趙 欣 龐明寶

（河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院 天津 300400）

0 引 言

救護車和消防車等應(yīng)急車輛的暢通和公交車等優(yōu)先級車輛的通行是道路交通管理的基本內(nèi)容[1-2]，許多相關(guān)控制方法已得到具體工程應(yīng)用，如針對公交優(yōu)先的專用道設(shè)置方法[3-4]、應(yīng)急通道設(shè)置，以及管控措施[5-6]等。這些方法在一定程度上實現(xiàn)了特殊車輛的優(yōu)先通行，但也存在一定弊端。一方面，專用道的設(shè)置使其他車輛可用道路空間減少，在交通需求較高時會加劇道路擁堵[7]；另一方面，強制換道等控制措施受到技術(shù)手段限制，實施難度大且效果有限[8]。因此，如何解決這些問題是提高道路交通管理能力的關(guān)鍵之一。

智能網(wǎng)聯(lián)車（connected and automated vehicles，CAVs）能通過信息交互實現(xiàn)精細化和動態(tài)化的車道管理策略，為提高道路通行能力、多優(yōu)先級車輛綜合控制提供了技術(shù)支持[9-10]。但CAVs的發(fā)展不是一蹴而就的，Litman[11]指出人工車輛（human-driven vehicles，HVs）與CAVs構(gòu)成的混行交通將在未來較長時間存在。在混行交通中，受HVs的干擾，特殊車輛優(yōu)先通行在很多情況下無法得到保障[12]。對此，趙鑫[13]和Winsor[14]提出設(shè)置專用車道方法來排除HVs的干擾；Xiao等[15]、劉悠冉[16]和Levin等[17]則改造已有專用道，在不影響特殊車輛通行的前提下允許部分CAVs進入專用道行駛。這些方法既保證了特殊車輛的優(yōu)先通行，又提高了專用道的空間利用效率。然而，已有研究集中在保障公交優(yōu)先通行的車道控制方法，特別是公交專用道控制方法上，不涉及應(yīng)急車輛的優(yōu)先通行，且大部分研究基于整條路段進行車輛控制，存在一定空間局限性[18]。

清空距離是車道控制方法中保障特殊車輛優(yōu)先通行、擴大空間適用范圍的關(guān)鍵參數(shù)[18]。Zyryanov等[19]指出已有的公交專用道控制策略研究經(jīng)常忽略私家車流量、公交發(fā)車頻率和清空距離部署長度對道路整體通行能力及車速提升的影響，但三者的不同組合會獲得不同的實施效果。對此，Wu等[20]針對公交專用道的不同靜態(tài)清空距離長度在不同交通條件下的控制效果展開了研究，獲得了靜態(tài)清空距離長度與車流量等交通條件的最佳組合；Ma等[21]進一步將道路劃分為多段長度相等的靜態(tài)清空區(qū)域，通過組合不同數(shù)量的清空區(qū)域，在保障公交優(yōu)先基礎(chǔ)上提高了專用道的空間利用率。但在道路混合交通中，Rau等[22]發(fā)現(xiàn)靜態(tài)清空距離受到其特性和適用范圍限制，仍然存在車道閑置空間過長或無法完全清除特殊車輛下游干擾車輛的局限性。為了克服這些限制，Xie等[23]提出在公交專用道上設(shè)置動態(tài)清空距離的方案，擴大了清空距離的適用范圍。宋現(xiàn)敏等[24]提出了1 種公交專用道的動態(tài)清空距離確定方法，根據(jù)公交車到達狀態(tài)和排隊長度動態(tài)決策清空距離，有效提高了公交專用道的空間利用率。然而，考慮到應(yīng)急車輛不受信號控制和高優(yōu)先級等特點，現(xiàn)有動態(tài)清空距離模型和設(shè)置方案不能直接應(yīng)用于應(yīng)急車輛優(yōu)先通行控制中。

綜上所述，目前國內(nèi)外相關(guān)研究多集中于公交專用道的控制方法，僅強調(diào)公交車等一般優(yōu)先級車輛在空間上的車道控制策略，較少有對應(yīng)急車輛優(yōu)先通行問題的討論，尤其忽略了應(yīng)急車輛與公交車等混合行駛時控制策略的動態(tài)決策。在車道清空控制方面，現(xiàn)有研究大部分通過仿真實驗設(shè)置靜態(tài)的清空距離，不僅無法滿足多優(yōu)先級特殊車輛的通行需求，還存在適用范圍有限的局限性。少數(shù)關(guān)于動態(tài)清空距離的研究也未考慮與CAVs 準入準出規(guī)則和交叉口預(yù)測排隊過程的聯(lián)合優(yōu)化，在通勤高峰時段可能因“特殊車輛進入路段時，車道下游阻礙車輛已積累過多”，使特殊車輛優(yōu)先無法得到保障。

基于此，設(shè)置多優(yōu)先級特殊車輛與CAVs混合使用的專用車道，或改造已有公交車道為該專用車道；建立專用車道上“隨特殊車輛優(yōu)先級和預(yù)測排隊狀態(tài)變化而進行動態(tài)決策”的動態(tài)清空距離模型。同時，建立車輛換道決策控制模型，提出專用車道控制策略，通過仿真實驗予以驗證。

1 動態(tài)清空距離模型

1.1 研究對象

以圖1所示的4車道城市道路為研究對象，對相鄰交叉口之間路段中正常行駛的車輛進行控制。其中，最外側(cè)車道為僅允許特殊車輛與CAVs使用的專用車道，其他3條車道供HVs和CAVs行駛。行駛車輛分為HVs、一般CAVs 和特殊車輛（配備智能網(wǎng)聯(lián)車設(shè)備），其中特殊車輛包括應(yīng)急車輛（如消防車、救護車等）和一般優(yōu)先級車輛（如公交車等）。CAVs之間能夠通過信息交互獲得道路實時交通信息。

在該專用車道內(nèi)，特殊車輛的優(yōu)先通行通過動態(tài)清空距離的激活來實現(xiàn)，見圖1。當專用車道無特殊車輛行駛時，CAVs 在自由行駛；當特殊車輛進入本路段專用車道時，根據(jù)特殊車輛到達狀態(tài)和交叉口排隊預(yù)測狀態(tài)激活動態(tài)清空距離，向該清空距離范圍內(nèi)的CAVs 發(fā)送換道信號，同時禁止其他車道CAVs進入清空距離范圍。

圖1 動態(tài)清空距離示意圖Fig.1 Dynamic clear distance diagram

動態(tài)清空距離的激活長度對專用車道利用率和特殊車輛優(yōu)先通行有著重要的影響[24]，清空距離過長會導(dǎo)致下游路段車道長時間空置，造成專用車道整體利用率降低；清空距離過短則無法完全排除下游CAVs的干擾，造成特殊車輛延誤。

1.2 交叉口排隊預(yù)測

基于下游交叉口信號配時方案和CAVs 共享信息的動態(tài)隊列預(yù)測模型可以獲得在第n個信號周期內(nèi)交叉口j的最大排隊長度和其隊列末端開始消散時間，見式（1）～（3）。

特殊車輛到達下游交叉口的狀態(tài)見圖2，點A和點B分別表示特殊車輛加入排隊隊列和從隊列中開始消散的位置。特殊車輛的到達狀態(tài)見式（4）～（5）。

圖2 特殊車輛到達交叉口狀態(tài)Fig.2 Arrival status of special vehicles at intersection

式（4）表示車輛在暢通情況下保持原速度到達交叉口；式（5）表示車輛保持原速度加入交叉口處的排隊隊列。

為保障特殊車輛優(yōu)先通行，應(yīng)優(yōu)化排隊過程，使預(yù)測隊列中妨礙特殊車輛行駛的CAVs 提前換道至其他車道，減少排隊隊列的長度，排隊優(yōu)化后特殊車輛不停車從隊列中釋放的臨界時間和對應(yīng)的無干擾隊列臨界加入時間為

1.3 動態(tài)清空距離確定

為符合實際道路條件和安全性保障，動態(tài)清空距離的長度約束見式（8）～（9）。

式中：dj為交叉口j上游路段的動態(tài)清空距離長度，m；dmin為最小安全車間距，m。

1.3.1 應(yīng)急車輛清空距離

在確保安全的前提下，應(yīng)急車輛不受信號燈限制，在紅燈時仍擁有交叉口通行權(quán)，且盡量避免速度損失。因此，動態(tài)清空距離的激活長度僅與特殊車輛在交叉口的排隊優(yōu)化過程相關(guān)。由此，應(yīng)急車輛到達交叉口時的排隊狀態(tài)可分為以下3種場景。

由于到達交叉口時信號燈為綠燈，下游排隊隊列能夠隨著時間增長消散，存在1 個可行的清空距離能夠使應(yīng)急車輛在綠燈時間內(nèi)通過交叉口，見式（10）。

由于應(yīng)急車輛能夠在紅燈通過交叉口，需要將其下游車道到交叉口這一段距離的CAVs清空，獲得暢通的緊急通行通道，見式（11）。

1.3.2 一般優(yōu)先級車輛清空距離

一般優(yōu)先級車輛受到信號燈控制，其獲得的空間優(yōu)先通行權(quán)僅在相鄰交叉口之間的路段中體現(xiàn)。其優(yōu)先通行需求不僅要滿足自身優(yōu)先通行，還要實現(xiàn)與非優(yōu)先車輛之間的需求平衡。因此，根據(jù)其到達下游交叉口的信號狀態(tài)和交叉口預(yù)測排隊長度，要求動態(tài)清空距離適用于以下3種場景。

一般優(yōu)先級車輛不會在紅燈時間內(nèi)通過交叉口，而是排隊等待下1 個信號周期的綠燈開始。它的優(yōu)先通行通過滿足其在下1信號周期綠燈時間通過交叉口的需求來保障，此時動態(tài)清空距離的長度見式（13）。

式中：vd為車輛期望運營速度，m/s。

2 專用車道控制策略

2.1 控制流程

系統(tǒng)控制流程見圖3。

圖3 混合車道動態(tài)控制流程圖Fig.3 Dynamic control flow chart of hybrid lane

在實際道路交通中，特殊車輛的到達狀態(tài)和道路交通情況是動態(tài)變化的。因此，特殊車輛與CAVs混合車道控制策略應(yīng)根據(jù)實時交通情況進行動態(tài)決策。

車輛為特殊車輛時，若下游交叉口排隊隊列能完全消散，可知無需激活動態(tài)清空距離；否則根據(jù)車輛優(yōu)先級激活動態(tài)清空距離，將換道信號發(fā)送至清空距離內(nèi)的CAVs。

車輛為一般CAVs時，根據(jù)其所在車道位置和動態(tài)清空距離激活情況實施不同的換道決策控制策略。

2.2 換道決策控制模型

2.2.1 一般換道決策控制

HVs 和清空距離之外的CAVs 的換道行為需要滿足一般換道決策控制的換道動機和換道安全條件要求。一般換道決策控制方法采用Chowdhury等[25]提出的換道規(guī)則和Nie 等[26]提出的基于激勵的候選換道決策模型作為研究的基礎(chǔ)，約束其每個時間步長至多換道1次。換道動機為換道后車道行駛條件比當前車道更優(yōu)，見式（14）～（16）。

式（16）中車輛的換道收益既包括車輛換道后的優(yōu)勢，又包括由禮讓系數(shù)決定的目標車道上跟隨車輛的影響[26]?？紤]相鄰普通車道存在CAVs 與HVs混行的情況，為保障專用車道的CAVs 換道安全，在相鄰車道跟隨車輛為HVs 時禮讓系數(shù)取1，并向相鄰車道其他跟隨車輛（候補車輛）進行換道決策。

換道安全條件為換道時不會對目標車道上的后車產(chǎn)生影響且保持安全間隙，見式（17）～（18）。

2.2.2 CAVs合作換道決策控制

該專用車道上的CAVs 換道決策受到動態(tài)清空距離的影響，若CAVs 在清空距離內(nèi)行駛，需要及時換道為特殊車輛提供安全暢通的通行空間。其換道動機見式（19）。為提高換道效率，在CAVs接收到換道信號后實施CAVs合作換道決策控制，采用相鄰車道前車加速與后車減速相結(jié)合的方式為換道車輛提供空間，可以一定程度上減少相鄰車道車輛的速度損失[27]。由此提供的換道空間為

式中：daf和dar分別為相鄰車道前車加速提供的換道空間長度和后車減速提供的換道空間長度，m；為第k時刻相鄰車道前車的前車位置，m。

通過合作控制，相鄰車道前車速度vafa和后車速度vard為

式中：b為車輛減速度，m/s2；Δt為車輛速度優(yōu)化過程時長，s。

3 仿真方案設(shè)計

3.1 實驗對象

本文以以南開大學(xué)附屬醫(yī)院與天津市西北角地鐵站之間2 534 m的單向4車道路段為實驗對象，其中最外側(cè)車道為專用車道，信號燈不限制車輛右轉(zhuǎn)。通過微觀交通仿真軟件SUMO建立仿真道路模型，見圖4。

圖4 實驗區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic of the experimental area

3.2 仿真實驗方案及參數(shù)設(shè)定

為驗證本文控制策略的有效性，設(shè)計3 組仿真實驗進行對比。

策略1。設(shè)置特殊車輛與CAVs 混合使用的專用車道，但不考慮特殊車輛優(yōu)先通行。

策略2。設(shè)置特殊車輛與CAVs 混合使用的專用車道，采用間歇式公交專用道（intermittent bus lane，IBL）控制方法設(shè)置清空距離，即特殊車輛進入該路段后，向該路段專用道內(nèi)所有CAVs發(fā)送換道信號，清空專用道。

策略3。本文所提基于動態(tài)清空距離的特殊車輛與CAVs混合車道控制方法。

為了體現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下車輛位置和速度的可知性，CAVs 和特殊車輛的駕駛模型采用CACC（cooperative adaptive cruise control）模型，HVs 的駕駛模型采用IDM（intelligent driver model）模型。設(shè)置應(yīng)急車輛和公交車的期望速度分別為16.6 m/s和9.7 m/s，非特殊車輛最大限速為12.5 m/s，非特殊車輛的加速度和減速度分別為4 m/s2和4.5 m/s2。特殊車輛和非特殊車輛的車長分別為10 m 和4 m，最小安全車間距為5 m。

設(shè)置仿真時長為4 200 s，前600 s時間為預(yù)熱時間，道路通行能力c為1 200 pcu/h。非特殊車輛的車流量分別為[0.1，0.2，0.3，…，0.8]×c，特殊車輛的車流量為120 pcu/h，單位時間步長為1 s。結(jié)合參考文獻[20]，[21]和[24]中所選取的模型評價指標，本文最終選擇特殊車輛車均延誤時間、整體車均及人均出行時間、車道交通量變化情況以及CAVs滲透率影響情況共5 個指標作為這3 種策略的仿真評價指標。同時為了消除隨機性引起的誤差，結(jié)果取5 次仿真實驗的平均值。

3.3 仿真結(jié)果及分析

3.3.1 特殊車輛車均延誤時間

特殊車輛車均延誤時間的對比見圖5。由于實施了特殊車輛優(yōu)先策略，策略2和策略3的特殊車輛車均延誤時間相比策略1明顯減少。

圖5 特殊車輛車均延誤時間Fig.5 Average vehicle delay time of special vehicles

策略3 則能夠通過設(shè)置車道清空距離和CAVs合作換道決策控制，避免出現(xiàn)特殊車輛通行受阻的情況。與其他2種策略相比，策略3的特殊車輛車均延誤時間更短。在道路總交通流量較低（480，960，1 440 pcu/h）時，與策略1 和策略2 相比，策略3 的特殊車輛車均延誤時間分別減少61.5%和41.8%。在道路總交通流量高于1 920 pcu/h 時，策略3 的特殊車輛車均延誤時間比策略1降低59.6%以上，且該差距隨著道路總交通流量的增加明顯增大；比策略2降低13.5%，但差距逐漸減小。

3.3.2 道路整體車均、人均出行時間

整體車均出行時間和人均出行時間見圖6～7。

圖6 整體車均出行時間Fig.6 Average vehicle travel time

圖7 整體人均出行時間Fig.7 Per capita travel time

策略1的整體車均出行時間和人均出行時間明顯高于其他2種策略，這是由于策略2應(yīng)用了IBL控制方法，特殊車輛較高的到達頻率使專用車道對CAVs 的開放時間減少。本文提出的策略3 由于激活的動態(tài)清空距離較短，與策略2相比，車均出行時間和人均出行時間分別減少16.7%和14.6%。對比3種策略的出行時間中位數(shù)，與策略1 相比，策略2 和策略3 因考慮特殊車輛優(yōu)先導(dǎo)致出行時間增長，其中策略2的人均出行時間較策略1增長幅度明顯，且數(shù)值波動較大，顯示了在特殊車輛到達頻率較高時的不適用性；策略3 較策略1 數(shù)值變化幅度較小，車均和人均出行時間的增長幅度分別為3.9%和2.8%，既滿足了特殊車輛優(yōu)先功能也保持了設(shè)置專用道的優(yōu)勢。

3.3.3 單車道交通量

專用車道和普通車道交通量的對比見圖8和圖9。由于策略1只允許特殊車輛和CAVs進入專用道而不考慮特殊車輛優(yōu)先，各車道交通量區(qū)別較小且隨著道路總交通量的增加而變化，呈現(xiàn)圖中接近線性關(guān)系。因特殊車輛到達頻率較高導(dǎo)致專用道空置時間過長，策略2的專用道交通量保持著較低的水平，其他3條普通車道的交通壓力增大，在道路總交通量為3 840 pcu/h時，普通車道已經(jīng)飽和，將造成嚴重擁堵。

圖8 專用車道交通量Fig.8 Traffic flow of the dedicated lane

圖9 普通車道交通量Fig.9 Traffic flow of the normal road lane

從整體分析，本文提出的策略3 能在保障特殊車輛優(yōu)先通行的情況下，提高專用車道的利用率，一定程度上緩解其他車道的交通壓力。其中，在交通量小于960 pcu/h 時，策略3 的專用車道交通量增長幅度平緩，與策略2 相比僅增加了28～32 pcu/h，且策略3 的普通車道交通量與策略2 趨同。這是由于實施了動態(tài)清空距離，社會車輛獲得了部分車道使用空間，但此時道路空間充足，社會車輛使用專用車道的意向不強；在中等交通量水平的情況（1 920 ，2 400，2 880 pcu/h）下，此時道路車均可用空間逐漸減少，社會車輛為提高自身通行效率，更多的利用專用車道空間，減少了普通車道的交通壓力，使策略3的專用車道交通量增長速度提高，普通車道交通量與策略2 相比減少。當交通量大于3 360 pcu/h 時，受到動態(tài)清空距離的限制，準許使用專用車道的社會車輛數(shù)已接近飽和，不允許更多車輛進入專用車道。此時專用車道的交通量保持穩(wěn)定，與策略2 相比增加了271～286 pcu/h，普通車道的交通量提升，但與策略2相比更晚達到飽和狀態(tài)。

3.3.4 CAVs滲透率影響

為了得到設(shè)置本文提出的專用車道的臨界條件，對比分析CAVs滲透率影響情況，見圖10。在考慮特殊車輛優(yōu)先通行的設(shè)置條件下，對比策略2 和策略3的整體車均延誤時間變化情況。從總體趨勢來看，本文提出的策略3 在提升道路通行能力方面明顯比策略2的實施效果優(yōu)秀。

圖10 道路整體車均延誤時間Fig.10 The average vehicle delay time

在交通量水平較低的情況（480，960，1 440 pcu/h）下，此時道路空間充足，CAVs 滲透率變化對策略3的影響極?。辉谥械冉煌克降那闆r（1 920，2 400，2 880 pcu/h）下，策略3的車均延誤時間隨著CAVs 滲透率的減小呈現(xiàn)較為明顯的增長趨勢。當交通量大于3 360 pcu/h 時，受車道容量限制和換道行為影響，當滲透率達到0.4 時，專用車道接近飽和狀態(tài)，道路整體CAVs數(shù)量的增長對專用道內(nèi)可容納的CAVs數(shù)量的影響極小。由此可知，在CAVs滲透率高于0.4時設(shè)置特殊車輛與CAVs混合使用的專用車道能獲得最佳控制效果。

4 結(jié)束語

筆者提出的特殊車輛與CAVs 混合專用車道控制方法分析了不同優(yōu)先級特殊車輛的通行需求，能夠綜合考慮應(yīng)急車輛暢通、一般優(yōu)先級車輛優(yōu)先通行和一般CAVs 行駛，減少特殊車輛延誤，提高道路通行能力。并且，在為特殊車輛提供清空距離的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)決策。相比常規(guī)專用道優(yōu)先控制策略降低了車均和人均出行時間，提高了專用車道的利用率，體現(xiàn)了智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境中的精細化控制和整體優(yōu)化控制思想。雖然提出的方法受限于CAVs滲透率，在低滲透率下的實施效果并不十分理想，但是相比傳統(tǒng)專用道優(yōu)先控制方法，車均延誤時間相對較少，能夠緩解交通擁堵問題并提高道路整體通行效率。

通過設(shè)置基于動態(tài)清空距離的特殊車輛與CAVs混合車道，在特殊車輛空間優(yōu)先方面取得了一定成果。但交叉口信號燈采用固定的配時方案，與實際交通運營環(huán)境存在一定差異；動態(tài)清空距離模型無法控制已排隊車輛的不足也需通過與交叉口信號優(yōu)化方法的協(xié)同控制進行彌補。因此，后續(xù)將考慮交叉口信號優(yōu)先控制方法，進一步討論特殊車輛的時空間優(yōu)先協(xié)同控制策略，減少單一控制策略的局限性，為具體交通控制和管理提供工程指導(dǎo)。