考虑社会车辆通行效率的应急车辆信号优先控制策略

祁坤

摘要 文章提出了一种新的交通信号控制策略，旨在平衡应急车辆通行的迫切性和社会车辆通行效率。该策略通过预测应急车辆到达交叉口的时间，并根据实时交通情况进行信号配时调整，以确保应急车辆尽快通行的同时最小化对社会车辆的影响。通过Python对交通软件SUMO进行二次开发，并进行仿真实验验证，结果显示该策略能显著减少应急车辆通行时间和社会车辆延误时间。

关键词 应急车辆；信号控制策略；二次开发；通行效率

中图分类号 U491文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0011-03

0 引言

目前，应急车辆通行优先的研究已相当充分，主要集中在车道规划和信号调控[1-2]，以及可变车道技术的应用[3]。然而，在应急车辆通行路段中保障社会车辆通行效率的相关研究尚不完善。传统策略只注重应急车辆通行效率，而未考虑实时监控和交叉口信号灯调控，导致资源浪费和社会车辆拥堵。综合考虑应急车辆和社会车辆通行情况，需要更智能、全面的交通控制策略应对城市道路的挑战。

为应对上述问题，该文引入了信号优先控制策略，旨在保障应急车辆快速通行的同时考虑社会车辆通行效率。通过实时调整交叉口信号灯的相位配时方式，在尽可能减少对社会车辆的干扰下，优化通行效率。该策略能够满足应急车辆需求，同时最小化信号配时调整，提高了交叉口通行效率。

1 场景分析

在城市交叉口管理中，专用道和信号优先相位的设计旨在为特殊车辆提供独立通行通道，确保其快速通过交叉口。尤其对于应急车辆，在确保其通行权益的同时，也需考虑减少对一般车辆的影响，以提高整体道路交通的通行效率。

当前的交叉口信号控制策略主要关注应急车辆通行效率，通常在应急车辆到达之前就为其开辟专用信号相位，但这种策略忽视了对社会车辆的考虑。由于缺乏对应急车辆通行时间需求的准确预测，社会车辆往往在交叉口排队等候，导致通行效率下降。尤其在靠近应急点的情况下，来自两个方向的应急车辆同时到达交叉口时，社会车辆的等待时间会进一步延长。因此，交叉口信号控制策略仍有改进空间。

该文提出的应急车辆信号优先控制策略，通过实时监测交通流，准确预测应急车辆到达时间，并灵活调整信号配时，以保障应急车辆快速通过交叉口，尽量减少对社会车辆的干扰。

2 应急车辆信号优先控制策略

2.1 应急车辆车道设计

该文提出了一种应急车辆信号优先控制策略，目的是提高应急车辆通行效率，并减少对一般交通流的干扰。该策略通过在传统应急车道上设置检测器，并与交叉口信号灯进行紧密联动，以及时有效地调整信号，确保应急车辆优先通行。为确保应急车辆在行驶过程中不受其他车辆的干扰，将交叉口进口道最外侧车道被设计为专用车道。该专用车道配备了检测器，以确保准确识别应急车辆。检测器位置距离交叉口50～150 m[4]，该设计旨在提供足够的识别和信号调整时间，以满足应急车辆的需求。

2.2 信号控制方式

应急车辆信号优先控制策略，采用红灯早断和绿灯延长两种方式进行信号控制。根据检测器预测应急车辆到达交叉口的时间点，信号配时调控方案可分为以下三种情况：

（1）当预测到应急车辆在交叉口信号灯红灯前期到达时，采用绿灯延长策略，延长上一相位的绿灯时长，以确保应急车辆在红灯相位开始之前通过交叉口。

（2）当预测到应急车辆在交叉口信号灯红灯后期到达时，采用红灯早断策略，提前结束该相位的红灯时间，使得应急车辆到达时交叉口信号灯刚好转为绿灯，应急车辆可直接通过。

（3）当预测到应急车辆在交叉口信号灯绿灯期间到达时，则不进行任何调控，交叉口信号灯维持原状态，应急车辆可直接通过。

为保证两个方向上的应急车辆顺利通过交叉口，交叉口信号配时方案应根据应急车辆到达时间灵活调整，以减少应急车辆在交叉口的行驶时间。调控策略包括两种情况：第一种情况是当一个方向上的应急车辆到达交叉口时，另一个方向上的应急车辆未到达，交叉口信号灯可采用红灯早断或绿灯延长控制策略，确保该方向上的应急车辆快速通过。第二种情况是两个方向上的应急车辆在短时间内先后到达交叉口，需要在同一信号周期内采用红灯早断和绿灯延长两种方式调控，或在两个连续周期内分别采用一种方式调控，以确保两个方向上的应急车辆都能快速通过。具体采用哪种方式进行调控，取决于最小化对社会车辆的影响，并根据约束条件和应急车辆到达时间进行决定。

综上所述，采用差异化的信号调控策略能更好地考虑交叉口双向车流的通行效率，特别是有利于降低应急车辆的通行时间，确保其优先通行。这一战略性调控不仅提高了交叉口整体的运行效率，也在紧急情况下确保了应急车辆的迅速通过。通过差异化的信号调度，交叉口管理系统能更智能、灵活地应对不同车流压力，最大限度地优化道路交通流动。

2.3 约束条件

为确保交通信号控制系统有效运行，应减小对交叉口行人和垂直行驶的社会车辆的影响。因此，最短红灯时间（gmin）应设定为不少于7 s，以维护行人的安全和顺畅通行。同时，考虑整个信号周期的时长，最长绿灯时间（gmax）则不应超过信号相位周期的总时长。

3 信号优先控制模型

3.1 应急车辆到达交叉口时间的确认

为更加准确预测应急车辆到达交叉口的时间点并做出相应的调控，需要推算应急车辆到达交叉口的准确时间。假设Ti为应急车辆到达检测点所在截面的时刻，当应急车辆以恒定行驶速度V行驶至检测器时，在已知检测点到交叉口距离的情况下，由经典运动学可得应急车辆到达交叉口时间ti。

3.2 应急车辆到达交叉口时信号灯周期的确认

假设应急车辆到达交叉口时处于某个信号周期的第k秒，记录该次的调控方式，直到第i辆应急车辆。当第i辆应急车辆到达交叉口，根據前i?1辆应急车辆的调控方案，减去前i?1辆应急车辆早断总时间再加上延长总时间，对原有周期C取余，余数即应急车辆到达交叉口时处于某个信号周期的时间k，进而计算出应急车辆到达交叉口时该信号相位的剩余时间。

3.3 信号配时优化模型

假设交叉口信号灯一个周期的时间为C，并且按照先红灯（R）后绿灯（G）的顺序进行。分析应急车辆到达交叉口时，交叉口信号灯的剩余时间；并根据不同的剩余时间，进而采用不同的信号配时策略，保证应急车辆的顺利通行。其中n为应急车辆到达时，信号灯已进行的周期数。

Case 1：当检测器预测到一个方向上的应急车辆或者两个方向上的应急车辆，均在交叉口信号灯绿灯相位阶段到达交叉口，即ti∈G时。则不需要调整原有交叉口信号配时，应急车辆可直接通过交叉口。

Case 2：当检测器预测到一个方向上的应急车辆在红灯相位前期到达交叉口，并且另一个方向上的应急车辆还未到达，即时，则应采用绿灯延长策略。在应急车辆通过检测器时，延长应急车辆到达交叉口红灯相位上一周期的绿灯时间。绿灯延长时间如式（1）所示：

（1）

Case 3：当检测器预测到两个方向上的应急车辆均在红灯相位前期到达交叉口，即且时，则应采用绿灯延长策略。在应急车辆通过检测器时，延长应急车辆到达交叉口红灯相位上一周期的绿灯时间。延长时间应为两个方向上较晚到达交叉口时间的应急车辆到达交叉口的时间，延长时间如式（2）所示：

（2）

Case 4：当检测器预测到一个方向上的应急车辆在红灯相位前期到达交叉口，而另一个方向上的应急车辆在红灯相位后期到达交叉口，即且时。为了最小化对社会车辆的影响，需要对比两个方向上应急车辆到达交叉口的时间差。

当两个方向上的应急车辆到达交叉口的时间差小于行人最短安全过街时间gmin时，则采用绿灯延长策略，延长上一周期绿灯相位时长。延长时间为两个方向上较晚到达交叉口时间的应急车辆到达交叉口的时间，延长时间如式（3）所示：

（3）

当两个方向上的应急车辆到达交叉口的时间差大于行人最短安全过街时间gmin时，则需要同时采用绿灯延长和红灯早断策略。在延长上一个周期绿灯相位时长，保证较早到达交叉口的应急车辆通过交叉口的同时，还应缩短该周期的红灯时间，使得较晚到达交叉口的应急车辆也能够顺利通过交叉口。绿灯延长时间和红灯早断时间如式（4）所示：

（4）

Case 5：当检测器预测到一个方向上的应急车辆在红灯相位后期到达交叉口，而另一个方向上的应急车辆还未到达交叉口，即时，则采用红灯早断策略。通过缩短应急车辆到达交叉口时信号相位的红灯时长，保证应急车辆到达交叉口时能够不受交叉口信号灯的影响，直接穿越交叉口。早断时间如式（5）所示：

（5）

Case 6：当检测器预测到两个方向上的应急车辆均在红灯相位后期到达交叉口，即且时，应采用红灯早断策略。为满足两个方向上应急车辆均能顺利通过交叉口，红灯早断时间应保证更早到达交叉口的应急车辆能够通过交叉口，当该时间段第一个到达交叉口的应急车辆能够顺利通过交叉口时，另一个方向上的应急车辆也能成功通过交叉口。因此早断时间如式（6）所示：

（6）

4 实验验证

该文拟采用Python对SUMO进行二次开发，对提出的应急车辆信号优先控制策略进行仿真分析。在一条应急车辆专用道、一条直行右转车道、一条左转车道组成的交叉口进口道环境下，比较在不设置信号优先策略、传统应急车辆优先控制策略和提出的应急车辆信号优先控制策略的三种方式下，应急车辆和社会车辆的通行时间。通过仿真结果验证提出的策略的有效性。

4.1 实验环境

该研究继续选择经典的四进口道交叉口作为研究对象，并通过SUMO仿真工具构建了符合该文提出的应急车辆信号优先控制策略的路网环境，探究应急车辆和社会车辆在该文提出的控制策略下的运行情况。

在交叉口信号配时方面，该文采用经典四相位信号配时，每个信号相位时长为30 s。该实验中涉及的其他参数如表1所示：

在上述参数下，仿真实验中设置进入交叉口后当应急车辆与社会车辆发生冲突时，应急车辆享有优先通行权，除此之外，进入路网的车辆均服从泊松分布，以模拟真实路网环境下的车辆到达情况。

在未设置任何信号优先策略中，交叉口信号配时方案仍不改变；在传统应急车辆优先控制中，当任何方向上的应急车辆进入路网时，交叉口信号灯会为其开辟20 s的专用信号相位，同时禁止其他车辆通行；在该文提出的应急车辆信号优先策略中，只有当应急车辆到达交叉口时才采用该策略，否则不进行优先调控。

4.2 实验结果

该研究分别对无信号优先策略、传统应急车辆优先控制策略以及该文提出的应急车辆信号优先控制三种运行策略进行了详细分析。对出行500次的应急车辆进行观察，收集应急车辆通过同一交叉口路段所需的时间，并对三种车道控制策略方案的性能进行比较。

实验结果显示：在无信号优先控制下应急车辆通行时间最长，而在传统信号优先和该文提出的应急车辆信号优先控制情况下，应急车辆通行时间相近。在无信号优先策略下，应急车辆的通行时间受信号灯状态影响，而信号优先策略则使得应急车辆能够快速通过。社会车辆的延误表现为在无信号优先策略下延误最低，传统优先控制下延误最高，而该文提出的策略则处于两者之间，兼顾了应急车辆和社会车辆的通行需求，有效保障了交叉口通行效率。

5 结论

该文提出了一种考虑社会车辆通行效率的应急车辆信号优先控制策略，旨在保障应急车辆顺利通行的同时最小化对社会车辆的影响。实验结果表明，该策略能显著减少社会车辆在交叉口的延误时间，而应急车辆通行时间与传统策略相近。该策略不仅提高了应急车辆响应速率和紧急救援效率，还缓解了应急车辆对道路交通的影响，减少了社会车辆的出行压力。

参考文献

[1]罗倩， 赵欣， 陈曦， 等. 基于车道级导航的应急车辆信号优先控制研究[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版）， 2023（4）： 594-599.

[2]唐嘉佳， 韩印， 张俊， 等. 应急车辆信号优先控制策略研究[J]. 物流工程与管理， 2017（1）： 87-88+79.

[3] 赵欣， 李灿， 陈珊珊. 基于可变导向车道的应急车辆通行策略研究[J]. 武漢理工大学学报（交通科学与工程版）， 2017（1）： 6-11+16.

[4] 袁野. 信号灯多重调控下公交系统优化研究 [J]. 智能计算机与应用， 2023（10）： 77-82.