考慮社會車輛通行效率的應急車輛信號優先控制策略

祁坤

摘要 文章提出了一種新的交通信號控制策略，旨在平衡應急車輛通行的迫切性和社會車輛通行效率。該策略通過預測應急車輛到達交叉口的時間，并根據實時交通情況進行信號配時調整，以確保應急車輛盡快通行的同時最小化對社會車輛的影響。通過Python對交通軟件SUMO進行二次開發，并進行仿真實驗驗證，結果顯示該策略能顯著減少應急車輛通行時間和社會車輛延誤時間。

關鍵詞 應急車輛；信號控制策略；二次開發；通行效率

中圖分類號 U491文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0011-03

0 引言

目前，應急車輛通行優先的研究已相當充分，主要集中在車道規劃和信號調控[1-2]，以及可變車道技術的應用[3]。然而，在應急車輛通行路段中保障社會車輛通行效率的相關研究尚不完善。傳統策略只注重應急車輛通行效率，而未考慮實時監控和交叉口信號燈調控，導致資源浪費和社會車輛擁堵。綜合考慮應急車輛和社會車輛通行情況，需要更智能、全面的交通控制策略應對城市道路的挑戰。

為應對上述問題，該文引入了信號優先控制策略，旨在保障應急車輛快速通行的同時考慮社會車輛通行效率。通過實時調整交叉口信號燈的相位配時方式，在盡可能減少對社會車輛的干擾下，優化通行效率。該策略能夠滿足應急車輛需求，同時最小化信號配時調整，提高了交叉口通行效率。

1 場景分析

在城市交叉口管理中，專用道和信號優先相位的設計旨在為特殊車輛提供獨立通行通道，確保其快速通過交叉口。尤其對于應急車輛，在確保其通行權益的同時，也需考慮減少對一般車輛的影響，以提高整體道路交通的通行效率。

當前的交叉口信號控制策略主要關注應急車輛通行效率，通常在應急車輛到達之前就為其開辟專用信號相位，但這種策略忽視了對社會車輛的考慮。由于缺乏對應急車輛通行時間需求的準確預測，社會車輛往往在交叉口排隊等候，導致通行效率下降。尤其在靠近應急點的情況下，來自兩個方向的應急車輛同時到達交叉口時，社會車輛的等待時間會進一步延長。因此，交叉口信號控制策略仍有改進空間。

該文提出的應急車輛信號優先控制策略，通過實時監測交通流，準確預測應急車輛到達時間，并靈活調整信號配時，以保障應急車輛快速通過交叉口，盡量減少對社會車輛的干擾。

2 應急車輛信號優先控制策略

2.1 應急車輛車道設計

該文提出了一種應急車輛信號優先控制策略，目的是提高應急車輛通行效率，并減少對一般交通流的干擾。該策略通過在傳統應急車道上設置檢測器，并與交叉口信號燈進行緊密聯動，以及時有效地調整信號，確保應急車輛優先通行。為確保應急車輛在行駛過程中不受其他車輛的干擾，將交叉口進口道最外側車道被設計為專用車道。該專用車道配備了檢測器，以確保準確識別應急車輛。檢測器位置距離交叉口50～150 m[4]，該設計旨在提供足夠的識別和信號調整時間，以滿足應急車輛的需求。

2.2 信號控制方式

應急車輛信號優先控制策略，采用紅燈早斷和綠燈延長兩種方式進行信號控制。根據檢測器預測應急車輛到達交叉口的時間點，信號配時調控方案可分為以下三種情況：

（1）當預測到應急車輛在交叉口信號燈紅燈前期到達時，采用綠燈延長策略，延長上一相位的綠燈時長，以確保應急車輛在紅燈相位開始之前通過交叉口。

（2）當預測到應急車輛在交叉口信號燈紅燈后期到達時，采用紅燈早斷策略，提前結束該相位的紅燈時間，使得應急車輛到達時交叉口信號燈剛好轉為綠燈，應急車輛可直接通過。

（3）當預測到應急車輛在交叉口信號燈綠燈期間到達時，則不進行任何調控，交叉口信號燈維持原狀態，應急車輛可直接通過。

為保證兩個方向上的應急車輛順利通過交叉口，交叉口信號配時方案應根據應急車輛到達時間靈活調整，以減少應急車輛在交叉口的行駛時間。調控策略包括兩種情況：第一種情況是當一個方向上的應急車輛到達交叉口時，另一個方向上的應急車輛未到達，交叉口信號燈可采用紅燈早斷或綠燈延長控制策略，確保該方向上的應急車輛快速通過。第二種情況是兩個方向上的應急車輛在短時間內先后到達交叉口，需要在同一信號周期內采用紅燈早斷和綠燈延長兩種方式調控，或在兩個連續周期內分別采用一種方式調控，以確保兩個方向上的應急車輛都能快速通過。具體采用哪種方式進行調控，取決于最小化對社會車輛的影響，并根據約束條件和應急車輛到達時間進行決定。

綜上所述，采用差異化的信號調控策略能更好地考慮交叉口雙向車流的通行效率，特別是有利于降低應急車輛的通行時間，確保其優先通行。這一戰略性調控不僅提高了交叉口整體的運行效率，也在緊急情況下確保了應急車輛的迅速通過。通過差異化的信號調度，交叉口管理系統能更智能、靈活地應對不同車流壓力，最大限度地優化道路交通流動。

2.3 約束條件

為確保交通信號控制系統有效運行，應減小對交叉口行人和垂直行駛的社會車輛的影響。因此，最短紅燈時間（gmin）應設定為不少于7 s，以維護行人的安全和順暢通行。同時，考慮整個信號周期的時長，最長綠燈時間（gmax）則不應超過信號相位周期的總時長。

3 信號優先控制模型

3.1 應急車輛到達交叉口時間的確認

為更加準確預測應急車輛到達交叉口的時間點并做出相應的調控，需要推算應急車輛到達交叉口的準確時間。假設Ti為應急車輛到達檢測點所在截面的時刻，當應急車輛以恒定行駛速度V行駛至檢測器時，在已知檢測點到交叉口距離的情況下，由經典運動學可得應急車輛到達交叉口時間ti。

3.2 應急車輛到達交叉口時信號燈周期的確認

假設應急車輛到達交叉口時處于某個信號周期的第k秒，記錄該次的調控方式，直到第i輛應急車輛。當第i輛應急車輛到達交叉口，根據前i?1輛應急車輛的調控方案，減去前i?1輛應急車輛早斷總時間再加上延長總時間，對原有周期C取余，余數即應急車輛到達交叉口時處于某個信號周期的時間k，進而計算出應急車輛到達交叉口時該信號相位的剩余時間。

3.3 信號配時優化模型

假設交叉口信號燈一個周期的時間為C，并且按照先紅燈（R）后綠燈（G）的順序進行。分析應急車輛到達交叉口時，交叉口信號燈的剩余時間；并根據不同的剩余時間，進而采用不同的信號配時策略，保證應急車輛的順利通行。其中n為應急車輛到達時，信號燈已進行的周期數。

Case 1：當檢測器預測到一個方向上的應急車輛或者兩個方向上的應急車輛，均在交叉口信號燈綠燈相位階段到達交叉口，即ti∈G時。則不需要調整原有交叉口信號配時，應急車輛可直接通過交叉口。

Case 2：當檢測器預測到一個方向上的應急車輛在紅燈相位前期到達交叉口，并且另一個方向上的應急車輛還未到達，即時，則應采用綠燈延長策略。在應急車輛通過檢測器時，延長應急車輛到達交叉口紅燈相位上一周期的綠燈時間。綠燈延長時間如式（1）所示：

（1）

Case 3：當檢測器預測到兩個方向上的應急車輛均在紅燈相位前期到達交叉口，即且時，則應采用綠燈延長策略。在應急車輛通過檢測器時，延長應急車輛到達交叉口紅燈相位上一周期的綠燈時間。延長時間應為兩個方向上較晚到達交叉口時間的應急車輛到達交叉口的時間，延長時間如式（2）所示：

（2）

Case 4：當檢測器預測到一個方向上的應急車輛在紅燈相位前期到達交叉口，而另一個方向上的應急車輛在紅燈相位后期到達交叉口，即且時。為了最小化對社會車輛的影響，需要對比兩個方向上應急車輛到達交叉口的時間差。

當兩個方向上的應急車輛到達交叉口的時間差小于行人最短安全過街時間gmin時，則采用綠燈延長策略，延長上一周期綠燈相位時長。延長時間為兩個方向上較晚到達交叉口時間的應急車輛到達交叉口的時間，延長時間如式（3）所示：

（3）

當兩個方向上的應急車輛到達交叉口的時間差大于行人最短安全過街時間gmin時，則需要同時采用綠燈延長和紅燈早斷策略。在延長上一個周期綠燈相位時長，保證較早到達交叉口的應急車輛通過交叉口的同時，還應縮短該周期的紅燈時間，使得較晚到達交叉口的應急車輛也能夠順利通過交叉口。綠燈延長時間和紅燈早斷時間如式（4）所示：

（4）

Case 5：當檢測器預測到一個方向上的應急車輛在紅燈相位后期到達交叉口，而另一個方向上的應急車輛還未到達交叉口，即時，則采用紅燈早斷策略。通過縮短應急車輛到達交叉口時信號相位的紅燈時長，保證應急車輛到達交叉口時能夠不受交叉口信號燈的影響，直接穿越交叉口。早斷時間如式（5）所示：

（5）

Case 6：當檢測器預測到兩個方向上的應急車輛均在紅燈相位后期到達交叉口，即且時，應采用紅燈早斷策略。為滿足兩個方向上應急車輛均能順利通過交叉口，紅燈早斷時間應保證更早到達交叉口的應急車輛能夠通過交叉口，當該時間段第一個到達交叉口的應急車輛能夠順利通過交叉口時，另一個方向上的應急車輛也能成功通過交叉口。因此早斷時間如式（6）所示：

（6）

4 實驗驗證

該文擬采用Python對SUMO進行二次開發，對提出的應急車輛信號優先控制策略進行仿真分析。在一條應急車輛專用道、一條直行右轉車道、一條左轉車道組成的交叉口進口道環境下，比較在不設置信號優先策略、傳統應急車輛優先控制策略和提出的應急車輛信號優先控制策略的三種方式下，應急車輛和社會車輛的通行時間。通過仿真結果驗證提出的策略的有效性。

4.1 實驗環境

該研究繼續選擇經典的四進口道交叉口作為研究對象，并通過SUMO仿真工具構建了符合該文提出的應急車輛信號優先控制策略的路網環境，探究應急車輛和社會車輛在該文提出的控制策略下的運行情況。

在交叉口信號配時方面，該文采用經典四相位信號配時，每個信號相位時長為30 s。該實驗中涉及的其他參數如表1所示：

在上述參數下，仿真實驗中設置進入交叉口后當應急車輛與社會車輛發生沖突時，應急車輛享有優先通行權，除此之外，進入路網的車輛均服從泊松分布，以模擬真實路網環境下的車輛到達情況。

在未設置任何信號優先策略中，交叉口信號配時方案仍不改變；在傳統應急車輛優先控制中，當任何方向上的應急車輛進入路網時，交叉口信號燈會為其開辟20 s的專用信號相位，同時禁止其他車輛通行；在該文提出的應急車輛信號優先策略中，只有當應急車輛到達交叉口時才采用該策略，否則不進行優先調控。

4.2 實驗結果

該研究分別對無信號優先策略、傳統應急車輛優先控制策略以及該文提出的應急車輛信號優先控制三種運行策略進行了詳細分析。對出行500次的應急車輛進行觀察，收集應急車輛通過同一交叉口路段所需的時間，并對三種車道控制策略方案的性能進行比較。

實驗結果顯示：在無信號優先控制下應急車輛通行時間最長，而在傳統信號優先和該文提出的應急車輛信號優先控制情況下，應急車輛通行時間相近。在無信號優先策略下，應急車輛的通行時間受信號燈狀態影響，而信號優先策略則使得應急車輛能夠快速通過。社會車輛的延誤表現為在無信號優先策略下延誤最低，傳統優先控制下延誤最高，而該文提出的策略則處于兩者之間，兼顧了應急車輛和社會車輛的通行需求，有效保障了交叉口通行效率。

5 結論

該文提出了一種考慮社會車輛通行效率的應急車輛信號優先控制策略，旨在保障應急車輛順利通行的同時最小化對社會車輛的影響。實驗結果表明，該策略能顯著減少社會車輛在交叉口的延誤時間，而應急車輛通行時間與傳統策略相近。該策略不僅提高了應急車輛響應速率和緊急救援效率，還緩解了應急車輛對道路交通的影響，減少了社會車輛的出行壓力。

參考文獻

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