劉紅業(yè)，華 實，程泊靜

（1.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412000；2湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

城市的緊急救護、消防救援、特勤護衛(wèi)等工作至關(guān)重要，其直接關(guān)系人民群眾生命和財產(chǎn)的安全以及社會的穩(wěn)定。目前救護車、消防車在執(zhí)行緊急任務(wù)時容易受紅燈的影響而耽誤時間。在執(zhí)行特勤護衛(wèi)任務(wù)時雖然會提前進行交通管制和制定綠波帶方案，但綠波功能需要在指揮中心提前設(shè)置和執(zhí)行，無法根據(jù)車隊的通行情況進行靈活調(diào)整，且對交通監(jiān)控系統(tǒng)的布局程度和局域網(wǎng)的穩(wěn)定性有較高的要求。針對當(dāng)前特勤任務(wù)在交通中存在的問題，本文通過分析車載終端通信單元的需求，實現(xiàn)車載終端與交通信號控制機、車載終端與指揮中心信號控制系統(tǒng)的實時通訊，研究了基于E-R需求模型的特勤綠波協(xié)同控制系統(tǒng)，以保障緊急救護、消防救援、特勤護衛(wèi)等任務(wù)的通行安全及任務(wù)執(zhí)行過程中的最高通行權(quán)[1]。

1 特勤綠波協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

特勤綠波信號協(xié)同控制系統(tǒng)主要由車載終端（手機APP、平板）和路側(cè)設(shè)備（信號控制機及檢測設(shè)備）、交通信號控制中心系統(tǒng)三部分組成。車載終端集成了GPS導(dǎo)航與定位技術(shù)，能實時獲取特勤車輛的位置信息傳輸給交通信號控制中心，同時車載終端電子地圖上同步顯示車輛位置、前方路口交通信號燈狀態(tài)等。路側(cè)單元可實時采集交通信號燈的運行工作狀態(tài)，并上傳至信號控制中心。交通信號控制中心的主要功能是處理來自道路監(jiān)控攝像頭的視頻信息、路側(cè)單元采集的信號燈狀態(tài)信息、車載系統(tǒng)采集的車輛位置信息等，根據(jù)車輛位置數(shù)據(jù)計算分析車輛到達(dá)前方路口的時間，并將前方路口的信號燈狀態(tài)傳輸給車載終端。

1.1 基于E-R模型的車載終端通信單元需求建模分析

R模型又稱為實體-聯(lián)系模型，是使用E-R圖來描述現(xiàn)實世界的概念模型。E-R圖通過實體、屬性、聯(lián)系等概念對現(xiàn)實世界進行基本抽象，建立實體與實體之間的聯(lián)系建立更高層次的概念，稱其為概念模型[2]。

特勤綠波協(xié)同控制系統(tǒng)的車載終端是采用交通信息動態(tài)交互的方式來保障緊急救護、消防救援、特勤護衛(wèi)的快速通行服務(wù)，因此，通信單元是車載終端的重點。其主要功能是完成車載終端與路側(cè)單元、車載終端與信號控制中心之間的實時信息交互。在設(shè)計車載終端通信單元的過程中，首先要對通信單元建立需求分析。需求分析是設(shè)計和構(gòu)建車載終端通信單元的起點和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響車載終端功能的設(shè)計和實現(xiàn)。車載終端通信單元作用于道路交通環(huán)境中，因此其需求分析需要對城市道路交通現(xiàn)狀進行調(diào)查，明確車載終端通信單元的需求和邊界，并對調(diào)查數(shù)據(jù)資料進行概念結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過抽象認(rèn)知建立基本概念模型，對抽象概念模型進行具體化，從而形成具體概念模型。E-R需求分析方法是對現(xiàn)實世界進行需求分析的一個有力手段。整個需求分析流程圖如圖1所示。

圖1 交通流需求分析流程圖

在需求分析的基礎(chǔ)上，對車載終端系統(tǒng)進行抽象認(rèn)知和具體化建立E-R概念模型，如圖2所示。該模型存在4個實體，分別為車載終端通信單元、車載信息處理和控制單元、智能路側(cè)設(shè)備、智能路側(cè)設(shè)備軟件單元、控制中心。車載終端通信單元分為兩部分：車載終端與路側(cè)單元之間的通信、車載終端與信號控制中心的通信。其中車載終端與路側(cè)單元之間的通信主要負(fù)責(zé)與智能路側(cè)設(shè)備進行車輛位置信息、行駛速度、交通信號燈狀態(tài)等信息的交互。信號控制中心對車載終端采集的信息進行存儲，并形成最佳的信號方案，盡量提高整個路網(wǎng)通行效率。

圖2 車載終端E-R概念模型

1.2 基于E-R模型的車載終端通信技術(shù)選擇

E-R需求模型展示了車載終端與路側(cè)單元、交通信號控制中心之間的交互感知的過程。各實體之間需選取合適的通信技術(shù)來完成交通信息動態(tài)傳輸?shù)哪康?，因此特勤綠波協(xié)同控制系統(tǒng)主要采用兩種通信方式：（1）車載終端與路側(cè)單元（信號控制機及檢測設(shè)備）主要采用短程通信方式（DSRC），DSRC具有網(wǎng)絡(luò)通信延時少、通信質(zhì)量高等優(yōu)點，適用于緊急特殊事件優(yōu)先申請和應(yīng)用。（2）車載終端與交通信號控制中心的通信方式主要采用4G無線網(wǎng)絡(luò)，4G網(wǎng)絡(luò)其具有覆蓋范圍廣、帶寬高、應(yīng)用靈活性好等優(yōu)點，適用于常規(guī)數(shù)據(jù)通信、非緊急信號通信等場景[3]。

2 特勤綠波交通信號協(xié)同控制系統(tǒng)功能設(shè)計

針對在遇到緊急救護、消防救援、特勤護衛(wèi)等任務(wù)時，信號控制系統(tǒng)無法快速有效實現(xiàn)智能綠波控制的問題，該系統(tǒng)在設(shè)計上充分考慮交警特勤場景，在使用自動特勤路線功能時，特勤車輛只需攜帶經(jīng)交警部門授權(quán)的車載終端（手機、平板）通過路口時即可實現(xiàn)一路綠燈快速通行。

2.1 車載終端通信單元功能設(shè)計

移動終端通信單元內(nèi)置GIS地圖和基于GPS衛(wèi)星定位的手機控制系統(tǒng)。當(dāng)車載終端的導(dǎo)航功能啟動后，車載設(shè)備讀取特勤車輛速度信息、通過GPS定位當(dāng)車輛的地理信息。當(dāng)特勤車輛距離交叉路口200m范圍內(nèi)，車載終端通過DSRC無線通訊和該路口的路側(cè)設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸。車載終端全程通過4G與信號控制中心系統(tǒng)通訊，可實現(xiàn)手動控制路口綠波、設(shè)置自動特勤路線以及路口智能綠波等功能。

2.2 信號控制中心通信單元功能設(shè)計

信號控制中心可設(shè)置多條特勤警衛(wèi)路線、設(shè)置不同的手機APP用戶控制權(quán)限，通過PC客戶端遠(yuǎn)程強制干預(yù)路口信號燈狀態(tài)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動控制等功能；可靈活增加、修改和刪除特勤路線，隨時查看已執(zhí)行特勤車輛的行車軌跡。中心平臺系統(tǒng)除完成數(shù)據(jù)匯集、分析、轉(zhuǎn)發(fā)外，還提供數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲、運行監(jiān)控的功能[4]。

2.3 特勤綠波交通信號協(xié)同控制系統(tǒng)工作流程

特勤綠波信號協(xié)同控制系統(tǒng)主要由車載終端（手機APP、平板）、路側(cè)設(shè)備（信號控制機及檢測設(shè)備）和交通信號控制中心系統(tǒng)三部分組成。車載終端集成了GPS導(dǎo)航與定位技術(shù)，能夠獲取目標(biāo)車輛的當(dāng)前位置、行駛車速、規(guī)劃路徑等數(shù)據(jù)，并發(fā)送至交通信號控制中心，控制中心獲取車輛的行駛信息則可處理車輛的優(yōu)先通行請求。優(yōu)先通行請求分為自動請求和手動請求兩種方式。

自動請求是信號控制中心根據(jù)車載終端獲取的目標(biāo)車輛或車隊的定位信息、規(guī)劃行駛路徑和行駛方向等信息，自動預(yù)測目標(biāo)車輛到達(dá)前方交叉路口的時間，并獲取該交叉路口的信號狀態(tài)，向路側(cè)設(shè)備及信號控制機提前發(fā)送優(yōu)先通行請求，切換信號控制狀態(tài)。同時信號控制中心將路口信號數(shù)據(jù)整合后傳輸給車載終端，可通過車載終端截面顯示前方交叉路口的信號燈狀態(tài)信息。

手動方式是指駕駛員通過操作車載終端向信號控制中心發(fā)送優(yōu)先通行請求。當(dāng)目標(biāo)車輛距離交叉路口200m范圍內(nèi)，車載終端通過DSRC無線通訊和該路口的路側(cè)設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸。車載終端與路側(cè)設(shè)備通訊的數(shù)據(jù)包含車輛的位置信息、行駛速度信息和規(guī)劃路徑信息等，信號燈接收到數(shù)據(jù)后判斷目標(biāo)車輛的行駛方向后中斷路口信號控制機的控制，將該方向的信號燈放行綠燈，其他方向的信號燈則變?yōu)榧t燈，使目標(biāo)車輛能不停車快速通過，待目標(biāo)車輛駛離路口，車載終端和信號燈連接斷開，信號燈重新由信號控制機進行控制。特勤綠波信號協(xié)同控制如圖3所示。

圖3 特勤綠波信號協(xié)同控制流程

3 結(jié)論

針對城市在遇到緊急救護、消防救援、特勤護衛(wèi)等任務(wù)時，無法快速有效地實現(xiàn)交叉口智能綠波的問題，本特勤綠波交通信號協(xié)同控制系統(tǒng)在功能設(shè)計上充分考慮到可能出現(xiàn)的應(yīng)急需要，在使用自動特勤路線功能時，特勤車輛只需攜帶經(jīng)交警部門授權(quán)的用戶手機通過路口時即可實現(xiàn)一路綠燈情況，對于車隊該系統(tǒng)還可實現(xiàn)“前車開道后車押尾”的雙車特勤控制模式，只需頭車及尾車分別攜帶授權(quán)手機即可保證車隊一次性完整通過，徹底杜絕了特勤車隊分離的情況出現(xiàn)，有效地提高了特勤控制效率及線路的安全性。其中路口智能綠波控制模式主要針對于消防及救護車輛特殊應(yīng)急通行，授權(quán)用戶使用該功能后無需設(shè)置特勤路線即可“暢通無阻”無需等待前方路口紅燈。