本技術屬于智能交通控制領域，尤其涉及一種基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法。
背景技術：
1、隨著社會不斷發展，車輛擁堵問題也愈發嚴重。尤其在緊急情況下，應急車輛（如救護車、消防車、警車等）常常面臨嚴重的通行阻礙。傳統交通管理方式缺乏足夠靈活性和智能性，導致應急車輛難以及時抵達事故或突發事件現場，極大影響了其優先通行權的實現。對應急車輛優先控制的技術方法能夠提高城市應急救援效率，緩解整體交通壓力，還能為提高城市交通系統的綜合管理水平提供有力支持。
2、現有的應急車輛優先方法多集中于基于時間維度的信號優先控制，通過切換至預先制定或自適應的信號控制方案，為應急車輛在交叉口提供綠燈相位。然而，單純依賴時間維度的優先控制在復雜的城市道路環境中效果有限。由于城市交通流量較大，應急車輛在城市道路上難以獲得優先通行，這削弱了信號優先方法的有效性，并導致更大范圍的交通延誤。
3、因此，本技術旨在優化空間維度上應急車輛的優先通行，從而減少整體交通延誤。目前的技術方案通常設立專用應急車道或進行人工交通管制，依賴人為干預，自動化程度較低，難以實時響應突發事件，影響應急車輛的通行效率。智能網聯技術的快速發展為城市交通管理提供了新的解決思路和技術支撐。通過車聯網技術，可以實時監測交通情況，優化應急車道使用，協調非應急車輛，減少對應急車輛的阻礙，以更精準的方式滿足其快速通過的需求。
4、通過檢索現有關于應急車輛優先問題的文獻發現，已有文獻大多關注于固定車道的預留和非應急車輛的停車避讓，往往忽略了交通資源的合理分配。部分關于智能網聯環境的相關研究僅關注應急車輛的通行優先，而沒有兼顧非應急車輛變道軌跡的優化，或在優化深度上存在不足。此外，部分研究雖然可以得到最佳的清空方案，但其求解時間復雜度高。
5、在此背景下，本技術提出了一種基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法。該方法根據網聯車輛的位置、速度和預計轉向等信息，首先對非應急車輛的變道軌跡進行優化，減少對非應急車輛的延誤，而后從應急車輛的視角出發，分析何處觸發應急車道的清空，促使非應急車輛從應急車道變道至相鄰車道，以最小化對應急車輛的影響，通過多次觸發清空，實現應急車道的動態清空，這是本技術主要解決的問題。
技術實現思路
1、針對現有研究的不足，本技術提供一種基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法，考慮非應急車輛的預計轉向，建立雙層模型，上層為規劃非應急車輛的最短用時變道軌跡，以最小化變道總成本，從而減少對非應急車輛的影響，下層為在滿足在非應急車輛最小變道總成本的前提下，計算對應急車輛影響最小的清空啟發點，實現城市道路應急車道的動態清空，以提高應急車輛的通行效率，并降低交叉口的車輛延誤。
2、本技術提供的基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法包括如下步驟：
3、步驟1：輸入城市道路的基本信息，城市道路的基本信息包括清空路段的車道數、清空路段長度及車道寬度；輸入清空路段上車輛的狀態信息，清空路段上車輛的狀態信息包括應急車輛位置、應急車輛速度、非應急車輛位置、非應急車輛速度及預計轉向；輸入非應急車輛的總車輛數；輸入應急車輛前方車道的集結波速度；將清空路段離散化處理；
4、步驟?2：確定動態清空路段范圍；
5、步驟3：基于非應急車輛的預計轉向，建立應急車道動態清空的上層模型，以非應急車輛的變道總成本最小為上層目標函數，采用改進的a*算法進行求解，計算各非應急車輛的最短用時變道軌跡；
6、步驟4：以非應急車輛對應急車輛影響最小為下層目標函數，考慮非應急車輛變道成本約束，計算清空啟發點；
7、步驟5：采用上下層目標函數的聯合優化方式，當上層模型的非應急車輛變道成本和下層模型的對應急車輛影響的最優值收斂且不再變化時，終止迭代，輸出最終解，確定非應急車輛的變道方案和清空啟發點，完成應急車道的清空任務。
8、在其中一種可能的實施方式中，本技術實施例提供的基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法，所述步驟1包括如下：
9、步驟11：用表示清空路段的車道數，用表示清空路段長度，用表示車道寬度，用表示車道編號，；用表示應急車輛位置，用表示應急車輛期望速度，用表示非應急車輛的位置，用表示非應急車輛的速度，用表示非應急車輛的預計轉向，，其中、、分別表示左轉、直行、右轉；用表示非應急車輛的總車輛數，；用表示應急車輛前方車道的集結波速度；將清空路段離散化處理。
10、在其中一種可能的實施方式中，本技術實施例提供的基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法，在所述步驟2中，確定動態清空路段范圍，包括如下步驟：
11、步驟21：根據步驟1的離散化處理，以車輛行駛方向為軸，以車道分布方向為軸，在清空路段上建立由若干個大小一致的網格單元組成的直角坐標系，每個網格單元的位置由所在的橫坐標和縱坐標決定；應急車輛所在網格單元的位置為非應急車輛所在網格單元的位置為；任意車輛所在清空路段的位置為，約束如公式(1)-(2)所示：
12、????????????(1)
13、?????(2)
14、上式中，為網格長度，為網格寬度；
15、步驟22：建立直角坐標系后，待清空路段在該坐標系中進行映射，動態清空范圍的劃定分為兩種情況，若動態清空范圍內無排隊車輛，動態清空區域的長度、寬度分別為清空路段的分段長度、車道寬度、動態清空區域起始位置為，則動態清空路段范圍被劃定為如公式(3)-(4)所示：
16、??????????(3)
17、???????(4)
18、若動態清空范圍內有排隊車輛，動態清空區域的寬度不變，動態清空路段的橫向范圍被劃定為如公式(5)所示：
19、???(5)
20、上式中，為動態清空區域的長度，計算方法如公式(6)所示：
21、?????(6)
22、上式中，為不可變道路段的長度，為估算時刻交叉口上游的排隊長度；根據應急車輛前方車道的集結波速度和車輛的狀態信息，計算方法如公式(7)所示：
23、?????????(7)
24、上式中，為非應急車輛排隊中停下的最后一輛網聯車輛的橫坐標，為估算時刻，為非應急車輛排隊中停下的最后一輛網聯車輛的停車時刻。
25、在其中一種可能的實施方式中，本技術實施例提供的基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法，在所述步驟3中，基于非應急車輛的預計轉向，建立應急車道動態清空的上層模型，以非應急車輛的變道總成本最小為上層目標函數，采用改進的a*算法進行求解，計算各非應急車輛的最短用時變道軌跡，包括如下步驟：
26、步驟31：在城市道路應急車道上的非應急車輛通過移動或者變道離開應急車道；清空過程中，非應急車輛之間必須避免沖突，如公式(8)-(10)所示：
27、?????(8)
28、?(9)
29、?????(10)
30、在公式(8)、(9)中，為迭代次數，為迭代步數的時長，為最大迭代次數，為非應急車輛在第步所在位置的橫坐標，為非應急車輛在第步所在位置的縱坐標，為非應急車輛在第步的橫向速度，為非應急車輛在第步的縱向速度，為非應急車輛在第+1步所在位置的橫坐標，為非應急車輛在第+1步所在位置的橫坐標，為非應急車輛在第步的位置，為非應急車輛在第步的位置；
31、步驟32：應急車輛始終在應急車道上行駛，其速度需要保持期望速度不變，如公式(11)-(13)所示：
32、????(11)
33、??(12)
34、??????(13)
35、在公式(11)中，為應急車輛在第步所在位置的縱坐標，為應急車輛的初始位置縱坐標，在公式(12)中，為應急車輛在第步所在位置的橫坐標，為應急車輛在第步所在位置的橫坐標，為應急車輛在第步的速度，在公式(13)中，為應急車輛在初始位置的速度；
36、步驟33：動態清空中要保證車輛行駛安全，約束應急車輛與前方最近的非應急車輛之間的距離不小于緩沖區長度，如公式(14)-(16)所示：
37、????(14)
38、?????????(15)
39、??????????????(16)
40、在公式(14)中，為第步在應急車道上距離應急車輛最近的非應急車輛的橫坐標；
41、步驟34：當應急車輛到達清空啟發點時，應急車道上的非應急車輛開始駛離應急車道，確保車輛間安全距離；清空初始時刻，應急車輛與前方最近的非應急車輛之間的距離應不小于緩沖區長度，如公式(17)-(18)所示：
42、????(17)
43、?(18)
44、在公式(17)、(18)中，為應急車道上距離應急車輛最近的非應急車輛的初始位置橫坐標，為應急車輛的初始位置橫坐標，的最優值為清空啟發點；
45、步驟35：當網聯車輛準備進入動態清空的路段時，左轉車輛選擇左轉車道、直行車輛選擇直行車道、右轉車輛選擇最右側車道；預計左轉的非應急車輛只在左轉車道上移動和變道，預計直行的非應急車輛只在直行車道上移動和變道，預計右轉的非應急車輛只在右轉車道上移動，如公式(19)-(28)所示：
46、?????(19)
47、??????(20)
48、????(21)
49、??????(22)
50、???(23)
51、???(24)
52、??????(25)
53、?(26)
54、???(27)
55、????(28)
56、上式中，為二元變量，表示非應急車輛初始時刻位置的縱坐標等于其所在車道編號，否則；為非應急車輛的初始位置縱坐標；大于等于9999的正整數；
57、步驟36：計算非應急車輛到達清空目標位置的時間，如公式(29)-(31)所示：
58、???????(29)
59、???(30)
60、??????(31)
61、在公式(29)中，為非應急車輛到達清空目標位置時的橫坐標，為非應急車輛的初始位置橫坐標，為非應急車輛到達清空目標位置時的縱坐標，和為非應急車輛到達清空目標位置過程中車輛向前移動和向臨近車道變道分別花費的時間；
62、步驟37：當應急車道上無非應急車輛時，即完成該路段的應急車道清空，如公式(32)所示：
63、???(32)
64、在公式(32)中，為應急車道完成清空時應急車輛的縱坐標；
65、步驟38：計算所有需要駛離應急車道的非應急車輛到達清空目標位置的時間，并結合清空過程中應急持續狀態下的單位費用，形成非應急車輛的變道總成本，以該變道總成本最小為上層目標函數，如公式(33)所示：
66、?????(33)
67、在公式(33)中，為動態清空應急車道時應急狀態持續期間的單位時間費用，為非應急車輛的變道總成本，為非應急車輛變道總成本的最小值，目標函數為所有需要駛離應急車道的非應急車輛到達清空目標位置所耗費時間的最小值與該過程中的單位時間費用之積，即非應急車輛的變道總成本，代表了對非應急車輛的影響；
68、步驟39：以非應急車輛變道總成本最小為目標，計算公式(33)的數學模型，各非應急車輛的最短用時變道軌跡記為，由非應急車輛的位置有序組成；
69、步驟310：基于路徑最短的原則，將非應急車輛的初始位置與非應急車道中未占用的位置逐一匹配，確定各非應急車輛的起始位置和清空目標位置；
70、步驟311：采用改進的a*算法對每對起始位置和清空目標位置進行路徑規劃；在應急車道清空任務中，非應急車輛的變道軌跡存在多個可行解，若對整個地圖進行遍歷搜索，會導致計算資源浪費在無效路徑上；改進后的a*算法根據非應急車輛的當前位置和預計轉向，將非應急車輛左側路段視為障礙，從而進一步縮小當前位置的可行搜索范圍，此外，還改進了a*算法的啟發式函數，使其估計從當前位置到清空目標位置的時間代價；通過這些優化，計算非應急車輛起始位置和清空目標位置之間的最短用時路徑；
71、步驟312：計算各非應急車輛的最短用時變道軌跡，計算方式為：遍歷路徑，將路徑的第一步設為當前位置，下一步設為目標位置；若目標位置在同一時刻被多輛非應急車輛占用，則相互沖突的車輛將返回到當前位置的前一步，以該位置作為新起始位置重新規劃路徑；若目標位置在同一時刻未被其他車輛占用，則將目標位置切換為當前位置，下一步設為新的目標位置，再判斷此位置在同一時刻是否被多輛非應急車輛占用；此過程持續進行，直至所有非應急車輛都安全到達清空目標位置，該路段的應急車道清空完成；在此過程中，非應急車輛的位置被有序排列，即可得各非應急車輛的最短用時變道軌跡。
72、在其中一種可能的實施方式中，本技術實施例提供的基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法，所述步驟3中的改進的a*算法的操作步驟包括如下：
73、step1：定義初始的地圖數據；
74、step2：檢查地圖數據，若應急車道中沒有非應急車輛，算法結束；否則轉到step3；
75、step3：定義估價函數f估計從起始位置到清空目標位置的時間成本，定義時間函數g表示從起始位置到當前位置的實際時間成本，定義啟發式函數h估計從當前位置到清空目標位置的時間成本，f=g+h；定義非應急車輛每移動一步的時間成本；
76、step4：創建開放列表open_list和關閉列表close_list，并將它們初始化為空列表；
77、step5：選擇非應急車輛的起始位置和清空目標位置；將起始位置作為一個待檢查點放入初始后的open_list中；
78、step6：計算open_list中每個節點的f值；從open_list中選取f值最小的節點，把它作為當前節點，若open_list中出現清空目標位置時，此時最短用時路徑已找到；否則將當前節點從open_list中移除，轉存close_list；
79、step7：根據非應急車輛的當前位置和預計轉向，將當前節點的左側節點視為障礙，檢查當前節點的相鄰擴展節點，若已在close_list，直接略過；若已在open_list，重新計算當前的g值，比較當前g值與之前g值的大小，選擇較小的g值并更新f值，其父節點同時更新；若既不在open_list也不在close_list中，將它放入open_list中，確認其父節點以及f、g、h值；轉到step6；
80、step8：再執行step5-7，直到所有非應急車輛從起始位置到清空目標位置都得到對應的最短用時路徑；當所有非應急車輛都到達清空目標位置時，算法結束。
81、在其中一種可能的實施方式中，本技術實施例提供的基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法，在所述步驟4中，以非應急車輛對應急車輛影響最小為下層目標函數，考慮非應急車輛變道成本約束，計算清空啟發點，包括如下步驟：
82、步驟41：以非應急車輛對應急車輛影響最小為下層目標函數，確保應急車輛以恒定速度駛向交叉口，如公式(34)-(36)所示，結合公式(8)-(33)，計算出觸發應急車道清空的啟發點，從而促使非應急車輛從應急車道駛離：
83、?????(34)
84、????(35)
85、??????(36)
86、在公式(34)、(35)、(36)中，為應急車輛與非應急車輛的相對速度，為非應急車輛的橫向速度，為第步應急車道上非應急車輛的總數量，為非應急車輛對應急車輛的累計干擾時間，該時間根據非應急車輛與應急車輛之間的距離和非應急車輛對應急車輛的影響強度進行加權，應急車輛與前方最近的非應急車輛之間的距離為時，觸發應急車道清空；在公式(36)中，為非應急車輛對應急車輛的影響，在非應急車輛變道總成本最小的前提下，以非應急車輛對應急車輛影響最小為優化目標，應急車輛與前方最近的非應急車輛之間的距離越小，路段完成清空所需的時間越少，非應急車輛對應急車輛的累計干擾時間越少，非應急車輛對應急車輛影響越小，非應急車輛對應急車輛影響的最小值記為。
87、在其中一種可能的實施方式中，本技術實施例提供的基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法，在所述步驟5中，采用上下層目標函數的聯合優化方式，當上層模型的非應急車輛變道成本和下層模型的對應急車輛影響的最優值收斂且不再變化時，終止迭代，輸出最終解，確定非應急車輛的變道方案和清空啟發點，完成應急車道的清空任務，包括如下步驟：
88、步驟51：從上層模型的最小非應急車輛變道成本著手，得到各非應急車輛的最短用時變道軌跡，再通過聯合優化上下層模型逐步迭代，在每次迭代后，檢查上層變道成本和下層應急車輛影響的變化趨勢，如果兩者的最優值在連續多次迭代中收斂且保持不變，則終止迭代；
89、步驟52：迭代終止后，輸出當前上層和下層的最優解，確定每個動態清空區域中非應急車輛的變道方案和清空啟發點，從而完成整個應急車道的清空。
90、有益效果：本技術提供的基于智能網聯技術的城市道路應急車道動態清空方法，與現有技術相比，具有以下優點：
91、通過構建雙層規劃模型，有效提升了應急車輛的通行效率和安全性。本技術綜合考慮非應急車輛的預計轉向，以最小化非應急車輛的變道總成本為上層目標，將非應急車輛對應急車輛的影響最小化作為下層目標，從而指導非應急車輛在最短時間內駛離應急車道并到達清空目標位置，這樣減少了交叉口的車輛延誤，并最大程度降低了對應急車輛正常行駛的影響。
92、利用智能網聯環境下的預計轉向信息，縮小了現有算法的可行搜索范圍，減少了計算資源在非應急車輛無效變道軌跡上的浪費。同時，結合城市交通規則和交叉口信號相位狀態，確定動態清空路段的范圍，計算非應急車輛的用時最短變道方案和最佳清空啟發點，使應急車道能夠隨著應急車輛的行駛動態分段清空，確保應急車輛在復雜城市道路上的優先通行。