信號交叉口停車線的距離。信號優先系統啟動后，特種車輛行駛方向信號燈變為綠燈，為保證特種車輛暢行，沖突方向信號燈應為紅燈，沖突方向非特種車輛停車等待特種車輛通過。T型交叉路口比十字型路口少一個方向，但是其交通通行情況卻和十字型路口相似[8]，所以T型交叉路口的優先系統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優先檢測方式示意圖

Y型交叉路口的設計方案則與十字型、T型交叉口不同，從特種車輛綠燈暢行和安全角度考慮，當一個方向實行信號優先時候，其余兩個方向則應該均處于紅燈禁行狀態，如圖4所示。

圖4 Y型交叉口特種車輛信號優先檢測方式示意圖

考慮到特種車輛信號優先的總體目標是交通安全和特種車輛綠燈暢行，因此，在特種車輛到過交叉口前，必須有足夠的時間處理沖突相位的信號配時，使特種車輛通過信號交叉口時，恰好是綠燈且沖突相位恰好是紅燈。所以，信號檢測設備的位置選擇比較重要。

信號檢入設備的位置與特種車輛行駛速度、系統反應時長、信號燈時長等因素有關，通常情況下，特種車輛從信號檢入設備到交叉口停車線行駛時間要大于系統反應時長，且小于信號燈時長，使特種車輛觸發檢入設備后，系統能夠有時間啟動信號優先，同時保證行駛時間在信號燈時長的k倍范圍內，避免資源浪費。

式中，v為特種車輛的行駛速度；m為信號檢入設備與該方向交叉口停車線的距離；t為特種車輛從信號檢入設備行駛到交叉口停車線的時間；T系為特種車輛檢測系統反應時長；T為信號燈時長；k為參數，取值受交叉口流量影響。

檢入設備檢測到特種車輛，交叉口對應的信號燈若為綠燈，則需延長綠燈時間，保證特種車輛可以按照正常速度通過信號交叉口；當檢入設備檢測到特種車輛，交叉口對應的信號燈為紅燈時，若在交叉口處有車輛排隊，需要保證在特種車輛到達前，排隊的非特種車輛在交叉口處疏散。檢入設備檢測到特種車輛，交叉口對應的信號燈若為黃燈，則按照紅燈處理即可。

當檢入設備檢測到特種車輛，信號燈為紅燈時，特種車輛速度及通過信號交叉口的時間受交叉口排隊非特種車輛的影響。在特種車輛優先控制系統調節下，紅燈變為綠燈，需要保證因紅燈而在信號交叉口等待的車輛，在特種車到達信號交叉口時已經疏散，才能使特種車輛順暢通過信號交叉口。

式中，L為非特種車輛排隊長度；V為最后一輛排隊的非特種車輛通過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消散時間。

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

不同信號交叉口各參數取值不同，因此，信號檢入設備與該方向交叉口停車線的距離需要根據系統布置當地實際情況進行合理設置。

檢出設備的設置位置需要滿足特種車輛在通過信號交叉口后，后續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、掉頭等行為導致的安全事故。

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

3.2 多輛特種車通過交叉口

多輛特種車需要通過信號交叉口時，需要由交通管理與控制中心與信號檢測設備判定特種車行駛方向及到達的先后順序，進而啟動信號優先程序。

當特種車輛的行駛方向相同時，如果行駛方向信號為紅燈或者黃燈，則該方向的信號燈變為綠燈的時間應按首輛特種車實施信號優先相位開始，該方向的信號燈由綠燈變為紅燈的時刻按最后一輛特種車通過檢出設備的時刻為止。如果行駛方向信號為綠燈，則綠燈信號延長至最后一輛特種車通過。當沖突方向的特種車輛相繼要通過信號交叉口時，則需要通過交通管理與控制中心判斷特種車到達信號交叉口的先后順序，按照先到先通行的原則進行特種車輛信號優先控制。

3.3 特種車輛信號優先控制邏輯

特種車輛交叉口信號優先控制邏輯如圖5所示，主要包含幾個步驟：

（1）到達交叉口的特種車輛數級判斷

當信號檢入設備檢測到特種車輛到達時，首先對優先車輛進行車輛數判斷。當到達車輛為一輛特種車時，則立即發送優先信號，及時對特種車輛進行信號優先；當到達特種車輛是多輛時，進行第（2）步判斷。

圖5 特種車輛信號優先控制邏輯示意圖

（2）特種車輛行駛方向判斷

當特種車輛行駛方向相同時，進行第（3）步判斷；當特種車輛行駛方向沖突時，進行第（4）步判斷。

（3）特種車輛行駛方向信號燈顏色判斷

特種車輛行駛方向信號燈為紅燈，則實行信號優先，并且紅燈變為綠燈的時間為第一輛特種車到達的時刻，綠燈變紅燈的時間為最后一輛特種車通過時刻。當特種車輛行駛方向信號燈為綠燈時，則綠燈延長至最后一輛特種車通過信號交叉口。

（4）沖突時先到交叉口車輛方向信號燈顏色判斷

通過信號檢入設備檢測特種車輛到達，經交通管理與控制中心判斷車輛到達先后順序。當沖突時先到交叉口車輛方向信號燈為紅燈時，信號優先，然后按照先到先行的原則進行特種車輛優先通過。

4 小結

在交通安全和特種車輛綠燈暢行的要求下，智能交通系統的應用會越來越廣泛。在特種車輛行車特性和優先控制理論的基礎上，設計了特種車輛交叉口信號優先控制系統，闡述了特種車輛交叉口信號優先控制策略與邏輯，同時設定了檢測設備的位置約束條件，信號優先系統實現了先進的交通管理系統的對接，具有技術上的可行性。信號優先控制系統實現了特種車輛的在交叉口的順暢通行，同時又確保了交叉口的行車安全。然而，特種車輛的優先通行會造成非特種車輛的行車延誤增加，特種車輛信號優先后，采取信號補償盡快疏散交通流還有待進一步研究。