紧急交通流信号控制优先级划分模型(王嘉文)
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3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2014． 01． 040］
第1 期
王嘉文，等： 紧急交通流信号控制优先级划分模型
223
可能引发大规模交通拥堵现象． 因此，解析紧急交 通流优先控制对背景交通流的影响十分迫切． 目 前，国内外关于公交信号优先的研究比较集中［1-4］， 而关于紧急交通流信号优先控制的研究则相对较 少． 在紧急交通流优先控制策略方面，Yun 等［5-6］对 美国紧急交通流优先控制方法中的信号恢复法进 行了优化，并且利用硬件在环仿真对诸多优先控制 策略进行了评价． Qin 等［7］提出了 2 种控制策略， 优化了实时优先控制与最优控制策略选取方法，使 其具有更好的表现性能及更佳的适应性． He 等［8］ 运用启发式算法，对单一交叉口的优先控制相位及 相序进行优化，将延误降低近 50% ． Chen 等［9］基 于 NTCIP 通讯协议架构了服务于紧急交通流优先 控制的数据交换原型系统，提供了交互功能与自动 控制功能． Savolainen 等［10］ 通过分析驾驶员的行 为，研究了动态激活的紧急交通流优先控制信号对 驾驶员在安全与效率方面的影响． Kw on 等［11］提出 了一种基于路径的动态优先控制方法，并在小型路 网上进行了验证． 在紧急交通流路径选择算法方 面，臧华［12］提出了最短路 A * 算法； 刘杨等［13］提出 了紧急交通流最优路径的多目标规划模型． 在紧急 交通流行程时间计算方面，Louisell 等［14］建立了紧 急优先信号条件下的交叉口行程时间计算模型． 但 在这些对于紧急交通流优先控制的研究中，何种情 形采用何种优先控制方式的优先级划分问题缺乏 深入研究，紧急交通流对城市常态交通的影响也未 深入考虑．
Abstract： To relieve the city normal traffic congestion caused by the interference of emergency traffic flow ，a priority degree partition model for emergency traffic flow preemption control is presented． Based on the fuzzy theory，the multilayer fuzzy model of emergency traffic flow preemption signal control priority is established considering emergency traffic flow preemption demand intensity and emergency traffic flow preemption control influence intensity． The emergency traffic flow preemption demand intensity is discriminated in the first layer of the fuzzy model，and the emergency traffic flow preemption control influence intensity is evaluated in the second layer． Besides，different signal control strategies based on the emergency traffic flow priority are calculated in the third layer of the fuzzy model． A microscopic simulation model based on field data is set up． The simulation results show that the multilayer fuzzy model can output satisfied solutions of emergency traffic flow priority partition，reducing the high-priority emergency traffic flow travel time by 27. 5% and decreasing the overall car delay due to low -priority emergency traffic flow preemption control by 25. 9% ． Key words： traffic engineering； preemption control； multilayer fuzzy model； emergency traffic
根据调查研究，Uk 的基本论域为［0，1］，其模 糊集合 Ou 的语言值选取为｛ VH，H，M ，L，VL｝ ． 制 定隶属度 函 数，该 函 数 为 三 角 形 分 布 和 梯 形 分 布 （ 见图 3） ．
图 4 城市道路等级 vdj 的隶属度函数
图 3 急迫度隶属度函数
紧急交通流优先需求强度的推理规则见表 1．
1 信号控制优先级别划分模型
紧急交通流的重要程度以及紧急交通流对其 运行环境的影响均难以准确量度． 考虑到模型的复 杂度以及可行性，本文最终采用模糊理论解决此问 题． 详细步骤如下：
① 根据不同紧急救援行动中紧急救援车辆需 要满足的紧急交通流目标行程时间以及我国现行 各类灾害损失统计方法估算的紧急事件灾前预估 损失，利用优先需求强度模糊判别算法，计算优先 需求强度．
Priority degree partition model for emergency traffic flow preemption control
Wang Jiaw en M a Wanjing Yang Xiaoguang
（ School of Transportation Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）
标行程时间计算的紧急交通流急迫度 Uk． 输出参
数唯一，即紧急交通流优先需求强度 Ipd． 灾前预估
损失参数 Plk的计算公式为
Plk
= Log（ Lk
+
mL
（ k
P）
10
+ 1）
式中，L k
为紧急事件的预估经济损失；
L （ P） k
为人员
伤亡折算系数； m 为紧急事件预估伤亡人数．
根据经验，Plk 的基本论域为［0，1 ］，其模糊集合 Ol 的语言值选取为｛ VL，L，M ，H，VH｝ ，其中元素依 次表示很低、低、中、高、很高． 根据经验制定隶属度
本文着重探讨了信号控制优先级别划分问题， 确定不同重要程度以及不同路网环境下紧急交通 流的优先程度，以保证紧急交通流优先控制的有效 性并减弱紧急交通流对城市常态交通的影响，从而 缓解紧急交通流造成的城市拥堵问题． 不同的道路 网络环境与不同的紧急交通流之间有着大量的组 合形式． 在不同组合条件下如何确定紧急交通流的 信号控制优先级别，是紧急交通流信号控制优先级 划分技术需要解决的核心问题．
表 1 优先需求强度 Ipd 判别的模糊规则
Uk
VH
H
Plk M
L
VL
VH
VH
VH
H
H
M
H
VH
H
H
M
L
Mห้องสมุดไป่ตู้
H
H
M
L
VL
L
H
M
L
VL
VL
VL
M
L
VL
VL
VL
优先需求强度的基本论域定义为［0，1 ］，其 隶属度函数为三角形分布． 应用重心法对模糊集 合进 行 去 模 糊 化 计 算，即 可 得 到 优 先 需 求 强 度值． 1. 2 优先控制影响强度
第 44 卷第 1 期 2014 年 1 月
东南大学学报（ 自然科学版）
JOUＲNAL OF SOUTHEAST UNIVEＲSITY （ Natural Science Edition）
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2014． 01． 040
Vol． 44 No． 1 Jan． 2014
函数，该函数为三角形分布和梯形分布（ 见图 2） ．
图 2 灾前预估损失参数隶属度函数
紧急交通流急迫度 Uk 的计算公式为 http： / / journal． seu． edu． cn
224
东南大学学报（ 自然科学版）
第 44 卷
i
∑ ( L kn / v mn )
Uk = 1 － n =1 Tt 式中，Tt 为决策者指定的目标行程时间； Lkn 为紧急 交通路径 i 条路段中路段 n 的长度； vmn为紧急交通 流在路段 n 上的最高行程车速．
该模糊判别主要考虑不同道路状况下紧急交 通流优先控制对背景交通流的影响． 这包括 2 部 分 内 容 ，即 道 路 的 服 务 水 平 与 道 路 当 前 的 交 通 状 态． 前者通 过 道 路 的 设 计 时 速 来 决 定，后 者 通 过 饱和度来 决 定． 其 中，饱 和 度 由 检 测 器 采 集 到 的 路 段 交 通 流 量 除 以 路 段 通 行 能 力 得 出 ，故 饱 和 度 论 域 为［0 ，1］．
收稿日期： 2013-05-02． 作者简介： 王嘉文（ 1989—） ，男，博士生； 马万经（ 联系人） ，男，博士，副教授，博士生导师，mawanjing@ tongji． edu． cn． 基金项目： 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 资助项目（ 2012AA112306） ． 引用本文： 王嘉文，马万经，杨晓光． 紧急交通流信号控制优先级划分模型［J］． 东南大学学报： 自然科学版，2014，44（ 1） ： 222-226． ［doi： 10．
紧急交通流信号控制优先级划分模型
王嘉文 马万经 杨晓光
（ 同济大学交通运输工程学院，上海 201804）
摘要： 针对紧急交通流优先控制对城市常态交通干扰导致的拥堵问题，提出了一种面向紧急交 通流分级优先控制的优先级划分模型． 基于模糊理论，建立了考虑紧急交通流优先需求强度与优 先控制影响强度的紧急交通流信号控制优先级多层模糊划分模型． 模型中第 1 层用于判断紧急 交通流优先需求强度，第 2 层用于评估紧急交通流优先控制对背景交通流的影响强度，第 3 层用 于确定最终的优先级别，并据此选择相应的信号优先控制策略． 依据实地采集的数据，建立了微 观仿真实验模型． 仿真结果表明，这种多层模糊模型能够输出紧急交通流优先级别划分的满意 解，使高优先级紧急交通流的行程时间下降 27. 5% ，低优先级紧急交通流优先控制导致的车均 延误下降 25. 9% ． 关键词： 交通工程； 优先控制； 多层模糊模型； 紧急交通流； 优先级 中图分类号： U491 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 0505（ 2014） 01-0222-05
② 根据紧急交通流优先控制路径的路段饱和
度与道路等级，利用紧急交通流优先控制影响强度 模糊判别算法，计算优先控制影响强度．
③ 利用多层模糊划分算法，得出紧急交通流 优先级别，并进一步结合案例制定紧急交通流优先 控制策略．
紧急交通流优先级别划分过程如图 1 所示．
图 1 紧急交通流优先级多层模糊划分流程
1. 1 优先需求强度
根据紧急事件的灾前预估损失以及紧急行动决
策者制定的紧急交通流目标行程时间，确定优先需
求强度． 这包括 2 部分内容，即紧急事件的严重程度
与紧急交通流的急迫程度． 前者通过灾前预估损失
来决定，后者通过紧急交通流目标行程时间来确定．
在确定优先需求强度的模糊推理中，输入参数
包括紧急事件 k 的灾前预估损失参数 Plk 和基于目
flow ； priority
紧急救援车辆包括急救车、消防车、执勤警车、 市政抢修车（ 电力、供水、交通） 、工程抢险车等正 在执行特殊紧急救援任务的车辆，在紧急救援行动 中起着关 键 性 的 作 用，是 重 要 的 城 市 应 急 服 务 资
源，提升其救援速度可以提高救援的成功率． 紧急 交通流是指由紧急救援车辆组成的特殊交通流． 随 着城市化进程的加快及交通需求的增长，紧急交通 流对城市交通系统扰动的影响强度越来越大，甚至
第1 期
王嘉文，等： 紧急交通流信号控制优先级划分模型
223
可能引发大规模交通拥堵现象． 因此，解析紧急交 通流优先控制对背景交通流的影响十分迫切． 目 前，国内外关于公交信号优先的研究比较集中［1-4］， 而关于紧急交通流信号优先控制的研究则相对较 少． 在紧急交通流优先控制策略方面，Yun 等［5-6］对 美国紧急交通流优先控制方法中的信号恢复法进 行了优化，并且利用硬件在环仿真对诸多优先控制 策略进行了评价． Qin 等［7］提出了 2 种控制策略， 优化了实时优先控制与最优控制策略选取方法，使 其具有更好的表现性能及更佳的适应性． He 等［8］ 运用启发式算法，对单一交叉口的优先控制相位及 相序进行优化，将延误降低近 50% ． Chen 等［9］基 于 NTCIP 通讯协议架构了服务于紧急交通流优先 控制的数据交换原型系统，提供了交互功能与自动 控制功能． Savolainen 等［10］ 通过分析驾驶员的行 为，研究了动态激活的紧急交通流优先控制信号对 驾驶员在安全与效率方面的影响． Kw on 等［11］提出 了一种基于路径的动态优先控制方法，并在小型路 网上进行了验证． 在紧急交通流路径选择算法方 面，臧华［12］提出了最短路 A * 算法； 刘杨等［13］提出 了紧急交通流最优路径的多目标规划模型． 在紧急 交通流行程时间计算方面，Louisell 等［14］建立了紧 急优先信号条件下的交叉口行程时间计算模型． 但 在这些对于紧急交通流优先控制的研究中，何种情 形采用何种优先控制方式的优先级划分问题缺乏 深入研究，紧急交通流对城市常态交通的影响也未 深入考虑．
Abstract： To relieve the city normal traffic congestion caused by the interference of emergency traffic flow ，a priority degree partition model for emergency traffic flow preemption control is presented． Based on the fuzzy theory，the multilayer fuzzy model of emergency traffic flow preemption signal control priority is established considering emergency traffic flow preemption demand intensity and emergency traffic flow preemption control influence intensity． The emergency traffic flow preemption demand intensity is discriminated in the first layer of the fuzzy model，and the emergency traffic flow preemption control influence intensity is evaluated in the second layer． Besides，different signal control strategies based on the emergency traffic flow priority are calculated in the third layer of the fuzzy model． A microscopic simulation model based on field data is set up． The simulation results show that the multilayer fuzzy model can output satisfied solutions of emergency traffic flow priority partition，reducing the high-priority emergency traffic flow travel time by 27. 5% and decreasing the overall car delay due to low -priority emergency traffic flow preemption control by 25. 9% ． Key words： traffic engineering； preemption control； multilayer fuzzy model； emergency traffic
根据调查研究，Uk 的基本论域为［0，1］，其模 糊集合 Ou 的语言值选取为｛ VH，H，M ，L，VL｝ ． 制 定隶属度 函 数，该 函 数 为 三 角 形 分 布 和 梯 形 分 布 （ 见图 3） ．
图 4 城市道路等级 vdj 的隶属度函数
图 3 急迫度隶属度函数
紧急交通流优先需求强度的推理规则见表 1．
1 信号控制优先级别划分模型
紧急交通流的重要程度以及紧急交通流对其 运行环境的影响均难以准确量度． 考虑到模型的复 杂度以及可行性，本文最终采用模糊理论解决此问 题． 详细步骤如下：
① 根据不同紧急救援行动中紧急救援车辆需 要满足的紧急交通流目标行程时间以及我国现行 各类灾害损失统计方法估算的紧急事件灾前预估 损失，利用优先需求强度模糊判别算法，计算优先 需求强度．
Priority degree partition model for emergency traffic flow preemption control
Wang Jiaw en M a Wanjing Yang Xiaoguang
（ School of Transportation Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）
标行程时间计算的紧急交通流急迫度 Uk． 输出参
数唯一，即紧急交通流优先需求强度 Ipd． 灾前预估
损失参数 Plk的计算公式为
Plk
= Log（ Lk
+
mL
（ k
P）
10
+ 1）
式中，L k
为紧急事件的预估经济损失；
L （ P） k
为人员
伤亡折算系数； m 为紧急事件预估伤亡人数．
根据经验，Plk 的基本论域为［0，1 ］，其模糊集合 Ol 的语言值选取为｛ VL，L，M ，H，VH｝ ，其中元素依 次表示很低、低、中、高、很高． 根据经验制定隶属度
本文着重探讨了信号控制优先级别划分问题， 确定不同重要程度以及不同路网环境下紧急交通 流的优先程度，以保证紧急交通流优先控制的有效 性并减弱紧急交通流对城市常态交通的影响，从而 缓解紧急交通流造成的城市拥堵问题． 不同的道路 网络环境与不同的紧急交通流之间有着大量的组 合形式． 在不同组合条件下如何确定紧急交通流的 信号控制优先级别，是紧急交通流信号控制优先级 划分技术需要解决的核心问题．
表 1 优先需求强度 Ipd 判别的模糊规则
Uk
VH
H
Plk M
L
VL
VH
VH
VH
H
H
M
H
VH
H
H
M
L
Mห้องสมุดไป่ตู้
H
H
M
L
VL
L
H
M
L
VL
VL
VL
M
L
VL
VL
VL
优先需求强度的基本论域定义为［0，1 ］，其 隶属度函数为三角形分布． 应用重心法对模糊集 合进 行 去 模 糊 化 计 算，即 可 得 到 优 先 需 求 强 度值． 1. 2 优先控制影响强度
第 44 卷第 1 期 2014 年 1 月
东南大学学报（ 自然科学版）
JOUＲNAL OF SOUTHEAST UNIVEＲSITY （ Natural Science Edition）
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2014． 01． 040
Vol． 44 No． 1 Jan． 2014
函数，该函数为三角形分布和梯形分布（ 见图 2） ．
图 2 灾前预估损失参数隶属度函数
紧急交通流急迫度 Uk 的计算公式为 http： / / journal． seu． edu． cn
224
东南大学学报（ 自然科学版）
第 44 卷
i
∑ ( L kn / v mn )
Uk = 1 － n =1 Tt 式中，Tt 为决策者指定的目标行程时间； Lkn 为紧急 交通路径 i 条路段中路段 n 的长度； vmn为紧急交通 流在路段 n 上的最高行程车速．
该模糊判别主要考虑不同道路状况下紧急交 通流优先控制对背景交通流的影响． 这包括 2 部 分 内 容 ，即 道 路 的 服 务 水 平 与 道 路 当 前 的 交 通 状 态． 前者通 过 道 路 的 设 计 时 速 来 决 定，后 者 通 过 饱和度来 决 定． 其 中，饱 和 度 由 检 测 器 采 集 到 的 路 段 交 通 流 量 除 以 路 段 通 行 能 力 得 出 ，故 饱 和 度 论 域 为［0 ，1］．
收稿日期： 2013-05-02． 作者简介： 王嘉文（ 1989—） ，男，博士生； 马万经（ 联系人） ，男，博士，副教授，博士生导师，mawanjing@ tongji． edu． cn． 基金项目： 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 资助项目（ 2012AA112306） ． 引用本文： 王嘉文，马万经，杨晓光． 紧急交通流信号控制优先级划分模型［J］． 东南大学学报： 自然科学版，2014，44（ 1） ： 222-226． ［doi： 10．
紧急交通流信号控制优先级划分模型
王嘉文 马万经 杨晓光
（ 同济大学交通运输工程学院，上海 201804）
摘要： 针对紧急交通流优先控制对城市常态交通干扰导致的拥堵问题，提出了一种面向紧急交 通流分级优先控制的优先级划分模型． 基于模糊理论，建立了考虑紧急交通流优先需求强度与优 先控制影响强度的紧急交通流信号控制优先级多层模糊划分模型． 模型中第 1 层用于判断紧急 交通流优先需求强度，第 2 层用于评估紧急交通流优先控制对背景交通流的影响强度，第 3 层用 于确定最终的优先级别，并据此选择相应的信号优先控制策略． 依据实地采集的数据，建立了微 观仿真实验模型． 仿真结果表明，这种多层模糊模型能够输出紧急交通流优先级别划分的满意 解，使高优先级紧急交通流的行程时间下降 27. 5% ，低优先级紧急交通流优先控制导致的车均 延误下降 25. 9% ． 关键词： 交通工程； 优先控制； 多层模糊模型； 紧急交通流； 优先级 中图分类号： U491 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 0505（ 2014） 01-0222-05
② 根据紧急交通流优先控制路径的路段饱和
度与道路等级，利用紧急交通流优先控制影响强度 模糊判别算法，计算优先控制影响强度．
③ 利用多层模糊划分算法，得出紧急交通流 优先级别，并进一步结合案例制定紧急交通流优先 控制策略．
紧急交通流优先级别划分过程如图 1 所示．
图 1 紧急交通流优先级多层模糊划分流程
1. 1 优先需求强度
根据紧急事件的灾前预估损失以及紧急行动决
策者制定的紧急交通流目标行程时间，确定优先需
求强度． 这包括 2 部分内容，即紧急事件的严重程度
与紧急交通流的急迫程度． 前者通过灾前预估损失
来决定，后者通过紧急交通流目标行程时间来确定．
在确定优先需求强度的模糊推理中，输入参数
包括紧急事件 k 的灾前预估损失参数 Plk 和基于目
flow ； priority
紧急救援车辆包括急救车、消防车、执勤警车、 市政抢修车（ 电力、供水、交通） 、工程抢险车等正 在执行特殊紧急救援任务的车辆，在紧急救援行动 中起着关 键 性 的 作 用，是 重 要 的 城 市 应 急 服 务 资
源，提升其救援速度可以提高救援的成功率． 紧急 交通流是指由紧急救援车辆组成的特殊交通流． 随 着城市化进程的加快及交通需求的增长，紧急交通 流对城市交通系统扰动的影响强度越来越大，甚至