基于互联网和应急车辆的道路交通流研究

张 莉

(长治市交通运输综合行政执法队，山西 长治 046000)

1 引 言

基于互联网和车辆的技术的研究简称为车联网技术，车联网技术是智能交通系统的重要组成部分[1，2]。近年来，随着通信技术的发展和各大汽车厂商的推广，汽车联网技术得到了迅速的发展。在不久的将来，汽车网络技术将在城市交通中发挥重要作用，汽车网络也将成为众多学者研究的重点[3]。

应急车辆执行紧急救援服务属于非常特殊的混合交通流，所以它有优先级流量和遵守交通规则，“它不受行驶方向、行驶速度和信号灯，应该允许和其他车辆和行人。”赵鑫等人提出了交叉口应急车辆变道优先控制的概念，建立了交叉口车辆实时延迟模型，并制定了相应的信号优先控制策略，采用多相位信号优化，减少交叉口应急车辆延误的时间模型[4，5]。

研究项目提出一种自动机模型，该模型描述了应急车辆在车辆互联网的环境之间的关系，改善了普通车辆和紧急车辆在城市道路环境。此外，从改善交通流以减少应急车辆延误的角度来看，在模型中加入了网络环境下应急车辆生成规则。通过将应急车辆和联网普通车辆的运行数据进行对比，得出车联网对应急车辆和普通车辆的影响。该模型能够可应用于应急车辆在道路上的交通管理，通过互联网先验信息，能够及时对应急车辆行驶路线做出正确调整和指导，使得应急车辆行驶更加便利。

2 车辆与应急车辆联网特征分析

在建立自动机模型之前，需要首先分析应急车辆和互联网车辆的交通特性。主要从车辆的行驶速度、加减速特性、停车时间、车道频率和车辆启动功能等方面进行分析。

2.1 普通车辆的特征

车联网(Internet of Vehicles，简称IoV)是一种信息交换网络，包含车辆位置、速度、路线，以及车辆、道路、人、网络、环境和基础设施之间的无线通信。它的物理载体是通过电子设备，如射频识别、摄像头、传感器、GPS。采用车载网络、道路网络、交通环境网络等对信息进行采集，并按照通信协议和标准传输到云计算中心。云计算中心利用计算机技术对车辆数据信息进行分析和处理，然后将结果反馈给驾驶员，以便交通管理人员控制。通过这种方式，车联网能够及时报告交通状况，安排信号周期，实现人、车、路的智能监控、调度和管理。由此可见，汽车联网是物联网技术在交通系统领域的典型应用，是信息社会与汽车社会融合的结果。

2.2 应急车辆的特征

在实际的交通环境中，应急车辆频率较低，是一种特殊类型的车辆，主要包括警车、消防车、救护车、工程救援车和提供其他应急救援服务的车辆。根据《中华人民共和国道路交通安全法》第五十三条规定:警车、消防车、救护车、工程救援车辆在执行紧急任务时，可以使用报警器、标志灯，在保证安全的前提下不受行驶路线、行驶方向、行驶速度和信号灯限制，其它车辆和行人应向应急车辆让行。应急车辆的特殊性使得应急车辆的行为不同于普通车辆，当应急车辆加入交通流时，交通特征与正常情况相比有一定程度的差异。

3 基于互联网和应急车辆的城市道路交通流模型演化规律

3.1 自动机模型建模

将城市道路模型描述为两个并置的一维离散网格链，其长度用L表示，每个网格对应一个单元。每个单元被载具占据或在时刻t是空的。

为了反映模型联网的特点，引入网络(net)作为联网标志，网络n=1表示车辆n已连接到网络。每辆车都有一个ID号，车辆n的ID号记为IDn。以区分紧急情况车辆和普通车辆，应急车辆的ID设置为-1，普通车辆的身份证号为正整数。

车辆n在时刻t的头部位置为Xn(t)，车速为vn(t)。dn为车辆n与原车辆之间的单元距离或数值，计算公式如下

dn=Xn-Xn-1-Lveh

(1)

式中：Lveh表示车辆长度n-1。所建立的自动机模型的演化规则也称为变道规则，增加变道规则是由于道路上车辆普遍超车。

3.2 应急车辆变道规则

普通的车辆变道规则是在STNS模型变道规则的基础上，加入网络化车辆的特点进行改进的。为了实现变道函数，将模型的每个时间步划分为两个子时间步。在第一个子时间步骤中，车辆根据建立的变道规则决定是否变道。在第二个子时间步骤中，根据单车道演化规则对车辆进行更新。

应急车辆的变道规则与普通车辆稍有不同。在对应急车辆的交通特性分析中，得出应急车辆在行驶过程中频繁的换道行为。为了保持高速运行，即使与目标车道后方车辆的距离很小，应急车辆也会采取强制变道行为。

普通车辆行驶在前面有应急车辆的车道内，在应急车辆冲击范围内，必须采取强制变道行为，即无需检查变道动机，但需要满足安全条件。

4 数值模拟与分析

4.1 数值模拟中参数

该研究仿真的道路是一条两车道的城市道路，数值模拟采用周期边界规则，车辆总数为常数，其值记为n。选取周期边界作为模型的边界规则，为了满足真实的道路交通情况，在一定范围内道路路段的交通大致均匀，不会有很大的平均密度差。由于汽车网络的普及是一个过程，所以会出现部分道路车辆与车联网的情况。为了调查这一情况，使用net来表示车辆在交通中的比例。

车辆类型分为大车和小型车。在城市地区的情况下，大车包括面包车、卡车、小型公共汽车和公共交通公共汽车。卡车或公共交通工具比轿车长得多。为了简化模型，将车辆分为三种。它们分别是卡车，公共汽车和汽车，它们的长度(Lveh)分别是2单元格，2单元格和1单元格。对于车辆尺寸的假设是基于现场观测的。轿车、客车和卡车的长度分别接近5 m、10 m和10 m，所提出的模型假设单元格长度为5 m。

4.2 车辆网络对城市道路交通流的影响

图1和图2是有应急车辆的交通流基本图，该图提供了不同连通车辆比例的情况。当net=0时，曲线在密度k=0.14处达到峰值，其中q=400。然后，随着洞穴，水流开始下降。当密度k达到0.6时，流量q等于50。当k<1.3时，平均速度为自由速度，保持在8 m/s左右。当k>=1.3时，平均流速开始下降，最终在k=0.6时为0.5 m/s。

图1 不同比例网络车辆的交通流流量密度图

图2 不同网络车辆百分比的交通流速度-密度图

当net=0.5时，曲线在密度k=0.2处达到峰值，此时q=500。当密度k=0.6时，流量q=100。当k<1.8时，平均流速为自由流速，保持在8 m/s左右，当k> 1.8时，平均流速开始下降，最终在k=0.6时为0.8 m/s。

从对比中可以看出，车联网环境下的道路通行能力大于常规环境下的道路通行能力，在拥挤区域，网络环境的密度下降趋势也慢于常规环境。与常规环境相比，网络环境下的速度下降趋势较慢。当net=0.6时，拥塞比net=0.2时要小，这表明车联网可以改善城市道路的交通状况。

4.3 避障规则对应急车辆行驶速度和行驶时间的影响

图3为应急车辆速度-密度曲线和普通车辆速度-密度曲线。两者均通过仿真得到，参数net=0.5。应急车辆有特权他们不受红绿灯的控制，也不受道路标志的限制，可以倒车。当应急车辆执行任务时，普通车辆需要避开它等。但应急车辆的行驶也应受到道路限制、前方车辆限制、十字路口限制等现实因素的制约。在理论条件下，应急车辆的行驶条件远远优于普通车辆。如果交通流量较大，道路处于拥堵状态，一般车辆不回避应急车辆，则应急车辆的行驶条件相当于相同交通条件下的普通车辆。然而，如果普通车辆改变车道，故意加速以避开应急车辆，这些行为可以降低道路上的密度，使应急车辆行驶得更快。这一点可以从图3中看出。由图3可知，在拥挤条件下(密度>0.2)，应急车辆的速度明显高于普通车辆。这种现象与第2节对应急车辆交通特性的分析是一致的。

图3 应急车辆与普通车辆的速度-密度图

图4 应急车辆在不同网络车辆比例下的行驶时间密度图

图4为不同网络车辆比例的应急车辆行驶时间密度图。net=0和net=0.5情况下，应急车辆行驶时间随密度的增加呈指数增长趋势。net=0时，应急车辆行驶时间增长较快，而net=0.5时，应急车辆行驶时间增长缓慢。车联网环境中存在紧急情况的车道比正常环境下的车道更加通畅，车联网环境下的另一条车道更加拥堵，表明车联网有利于应急车辆的快速通行。车道上已有的应急车辆比另一车道的拥堵情况要小，说明规避规则起到了帮助应急车辆消除部分因素约束的作用，从而获得更好的驾驶状态。

5 结 论

通过分析应急车辆和网络化车辆的交通特性，建立互联网环境下应急车辆的自动机模型，并对模型进行了数值模拟和分析。

在拥挤条件下(密度>0.2)，应急车辆的速度明显高于普通车辆，且应急车辆的速度波动较大，反映了应急车辆的交通特性。当无普通车联网时，应急车辆行驶时间随密度迅速增加。当部分普通车联网时，应急车辆行驶时间随密度缓慢增加。研究结果表明，车联网能够改善城市交通状况，有利于应急车辆快速通行，为未来车联网的推广提供依据。