楊 震， 王寶杰

（1.南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京210037；2.長安大學(xué)運(yùn)輸工程學(xué)院，西安710064）

0 引 言

交叉口是城市路網(wǎng)通行能力的瓶頸，也是交通擁堵和交通事故的高發(fā)地點(diǎn)，世界各國的經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)行信號(hào)控制是交叉口最有效的交通管理手段［1］。合理的相位設(shè)計(jì)是交叉口信號(hào)控制的基礎(chǔ)，也是提高交通效率的關(guān)鍵因素之一。目前較為通用的相位結(jié)構(gòu)（或相位模板）是美國國家電氣制造商協(xié)會(huì)（National Electronic Manufacturers Association，NEMA）在TS-2 標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)典型信號(hào)控制十字交叉口制定的雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)，由8 個(gè)機(jī)動(dòng)車相位組成［2-3］，在NEMA 雙環(huán)相位的應(yīng)用方面，徐洪峰等［3］考慮相位結(jié)構(gòu)、行人過街綠燈時(shí)間和綠燈間隔時(shí)間，提出了機(jī)動(dòng)車相位固定最小綠燈時(shí)間的計(jì)算方法；王逸等［4］基于自適應(yīng)遺傳算法，研究了NEMA雙環(huán)相位的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法，并與傳統(tǒng)的Webster配時(shí)法進(jìn)行了對(duì)比分析；吳先宇等［5］將短連線交叉口分為信號(hào)合并和信號(hào)協(xié)調(diào)兩種控制類型，并基于NEMA相位建立了相序設(shè)置策略和信號(hào)配時(shí)方法。

在NEMA相位結(jié)構(gòu)中，處于同環(huán)、同屏障的兩個(gè)相位可以調(diào)換順序，而不會(huì)影響其他相位的正常運(yùn)行［4］。此外，8 個(gè)機(jī)動(dòng)車相位并非缺一不可，可以取消或合并某些相位，形成七相位［6］、六相位［7］、對(duì)稱四相位［8］、進(jìn)口單獨(dú)放行相位［8-9］等方案。一般而言，交叉口相位數(shù)量越多，一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)損失時(shí)間越多，能夠被車輛利用的綠信比總和就越小，因此，在一定的道路幾何或交通流量分布條件下，可通過縮減交叉口相位數(shù)量，讓少部分車輛選擇其他路徑繞行通過交叉口，從而增加其他相位的綠燈時(shí)間，或縮短信號(hào)周期時(shí)長，達(dá)到提高交叉口總體通行效率的目的。本文結(jié)合實(shí)例交叉口探討交叉口相位縮減策略的設(shè)計(jì)方法和實(shí)施效果，從而為交叉口信號(hào)控制打開新的思路。

1 數(shù)據(jù)采集

本文以南京市龍?bào)绰?鎖金北路交叉口為例，探討交叉口相位縮減策略的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。該交叉口采集的數(shù)據(jù)分為幾何形態(tài)數(shù)據(jù)和交通流量數(shù)據(jù)。

1.1 幾何形態(tài)數(shù)據(jù)

交叉口幾何形態(tài)數(shù)據(jù)通過百度衛(wèi)星圖、街景及實(shí)地觀測(cè)采集。該交叉口南北向?yàn)榻煌ǜ傻例報(bào)绰罚湎拗栖囁贋?0 km·h-1，東西方向?yàn)榇我缆罚鱾€(gè)進(jìn)口車道的寬度為3.25 m，其中北方向設(shè)有高架橋引道，包含兩個(gè)進(jìn)口道與兩個(gè)出口道。交叉口東進(jìn)口鎖金北路由于路幅寬度有限，為單向交通管制路段，車輛只出不進(jìn)，對(duì)應(yīng)的南進(jìn)口無右轉(zhuǎn)專用道，西進(jìn)口無直行進(jìn)口道，而北進(jìn)口則設(shè)有供車輛掉頭的通道，可按左轉(zhuǎn)車道處理。交叉口以南190 m 處、以北435 m 處各設(shè)有一處車輛掉頭點(diǎn)，其中掉頭點(diǎn)（北）位于高架橋下方。

交叉口的幾何形態(tài)及關(guān)鍵幾何數(shù)據(jù)如圖1 所示（為更好地反映出交叉口的關(guān)鍵幾何數(shù)據(jù)，該圖未嚴(yán)格按比例繪制）。

圖1 交叉口的幾何形態(tài)及關(guān)鍵幾何數(shù)據(jù)

1.2 交通流量數(shù)據(jù)

交叉口交通流量數(shù)據(jù)通過實(shí)地錄像及人工計(jì)數(shù)采集，如表1 所示。

2 相位縮減設(shè)計(jì)

根據(jù)交叉口的幾何形態(tài)和交通流量數(shù)據(jù)，為其設(shè)計(jì)3 組相位方案，其中方案A為根據(jù)NEMA雙環(huán)相位模板設(shè)計(jì)的基本相位方案；方案B、C則是在方案A的基礎(chǔ)上通過縮減相位形成的方案，具體如下：

方案A（見圖2（a）） 屏障1 為南北方向構(gòu)成的4 個(gè)相位（φ1～φ4），屏障2 為東西方向的車流各自形成的2 個(gè)相位（φ5、φ6）。

方案B（見圖2（b）） 取消方案A的南進(jìn)口左轉(zhuǎn)相位（φ3），使得交叉口縮減為5 相位，原φ3相位的車輛經(jīng)掉頭點(diǎn)（北）繞行通過交叉口，同時(shí)南進(jìn)口的左轉(zhuǎn)進(jìn)口道改為直行，原φ3相位的流量轉(zhuǎn)移到南進(jìn)口直行及北進(jìn)口右轉(zhuǎn)方向中。

方案C（見圖2（b）） 取消方案A的北進(jìn)口掉頭相位（φ1），使得交叉口縮減為五相位，原φ1相位的車輛經(jīng)掉頭點(diǎn)（南）繞行通過交叉口，同時(shí)北進(jìn)口的掉頭通道改為直行。為保持進(jìn)出口道數(shù)目的平衡，北進(jìn)口最外側(cè)直右車道改為右轉(zhuǎn)，次外側(cè)直行車道改為直右車道，原φ1相位的流量轉(zhuǎn)移到南北進(jìn)口的直行方向中。

表1 龍?bào)绰?鎖金北路交叉口交通流量數(shù)據(jù)

圖2 交叉口相位方案

3 信號(hào)控制設(shè)計(jì)

在3 種相位方案的基礎(chǔ)上，使用Synchro 軟件對(duì)交叉口進(jìn)行信號(hào)控制方案的設(shè)計(jì)。Synchro 是美國Trafficware公司研發(fā)的一套完整的城市路網(wǎng)信號(hào)配時(shí)優(yōu)化軟件，可在節(jié)點(diǎn)、干線和路網(wǎng)3 個(gè)層面上對(duì)信號(hào)控制方案進(jìn)行分析與優(yōu)化［10-11］，同時(shí)還具備與CORSIM、TRANSYT-7F、HCS等交通仿真軟件的接口［12］，目前較新的版本是10.0。Synchro也是用于求解NEMA雙環(huán)相位配時(shí)方案的常用工具。

在Synchro軟件的節(jié)點(diǎn)／路網(wǎng)界面（Add Link）中繪制交叉口，在進(jìn)口道布局設(shè)置界面（Lane Settings）輸入進(jìn)口道布局、交通流量、基本飽和流量、進(jìn)口道寬度、坡度、轉(zhuǎn)彎半徑等數(shù)據(jù)及關(guān)鍵參數(shù)，在交通流量設(shè)置界面（Volume Settings）輸入高峰小時(shí)系數(shù)、重型車比例等參數(shù)，在配時(shí)參數(shù)設(shè)置界面（Timing Settings）輸入轉(zhuǎn)向類型、相位序號(hào)、最小相位時(shí)長、黃燈時(shí)間、全紅時(shí)間等參數(shù)［13］，分別對(duì)3 種相位方案進(jìn)行配時(shí)設(shè)計(jì)?？紤]到交叉口的幾何形態(tài)和車輛運(yùn)行特性，各相位起動(dòng)停車損失時(shí)間取為3 s；東西向各相位綠燈間隔時(shí)間取為6 s，而南北向掉頭相位φ1取為3 s，其他相位取為5 s；黃燈時(shí)間統(tǒng)一取為3 s［14］。最終得到各方案的信號(hào)控制參數(shù)，如表2 所示。

表2 交叉口各相位方案信號(hào)控制參數(shù)

從表2 中可以看出，與方案A 相比，方案B 將信號(hào)周期縮減為70 s，而方案C則將信號(hào)周期擴(kuò)大為90 s，同時(shí)也顯著擴(kuò)大了φ2相位（重交通流相位）的綠燈時(shí)長。

4 方案評(píng)價(jià)

本文選取車均延誤為主要指標(biāo)，使用美國道路通行能力手冊(cè)《HCM2010》［15］中的方法評(píng)價(jià)各方案的運(yùn)行效果。《HCM2010》認(rèn)為車輛在交叉口的信號(hào)控制延誤主要由均衡相位延誤和過飽和延誤組成，其計(jì)算方法為［16］：

式中：di、di1和di2分別表示進(jìn)口道i 的均衡相位延誤、過飽和延誤和信號(hào)控制延誤（信控延誤）（s）；gi表示進(jìn)口道i 對(duì)應(yīng)相位的有效綠燈時(shí)間（s），在本文中，其數(shù)值上與表2 所示的顯示綠燈時(shí)間相等；xi表示進(jìn)口道i 的飽和度；Qi表示進(jìn)口道i 的通行能力（veh·h-1）；T 為研究時(shí)段的長度（h），一般取0.25 h；C表示信號(hào)周期時(shí)長（s）。

整個(gè)交叉口的車均延誤：

式中：qi表示通過進(jìn)口道i的交通量（veh·h-1）；qT表示通過交叉口的總交通量（veh·h-1），包括繞行交通量；qU，j為第j 股以繞行方式通過交叉口的車流流量（veh·h-1）；dU，j為第j股繞行車流由于繞行產(chǎn)生的額外延誤（s），主要指的是在路段上的行駛時(shí)間：

式中：LU，j為第j股繞行車流的繞行路段長度（m）；v為繞行車流在路段上的行駛車速（km·h-1），μ 為考慮到行駛速度隨機(jī)波動(dòng)、車輛變道、測(cè)量誤差等因素的增量系數(shù)。本文中，LU，j可從圖1 中獲得，v 可取為龍?bào)绰废拗栖囁俚?5%，即51 km·h-1，μ可取為1.2。將延誤評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于3 個(gè)方案，結(jié)果如表3、4 所示。

表3 交叉口各流向延誤評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 交叉口總體延誤評(píng)價(jià)結(jié)果

從表4 中可以看出，雖然方案B、C 的少部分車流需要繞行通過交叉口，產(chǎn)生了額外延誤，但總體延誤卻通過相位的縮減得到了降低。在方案B、C 中，交叉口的平均信控延誤分別為27.2 s和26.9 s，比方案A分別降低了17.1%和18.0%，而交叉口的車均延誤（將繞行延誤考慮在內(nèi)）分別為28.6 s和28.7 s，比方案A分別降低了12.8%和12.5%，產(chǎn)生的優(yōu)化效果較為接近。但從表3 中可以看出，兩個(gè)方案對(duì)各方向車流延誤及飽和度的優(yōu)化效果有所區(qū)別，方案B 降低了大部分流向的延誤和飽和度，而方案C 則顯著降低了南進(jìn)口直行車輛（重交通流方向）的延誤和飽和度，而其它大部分流向則有所增加。此外，方案C 所有流向的飽和度均小于1，即沒有過飽和車流。綜合來看，由于方案B對(duì)各方向車流的優(yōu)化效果較為均衡，且繞行車流量較小，因此為較優(yōu)方案。

5 結(jié) 語

信號(hào)控制是交叉口最有效的管理方法，合理的相位設(shè)計(jì)是信號(hào)控制的基礎(chǔ)，通用的相位結(jié)構(gòu)是NEMA標(biāo)準(zhǔn)中的雙環(huán)相位，但在一定的道路或交通條件下，可通過縮減交叉口相位數(shù)量，來使交叉口達(dá)到更高的通行效率。本文結(jié)合實(shí)例交叉口，為其設(shè)計(jì)了一個(gè)常規(guī)的NEMA雙環(huán)相位方案和兩個(gè)縮減以后的相位方案，利用Synchro 軟件對(duì)各方案進(jìn)行了信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)，并選取延誤為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用《HCM2010》提供的方法評(píng)價(jià)了各方案的運(yùn)行效果。結(jié)果表明，兩個(gè)縮減方案都能顯著減少交叉口的車均延誤，提高交叉口的通行效率，并且其中一個(gè)方案對(duì)各方向車流的優(yōu)化較為均衡。本文的相位縮減設(shè)計(jì)方法可推廣到其他交叉口，從而為交叉口信號(hào)控制提供了新的思路。