基于車路協同的城市應急車輛優先控制：概述與展望

張立立，王 力，劉建東，張玲玉

(1.北京石油化工學院信息工程學院，北京 102617；2.北方工業大學城市交通智能控制技術北京市重點實驗室，北京 100144)

《十四五規劃綱要》中明確指出推進城鎮化與應對老齡化將是中國未來長期面臨的主要問題之一[1]。在中國城鎮化進程加快的標志之一是人口聚集度高、機動車保有量大，帶來的直接影響是交通擁堵頻發；老齡化程度進一步加深造成的主要問題之一是急救、消防、救援等應急需求的劇增。當城鎮化導致的交通擁堵與老齡化引發的應急需求深度耦合，將大大影響應急需求響應的時效性。

為應對劇增的常態應急需求，國外發達國家大多建設有較為完善的多部門協同的常態應急響應機制。例如，美國的911應急中心就聯合了消防、警務、醫療三種救援力量[2]。中國于2018年成立應急管理部，從國家層面有效統一整合應急救援力量，為應急救援事業的發展奠定了管理基礎[3]。但目前多部門協同應急救援的主要關注點仍然是大規模突發性應急事件，如自然災害、危險物泄漏等。像小型火災、120急救等小規模常態應急事件的多部門協同尚未形成。

作為應急需求響應的重要載體——“應急車輛”在城市道路中的優先通行是保障應急響應時間，避免造成生命財產損失的主要手段之一。據統計，在心臟驟停等緊急情況下，響應時間每延遲一分鐘將導致死亡率增加1%，并增加1 542美元的醫療救治成本[4]。以美國為例，每年由于應急車輛響應不及時導致的醫療支出增加就達70億美元[4]。應急車輛優先通行實施的關鍵是城市交通控制[5]。雖然傳統智能交通技術在中國已發展近20年[6]，但作為急救、消防等常態應急需求的大國[7]，中國實際中的應急車輛在城市道路中優先通行大多仍依靠交通參與者的自覺讓行等方式，在媒體感慨人間有正義、網友淚目點贊的同時，既暴露出采用傳統交通控制實現應急車輛優先通行存在瓶頸[8]，也說明中國在該領域理論研究和技術研發上尚有不足。

但近年來隨著車路協同、車聯網等技術的蓬勃發展，以北京為首的中外特大城市開始進行大規模智能基礎設施的建設，使其初步具備實施車路協同環境下智能交通相關領域理論研究和技術實踐的先決條件[9-11]。其中，基于先進車路協同技術實現應急車輛優先通行的大規模應用成為可能，并得到廣泛關注。利用車載裝備將應急車輛的位置、速度等信息實時推送至交叉口，交叉口融合車載信息與道路交通流感知信息綜合決策，能夠較好地實現應急車輛的優先通行。

為此，在對城市應急車輛優先控制有關的中外研究概述的基礎上，對目前存在的問題和未來研究中的重點和應著力解決的關鍵問題進行討論和展望。

1 研究現狀

智能交通技術的發展帶動應急車輛優先通行方面的研究，已經由最初的傳統交通信號優先控制，逐步發展為基于車路協同的應急車輛優先控制、結合路徑規劃的應急車輛優先控制等方面的研究。其中，車路協同是未來城市交通與應急車輛優先的技術基礎，將路徑規劃與優先控制相結合是保障應急車輛全路徑時間最優的關鍵。

1.1 基于車路協同的應急車輛優先控制

借助車路協同的技術優勢，通過獲取應急車輛的位置等信息，結合交叉口的典型控制方式實現應急車輛的優先控制。

1.1.1 采用初級車路協同技術

早期利用全球定位系統(global positioning system，GPS)、射頻識別(radio frequency identification，RFID)等技術構建初級的車路協同環境實現應急車輛的優先控制。Miyawaki等[12]利用安裝在交叉口的紅外燈塔檢測裝置檢測應急車輛的到達情況，以此設計了快速應急優先通行系統。Thompson等[13]開發了一種向應急車輛提供優先權的信號優先系統。該系統接收車載GPS將應急車輛的速度、位置、運動方向等信息，通過計算應急車輛達到交叉口的時間實現在信號交叉口處的優先通行。Van Gulik等[14]利用RFID技術構建車路交互的環境是實現了應急車輛的優先控制，并采用車載GPS數據分析了該技術的可擴展性。蔣光勝等[15]以北京奧運交通保障為背景，通過在信號控制器安裝無線射頻識別裝置，在公交車、奧運特種優先車輛(very important priority，VIP)車輛和公安特種車輛上安裝RFID，實現了初級車路協同條件并提出了公交車和特種車輛的優先控制策略。楊兆升等[16]同樣利用RFID技術實現簡單的車路協同環境，提出了基于模糊控制的應急車輛優先控制策略。

1.1.2 采用高級車路協同技術

初級車路協同本質是一種利用觸發方式實現應急車輛優先，高級車路協同技術利用車載和路側裝置實現數據交換和控制指令交換，應急車輛優先控制是高級車路協同的典型應用場景。Dresner等[17]在車路協同環境下提出信號控制資源預約理念，并建立了基于多智能體的交叉口協同控制機制，由此當應急車輛優先需求產生時，根據“高級別優先服務”的原則及時響應應急需求。Unibaso等[18]基于歐洲車輛通信體系提出一種應急車輛優先控制方法，通過協同感知消息(cooperative awareness messages，CAM)實時廣播應急車輛信息給周邊社會車輛來響應優先控制需求。Noori[19]利用V2I技術研究了應急車輛優先情況下信號狀態變化對綠燈相位的影響，并且利用OMNET++開發實現了車路協同環境下的應急車輛優先控制方法。He等[20]將應急車輛優先與公交車輛優先相結合，在車路協同環境提出啟發式控制算法，尤其是可有效解決單交叉口同時出現多個優先級請求沖突的問題。Agrawall等[21]研究了V2V環境下應急車輛優先控制問題，通過優化應急車輛的車道級動力學模型，考慮各種交通環境下路段車道的設置問題，同時提出了固定車道優先控制策略和最優車道控制策略，仿真實驗結果表明在復雜交通環境下最優車道控制策略優于固定車道優先控制策略，而在良好交通環境下，固定車道策略表現更好。Asaduzzaman[22]綜合考慮單個或多個應急車輛通行請求，基于V2I技術設計了一種公交信號優先(transit signal priority，TSP)優先控制方法，并提出一種分支定界算法，該算法能夠在多個請求發生沖突時有效區分優先級。Khan等[23]提出了一種基于物聯網的交叉口應急車輛優先和自組織交通控制管理平臺。Ajayi等[24]通過物聯網(internet of things，IOT)技術實現應急車輛、社會車輛和路側設施互聯互通并進行信息采集，進一步實現應急車輛的優先控制。Karmakar等[25]利用大范圍的社會車輛的RFID數據與車路協同的應急車輛條件，根據事件的類型和嚴重性確定電動汽車的優先級別，并設計必要的信號干預控制方案，同時考慮應急車輛行駛路徑周圍道路和交叉口的影響。Rosayyan等[26]利用車載導航與路側設施設計了應急服務電子圍欄，電子圍欄將社會車輛與應急車輛分離，以使得應急車輛獲得優先通行權。Osman等[27]則利用了V2V技術實現了應急車輛路徑快速清晰化的新型道路交通管理策略。

2011年是國內車路協同技術研究的元年[28]，國內學者開始進行基于高級車路協同技術的應急車輛優先控制的研究。王吟松等[29]利用專用短程通信(dedicated short-range communication，DSRC)技術構建應急車輛交叉口信號控制系統，通過令應急車輛與路側系統進行交互通信實現優先控制。Wang等[30]基于車路協同環境設計了應急車輛優先控制系統，提出了動態信號優先控制策略，并在江蘇太倉市對所開發系統進行了實際應用測試。龍文民等[31]在車路協同環境下實時獲取交叉口信號狀態、交叉口各方向排隊長度、應急車輛自身位置及當前車速等信息，構建基于速度引導的應急車輛優先控制方法。張韋華等[32]發明了一種基于車路協同的應急車輛交叉口優先信號相位控制方法，通過車載GPS數據對應急車輛的位置進行地圖匹配，分析應急車輛出行時間最短路徑的同時，對交叉口信號相位進行判斷并估計應急車輛的距離，進而實現信號相位控制的變換。豆雪珊[33]提出了基于車路協同環境的應急車輛交叉口優先通行輔助方法及協調控制策略，并通過搭建車路協同硬件在環平臺對所提方法進行了測試。Huang等[34]使用時間Petri網構建一種兩相位主體方案網絡建模應急車輛優先控制的方法，并利用可達性圖分析了模型的活性和可逆性。Pei等[35]在文獻[34]的基礎上，設計了一種四相位主體方案輛優先控制的方法，同樣對模型的活性和可逆性進行了驗證。Li等[36]考慮到V2X通行時延將影響應優先請求的響應，提出了一基于補償距離的應急車輛優先控制方法。Cao等[37]從應急車輛性能角度出發，提出了以應急車輛為中心的車路協同智能應急交通系統，以確保其快速通過，并降低對社會交通的影響。Mu等[38]則關注了車路協同環境下應急車輛優先通行結束后的交叉口運行的過渡控制。姚佼等[39]從應急路徑選擇入手，構建了車路協同環境下的應急車輛路徑選擇模型。戴宇露等[40]在智能網聯環境下,研究了精確交通信息的感知與交互為應急救援車輛的動態時空路權優化。Zhang等[41]充分考慮了存在多種約束情況下的應急車輛路徑選擇和優先通行問題。Zeng等[42]則研究了考慮多個應急車輛通行時的優先控制的路權問題。

1.2 結合路徑規劃的應急車輛優先控制

將優化控制和路徑規劃相結合的研究首先找到使用距離或時間作為關鍵參數計算的最佳路線，然后在規劃的路徑上途經的交叉口實施應急車輛的優先控制，其中無論是靜態路徑規劃還是動態路徑規劃的引入都提升了應急車輛優先控制的能力。Kwon等[43]為給定的路網和交通條件下的應急車路提供高效和安全的路徑，提出了一種結合路徑選擇和動態信號優先的應急車輛優先控制策略，并利用Dijkstra算法對所提方法進行求解。Shirani等[44]在車聯網環境下設計一種帶有速度引導信息的優先響應策略，通過關聯車輛交換信息，動態尋找最短路徑以達到優先通行。Gedawy[45]通過實時更新交通擁堵和社會車輛出行時間延遲數據，通過應急車輛GPS信息規劃最佳路徑，并將路徑信息推送給你交通信號控制系統實施反饋優先控制。Salehinejad等[46]和Polineni等[47]均提出靜態最短路徑算法與優先控制結合的方法，控制中心通過實時獲取應急車輛的位置信息來激活通行方向的交叉口綠燈。Djahel等[48]提出了一種采用自適應與模糊控制相結合的交叉口局路徑選擇和信號優先的方法，通過分析交叉口擁堵情況，實時更新優先控制的具體形式，如變更相位、動態限速、改變路線等。Anand等[49]使用車載GPS數據獲取應急車輛位置，將動態位置與實時應急中心規劃的最短路徑進行匹配，同時通過專有協議控制路徑沿線交叉口實現應急車輛優先通行。Shaaban等[50]提出了一種最優路徑選擇和信號控制優先的聯合策略，預先為應急車輛計算最佳路徑，車輛運行中通過動態激活占用路段將應急通行信息通過V2I發送給周邊車輛及交叉口實現專用應急車道優先控制。Huang等[51]提出了應急車輛運行情況下的路線選擇和優先信號設置方法，先預設考慮單向協調信號設置的最優路徑的預設方案，再在線激勵信號控制，以便根據交通狀況的擾動調整實時信號設置。Chen等[52]提出一種將路徑規劃與專用車道控制結合的應急車輛優先系統，該系統利用歷史數據進行靜態最優路徑規劃，當應急車輛采用規劃路徑時，沿途交叉口通過保留專用車道實現車輛優先通行。Yao等[53]基于應急車輛不同的優先級類型和優先級，提出了一種面向應急車輛路徑的雙層規劃信號協調控制模型，其上層是應急車輛的動態優先模型，下層是緊急車輛的靜態路徑模型，并利用遺傳算法對雙層規劃模型進行了求解。Min等[54]考慮交通流狀態的時變特性，將優先控制與動態路徑規劃表示為二次規劃問題，提出一種基于時間可靠路徑的應急車輛控制方法。Bide等[55]設計了一種軟件定義網絡(software defined network，SDN)應急車輛管理系統，將應急車輛與交叉口控制器統一在系統中，實現了動態創建行駛路徑與交叉口優先控制的融合。與上述不同，Wu等[56]從微觀視角研究了車車通信環境下車道級應急車輛優先控制與動態路徑規劃的結合，而So等[57]則研究了完全自動駕駛條件下的應急車輛優先控制。

2 討論與展望

應急車輛優先通行的研究主要解決兩個核心問題，一是應急車輛的優先控制，二是優先控制與路徑規劃的相互作用。核心問題產生的本質是應急車輛與社會交通流之間具有異質性，即由于應急車輛的屬性和特殊的駕駛任務，使得其在路網交通流中的車速、路權、行駛方式等都有別于社會車輛，這種異質性的表現對交通流、交通控制均為一種擾動。車路協同技術的引入既能利用車路實時交互與感知增加應急車輛和社會交通流的位置、速度等信息的確定性，也能通過速度控制、車道控制等方式減少其異質性并抑制擾動，但復雜實際因素造成的車路協同不完全性將導致極為復雜的情況出現。

上述的現有成果大多以車路協同技術為基礎，采用傳統交叉口控制理論，研究應急車輛優先控制或結合路徑規劃的優先控制方法。對如設備覆蓋不完全、設備故障等現實問題導致的車路協同不完全情況下的應急車輛優先控制的研究尚未開展，因此存在亟待進一步解決的重點和難點問題。

2.1 車路協同交通控制的應急車輛優先控制能力和適用性不足

車路協同交通控制是應急車輛優先控制的基礎。但現有研究大多是從應急車輛單車車路交互的視角出發，只將車路協同作為一種感知手段，仍然采用傳統被動交通控制模型，未能從統一考慮應急車輛與交叉口車路協同控制模型的角度實現兩者的雙向感知與主動控制；車路協同的交通控制的研究大多是建立在車路環境完全、完備的假設之上，對實際情況考慮不足，無法有效合理應對模型失配的問題，這直接關系到所構建控制模型和方法的適用性，并將導致以其為基礎的應急車輛優先通行無法保障。因此，亟待從分析多種因素造成的不完備的車路協同入手，構建具有多變量的主動交通控制模型，研究如何在不完全車路協同導致交通控制失配時，引導模型按照設計的退化路徑改變，以達到有效規避模型失配和提高模型適用性的目的。

2.2 應急車輛優先控制與其路徑規劃的耦合機理有待探明

應急車輛通行以時間路徑最優為總控制目標，其在交叉口的優先控制受到時間路徑最優的約束。同時，應急車輛優先控制又影響其路徑規劃，尤其不完全車路協同的情況導致交通控制模型發生退化將影響應急車輛優先控制，最終影響會傳遞到應急車輛的路徑規劃上，優先控制與其路徑規劃具有極強的耦合關系。但現有研究大多只從設計優先控制算法或優先控制與路徑規劃結合的方法出發，未能探明應急車輛優先控制與其路徑規劃的耦合機理。必須指明，揭示其耦合關系將直接影響應急車輛優先控制方法的設計。因此，亟待研究應急車輛優先控制與路徑規劃的耦合機理模型，深入分析其映射關系及相互作用。

2.3 “在線-在環-實地”的實驗測試方式有待研究

應急車輛優先控制研究大多采用交通仿真軟件進行驗證，傳統交通仿真系統基于靜態、后驗證性的設計理念，無法應用于需要實時性演化驗證的在線交通信號控制中。并且由于車路協同等新技術發展的速度較快，傳統交通仿真軟件并不具備模擬該類型實驗場景的要求，同時由于仿真參數標定、模型標定帶來的誤差過大且無法根本消除造成如PARAMICS仿真軟件[58]、VISSIM仿真軟件[59]、SUMO仿真軟件[60]等仿真不夠真實，因此其較難檢驗研究結果在實際環境中的適用性和有效性。未來需要研發車路協同在線仿真平臺實現場景設置、控制算法的驗證，并且為保障算法在實際環境中可用性，還應建立基于平行仿真架構的車路系統在線仿真平臺、硬件在環仿真平臺與實地實驗場的協同測試系統，通過采用直接驅動和深度交互的信號控制設備，實現應急車輛優先控制算法的驗證和移植部署，通過集成“在線-在環-實地”的實驗測試方式能夠更好地驗證研究成果的有效性和實用性，有助于理論研究向實際應用的轉化，如圖1[61]所示。

圖1 “在線-在環-實地”多層次實驗測試[61]Fig.1 “Online-in-the-loop-field”multi-level experimental test[61]

2.4 常態應急多部門協同響應機制有待完善

雖然經過幾十年的發展中國在非常態應急處置方面有了長足的進步，但作為急救、消防等常態應急需求的大國，中國在常態應急方面還處于剛剛起步階段，尤其是常態應急多部門協同響應機制有待進一步完善。其中，應急車輛作為保障應急響應的重要載體，同時也是多部門協同的紐帶應該得到足夠的重視，其中應急車輛的優先控制正是多部門協同響應的重要體現。借力車路協同技術在我國的快速發展，構建智能化的快速應急響應體系，實現真正的多部門協同響應。

3 結論

城市應急車輛優先通行是保障應急響應時間，避免造成生命財產損失的重要措施，尤其是當常態應急需求劇增時更是如此。車路協同技術為應急車輛優先通行的研究和實施提供了主要技術手段。從中國應急車輛優先的實際現狀出發，回顧了車路協同應急車輛優先控制和結合優先與路徑規劃的應急車輛優先控制的中外研究情況，同時針對當前研究存在問題和未來技術、政策管理等的演進對該領域理論與技術的發展進行了探討，以期對應急車輛優先控制的研究提供新的思路。