特種車輛交叉口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)設(shè)計

強 成

（中國人民解放軍63996部隊駕駛員訓(xùn)練基地，北京 100094）

前言

特種車輛是指執(zhí)行特別任務(wù)的專用車輛，包括警車、消防車、救護車、工程救險車、軍事監(jiān)理車等?！兜缆方煌ò踩ā芬延幸?guī)定，特種車輛執(zhí)行緊急任務(wù)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(yīng)當(dāng)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(xué)者的高度關(guān)注。美國、日本等國家的交通控制系統(tǒng)中就包括緊急車輛優(yōu)先系統(tǒng)，不少學(xué)者對公交信號優(yōu)先控制也進行了研究[1-2]。在我國，關(guān)于公交信號優(yōu)先的研究有很多[3-6]，而特種車輛信號優(yōu)先的研究和應(yīng)用相對較少。北京2008年奧運會期間，在奧體中心區(qū)利用射頻技術(shù)進行了道路交叉口公交車信號優(yōu)先和奧運VIP車輛信號緊急優(yōu)先的設(shè)計[7]；文獻[8]利用無線通訊和單片機技術(shù)，設(shè)計了基于單點控制的特種車輛綠燈暢行系統(tǒng)，文獻[9]將ZIGBEE技術(shù)用于特殊車輛信號優(yōu)先控制中，發(fā)現(xiàn)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(zhí)行緊急任務(wù)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(shè)計安全、有效的特種車輛信號優(yōu)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(yōu)先理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計了特種車輛交叉口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)，并闡述了信號優(yōu)先控制的策略，控制系統(tǒng)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(yōu)先控制范疇

執(zhí)行緊急任務(wù)的特種車輛速度快，在交通安全前提下，享有優(yōu)先通行權(quán)，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(yīng)當(dāng)讓行。當(dāng)特種車輛執(zhí)行非緊急任務(wù)時，不享有道路通行優(yōu)先權(quán)，且不能使用警報器和標(biāo)志燈具。

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

2 特種車輛交叉口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)

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

2.1 特種車輛檢測系統(tǒng)

在特種車輛上安裝車載終端，包括GPS、特種車輛信號發(fā)射器、通信終端三部分。GPS實現(xiàn)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(fā)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(fā)出請求信號，實現(xiàn)特種車輛與交叉口信號系統(tǒng)之間的通信，特種車輛在執(zhí)行緊急任務(wù)時，需要打開信號發(fā)射器，不執(zhí)行緊急任務(wù)時，關(guān)閉信號發(fā)射器。通信終端的作用是實現(xiàn)特種車輛與交通管理與控制中心、交通信號控制系統(tǒng)之間的通信，對特種車輛發(fā)布出行誘導(dǎo)信息，并預(yù)先調(diào)整相應(yīng)道路交叉口的信號系統(tǒng)。

在需要實行特種車輛信號優(yōu)先時，交叉口的上、下游分別設(shè)置與特種車輛信號發(fā)射器相應(yīng)頻率的信號檢入和檢出設(shè)備。當(dāng)檢入設(shè)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(tǒng)和交通管理與控制中心，由交通管理與控制中心實施優(yōu)先策略，然后發(fā)出指令給信號機控制系統(tǒng)，以便實現(xiàn)特種車輛順暢優(yōu)先通過交叉口。設(shè)置檢出設(shè)備的目的是為了讓控制系統(tǒng)獲取特種車輛離開交叉口的信息，以便調(diào)整信號配時。

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

圖2 計數(shù)器工作流程圖

2.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)將檢測設(shè)備的輸出信號傳輸?shù)叫盘柨刂葡到y(tǒng)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(dāng)沒有交通管理與控制中心的情況下，由信號控制系統(tǒng)直接控制信號燈。此外，通信系統(tǒng)實現(xiàn)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(fā)點、目的地等信息傳輸?shù)浇煌ü芾砼c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(tǒng)實現(xiàn)了各個子系統(tǒng)間的信息互通，系統(tǒng)通信的效率直接影響到信號優(yōu)先控制的精確度。

2.3 交通信號控制系統(tǒng)

交通管理與控制中心通過車載終端及信號檢測設(shè)備來定位及追蹤特種車輛，獲取特種車輛信號優(yōu)先請求，并將交叉口信號調(diào)整方案傳輸給相應(yīng)的交叉口信號控制系統(tǒng)，并指令信號控制系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)調(diào)整信號。

交通信號控制系統(tǒng)負責(zé)響應(yīng)信號優(yōu)先請求并執(zhí)行相應(yīng)的信號變換，信號變換可由信號控制器執(zhí)行，也可以先由交通管理與控制中心對優(yōu)先請求進行采集和處理，然后驅(qū)動交叉口信號控制器來執(zhí)行。在不設(shè)置交通管理與控制中心的條件下，信號控制系統(tǒng)將基于預(yù)置策略做出是否要進行特種車輛信號調(diào)整的決策，同時還要負責(zé)對優(yōu)先請求進行優(yōu)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(dǎo)，并設(shè)計信號調(diào)整的控制方案，實現(xiàn)特種車輛的優(yōu)先暢行。特種車輛在執(zhí)行緊急任務(wù)時，通過車載終端將特種車輛的屬性信息發(fā)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(jiān)控和出行誘導(dǎo)，并在合理的時間范圍內(nèi)調(diào)整途經(jīng)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(xiàn)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(tài)較為簡單的交叉口，可不設(shè)置交通管理與控制中心，車輛終端只包括專用信號發(fā)射器,車輛與交通信號控制系統(tǒng)之間進行信息通訊，實現(xiàn)特種車輛的檢測與優(yōu)先通行。

3 特種車輛交叉口信號優(yōu)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(fā)點、目的地等信息傳輸?shù)浇煌ü芾砼c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(dāng)特種車輛經(jīng)過信號檢測設(shè)備時，信號檢測設(shè)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(tǒng)，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(yōu)先控制中可以把黃燈當(dāng)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(yōu)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(dāng)特種車輛經(jīng)過交叉口后，檢出設(shè)備會檢測到車輛已駛過，則停止該方向的信號優(yōu)化。另外，為了減少由于特種車輛優(yōu)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(jīng)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(yōu)先檢測方式如圖3所示，m和n分別為檢入設(shè)備和檢出設(shè)備距離信號交叉口停車線的距離。信號優(yōu)先系統(tǒng)啟動后，特種車輛行駛方向信號燈變?yōu)榫G燈，為保證特種車輛暢行，沖突方向信號燈應(yīng)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(yōu)先系統(tǒng)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(yōu)先檢測方式示意圖

Y型交叉路口的設(shè)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(dāng)一個方向?qū)嵭行盘杻?yōu)先時候，其余兩個方向則應(yīng)該均處于紅燈禁行狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 Y型交叉口特種車輛信號優(yōu)先檢測方式示意圖

考慮到特種車輛信號優(yōu)先的總體目標(biāo)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(shè)備的位置選擇比較重要。

信號檢入設(shè)備的位置與特種車輛行駛速度、系統(tǒng)反應(yīng)時長、信號燈時長等因素有關(guān)，通常情況下，特種車輛從信號檢入設(shè)備到交叉口停車線行駛時間要大于系統(tǒng)反應(yīng)時長，且小于信號燈時長，使特種車輛觸發(fā)檢入設(shè)備后，系統(tǒng)能夠有時間啟動信號優(yōu)先，同時保證行駛時間在信號燈時長的k倍范圍內(nèi)，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(shè)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(shè)備行駛到交叉口停車線的時間；T系為特種車輛檢測系統(tǒng)反應(yīng)時長；T為信號燈時長；k為參數(shù)，取值受交叉口流量影響。

檢入設(shè)備檢測到特種車輛，交叉口對應(yīng)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(dāng)檢入設(shè)備檢測到特種車輛，交叉口對應(yīng)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(shè)備檢測到特種車輛，交叉口對應(yīng)的信號燈若為黃燈，則按照紅燈處理即可。

當(dāng)檢入設(shè)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(yōu)先控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，紅燈變?yōu)榫G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(jīng)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(shè)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(shù)取值不同，因此，信號檢入設(shè)備與該方向交叉口停車線的距離需要根據(jù)系統(tǒng)布置當(dāng)?shù)貙嶋H情況進行合理設(shè)置。

檢出設(shè)備的設(shè)置位置需要滿足特種車輛在通過信號交叉口后，后續(xù)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(dǎo)致的安全事故。

式中，n為檢出設(shè)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(shù)，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(shè)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(yōu)先程序。

當(dāng)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?yōu)榫G燈的時間應(yīng)按首輛特種車實施信號優(yōu)先相位開始，該方向的信號燈由綠燈變?yōu)榧t燈的時刻按最后一輛特種車通過檢出設(shè)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(dāng)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(yōu)先控制。

3.3 特種車輛信號優(yōu)先控制邏輯

特種車輛交叉口信號優(yōu)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(shù)級判斷

當(dāng)信號檢入設(shè)備檢測到特種車輛到達時，首先對優(yōu)先車輛進行車輛數(shù)判斷。當(dāng)?shù)竭_車輛為一輛特種車時，則立即發(fā)送優(yōu)先信號，及時對特種車輛進行信號優(yōu)先；當(dāng)?shù)竭_特種車輛是多輛時，進行第（2）步判斷。

圖5 特種車輛信號優(yōu)先控制邏輯示意圖

（2）特種車輛行駛方向判斷

當(dāng)特種車輛行駛方向相同時，進行第（3）步判斷；當(dāng)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(yōu)先，并且紅燈變?yōu)榫G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(dāng)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(shè)備檢測特種車輛到達，經(jīng)交通管理與控制中心判斷車輛到達先后順序。當(dāng)沖突時先到交叉口車輛方向信號燈為紅燈時，信號優(yōu)先，然后按照先到先行的原則進行特種車輛優(yōu)先通過。

4 小結(jié)

在交通安全和特種車輛綠燈暢行的要求下，智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用會越來越廣泛。在特種車輛行車特性和優(yōu)先控制理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計了特種車輛交叉口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)，闡述了特種車輛交叉口信號優(yōu)先控制策略與邏輯，同時設(shè)定了檢測設(shè)備的位置約束條件，信號優(yōu)先系統(tǒng)實現(xiàn)了先進的交通管理系統(tǒng)的對接，具有技術(shù)上的可行性。信號優(yōu)先控制系統(tǒng)實現(xiàn)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(yōu)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(yōu)先后，采取信號補償盡快疏散交通流還有待進一步研究。