基于车道级导航的应急车辆信号优先控制研究.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 基于车道级导航的应急车辆信号优先控制研究罗倩)赵欣,)陈曦)张赛)(武汉理工大学交通与物流工程学院)武汉 )(卫星技术交通运输行业研发中心)北京 )摘要:文中基于车道级导航系统,构建了车道级应急车辆优先协调控制系统,利用预信号与主信号协调配时,提出应急车辆在大型交叉口的优先通行信号控制方法利用V I S S I M进行模拟实验,对比分析在不同信号控制方法下应急车辆通过交叉口的实际运行数据结果表明:车道级导航下的应急车辆信号优先控制能显著提高应急车辆在交叉口的通行效率关键词:应急车辆;车道级导航;控制策略;交通仿真中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:罗倩(),女,硕士生,主要研究领域为交通工程基金项目:国家自然科学基金青年基金()引言应急车辆在交叉口的通行优先需要完全依靠法律赋予的优先通行权及社会车辆驾驶员的自觉性,这种优先具有明显的“不确定性”,因此需要采取应急车辆信号优先控制来保障其交叉口优先通行权目前,国内外对于应急车辆信号控制研究多集中在使用现代技术与应急车辆优先控制结合等方面 B a c h e l d e r等将感应线圈技术应用到应急车辆优先控制系统中 T i t o u n a等通过聚类技术和图形定性融合帮助信号优先系统在传感器数据不精确时作出合理的信号优先控制方案马超等利用相位智能体进行信号配时,利用管理智能体进行相位排序,并采用模糊推理得到多智能体的协调机制赵欣等将可变导向车道技术与应急车辆通行策略相结合,制定了基于可变导向车道的信号优先控制以及时空优先组合控制刘翔等利用深度学习强化方法构建了对应急车辆状态表达与奖励函数,对多辆应急车辆在交叉口不同方向竞争绿灯相位的问题进行了深入研究这些研究大多只是从时间上给与应急车辆优先通行权,且对于应急车辆的位置检测仍然多数使用检测器 ,无法提前检测应急车辆位置并提早进行交叉口清空近几年,我国北斗卫星导航系统趋于成熟,已经实 现亚米级精 度的车辆定 位以及车道 级导航 为了减小应急车辆在交叉口的通行时间,避免高峰时段拥堵导致的应急车辆延误,文中将车道级导航与应急车辆信号优先控制结合,提出一种基于车道级导航的应急车辆信号优先控制策略,实现对应急车辆位置进行实时检测,提前清空车道并给与应急车辆车道引导,保障应急车辆的通行效率技术与适用条件 技术条件在车路协同环境下基于车道级导航系统构建了车道级应急车辆优先协调控制系统(l a n e l e v e le m e r g e n c yv e h i c l ep r i o r i t yc o o r d i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m,E V C S L)E V C S L包括:车道级导航系统(l a n e l e v e ln a v i g a t i o ns y s t e m,L NA)、智能信号控 制 系 统(i n t e l l i g e n ts i g n a lc o n t r o ls y s t e m,L S C S)、通信系统(c o mm u n i c a t i o ns y s t e m s,C S)及车联网云控平台(v e h i c l e i n t e l l i g e n tc o n n e c t e dc l o u dm o n i t o r i n g,V I C CM),见图图车道级应急车辆优先协调控制系统 假设条件)在应急车辆接受到指令后,已通过算法获得行程时间最短的最优通行路径)道路设置有分车道控制的交通预信号灯组,以保证实现对对每个车道进行预信号控制,见图)应急车辆路径上的交叉口原信号控制方式为定时相位配时其中,必须有左转专用相位对左转车辆进行控制右转不受控,不考虑应急车辆在路口右转时的优先通行策略)应急车辆进口道至少为五车道,且直行车道和左转专用道车道的数量至少为两条)假设应急车辆在两个大型交叉口之间的理想行程时间不会超过两个信号周期控制方法与策略 主要参数计算)消散时间 Q/(n sq)()式中:为应急车辆优先方向排队车辆所需消散时间,s;Q为应急车辆优先方向车道的排队车辆数,p c u;n为应急车辆优先方向的车道数;s为应急车辆优先方向单条车道的饱和流量,p c u/h;q为应急车辆优先方向的车辆平均到达率,p c u/h)最大排队长度QMq(trlt)/n()式中:QM为应急车辆优先方向单条车道的最大排队车辆数,p c u;tr为应急车辆优先方向的红灯时间,s;lt为损失时间,s)应急车辆预计行程时间tpLE P/v()式中:tp为应急车辆从检测位置预计到达交叉口停车线的行程时间,s;LE P为应急车辆检测位置到下游交叉口停车线的距离,m;v为应急车道检测时的初始车速,m/s 优先控制方案 车道优先控制理论将车道级导航应用到应急车辆通行中,当控制中心接收到应急指令后,选定一条进口道为应急车辆专用道并优先考虑为应急车辆专用道上车辆提供通行、阻止后续社会车辆进入应急车辆专用道,导航指示应急车辆到达指定车道,实现应急车辆的优先通行 实现流程优先控制方案具体实现流程见图图应急车辆优先策略具体流程 控制策略将应急车辆进入上游交叉口出口道时下游交叉口的当前周期称为消散周期,消散周期的下一周期即应急车辆预计通过交叉口的周期为优先周期当应急车辆进入上游交叉口出口道时,系统检测到应急车辆当前行驶速度,计算得到应急车辆预计到达交叉口的时刻根据应急车辆到达时优先周期请求方向的具体相位,将控制方法分为绿灯优先通行控制及红灯优先通行控制控制策略用到的符合表达含义:tg r为消散周期剩余绿灯时间;tr r为消散周期剩余红灯时间;tg r为优先周期绿灯剩余时间;tg为应急车辆请求方向上的初始绿灯显示时间;tr为应急车辆请求方向上的初始红灯显示时间;A为黄灯时间;th为缓冲时间 优先周期请求相位绿灯若应急车辆预计到达交叉口时刻,优先周期应急车辆请求方向信号为绿灯,由于应急车辆进入上游交叉口出口道时刻请求方向信号灯状态不同,消散周期剩余绿灯时间也不相同,具体分为以下两种情况)消散周期请求相位为红灯当优先周期请求相位为绿灯且消散周期请求相位为红灯时,具体的控制策略如下第期罗倩,等:基于车道级导航的应急车辆信号优先控制研究图应急车辆优先策略流程示意a)判断排队车辆能否完全消散当前排队车辆完全消散的判断条件:应急车辆预计到达交叉口停车线时刻前的有效绿灯时间大于应急车道当前排队车辆Q的消散时间,即tptr rlt()Q/(n sq)()当前及消散周期剩余红灯时间产生的累计排队车辆完全消散的判断条件:应急车辆预计到达交叉口停车线时刻前的有效绿灯时间大于当前以及消散周期剩余红灯时间产生的累计排队车辆Q的消散时间,即tptr rlt()Qq(tr rlt)/n()(QQ)/(n sq)()b)根据车流消散情况制定相应信号调整方案若车流状态满足式():不做相位调整若车流状态不满足式()但满足式():可变标志牌显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态若车流状态同时不满足式()式():可变标志牌显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;消散周期红灯时间提前tr(tr(tptr rlt)早断;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态)消散周期请求相位为绿灯当优先周期请求相位为绿灯且消散周期请求相位为绿灯时,具体的控制策略如下a)判断排队车辆能否完全消散当前排队车辆在消散周期完全消散的判断条件:消散周期的剩余有效绿灯时间大于应急车道当前排队车辆的消散时间,即tg rAlt()当前排队车辆在应急车辆到达前完全消散的判断条件消散周期的剩余有效绿灯时间加上应急车辆预计到达交叉口停车线时刻前的优先周期有效绿灯时间大于应急车道当前排队车辆的消散时间,即tptrlt()消散周期红灯时间产生的排队车辆完全消散的判断条件应急车辆预计到达交叉口停车线时刻前的优先周期有效绿灯时间小于初始红灯时间产生的排队车辆Q的消散时间,即tptg rtrlt()Qq(trlt)/n()Q/(n sq)()b)根据车流消散情况制定相应信号调整方案若车流状态同时满足式()、式():不做相位调整若车流状态满足式()但不满足式():可变标志牌在消散周期红灯时间显示T后显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态其中T为消散时间为应急车辆预计到达交叉口停车线时刻前的优先周期有效绿灯时间的累积最大排队长度需要的红灯显示时间,具体为T n(tptg rtrlt)(n sq)/qlt()武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷若车流状态满足式()但不满足式():可变标志牌显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态若车流状态不满足式():可变标志牌显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;消散周期红灯时间提前tr(tr(tptrlt)时间早断;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态 优先周期请求相位为红灯初期若应急车辆预计到达交叉口时刻,优先周期应急车辆请求方向信号为红灯初期,采取延长优先周期绿时间的方式保障应急车辆优先通行,绿灯延长时间tg的值为tptg rtrlt由于应急车辆进入上游交叉口出口道时刻请求方向信号灯状态不同,消散周期剩余绿灯时间也不相同,具体分为以下两种情况)消散周期请求相位为红灯当优先周期请求相位为绿灯且消散周期请求相位为红灯时,具体的控制策略如下a)判断排队车辆能否完全消散当前排队车辆完全消散的判断条件:应急车辆请求方向上的有效绿灯时间大于应急车道当前排队车辆的消散时间,即tgAlt()当前以及消散周期剩余红灯时间产生的累计排队车辆完全消散的判断条件:应急车辆请求方向上的有效绿灯时间大于当前以及消散周期剩余红灯时间产生的累计排队车辆的消散时间,即:tgAlt()b)根据车流消散情况,制定相应信号调整若车流状态满足式():可变标志牌在优先周期黄灯初始时刻显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态若车流状态不满足()但满足式():可变标志牌在当即时刻显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态)消散周期请求相位为绿灯当优先周期请求相位为红灯初期且消散周期请求相位为绿灯时,具体的控制策略如下a)判断排队车辆能否完全消散当前排队车辆在消散周期完全消散的判断条件:式()当前排队车辆在应急车辆到达前完全消散的判断条件:消散周期的剩余有效绿灯时间加上应急车辆请求方向上的初始有效绿灯时间大于应急车道当前排队车辆的消散时间,即tgtr rlt()消散周期红灯时间产生的排队车辆完全消散的判断条件:应急车辆请求方向上的初始有效绿灯时间小于消散周期红灯时间产生的排队车辆的消散时间,即:tgAlt()b)根据车流消散情况,制定相应信号调整若车流状态同时满足式()、式():可变标志牌在优先周期黄灯初始时刻显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态若车流状态满足式()但不满足():可变标志牌在消散周期红灯时间显示T后显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态若车流状态不满足式()但满足式():可变标志牌在当即时刻显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态若车流状态同时不满足式()、式():可变标志牌在当即时刻显示应急车道位置,提示社会车辆绕行;经过缓冲时间th后,应急车道预信号显示红灯;消散周期红灯时间提前tr(tr(tgtr rlt)时间早断;应急车辆通过可变标志后,应急车道预信号转为绿灯,可变标志牌恢复原始状态 优先周期请求相位为红灯中期若应急车辆预计到达交叉口时刻,优先周期应急车辆请求方向信号为红灯中期,采取车速引导的方式引导应急车辆提速行驶至红灯初期范围,此时应急车辆理想行程时间应按照提速后的速度计算,其余具体控制策略与优先周期请求相位为红灯初期时相同因为主干道的设计速度一般为 k m/h,因此车速变化的最大值vm a x的值为 v,若到达红灯初期所需要的车速变化值第期罗倩,等:基于车道级导航的应急车辆信号优先控制研究超过vm a x,则判断车辆预计到达交叉口的时间为红灯末期 优先周期请求相位为红灯末期若应急车辆预计到达交叉口时刻,优先周期应急车辆请求方向信号为红灯末期,采取早断优先周期红灯时间的方式保障应急车辆优先通行,红灯早断时间tr 的值为tptg rtrlt具体控制策略与优先周期请求相位为红灯初期时相同仿真实验与对比分析 仿真实验在V I S S I M仿真环境下搭建双向八车道的交叉口模型,交叉口渠化及初始相位情况见图由于V I S S I M无法获取车辆实时定位数据,利用检测器 检 测 应 急 车 辆 位 置,并 使 用p y t h o n调 用V I S S I M的C OM模型库,编写车辆的路径变更、车速引导等算法,在V I S S I M中实现应急车辆的车道级导航图实验交叉口交叉口渠化及初始相位情况 方案对比假设应急车辆从西进口道进入交叉口且将在交叉口直行,应急车辆的期望速度设定为 k m/h论文模拟了西进口直行车道不同饱和度时的场景,对比分析了车道级优先控制策略与传统优先控制策略、定周期优先控制策略这三种情况下西进口直行车道的排队长度,应急车辆的行程时间等评价参数传统优先控制策略不考虑优先方向车道的排队长度也不对应急车辆车速引导,对应急车辆采取绿灯延长的优先措施,直至通过交叉口;定周期优先控制策略采用实验交叉口初始信号方案,不采取优先控制策略由于车道级优先控制策略从应急车辆驶入上游交叉口就开始制定,因此取应急车辆从上游交叉口出口道至实验交叉口出口道的行程时间作为评价指标图为西进口直行车道不同饱和度下的应急车辆行程时间由图可知:饱和度较小时,三种方案的行程时间相差不大随着饱和度的增大,车道级优先控制方案的行程时间仅有一点增幅;传统优先控制方案的行程时间稳定增长;初始定周期方案的行程时间增幅不断变大图不同饱和度下的应急车辆行程时间应急车辆停车次数反映的是应急车辆的红灯延误以及它与社会车辆的冲突图为西进口直行车道不同饱和度下的应急车辆停车次数由图可知:车道级优先控制方案的停车次数均为,说明提前清空应急车辆专用道与信号调整使得应急车辆不会产生红灯延误,也不会与其他社会车辆产生冲突;传统优先控制策略的停车次数随着饱和度增高稳步提升,由于传统优先控制策略是延长绿灯,应急车辆抵达交叉口时不会遇到红灯,因此数据反映的是随着饱和度增长,应急车辆与社会车辆冲突在增加,应急车辆会因加入社会车辆排队队列而产生停车;初始定周期控制策略的停车次数增幅最为明显,随着饱和度增大,停车次数迅速增高,说明该方案让应急车辆既产生了红灯延误又与社会车辆存在严重冲突交叉口实际路口流量数据仿真统计结果见表图不同饱和度下的应急车辆停车次数表仿真结果统计评价指标车道级导航优先控制传统优先控制定周期控制应急车辆平均行程时间/s 应急车辆平均行驶速度/(k mh)应急车辆每小时停车次数 由表可知:车道级导航优先控制策略相比于传统优先通行控制策略与定周期控制策略平均行程时间分别减少了 、,每小时停车次数分别减少了次、次,三种方案的应急武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷车辆平均行驶速度与期望速度相差了、综上所述,车道级导航优先通行控制策略相比传统优先控制策略能使应急车辆更加快速地通过交叉口结 束 语文中针对应急车辆在交叉口通行问题,提出了“车道级优先控制”的概念,构建了车道级应急车辆优先协调控制系统,将车道级导航与信号优先控制结合,选定应急车道并提前清空,实现应急车辆在交叉口的时空优先控制,并根据应急车辆进入上游交叉口时刻、预计到达交叉口停车线时刻以及当前交叉口车流状态制定交叉口信号控制方案针对应急车道优先方向车道不同饱和度下的车道级导航优先控制策略、传统优先控制策略、定周期控制策略三种方案进行效果对比,结果表明:车道级优先控制策略明显优于其他两种控制策略,提高了应急车辆的通行效率参 考 文 献B A CHE L D E RA,F O S T E R CS y s t e m W o u l dP r e d i c t i v e l yP r e e m p tT r a f f i cL i g h t s f o rE m e r g e n c yV e h i c l e sR/O L h t t p:/w ww n a s a t e c h c o m/b r i e f s/o c t /n p o h t m l T I T OUNAF,B E N F E RHA TS Q u a l i t a t i v ef u s i o n B a s e dT r a f f i cS i g n a lP r e e m p t i o nC t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nI n f o r m a t i o n F u s i o n,N e wY o r k,马超,崔建勋基于多智能体的多应急车辆信号优先控制研究J交通运输系统工程与信息,():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武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():,刘翔,李艾,成卫基于深度强化学习的多应急车辆信号优先控制J武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():唐嘉佳,袁静车路协同环境下应急车辆信号优先策略研究 C第 十 四 届 中 国 智 能 交 通 年 会,上 海,谢秉磊,胡正,赵航交叉口应急车辆信号优先控制的两阶段模型J系统工程学报,():仲跻炜,陈大吾,朱峰基于北斗高精度定位和车道级高精度地图的车辆监控平台设计与实现J全球定位系统,():郭晶,王正伟,祁俊锋基于北斗高精度定位的车道级导航系统J测绘通报,():R e s e a r c ho nS i g n a lP r i o r i t yC o n t r o l f o rE m e r g e n c yV e h i c l eB a s e do nL a n e l e v e lN a v i g a t i o nL U OQ i a n)Z H A OX i n,)C H E NX i)Z H A N GS a i)(S c h o o l o fT r a n s p o r t a t i o na n dL o g i s t i c sE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)(R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tC e n t e ro fT r a n s p o r t I n d u s t r yo fS a t e l l i t eT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do n t h e l a n e l e v e l n a v i g a t i o ns y s t e m,ap r i o r i t yc o o r d i n a t e dc o n t r o l s y s t e mf o r l a n e l e v e le m e r g e n c yv e h i c l e sw a s c o n s t r u c t e d B yu s i n g t h e c o o r d i n a t i o no f p r e s i g n a l a n dm a i ns i g n a l,ap r i o r i t ys i g n a l c o n t r o lm e t h o df o re m e r g e n c yv e h i c l e sa t l a r g e i n t e r s e c t i o n sw a sp r o p o s e d T h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tb yu s i n gV I S S I M,a n dt h ea c t u a lo p e r a t i o nd a t ao fe m e r g e n c yv e h i c l e sp a s s i n gt h r o u g h i n t e r s e c t i o n su n d e r d i f f e r e n t s i g n a l c o n t r o lm e t h o d sw e r e c o m p a r e da n da n a l y z e d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep r i o r i t yc o n t r o l o f e m e r g e n c yv e h i c l es i g n a l su n d e r l a n e l e v e l n a v i g a t i o nc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e t r a f f i ce f f i c i e n c yo f e m e r g e n c yv e h i c l e sa t i n t e r s e c t i o n s K e yw o r d s:e m e r g e n c yv e h i c l e;l a n e l e v e ln a v i g a t i o n;c o n t r o l s t r a t e g y;t r a f f i cs i m u l a t i o n第期罗倩,等:基于车道级导航的应急车辆信号优先控制研究