石胜海 眭爱欣 刘建江 陈益威 谭丝月

西华大学 四川省成都市 610039

1 研究背景

车路信号灯协同技术随着通信技术的发展而不断改进，在提高道路通行效率、保障车辆安全行驶、实现交通节能减排以及提高用户驾驶体验等方面带来机遇。

国内外对特种车辆实现绿灯畅行和社会车辆绿波通行有众多研究。陈纪龙等通过一种用于应急情况下的交通信号灯改变装置，解决了紧急车辆通过道路交叉口时，独立控制信号灯处于红灯的问题；田芳等通过一种紧急车辆绿灯畅行系统，实现身份识别、转向信号传递以及独立控制信号灯信号的转变，但均需人工操作，较为不便。刘晨希等通过一种紧急车辆引导系统设计，为紧急车辆规划最佳路线，提高目标车辆到达目的地的效率，但没有讨论信号灯和道路拥堵等情况。荆彬彬等提出了适用于双周期的干道绿波信号协调控制模型，有效地减少了车辆的停车次数与平均延误时间。

本文从宏观切入，考虑信号灯主动配合特种车辆，在现有绿波研究上做出扩展，考虑次路的通行能力，协调区域车流分布，为驾驶员和行人推送信号灯信息，实现社会全局效率最优。

2 系统构成及工作流程

该系统由导航终端、中央控制处理中心、信号灯控制系统三部分组成。

图1 系统构成

导航终端为带有定位功能并搭载导航软件的设备，显示导航路径、前方路况、路口信号灯红灯倒计时等信息。中央控制处理中心按相关判定逻辑发出信号灯控制指令、计算社会车辆推荐车速。信号灯控制系统接收并实施中央控制处理中心的指令。

中央控制处理中心通过各道路的交通情况，建立数学模型，得出道路拥堵指数。

特种车辆出发时，系统规划距目的地路程最短的路径。中央控制处理中心综合该特种车辆运动情况、实时路况和信号灯的实时状态，对该路径实施动态的信号灯配时策略。此时特种车辆、中央控制处理中心、信号灯三者联动，信号灯根据中央控制处理中心提供的特种车辆实时状态做出相应的“应答”。

信号灯在特种车辆与路口仍有一段距离时变为绿灯，导航上显示行驶方向绿灯的倒计时，便于驾驶员根据实际情况行驶，确保特种车辆顺畅通过路口，实现一路绿灯畅行。

第一步：中央控制处理中心获知特种车辆起止点，并基于目前交通情况自动规划一条到达目的地的最优（时间最短或者距离最短）路径；

第二步：中央控制处理中心将最优路径中信号灯组加入到优化系统中；

第三步：导航终端实时将定位数据发给中央控制处理中心，中央控制处理中心通过判断车辆与前方信号灯实时位置和前方实时交通情况，优化信号灯的相位时间，实现直接直行或者转弯通过该交叉口；

第四步：中央控制处理中心重复第三步，直到目标特种车辆到达目的地;

第五步：在目标特种车辆到达目的地过程中，中央控制处理中心可以根据道路具体情况，调整路径，随时根据最新路径，调整纳入控制的信号灯组。

图2 工作流程

3 系统控制方式

3.1 单个特种车辆畅行

当特种车辆通过上一路口进入下一路段时，以道路实时拥堵指数和特种车辆的畅行速度预测特种车辆到达下一路口时行驶相位是否为红灯。

3.1.1 特种车辆行驶相位为红灯

若为红灯，且在特种车辆前方存在排队的社会车辆，则只有等待前方排队车辆全部散去，特种车辆才能通行，此时需比较疏散特种车辆前方的社会车辆所需时间与特种车辆的畅行时间：

式（1）中，为集结波与疏散波的相遇时间，为排队长度，为路段通行能力达到时的行车速度，为堵点解除后到车队消散前回升的通行能力。式（2）中，为特种车辆的畅行速度，即特种车辆的自由流车速，为车辆与下一路口的距离。

①=：理想条件下，即为特种车辆通过信号灯路口的最小时间，故在=时，存在理想临界状态，即社会车辆刚好疏通时特种车辆也随即通过信号灯，此时，特种车辆冲突相位绿灯变黄灯，黄灯闪烁后变红灯，特种车辆行驶相位红灯变绿灯。直至特种车辆通过，信号灯恢复正常。

②＞：理论上来说路口排队车辆可以在特种车辆还未到达路口时自行疏散，但无法保证特种车辆能无减速地通过信号灯路口。为了给司机充分的反应时间，在信号灯变化之前，会提示特种车辆行驶相位倒计时：

本系统假设黄灯时间为3秒，故冲突相位倒计时为（-3）秒，倒计时结束后，冲突相位的绿灯变为黄灯，黄灯闪烁后变红灯；特种车辆行驶相位倒计时即为，倒计时结束后，红灯变绿灯。直至特种车辆通过，信号灯恢复正常。

③＜：此时为严重交通拥堵，故在特种车辆刚进入路段时，冲突相位绿灯马上变黄灯，黄灯闪烁后变红灯，特种车辆行驶相位红灯变绿灯。直至特种车辆通过，信号灯恢复正常。

3.1.2 特种车辆行驶相位为绿灯

定义参数：车辆行驶相位绿灯剩余时间。

①＞：即在剩余绿灯时间内特种车辆能够安全且无须等待地穿过交叉口，不对信号控制做任何变化。

②＜：即在剩余绿灯时间内特种车辆无法通过交叉口。此时需要启动绿灯延长方案。理论上绿灯延长时间Δt可表示为：

故在特种车辆行驶相位延长绿灯时间，冲突相位延长红灯时间，倒计时显示延长时间。待特种车辆通过后，特种车辆行驶相位绿灯变为黄灯，黄灯闪烁后变红灯，此时冲突相位红灯变绿灯，信号灯恢复正常。

3.2 多个特种车辆畅行

3.2.1 同方向行驶的特种车队

基于单个特种车辆绿灯行驶机制下，对于同向行驶的特种车队，只需要确保在绿灯的状态下，特种车队的最后一辆车通过即可。

3.2.2 冲突方向行驶的特种车辆

为特种车辆进行路径规划时，尽量避免了同一时间出现冲突的可能。但一旦出现特种车辆行至路口发生冲突，双方信号灯都会呈现黄灯状态，相位冲突会对交通造成很大影响，此时应及时预警中央控制处理中心进行人工干预。

4 其他运用

本系统也适用于新手、有“路怒症”的驾驶员以及行人。

4.1 在社会车辆中的运用

系统可规划红灯最少路径和时间最短路径，导航终端显示下一路口实时倒计时、绿灯畅行速度范围及附近正在执行任务的特种车辆。

对于每条道路，中央控制处理中心通过由道路实时拥堵指数得出的路段平均车速，计算出通过该路段的时间：

式（5）中为起始地至目的地的路程；td为社会车辆等候绿灯时间。

系统同时考虑主干路与非主干路的通行能力，先用最短路算法得出条（＜10）路径，再加入信号灯因素，比较条路径的总时间，继而得出时间最短路径。

计算绿灯畅行速度范围需考虑该路段道路拥堵情况：

图3中，T为下一信号灯绿灯的第m个周期（与此刻间隔最短的绿灯周期视为第1周期）起始时刻；T为终止时刻；T为社会车辆以道路最高限速行驶X的时间。

图3 社会车辆畅行速度逻辑：左为道路畅通情况，右为道路拥堵情况

为防止效果退化，需长期优化该畅行速度范围。

4.2 在行人中的运用

行人打开导航可以知道附近所有信号灯的实时状态，随之加快或放慢步伐，做到“心中有数”；对于视障人士，系统可通过语音规划路径，并播报路口信号灯倒计时，做到安全出行。

5 结语

该系统设计在现有信号灯系统的基础上，将车、路、信号灯联动，提高了道路设施利用率，建立了更为智能化的交通体系。该系统设计不仅能使特种车辆安全快速地到达目的地，降低事故发生率。还能应用于社会车辆和行人，提高通行效率和车辆燃油经济性，缓解出行焦虑。