CN111968396A - 智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，一是应急救援车最优行驶路径的选择，全盘考量并权衡道路的长度、通行平均时间、应急救援车行驶速度对权重进行计算；二是应急救援车行驶路径的优化完善，当应急救援车行驶到交通路口时，为应急救援车施行机动车信号灯通行优先保障方案，保障其在交通路口的顺利通行，同时在应急救援车行驶过程中，其它车辆会采取相应避让措施，减少对应急救援车的影响，保障其道路通行优先权。本发明保证了应急救援车行驶的畅通，避免了由于交通堵塞而造成的延误，减少了应急救援车到达救援现场的时间，可以极大的减少由于救援不及时而造成的各种损失。

Description

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法

技术领域

本发明涉以及一种应急救援车行驶优化方法，特别涉及一种智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，属于应急救援车行驶方法技术领域。

背景技术

经济的高速发展和社会的快速进步，使人们的生活水平得到很大提高，机动车数量越来越多，在方便人们日常生活的出行的同时，也带来了严重的交通拥堵问题。在城市交通环境中，虽然应急救援车的出行拥有法律所赋予的优先通行权，但是在实际出行中，很难保障应急救援车的优先通行。

智能交通系统是一个将多种高新技术融合在一起，用于交通运输和管理的城市交通系统。它涉及到控制技术、信息技术、传感技术、通讯技术及计算机技术，将这些高新技术有效率的集成在一起，将传统的交通系统改造成一种智能化、信息化，具有准确性、实时性、高效率性的交通运输和管理系统。近几年来，智能车联网作为物联网的衍生物，越来越受到关注，同时，作为智能交通系统的构成部分，车联网技术也越来越多的被应用于城市道路交通管理中。应急救援车包括救护车、工程救险车、消防车等在内的执行救援应急任务的车辆，是重要的应急服务资源，应急救援车的特殊性要求它选择具有最优的路径，进而以最短时间和最小费用到达目的地施行救援服务。

城市交通拥堵日益严重，车辆数量越来越多，应急救援车的行驶也面临着许多问题：发生突发事故时，应急救援车如何迅速到达现场；如何选择最合适的行驶路线；给出救援路线后，如何保障这条路线成为绿色通道；事实上因交通拥堵而造成的应急救援车救援延误导致的悲剧事件屡屡发生，保障应急救援车的优先安全行驶是当前急需解决的问题。

现有技术针对应急救援车行驶保障的研发和应用主要集中在以下方面：

一是应急救援车在交通路口的优先通行；现有技术通过使用自组织的交通控制，为紧急车辆在交叉交通路口的优先通行提出了一种基于虚拟交通灯的交通路口优先通过控制协议。虚拟交通灯VTL是指通过使用当地规则，在车辆接近十字交通路口时，从中选择一个领导者作为该交通路口的虚拟红绿灯来进行交通路口管理。通过在交通路口使用一组不同的当地规则，VTL-PIC协议可以检测到应急车辆的存在，并将十字交通路口的控制优先分配给紧急车辆，但该方法没有考虑到对其它车辆的通行时间的影响。

二是应急救援车调度管理和路径管理；现有技术提出了基于元胞自动机的混合交通流紧急车辆通道，通过分析其它车辆给紧急车辆避让的行为，来修改变更车道的规则，应急车辆通道进行车道变更比不改变车道所带来的干扰更少，存在应急车辆时的交通流状况和不存在紧急车辆时的状况不相同，在中等或者较高密度的车流情况下，应急车辆可促进紧急通道的改变，该方法一定程度上优化了应急车辆的行驶；但该方法在实际应用中存在许多问题，整体效率不高，有时候甚至起到适得其反的作用，该系统的组件和技术在实现上有很大的难度。

三是应急救援车的信号灯控制方面；对于多辆应急救援车的信号控制，现有技术基于车辆停留时间、各相位交通流优先权等多种因子，提出了自适应的机动车信号灯控制方法，采用模糊Petri网确定当前相位的绿灯时间，是否缩短下一方向的红灯时间，但应急救援车的红绿灯优先控制策略，一方面要考虑应急救援车的优先通行，另一方面也要考虑尽量减少由于应急救援车通行而对正常交通流造成的影响，但该方法对其它车辆所造成的排队延误等影响很大，实际应用的效果很差。

四是应急救援车的行驶路径方面；针对应急救援车行驶的行程时间预测问题，现有技术基于BP神经网络模型，以应急救援车的行驶距离和出发时刻为影响因子，提出了一些应急救援车行驶时间计算模型，为应急救援车行驶路径的选择提供了一定的理论依据。

综上，现有技术都还存在一些明显不足，表现在以下方面：

一是当前交通拥堵日益严重，车辆数量越来越多，应急救援车的出行虽拥有法律所赋予的优先通行权，但是在实际出行中，很难保障应急救援车的优先通行：发生突发事故时，应急救援车如何迅速到达现场；如何选择最合适的行驶路线；给出救援路线后，如何保障这条路线成为绿色通道；事实上因交通拥堵而造成的应急救援车救援延误导致的悲剧事件屡屡发生，保障应急救援车的优先安全行驶现有技术都还没有解决；

二是现有技术主要集中在车辆的调度、最优路径选择及对交通路口的信号灯的控制这三个方面，并没有一个全面的应急救援车行驶保障的规划过程，并且没有涉及到运用高新技术来达到其它车辆避让的目的；没有系统形成应急救援车最优路径选择、机动车信号灯优先控制及其它车辆避让的完整体系，应急救援车行驶的过程中的时间延误依然很长；

三是现有技术没有科学合理的行驶最优路径的选择方法，一般以道路的长度作为影响车辆行驶的主要因子，没有针对应急救援车的行驶特征，没有全盘考量并权衡道路通行平均时间、道路拥堵程度和应急救援车理性行驶时间这三个因子来计算道路的权重，在大多数交通状况下，无法获得最短的行驶时间；

四是在实际的交通环境中，由于受道路环境、其它车辆、驾驶员状态、信号灯状态等因素的影响，应急救援车的优先通行往往不能得到保障；现有技术在应急救援车经过交通路口时，不能减少其由于信号灯状态为红灯而造成的时间延误；同时在应急救援车行驶过程中，也不能为其行驶道路上的其它车辆执行避让策略，其它车辆对应急救援车的影响大，应急救援车在行驶路径上的时间大幅增加，不利于其执行紧急任务。

发明内容

本发明提供的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，一是应急救援车最优行驶路径的选择，全盘考量并权衡道路的长度、通行平均时间、应急救援车行驶速度多种因子对权重进行计算，并以行驶时间最短作为选择行驶路径的主要依据，使得应急救援车行驶路径的选择更加合理；二是应急救援车行驶路径的优化完善，当应急救援车行驶到交通路口时，为应急救援车施行机动车信号灯通行优先保障方案，保障其在交通路口的顺利通行，同时在应急救援车行驶过程中，其它车辆会采取相应避让措施，减少对应急救援车的影响，保障其道路通行优先权。本发明保证了应急救援车行驶的畅通，避免了由于交通堵塞而造成的延误，减少了应急救援车到达救援现场的时间，提高了救援服务成功的几率，可以极大的减少由于救援不及时而造成的各种损失。

为达到以上技术效果，本发明所采用的技术方案如下：

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，主要包括二个方面，一是应急救援车最优行驶路径的选择，基于迪克斯特拉算法，提出权重调整的改进迪克斯特拉算法，全盘考量并权衡道路的长度、通行平均时间、应急救援车行驶速度多种因子对权重进行计算，并以行驶时间最短作为选择行驶路径的依据；二是应急救援车行驶路径的优化完善，当应急救援车行驶到交通路口的时候，为应急救援车施行机动车信号灯通行优先保障方案，保障其在交通路口的顺利通行，同时在应急救援车行驶过程中，其它车辆会采取相应避让措施，减少对应急救援车的影响；

应急救援车最优行驶路径的选择包括应急救援车的最短路径界定、迪克斯特拉算法的详细描述、迪克斯特拉算法权重的改进、应急救援车的行驶路径选择，其中迪克斯特拉算法权重的改进包括道路通行平均时间权重、道路拥堵系数权重、应急救援车的权重设置；

应急救援车行驶路径的优化完善包括十字路口模型的机动车信号灯信号相位分配、机动车信号灯通行优先保障、其它车辆避让策略，其中机动车信号灯通行优先保障包括应急救援车机动车信号灯通行优先保障方案、确定最短红灯时间、同一路口多辆应急救援车的信号灯通行优先保障方案。

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，进一步的，道路通行平均时间权重为：定义

表示第m辆车从F到G经过后道路FG的通行平均时间，

表示第m辆车从F到G通过道路FG的路径通行时间；道路FG的通行平均时间采用式3计算：

当m＝1时，

即第一辆通过道路FG的车辆时，其通行平均时间就是其道路FG的路径通行时间；道路FG的通行平均时间由当前最近通过的一辆车所行驶的时间和过往车辆的通行平均时间共同决定，每当有新的车辆通过当前道路时，根据历史通行平均时间和当前最新车辆的通信时间计算新的道路通行平均时间，实时更新道路交通状况信息。

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，进一步的，道路拥堵系数权重为：定义

表示车辆在道路FG由F到G的理想通行时间，其中道路FG的理想通行时间表示在交通路口机动车信号灯显示为绿灯且当前道路没有其它车辆阻塞妨碍因素，车辆全程顺畅的通过道路FG的行驶时间；

道路FG的拥堵程度通过道路FG的当前通行平均时间

与道路FG的理想通行时间

之间进行比较确定，

一定成立，根据路径通行时间计算出的通行平均时间一定不低于理想通行时间；

当

与

的差量越大时，表明当前道路的拥堵程度越大，道路通行状况越差；反之则表明当前道路的拥堵程度较小，道路的通行状况良好，本发明引入道路拥堵系数e表示道路FG的拥堵程度，对e的计算方法如式4所示：

对式4的分析为：

一是当

越大时，

越小，e越大，表明当前车辆通过道路FG所需的时间越长，即道路FG的拥堵程度越严重；

二是当

越小时，

越大，e越小，表明当前车辆通过道路FG所需的时间越短，即道路FG的拥堵程度越小；

三是当

远大于

时，

无限接近0，e无限接近1，表明当前道路的通行状况很差，道路FG拥堵程度最为严重；

四是当

无限接近

时，

无限接近1，e无限接近0，表明当前道路的通行状况很好，道路FG几乎没有任何拥堵。

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，进一步的，应急救援车的权重设置加入针对应急救援车行驶特征的权重计算因子，将道路FG的通行平均时间和应急救援车的理想最优通行时间全盘考量确定道路FG的权重，

假设道路FG的长度为W_FG，理想状态下应急救援车在该道路上的最大行驶速度为U_n，若应急救援车全程畅通无阻通行，应急救援车在道路FG上的理性通行时间通过速度-距离公式计算，如式5所示：

应急救援车理想最优通行时间＝W_FG/U_n 式5

道路FG的权重l_FG计算式6为：

其中e表示道路FG的拥堵程度，

表示道路FG当前的最新通行平均时间；应急救援车在道路FG的权重，由道路FG的通行平均时间、道路FG的长度、应急救援车的最大行驶速度和道路FG的拥堵程度共同决定。

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，进一步的，应急救援车行驶路径选择的主要过程分为四个阶段：

第一阶段，交通控制中心接收到报警电话，确定目的地后，查询当前空闲应急救援车的所在地，从中选择距离目的地较近的应急救援车作为行驶车辆，确定出发地点；

第二阶段，交通控制中心在确定出发地和目的地后，从数据中心获取当前道路信息生成道路网络拓扑图，并根据最新的交通数据计算路网每条道路的权重；

第三阶段，根据计算出的权重，采用迪克斯特拉算法为应急救援车选择一条最优路径作为行驶路径，将该路径发送到应急救援车上；

第四阶段，应急救援车的行驶过程中，交通控制中心时刻监测所选应急救援车路径的交通状况，倘若该路径上某一条道路发生意外情况，控制管理中心会立即以当前应急救援车行驶到的所在处为起点，重新根据当前交通数据为应急救援车选择一条新的最优路径，并及时发送给应急救援车。

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，进一步的，应急救援车的信号灯通行优先保障方案分为二种情况：

情况一，绿灯时间延长方案：当机动车信号灯控制系统在接收到应急救援车的优先通行申请时，此时若应急救援车通行方向的信号灯为绿灯，信号灯控制系统采取延长该相位绿灯时间，并且向周围广播消息，提醒其它车辆，当前交通路口有应急救援车通过，直到应急救援车通过该交通路口为止；

情况二，最短红灯方案：当机动车信号灯控制系统在接收到应急救援车的优先通行申请时，此时若应急救援车通行方向的信号灯为红灯或黄灯，信号灯控制系统首先以广播方式向其它车辆发送警告消息，然后保持当前红灯继续显示最短红灯时间t_{min_r}时间后，将信号灯显示跳转至绿灯，使应急救援车行驶方向信号灯显示为绿灯，直到应急救援车通过该交通路口为止；

当应急救援车行驶出交通路口后，同样给路侧单元发送离开消息，路侧单元接收到该离开消息后，给机动车信号灯控制系统发送信号，告知信号灯控制系统应急救援车已通过当前交通路口；信号灯控制系统接收到该消息后，恢复至之前的正常控制状态，直到再次接收到应急救援车到达消息；

当应急救援车距离机动车信号灯距离为R的时候，发送请求通行优先保障信号，设应急救援车的最大行驶速度为U_n，最短红灯显示时间为t_{min_r}，则R的计算方式如式7：

R＝U_n×t_{min_r} 式7

应急救援车向路侧单元发送的通行优先保障消息内容包括：应急救援车标识符、行驶车道、应急救援车优先级、时间戳。

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，进一步的，根据统计的车辆通过路口的时间计算交通路口平均通过时间，确定当前路口机动车信号灯控制系统施行应急救援车通行优先保障的最短红灯时间t_{min_r}；最短红灯时间t_{min_r}确定方法为：

步骤一，交通控制中心为应急救援车选择最优行驶路径后，给该路径上所有路口的机动车信号灯控制系统发送指示；

步骤二，接收到交通控制中心指示的机动车信号灯控制系统开始统计交通路口车辆平均通过时间；统计在一个信号灯周期内，每个方向车辆的路口平均通过时间；对于每一个相位方向的车辆，统计直行和左转二个车道的交通路口平均通过时间；假设i＝1,2,3,4，分别表示四个不同的相位；j＝1时表示的是路口第1车道左转车道，j＝2时表示的是路口第2车道直行车道；第i相位第j车道的路口通行平均时间为式8：

其中m表示在一个信号灯周期时间内，第i相位第j车道内通过路口的车辆数目，T_k表示第k辆车通过交通路口的时间；

步骤三，对于每个交通路口，取其所有路口通行平均时间中的最大值，作为该路口的最短红灯时间，即t_{min_r}＝max{t_ij}，其中i＝1，2，3，4；j＝1，2。

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，进一步的，同一路口多辆应急救援车的信号灯通行优先保障方案中，假设应急救援车F和应急救援车G同时到达十字路口，并且二辆车处在十字路口的不同相位方向，此时机动车信号灯控制系统同时接收到了二辆应急救援车的优先通行请求信号，本发明提出以下判断方法决定二辆车F和G的优先通行顺序：

第一，若应急救援车F所在相位为绿灯状态，机动车信号灯系统优先为应急救援车F施行绿灯时间延长策略，等待应急救援车F通过路口后，立即为应急救援车G施行最短红灯时间策略；

第二，若应急救援车F和应急救援车G所在相位信号灯显示均不是绿灯状态，并且应急救援车F和应急救援车G的优先级别不同，则F和G当中，优先级别高的优先获得机动车信号灯的通行优先保障权，若应急救援车F的优先级别高，信号灯控制系统首先为F采取通行优先保障方案，在F通过后在立即为G施行通行优先保障方案，反之也一样；

第三，若应急救援车F和G所在相位信号灯显示都不是绿灯状态，并且应急救援车F和G的优先级别也相同，此时根据应急救援车前面的排队车辆数目决定优先通过路口的应急救援车；排队车辆数目多，则应急救援车通过交通路口的时间相应长一些；若应急救援车F前面的排队车辆数目小于应急救援车G前面的排队车辆数目，机动车信号灯控制系统优先为F采取信号灯通行优先保障方案，在F通过交通路口后，再为G实行通行优先保障方案；反之，若应急救援车G前面的排队车辆数目少一些，G将会得到机动车信号灯控制系统的通行优先保障权。

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，进一步的，其它车辆避让策略前提条件为：在智能车联网环境下，道路上的所有车辆的位置、速度、行驶车道信息都是可以被交通控制中心监测获取的，所有车辆都接收并执行交通控制中心下达的命令；

开始执行避让的条件是：应急救援车刚驶入某一道路时，向交通控制中心发送请求避让协助消息，交通控制中心接收到该请求后，根据道路上的其它车辆与应急救援车的相对位置发送不同的避让指令；其它车辆完成避让的条件是：其它车辆通过当前道路，其它车辆完成了交通控制中心下达的避让指令，应急救援车在道路上超越了其它车辆；

在实施避让过程中，假设条件如下：

条件1：车流稳定情况下，设应急救援车在道路行驶速度为U_S，其它车辆行驶速度为U₀，且U_S>U₀；

条件2：应急救援车在进入道路行驶过程中，不存在变换车道和超车行为；当应急救援车遇到前方出现其它车辆时，会减速行驶，等待前方其它车辆变换车道进行避让，在前方其它车辆完成避让后再加速行驶；

条件3：不考虑行人和其它非机动车的影响。

智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，进一步的，避让具体方案为：当应急救援车发送避让请求后，交通控制中心立即获取当前道路信息，并根据其它车辆的行驶情况，发送不同的避让指令，假设应急救援车到达道路FG时，刚进入道路入口F处时，向交通控制中心发送请求避让协助消息，交通控制中心接收到该消息后开始执行避让策略；当应急救援车刚行驶至道路FG入口F处时，交通控制中心会将道路FG中的其它车辆分为三个类别，并针对不同的类别，来执行不同的避让要求；

类别一，F类其它车辆：与应急救援车行驶车道不同，且位于应急救援车前方的其它车辆；对F类其它车辆，交通控制中心给其发送的避让指令消息是：第i车道有应急救援车到达，请保持当前车道不变，迅速驶离当前道路；

类别二，G类其它车辆：与应急救援车行驶车道相同，且位于应急救援车前方的其它车辆；对G类其它车辆，根据其与应急救援车相对距离的不同，交通控制中心发送不同的避让指令消息：一是对距离应急救援车较远的G-A类其它车辆发送命令：当前车道有应急救援车到达，请加速驶离当前道路；二是对距离应急救援车较近的G-N类其它车辆发送避让指令：当前车道有应急救援车到达，请向旁边变换车道行驶，留出当前车道；

类别三，O类其它车辆：行驶在应急救援车后方的其它车辆；对O类其它车辆，交通控制中心发送避让指令消息：前方某车道有应急救援车行驶，请勿急速超车；

完整的避让实施流程具体描述为：假设道路FG的长度为W，应急救援车行驶车道为第二车道，道路FG上的其它车辆避让施行描述为：

第一，应急救援车到达道路FG，发送避让请求消息，消息格式为：应急救援车ID-行驶车道-优先级-时间戳；

第二，交通控制中心接收到应急救援车的避让请求消息后，获取道路FG上其它车辆信息，根据不同信息发送不同避让指令：一是与应急救援车行驶车道不同的F类其它车辆，发送避让指令消息内容为：后方第二车道有应急救援车到达，请勿变换车道行驶，加速驶离；二是与应急救援车行驶车道相同的G类其它车辆，设其它车辆与应急救援车的相对距离为R，根据R与道路FG长度W的大小关系，进行分类：若R≥(1/2)W，则为G-A类其它车辆，发送避让指令消息内容：当前车道有应急救援车驶来，请加速迅速驶离当前道路；若R<(1/2)W，则为G-N类其它车辆，发送避让指令消息内容：当前车道有应急救援车驶来，请向旁边车道变换车道行驶；避让持续期间，在应急救援车之后到达道路的O类其它车辆，发送避让指令消息内容：前方有应急救援车行驶，请减速慢行，切勿加速超车；

第三，其它车辆接收到避让指令消息，采取相应措施，执行避让指令；

第四，应急救援车通过道路FG，发送避让结束请求，避让完成。

与现有技术相比，本发明的贡献和创新点在于：

第一，本发明提供的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，一是应急救援车最优行驶路径的选择，提出权重调整的改进迪克斯特拉算法，全盘考量并权衡道路的长度、通行平均时间、应急救援车行驶速度多种因子对权重进行计算，并以行驶时间最短作为选择行驶路径的主要依据，使得应急救援车行驶路径的选择更加合理；二是应急救援车行驶路径的优化完善，当应急救援车行驶到交通路口的时候，为应急救援车施行机动车信号灯通行优先保障方案，保障其在交通路口的顺利通行，同时在应急救援车行驶过程中，其它车辆会采取相应避让措施，减少对应急救援车的影响，保障其道路通行优先权。本发明保证了应急救援车行驶的畅通，避免了由于交通堵塞而造成的延误，减少了应急救援车到达救援现场的时间，提高了救援服务成功的几率，可以极大地减少由于救援不及时而造成的各种损失；

第二，本发明提供的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，基于改进调整的迪克斯特拉算法的行驶最优路径的选择，道路的长度是影响车辆行驶的主要因子，但并不是唯一因子，针对应急救援车的行驶特征，本发明首先提出道路通行平均时间和道路拥堵程度的计算方法，然后全盘考量并权衡道路通行平均时间、道路拥堵程度和应急救援车理性行驶时间这三个因子来计算道路的权重，实验结果表明，使用改进调整的迪克斯特拉算法为应急救援车选择的最优行驶路径，无论是在哪种交通状况下，都能获得最短的行驶时间；

第三，本发明提供的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，提出应急救援车行驶路径的优化策略，虽然应急救援车拥有法律赋予的优先通行权，但在实际的交通环境中，由于受道路环境、其它车辆、驾驶员状态、信号灯状态等因素的影响，应急救援车的优先通行往往不能得到保障；本发明提出二个策略优化应急救援车的行驶路径，保障其优先通行权，在应急救援车经过交通路口时，为其执行信号灯的通行优先保障方案，减少其由于信号灯状态为红灯而造成的时间延误；同时在应急救援车行驶过程中，为其行驶道路上的其它车辆执行避让策略，最大程度减少其它车辆对应急救援车的影响，实验结果表明，采用信号灯通行优先保障方案和其它车辆避让策略，能大幅减少应急救援车在行驶路径上的时间，有助于它更早的到达目的地，执行紧急任务。

附图说明

图1是本发明应急救援车的行驶特点示意图。

图2是本发明的应急救援车最优行驶路径选择流程图。

图3是本发明应急救援车的机动车信号灯通行优先保障方案的流程图。

图4是本发明其它车辆避让策略的其它车辆分类示意图。

图5是本发明完整的避让方案实施流程示意图。

图6是本发明G类其它车辆避让措施的其它车辆N避让示意图。

图7是本发明G类其它车辆避让措施的避让空间不足示意图。

图8是本发明G类其它车辆避让措施的避让完成示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能够予以实施。

本发明基于智能车联网环境，提出针对应急救援车的行驶优化方法，主要包括二个方面，一是应急救援车最优行驶路径的选择，基于迪克斯特拉算法，提出权重调整的改进迪克斯特拉算法，对道路的权重不是简单以距离来计算，而是全盘考量并权衡道路的长度、通行平均时间、应急救援车行驶速度多种因子对权重进行计算，并以行驶时间最短作为选择行驶路径的主要依据，使得应急救援车行驶路径的选择更加合理；二是应急救援车行驶路径的优化完善，本发明提出二个策略对应急救援车行驶路径进行优化，达到保障应急救援车优先通行的目的，当应急救援车行驶到交通路口的时候，为应急救援车施行机动车信号灯通行优先保障方案，保障其在交通路口的顺利通行，同时在应急救援车行驶过程中，其它车辆会采取相应避让措施，减少对应急救援车的影响，保障其道路通行优先权。

应急救援车最优行驶路径的选择包括应急救援车的最短路径界定、迪克斯特拉算法的详细描述、迪克斯特拉算法权重的改进、应急救援车的行驶路径选择，其中迪克斯特拉算法权重的改进包括道路通行平均时间权重、道路拥堵系数权重、应急救援车的权重设置；

应急救援车行驶路径的优化完善包括十字路口模型的机动车信号灯信号相位分配、机动车信号灯通行优先保障、其它车辆避让策略，其中机动车信号灯通行优先保障包括应急救援车机动车信号灯通行优先保障方案、确定最短红灯时间、同一路口多辆应急救援车的信号灯通行优先保障方案。

一、应急救援车最优行驶路径的选择

时间是应急救援中的最重要因子，应急救援车能在最短时间内到达目的地执行任务，能最大程度保障人民群众的生命财产安全。因此，应急救援车行驶中最重要的一点是行驶路径的选择。本发明对应急救援车行驶路径的确定，其选择算法采用稳定性极高的迪克斯特拉算法，并对权重进行改进，将权重与动态交通数据及应急救援车的行驶特征相结合，并提供智能车联网环境下，应急救援车最优行驶路径的选择过程。

(一)应急救援车的最短路径界定

应急救援车行驶路径的选择属于图论中的最短路径问题。问题描述为：给定带权重的有向图B＝(U，I)，其中，U为图中结点的集合，大小为m，m为结点个数，I为图中弧的集合，大小为n，n为图中结点间弧的条数，<u,l>表示I中从结点u到结点l的弧，o(u,l)表示弧<u,l>的权重，该值为非负值；设u_s、u_t是U中的二个结点，Q_st＝{u₀＝u_s，u₁，u₂，...，u_m-1，u_m＝u_t}表示图中以u_s为起点到以u_t为终点的一条路径，其中u₁，u₂，...，u_m-1，u_m表示该路径经过的图中其它的结点；则路径Q_st的权重总和可表示为式1：

最短路径问题是针对指定的起点和终点，寻找一条具有最小路径权重总和的问题。本发明应急救援车最短路径规划算法基于图论理论，提出权重调整的改进迪克斯特拉算法；相比于基于人工智能的算法可能由于启发式函数选择不当而无法找到最短路径，基于智能控制的算法，如遗传算法其局部搜索能力比较差，也并不一定可以搜索到最短路径。所以本发明提出权重调整的改进迪克斯特拉算法作为应急救援车行驶最优路径的选择算法。

(二)迪克斯特拉算法的详细描述

迪克斯特拉算法的基本框架为：设B＝(U，I)是一个带权有向图，把图中结点集合U分为二组：第一组是集合W，表示所有已经计算出最短路径的结点集合；第二组是集合V，表示其余未确定最短路径的结点集合；开始时，集合W中只有一个源点，之后按照最短路径长度的递增次序，依次把集合V中的结点加入W中，在向W中添加结点时，总是保持从源点到集合W中个结点的最短路径长度不大于从源点到集合V中任何结点的最短路径长度；直到所有结点都加入了集合W时，算法结束。

在应急救援车的行驶路径选择中，不必要计算出起点到其它所有结点的最优路径，只需计算出起点到目标结点的最优路径，适用于应急救援车行驶的迪克斯特拉算法的具体描述为：

第一步，定义：设交通路网中，应急救援车行驶起点为R，终点为H，路网中任意二个相邻结点v，u的连接弧的权重为l_vu，若v和u之间没有连接边，则l_vu＝∞；定义path(r，u)表示从起点R到结点V的最短路径长度；

第二步，初始化时，将交通路网中起点R标记为固定结点，由集合V表示，并且有path(r，r)＝0；将其它结点标记为临时结点，由集合P表示，对任意i∈P，有path(r，i)＝l_ri；

第三步，从集合P中选择结点y，满足path(r，y)值最小，判断结点y是不是目标结点H；若是目标结点H，则终止算法；若结点不是目标结点，则将结点y标记为固定结点，加入集合V中，并且修改所有path(r，i)的值，其中i∈P，修改方法为式2：

path(r,i)＝min{path(r,i),path(r,k)+l_ki} 式2

第四步，跳转至第三步，直至找到目标结点H，或路网中所有结点都已经被标记为固定结点并且被加入集合V；

第五步，此时的path(R，H)就是所求的最短路径。

(三)迪克斯特拉算法权重的改进

迪克斯特拉算法利用导航设备与电子地图提供静态信息，主要以路网中结点间的距离作为权重选择最短路径。但在实际交通中，由于道路交通基础设施和道路车流量等因子影响，采用距离作为权重计算出的最短路径往往不是通行时间最短路径。应急救援车的最优行使路径不是最短距离路径，而是通行时间最短路径。因此，本发明提出将道路通行平均时间和应急救援车自身的行驶特征综合考虑的改进迪克斯特拉算法，更合理的为应急救援车选择最优行驶路径，最优路径不是距离最短路径而是行驶时间最短路径，所以本发明以道路平均行驶时间作为权重计算的主要考虑因子，应急救援车的理想通行时间作为次要考虑因子。

1.道路通行平均时间权重

道路FG的通行平均时间是指在在一定是时间内，车辆通过该道路所用时间的平均值。智能车联网环境下，通过全球卫星定位系统、地理信息系统、射频识别技术、无线传感器、感应线圈检测技术手段，可有效获得单一车辆通过一段道路所花费的时间。

由于车辆通过道路的通行时间和当前道路的交通状况、道路基础设施有关，而道路FG的二个不同方向的交通状况不同，因此道路FG的通行平均时间和道路GF的通行平均时间不同。定义

表示第m辆车从F到G经过后道路FG的通行平均时间，

表示第m辆车从F到G通过道路FG的路径通行时间；道路FG的通行平均时间采用式3计算：

当m＝1时，

即第一辆通过道路FG的车辆时，其通行平均时间就是其道路FG的路径通行时间。道路FG的通行平均时间由当前最近通过的一辆车所行驶的时间和过往车辆的通行平均时间共同决定，这样可以更及时的反馈道路交通状况，每当有新的车辆通过当前道路时，根据历史通行平均时间和当前最新车辆的通信时间计算新的道路通行平均时间，实时更新道路交通状况信息，该道路通行平均时间的计算很好的反馈当前道路的交通状况。

2.道路拥堵系数权重

定义

表示车辆在道路FG由F到G的理想通行时间，其中道路FG的理想通行时间表示在交通路口机动车信号灯显示为绿灯且当前道路没有其它车辆阻塞妨碍因素，车辆全程顺畅的通过道路FG的行驶时间；道路的理想行驶时间和道路的基础设施、周围环境因素相关。

道路FG的拥堵程度通过道路FG的当前通行平均时间

与道路FG的理想通行时间

之间进行比较确定，

一定成立，因为正常情况下任何一辆车在道路FG的路径通行时间都不可能低于道路FG的理想通行时间，因此根据路径通行时间计算出的通行平均时间一定不低于理想通行时间。

当

与

的差量越大时，表明当前道路的拥堵程度越大，道路通行状况越差；反之则表明当前道路的拥堵程度较小，道路的通行状况良好。因此，本发明引入道路拥堵系数e表示道路FG的拥堵程度，对e的计算方法如式4所示：

道路FG的基础设施、周围建筑环境几乎不变，道路FG的理想通行时间

也是确定的，不随交通状况的不同而改变，因此本发明将其视为一个常数定值，对式4的分析为：

一是当

越大时，

越小，e越大，表明当前车辆通过道路FG所需的时间越长，即道路FG的拥堵程度越严重；

二是当

越小时，

越大，e越小，表明当前车辆通过道路FG所需的时间越短，即道路FG的拥堵程度越小；

三是当

远大于

时，

无限接近0，e无限接近1，表明当前道路的通行状况很差，道路FG拥堵程度最为严重；

四是当

无限接近

时，

无限接近1，e无限接近0，表明当前道路的通行状况很好，道路FG几乎没有任何拥堵。

3.应急救援车的权重设置

应急救援车与其它车辆的最大区别为：在当前道路状况许可并且保证自身行车安全的情况下，应急救援车能以较高的速度行驶而不受交通法规限制，因此本发明加入了针对应急救援车行驶特征的权重计算因子。

如图1所示，应急救援车在道路FG上行驶时，在外界条件许可的情况下，可以一直加速直到到达最大速度U_n，假设当应急救援车到达O点时，速度到达最大速度U_n，并且此时道路OH上都没有其它车辆影响应急救援车，那么在OH段应急救援车将会一直以最大速度行驶。并且道路OH出现的几率和持续时间受道路FG的拥堵程度影响，若道路FG拥堵程度很低，那么出现OH段的概率很大且持续的时间相对长一些；若道路FG拥堵程度很高，那么出现OH段的概率很小且持续时间非常短。

若应急救援车的行驶速度没有远大于其它车辆，那么其在道路FG上的通行时间近似于当前道路FG的通行平均时间

针对应急救援车的这一行驶特征，本发明提出一种主要用于应急救援车的权重调整的改进迪克斯特拉算法，将道路FG的通行平均时间和应急救援车的理想最优通行时间全盘考量确定道路FG的权重，为应急救援车选择最优行驶路径。

假设道路FG的长度为W_FG，理想状态下应急救援车在该道路上的最大行驶速度为U_n，若应急救援车全程畅通无阻通行，应急救援车在道路FG上的理性通行时间通过速度-距离公式计算，如式5所示：

应急救援车理想最优通行时间＝W_FG/U_n 式5

道路FG的权重l_FG计算式6为：

其中e表示道路FG的拥堵程度，

表示道路FG当前的最新通行平均时间；

由式6得出，应急救援车在道路FG的权重，由道路FG的通行平均时间、道路FG的长度、应急救援车的最大行驶速度和道路FG的拥堵程度共同决定。

本发明这样设置权重的好处在于，不仅符合交通数据的动态变化，也符合应急救援车的行驶特征。当道路FG和道路NM的当前通行平均时间相同，若仅采取通行平均时间确定权重，在选择路径时，选择道路FG或道路NM理论上相同，但实际上由于道路FG和道路NM的拥堵程度不一样，应急救援车在道路FG和NM的通行情况也不一样，这时采取式6的权重计算方法，能更好的为应急救援车的行驶选择路径。

此外，对道路FG和道路GF，l_FG的值和l_GF的值不同，尽管它们长度一样，但同一条道路上，不同行驶方向的交通状况不一样，通行平均时间、道路拥堵程度都不一样，从F到G的权重和从G到F的权重不一样，即l_FG≠l_GF。

(四)应急救援车的行驶路径选择

智能车联网环境下，应急救援车的行驶路径不是采取边行驶边选路的方式，而是在行驶前，由交通控制中心根据当前统计的最新交通数据，提前为应急救援车选好行驶路径，然后应急救援车出发前将路径发送到车上，应急救援车最优行驶路径选择流程图如图2所示。应急救援车行驶路径选择的主要过程分为四个阶段：

第一阶段，交通控制中心接收到报警电话，确定目的地后，查询当前空闲应急救援车的所在地，从中选择距离目的地较近的应急救援车作为行驶车辆，确定出发地点；

第二阶段，交通控制中心在确定出发地和目的地后，从数据中心获取当前道路信息生成道路网络拓扑图，并根据最新的交通数据计算路网每条道路的权重；

第三阶段，根据计算出的权重，采用迪克斯特拉算法为应急救援车选择一条最优路径作为行驶路径，将该路径发送到应急救援车上；

第四阶段，应急救援车的行驶过程中，交通控制中心时刻监测所选应急救援车路径的交通状况，倘若该路径上某一条道路发生意外情况，比如某一条道路发生了车祸，此时，控制管理中心会立即以当前应急救援车行驶到的所在处为起点，重新根据当前交通数据为应急救援车选择一条新的最优路径，并及时发送给应急救援车。

二、应急救援车行驶路径的优化完善

为应急救援车选择最优行驶路径是减少其在道路上行驶时间的一个有效途径，但在应急救援车确定行驶路径后，还可通过对该路径上的机动车信号灯和其它车辆进行控制调度对行驶路径优化完善，保证应急救援车在路径上畅通无阻的行驶，使其能够以更短的时间到达目的地执行任务；应急救援车即便是很小程度上的行驶时间减少都能对执行任务的效率有很大影响。因此，本发明提出二种措施：一是机动车信号灯的通行优先保障，二是其它车辆的避让方法，对应急救援车的行驶路径优化完善，保证其在该路径上的优先通行。

(一)十字路口模型的机动车信号灯信号相位分配

本发明以十字交通路口为模型进行描述，十字交通路口的假设条件为：

条件一，交通路口为标准的十字交通路口，机动车信号灯控制系统位于十字交通路口的中心位置；

条件二，道路为三车道，即第一车道为左转车道、第二车道为直行车道、第三车道为右转车道，并且交通路口不许调头；

条件三，默认其它车辆均为理性行车人，遵守机动车信号灯控制系统的控制，且不会出现车辆抛锚、撞车行为；

条件四，车辆与路侧单元、路侧单元与机动车信号灯控制系统之间可以通信。

机动车信号灯的相位是当车辆通过时不同方向的信号指令，不同相位的绿灯信号指示许可该方向的车辆通过交通路口，十字交通路口相位设置为四个,在每个相位下，车辆在机动车信号灯显示为绿灯时通过交通路口，在信号灯显示为黄灯和红灯时在交通路口等待，假设每个相位周期中，机动车信号灯控制系统的绿灯显示时间为t_g，红灯显示时间为t_r，黄灯显示时间为t_y，则信号灯的一个周期时间为t＝t_g+t_r+t_y。

(二)机动车信号灯通行优先保障

应急救援车行驶过程中，法律规定了应急救援车在通过交通路口时，可无需等待红灯直接优先通行，但在城市车辆日益增多和交通拥堵日益严重的情况下，若应急救援车直接闯红灯通过十字路口，很容易造成安全事故。为此在智能车联网环境下，可利用应急救援车与路侧单元、交通信号控制灯之间的通信，在应急救援车到达交通路口需要通过前，调整信号灯完成通行优先保障，减少应急救援车在交通路口由于红绿灯造成的延误，并且保证应急救援车和其它车辆的安全。

1.应急救援车机动车信号灯通行优先保障方案

当应急救援车行驶至交通路口，与机动车信号灯控制系统距离为R时，此时应急救援车会向路侧单元发送请求优先通行申请信息，路侧单元在接收到该优先通行信息后，立即向机动车信号灯控制系统发送通行优先保障信号，机动车信号灯控制系统接收到来自路侧单元的信号通知后，为应急救援车开始执行信号灯通行优先保障方案。由于为应急救援车施行了通行优先保障方案，一定程度上会导致其它方向的车辆的在交通路口的等待时间延长，为避免其它方向车辆由于赶时间而施行闯红灯行为造成交通事故，信号灯控制系统在施行通行优先保障方案的同时，以广播方式向周围车辆发送提示消息，消息内容为：“警告：当前路口有应急救援车通过，请耐心等待，严格按信号灯指示行驶”。

应急救援车的信号灯通行优先保障方案分为二种情况：

情况一，绿灯时间延长方案：当机动车信号灯控制系统在接收到应急救援车的优先通行申请时，此时若应急救援车通行方向的信号灯为绿灯，信号灯控制系统采取延长该相位绿灯时间，并且向周围广播消息，提醒其它车辆，当前交通路口有应急救援车通过，直到应急救援车通过该交通路口为止；

情况二，最短红灯方案：当机动车信号灯控制系统在接收到应急救援车的优先通行申请时，此时若应急救援车通行方向的信号灯为红灯或黄灯，信号灯控制系统首先以广播方式向其它车辆发送警告消息，然后保持当前红灯继续显示最短红灯时间t_{min_r}时间后，将信号灯显示跳转至绿灯，使应急救援车行驶方向信号灯显示为绿灯，直到应急救援车通过该交通路口为止。

当应急救援车行驶出交通路口后，同样给路侧单元发送离开消息，路侧单元接收到该离开消息后，给机动车信号灯控制系统发送信号，告知信号灯控制系统应急救援车已通过当前交通路口；信号灯控制系统接收到该消息后，恢复至之前的正常控制状态，直到再次接收到应急救援车到达消息。

为尽量保证应急救援车在交通路口不减速通行，当应急救援车距离机动车信号灯距离为R的时候，发送请求通行优先保障信号，设应急救援车的最大行驶速度为U_n，最短红灯显示时间为t_{min_r}，则R的计算方式如式7：

R＝U_n×t_{min_r} 式7

应急救援车向路侧单元发送的通行优先保障消息内容包括：应急救援车标识符、行驶车道、应急救援车优先级、时间戳。应急救援车的机动车信号灯通行优先保障方案的整个流程，如图3所示。

2.确定最短红灯时间

在应急救援车的机动车信号灯通行优先保障方案中，需要为应急救援车的优先通行确定一个最短红灯时间，一方面保证尽快将信号灯的控制转换到应急救援车行驶方向的相位，使应急救援车迅速驶过当前交通路口；另一方面也要保证当前通行方向的车辆安全，避免信号灯切换过快，导致其它车辆没有完全通过路口而造成交通事故。

智能车联网环境下，本发明利用全球卫星定位、射频识别监测技术获取车辆通过路口所需时间，并根据统计的车辆通过路口的时间计算交通路口平均通过时间，确定当前路口机动车信号灯控制系统施行应急救援车通行优先保障的最短红灯时间t_{min_r}；开始由于道路基础设施、路口形状不规则及交通状况因素影响，不同方向和车道的车辆通过路口的时间均不同。每个交通路口的机动车信号灯控制系统的最短红灯时间也各不相同；

最短红灯时间t_{min_r}确定方法为：

步骤一，交通控制中心为应急救援车选择最优行驶路径后，给该路径上所有路口的机动车信号灯控制系统发送指示；

步骤二，接收到交通控制中心指示的机动车信号灯控制系统开始统计交通路口车辆平均通过时间；统计在一个信号灯周期内，每个方向车辆的路口平均通过时间；对于每一个相位方向的车辆，统计直行和左转二个车道的交通路口平均通过时间；假设i＝1,2,3,4，分别表示四个不同的相位；j＝1时表示的是路口第1车道左转车道，j＝2时表示的是路口第2车道直行车道；第i相位第j车道的路口通行平均时间为式8：

其中m表示在一个信号灯周期时间内，第i相位第j车道内通过路口的车辆数目，T_k表示第k辆车通过交通路口的时间。

步骤三，对于每个交通路口，取其所有路口通行平均时间中的最大值，作为该路口的最短红灯时间，即t_{min_r}＝max{t_ij}，其中i＝1，2，3，4；j＝1，2。

3.同一路口多辆应急救援车的信号灯通行优先保障方案

在很多情况下，尤其是突发事件较严重时，往往会有多辆应急救援车被派往目的地执行任务，而交叉路口是应急救援车到达目的地执行任务必需经过的地方，尤其是距离事故现场越近的路口，多辆应急救援车同时出现的概率越大。对于多辆车辆出现在同一交叉交通路口的情况，若是不同时间到达路口的，原则上采取先到先服务的策略，先发送通行优先保障信号的应急救援车优先得到机动车信号灯控制系统的控制权，在当前应急救援车通过路口后，机动车信号灯控制系统才继续执行后面收到的通行优先保障通知。

但多辆应急救援车在同一时段到达同一路口，并且几乎同时发送了信号灯通行优先保障请求的情况下，由于三辆以及以上应急救援车同时到达交通路口的情况很少见，本发明考虑当二辆应急救援车同时到达交通路口时的情形，假设应急救援车F和应急救援车G同时到达十字路口，并且二辆车处在十字路口的不同相位方向，此时机动车信号灯控制系统同时接收到了二辆应急救援车的优先通行请求信号。本发明提出以下判断方法决定二辆车F和G的优先通行顺序：

第一，若应急救援车F所在相位为绿灯状态，机动车信号灯系统优先为应急救援车F施行绿灯时间延长策略，等待应急救援车F通过路口后，立即为应急救援车G施行最短红灯时间策略。原因是：应急救援车F的当前相位显示为绿灯，表明F此时具有一定的车速，而应急救援车G由于当前相位不是绿灯，应该处于停车等待通行的状态，采取绿灯延长策略后，应急救援车F可很快通过路口，无需减速停车等待，应急救援车G等待的时间也不会过长，并且只需切换一次机动车信号灯的相位，而若优先为应急救援车G采取通行优先保障方案，F需要减速停车等待，G要开始起步通行，同时还需要二次切换机动车信号灯的相位：从应急救援车F所在相位切换至应急救援车G所在相位，G通过后，再又切换回F所在相位。

第二，若应急救援车F和应急救援车G所在相位信号灯显示均不是绿灯状态，并且应急救援车F和应急救援车G的优先级别不同，则F和G当中，优先级别高的优先获得机动车信号灯的通行优先保障权，若应急救援车F的优先级别高，信号灯控制系统首先为F采取通行优先保障方案，在F通过后在立即为G施行通行优先保障方案，反之也一样。

第三，若应急救援车F和G所在相位信号灯显示都不是绿灯状态，并且应急救援车F和G的优先级别也相同，此时根据应急救援车前面的排队车辆数目决定优先通过路口的应急救援车；排队车辆数目多，则应急救援车通过交通路口的时间相应长一些；若应急救援车F前面的排队车辆数目小于应急救援车G前面的排队车辆数目，机动车信号灯控制系统优先为F采取信号灯通行优先保障方案，在F通过交通路口后，再为G实行通行优先保障方案；反之，若应急救援车G前面的排队车辆数目少一些，G将会得到机动车信号灯控制系统的通行优先保障权。原因是：无论F还是G优先通过交通路口，余下的那辆应急救援车都需要在交通路口等待，因此让通过交通路口所需时间短的应急救援车优先通过交通路口，余下等待的那辆应急救援车的等待时间也会短一些，减少应急救援车通过路口时的平均等待时间。

(三)其它车辆避让策略

由于道路交通环境和驾驶员自身反馈等因素影响，路径上的其它车辆常无法提前意识到应急救援车的到来，而当他们意识到时已来不以及避让，有时甚至会由于突然避让而造成交通事故。为此，本发明提出通过车辆与交通控制中心之间的通信提示其它车辆，应急救援车的到来，并且根据其它车辆与应急救援车的相对位置发送不同的避让指令消息，保障应急救援车在道路上的顺畅通行。

1.避让前提

本发明描述的避让措施的前提条件为：在智能车联网环境下，道路上的所有车辆的位置、速度、行驶车道信息都是可以被交通控制中心监测获取的，所有车辆都接收并执行交通控制中心下达的命令。

开始执行避让的条件是：应急救援车刚驶入某一道路时，向交通控制中心发送请求避让协助消息，交通控制中心接收到该请求后，根据道路上的其它车辆与应急救援车的相对位置发送不同的避让指令；其它车辆完成避让的条件是：其它车辆通过当前道路，其它车辆完成了交通控制中心下达的避让指令，应急救援车在道路上超越了其它车辆。

在实施避让过程中，假设条件如下：

条件1：车流稳定情况下，设应急救援车在道路行驶速度为U_S，其它车辆行驶速度为U₀，且U_S>U₀；

条件2：应急救援车在进入道路行驶过程中，不存在变换车道和超车行为；当应急救援车遇到前方出现其它车辆时，会减速行驶，等待前方其它车辆变换车道进行避让，在前方其它车辆完成避让后再加速行驶；

条件3：不考虑行人和其它非机动车的影响。

2.避让具体方案

当应急救援车发送避让请求后，交通控制中心立即获取当前道路信息，并根据其它车辆的行驶情况，发送不同的避让指令。如图4所示，假设应急救援车到达道路FG时，刚进入道路入口F处时，向交通控制中心发送请求避让协助消息，交通控制中心接收到该消息后开始执行避让策略；当应急救援车刚行驶至道路FG入口F处时，交通控制中心会将道路FG中的其它车辆分为三个类别，并针对不同的类别，来执行不同的避让要求。

类别一，F类其它车辆：与应急救援车行驶车道不同，且位于应急救援车前方的其它车辆；对F类其它车辆，交通控制中心给其发送的避让指令消息是：第i车道有应急救援车到达，请保持当前车道不变，迅速驶离当前道路；

类别二，G类其它车辆：与应急救援车行驶车道相同，且位于应急救援车前方的其它车辆；对G类其它车辆，根据其与应急救援车相对距离的不同，交通控制中心发送不同的避让指令消息：一是对距离应急救援车较远的G-A类其它车辆发送命令：当前车道有应急救援车到达，请加速驶离当前道路；二是对距离应急救援车较近的G-N类其它车辆发送避让指令：当前车道有应急救援车到达，请向旁边变换车道行驶，留出当前车道；

类别三，O类其它车辆：行驶在应急救援车后方的其它车辆；对O类其它车辆，交通控制中心发送避让指令消息：前方某车道有应急救援车行驶，请勿急速超车；

完整的避让实施流程如图5所示，具体描述为：假设道路FG的长度为W，应急救援车行驶车道为第二车道，道路FG上的其它车辆避让施行描述为：

第一，应急救援车到达道路FG，发送避让请求消息，消息格式为：应急救援车ID-行驶车道-优先级-时间戳；

第二，交通控制中心接收到应急救援车的避让请求消息后，获取道路FG上其它车辆信息，根据不同信息发送不同避让指令：一是与应急救援车行驶车道不同的F类其它车辆，发送避让指令消息内容为：后方第二车道有应急救援车到达，请勿变换车道行驶，加速驶离；二是与应急救援车行驶车道相同的G类其它车辆，设其它车辆与应急救援车的相对距离为R，根据R与道路FG长度W的大小关系，进行分类：若R≥(1/2)W，则为G-A类其它车辆，发送避让指令消息内容：当前车道有应急救援车驶来，请加速迅速驶离当前道路；若R<(1/2)W，则为G-N类其它车辆，发送避让指令消息内容：当前车道有应急救援车驶来，请向旁边车道变换车道行驶；避让持续期间，在应急救援车之后到达道路的O类其它车辆，发送避让指令消息内容：前方有应急救援车行驶，请减速慢行，切勿加速超车；

第三，其它车辆接收到避让指令消息，采取相应措施，执行避让指令；

第四，应急救援车通过道路FG，发送避让结束请求，避让完成。

3.G类其它车辆避让措施

其它车辆在避让的过程中，F类其它车辆、O类其它车辆及距离应急救援车较远的G-A类其它车辆，这三类车接收到避让指令后采取的措施相对简单，加速驶离或是减速慢行。而对于相对距离与应急救援车较近的G-N类其它车辆，在执行避让指令的过程中，需要变换车道，变换车道前需进行避让空间的确定，同时应急救援车行驶速度高于其它车辆，很容易出现其它车辆还没完成避让的情况下，应急救援车已行驶至其它车辆后方。

假设其它车辆N在道路FG第二车道上行驶过程中，接收到交通控制中心的避让指令消息，内容为：当前车道有应急救援车驶来，请向旁边变换车道行驶；此时其它车辆N会根据它周围交通状况采取不同的避让措施，完成避让指令：

一是若旁边车道有足够的空间完成变换车道行驶,如图6所示，其它车辆N会立即执行避让指令，在保证安全的前提下，进行车道变换。

二是若旁边车道空间不够，如图7所示，无法完成车道变换，其它车辆N继续在当前车道行驶，并同时向右方车道其它车辆发送消息，请求该车辆减速行驶，为N的车道变换让出空间，协助其它车辆N完成避让；当空间足够时，如图8所示，N会变换车道，完成避让指令。

当其它车辆N接收到变道行驶的避让指令时，判断旁边车道的避让空间是否足够，并根据判断结果采取相应的措施；本发明提出一种避让空间的计算方式，详细过程为：假设其它车辆N需要向左行车道变道行驶进行避让，相关参数设置为：前后车辆的安全车距为W，其它车辆N的长度为D，左行车道上在其它车辆N前方的第一辆车为N₁，其车头距离道路入口的距离为R₁；在其它车辆N后方的第一辆车为N₂，其车头距离道路入口的距离为R₂；则N₁和N₂的相对距离R＝R₁-R₂-D，则车辆N避让空间是否足够的判断方式为：

若R₁-R₂-D＞D+2W，其它车辆N的避让空间足够，可进行避让；

若R₁-R₂-D≤D+2W，其它车辆N的避让空间不足，暂时无法完成避让。

应急救援车在行驶中，延时主要体现在二个方面：一是通过交通路口时由于机动车信号灯的状态产生的等待；二是行驶过程中由于其它车辆的影响而造成的减速。本发明针对上述二个问题，给出了交通路口机动车信号灯通行优先保障方案和行驶道路上其它车辆的避让策略，通过这二个策略优化应急救援车的行驶路径，尽量减少其在行驶过程中的延误，保障其全程通畅行驶。

Claims (10)

1.智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，主要包括二个方面，一是应急救援车最优行驶路径的选择，基于迪克斯特拉算法，提出权重调整的改进迪克斯特拉算法，全盘考量并权衡道路的长度、通行平均时间、应急救援车行驶速度多种因子对权重进行计算，并以行驶时间最短作为选择行驶路径的依据；二是应急救援车行驶路径的优化完善，当应急救援车行驶到交通路口的时候，为应急救援车施行机动车信号灯通行优先保障方案，保障其在交通路口的顺利通行，同时在应急救援车行驶过程中，其它车辆会采取相应避让措施，减少对应急救援车的影响；

应急救援车最优行驶路径的选择包括应急救援车的最短路径界定、迪克斯特拉算法的详细描述、迪克斯特拉算法权重的改进、应急救援车的行驶路径选择，其中迪克斯特拉算法权重的改进包括道路通行平均时间权重、道路拥堵系数权重、应急救援车的权重设置；

应急救援车行驶路径的优化完善包括十字路口模型的机动车信号灯信号相位分配、机动车信号灯通行优先保障、其它车辆避让策略，其中机动车信号灯通行优先保障包括应急救援车机动车信号灯通行优先保障方案、确定最短红灯时间、同一路口多辆应急救援车的信号灯通行优先保障方案。

2.根据权利要求1所述的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，道路通行平均时间权重为：定义

表示第m辆车从F到G经过后道路FG的通行平均时间，

表示第m辆车从F到G通过道路FG的路径通行时间；道路FG的通行平均时间采用式3计算：

当m＝1时，

即第一辆通过道路FG的车辆时，其通行平均时间就是其道路FG的路径通行时间；道路FG的通行平均时间由当前最近通过的一辆车所行驶的时间和过往车辆的通行平均时间共同决定，每当有新的车辆通过当前道路时，根据历史通行平均时间和当前最新车辆的通信时间计算新的道路通行平均时间，实时更新道路交通状况信息。

3.根据权利要求1所述的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，道路拥堵系数权重为：定义

表示车辆在道路FG由F到G的理想通行时间，其中道路FG的理想通行时间表示在交通路口机动车信号灯显示为绿灯且当前道路没有其它车辆阻塞妨碍因素，车辆全程顺畅的通过道路FG的行驶时间；

道路FG的拥堵程度通过道路FG的当前通行平均时间

与道路FG的理想通行时间

之间进行比较确定，

一定成立，根据路径通行时间计算出的通行平均时间一定不低于理想通行时间；

当

与

的差量越大时，表明当前道路的拥堵程度越大，道路通行状况越差；反之则表明当前道路的拥堵程度较小，道路的通行状况良好，本发明引入道路拥堵系数e表示道路FG的拥堵程度，对e的计算方法如式4所示：

对式4的分析为：

一是当

越大时，

越小，e越大，表明当前车辆通过道路FG所需的时间越长，即道路FG的拥堵程度越严重；

二是当

越小时，

越大，e越小，表明当前车辆通过道路FG所需的时间越短，即道路FG的拥堵程度越小；

三是当

远大于

时，

无限接近0，e无限接近1，表明当前道路的通行状况很差，道路FG拥堵程度最为严重；

四是当

无限接近

时，

无限接近1，e无限接近0，表明当前道路的通行状况很好，道路FG几乎没有任何拥堵。

4.根据权利要求1所述的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，应急救援车的权重设置加入针对应急救援车行驶特征的权重计算因子，将道路FG的通行平均时间和应急救援车的理想最优通行时间全盘考量确定道路FG的权重，

假设道路FG的长度为W_FG，理想状态下应急救援车在该道路上的最大行驶速度为U_n，若应急救援车全程畅通无阻通行，应急救援车在道路FG上的理性通行时间通过速度-距离公式计算，如式5所示：

应急救援车理想最优通行时间＝W_FG/U_n 式5

道路FG的权重l_FG计算式6为：

其中e表示道路FG的拥堵程度，

表示道路FG当前的最新通行平均时间；应急救援车在道路FG的权重，由道路FG的通行平均时间、道路FG的长度、应急救援车的最大行驶速度和道路FG的拥堵程度共同决定。

5.根据权利要求1所述的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，应急救援车行驶路径选择的主要过程分为四个阶段：

第一阶段，交通控制中心接收到报警电话，确定目的地后，查询当前空闲应急救援车的所在地，从中选择距离目的地较近的应急救援车作为行驶车辆，确定出发地点；

第二阶段，交通控制中心在确定出发地和目的地后，从数据中心获取当前道路信息生成道路网络拓扑图，并根据最新的交通数据计算路网每条道路的权重；

第三阶段，根据计算出的权重，采用迪克斯特拉算法为应急救援车选择一条最优路径作为行驶路径，将该路径发送到应急救援车上；

第四阶段，应急救援车的行驶过程中，交通控制中心时刻监测所选应急救援车路径的交通状况，倘若该路径上某一条道路发生意外情况，控制管理中心会立即以当前应急救援车行驶到的所在处为起点，重新根据当前交通数据为应急救援车选择一条新的最优路径，并及时发送给应急救援车。

6.根据权利要求1所述的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，应急救援车的信号灯通行优先保障方案分为二种情况：

情况一，绿灯时间延长方案：当机动车信号灯控制系统在接收到应急救援车的优先通行申请时，此时若应急救援车通行方向的信号灯为绿灯，信号灯控制系统采取延长该相位绿灯时间，并且向周围广播消息，提醒其它车辆，当前交通路口有应急救援车通过，直到应急救援车通过该交通路口为止；

情况二，最短红灯方案：当机动车信号灯控制系统在接收到应急救援车的优先通行申请时，此时若应急救援车通行方向的信号灯为红灯或黄灯，信号灯控制系统首先以广播方式向其它车辆发送警告消息，然后保持当前红灯继续显示最短红灯时间t_{min_r}时间后，将信号灯显示跳转至绿灯，使应急救援车行驶方向信号灯显示为绿灯，直到应急救援车通过该交通路口为止；

当应急救援车行驶出交通路口后，同样给路侧单元发送离开消息，路侧单元接收到该离开消息后，给机动车信号灯控制系统发送信号，告知信号灯控制系统应急救援车已通过当前交通路口；信号灯控制系统接收到该消息后，恢复至之前的正常控制状态，直到再次接收到应急救援车到达消息；

当应急救援车距离机动车信号灯距离为R的时候，发送请求通行优先保障信号，设应急救援车的最大行驶速度为U_n，最短红灯显示时间为t_{min_r}，则R的计算方式如式7：

R＝U_n×t_{min_r} 式7

应急救援车向路侧单元发送的通行优先保障消息内容包括：应急救援车标识符、行驶车道、应急救援车优先级、时间戳。

7.根据权利要求1所述的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，根据统计的车辆通过路口的时间计算交通路口平均通过时间，确定当前路口机动车信号灯控制系统施行应急救援车通行优先保障的最短红灯时间t_{min_r}；最短红灯时间t_{min_r}确定方法为：

步骤一，交通控制中心为应急救援车选择最优行驶路径后，给该路径上所有路口的机动车信号灯控制系统发送指示；

步骤二，接收到交通控制中心指示的机动车信号灯控制系统开始统计交通路口车辆平均通过时间；统计在一个信号灯周期内，每个方向车辆的路口平均通过时间；对于每一个相位方向的车辆，统计直行和左转二个车道的交通路口平均通过时间；假设i＝1,2,3,4，分别表示四个不同的相位；j＝1时表示的是路口第1车道左转车道，j＝2时表示的是路口第2车道直行车道；第i相位第j车道的路口通行平均时间为式8：

其中m表示在一个信号灯周期时间内，第i相位第j车道内通过路口的车辆数目，T_k表示第k辆车通过交通路口的时间；

步骤三，对于每个交通路口，取其所有路口通行平均时间中的最大值，作为该路口的最短红灯时间，即t_{min_r}＝max{t_ij}，其中i＝1，2，3，4；j＝1，2。

8.根据权利要求1所述的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，同一路口多辆应急救援车的信号灯通行优先保障方案中，假设应急救援车F和应急救援车G同时到达十字路口，并且二辆车处在十字路口的不同相位方向，此时机动车信号灯控制系统同时接收到了二辆应急救援车的优先通行请求信号，本发明提出以下判断方法决定二辆车F和G的优先通行顺序：

第一，若应急救援车F所在相位为绿灯状态，机动车信号灯系统优先为应急救援车F施行绿灯时间延长策略，等待应急救援车F通过路口后，立即为应急救援车G施行最短红灯时间策略；

第二，若应急救援车F和应急救援车G所在相位信号灯显示均不是绿灯状态，并且应急救援车F和应急救援车G的优先级别不同，则F和G当中，优先级别高的优先获得机动车信号灯的通行优先保障权，若应急救援车F的优先级别高，信号灯控制系统首先为F采取通行优先保障方案，在F通过后在立即为G施行通行优先保障方案，反之也一样；

第三，若应急救援车F和G所在相位信号灯显示都不是绿灯状态，并且应急救援车F和G的优先级别也相同，此时根据应急救援车前面的排队车辆数目决定优先通过路口的应急救援车；排队车辆数目多，则应急救援车通过交通路口的时间相应长一些；若应急救援车F前面的排队车辆数目小于应急救援车G前面的排队车辆数目，机动车信号灯控制系统优先为F采取信号灯通行优先保障方案，在F通过交通路口后，再为G实行通行优先保障方案；反之，若应急救援车G前面的排队车辆数目少一些，G将会得到机动车信号灯控制系统的通行优先保障权。

9.根据权利要求1所述的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，其它车辆避让策略前提条件为：在智能车联网环境下，道路上的所有车辆的位置、速度、行驶车道信息都是可以被交通控制中心监测获取的，所有车辆都接收并执行交通控制中心下达的命令；

开始执行避让的条件是：应急救援车刚驶入某一道路时，向交通控制中心发送请求避让协助消息，交通控制中心接收到该请求后，根据道路上的其它车辆与应急救援车的相对位置发送不同的避让指令；其它车辆完成避让的条件是：其它车辆通过当前道路，其它车辆完成了交通控制中心下达的避让指令，应急救援车在道路上超越了其它车辆；

在实施避让过程中，假设条件如下：

条件1：车流稳定情况下，设应急救援车在道路行驶速度为U_S，其它车辆行驶速度为U₀，且U_S>U₀；

条件2：应急救援车在进入道路行驶过程中，不存在变换车道和超车行为；当应急救援车遇到前方出现其它车辆时，会减速行驶，等待前方其它车辆变换车道进行避让，在前方其它车辆完成避让后再加速行驶；

条件3：不考虑行人和其它非机动车的影响。

10.根据权利要求1所述的智能车联网驱动的应急救援车行驶优化方法，其特征在于，避让具体方案为：当应急救援车发送避让请求后，交通控制中心立即获取当前道路信息，并根据其它车辆的行驶情况，发送不同的避让指令，假设应急救援车到达道路FG时，刚进入道路入口F处时，向交通控制中心发送请求避让协助消息，交通控制中心接收到该消息后开始执行避让策略；当应急救援车刚行驶至道路FG入口F处时，交通控制中心会将道路FG中的其它车辆分为三个类别，并针对不同的类别，来执行不同的避让要求；

类别一，F类其它车辆：与应急救援车行驶车道不同，且位于应急救援车前方的其它车辆；对F类其它车辆，交通控制中心给其发送的避让指令消息是：第i车道有应急救援车到达，请保持当前车道不变，迅速驶离当前道路；

类别二，G类其它车辆：与应急救援车行驶车道相同，且位于应急救援车前方的其它车辆；对G类其它车辆，根据其与应急救援车相对距离的不同，交通控制中心发送不同的避让指令消息：一是对距离应急救援车较远的G-A类其它车辆发送命令：当前车道有应急救援车到达，请加速驶离当前道路；二是对距离应急救援车较近的G-N类其它车辆发送避让指令：当前车道有应急救援车到达，请向旁边变换车道行驶，留出当前车道；

类别三，O类其它车辆：行驶在应急救援车后方的其它车辆；对O类其它车辆，交通控制中心发送避让指令消息：前方某车道有应急救援车行驶，请勿急速超车；

完整的避让实施流程具体描述为：假设道路FG的长度为W，应急救援车行驶车道为第二车道，道路FG上的其它车辆避让施行描述为：

第一，应急救援车到达道路FG，发送避让请求消息，消息格式为：应急救援车ID-行驶车道-优先级-时间戳；

第二，交通控制中心接收到应急救援车的避让请求消息后，获取道路FG上其它车辆信息，根据不同信息发送不同避让指令：一是与应急救援车行驶车道不同的F类其它车辆，发送避让指令消息内容为：后方第二车道有应急救援车到达，请勿变换车道行驶，加速驶离；二是与应急救援车行驶车道相同的G类其它车辆，设其它车辆与应急救援车的相对距离为R，根据R与道路FG长度W的大小关系，进行分类：若R≥(1/2)W，则为G-A类其它车辆，发送避让指令消息内容：当前车道有应急救援车驶来，请加速迅速驶离当前道路；若R<(1/2)W，则为G-N类其它车辆，发送避让指令消息内容：当前车道有应急救援车驶来，请向旁边车道变换车道行驶；避让持续期间，在应急救援车之后到达道路的O类其它车辆，发送避让指令消息内容：前方有应急救援车行驶，请减速慢行，切勿加速超车；

第三，其它车辆接收到避让指令消息，采取相应措施，执行避让指令；

第四，应急救援车通过道路FG，发送避让结束请求，避让完成。

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