田宗忠，王奧博

(內(nèi)華達(dá)大學(xué)，先進(jìn)交通教育與研究中心，里諾89557，美國(guó))

0 引言

交通信號(hào)控制廣泛應(yīng)用于城市道路交叉口，對(duì)交叉口的通行能力和交通安全，乃至干線道路和區(qū)域路網(wǎng)的運(yùn)行效率和能耗排放有著至關(guān)重要的影響。交通信號(hào)配時(shí)旨在對(duì)單個(gè)或一組交通信號(hào)燈的運(yùn)行過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，關(guān)乎著交叉口各交通流之間通行權(quán)的分配是否安全、合理且高效。信號(hào)配時(shí)方案質(zhì)量在很大程度上決定了不同模式交通流在信號(hào)交叉口的停車次數(shù)和停車時(shí)間，以及交通參與者對(duì)交通擁堵的直觀感受。近年來，隨著城市出行機(jī)動(dòng)化水平提升，交通擁堵態(tài)勢(shì)日益嚴(yán)峻。交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化能夠有效改善交叉口交通運(yùn)行并減少干線道路行程延誤，具有實(shí)施簡(jiǎn)單，見效迅速且無需大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)投入的特點(diǎn)。因此，提升交通信號(hào)配時(shí)水平被視為是城市“緩堵”的首選策略之一，同時(shí)交通信號(hào)配時(shí)實(shí)踐與技術(shù)的相關(guān)研究也得到了愈加廣泛的關(guān)注。

美國(guó)是世界上較早應(yīng)用交通信號(hào)控制的國(guó)家，歷經(jīng)七十余年的發(fā)展，其交通信號(hào)控制軟硬件系統(tǒng)與相應(yīng)的信號(hào)配時(shí)方法已形成了一套較為完整且具有鮮明特色的體系[1]。憑借融合新興技術(shù)與數(shù)據(jù)，美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)實(shí)踐與技術(shù)也在持續(xù)更新與升級(jí)。所謂“他山之石，可以攻玉”，綜述分析美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)特點(diǎn)、方法流程和主要軟件工具有著重要的借鑒意義和應(yīng)用價(jià)值。

本文著眼于交通信號(hào)配時(shí)實(shí)踐應(yīng)用層面，對(duì)美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)“使用具有特色的配時(shí)參數(shù)”“重點(diǎn)關(guān)注感應(yīng)控制下的信號(hào)協(xié)調(diào)”“采用環(huán)柵結(jié)構(gòu)表示配時(shí)方案”的特點(diǎn)進(jìn)行分析；重點(diǎn)介紹美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)的主要流程和5 款配時(shí)軟件工具；另外，本文對(duì)當(dāng)下美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)研究動(dòng)向進(jìn)行歸納，并在最后展望未來交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)發(fā)展的一些挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

1 美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)特點(diǎn)

交通信號(hào)配時(shí)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)交通信號(hào)運(yùn)行的參數(shù)和邏輯[2]，從而確定道路交叉口內(nèi)各交通流向（包括車輛、行人、非機(jī)動(dòng)車與公共交通等）的通行時(shí)刻和時(shí)長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)某種或多種控制目標(biāo)，保證安全且高效的交通運(yùn)行。交通信號(hào)控制系統(tǒng)是交通信號(hào)配時(shí)的載體，決定了信號(hào)配時(shí)方案的最終實(shí)施效果。因此，信號(hào)配時(shí)方案設(shè)計(jì)需要符合交通信號(hào)機(jī)、檢測(cè)器等軟硬件設(shè)備的功能框架，也需要考慮控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力、通信條件乃至計(jì)算效率。從機(jī)械式、各自獨(dú)立的原始交通信號(hào)控制機(jī)，到如今電子化、聯(lián)網(wǎng)化的現(xiàn)代交通信號(hào)控制系統(tǒng)，交通信號(hào)控制軟硬件設(shè)備的更新升級(jí)對(duì)信號(hào)配時(shí)技術(shù)的發(fā)展都有著極為重要的影響[3]。

在經(jīng)歷數(shù)次交通信號(hào)控制系統(tǒng)的變革后，美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)實(shí)踐與技術(shù)逐漸形成了當(dāng)前較為完整的體系。信號(hào)配時(shí)從業(yè)人員對(duì)于信號(hào)配時(shí)的主要預(yù)期目標(biāo)、設(shè)計(jì)方法以及實(shí)施過程都有著一定程度的共識(shí)?；厮菝绹?guó)交通信號(hào)控制實(shí)踐與技術(shù)發(fā)展過程，由行業(yè)組織和信號(hào)控制設(shè)備生產(chǎn)商推動(dòng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和兼容化有著十分重要的影響。自上世紀(jì)70年代起，美國(guó)州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)(American Association of State Highway Officials,AASHO)、交通工程師協(xié)會(huì) (Institute of Transportation Engineers,ITE)以及美國(guó)國(guó)家電子產(chǎn)品制造商協(xié)會(huì)(National Electrical Manufacturers Association,NEMA)等交通信號(hào)控制相關(guān)行業(yè)組織聯(lián)合信號(hào)控制設(shè)備生產(chǎn)商發(fā)布了一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并仍在持續(xù)進(jìn)行更新。這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在全美國(guó)范圍內(nèi)得到了廣泛采用，事實(shí)上規(guī)范了美國(guó)當(dāng)今交通信號(hào)控制設(shè)備的制式[4-5]與通信協(xié)議[6]，很大程度上統(tǒng)一了交通信號(hào)配時(shí)涉及的配時(shí)參數(shù)與邏輯功能，同時(shí)也間接地促進(jìn)了信號(hào)配時(shí)新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，方便信號(hào)配時(shí)工程師與研究人員開展交流與經(jīng)驗(yàn)分享，減少了配時(shí)項(xiàng)目執(zhí)行中管理者、工程師乃至公眾之間的協(xié)調(diào)障礙。從更宏觀的角度上來看，較為務(wù)實(shí)的行業(yè)氛圍和多方參與的良性互動(dòng)在美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)與實(shí)踐的發(fā)展歷程中起到了十分積極的作用。機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)耍腥艘约肮挥脩舻冉煌▍⑴c者對(duì)于交通信號(hào)控制的意見與想法能夠有效傳遞給交通信號(hào)管理部門，而交通管理部門能夠從多角度分析用戶需求并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。同時(shí)，設(shè)計(jì)和實(shí)施改進(jìn)措施中遭遇的問題又可以轉(zhuǎn)化為對(duì)交通信號(hào)控制設(shè)備生產(chǎn)商的要求，進(jìn)而促進(jìn)交通信號(hào)控制設(shè)備的更新迭代。其中著名案例是俄勒岡州居民Mats J?rlstr?m 對(duì)“黃燈時(shí)長(zhǎng)”的疑問引起了美國(guó)信號(hào)控制行業(yè)的廣泛討論，甚至促使了美國(guó)交通工程師協(xié)會(huì)對(duì)該課題的進(jìn)一步研究。

除上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，美國(guó)各級(jí)交通管理部門亦有發(fā)表交通信號(hào)配時(shí)的指導(dǎo)手冊(cè)和技術(shù)文獻(xiàn)，其中美國(guó)聯(lián)邦公路局(Federal Highway Administration,FHWA)以及美國(guó)交通研究委員會(huì)(Transportation Research Board,TRB)于2008年和2015年分別發(fā)布了兩版《美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)手冊(cè)》(Signal Timing Manual)[7-8]，較為全面地介紹了美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)。對(duì)比其他國(guó)家與地區(qū)，美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)具有3 項(xiàng)特點(diǎn)：一是美國(guó)信號(hào)配時(shí)參數(shù)自成體系，與其他國(guó)家存在差異；二是信號(hào)配時(shí)的主要工作是進(jìn)行感應(yīng)控制條件下的信號(hào)協(xié)調(diào)；三是信號(hào)配時(shí)方案通過較為特殊“環(huán)柵結(jié)構(gòu)(Ring-barrier Structure)”進(jìn)行表示。本節(jié)對(duì)該3項(xiàng)特點(diǎn)展開綜述。

1.1 美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)參數(shù)

美國(guó)信號(hào)配時(shí)參數(shù)定義主要來源于相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)手冊(cè)，以及信號(hào)控制設(shè)備生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品操作手冊(cè)?！睹绹?guó)交通信號(hào)配時(shí)手冊(cè)》[8]和《美國(guó)智能交通系統(tǒng)通信協(xié)議》(National Transportation Communications for Intelligent Transportation System(ITS)Protocol,NTCIP)[6]中詳細(xì)介紹了常規(guī)配時(shí)參數(shù)的定義，同時(shí)《美國(guó)交通設(shè)施手冊(cè)》(Manual on Uniform Traffic Control Devices,MUTCD)[9]等指導(dǎo)性文件中也描述了這些信號(hào)配時(shí)參數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。這部分常規(guī)配時(shí)參數(shù)的定義一般來說是較為嚴(yán)謹(jǐn)且統(tǒng)一的，但在常規(guī)配時(shí)參數(shù)之外，不同信號(hào)機(jī)制造廠商也會(huì)根據(jù)各自信號(hào)機(jī)產(chǎn)品所具備的特殊功能來定義一些額外的信號(hào)配時(shí)參數(shù)。因?yàn)檫@部分參數(shù)未納入行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，通常只有對(duì)應(yīng)型號(hào)信號(hào)機(jī)的操作手冊(cè)描述了其參數(shù)定義，例如：美國(guó)信號(hào)機(jī)生產(chǎn)商Cubic Trafficware(原Naztec)的Scout信號(hào)機(jī)[10]和Econolite的Cobalt信號(hào)機(jī)[11]都具備相當(dāng)數(shù)量的額外配時(shí)參數(shù)，使這些信號(hào)機(jī)能夠滿足更為復(fù)雜的信號(hào)控制需求。雖然大多數(shù)配時(shí)手冊(cè)和相關(guān)指導(dǎo)性文件中對(duì)使用這些額外配時(shí)參數(shù)不作強(qiáng)制要求，但合理地應(yīng)用額外配時(shí)參數(shù)可以豐富配時(shí)方案功能，從而進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)配時(shí)效果。但需要注意的是，信號(hào)機(jī)操作手冊(cè)中的描述往往較為簡(jiǎn)略抽象，與實(shí)際使用效果往往存在一定程度上的出入，使得配時(shí)人員需要大量時(shí)間和精力進(jìn)行摸索以掌握如何正確使用這類配時(shí)參數(shù)。

另外，由于語言或者使用場(chǎng)景的差異，信號(hào)配時(shí)參數(shù)定義在跨地區(qū)學(xué)術(shù)和工程交流中可能會(huì)產(chǎn)生歧義。例如：美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)語境中“相位(Phase)”指的是某一特定交通流向或流向組合得到的綠燈、黃燈與全紅清空時(shí)長(zhǎng)之和，而“相位”在其他語境下也表示交叉口整體通行權(quán)保持不變的一個(gè)時(shí)段。配時(shí)參數(shù)定義差異可能造成溝通障礙，甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤理解。美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)實(shí)踐中還會(huì)使用一些較為抽象的術(shù)語，例如：“流量-密度控制(Volume-density Control)”等。這些術(shù)語通常表達(dá)一系列配時(shí)概念，在使用或理解時(shí)應(yīng)當(dāng)參考相關(guān)配時(shí)指導(dǎo)文件和信號(hào)機(jī)操作手冊(cè)，詳細(xì)地確認(rèn)其內(nèi)涵，避免“望文生義”。

1.2 感應(yīng)控制條件下的信號(hào)配時(shí)

目前美國(guó)所采用的現(xiàn)代交通信號(hào)機(jī)主要面向感應(yīng)控制(Traffic Actuated Control)而設(shè)計(jì)，其中大多數(shù)配時(shí)參數(shù)與功能是基于交通檢測(cè)器的。通過設(shè)定一些信號(hào)機(jī)參數(shù)，感應(yīng)控制信號(hào)機(jī)可向下兼容固定配時(shí)，但一般只在特殊交通條件下或交通檢測(cè)器故障時(shí)使用，應(yīng)用范圍也僅是行人較多的少數(shù)城市中心交叉口或某些交叉口的部分流向。另外，自適應(yīng)交通信號(hào)控制在美國(guó)普及率尚低[3]，因此美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)實(shí)踐與技術(shù)主要考慮感應(yīng)控制。

感應(yīng)控制可分為全感應(yīng)或半感應(yīng)，美國(guó)絕大多數(shù)路口采用的是全感應(yīng)控制方式，即指交通檢測(cè)器布設(shè)于所有進(jìn)口道的信號(hào)控制流向(本文在討論“感應(yīng)控制條件下”時(shí)特指全感應(yīng)控制)。感應(yīng)控制條件下的信號(hào)配時(shí)與固定配時(shí)有著較為明顯的區(qū)別，特別是當(dāng)不考慮信號(hào)協(xié)調(diào)時(shí)。對(duì)于感應(yīng)控制條件下的非協(xié)調(diào)交叉口而言，信號(hào)配時(shí)并不需要根據(jù)模型計(jì)算周期和各流向綠時(shí)長(zhǎng)[12]，因而也可在某種程度上采用交通流量觀察代替原本繁瑣的交通流量數(shù)據(jù)采集。非協(xié)調(diào)感應(yīng)控制可以按照所設(shè)定的感應(yīng)控制參數(shù)，如“最小綠燈時(shí)長(zhǎng)(Min Green)”“最大綠燈時(shí)長(zhǎng)(Max Green)”“單位通過時(shí)間延長(zhǎng)(Passage Time)”等，通過基于交通檢測(cè)器的交通感應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)各流向綠燈時(shí)長(zhǎng)的靈活分配。非協(xié)調(diào)感應(yīng)控制能夠更好地適應(yīng)交通到達(dá)的變化，實(shí)現(xiàn)整體交叉口綠燈時(shí)間的高效利用，通常被認(rèn)為適用于距離相鄰信號(hào)燈較遠(yuǎn)的單獨(dú)交叉口或交通流量較低的夜間。《美國(guó)交通設(shè)施手冊(cè)》(MUTCD)中建議：若交叉口相鄰間距超過半英里(1英里約為1.61 km)，可以不進(jìn)行信號(hào)協(xié)調(diào)[9]。同時(shí)一部分交通配時(shí)工程師認(rèn)為，當(dāng)交通流量降低時(shí)，信號(hào)協(xié)調(diào)下的固定周期可能導(dǎo)致綠燈利用率降低且部分流向延誤顯著增加，因而需要切換為無協(xié)調(diào)感應(yīng)控制。但這兩項(xiàng)否定信號(hào)協(xié)調(diào)的理由仍有較大爭(zhēng)議，比如車隊(duì)離散現(xiàn)象(Platoon Dispersion)[13]是支持信號(hào)協(xié)調(diào)在長(zhǎng)交叉口間距條件下無效的主要依據(jù)，但考慮車輛性能進(jìn)步等原因，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)盡管交叉口間距較大，信號(hào)協(xié)調(diào)仍然具有改善交通運(yùn)行的作用[14]。而在低流量時(shí)段，可以采用短周期或長(zhǎng)短周期結(jié)合等方式構(gòu)建信號(hào)協(xié)調(diào)，能夠有效避免次街長(zhǎng)時(shí)間等待并減少干道交通停車次數(shù)，也間接地實(shí)現(xiàn)了干道交通控速，對(duì)保證夜間交通安全有著一定積極效果。

交通信號(hào)協(xié)調(diào)可以建立干道“綠波”，能夠顯著減少行程延誤和干道交通停車次數(shù)，也可以在個(gè)別條件下實(shí)現(xiàn)交叉口排隊(duì)管理等，改善交通運(yùn)行。在感應(yīng)控制條件下實(shí)現(xiàn)信號(hào)協(xié)調(diào)通常是美國(guó)信號(hào)配時(shí)工作中的重心與難點(diǎn)。感應(yīng)控制條件下的信號(hào)協(xié)調(diào)控制仍基于周期、相位差等參數(shù)，但其設(shè)計(jì)過程有別于固定配時(shí)[15]。感應(yīng)信號(hào)協(xié)調(diào)控制雖然保有固定的周期，但周期內(nèi)各交通流向綠燈時(shí)長(zhǎng)分配一定程度上遵循交通感應(yīng)機(jī)制。其中，一種典型的分配模式是周期內(nèi)協(xié)調(diào)相位的結(jié)束時(shí)刻保持不變，而其他非協(xié)調(diào)相位綠時(shí)長(zhǎng)會(huì)依據(jù)交通感應(yīng)請(qǐng)求而變化。這種模式導(dǎo)致非協(xié)調(diào)相位會(huì)提早結(jié)束，剩余綠燈時(shí)間將轉(zhuǎn)移至后續(xù)相位或直接給予協(xié)調(diào)相位(Early Return to Coordinated Green)。這種周期內(nèi)的綠燈時(shí)長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分配能夠一定程度上提高綠燈利用率，優(yōu)化交叉口通行效率，但同時(shí)也使得干道協(xié)調(diào)“綠波”具有不確定性。協(xié)調(diào)相位綠燈提前起亮事實(shí)上造成了相位差的改變，存在增加下游交叉口的停車次數(shù)與延誤時(shí)間的可能，但與此同時(shí)，這種綠燈提前起亮對(duì)一些關(guān)鍵交叉口排隊(duì)清空又有很大益處。另外，由于交通感應(yīng)機(jī)制能夠調(diào)整綠燈時(shí)間分配，感應(yīng)協(xié)調(diào)控制所需多時(shí)段配時(shí)方案數(shù)一般比固定配時(shí)更少。通常情況下，美國(guó)信號(hào)配時(shí)實(shí)踐中只對(duì)“早高峰”“晚高峰”“非高峰”這3個(gè)主要類別進(jìn)行多時(shí)段方案設(shè)計(jì)，另外根據(jù)“綠波”潮汐方向變化或個(gè)別流向交通流量特征進(jìn)行方案微調(diào)[16]。簡(jiǎn)化多時(shí)段方案設(shè)計(jì)可以節(jié)約交通信號(hào)配時(shí)工作量和成本投入，同時(shí)就實(shí)際運(yùn)行效果方面而言，更少的多時(shí)段方案數(shù)也意味著更少的方案過渡時(shí)間，事實(shí)上減少了方案過渡對(duì)信號(hào)協(xié)調(diào)造成的不利影響[17]。

時(shí)至今日，建立感應(yīng)控制條件下的信號(hào)協(xié)調(diào)控制仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。早在上世紀(jì)九十年代，學(xué)者Jeffrey Buckholz便指出了感應(yīng)信號(hào)協(xié)調(diào)配時(shí)實(shí)踐中十大常見誤區(qū)[18]。其中，“配時(shí)人員對(duì)使用早啟遲斷相位組合(Lead-lag Phasing)表現(xiàn)出非理性的排斥”等問題目前仍然廣泛存在。另一方面，感應(yīng)信號(hào)協(xié)調(diào)配時(shí)方案設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)配時(shí)人員的能力提出了更高的要求。首先，配時(shí)考慮因素變得更為復(fù)雜，例如：感應(yīng)機(jī)制使得周期確定更為靈活，而非固定配時(shí)條件下僅考慮關(guān)鍵交叉口。信號(hào)配時(shí)人員也可將交叉口間距與干道行駛速度納入考慮范圍，選擇一個(gè)既能滿足關(guān)鍵交叉口通行能力要求且控制延誤在合理范圍，又能夠?qū)崿F(xiàn)更好雙向綠波協(xié)調(diào)效果的周期[19-20]。其次，設(shè)計(jì)感應(yīng)信號(hào)協(xié)調(diào)配時(shí)方案需要利用更多的信號(hào)機(jī)參數(shù)和功能[21-22]，而信號(hào)配時(shí)人員往往必須付出大量時(shí)間與精力進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，從而具備合理使用這些配時(shí)參數(shù)和功能的能力。一份2012年發(fā)布的美國(guó)交通信號(hào)運(yùn)行調(diào)研報(bào)告中指出[23]，全美范圍內(nèi)交通信號(hào)配時(shí)綜合質(zhì)量依然存在較大的提升空間，其中在“干道協(xié)調(diào)效果”“配時(shí)方案更新及時(shí)性”等方面的評(píng)價(jià)結(jié)果不容樂觀。信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目資金不足和高水平信號(hào)配時(shí)人員短缺是造成目前困境的主要原因[24]。

1.3 環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)

北美地區(qū)通常使用“環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)”表示交通信號(hào)配時(shí)方案。顧名思義，“環(huán)”表示各個(gè)相位燈色隨著時(shí)間推進(jìn)而變化的周期性過程，而“柵”表示這個(gè)過程中的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，一般情況下可以理解為主街（或次街）相位的同時(shí)結(jié)束時(shí)刻并切換至次街（或主街）放行?！碍h(huán)柵相位結(jié)構(gòu)”一般包含有2 組“環(huán)”和2 個(gè)“柵”，處在“柵”的同一側(cè)是相容相位組，例如：圖1 中所示的“標(biāo)準(zhǔn)8 相位(STD-8)”環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)中，環(huán)1上的相位1或相位2與環(huán)2上的相位5 和相位6 都可同時(shí)在交叉口內(nèi)通行(即相容概念)，反之位于環(huán)2 上的相位5 或相位6 與位于環(huán)1的相位1和相位2也都可同時(shí)放行，不存在沖突。

圖1“標(biāo)準(zhǔn)8相位”環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1“STD-8”ring-barrier structure

“環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)”的優(yōu)勢(shì)是能將交叉口內(nèi)各交通流向之間的沖突關(guān)系與交通信號(hào)運(yùn)行過程結(jié)合在一起，極大方便了感應(yīng)控制條件下的配時(shí)設(shè)計(jì)。當(dāng)配時(shí)方案滿足“環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)”時(shí)，相位時(shí)長(zhǎng)變化或順序變化并不會(huì)引起交通流向之間的沖突。因此，“環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)”通過一種簡(jiǎn)潔且巧妙的方式代表了感應(yīng)條件下交通信號(hào)燈運(yùn)行過程的諸多可能。但當(dāng)處理復(fù)雜幾何條件交叉口或?qū)嵤┨厥饪刂撇呗詴r(shí)(比如增設(shè)右轉(zhuǎn)保護(hù)相位或添加公交專用相位等情況)，需要在標(biāo)準(zhǔn)“環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)”中添加“虛擬相位(Dummy Phase)”或“搭接相位(Overlap Phase)”，甚至使用額外的“環(huán)”或“柵”。這使得原有“環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)”變得十分復(fù)雜且抽象。另外，在“環(huán)柵相位結(jié)構(gòu)”框架下對(duì)特殊交叉口進(jìn)行配時(shí)通常需要一些技巧和獨(dú)特思考，一些菱形立交(Diamond Interchange)[25-26]和分離式菱形立交(Diverging Diamond Interchange)[27]的配時(shí)案例就體現(xiàn)出精妙的、頗具特色的配時(shí)設(shè)計(jì)，展示了信號(hào)配時(shí)科學(xué)性之外的藝術(shù)性。

2 美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)流程與工具

美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目一般由交通信號(hào)燈的責(zé)任單位牽頭(例如：市政府的交通職能部門、區(qū)域交通委員會(huì)以及州交通部等)，指派部門內(nèi)部工程師或雇傭社會(huì)咨詢公司實(shí)際執(zhí)行項(xiàng)目工作。由于美國(guó)城市交通建設(shè)已經(jīng)趨于完備，大部分信號(hào)配時(shí)工作是針對(duì)已有信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行優(yōu)化和更新(Signal Retiming)[28]，為新建信號(hào)燈進(jìn)行配時(shí)的項(xiàng)目相對(duì)較少。美國(guó)智能交通發(fā)展分析數(shù)據(jù)庫(ITS Development Evaluation Database)中的項(xiàng)目數(shù)據(jù)記錄和一些地方交通職能部門發(fā)布的評(píng)估報(bào)告表明[29]：目前美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)資金投入大約是3000～4500美元?交叉口-1；依據(jù)配時(shí)優(yōu)化后減少的行程時(shí)間、能源消耗以及尾氣排放等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，配時(shí)優(yōu)化項(xiàng)目的效益費(fèi)用比在40∶1 到200∶1之間。從這些數(shù)據(jù)可以看出，信號(hào)配時(shí)優(yōu)化項(xiàng)目成本投入規(guī)模較小，但項(xiàng)目效益在美國(guó)獲得了廣泛認(rèn)可，具有優(yōu)勢(shì)明顯的效益費(fèi)用比。本節(jié)重點(diǎn)介紹美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目的基本流程和所采用軟件工具。

2.1 交通信號(hào)配時(shí)流程

《美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)手冊(cè)》[8]中提出了“結(jié)果導(dǎo)向”式交通信號(hào)配時(shí)流程(Outcome-based Process)，包含了8項(xiàng)步驟，可概括為如下4個(gè)階段。

(1) 數(shù)據(jù)采集與分析階段

采集與分析交通數(shù)據(jù)是信號(hào)配時(shí)工作的基礎(chǔ)，其中涵蓋了分析交叉口交通流特征，確定關(guān)鍵交通流向(包括車輛流向、行人流向或公交流向等)以及明確重點(diǎn)關(guān)注的信號(hào)協(xié)調(diào)方向等內(nèi)容。通常情況下，該階段需要進(jìn)行全天路段交通流量調(diào)查和高峰小時(shí)交叉口流向流量調(diào)查。但由于交通流量調(diào)查耗時(shí)耗力巨大，項(xiàng)目資源較為緊張時(shí)可采用替代方法，例如：根據(jù)感應(yīng)控制條件下各相位持續(xù)時(shí)間的歷史記錄推算其所需的綠燈時(shí)長(zhǎng)分配，進(jìn)而得到一個(gè)可行的初始方案設(shè)計(jì)，再在后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果確定最終配時(shí)方案[30]。

(2)配時(shí)方案設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

配時(shí)方案設(shè)計(jì)是信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目的核心部分，主要涉及確定各交叉口相位配置(考慮左轉(zhuǎn)放行是“許可”或“保護(hù)”，是否設(shè)置自行車、公交專用相位等)，進(jìn)行多時(shí)段劃分，根據(jù)各時(shí)段交通運(yùn)行特征以確定配時(shí)方案周期，計(jì)算各相位綠燈、黃燈、全紅時(shí)長(zhǎng)以及確定各信號(hào)燈相位差和相序等內(nèi)容。由于這些內(nèi)容十分繁雜，美國(guó)信號(hào)配時(shí)人員通常需要使用配時(shí)軟件來完成配時(shí)設(shè)計(jì)工作。

配時(shí)方案設(shè)計(jì)完成后需要對(duì)方案的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行驗(yàn)證。方案實(shí)施后進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)并適當(dāng)調(diào)整方案設(shè)計(jì)是確保信號(hào)配時(shí)最終效果必不可少的步驟。由于感應(yīng)控制條件下配時(shí)方案運(yùn)行會(huì)受到實(shí)時(shí)交通到達(dá)變化的影響，可能與設(shè)計(jì)結(jié)果存在一定程度的差異，使得識(shí)別方案運(yùn)行的錯(cuò)誤和缺陷變得比較困難。若沒有合適的軟件工具輔助，配時(shí)人員往往需要在這個(gè)步驟耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。

(3)配時(shí)維護(hù)階段

配時(shí)方案最終確定并正式實(shí)施后，配時(shí)人員需要定期地對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)估，其中包括進(jìn)行周期性流量調(diào)查以確定交通量是否發(fā)生顯著變化，檢查交通檢測(cè)器和信號(hào)控制設(shè)備運(yùn)行是否良好，設(shè)備通信和在網(wǎng)情況是否正常等。依據(jù)定期評(píng)估結(jié)果和來自公眾的反饋信息，信號(hào)配時(shí)暴露出的問題應(yīng)當(dāng)?shù)玫郊皶r(shí)地解決。當(dāng)問題無法及時(shí)解決時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)下一輪信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目規(guī)劃的優(yōu)先級(jí)做出針對(duì)性調(diào)整。

2.2 交通信號(hào)配時(shí)工具

信號(hào)配時(shí)工具在配時(shí)方案設(shè)計(jì)中扮演著至關(guān)重要的角色。從最初信號(hào)配時(shí)工程師只能依照“時(shí)距圖”進(jìn)行紙筆作業(yè)，到如今功能強(qiáng)大的信號(hào)配時(shí)軟件得到普及，信號(hào)配時(shí)工具的進(jìn)步促進(jìn)了信號(hào)配時(shí)技術(shù)發(fā)展，極大地提高了信號(hào)配時(shí)工作效率。目前，美國(guó)信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目中使用的配時(shí)軟件工具主要有Synchro,TranSync以及Tru-Traffic等。這些軟件具有配時(shí)數(shù)據(jù)管理、配時(shí)參數(shù)優(yōu)化、配時(shí)方案校驗(yàn)以及配時(shí)效果評(píng)價(jià)等功能。另外，TRANSYT-7F和PASSER 兩款軟件曾在美國(guó)也得到過一定程度的應(yīng)用，但由于種種原因，目前已經(jīng)停止了維護(hù)更新或被集成至其他交通軟件中。本文對(duì)上述這5 款目前或歷史上美國(guó)信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目主要采用的交通信號(hào)配時(shí)軟件工具進(jìn)行分析，具體如表1所示。

除了表1中所分析的配時(shí)工具外，部分美國(guó)信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目中也使用其他信號(hào)配時(shí)輔助軟件，例如：PTV Vistro，TRANSYT 等。此外，由于上述一些軟件不提供仿真功能或仿真功能不夠完善，例如Synchro 的SimTraffic 仿真應(yīng)用無法對(duì)公交車進(jìn)行仿真，使得配時(shí)人員在配時(shí)方案設(shè)計(jì)過程中還需額外使用交通仿真軟件，如PTV Vissim等。

表1 美國(guó)主要配時(shí)軟件工具分析Table 1 Current signal timing software tools in the US

隨著技術(shù)快速發(fā)展，美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)流程和交通信號(hào)配時(shí)工具正處在不斷更新迭代的階段。當(dāng)前的交通信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目越來越突出數(shù)據(jù)采集與效果評(píng)價(jià)的重要性，并打造“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目規(guī)劃?rùn)C(jī)制，以取代傳統(tǒng)配時(shí)實(shí)踐中以市民投訴和工程經(jīng)驗(yàn)判斷為主要依據(jù)的立項(xiàng)方式。信號(hào)配時(shí)工具的使用能夠極大地節(jié)約配時(shí)項(xiàng)目的資源投入，提高配時(shí)質(zhì)量，將在交通信號(hào)配時(shí)實(shí)踐中扮演愈加重要的角色。

3 美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)研究動(dòng)向

目前美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)的前沿研究主要圍繞兩項(xiàng)主題，即信號(hào)配時(shí)效果評(píng)價(jià)和智能網(wǎng)聯(lián)交通條件下的信號(hào)控制方法。本節(jié)對(duì)這兩項(xiàng)主題分別展開綜述。

3.1 信號(hào)配時(shí)效果評(píng)價(jià)

缺乏對(duì)交通信號(hào)配時(shí)實(shí)際效果的評(píng)價(jià)一直以來是美國(guó)信號(hào)配時(shí)實(shí)踐中的短板。因此，美國(guó)聯(lián)邦公路局(Federal Highway Administration, FHWA)近年來大力推廣“自動(dòng)化交通控制效果評(píng)價(jià)系統(tǒng)(Automated Traffic Signal Performance Measures,ATSPM)”，支持了相關(guān)方面的理論研究與系統(tǒng)開發(fā)[2,31]。

自動(dòng)化交通控制效果評(píng)價(jià)系統(tǒng)采用高精度的事件數(shù)據(jù)(High-resolution Event Data，具體指交叉口各進(jìn)口道車輛檢測(cè)器觸發(fā)記錄和交通信號(hào)燈燈色變換記錄)，重構(gòu)全天候交通信號(hào)運(yùn)行過程與交通到達(dá)情況，實(shí)現(xiàn)精細(xì)且長(zhǎng)時(shí)間范圍的交通控制效果評(píng)價(jià)[32]。該系統(tǒng)可以計(jì)算多項(xiàng)交通控制效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中車隊(duì)綠燈到達(dá)率(Platoon Ratio)[33]能夠?qū)Ω傻馈熬G波”實(shí)際效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，為后續(xù)相位差優(yōu)化提供依據(jù)[34]。此外，系統(tǒng)也能夠根據(jù)檢測(cè)器占有率數(shù)據(jù)識(shí)別因綠燈時(shí)長(zhǎng)不足而引起的二次排隊(duì)[35]。

隨著軌跡數(shù)據(jù)資源日益豐富，車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)的價(jià)值得到越來越多的關(guān)注。其中，高精度車輛軌跡(數(shù)據(jù)分辨率在3 s 左右)可以作為交通信號(hào)配時(shí)效果評(píng)價(jià)的依據(jù)。美國(guó)交通數(shù)據(jù)公司INRIX 在2020年末發(fā)布了一份研究報(bào)告[36]，利用1周時(shí)間內(nèi)獲取的數(shù)百億軌跡點(diǎn)分析了美國(guó)境內(nèi)超過21萬個(gè)交叉口的交通信號(hào)控制效果。同時(shí)，軌跡數(shù)據(jù)也可被用來分析干道協(xié)調(diào)層面的交通信號(hào)配時(shí)效果[37]。

3.2 智能網(wǎng)聯(lián)交通條件下的信號(hào)控制方法

自動(dòng)駕駛、車聯(lián)網(wǎng)和車路協(xié)同技術(shù)正在飛速發(fā)展，以這些技術(shù)為特征的智能網(wǎng)聯(lián)交通情景可能在不久的將來得以實(shí)現(xiàn)。智能網(wǎng)聯(lián)條件會(huì)極大地豐富交通數(shù)據(jù)資源，將給交通信號(hào)控制帶來巨大變革。目前的交通信號(hào)控制是基于交叉口車輛檢測(cè)器采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取往往是片面且滯后的。網(wǎng)聯(lián)狀態(tài)下，實(shí)時(shí)獲取的交通大數(shù)據(jù)使預(yù)估交通到達(dá)特征成為可能，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)見性交通信號(hào)控制，進(jìn)一步提高路口通行效率，減少交通延誤。構(gòu)建智能網(wǎng)聯(lián)條件下的交通信號(hào)控制算法是近幾年的理論研究熱點(diǎn)，相關(guān)論文多有發(fā)表。其中許多研究基于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)尋求實(shí)現(xiàn)各種類型的控制目標(biāo)，例如：能耗排放最小[38-39]，優(yōu)化公交延誤[40]，或者實(shí)現(xiàn)交叉口各流向之間更為“公平”的通行權(quán)分配[41]。這些論文無疑開辟了交通信號(hào)控制的新思路，但實(shí)際應(yīng)用仍需等待。

智能網(wǎng)聯(lián)條件下信號(hào)控制方法研究的另一路徑是利用新數(shù)據(jù)資源對(duì)一些已有信號(hào)控制方法進(jìn)行改良。例如：“自組織式信號(hào)協(xié)調(diào)”研究中提出了“協(xié)調(diào)延長(zhǎng)相位”的概念[42]。利用車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可以更精準(zhǔn)地預(yù)估交通到達(dá)情況，使得該信號(hào)控制方法具有更進(jìn)一步的改善空間。

盡管智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)為將來信號(hào)控制發(fā)展描繪了極好的藍(lán)圖，但由于技術(shù)應(yīng)用是循序漸進(jìn)的過程，現(xiàn)有交通信號(hào)控制模式難以在近期(5～10年內(nèi))發(fā)生巨大改變。因此，對(duì)于現(xiàn)有交通信號(hào)配時(shí)方法的深入研究仍有著重要價(jià)值。一些學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)配時(shí)方法[43-44]開展了跟進(jìn)研究[45-46]，也有一些學(xué)者研究了特殊交叉口幾何條件下的信號(hào)配時(shí)方法[47]以及特殊交通條件(比如過飽和狀態(tài))下的信號(hào)配時(shí)策略[48]。

4 討論

本文從實(shí)踐層面出發(fā)，對(duì)美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)技術(shù)特征，配時(shí)工作主要流程和工具以及近期研究動(dòng)向進(jìn)行了綜述。經(jīng)歷一百余年的發(fā)展，美國(guó)信號(hào)配時(shí)實(shí)踐與技術(shù)已經(jīng)形成了較為完整且頗具特色的體系，這其中有許多經(jīng)驗(yàn)值得借鑒，例如：注重技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，注重軟件工具的使用以及注重信號(hào)配時(shí)效果評(píng)價(jià)等。但同時(shí)，美國(guó)交通信號(hào)配時(shí)發(fā)展現(xiàn)狀也存在許多問題值得深思，比如：交通信號(hào)配時(shí)人才培養(yǎng)不足，項(xiàng)目投入欠缺導(dǎo)致配時(shí)方案設(shè)計(jì)水平欠佳，配時(shí)方案更新滯后等。此外，本文還對(duì)2 項(xiàng)美國(guó)信號(hào)配時(shí)研究熱點(diǎn)進(jìn)行了分析，介紹了基于高精度事件數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)的交通信號(hào)控制效果評(píng)價(jià)相關(guān)研究和面向智能網(wǎng)聯(lián)條件的信號(hào)控制方法相關(guān)研究。

從美國(guó)信號(hào)配時(shí)實(shí)踐與技術(shù)視角出發(fā)，展望未來交通信號(hào)配時(shí)實(shí)踐與技術(shù)發(fā)展，可以總結(jié)出以下3項(xiàng)挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

首先，日益復(fù)雜的城市交通運(yùn)行現(xiàn)狀亟需更為高效的交通信號(hào)控制。交通信號(hào)配時(shí)所涉及的范圍正在從原先的單點(diǎn)或干道，逐漸擴(kuò)大到區(qū)域甚至更大范圍的路網(wǎng)。信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)所面向的對(duì)象也應(yīng)更加多元化，使得包括行人、公交等在內(nèi)的多模式交通整體效率得到提升。此外，交通配時(shí)設(shè)計(jì)所考慮的控制目標(biāo)也應(yīng)延伸至減少能耗排放，改善駕駛感受或行人通行感受等方面。滿足對(duì)交通信號(hào)配時(shí)提出的更高要求離不開使用功能更為強(qiáng)大的配時(shí)軟件工具。配時(shí)軟件工具的持續(xù)開發(fā)和功能優(yōu)化將對(duì)信號(hào)配時(shí)技術(shù)進(jìn)步起到重要推動(dòng)作用。

其次，例如軌跡數(shù)據(jù)等新興數(shù)據(jù)資源的出現(xiàn)將推動(dòng)交通信號(hào)配時(shí)效果評(píng)價(jià)等方面的進(jìn)步。隨著科技不斷發(fā)展，越來越多類型的數(shù)據(jù)可以被運(yùn)用到交通信號(hào)配時(shí)中，這不但豐富了信號(hào)配時(shí)優(yōu)化與效果評(píng)價(jià)的依據(jù)，也可能替代現(xiàn)有交通檢測(cè)設(shè)備或者交通數(shù)據(jù)調(diào)查過程，進(jìn)一步節(jié)約交通信號(hào)配時(shí)項(xiàng)目的資源投入。相關(guān)方向的研究將在未來產(chǎn)生巨大工程效益。

此外，未來智能網(wǎng)聯(lián)交通技術(shù)的落地將帶來交通信號(hào)控制的巨大變革。但從傳統(tǒng)交通信號(hào)控制模式過渡到智能網(wǎng)聯(lián)交通情景仍需要一個(gè)漫長(zhǎng)過程。這一過程中的交通信號(hào)控制技術(shù)如何發(fā)展仍不確定。從實(shí)用角度出發(fā)研究過渡階段中的交通信號(hào)配時(shí)方法同樣十分重要，這其中包括了利用部分可實(shí)用的智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，進(jìn)一步挖掘現(xiàn)有信號(hào)控制設(shè)備功能，憑借更為豐富的交通數(shù)據(jù)資源提升現(xiàn)有交通信號(hào)控制水平。

最后，交通信號(hào)配時(shí)相關(guān)的基礎(chǔ)性交通研究仍然需要得到關(guān)注。如本文所提及關(guān)于黃燈時(shí)長(zhǎng)和車隊(duì)消散現(xiàn)象的研究都建立于半個(gè)世紀(jì)之前，時(shí)至今日依然存在有諸多值得探討的地方，特別是在車輛性能大幅進(jìn)步，交通信號(hào)控制設(shè)備長(zhǎng)足進(jìn)步的當(dāng)下。