基于NEMA標(biāo)準(zhǔn)和Synchro軟件的交叉口相位縮減設(shè)計(jì)

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（National Electronic Manufacturers Association，NEMA）在TS-2 標(biāo)準(zhǔn)中針對典型信號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)相位的信號配時(shí)優(yōu)化方法，并與傳統(tǒng)的Webster配時(shí)法進(jìn)行了對比分析；吳先宇等［5］將短連線交叉口分為信號合并和信號協(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，而不會影響其他相位的正常運(yùn)行［4］。此外，8 個(gè)機(jī)動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)地觀測采集。該交叉口南北向?yàn)榻煌ǜ傻例報(bào)绰?，其限制車速?0 km·h-1，東西方向?yàn)榇我缆?，各個(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 信號控制設(shè)計(jì)

在3 種相位方案的基礎(chǔ)上，使用Synchro 軟件對交叉口進(jìn)行信號控制方案的設(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)層面上對信號控制方案進(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、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控制參數(shù)，如表2 所示。

表2 交叉口各相位方案信號控制參數(shù)

從表2 中可以看出，與方案A 相比，方案B 將信號周期縮減為70 s，而方案C則將信號周期擴(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《HCM2010》［15］中的方法評價(jià)各方案的運(yùn)行效果?！禜CM2010》認(rèn)為車輛在交叉口的信號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、過飽和延誤和信號控制延誤（信控延誤）（s）；gi表示進(jìn)口道i 對應(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、車輛變道、測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價(jià)結(jié)果

表4 交叉口總體延誤評價(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 軟件對各方案進(jìn)行了信號配時(shí)設(shè)計(jì)，并選取延誤為主要評價(jià)指標(biāo)，使用《HCM2010》提供的方法評價(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，從而為交叉口信號控制提供了新的思路。