车路协同环境下紧急车辆信号控制优先通行系统实现_王吟松

第2部分 智能交通应用

车路协同环境下紧急车辆信号控制优先通行系统实现

王吟松 杨晓光 黄罗毅 吴志周 王嘉文

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092）

摘 要：救护车、消防车等紧急车辆是城市交通流中的重要组成部分。随着交通拥堵的常态

化，其运行效率、可靠性、安全性以及对常规社会交通流产生不利影响亟需优化。本文使用

专用短程无线通信技术（Dedicated Short Range Communication，DSRC ），构建并实现了车辆

与路侧系统相互通信的紧急车辆信号优先通行系统。对系统功能、组成和工作原理进行了描

述。于江苏省太仓市实际道路上搭建了原型系统并在真实交通流环境中进行了测试验证。结

果表明本系统能有效提升紧急车辆运行效率。

关键词：车路协同；紧急救援；信号优先；系统实现

Transit Signal Priority for Emergency Vehicle Based on

Cooperative Vehicle Infrastructure System

YinsongWang, XiaoGuang Yang, Luoyi Huang, Zhizhou Wu, Jiawen Wang

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,

Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: Emergency vehicle such as ambulance or fire truck is an important part of traffic flow. The

efficiency, reliability and safety of emergency vehicle operations dropped due to increasing traffic

congestion.This paper describes the design and implementation of an emergency vehicle signal

prioritysystem in a Cooperative Vehicle-Infrastructure System (CVIS) environment.The system

function, system architecture and operation strategies were presented. Then, the system was deployed

and validated at two adjacent intersections in Taicang City, Jiangsu Province. Results show that the

proposed system can improve the efficiency of emergency vehicle operations.

Key words: CVIS, Emergency Vehicle Operations, Transit Signal Priority, System Implement

1 引言

救护车、消防车等紧急车辆作为城市交通流中的组成部分，如何提高其运行效率、可靠性、安全性以及如何降低优先与救援对常规社会交通流产生不利影响是近年来该领域的研究热点。交通信号控制作为调控交通流、提高安全性、缓解交叉口阻塞的主要措施，却往往因其造成的排队车辆而使得紧急救援车辆行驶受到阻碍。国内外学者分别从路径选择、信号优先等方面进行了研究。朱茵[1]将基于事例、知识推理以及Dijkstra 算法有机集成，产生交警特勤路径，实现特勤车辆快速到达目的地的目标。宋辉华[2]着重研究了在灾害较为严重的情况下，来自不同进口方向的多辆紧急救援车辆并发优先控制问题。Haghani 等[3]运用仿真手段研究紧急救援车辆不同任务阶段优先控制问题，考虑路网交通状态的实基金项目：国家863计划智能车路关键技术研究（2011AA110404）

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时变化，构造车辆出行动态最短路径模型。Louisell [4]根据现场观测数据，以紧急优先信号为研究背景建立了预测紧急救援车辆行程时间的方法。由于信息采集技术发展的限制，以及交通拥堵的常态化，现有基于路径选择和行程时间预测的优先控制方法并不能很好适应道路上出现的临时交通变化，往往造成紧急车辆堵在交通流之中而不能迅速抵达目的地展开救援工作。

近年来，电子信息、无线通信和交通技术的迅速发展与应用，推动了以车车（V ehicle to Vehicle ，V2V ）、车路（V ehicle to Infrastructure，V2I ）通信为基础的车路协同系统（Cooperative Vehicle Infrastructure System，CVIS ）系统理念的产生和初步实现[5~7]。本文即是基于车路协同的思想，使用IEEE 802.11p这种具备低延迟、高可靠性、高吞吐量等特性的专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC ）[8]技术，于中国实地城市构建了用于紧急车辆的多交叉口信号优先通行系统。该系统提供了实时全息的交通信息以及通讯手段，使控制方（信号灯）与被控制方（行驶车辆）建立即时交流，在紧急车辆通行的过程中，控制方能够获得紧急车辆以及其他社会车辆行驶速度、车辆位置、车辆路径等更为细粒的交通控制信息，并据此生成最适合当前交通流的紧急优先控制方案，同时被控制方也能获取到速度诱导、避让提示等信息服务，使得优先控制方案可执行程度大大提高，并减少优先控制对其他社会车辆的影响。 2 系统构建

2.1 系统功能

研究团队在同济大学嘉定校区内车路协同系统实验场和中国江苏省太仓市的真实道路上分别建立了紧急车辆优先通行模拟实现系统和实地实验系统。

当车辆进入与交叉口通信范围时（约为1KM ），车辆与路侧系统之间自动发生信息交互，交互内容包括车辆识别码、本地时间、经度、纬度、车辆行驶工况等。车内显示设备可实时在卫星地图上显示本车位置、前方交叉口位置以及本车路径，路侧系统的显示端以及监控中心可实时显示通信范围内所有车辆位置及速度信息。

紧急车辆通过发送优先通行请求使信号灯主动调整，优先通行请求分为自动发送和手动发送两种方式。其中自动方式根据紧急车辆行驶方向、预设路径和实时位置，识别前方目标交叉口，一旦紧急车辆进入与目标交叉口一定距离范围内则自动发送优先通行请求直至车辆通过该交叉口。根据未来可能的其他应用场景，本系统同样支持手动操作方式，在手动模式下，系统仍将自动识别前方交叉口，但不会自动发送优先通行请求，仅当紧急车辆上使用者通过车载触摸屏发送优先请求时，系统才会向前方交叉口发送优先通行请求，使用者同样可以指定通信范围内的其他交叉口发送优先请求。

信号优先策略则主要采用红灯早断和绿灯延长的的方式，为保证信号切换时交叉口范围内其他车辆安全，系统从信号切换策略和提醒策略上进行了优化设计。信号切换策略中，系统根据紧急车辆实时位置和速度，预估车辆到达时刻，在考虑交叉口各方向最小绿灯时间的前提下选择最佳时机切换信号灯，并设置黄闪和全红信号结合的缓冲时间，保证行车安全。另一方面，当紧急车辆发送优先通行请求时，还将自动发送警示信息至其他装载了车路协同系统的社会车辆，使得社会车辆安全避让紧急车辆。

当车载系统识别到紧急车辆通过交叉口时，将自动发送优先通行结束信息至路侧系统，路口信号控制方案则恢复为常态。

2.2 物理系统组成

系统由车载系统、路侧系统和中心监控系统组成，各部分设备及物理结构为：

（1）实验车及车载设备

实验车由以下几部分组成：车辆、车载逆变供电系统、DSRC 通讯设备（DENSO WSU）、GPS 模块、车辆中央控制单元数据读取模块、车载数据处理电脑、车载显示屏、3G 通信组件。车载设备如图1所示。 ・406・

第2部分 智能交通应用

（a ）实验车外观及天线 （b ）车载处理与显示设备

图1 车载系统设备部署

车载物理结构如图2所示。

图2 车载物理结构

车载设备功能如表1所示。

表 车载设备功能清单 设备名称

车辆

电源逆变器

GPS 模块

CAN 读取设备

DSRC 通讯设备

处理器

车载显示屏

车载音响

3G 通信组件 车载设备放置平台，实验对象 车载12V 直流电逆变为220V 交流电，供电各个设备 车辆位置粗略定位 从车辆中央控制单元读取车辆速度、转速等数据 与其他车辆和路侧设备通信 车辆部分数据处理 信息发布 音频信息发布 与控制中心通信 功能

（2）路侧设备 路侧设备功能是通过DSRC 与紧急车辆通信，根据紧急车辆实时位置和行驶状态计算最优控制方案，将控制指令发送至信号机，使得紧急车辆不停车通过交叉口。路侧设备主要包括DSRC 通信设备和信号控制机。图3为路侧设备实物。

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(a)路侧信号机设备 (b)路侧DSRC 通信设备（DENSO WSU）

图3 路侧系统设备部署

路侧物理结构如图4所示。

图4 路侧物理结构

路侧设备功能如表2所示。

表 路侧设备功能清单 设备名称

信号机

处理器

AP(Access Point)

DSRC 通讯设备 紧急车辆信号优先控制信号灯控制 处理实时数据与控制中心指令 与控制中心局域网通信 与车辆通信 功能

（3）紧急车辆监控中心

紧急车辆监控实现数据接收、汇总与发布，紧急车辆状态监视，总体控制的功能，其设备包括：应用服务器、数据库服务器、控制端PC 和监视器。实验室控制中心如图5所示。

（a ）监控中心 （b ）监控软件界面

图5 监控中心设备部署

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紧急车辆监控中心物理结构如图6所示。

图6 监控中心物理结构

控制中心各部件功能如表3所示。

表 控制中心设备功能清单

设备名称

应用服务器

数据库服务器

控制台

监视屏幕

路由 运行后台服务 储存、汇总实验数据 数据操作，指令操作 显示实时现场情况 搭建中心网络拓扑 功能

3 系统软件及信息流

系统软件分别部署在通信设备和数据处理设备上。其中，通信设备上底层通信程序采用C 语言开发，运行在嵌入式Linux 系统环境中；数据处理设备上紧急车辆优先通行控制软件采用C#语言开发，运行在Windows XP SP2以上版本的系统环境中。

紧急车辆与路侧系统之间通信过程如图7所示。

图7 紧急车辆信号优先控制通信过程

4 信号优先切换方法

通过上述系统构建，形成紧急车辆与路口信号灯的高频率通讯以及紧急车辆行驶状态的高质量采集，路侧系统需要根据紧急车辆到达情况和路口当前信号灯状态运算判定信号优先切换方法，以保证紧急车辆在绿灯期间到达并通过交叉口。设计信号优先切换方法时主要需考虑紧急车辆至交叉口行程时间（T E ），紧急车辆至交叉口距离（L E ），紧急车辆预期运行速度（V E ），路口信号灯周期（C ）和当前信号相位剩余时间（t now ）。切换方法如图8所示。

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图8 信号优先切换方法

5 实地测试及结果 5.1 实地测试过程

（1

）实验场紧急车辆优先通行实验

紧急车辆优先通行基本功能测试选择在同济大学嘉定校区内部车路协同实验场进行，实验中选用SWARCO 和上海交大高新两种信号机置于实验场内两个交叉口，当实验车逼近交叉口时，由车载客户端发送黄灯闪烁优先通行和绿灯锁定优先通行两种指令，使得实验车不停车通过交叉口。 （2）太仓市真实道路紧急车辆优先通行实验 如图9所示，紧急车辆沿着长春路由北向南行驶至县府路-长春路、

新华路-

长春路信号控制交叉口时，系统根据紧急车辆位置，自动向路口信号控制机发送优先通行请求信息，信号机通过

DSRC 收到请求信息后，经过图7所示的通信链路，将交叉口信号灯锁定为绿灯，给予紧急车辆优先通行。紧急车辆自动检测是否已经通过交叉口，通过交叉口后，自动向对应路口信号控制机发送信号恢复控制信息，路口信号灯解锁恢复至锁定前信号控制状态。

图9 紧急车辆优先通行实地测试场景

5.2 测试结果

根据太仓市实地实验数据记录，我们对紧急车辆在有优先通行系统运行和无优先通行系统运行两种情况下进行了对比分析，下面介绍随机选择的两次优先通行实验和一次无优先通行实验数据进行分析，分析内容包括车辆速度分布、轨迹曲线、行程时间、停车时间、平均速度和速度标准差。 ・410・

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图10 优先通行实验1速度分布

图11 优先通行实验2速度分布

图12 普通通行实验速度分布

由图10、图11可以看出，优先通行实验中，速度总体保持在较高水平，且波动较小，未出现因信号交叉口红灯而停车的现象。普通通行实验中（图12），车辆因前方交叉口排队、遭遇红灯等因素，在交叉口附近速度波动较大，且整个路径行程时间比优先通行较长。

图13 优先通行实验距离-时间轨迹

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对三次具体实验结果进行分析，得出行程时间、停车时间、平均速度和速度标准差对比如表4所示。

表4 紧急车辆优先通行实验结果对比 试验类型 行程时间 停车时间

0s

0s

10s 平均速度 28.30km/h 26.66km/h 22.14km/h 速度标准差 优先通行优先通行普通通行表中，两次优先通行实验行程时间明显低于普通通行，且整个行驶过程中未出现停车。普通通行则因为遭遇红灯而出现了10s 的停车。平均速度方面，优先通行明显优于普通通行，且速度标准差所体现出的行驶过程中速度波动情况也是优先通行优于普通通行，较小的速度波动可以提高车辆燃油利用效率和乘坐舒适感（对救护车上病人尤为重要）。从实验结果可认为，较之无信号优先通行的普通交通环境，优先通行系统能缩减约25%的行程时间，且大大降低行驶过程中速度波动，其对紧急车辆行驶的优先控制在节能减排和紧急救治方面有着重要意义。

6 结论

本文构建了车路协同环境下的紧急车辆信号控制优先通行系统，使用高性能、低延迟的DSRC 设备，研究信号优先策略，并于实地搭建了原型系统，在真实交通流环境中进行了测试。测试结果表明本系统可有效提升紧急车辆运行效率，对紧急救援有着重要意义。随着车路协同系统产业的发展，其应用将从特殊交通逐步向普通交通普及，进一步的研究将考虑实时接入普通车辆行驶状态情境下的紧急车辆优先通行控制问题。

参考文献

[1] 朱茵. 交警特勤最优路径. 中国人民公安大学学报(自然科学版),2008,V ol.1(1)：78-81.

[2] 宋辉华. 基于多智能体的多应急车辆信号优先控制问题研究. 哈尔滨工业大学, 2008.

[3] Ali H, Huijun H and Qiang T, An Optimization Model for Real-time Emergency Vehicle Dispatching and Routing,

Submitted for presentation at the 83rd annual meeting of TRB, Washington D.C., 2003.

[4] Chuck L, John C. A Simple Algorithm To Estimate Emergency Vehicle Travel Time Savings On Preemption Equipped

Corridors: A Method Based On A Field Operational Test. Presented at 2005 TRB Annual Meeting,Transportation Research Board,Washington,D.C.,2005.

[5] Misener, J., Sengupta, R. and Krishnan, H., “Cooperative Collision Warning: Enabling Crash Avoidance with Wireless

Technology,” Proceedings of the 12th World Congress on ITS, pp. 1-11. 2005.

[6] Ammoun, S., Nashashibi, F. and Laurgeau, C., “Real-time Crash Avoidance System on Crossroads Based on 802.11

Devices and GPS Receivers,” IEEE Conference on Intelligent Transportation System, pp. 1023-1028. 2006.

[7] Yang X., Huang L., Wang Y., Du R., Wang J., and Yang F., “A Prototype of a Cooperative Vehicle Infrastructure System:

Proof of Concept--Case Study in Tongji University,” Proceedings of the Transportation Research Board. 2012.

[8] Morgan, Y. , “Notes on DSRC WAVE Standards Suite: Its Architecture, Design, and Characteristics,” Journal of IEEE

Communications Surveys and Tutorials, Vol. 12, No. 4, pp. 504-518.2010.

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