基于车联网技术的特殊车辆优先通行信号协调控制方法研究

文/陈泽平

在当今社会发生紧急事件后，车辆能否及时地达到现场成为了评价社会进步的指标。因此，提出了基于车联网技术的特殊车辆优先通行信号协调控制方法研究这一课题，基于车联网庞大的数据支撑，设计特殊车辆优先通行信号优先级别，对路口的相位进行计算，并预设锁定相位的范围，根据相位条件设置最小绿灯时长。基于车联网数据计算相应的信号周期，合理的信号周期是实现优先通行信号协调控制的前提。并在仿真软件中搭建车辆行驶的仿真条件，通过仿真车辆交叉路口的行驶，验证车联网技术信号协调控制方法的有效性，实验结果表明该方法的车辆延误时间最短。

0.引言：

车辆的通行离不开信号灯的指引。交通信号灯不仅被应用在日常的公共交通当中，更是特勤任务和紧急救援中调节交通状况的信号指示。车辆优先通行信号和普通的红绿灯相结合，为调节城市的交通状态、创造文明城市做出自己的贡献。城市中的交通场景随着人口基数的变化越来越复杂，如果不对交通状况进行规划和管控，就会出现严重的交通拥堵现象[1]，构建交通管控信号体系非常重要。特殊车辆优先通行信号控制在绿色交通的战略指导下发展越来越科学，推广在我国各级城市的交通管理中来。按照我国车辆优先通行的政策，制定车辆特殊车辆优先通行的规则，目前该规则的制定已逐渐成熟，可以作为建设体制的参考。传统的特殊车辆的优先通行的控制方法是建立优先通道，并改造专业的信号灯作为特殊车辆的交通指示标志。在马路上布置射频设备，和专业的信号设备，在特殊车辆中安装接收信号的芯片，以便可以精确定位到特殊车辆的位置。在信号发出的时候触发实时定位，信号机可进行特殊车辆信号优先切换，提前几秒钟亮起信号灯[2]，保证特殊车辆优先行驶。不仅可以实现特殊车辆的权益，还可以控制整个路面的通行效率。但该方式对其配套设施有一定要求。例如道路的基本建设和其他硬件设施，前期投入很高，需要很长时间才能收回成本。硬件设施的改变灵活性较差，在交通状态改变的情况下需要人为进行信号变更频率的更改，否则就会在车辆密集的路口起到适得其反的效果，车辆的优先驾驶导致对正常的通行秩序产生干扰。而特殊车辆较少的道路，正常车辆依旧要等优先通行的信号发生变化才能行驶。缩减了车辆的有效行驶时间，造成道路资源的浪费。因此传统的优先控制方法的灵活性差，使用范围狭窄。只有当特殊车辆的路线固定，行驶时间固定（例如：公交车）的时候使用。对于面对突发事件使用的车辆，例如救护车、灾害救援车、消防车或抓捕犯人的警车等特殊车辆的出行时，不容易发挥自己的作用。本文基于传统方法的问题改善优先通行信号协调控制方法的不灵活性，将车联网融入到信号协调的控制当中，分析多种道路交通的特征和控制场景。设计了新的车辆的信号协调控制方法。涵盖了大部分的特殊车辆。在实现信号优先协调功能的前提下，减少设备的增量。降低投资成本。

1.设计特殊车辆优先通行信号优先级别。

特殊车辆的信号优先控制应该先确定信号的优先级别，首先应确定车辆的实时位置。并计算位置和信号控制路口的相位，普通车辆在车辆行驶的过程中，遇到红灯车辆统一停下，优先行驶车辆的绿灯率先亮起，普通车辆的绿灯亮起。如果是需要紧急行驶的特殊车辆，则不会受红灯的束缚，其他车辆要避让。首先要获得车辆的定位数据，由于车辆是移动的物体，因此在定位的时候，采取动态定位的方式[3]。定位信号的更新周期为3 s~5 s，根据车辆行驶的方向和车辆的路线，对路口的相位进行计算，并预设锁定相位的范围。而引导车辆行驶的后台信号根据相位锁定范围进行相位锁定指令的发送，控制系统对接收的信号进行反馈。信号灯接收到命令后开启绿灯，使特殊车辆通过。路口的执行指令使信号机产生变化，车辆在绿灯的状态下可以一直保持通行的状态。锁定相位与行驶路口之间的距离，并计算绿灯时长。绿灯的时长达到最小值的时候满足解锁相位条件，将最小绿灯时长作为时间标准，不满足时间标准的采取长时间相位解锁的训练方式，直到时间满足条件为止。信号调度计划从特殊车辆过路口之后，也就是下一个相位变为普通车辆的调度规则，信号机的变化算法利用了车联网技术，这种算法消耗的时间短、能耗低、容易实现。可以适应各种交通变化情况，只要网络技术条件满足无线联网就可以控制路口的信号机，按照规则进行变化。特殊车辆优先通行不会因为左转待转区的车辆积压而被打断，路口待行区的直行车辆也不影响特殊车辆的正常通行。特殊车辆的优先通行的可靠性和灵活性是由锁定范围决定的，范围越大可靠性越高[4]。为了使特殊车辆能够在执行任务的过程中不因信号问题耽误时间，在锁定范围的设置中，将优先特殊车辆的任务设置为最高级。为了保证该信号优先级别确定方法的可靠性，锁定范围设置一定要适中。根据路口相位进行判断，为避免特殊车辆已经从路口行驶出去，信号灯却仍旧未切换的情况，绿灯与红灯之间的时间差按照最小值取值，锁定范围设置过大影响优先控制效果，其他流向的社会车辆的权益也需要保障，因此在高峰时段要减少优先通行的频率。

2.基于车联网数据计算相应的信号周期。

特殊车辆优先通行信号优先级别设置完成之后，应为信号灯设置最佳周期。优先相位绿灯时长设置为T，信号周期根据车流量的变化而产生变化，但周期应保证一定的平稳。周期的可调整时长为t，预设时间的过程中原则为t＜T，t的时长设置根据路口实时交通运行状况不宜过长，并随着实际情况的变化随时调整。例如在日常的行车时间周期之间的差为3 s，那么在早晚高峰的时候周期差就要缩短为1.5 s，车辆到达下一个路口的时间按照时速55km进行计算，在上一个路口遇到的是绿灯，在下一个路口大概率遇到的也是绿灯，增加司机的有效行车时间，并对信号周期的方案按照实际情况进行调整。信号灯显示红灯，并距离绿灯的时间小于10 s，此时属于车辆在绿灯显示前达到[5-7]，相位时长最大减少10-t秒，基本可以保证车辆等待时间在合理的范围内，且一定能在绿灯时间内行驶过该路口。若车辆达到路口的时候正好信号灯为绿灯，且绿灯的时长在10s以上，基本可以保证车辆到达时可以顺利行驶过路口。但在特殊车辆到达路口时绿灯刚好结束，则特殊车辆要在路口处等待至少25s的时间，优先相位的时长为25+t，车辆无法顺利的通过，此时只能减少车辆的等待时长。通过周期提前的方式对信号变化进行逐步调整，周期时长的调整值和相位长度的数值相等。主要的调整方式为将实时位置数据的更新时间缩短为2s，并根据车联网的速度动态计算的方式，计算特殊车辆达到下游路口的时间。设置路口的信号周期为C，则绿灯信号的变化参数为u，则C的计算公式：

常数10的单位为s，根据周期长度的适配时差调整信号周期，经过计算保证特殊车辆在绿灯信号灯亮起的时候，车辆可以到达路口[8-9]。但在高峰时期仍旧会出现车辆排队的队伍过长导致车辆达到路口的时候，绿灯也已经结束的情况。此时应该增加特殊车辆相位长度，检测车辆通过路口的最长时间，保证车辆能够顺利通过。下一个相位开始恢复普通车辆的运行周期，周期的计算可以避免特殊车辆对正常通行秩序影响，平衡难度小可确保车辆畅行。但车联网的原信号周期长度是计算的基础参数，因此在取值的时候影响优先效果[10]，为避免优先控制可靠性降低，大周期路口的信号灯变化频率相对较低。周期和优先级别的确定可制定信号灯的变化规则，最终实现特殊车辆优先通行信号协调控制。

3.仿真实验。

为了验证本文设计的优先控制方法的优越性，与传统的人工智能算法优先协调控制方法和Vissim信号协调控制方法相比，对比三种方法的特殊车辆在交叉路口的延误时间。

3.1仿真环境

仿真软件采用MATTY车辆参数仿真软件，在仿真软件中设定双向车道为6个。设定车辆的流量为1100veh/h，基于特殊车辆的目的和驾驶员的心理作为行驶参数，交通信号灯的绿灯时长为40s，黄灯的缓冲时间为3秒，红灯的周期为57s，信号灯三种颜色的循环一次的周期为100s，路口四相位的设置为南北左转、东西右转，南北右转直行，东西左转直行。特殊车辆的限速为55公里每小时，而正常车辆的限速为40公里每小时，在当前的仿真环境下，设置五组车辆实验，计算车辆的路口延误的时间。

3.2仿真结果与分析评价

三种方法的时间计算结果如图1所示：

图1 实验结果

仿真实验结果如图1所示：在三种控制方法中，本文设计的方法车辆的延误时间在2s~4s左右。而传统的两种控制方法最小延误时间也在6s左右，最长延误时间可达14s，对于特殊车辆来说在交叉路口的总停车次数越少，遇到的红灯越少，延误的时间就越短，尤其对于救援和抓捕车辆来说，车辆优先通行信号协调做的越好，越有利于车辆有效驾驶时间的提升。

结束语：

本文设计了基于车联网技术的特殊车辆优先通行信号协调控制方法，因此在进行特殊车辆的信号优先控制的时候，使用信号等级优化和周期合理分配的方式。提升交通优先控制的精细化程度。提升信号变化的敏感性，本文方法将排队长度、车头时距、转向流量等参数都进行了细化。是优先控制方案的数据支撑，也为日后路口运行状况的判断作出贡献。