基于车路协同的城市应急车辆优先控制：概述与展望

张立立，王 力，刘建东，张玲玉

(1.北京石油化工学院信息工程学院，北京 102617；2.北方工业大学城市交通智能控制技术北京市重点实验室，北京 100144)

《十四五规划纲要》中明确指出推进城镇化与应对老龄化将是中国未来长期面临的主要问题之一[1]。在中国城镇化进程加快的标志之一是人口聚集度高、机动车保有量大，带来的直接影响是交通拥堵频发；老龄化程度进一步加深造成的主要问题之一是急救、消防、救援等应急需求的剧增。当城镇化导致的交通拥堵与老龄化引发的应急需求深度耦合，将大大影响应急需求响应的时效性。

为应对剧增的常态应急需求，国外发达国家大多建设有较为完善的多部门协同的常态应急响应机制。例如，美国的911应急中心就联合了消防、警务、医疗三种救援力量[2]。中国于2018年成立应急管理部，从国家层面有效统一整合应急救援力量，为应急救援事业的发展奠定了管理基础[3]。但目前多部门协同应急救援的主要关注点仍然是大规模突发性应急事件，如自然灾害、危险物泄漏等。像小型火灾、120急救等小规模常态应急事件的多部门协同尚未形成。

作为应急需求响应的重要载体——“应急车辆”在城市道路中的优先通行是保障应急响应时间，避免造成生命财产损失的主要手段之一。据统计，在心脏骤停等紧急情况下，响应时间每延迟一分钟将导致死亡率增加1%，并增加1 542美元的医疗救治成本[4]。以美国为例，每年由于应急车辆响应不及时导致的医疗支出增加就达70亿美元[4]。应急车辆优先通行实施的关键是城市交通控制[5]。虽然传统智能交通技术在中国已发展近20年[6]，但作为急救、消防等常态应急需求的大国[7]，中国实际中的应急车辆在城市道路中优先通行大多仍依靠交通参与者的自觉让行等方式，在媒体感慨人间有正义、网友泪目点赞的同时，既暴露出采用传统交通控制实现应急车辆优先通行存在瓶颈[8]，也说明中国在该领域理论研究和技术研发上尚有不足。

但近年来随着车路协同、车联网等技术的蓬勃发展，以北京为首的中外特大城市开始进行大规模智能基础设施的建设，使其初步具备实施车路协同环境下智能交通相关领域理论研究和技术实践的先决条件[9-11]。其中，基于先进车路协同技术实现应急车辆优先通行的大规模应用成为可能，并得到广泛关注。利用车载装备将应急车辆的位置、速度等信息实时推送至交叉口，交叉口融合车载信息与道路交通流感知信息综合决策，能够较好地实现应急车辆的优先通行。

为此，在对城市应急车辆优先控制有关的中外研究概述的基础上，对目前存在的问题和未来研究中的重点和应着力解决的关键问题进行讨论和展望。

1 研究现状

智能交通技术的发展带动应急车辆优先通行方面的研究，已经由最初的传统交通信号优先控制，逐步发展为基于车路协同的应急车辆优先控制、结合路径规划的应急车辆优先控制等方面的研究。其中，车路协同是未来城市交通与应急车辆优先的技术基础，将路径规划与优先控制相结合是保障应急车辆全路径时间最优的关键。

1.1 基于车路协同的应急车辆优先控制

借助车路协同的技术优势，通过获取应急车辆的位置等信息，结合交叉口的典型控制方式实现应急车辆的优先控制。

1.1.1 采用初级车路协同技术

早期利用全球定位系统(global positioning system，GPS)、射频识别(radio frequency identification，RFID)等技术构建初级的车路协同环境实现应急车辆的优先控制。Miyawaki等[12]利用安装在交叉口的红外灯塔检测装置检测应急车辆的到达情况，以此设计了快速应急优先通行系统。Thompson等[13]开发了一种向应急车辆提供优先权的信号优先系统。该系统接收车载GPS将应急车辆的速度、位置、运动方向等信息，通过计算应急车辆达到交叉口的时间实现在信号交叉口处的优先通行。Van Gulik等[14]利用RFID技术构建车路交互的环境是实现了应急车辆的优先控制，并采用车载GPS数据分析了该技术的可扩展性。蒋光胜等[15]以北京奥运交通保障为背景，通过在信号控制器安装无线射频识别装置，在公交车、奥运特种优先车辆(very important priority，VIP)车辆和公安特种车辆上安装RFID，实现了初级车路协同条件并提出了公交车和特种车辆的优先控制策略。杨兆升等[16]同样利用RFID技术实现简单的车路协同环境，提出了基于模糊控制的应急车辆优先控制策略。

1.1.2 采用高级车路协同技术

初级车路协同本质是一种利用触发方式实现应急车辆优先，高级车路协同技术利用车载和路侧装置实现数据交换和控制指令交换，应急车辆优先控制是高级车路协同的典型应用场景。Dresner等[17]在车路协同环境下提出信号控制资源预约理念，并建立了基于多智能体的交叉口协同控制机制，由此当应急车辆优先需求产生时，根据“高级别优先服务”的原则及时响应应急需求。Unibaso等[18]基于欧洲车辆通信体系提出一种应急车辆优先控制方法，通过协同感知消息(cooperative awareness messages，CAM)实时广播应急车辆信息给周边社会车辆来响应优先控制需求。Noori[19]利用V2I技术研究了应急车辆优先情况下信号状态变化对绿灯相位的影响，并且利用OMNET++开发实现了车路协同环境下的应急车辆优先控制方法。He等[20]将应急车辆优先与公交车辆优先相结合，在车路协同环境提出启发式控制算法，尤其是可有效解决单交叉口同时出现多个优先级请求冲突的问题。Agrawall等[21]研究了V2V环境下应急车辆优先控制问题，通过优化应急车辆的车道级动力学模型，考虑各种交通环境下路段车道的设置问题，同时提出了固定车道优先控制策略和最优车道控制策略，仿真实验结果表明在复杂交通环境下最优车道控制策略优于固定车道优先控制策略，而在良好交通环境下，固定车道策略表现更好。Asaduzzaman[22]综合考虑单个或多个应急车辆通行请求，基于V2I技术设计了一种公交信号优先(transit signal priority，TSP)优先控制方法，并提出一种分支定界算法，该算法能够在多个请求发生冲突时有效区分优先级。Khan等[23]提出了一种基于物联网的交叉口应急车辆优先和自组织交通控制管理平台。Ajayi等[24]通过物联网(internet of things，IOT)技术实现应急车辆、社会车辆和路侧设施互联互通并进行信息采集，进一步实现应急车辆的优先控制。Karmakar等[25]利用大范围的社会车辆的RFID数据与车路协同的应急车辆条件，根据事件的类型和严重性确定电动汽车的优先级别，并设计必要的信号干预控制方案，同时考虑应急车辆行驶路径周围道路和交叉口的影响。Rosayyan等[26]利用车载导航与路侧设施设计了应急服务电子围栏，电子围栏将社会车辆与应急车辆分离，以使得应急车辆获得优先通行权。Osman等[27]则利用了V2V技术实现了应急车辆路径快速清晰化的新型道路交通管理策略。

2011年是国内车路协同技术研究的元年[28]，国内学者开始进行基于高级车路协同技术的应急车辆优先控制的研究。王吟松等[29]利用专用短程通信(dedicated short-range communication，DSRC)技术构建应急车辆交叉口信号控制系统，通过令应急车辆与路侧系统进行交互通信实现优先控制。Wang等[30]基于车路协同环境设计了应急车辆优先控制系统，提出了动态信号优先控制策略，并在江苏太仓市对所开发系统进行了实际应用测试。龙文民等[31]在车路协同环境下实时获取交叉口信号状态、交叉口各方向排队长度、应急车辆自身位置及当前车速等信息，构建基于速度引导的应急车辆优先控制方法。张韦华等[32]发明了一种基于车路协同的应急车辆交叉口优先信号相位控制方法，通过车载GPS数据对应急车辆的位置进行地图匹配，分析应急车辆出行时间最短路径的同时，对交叉口信号相位进行判断并估计应急车辆的距离，进而实现信号相位控制的变换。豆雪珊[33]提出了基于车路协同环境的应急车辆交叉口优先通行辅助方法及协调控制策略，并通过搭建车路协同硬件在环平台对所提方法进行了测试。Huang等[34]使用时间Petri网构建一种两相位主体方案网络建模应急车辆优先控制的方法，并利用可达性图分析了模型的活性和可逆性。Pei等[35]在文献[34]的基础上，设计了一种四相位主体方案辆优先控制的方法，同样对模型的活性和可逆性进行了验证。Li等[36]考虑到V2X通行时延将影响应优先请求的响应，提出了一基于补偿距离的应急车辆优先控制方法。Cao等[37]从应急车辆性能角度出发，提出了以应急车辆为中心的车路协同智能应急交通系统，以确保其快速通过，并降低对社会交通的影响。Mu等[38]则关注了车路协同环境下应急车辆优先通行结束后的交叉口运行的过渡控制。姚佼等[39]从应急路径选择入手，构建了车路协同环境下的应急车辆路径选择模型。戴宇露等[40]在智能网联环境下,研究了精确交通信息的感知与交互为应急救援车辆的动态时空路权优化。Zhang等[41]充分考虑了存在多种约束情况下的应急车辆路径选择和优先通行问题。Zeng等[42]则研究了考虑多个应急车辆通行时的优先控制的路权问题。

1.2 结合路径规划的应急车辆优先控制

将优化控制和路径规划相结合的研究首先找到使用距离或时间作为关键参数计算的最佳路线，然后在规划的路径上途经的交叉口实施应急车辆的优先控制，其中无论是静态路径规划还是动态路径规划的引入都提升了应急车辆优先控制的能力。Kwon等[43]为给定的路网和交通条件下的应急车路提供高效和安全的路径，提出了一种结合路径选择和动态信号优先的应急车辆优先控制策略，并利用Dijkstra算法对所提方法进行求解。Shirani等[44]在车联网环境下设计一种带有速度引导信息的优先响应策略，通过关联车辆交换信息，动态寻找最短路径以达到优先通行。Gedawy[45]通过实时更新交通拥堵和社会车辆出行时间延迟数据，通过应急车辆GPS信息规划最佳路径，并将路径信息推送给你交通信号控制系统实施反馈优先控制。Salehinejad等[46]和Polineni等[47]均提出静态最短路径算法与优先控制结合的方法，控制中心通过实时获取应急车辆的位置信息来激活通行方向的交叉口绿灯。Djahel等[48]提出了一种采用自适应与模糊控制相结合的交叉口局路径选择和信号优先的方法，通过分析交叉口拥堵情况，实时更新优先控制的具体形式，如变更相位、动态限速、改变路线等。Anand等[49]使用车载GPS数据获取应急车辆位置，将动态位置与实时应急中心规划的最短路径进行匹配，同时通过专有协议控制路径沿线交叉口实现应急车辆优先通行。Shaaban等[50]提出了一种最优路径选择和信号控制优先的联合策略，预先为应急车辆计算最佳路径，车辆运行中通过动态激活占用路段将应急通行信息通过V2I发送给周边车辆及交叉口实现专用应急车道优先控制。Huang等[51]提出了应急车辆运行情况下的路线选择和优先信号设置方法，先预设考虑单向协调信号设置的最优路径的预设方案，再在线激励信号控制，以便根据交通状况的扰动调整实时信号设置。Chen等[52]提出一种将路径规划与专用车道控制结合的应急车辆优先系统，该系统利用历史数据进行静态最优路径规划，当应急车辆采用规划路径时，沿途交叉口通过保留专用车道实现车辆优先通行。Yao等[53]基于应急车辆不同的优先级类型和优先级，提出了一种面向应急车辆路径的双层规划信号协调控制模型，其上层是应急车辆的动态优先模型，下层是紧急车辆的静态路径模型，并利用遗传算法对双层规划模型进行了求解。Min等[54]考虑交通流状态的时变特性，将优先控制与动态路径规划表示为二次规划问题，提出一种基于时间可靠路径的应急车辆控制方法。Bide等[55]设计了一种软件定义网络(software defined network，SDN)应急车辆管理系统，将应急车辆与交叉口控制器统一在系统中，实现了动态创建行驶路径与交叉口优先控制的融合。与上述不同，Wu等[56]从微观视角研究了车车通信环境下车道级应急车辆优先控制与动态路径规划的结合，而So等[57]则研究了完全自动驾驶条件下的应急车辆优先控制。

2 讨论与展望

应急车辆优先通行的研究主要解决两个核心问题，一是应急车辆的优先控制，二是优先控制与路径规划的相互作用。核心问题产生的本质是应急车辆与社会交通流之间具有异质性，即由于应急车辆的属性和特殊的驾驶任务，使得其在路网交通流中的车速、路权、行驶方式等都有别于社会车辆，这种异质性的表现对交通流、交通控制均为一种扰动。车路协同技术的引入既能利用车路实时交互与感知增加应急车辆和社会交通流的位置、速度等信息的确定性，也能通过速度控制、车道控制等方式减少其异质性并抑制扰动，但复杂实际因素造成的车路协同不完全性将导致极为复杂的情况出现。

上述的现有成果大多以车路协同技术为基础，采用传统交叉口控制理论，研究应急车辆优先控制或结合路径规划的优先控制方法。对如设备覆盖不完全、设备故障等现实问题导致的车路协同不完全情况下的应急车辆优先控制的研究尚未开展，因此存在亟待进一步解决的重点和难点问题。

2.1 车路协同交通控制的应急车辆优先控制能力和适用性不足

车路协同交通控制是应急车辆优先控制的基础。但现有研究大多是从应急车辆单车车路交互的视角出发，只将车路协同作为一种感知手段，仍然采用传统被动交通控制模型，未能从统一考虑应急车辆与交叉口车路协同控制模型的角度实现两者的双向感知与主动控制；车路协同的交通控制的研究大多是建立在车路环境完全、完备的假设之上，对实际情况考虑不足，无法有效合理应对模型失配的问题，这直接关系到所构建控制模型和方法的适用性，并将导致以其为基础的应急车辆优先通行无法保障。因此，亟待从分析多种因素造成的不完备的车路协同入手，构建具有多变量的主动交通控制模型，研究如何在不完全车路协同导致交通控制失配时，引导模型按照设计的退化路径改变，以达到有效规避模型失配和提高模型适用性的目的。

2.2 应急车辆优先控制与其路径规划的耦合机理有待探明

应急车辆通行以时间路径最优为总控制目标，其在交叉口的优先控制受到时间路径最优的约束。同时，应急车辆优先控制又影响其路径规划，尤其不完全车路协同的情况导致交通控制模型发生退化将影响应急车辆优先控制，最终影响会传递到应急车辆的路径规划上，优先控制与其路径规划具有极强的耦合关系。但现有研究大多只从设计优先控制算法或优先控制与路径规划结合的方法出发，未能探明应急车辆优先控制与其路径规划的耦合机理。必须指明，揭示其耦合关系将直接影响应急车辆优先控制方法的设计。因此，亟待研究应急车辆优先控制与路径规划的耦合机理模型，深入分析其映射关系及相互作用。

2.3 “在线-在环-实地”的实验测试方式有待研究

应急车辆优先控制研究大多采用交通仿真软件进行验证，传统交通仿真系统基于静态、后验证性的设计理念，无法应用于需要实时性演化验证的在线交通信号控制中。并且由于车路协同等新技术发展的速度较快，传统交通仿真软件并不具备模拟该类型实验场景的要求，同时由于仿真参数标定、模型标定带来的误差过大且无法根本消除造成如PARAMICS仿真软件[58]、VISSIM仿真软件[59]、SUMO仿真软件[60]等仿真不够真实，因此其较难检验研究结果在实际环境中的适用性和有效性。未来需要研发车路协同在线仿真平台实现场景设置、控制算法的验证，并且为保障算法在实际环境中可用性，还应建立基于平行仿真架构的车路系统在线仿真平台、硬件在环仿真平台与实地实验场的协同测试系统，通过采用直接驱动和深度交互的信号控制设备，实现应急车辆优先控制算法的验证和移植部署，通过集成“在线-在环-实地”的实验测试方式能够更好地验证研究成果的有效性和实用性，有助于理论研究向实际应用的转化，如图1[61]所示。

图1 “在线-在环-实地”多层次实验测试[61]Fig.1 “Online-in-the-loop-field”multi-level experimental test[61]

2.4 常态应急多部门协同响应机制有待完善

虽然经过几十年的发展中国在非常态应急处置方面有了长足的进步，但作为急救、消防等常态应急需求的大国，中国在常态应急方面还处于刚刚起步阶段，尤其是常态应急多部门协同响应机制有待进一步完善。其中，应急车辆作为保障应急响应的重要载体，同时也是多部门协同的纽带应该得到足够的重视，其中应急车辆的优先控制正是多部门协同响应的重要体现。借力车路协同技术在我国的快速发展，构建智能化的快速应急响应体系，实现真正的多部门协同响应。

3 结论

城市应急车辆优先通行是保障应急响应时间，避免造成生命财产损失的重要措施，尤其是当常态应急需求剧增时更是如此。车路协同技术为应急车辆优先通行的研究和实施提供了主要技术手段。从中国应急车辆优先的实际现状出发，回顾了车路协同应急车辆优先控制和结合优先与路径规划的应急车辆优先控制的中外研究情况，同时针对当前研究存在问题和未来技术、政策管理等的演进对该领域理论与技术的发展进行了探讨，以期对应急车辆优先控制的研究提供新的思路。