車聯網環境下應急車輛換道策略模型

摘 "要：為了降低應急車輛的事故到達時間，針對車聯網環境下的車輛換道特點，提出一種基于博弈論思想下的應急車輛協同換道模型。分析混合交通流下應急車輛與沖突車輛的交互關系，在最小安全距離的基礎上根據博弈前后的安全收益、速度收益、空間收益構建換道收益模型，對應急車輛換道進行決策引導。以應急車輛的平均速度、通行時間以及延誤作為評價標準，評估模型的效用性。仿真結果表明：在同等交通密度下，博弈引導模型下應急車輛的平均速度和到達時間總體優于傳統換道模型，且車輛延誤通過數低于傳統換道策略，在減少應急車輛到達時間的同時降低了對社會車輛的延誤。

關鍵詞：應急車輛；車聯網；換道決策；博弈論；收益模型

中圖分類號：U491.7 " "文獻標志碼：A

DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.09.024

Abstract： In order to reduce the accident arrival time of emergency vehicles， a collaborative emergency vehicle lane-changing model based on game theory ideas is proposed for the vehicle lane-changing characteristics in the connected vehicle environment. The interaction between emergency vehicles and conflicting vehicles under mixed traffic flow is analyzed， and a lane change benefit model is constructed based on the safety benefit， speed benefit and spatial benefit before and after the game on the basis of the minimum safe distance to guide the decision of emergency vehicle lane change. The utility of the model is evaluated using the average speed， passage time and delay of emergency vehicles as evaluation criteria. The simulation results show that under the same traffic density， the average speed and arrival time of emergency vehicles under the game-guided model are generally better than the traditional lane change model， and the number of delayed vehicle passes is lower than that of the traditional lane change strategy， reducing the arrival time of emergency vehicles while reducing the delay to social vehicles.

Key words： emergency vehicles; internet of vehicle; lane change decision; game theory; income model

0 "引 " 言

隨著我國城市規模的極速擴張、人口密度的不斷攀升，城市緊急事件的發生概率也大幅增高。但傳統交通面對如今頻發的應急事件，其導向力已有所缺陷，應急救援車輛無法及時到達，因此優化應急車輛通行效率是首要解決的問題。目前大多學者對優化路徑選擇和信號配時的研究較多，趙建有等人以需求緊迫度為目標建立應急車輛路徑優化模型來提高救援效率[1]。楊楓等人結合混合布谷鳥算法建立應急車輛路徑可靠度和最短行程的兩階段模型進行優化[2]。張天賜基于模糊Petri網對交叉口應急車輛信號優先配時進行調控，結合相鄰相位的流量比和排隊車輛長度給于應急車輛優先權限[3]。綜上，現階段一般以宏觀路段作為研究角度，較少有對路段應急車輛行駛途中優先通行的研究。本文從提升應急車輛路段通行率出發，根據混合交通流密度、道路通行能力等信息對應急車輛換道決策進行研究，提出一種車聯網環境下應急車輛換道引導決策模型，基于博弈論思想分析相鄰車輛的交互關系，建立換道收益函數對應急車輛進行換道引導，在減少應急車輛到達時間的同時降低對社會車輛的延誤，提升路段上整體車輛的通行效率，從而提高應急救援效率。

1 "研究思路概括

"應急車輛在執行任務時應獲得其優先通行權，可不受行駛線路、流向和信號燈的約束[4]。在行駛過程中往往因道路環境限制、下游排隊車輛過多、交通流密度過大等因素導致社會車輛無法進行配合讓道，從而造成應急車輛時間延誤。其最主要原因是周圍車輛接收應急車輛警報信息不及時，無法及時作出讓道配合和傳遞信息給下游車輛。在車聯網環境下，應急車輛可以實時發送車輛定位、速度以及讓道請求等信息給周圍網聯車輛，并同時發送預警警報給普通車輛，從而進行讓道決策，減少車輛因反應不及時所導致交通擁堵的情況[5]。應急車輛行使換道優先權往往會擾亂整個路段的交通流，為確保車輛的通行效率，并減少交互配合車輛的損失時間，獲得車輛整體收益最大，建立應急車輛通行引導策略是本文的研究重點，研究思路以STCA、MOBIL模型作為基礎[6]，根據車聯網技術獲得相鄰車輛時距、定位信息、加速度等信息引入收益函數指標[7-8]，分析車輛間的交互關系，建立分層換道策略的收益函數模型。本文換道收益模型的流程如圖1所示，應急車輛首先判斷前方是否有車，如果無車則保持原車道行進，相較于換道超車保持原車道速度行駛損失時間更少、優先級更高，如原車道前導有車則判斷目標車道前導車是否滿足最小安全時距，若不滿足則放棄換道，若滿足則進行換道前后的收益分析，通過收益分析進行博弈決策。研究場景設置為混行交通流下的雙向四車道，車輛類型包含智能網聯車輛（Connected Autonomous Vehicle，CAV）、普通車輛（Conventional Vehicle，CV）和應急車輛（Emergency Vehicle，EV），CV與CAV接收到應急車輛的預警信號方式不同，其收益函數的參數指標也不同，參與博弈的車輛類型與相對車距將決定應急車輛的換道收益值[9]。故根據其區域內的車輛類別不同，結合換道博弈區域中參與者的不同情況，對EV的通行策略進行優化并減少博弈者的速度震蕩，研究最佳的通行路徑，EV超車換道前后將迭代新的博弈類型，故重新進行博弈分析即可作出引導。

2 "應急車輛博弈引導策略

2.1 "換道安全距離

3 "仿真與結論分析

3.1 "仿真場景

為驗證博弈換道模型的有效性，本文使用VISSIM模擬混合交通環境下應急車輛的通行仿真實驗，根據本文場景設置仿真環境，道路條件設置為路長2 000m、車道寬度3.5m的單向兩車道，最高限速為33m/s，為確保應急車輛救援效率，設初始速度為33.3m/s，其他車輛初始速度設為22.5m/s，最大加速度設為3m/s，最小車頭時距設1.76s，網聯通信延誤取0.5s，預警范圍設為5m，車輛跟車選取ACC模型。設置數據采集點于路段區域，收集應急車輛平均速度、交通密度、交通量指標。根據換道模型設置A、B兩個實驗組，其中A組使用博弈引導模型，B組作為對照組使用傳統換道模型，通過應急車輛平均速度以及路段車輛通過數據來評估模型的效能。

3.2 "結論分析

根據交通密度分組仿真對每組進行11次仿真，密度分布2 000veh/h～4 000veh/h，間距200veh/h，仿真時間2min。仿真評估通過應急車輛平均速度以及路段車輛通過量來評定模型的效能。應急車輛在不同交通密度下的平均速度對照實驗仿真結果如圖3所示，由圖3可見，當交通密度低于3 400veh/h時，博弈引導模型下的應急車輛平均速度優于傳統換道模型下的平均速度，當車輛密度升高，應急車輛換道次數受限，其他車輛無法進行讓行，只能進行跟車行進，導致延誤時間增加，博弈引導模型的優越性降低，與遵循傳統換道模式下的B組對照組差異相差不大，平均速度均處于相同水平線上下，因此在交通密度低于3 400veh/h下，博弈引導策略對于應急車輛的通行效率總體優于傳統換道策略。

"通過數據采集點收集兩組仿真在不同交通流密度下的車輛通過數如圖4所示，根據路段車輛通過數評估其他車輛避讓應急車輛所造成的延誤影響以及局部交通流恢復情況。由圖4可見，在車流密度2 200veh/h以下兩組通過車輛數相差不大，由于車流較稀疏，應急車輛進行博弈選擇無需換道，普通車輛換道讓行即可，故兩種模型在交通密度2 200veh/h以下效用基本相當，隨著交通流密度逐漸增長，博弈引導策略下的車輛通過數明顯多于傳統換道模式，結合圖4可得出：博弈引導策略在提高應急車輛通行效率的同時減少了避讓行為對交通流產生的影響，縮短了其他車輛避讓所造成的延誤時間。

4 "結束語

本文基于博弈論思想建立應急車輛優先通行策略，構建車輛收益引導模型，通過收益分析引導應急車輛路權優先分配，從而達到應急車輛快速到達事故現場的目的，同時減少其他車輛因讓行而造成的延誤時間，通過仿真分析得到以下結論：

（1）對于應急車輛通行效率的提高，博弈引導模型相較于傳統換道模型效能更佳，對整體交通流影響相對較小，滿足應急車輛快速到達事故點的需求，同時減少獲得優先路權所對交通流造成的影響。

"（2）基于車聯網技術的提升，混行交通環境下本文模型引入網聯車輛通信效率與應急車輛預警擴散范圍等參數，更好擬合應急車輛的路權分配引導，使模型仿真更貼合現代交通情況。

"本文僅通過兩車道環境模擬應急車輛博弈分配引導，后續應對多車道換道收益分配進行建模研究，多車道下的博弈組合即存在多種納什均衡，對應急車輛的換道選擇更有引導性，更加符合現代交通環境，對提高應急車輛的事故點到達率有更好的研究性。

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收稿日期：2023-05-11

作者簡介：杜勝品（1971—），女，河北衡水人，武漢科技大學汽車與交通工程學院，副教授，碩士，研究方向：區域與城市交通系統規劃、道路交通安全。

引文格式：杜勝品，胡辰宇. 車聯網環境下應急車輛換道策略模型[J]. 物流科技，2024，47（9）：93-97.