車路協(xié)同下避讓緊急車輛協(xié)同換道策略*

郝威 梁聰 張兆磊 呂能超 易可夫

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410114；2.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢 430063；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

相關(guān)研究表明，事故造成的損失與事故持續(xù)的時(shí)間近似呈線性關(guān)系[1]，在緊急事故救援時(shí)，往往需要救援車輛在盡可能短的時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，以降低事故帶來(lái)的損失[2]，而在復(fù)雜的城市道路交通環(huán)境下，緊急車輛如何安全、快速地到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)，仍是目前交通面臨的1個(gè)難題[3]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)緊急車輛的研究分為2個(gè)方面：信號(hào)優(yōu)先控制和路徑誘導(dǎo)[4]。在復(fù)雜的城市路網(wǎng)中，能否快速通過(guò)交叉口是緊急車輛能否高效到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵因素[5]，大多數(shù)研究以交叉口作為研究對(duì)象[6]，對(duì)緊急車輛采用信號(hào)優(yōu)先控制，給予緊急車輛優(yōu)先通行權(quán)，減少到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)的延誤，保證救援效率[7]。為緊急車輛搜尋最優(yōu)路徑以確保救援效率，Haghani等[8]以救援響應(yīng)與救援車輛往返起始位置行程時(shí)間之和最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮了交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)變化的交通流，基于最短路徑算法建立了優(yōu)化模型，利用CPLEX求解器求解出最優(yōu)路徑。宗傳苓等[9]建立緊急車輛出行前路徑選擇的多目標(biāo)規(guī)劃模型，基于線性加權(quán)求解得到綜合最優(yōu)路徑。

隨著車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，車-車、車-路協(xié)作能力大幅度提升，為交通系統(tǒng)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。張藝還[10]提出了適應(yīng)于車路協(xié)同環(huán)境下的緊急車輛行駛路徑規(guī)劃算法，并將蟻群算法的信息素更新規(guī)則引入至交通流阻抗函數(shù)，較好地反映了道路阻抗的動(dòng)態(tài)變化。然而，鮮有避讓緊急車輛策略的研究，Wu等[11]基于車路協(xié)同系統(tǒng)在保證緊急車輛通行效率及對(duì)周圍其他車輛的影響最小的條件下，提出了預(yù)清空緊急車輛所在車道的策略，并將該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題，利用雙層規(guī)劃進(jìn)行求解。對(duì)于避讓緊急車輛的換道策略是該研究的重要部分。

車輛的換道行為對(duì)交通流有顯著影響，在車路協(xié)同環(huán)境下，車輛之間可以進(jìn)行信息交互，學(xué)者們提出了多項(xiàng)式[12-14]、三角函數(shù)[15]、樣條曲線[16]、貝塞爾曲線[17]等多種智能網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛車輛（connected autonomous vehicle，CAV）的換道軌跡模型。Xie等[18]基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)美國(guó)NGSIM數(shù)據(jù)集利用長(zhǎng)短時(shí)記憶對(duì)車輛換道進(jìn)行預(yù)測(cè)。在網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，Xu等[19]將道路分割成等同的單元格，利用雙層規(guī)劃對(duì)車輛協(xié)同駕駛策略進(jìn)行研究，并以MCTS求解上層規(guī)劃，通過(guò)順序-軌跡解釋算法推導(dǎo)出車輛協(xié)同駕駛軌跡；祁宏生等[13]提出了1種混合自動(dòng)駕駛場(chǎng)景多換道需求下的主動(dòng)間隙適配和換道序列規(guī)劃模型，數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)證明，該模型能降低換道對(duì)通行能力的影響；Wu等[11]基于車路協(xié)同駕駛對(duì)車輛避讓緊急車輛進(jìn)行路徑規(guī)劃，并將其描述為雙層規(guī)劃模型；焦朋朋等[20]提出了車隊(duì)避讓緊急車輛的換道策略，針對(duì)目標(biāo)車道的車流條件分為3種場(chǎng)景，根據(jù)不同的場(chǎng)景提出了不同的協(xié)同換道策略，結(jié)果表明：該策略能保證緊急車輛快速通過(guò)的同時(shí)降低對(duì)其余車輛的影響。但上述研究均未考慮到車輛避讓緊急車輛后如何快速恢復(fù)到正常的交通，未真正發(fā)揮車路協(xié)同系統(tǒng)下的車輛協(xié)同換道的效益。

綜上所述，關(guān)于緊急車輛的研究，在城市道路交叉口處，以對(duì)緊急車輛實(shí)施信號(hào)優(yōu)先控制為主。對(duì)路段而言，以緊急車輛避讓前方障礙物，為其規(guī)劃最優(yōu)行駛路徑為主。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟，能對(duì)交通狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的感知[21]及識(shí)別[22-23]，微觀層面也可實(shí)現(xiàn)緊急車輛的快速通行。為此，部分學(xué)者提出了避讓緊急車輛的協(xié)同換道策略，但缺乏考慮避讓緊急車輛行為對(duì)整體交通流的負(fù)面影響。因此，基于車路協(xié)同系統(tǒng)，研究多車協(xié)同換道方法，通過(guò)協(xié)同控制上下游車輛，實(shí)現(xiàn)避讓緊急車輛，并減少換道行為對(duì)整體交通流的影響。

1 基本假定與研究思路

為保證緊急車輛（emergency vehicle,EV）以道路限速行駛，且減少周圍車輛避讓行為造成的速度振蕩波動(dòng)，研究車路協(xié)同環(huán)境下的車輛協(xié)同換道策略。圖1中，EV在車道1行駛，前車（downstream vehicle，DV）為讓EV快速通過(guò)路段，需要做出避讓行為，即換道至相鄰車道0。該場(chǎng)景下需解決3個(gè)基本問(wèn)題：①DV何時(shí)換道；②DV的換道控制方法；③協(xié)同換道的車輛CV如何輔助DV實(shí)現(xiàn)換道。鑒于車道1的車輛不斷駛?cè)胲嚨?，容易造成車道0飽和度過(guò)高，造成過(guò)大的負(fù)效應(yīng)。因此，協(xié)同控制上游車輛（upstream vehicle，UV），讓UV換道至車道1，以減少車道之間的交通流不均衡現(xiàn)象。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究EV發(fā)送避讓信號(hào)的最佳距離，確定DV何時(shí)換道；優(yōu)化DV與UV的行駛軌跡，減少周圍車輛速度振蕩；建立輔助協(xié)同車輛（cooperative vehicle，CV）速度控制方法，配合DV高效換道。具體基于車路協(xié)同避讓緊急車輛協(xié)同換道流程見(jiàn)圖2。為完成以上研究?jī)?nèi)容做出如下假設(shè)：EV行駛速度大于路段其他車輛；道路車輛的車輛參數(shù)可實(shí)時(shí)獲取，例如位置、速度、加速度等；緊急車輛以最大速度即道路限速行駛，且不進(jìn)行換道；假設(shè)緊急車輛前車的速度在短時(shí)間內(nèi)保持不變；周圍車輛遵守各項(xiàng)行駛指令。

2 協(xié)同換道策略

2.1 安全距離

為保證車輛換道過(guò)程中不與周圍車輛發(fā)生碰撞，應(yīng)與其他車輛保持一定的安全間距。當(dāng)滿足最小安全間距時(shí)，車輛不跟其他車輛發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)安全換道。圖3中，i，j均為車輛編號(hào)；dfront、drear分別為換道車輛i與目標(biāo)車道的前車j、目標(biāo)車道后車j+1之間的相對(duì)距離，m；Ffront、Frear分別為滿足換道車輛與前車、后車的安全距離，m。當(dāng)車輛i的dfront≥Ffront且drear≥Frear時(shí)，車輛i可以進(jìn)行換道。

圖3 車輛換道的安全距離示意Fig.3 Safe distance of lane changing

安全距離計(jì)算見(jiàn)式（1）～（3）[19]。

式中：di，j(t)為時(shí)刻車輛i和車輛j之間的距離，m；Fi，j(t)為t時(shí)刻車輛i和車輛j之間的安全距離，m；vi(t)為t時(shí)刻車輛i的速度，m/s；vj(t)為t時(shí)刻車輛j的速度，m/s；ρ為安全車頭時(shí)距，s；ai，brake為t時(shí)刻車輛i的剎車減速度，m/s2；ai，min，brake為車輛i的最小剎車減速度，m/s2；ai，max，brake為車輛i的最大剎車減速度，m/s2；vi，max為車輛i行駛的最大速度，m/s。

若滿足換道條件，DV按照多項(xiàng)式的軌跡規(guī)劃直接換道；若不滿足換道條件，后面車輛減速，前面車輛加速，以滿足換道條件。調(diào)整換道安全間距時(shí)最大剎車加減速度為±4 m/s2[24]。緊急車輛及換道車輛的橫向速度保持不變，其余車輛滿足自適應(yīng)巡航控制（adaptive cruise control,ACC）跟馳模型。

2.2 換道軌跡規(guī)劃

當(dāng)滿足車輛換道的安全距離時(shí)，需要對(duì)車輛的換道軌跡進(jìn)行規(guī)劃，在對(duì)避讓緊急車輛的研究中，車輛的換道時(shí)間是通過(guò)橫向運(yùn)動(dòng)來(lái)體現(xiàn)的，因而換道軌跡的規(guī)劃也是避讓緊急車輛的研究中非常重要的部分。

車輛換道軌跡既要滿足實(shí)際車輛換道軌跡，又要滿足路徑跟蹤特性，采用多項(xiàng)式法對(duì)車輛的換道過(guò)程進(jìn)行描述[25]。

t0為車輛換道初始時(shí)刻，s；(x(t0)，y(t0))為車輛在換道起始時(shí)間t0下的位置坐標(biāo)，m；(t0)為縱向速度，m/s；(t0)為橫向速度，m/s；x″(t0)為縱向加速度，m/s2；y″(t0)為橫向加速度，m/s2；tf為車輛換道結(jié)束時(shí)刻，s；(x(tf)，y(tf))為車輛在換道結(jié)束時(shí)刻tf下的位置坐標(biāo)，m；為縱向速度，m/s；為橫向速度，m/s；x″(tf)為縱向加速度，m/s2；y″(tf)為橫向加速度，m/s2。

根據(jù)換道前后的車輛狀態(tài)信息，可以得到邊界條件，見(jiàn)式（4）～（7）。

式中：vx，0為換道前的縱向速度，m/s；vx，f為換道后的縱向速度，m/s；w為車道寬度，m。

根據(jù)邊界約束條件，采用四次多項(xiàng)式規(guī)劃換道的縱向運(yùn)動(dòng)，五次多項(xiàng)式規(guī)劃換道的橫向運(yùn)動(dòng)，其換道軌跡函數(shù)見(jiàn)式（8）～（9）。

式中：ai bj為多項(xiàng)式系數(shù)，i∈( 0,…,4)，j∈( 0,…,5)；x(t)，y(t)分別為縱向和橫向位置，m。

根據(jù)邊界限制求解其換道軌跡函數(shù)，見(jiàn)式（10）～（11）。

可以看出換道軌跡僅與tf有關(guān)，不同的tf對(duì)應(yīng)不同的換道軌跡，因此需要在換道的過(guò)程中考慮不同tf值對(duì)車輛延誤的影響。根據(jù)NGSIM數(shù)據(jù)集研究，tf的取值一般是4～7 s[19]。

2.3 車輛行駛順序

2.3.1 優(yōu)化目標(biāo)

將時(shí)間進(jìn)行離散化處理來(lái)描述本問(wèn)題，整個(gè)交通流視為1個(gè)整體，在保證緊急車輛能以最大速度或道路限速高效安全地到達(dá)事故點(diǎn)，同時(shí)對(duì)其他車輛的影響最小即交通流恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間最小為目標(biāo)，以初始時(shí)刻及交通流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)刻二者的差值作為目標(biāo)函數(shù)，及相應(yīng)約束條件，見(jiàn)式（12）～（20）得到車輛最優(yōu)行駛順序。

式（12）中：c為交通流達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻，s，以整個(gè)交通流系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻與初始時(shí)刻的時(shí)間差作為目標(biāo)函數(shù)；式（13）中：為t時(shí)刻緊急車輛所在的車道，在任意時(shí)刻，緊急車輛總是在初始時(shí)刻所在的車道不進(jìn)行換道；式（14）中：為t時(shí)刻緊急車輛的速度，緊急車輛在任意時(shí)刻的速度都與初始速度一致，即速度不變，且為最大值，m/s；式（15）中：為t時(shí)刻緊急車輛的位置，m；Δt為時(shí)間段，描述了緊急車輛的位置變化，s；式（16）中：為車輛i在t時(shí)刻的位置，m；為車輛i在t時(shí)刻在車道L上的速度，普通車輛的加速減速以及換道，m/s；式（17）中：vi，min為車輛i速度最小值，普通車輛的速度大于最小速度小于最大速度，m/s；式（18）中：在同一車道上，保證普通車輛軌跡之間不發(fā)生沖突；式（19）中：保證緊急車輛與普通車輛不發(fā)生沖突；式（20）中：ξ為最小安全間距，保證車輛之間的安全間距，m。

2.3.2上下游車輛行駛順序

上游車輛采用先進(jìn)先出規(guī)則（first in first out，F(xiàn)IFO）確定車輛的行駛順序。見(jiàn)圖4，上游車輛滿足安全間距時(shí)即可換道至緊急車輛后方，跟隨緊急車輛行駛，以緩解下游為避讓緊急車輛產(chǎn)生的交通堵塞現(xiàn)象。選用基于FIFO規(guī)則來(lái)分配上游車輛的行駛順序，能在有限的時(shí)間內(nèi)找到1種較好的車輛行駛順序，且能快速實(shí)現(xiàn)該規(guī)則。

圖4 上游車輛行駛規(guī)則（FIFO）Fig.4 Upstream vehicle driving rules（FIFO）

下游采用枚舉法確定車輛的行駛順序，見(jiàn)圖5。對(duì)目標(biāo)換道車輛通信范圍內(nèi)的間隙逐個(gè)計(jì)算，在保證緊急車輛能以最大速度或道路限速行駛，而對(duì)整個(gè)交通流的影響最小的行駛順序。因通信技術(shù)受限，將通信距離設(shè)置為300 m[20]，在通信范圍內(nèi)枚舉法能滿足所需的計(jì)算速度要求，簡(jiǎn)單高效。測(cè)試結(jié)果表明：該協(xié)同換道策略能在較短的時(shí)間內(nèi)提高交通效率。

圖5 下游車輛行駛規(guī)則（枚舉法）Fig.5 Downstream vehicle driving rules（enumeration method）

2.4 發(fā)送緊急避讓信號(hào)的位置

由于緊急車輛速度受限于道路限速，因而合理地發(fā)送緊急避讓信號(hào)距離，能夠保證緊急車輛以最大速度或道路限速安全高效到達(dá)事故點(diǎn)，同時(shí)減少因避讓緊急車輛而對(duì)其他車輛產(chǎn)生的影響。發(fā)送避讓信號(hào)的位置對(duì)緊急車輛的行駛速度以及道路的通行效率產(chǎn)生影響。過(guò)早的發(fā)送緊急避讓信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致緊急車輛前車與緊急車輛之間的避讓距離過(guò)大從而降低道路的通行效率。發(fā)送避讓信號(hào)距離太近，會(huì)導(dǎo)致緊急車輛減速行駛，直至前車換道完成，再加速通過(guò)路段，降低了救援效率。最優(yōu)的發(fā)送避讓信號(hào)的距離[19]是指在保證緊急車輛能以最大速度或道路限速行駛的情況下，緊急車輛前車完成換道時(shí)，緊急車輛與換道車輛之間的距離為最小車頭間距，其中包含通信延誤相對(duì)應(yīng)的距離差。發(fā)送緊急避讓信號(hào)的位置與其周圍車輛的行駛狀態(tài)有關(guān)，隨著周圍車輛的狀態(tài)改變而改變，對(duì)不同策略下的發(fā)送緊急避讓信號(hào)的位置進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式（21）～（22）。

式中：Sf為緊急車輛發(fā)送避讓信號(hào)與其前車的距離，m；ve為緊急車輛的速度，m/s；tf，i為車輛i換道所需的時(shí)間，s；vi為車輛i的速度，m/s；th為最小車頭時(shí)距，s；td為最大通信延遲，s；ts，j為車輛j減速到滿足車輛i安全換道條件的時(shí)間，s；ts，i為滿足車輛i所需換道安全間距的時(shí)間，s；若di，j(t)≥Fi，j(t)，ts，j=0；ts，j+1為車輛j+1加速到滿足車輛i安全換道條件的時(shí)間，若di，j+1(t)≥Fi，j+1(t)，ts，j+1=0。

3 案例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

根據(jù)場(chǎng)景設(shè)置仿真環(huán)境，雙車道道路在城市道路中占比較高，因而以單向2車道道路作為研究場(chǎng)景，車道長(zhǎng)度設(shè)為2 000 m，車道寬度為3.5 m，道路限速16 m/s。為保證救援效率緊急車輛速度始終為道路限速16 m/s，其余車輛初始速度設(shè)置為11 m/s。車輛跟車遵循ACC模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最小車頭時(shí)距取1.76 s，通信延遲取0.1 s[20]。初始情況緊急車輛與前車相距200 m，車道0輸入5輛車，車道1輸入1輛普通車輛及1輛緊急車輛。以緊急車輛所在斷面作為分界點(diǎn)，將路段劃分為2個(gè)部分，分為上下游。因而將換道排序問(wèn)題簡(jiǎn)化為外側(cè)換道車輛插入4個(gè)空檔，4個(gè)空檔分別作為4種策略，同時(shí)考慮上游車輛換道至緊急車輛所在車道，見(jiàn)圖6。下游利用枚舉法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解，給定初始條件，得到目標(biāo)函數(shù)最小化的最優(yōu)通過(guò)順序。對(duì)于上游車輛換道至緊急車輛后方，采用FIFO規(guī)則確定其行駛順序。

圖6 不同策略車輛協(xié)同換道示意圖Fig.6 Diagram of vehicle cooperative lane changing under different strategies

3.2 結(jié)果分析

以平均速度、恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間、換道時(shí)間為指標(biāo)，評(píng)估換道策略對(duì)交通流的影響。以系統(tǒng)內(nèi)車輛速度方差作為交通流是否達(dá)到穩(wěn)定的判別依據(jù)。由于跟車模型中設(shè)置了速度隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)，故設(shè)定當(dāng)某時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)平均速度的方差小于3，交通流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。上游車輛是否采用換道策略交通流恢復(fù)穩(wěn)定所需的時(shí)間見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)：上游采用換道策略，周圍車輛恢復(fù)穩(wěn)定所需的時(shí)間更少，避讓行為對(duì)交通系統(tǒng)的負(fù)面影響降低。例如，策略2下系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間降低了34%。且上游車輛的換道行為可以快速恢復(fù)車道交通量的均衡，將避讓行為的影響縮小至局部范圍。

圖7 恢復(fù)穩(wěn)定所需時(shí)間示意圖Fig.7 Diagram of the time requires to restore stability

4種不同換道策略的平均速度變化，見(jiàn)圖8。避讓過(guò)程中，整個(gè)交通流的平均速度整體趨勢(shì)為先減小后增加，避讓結(jié)束后恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。值得注意的是，實(shí)施換道策略1，系統(tǒng)整體的速度會(huì)大幅度降低，而策略4中平均速度波動(dòng)不明顯。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)?，策?選擇的協(xié)作車輛為下游尾車，為產(chǎn)生換道安全距離，前方車輛需要進(jìn)行加速行駛，平均速度會(huì)有所上升。而策略1中協(xié)作車輛需減速產(chǎn)生安全間距，平均速度會(huì)有所降低。策略1、策略2、策略3、策略4滿足避讓緊急車輛的換道時(shí)刻分別為12，6，16，28 s。

圖8 不同策略下平均速度-時(shí)間圖Fig.8 Average speed-time diagram under different strategies

4種避讓緊急車輛協(xié)同換道策略對(duì)交通流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖9。各個(gè)策略下交通系統(tǒng)為避讓緊急車輛而受到的干擾的恢復(fù)時(shí)間分別為36，29，30，28 s。策略2速度方差曲線波動(dòng)最小且恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間為29 s，原因在于策略2為最近的換道空檔。

圖9 速度方差圖Fig.9 Velocity variance plot

同等初始條件下，對(duì)比換道策略對(duì)交通流的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。利用式（21）～（22）分別計(jì)算出各個(gè)策略下發(fā)送緊急避讓信號(hào)的位置，分別為108.66，78.66，128.66，188.66 m。由表1可見(jiàn)：策略2換道時(shí)間最短、恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間也較短、發(fā)出避讓信號(hào)的距離最短，采用策略2進(jìn)行避讓緊急車輛效果最佳。策略4會(huì)使得交通流系統(tǒng)所受的影響更小，但其所需的發(fā)送避讓信號(hào)的距離太遠(yuǎn)。其次滿足目標(biāo)車輛換道所需安全距離的時(shí)間也很長(zhǎng)，會(huì)嚴(yán)重耽誤緊急車輛的救援，降低緊急車輛的效率。產(chǎn)生這種情況的原因在于，在該仿真場(chǎng)景中，由于設(shè)置車輛有限，前方車輛允許進(jìn)行加速，因而會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的交通流受到的影響較小。

表1 不同策略下的參數(shù)信息Tab.1 Parameter information under different strategies

采用換道策略2時(shí)，車輛時(shí)空軌跡見(jiàn)圖10。圖10中v1表示車輛1，并以此類推。車輛1為緊急車輛始終保持最大速度即道路限速行駛，前方目標(biāo)車輛2為避讓緊急車輛換道至車輛3和車輛4之間，為滿足換道所需的安全間距，車輛4進(jìn)行減速，車輛4減速會(huì)引起其后方車輛5、車輛6為防止碰撞而減速，車輛7第3 s開始換道至車道1跟隨緊急車輛后方行駛，很明顯，車輛7因換道至車道1跟隨緊急車輛行駛而沒(méi)有受到前方車輛2避讓緊急車輛的影響而減速，緊接著當(dāng)車輛5、車輛6滿足安全換道條件時(shí)也換道至車道1跟隨緊急車輛行駛，從而進(jìn)行加速，通過(guò)上下游協(xié)同換道，減少了交通流車道車流分布不均衡性，車輛的軌跡更加平穩(wěn)。

圖10 策略2車輛軌跡示意圖Fig.10 Vehicle trajectory diagram of strategy 2

盡管上述場(chǎng)景簡(jiǎn)單，僅考慮路段上緊急車輛前方僅有1輛車的情況，對(duì)于實(shí)際避讓緊急車輛的情況均能看作由多個(gè)該種場(chǎng)景組成，每次僅考慮緊急車輛前方的第1輛車，當(dāng)前方第1輛車換道完成后，前方第2輛車便成為緊急車輛前方的第1輛車，進(jìn)而繼續(xù)采用該避讓緊急車輛換道策略，直至緊急車輛到達(dá)事故點(diǎn)。雖然在構(gòu)建的場(chǎng)景中采用換道策略2比上游未采用換道策略系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間僅減少了6 s，但在整個(gè)避讓緊急車輛的行駛過(guò)程中每次避讓減少一定的時(shí)間，累積對(duì)交通流的影響就會(huì)減小很多，因此采用上下游換道策略能保證緊急車輛安全高效到達(dá)事故點(diǎn)，同時(shí)降低對(duì)交通流因避讓緊急車輛產(chǎn)生的影響，為整個(gè)交通系統(tǒng)帶來(lái)更好的效益。

對(duì)比分析上游車輛UV換道至緊急車輛后面和不換道，見(jiàn)圖11。從避讓開始至避讓結(jié)束，采用避讓策略的平均速度曲線高于或者接近未采用換道策略對(duì)緊急車輛進(jìn)行避讓平均速度曲線。且在進(jìn)行避讓時(shí)，車輛的平均速度下降的更小。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是，上游車輛可以通過(guò)換道至緊急車輛后方，跟隨緊急車輛行駛，從而受到因避讓緊急車輛產(chǎn)生的影響較小。上游車輛換道至緊急車輛后方并跟隨緊急車輛行駛能為車道0上車輛協(xié)同減速提供更多的空間，因而采用換道策略可以減小因避讓緊急車輛對(duì)其余車輛產(chǎn)生的影響。

圖11 平均速度-時(shí)間示意圖Fig.11 Diagram of average speed-time

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了1種基于車路協(xié)同系統(tǒng)的避讓緊急車輛的協(xié)同換道策略，并構(gòu)建了車輛換道軌跡模型，通過(guò)同時(shí)控制上下游車輛，減少車輛換道對(duì)整體交通流的影響。通過(guò)案例分析可得出以下結(jié)論。

1）相較于未采用上下游協(xié)同換到方法，所提換道方法可以使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間下降34%；并解決車道交通量不均衡的問(wèn)題，彌補(bǔ)了以往研究?jī)H控制下游車輛的缺陷。

2）所提協(xié)同換道方法換道完成僅需6 s，可以快速響應(yīng)緊急車輛的需求，使其快速通過(guò)路段。

文中僅考慮局部的交通流，即緊急車輛前方只有1輛車，未考慮到整個(gè)交通流，未來(lái)可將研究范圍擴(kuò)大，進(jìn)一步研究在持續(xù)交通流中避讓緊急車輛的策略。