CN102110372A - 基于两阶段优化过程的交叉口应急车辆信号优先控制方法 - Google Patents

Abstract

基于两阶段优化过程的交叉口应急车辆信号优先控制方法，本发明涉及一种道路交叉口应急车辆信号优先控制方法。解决了现有技术的条件优先控制方法不能让应急车辆具有绝对优先权通过的缺陷。用于交通控制。当应急车辆请求优先通过交叉口时，首先检测到应急车辆的存在，将这些信息发送给智能信号控制器子系统，根据收到的应急车辆信息以及来自不同进口方向各车道排队车辆信息，计算出应急车辆从检测位置到达交叉口的时间以及应急车辆进口方向上排队车辆的消散时间，进而计算出给其它进口方向的绿灯时间大小；根据当前交叉口的信号状态对应急车辆提供信号优先权，提前或延迟绿灯时间，同时减低其它车辆的延误时间。

Description

基于两阶段优化过程的交叉口应急车辆信号优先控制方法

技术领域

本发明涉及一种道路交叉口应急车辆信号优先控制方法。

背景技术

城市灾难或突发事件发生后，应急救援车辆在运输救援物资、抢救灾民生命和降低财产损失方面起到至关重要的作用。但应急救援车辆在响应过程中，经常遇到道路堵塞等问题，致使应急车辆不能及时到达事发点。实施交叉口应急救援车辆信号优先，可有效地降低应急车辆救援响应时间，以及降低应急车辆通过交叉口时发生碰撞的危险性，由此提高应急车辆救援效率与及时性。

从国内外的研究成果看，城市公交车辆信号优先的研究较深入。如果将其直接用于应急车辆的信号优先处理，存在的问题是：公交信号优先方法并不完全适用于应急车辆信号优先。在公交信号优先的研究中，使用公交专用道和交叉口信号优先相结合的控制方法，但所研究的公交优先都是“条件优先”，即给公交车辆更大的权重，以使在信号配时优化中给公交车辆的进口方向更多的绿灯时间，通过延长绿灯时间、提前亮绿灯、相位转换等使公交车辆在交叉口能够有条件的优先通行。但还没有研究信号控制交叉口的公交优先通行的“绝对优先”问题，这是由于公交优先的级别较低的缘故，而应急车辆信号优先应该是“绝对优先”，这在交叉口信号优化配时中不能仅仅给应急车辆设置一个比较大的权重来实现绿灯延长等操作，这需要设置强制信号转化来允许应急车辆优先通行，因此不能简单的把公交车辆优先技术应用到应急车辆优先中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于两阶段优化过程的交叉口应急车辆信号优先控制方法，以解决现有技术的条件优先控制方法不能让应急车辆具有绝对优先权通过的缺陷。本发明基于交叉口的应急车辆信号优先系统实现，所述交叉口的应急车辆信号优先系统包括包括车辆检测器子系统1、应急车辆检测与定位器子系统2、智能信号控制器子系统3和通信子系统4；

车辆检测器子系统1：完成对所有车辆的流量检测；

应急车辆检测与定位器子系统2：应急车辆上装载车载单元，定位器安装在道路交叉口附件的道路两侧，与交叉口相隔一定距离，根据这个距离为依据判断应急车辆到达交叉口的时刻；

智能信号控制器子系统3：根据应急车辆检测与定位器子系统2检测到的应急车辆的位置和到达交叉口的时刻，以及各进口车道的排队车辆数和信号灯的相位状态，决策出下一时刻的信号状态；

通信子系统4：实现车辆检测子系统与智能信号控制器子系统3之间通信；应急车辆检测与定位器子系统2与智能信号控制器子系统3之间的通信；智能信号控制器子系统3内部信号控制器与信号显示器之间的通信；以及相邻交叉口的应急车辆信号优先系统之间的通信；

本发明的方法包括下述步骤：

步骤一、根据交叉口的形式以及交通状况，确定应急车辆检测与定位器子系统2中的定位器与交叉口之间的距离；

步骤二、当应急车辆请求优先通过交叉口时，应急车辆检测与定位器子系统2首先检测到应急车辆的存在，将这些信息发送给智能信号控制器子系统3，同时车辆检测器子系统1也将检测到的车辆信息发送给智能信号控制器子系统3；智能信号控制器子系统3根据收到的应急车辆信息以及不断接收到的来自不同进口方向各车道排队车辆信息，计算出应急车辆从检测位置到达交叉口的时间以及应急车辆进口方向上排队车辆的消散时间，进而计算出给其它进口方向的绿灯时间大小；

步骤三、智能信号控制器子系统3根据当前交叉口的信号状态对应急车辆提供信号优先权，提前或延迟绿灯时间，保证应急车辆安全无延误的通过信号交叉口，同时减低其它车辆的延误时间；

步骤四、应急车辆通过交叉口后，智能信号控制器子系统3根据各个进口方向的排队车辆数信息，对信号进行优化，保证交叉口状况在最短时间内恢复到正常水平；

步骤五、交通信号控制转入正常信号状态。

通过在平面信号交叉口实施该应急信号优先控制方法，能够使应急车辆在最短时间内安全地到达救援地点，且对交叉口的影响最小，有助于保障应急车辆响应速度和降低对社会车辆正常出行造成的不利影响。本发明解决了现有技术的条件优先控制方法不能让应急车辆具有绝对优先权通过的缺陷。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是实施方式二和三的结构示意图，图3是实施方式四中交叉口区域的车辆行驶的过程示意图，图4是实施方式四中交叉口应急车辆信号优先各阶段示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式基于交叉口的应急车辆信号优先系统实现，所述交叉口的应急车辆信号优先系统包括车辆检测器子系统1、应急车辆检测与定位器子系统2、智能信号控制器子系统3和通信子系统4。

车辆检测器子系统1：完成对所有车辆的流量检测；车辆检测器子系统1能完成所有社会车辆的流量的检测，目前已经投入使用的车辆检测器有很多种，包括磁感应检测器，波频车辆检测器，视频检测器等。以上三种车辆检测中，其中以环形线圈车辆检测方法技术最成熟，应用最广泛，成本最低，完全能够满足所有车辆流量信息的要求。因此，在交叉口应急车辆信号优先系统中，采用环形线圈车辆检测器来完成对所有车辆的流量检测。

在交叉口应急车辆信号优先系统中，由于需要计算交叉口各个进口道上排队等待的车辆数，必须在每个进口道上设置两个环形线圈检测器，一个位于停车线处，用于检测通过停车线的车辆，上游检测器设在停车线前，具体距离将在后面讨论，用于检测进入交叉口区域的车辆。

在不同时刻，交叉口各进口道上的排队车辆数可以根据两个感应线圈检测值计算得到，当上游感应线圈检测到一辆车时，排队车辆数增加一个；当停车线感应线圈检测到一车辆时，排队车辆数则减少一个。计算得到的各进口道的车辆排队数就可以作为控制器的输入信息，用于实时决策应急车辆信号优先的转换和恢复优化的计算。

应急车辆检测与定位器子系统2：应急车辆上装载车载单元，定位器安装在道路交叉口附件的道路两侧，与交叉口相隔一定距离，根据这个距离为依据判断应急车辆到达交叉口的时刻；

应急车辆检测的主要目的是找出应急车辆所在的特定位置，以此为依据判断应急车辆到达交叉口的时刻，交叉口应急车辆信号优先系统控制信号，消散应急车辆行驶方向的前方车辆，使应急安全无延误的通过信号交叉口。

在综合比较无线检测系统、鸣笛检测系统与红外检测系统基础上，采用红外检测系统。但检测器位置不是安装在信号灯灯杆上，而是安装道路边上，具体距停车线的距离将在后面讨论。因此，只需在所需获取数据的位置安装探测设备，当车辆行驶到该位置时，探测设备即可探测到车辆的位置和经过的时间；在理论上不存在时间和位置误差。应急车辆上装载车载单元，实现应急车辆和红外灯塔的通信，红外灯塔检测到应急车辆，将信号传输给智能信号控制器，信号控制器视交叉口信号相位的具体情况实施应急车辆信号优先策略。

智能信号控制器子系统3：根据应急车辆检测与定位器子系统2检测到的应急车辆的位置和到达交叉口的时刻，以及各进口车道的排队车辆数和信号灯的相位状态，决策出下一时刻的信号状态；或者改变相位，或者延长当前绿灯时间，控制器将智能决策以信号灯的形式最终输出。

通信子系统4：实现车辆检测子系统与智能信号控制器子系统3之间通信；应急车辆检测与定位器子系统2与智能信号控制器子系统3之间的通信；智能信号控制器子系统3内部信号控制器与信号显示器之间的通信；以及相邻交叉口的应急车辆信号优先系统之间的通信；

本发明设计单个交叉口的应急车辆信号优先系统采用有线的方式，相邻交叉口之间的应急车辆信号优先系统采用无线通信方式，以保证在必要情况下实现相邻交叉口之间的应急车辆信号优先协调控制。

车辆检测子系统与信号控制器之间采用单向有线通信，车辆检测之系统向信号控制器发送检测到的车辆信息，包括车流量、占有率等。

应急车辆检测子系统与信号控制器之间也是单向有线通信，当路边灯塔检测到应急车辆车载系统发出的信号后，应急车辆检测子系统向信号控制器传递检测到的车辆信息，信息包括：应急车辆的种类(如警车、救护车、工程抢险车、应急物资调度车辆等)、车牌号、行驶速度等。

信号控制器与信号显示器之间采用单向有线通信方式，信号控制器根据当前的信号状态，对来自应急车辆检测系统、车辆检测系统、以及相邻交叉口的应急车辆优先系统的信息进行决策，判断结果传给信号显示器。

相邻交叉口的应急车辆信号优先系统之间采用无线双向通信，相邻交叉口之间的距离小于应急车辆检测器安装距离时，相邻交叉口的应急车辆信号优先系统采用协调控制，系统向相邻交叉口的应急车辆信号优先系统发出请求，进行有线系统之间的协调。

本发明的方法包括下述步骤：

步骤一、根据交叉口的形式以及交通状况，确定应急车辆检测与定位器子系统2的定位器与交叉口之间的距离；

步骤二、当应急车辆请求优先通过交叉口时，应急车辆检测与定位器子系统2首先检测到应急车辆的存在，将这些信息发送给智能信号控制器子系统3，同时车辆检测器子系统1也将检测到的车辆信息发送给智能信号控制器子系统3；智能信号控制器子系统3根据收到的应急车辆信息以及不断接收到的来自不同进口方向各车道排队车辆信息，计算出应急车辆从检测位置到达交叉口的时间以及应急车辆进口方向上排队车辆的消散时间，进而计算出给其它进口方向的绿灯时间大小；

步骤三、智能信号控制器子系统3根据当前交叉口的信号状态对应急车辆提供信号优先权，提前或延迟绿灯时间，保证应急车辆安全无延误的通过信号交叉口，同时减低其它车辆的延误时间；

从交叉口正常信号到应急车辆信号优先的转换阶段，目标是使应急车辆安全无延误地通过交叉口且使应急车辆对其它车辆的影响最小；

步骤四、应急车辆通过交叉口后，智能信号控制器子系统3根据各个进口方向的排队车辆数信息，对信号进行优化，保证交叉口状况在最短时间内恢复到正常水平；从应急车辆优先信号到交叉口正常信号的恢复阶段，目标是最短时间内恢复交叉口正常信号且各个进口的车辆排队长度最小。

步骤五、交通信号控制转入正常信号状态。

具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：智能信号控制器子系统3由智能决策模块3-1和信号输出模块3-2组成，智能决策模块3-1的信号输出端连接信号输出模块3-2的输入端；

智能决策模块3-1依据接收到的信息，计算应急车辆到达交叉口的时刻，以及应急车辆进口方向的其它车辆的消散时间，根据交叉口的信号相位状况判定是否有给其它相位绿灯的可能性及绿灯时间大小；应急车辆通过交叉口后，智能决策模块3-1依据各个进口方向的排队车辆，优化信号配时，使交叉口在最短时间内恢复到正常水平的运行状态；

智能决策模块3-1接收到的信息有：各进口道的车辆排队信息，应急车辆的到达时刻与行驶方向；输出的是动态更新的相位信号状态。

具体实施方式三：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是：智能决策模块3-1包括正常信号控制控制模块3-1-1、应急车辆信号优先模块3-1-2、应急信号优先转换模型3-1-3和应急信号优先恢复模型3-1-4，正常信号控制控制模块3-1-1的一个信号输出端连接应急车辆信号优先模块3-1-2的信号输入端，应急车辆信号优先模块3-1-2的信号输出端分别连接应急信号优先转换模型3-1-3和应急信号优先恢复模型3-1-4的信号输入端，应急信号优先转换模型3-1-3和应急信号优先恢复模型3-1-4的信号输出端连接正常信号控制控制模块3-1-1的信号输入端，正常信号控制控制模块3-1-1的另一个信号输出端连接信号输出模块3-2的输入端。正常信号控制控制模块3-1-1接收各进口道的车辆排队信息，应急车辆的到达时刻与行驶方向和当前信号相位状态。

具体实施方式四：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：智能信号控制器子系统3中应急车辆信号优先转换与控制优化的具体过程是：

(一)车辆检测器子系统1与交叉口距离的确定。通过分析路段以及交叉口区域的车辆运行特点，根据车辆距交叉口的距离，把应急车辆通行方向前方的社会车辆分为以下三种情况：

a)交叉口排队等待通行车辆，此类车辆必须在应急车辆到达交叉口停车线之前消散；

b)减速进入排队的车辆，此类车辆也必须在应急车辆到达交叉口停车线之前消散；

c)正常行驶车辆，此类车辆可以通过变换车道以及路边停靠等方式给应急车辆让行；

车辆检测器子系统1距交叉口停车线的距离可以设定为：

L_VT＝L_QS+L_QM    (1)

式中L_VT——车辆检测器子系统1距交叉口停车线的距离；

L_QS——高峰交通状况下车辆排队长度；

L_QM——高峰交通状况下减速行驶中的车辆的减速行驶距离；

假设应急车辆行驶方向上的进入检测范围内的车辆必须进行消散，以保证应急车辆安全顺利地通过交叉口。在实际应用情况下，减速行驶中的车辆的减速行驶距离很难测得，车辆检测器距停车线的距离可用高峰交通状况下车辆排队长度的均值与其两倍标准差之和代替。

(二)应急车辆检测与定位器子系统2的定位器与交叉口距离的确定。应急车辆检测器距离的设定要保证应急车辆信号优先系统可以在应急车辆到达交叉口停车线之前有足够的时间消散交叉口的排队车辆，因此必须提供一个合适的应急车辆检测位置来获得提前通信时间。通过以下步骤计算应急车辆检测位置：

a)获取交叉口的运行参数，如应急车辆速度、车辆平均速度、车辆消散速度、车辆

启动延误、安全时距、正常信号配时等；

b)计算应急车辆从检测器位置到交叉口停车线的理想行程时间；

c)获取应急车辆进口方向的车辆排队长度，为了确保应急车辆可以通过交叉口，以高峰交通状况下平均车辆排队长度与其两倍标准差之和计算；

d)计算排队车辆消散时间；

e)计算转换时间；

f)计算最后消散的车辆与应急车辆之间的安全时间间隔；

(三)交叉口应急车辆信号优先第一阶段实时转换过程。

此阶段的优先实时转换模型需通过以下过程来实现：

a)确定应急车辆从检测位置到交叉口的实际行程时间；

b)计算应急车辆行驶方向的实际排队车辆的消散时间；

c)计算转换时间，即绿灯从应急车辆行驶的相位转换到其它相位的时间(检测到应急车辆时其它进口方向非绿灯)，以及从其它相位转换回来的时间；

d)最后消散的车辆与应急车辆之间保持一个安全时间间隔t_sti。

根据以上步骤以及实时优化的原理，可计算出其它进口方向可能获得的绿灯时间，其公式如下：

t_green″＝t′_EV-(t_swit+t′_clear+t_sti)    (2)

t′_EV＝L/S′_EV                           (3)

t′_clear＝t_startup+(L′_QS+L′_QM)/S_dis    (4)

式中t_green″——其它相位可能获得的绿灯显示时间；

t_swit——相位转换损失时间；

t′_clear——检测到应急车辆时应急车辆行驶方向上的实际排队车辆的实际消散时间；

t′_EV——应急车辆从应急车辆检测位置到停车线的实际行程时间；

S′_EV——应急车辆检测器检测到的应急车辆实际运行速度；

L_QS——检测到应急车辆时应急车辆行驶方向上的实际车辆排队长度；

L_QM——检测到应急车辆时应急车辆行驶方向上的减速行驶中的车辆的减速行驶距离

当信号控制器收到应急车辆信号优先请求时，需计算是否有可能转换或延长其它相位的绿灯显示时间。假定应急车辆进入交叉口的方向为东进口左转，以下内容将在上节讨论的基础上仍以十字型四相位交叉口为例进行讨论：

a)应急车辆行驶方向为绿灯信号

信号转换需经过以下过程来服务交叉口的其它相位。当应急车辆行驶方向的绿灯显示时间小于最小显示绿灯时间时，应急车辆行驶方向一直亮绿灯，直到最小绿灯显示时间，然后经过黄灯、全红灯后给其它相位显示绿灯、黄灯、全红灯，最后再转换回来给应急车辆行驶方向显示绿灯，保证应急车辆正常通行。当应急车辆行驶方向的绿灯显示时间大于最小显示绿灯时间时，可以直接经过黄灯、全红灯后给其它相位显示绿灯、黄灯、全红灯，最后再转换回来给应急车辆行驶方向显示绿灯，保证应急车辆正常通行。

应急车辆行驶方向的绿灯已显示时间小于最小显示绿灯时间

假定此时相交路口南北方向左转相位可获得绿灯时间，则其可能得到的绿灯时间为：

t_green3″＝t′_EV-(T′_green1-t′_green1+T_yellow1+T_allred1+T_yellow3+T_allred3+t′_clear+t_sti)  (5)

式中t_green3″——相交路口左转相位可能获得的绿灯显示时间；

T′_green1——应急车辆行驶方向绿灯最小显示时间；

t′_green1——应急车辆行驶方向绿灯已显示时间

应急车辆行驶方向的绿灯已显示时间大于最小显示绿灯时间

t_green3″＝t′_EV-(T_yellow1+T_allred1+T_yellow3+T_allred3+t′_clear+t_sti)             (6)

以上两式得出的相交路口左转绿灯显示时间t_green3″都需要和最小绿灯时间T′_green3比较，只有当T′_green3≤t_green3″时才实行相位转换，否则不执行相位转换，应急车辆行驶方向一直亮绿灯。

b)应急车辆行驶方向为黄灯信号

应急车辆行驶方向继续亮黄灯、全红灯后给其它相位显示绿灯、黄灯、全红灯，最后再转换回来给应急车辆行驶方向显示绿灯，保证应急车辆正常通行。假定此时相交路口南北方向左转相位可获得绿灯时间，则其可能得到的绿灯时间为：

t_green3″＝t′_EV-(T_yellow1-t′_yellow1+T_allred1+T_yellow3+T_allred3+t′_clear+t_sti)  (7)

式中t′_yellow——应急车辆行驶方向上黄灯已显示时间

当最小绿灯显示时间T′_green3≤t_green3″时，实行相位转换，否则不执行相位转换，应急车辆行驶方向黄灯和全红灯过后就直接显示绿灯，给应急车辆优先通行。

c)应急车辆行驶方向为红灯信号

相交路口通行相位显示红灯

根据上一节的分析，此时应急车辆行驶方向的红灯可能处于刚刚开始或是其它相位红灯处于刚刚开始。当应急车辆行驶方向红灯为刚刚开始时，即t_red1≤T_allred1，应急车辆行驶方向继续亮红灯，其它相位显示绿灯、黄灯、全红灯，最后再转换回来给应急车辆行驶方向显示绿灯，保证应急车辆正常通行。假定此时相交路口南北方向左转相位可获得绿灯时间，则其可能得到的绿灯时间为：

t_green3″＝t′_EV-(T_allred1-t_red1+T_yellow3+T_allred3+t′_clear+t_sti)    (8)

当最小绿灯显示时间T′_green3≤t_green3″时，实行相位转换，否则不执行相位转换，应急车辆行驶方向的红灯(全红灯)过后就开始亮绿灯，其它相位继续亮红灯，给应急车辆优先通行。

当应急车辆行驶方向红灯已显示一段时间时，即t_red1＞T_allred1，相交路口通行相位红灯刚刚开始。此时，此相位可直接转换成绿灯，让车辆通行，然后进行黄灯、全红灯转换，给应急车辆通行。假定此时相交路口南北方向左转相位可获得绿灯时间，则其可能得到的绿灯时间为：

t_green3″＝t′_EV-(T_yellow3+T_allred3+t′_clear+t_sti)                   (9)

当最小绿灯显示时间T′_green3≤t_green3″时，实行相位转换，否则不执行相位转换，应急车辆行驶方向的红灯结束后就开始亮绿灯，其它相位继续亮红灯，给应急车辆优先通行。

相交路口通行相位显示黄灯

此时，相交路口通行相位可能还有车辆在交叉口范围内，可经过黄灯、全红灯、绿灯、黄灯、全红灯，给此相位或其它相位先获得通行权，减少应急车辆优先通行对交叉口的影响，然后给应急车辆通行。假定此时相交路口南北方向左转相位显示黄灯，则其可能得到的绿灯时间为：

t_green3″＝t′_EV-(2T_yellow3-t′_yellow3+T_allred3+t′_clear+t_sti)    (10)

当最小绿灯显示时间T′_green3≤t_green3″时，实行相位转换，否则不执行相位转换，相交路口通行相位的黄灯、全红灯结束后，给应急车辆优先通行。

相交路口通行相位显示绿灯

此时相交路口通行相位可继续亮绿灯，然后经过黄灯、全红灯信号转换给应急车辆优先通行，假定此时相交路口南北方向左转相位为绿灯，则其可能得到的绿灯时间为：

t_green3″＝t′_EV-(T_yellow3+T_allred3+t′_clear+t_sti)                (11)

若t′_green3+t_green3″＞T_green3且t′_green3+t_green3″-T_green3≥T′_green4+T_yellow4+T_allred4，可以继续给下一相位亮绿灯，然后应急车辆通行。如果上面的条件不成立，相交路口当前相位获得t_green3″后，转换给应急车辆通行。

(四)交叉口应急车辆信号优先第二阶段恢复优化过程

从应急车辆通过交叉口的时刻开始，到交叉口交通状态恢复到正常水平的时段，此段时间称为交叉口应急车辆信号优先恢复阶段。此阶段时间应该尽可能的短，此阶段结束时，交叉口的各个进口方向的车辆排队长度应该小于等于正常运行状态的排队长度，此后，即可恢复正常的信号控制措施，而应急车辆优先通行对交叉口的影响也可降到最低水平。此阶段的恢复优化基于以下两个假设：

a)应急车辆通过交叉口后，在应急车辆与后继车辆之间必须有一个安全时间t_sti；

b)在交叉口的下游没有发生交通拥堵现象，否则得在线控水平上实行优化。

应急车辆信号优先恢复优化阶段经过以下步骤实现：

a)某个信号周期开始时到应急车辆检测器检测到应急车辆时的时间间隔t₁；

b)计算检测器检测到应急车辆通过交叉口时，到假定信号仍按正常信号配时时的下一个周期开始时的时间间隔t_rem；

c)假设交叉口信号恢复优化时间t_rec；

d)建立优化模型，根据约束条件寻找最优恢复时间。

图4中C为正常运行条件下的信号周期，m、n表示信号周期的个数，根据图4可以得出如下关系：

t_rem＝C-(t₁+t_EV)％C     (12)

t_rec＝t_rem+n·C-t_sti    (13)

在t_rec时间内实现应急车辆信号优先恢复，需根据交叉口不同方向不同车道上的排队车辆的实时情况进行优化，各进口道不同车道的排队车辆随信号相位的关系可用如下公式描述：

$Q_{\mathrm{il}}^i\left(k\right)=\max \{0,Q_{\mathrm{jl}}^{i-1}+{\mathrm{AV}}_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)-{\mathrm{DV}}_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)\}---\left(14\right)$

i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4；l＝1，2；k＝1，2，K K

$Q_{\mathrm{jl}}^0\left(k\right)=Q_{\mathrm{jl}}^4(k-1)---\left(15\right)$

${\mathrm{AV}}_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)=q_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)\·g^i\left(k\right)---\left(16\right)$

${\mathrm{DV}}_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{jl}}^i\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{jl}}\·g^i\left(k\right)---\left(17\right)$

式中i——相位，最大相位数为4；

j——方向，取值1、2、3、4分别表示东、西、南、北方向；

l——车道，取值1、2分别表示左转、右转车道；

k——信号周期，其中K为最大信号周期数；

——第k个信号周期的相位i期间，j方向l车道上实际到达的车辆数；

——第k个信号周期相位i期间，j方向l车道上离开车辆数；

——第k个信号周期的相位i期间，j方向l车道上延误排队的车辆数；

——第k个信号周期的相位i期间，j方向l车道上车辆平均到达率(h/s)

gⁱ(k)——第k个信号周期中相位i的有效绿灯持续时间；

λ_jl——j方向l车道上的车辆通过交叉口进口到停车线时的饱和流率(h/s)

——表示j方向l车道在相位i时的放行状态，定义为：

式(14)表示第k个信号周期的第一相位开始时各车道上的延误排队车辆数等于第k-1个信号周期最后一个相位结束时各个车道上的延误排队车辆数，实现了信号周期k、k-1之间的耦合关系。

通过以上分析，交叉路口在第k信号周期结束时因信号变换未能通过路口而在各车道停车线后面产生的总延误排队车辆数可表示为：

$Q\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{jl}}^I\left(k\right),j=\mathrm{1,2,3,4};l=\mathrm{1,2};k=\mathrm{1,2},K,K---\left(19\right)$

即一个信号周期结束时，交叉口的总延误排队车辆数等于路口各方向、各车道上最后一个相位结束时延误排队车辆数之和。

由上式可知，K个信号周期内路口总延误排队车辆数可表示为：

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\max (0,Q_{\mathrm{jl}}^I(k-1)+\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}(q_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{jl}}^i\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{jl}})\·g^i\left(k\right)\}---\left(20\right)$

i＝1，2，K，I；j＝1，2，3，4；l＝1，2；k＝1，2，K，K

应急车辆信号优先恢复阶段需在K个周期内使排队车辆数最小化，且在第k个周期结束时，其排队车辆数小于正常运行时信号周期结束时的排队车辆数，以T_sun表示每个信号周期的损失时间，

表示正常信号状态下的每个周期平均排队长度。优化目标为最小化下列函数。

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\max (0,Q_{\mathrm{jl}}^I(k-1)+\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}(q_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{jl}}^i\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{jl}})\·g^i\left(k\right)\}---\left(21\right)$

s.t

$C\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{g}^i\left(k\right)+T_{\mathrm{sun}}---\left(22\right)$

C_min≤C(k)≤C_max    (23)

$g_{\min }^i\≤g^i\left(k\right)\≤g_{\max }^i---\left(24\right)$

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}C\left(k\right)=t_{\mathrm{rec}}=t_{\mathrm{rem}}+n\·C-t_{\mathrm{sti}}---\left(25\right)$

$Q\left(K\right)=\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{jl}}^I\left(K\right)\≤\stackrel{\‾}{Q}---\left(26\right)$

$Q_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)=\max \{0,Q_{\mathrm{jl}}^{i-1}+{\mathrm{AV}}_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)-{\mathrm{DV}}_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)\}---\left(27\right)$

${\mathrm{AV}}_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)=q_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)\·g^i\left(k\right)---\left(28\right)$

${\mathrm{DV}}_{\mathrm{jl}}^i\left(k\right)={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{jl}}^i\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{jl}}\·g^i\left(k\right)---\left(29\right)$

$Q_{\mathrm{jl}}^0\left(k\right)=Q_{\mathrm{jl}}^{\left(4\right)}(k-1)---\left(30\right)$

以上优化中需给定一个初始值n，采用n→n+1的递增方式，在此条件下寻找合适的k值，最终寻找到最小n条件下的最优解。

Claims (4)

1.基于两阶段优化过程的交叉口应急车辆信号优先控制方法，其特征在于它基于交叉口的应急车辆信号优先系统实现，所述交叉口的应急车辆信号优先系统包括车辆检测器子系统(1)、应急车辆检测与定位器子系统(2)、智能信号控制器子系统(3)和通信子系统(4)；

车辆检测器子系统(1)：完成对所有车辆的流量检测；

应急车辆检测与定位器子系统(2)：应急车辆上装载车载单元，定位器安装在道路交叉口附件的道路两侧，与交叉口相隔一定距离，根据这个距离为依据判断应急车辆到达交叉口的时刻；

智能信号控制器子系统(3)：根据应急车辆检测与定位器子系统(2)检测到的应急车辆的位置和到达交叉口的时刻，以及各进口车道的排队车辆数和信号灯的相位状态，决策出下一时刻的信号状态；

通信子系统(4)：实现车辆检测子系统与智能信号控制器子系统(3)之间通信；应急车辆检测与定位器子系统(2)与智能信号控制器子系统(3)之间的通信；智能信号控制器子系统(3)内部信号控制器与信号显示器之间的通信；以及相邻交叉口的应急车辆信号优先系统之间的通信；

本方法包括下述步骤：

步骤一、根据交叉口的形式以及交通状况，确定应急车辆检测与定位器子系统(2)中的定位器与交叉口之间的距离；

步骤二、当应急车辆请求优先通过交叉口时，应急车辆检测与定位器子系统(2)首先检测到应急车辆的存在，将这些信息发送给智能信号控制器子系统(3)，同时车辆检测器子系统(1)也将检测到的车辆信息发送给智能信号控制器子系统(3)；智能信号控制器子系统(3)根据收到的应急车辆信息以及不断接收到的来自不同进口方向各车道排队车辆信息，计算出应急车辆从检测位置到达交叉口的时间以及应急车辆进口方向上排队车辆的消散时间，进而计算出给其它进口方向的绿灯时间大小；

步骤三、智能信号控制器子系统(3)根据当前交叉口的信号状态对应急车辆提供信号优先权，提前或延迟绿灯时间，保证应急车辆安全无延误的通过信号交叉口，同时减低其它车辆的延误时间；

步骤四、应急车辆通过交叉口后，智能信号控制器子系统(3)根据各个进口方向的排队车辆数信息，对信号进行优化，保证交叉口状况在最短时间内恢复到正常水平；

步骤五、交通信号控制转入正常信号状态。

2.根据权利要求1所述的基于两阶段优化过程的交叉口应急车辆信号优先控制方法，其特征在于智能信号控制器子系统(3)由智能决策模块(3-1)和信号输出模块(3-2)组成，智能决策模块(3-1)的信号输出端连接信号输出模块(3-2)的输入端；

智能决策模块(3-1)依据接收到的信息，计算应急车辆到达交叉口的时刻，以及应急车辆进口方向的其它车辆的消散时间，根据交叉口的信号相位状况判定是否有给其它相位绿灯的可能性及绿灯时间大小；应急车辆通过交叉口后，智能决策模块(3-1)依据各个进口方向的排队车辆，优化信号配时，使交叉口在最短时间内恢复到正常水平的运行状态；

智能决策模块(3-1)接收到的信息有：各进口道的车辆排队信息，应急车辆的到达时刻与行驶方向；输出的是动态更新的相位信号状态。

3.根据权利要求2所述的基于两阶段优化过程的交叉口应急车辆信号优先控制方法，其特征在于智能决策模块(3-1)包括正常信号控制控制模块(3-1-1)、应急车辆信号优先模块(3-1-2)、应急信号优先转换模型(3-1-3)和应急信号优先恢复模型(3-1-4)，正常信号控制控制模块(3-1-1)的一个信号输出端连接应急车辆信号优先模块(3-1-2)的信号输入端，应急车辆信号优先模块(3-1-2)的信号输出端分别连接应急信号优先转换模型(3-1-3)和应急信号优先恢复模型(3-1-4)的信号输入端，应急信号优先转换模型(3-1-3)和应急信号优先恢复模型(3-1-4)的信号输出端连接正常信号控制控制模块(3-1-1)的信号输入端，正常信号控制控制模块(3-1-1)的另一个信号输出端连接信号输出模块(3-2)的输入端。

4.根据权利要求1所述的基于两阶段优化过程的交叉口应急车辆信号优先控制方法，其特征在于智能信号控制器子系统(3)中应急车辆信号优先转换与控制优化的具体过程是：

(一)车辆检测器子系统(1)与交叉口距离的确定：车辆检测器子系统(1)距交叉口停车线的距离设定为：

L_VT＝L_QS+L_QM    (1)

式中L_VT——车辆检测器子系统(1)距交叉口停车线的距离；

L_QS——高峰交通状况下车辆排队长度；

L_QM——高峰交通状况下减速行驶中的车辆的减速行驶距离；

(二)应急车辆检测与定位器子系统(2)的定位器与交叉口距离的确定：

通过以下步骤计算应急车辆检测位置：

a)获取交叉口的运行参数，如应急车辆速度、车辆平均速度、车辆消散速度、车辆启动延误、安全时距、正常信号配时等；

b)计算应急车辆从检测器位置到交叉口停车线的理想行程时间；

c)获取应急车辆进口方向的车辆排队长度，为了确保应急车辆可以通过交叉口，以高峰交通状况下平均车辆排队长度与其两倍标准差之和计算；

d)计算排队车辆消散时间；

e)计算转换时间；

f)计算最后消散的车辆与应急车辆之间的安全时间间隔；

(三)交叉口应急车辆信号优先第一阶段实时转换过程：

a)确定应急车辆从检测位置到交叉口的实际行程时间；

b)计算应急车辆行驶方向的实际排队车辆的消散时间；

c)计算转换时间，即绿灯从应急车辆行驶的相位转换到其它相位的时间(检测到应急车辆时其它进口方向非绿灯)，以及从其它相位转换回来的时间；

d)最后消散的车辆与应急车辆之间保持一个安全时间间隔t_sti；

根据以上步骤以及实时优化的原理，可计算出其它进口方向可能获得的绿灯时间，其公式如下：

t_green″＝t′_EV-(t_swit+t′_clear+t_sti)    (2)

t′_EV＝L/S′_EV                           (3)

t′_clear＝t_startup+(L′_QS+L′_QM)/S_dis    (4)

式中t_green″——其它相位可能获得的绿灯显示时间；

t_swit——相位转换损失时间；

t′_clear——检测到应急车辆时应急车辆行驶方向上的实际排队车辆的实际消散时间；

t′_EV——应急车辆从应急车辆检测位置到停车线的实际行程时间；

S′_EV——应急车辆检测器检测到的应急车辆实际运行速度；

L_QS——检测到应急车辆时应急车辆行驶方向上的实际车辆排队长度；

L_QM——检测到应急车辆时应急车辆行驶方向上的减速行驶中的车辆的减速行驶距离；

(四)交叉口应急车辆信号优先第二阶段恢复优化过程：

从应急车辆通过交叉口的时刻开始，到交叉口交通状态恢复到正常水平的时段，此段时间称为交叉口应急车辆信号优先恢复阶段，经过以下步骤实现：

a)某个信号周期开始时到应急车辆检测器检测到应急车辆时的时间间隔t₁；

b)计算检测器检测到应急车辆通过交叉口时，到假定信号仍按正常信号配时时的下一个周期开始时的时间间隔t_rem；

c)假设交叉口信号恢复优化时间t_rec；

d)建立优化模型，根据约束条件寻找最优恢复时间。

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