姚昌宇,柳祖鵬,何雅琴,張 濤
(武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院,湖北 武漢 430065)
信號(hào)交叉口的通行能力影響城市交通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平,優(yōu)化交叉口的信號(hào)控制方案,可以提高信號(hào)交叉口的通行效率,從而改善交通網(wǎng)絡(luò)的性能。
國(guó)內(nèi)研究者對(duì)于信號(hào)交叉口的放行策略研究大多數(shù)是將感應(yīng)控制和算法進(jìn)行結(jié)合,羅霞等學(xué)者[1]將交叉口分為變速控制區(qū)和勻速行駛區(qū),對(duì)即將進(jìn)入交叉口的車(chē)輛通過(guò)遍歷樹(shù)算法搜索出所有無(wú)沖突通行次序,再利用人工蟻群算法求得最優(yōu)解以確定最終方案。魏欣[2]提出的批處理策略中,將車(chē)輛的到達(dá)形成車(chē)隊(duì)形式,并賦予每車(chē)隊(duì)通行優(yōu)先級(jí),利用貪心沖突矩陣決策算法和K平移優(yōu)化算法求放行車(chē)隊(duì)的最優(yōu)次序。He[3]提出了一種啟發(fā)式算法,用于單交叉口內(nèi)優(yōu)先交通車(chē)輛(例如緊急車(chē)輛和公交車(chē))在基礎(chǔ)設(shè)施通信情況良好的情況下,解決了同時(shí)具有多個(gè)優(yōu)先權(quán)請(qǐng)求車(chē)輛的通行次序問(wèn)題。
國(guó)內(nèi)的交叉口相位設(shè)計(jì)方案中[4-5],大多基于單環(huán)結(jié)構(gòu),單環(huán)相位結(jié)構(gòu)要求一股或多股交通流同時(shí)獲得通行權(quán),但如果單環(huán)結(jié)構(gòu)下某一相位的兩股交通流不對(duì)稱(chēng),就會(huì)降低交叉口的通行效率。美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)(National Electrical Manufacturers Association,NEMA)制定的TS-2標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)相位的規(guī)定有效解決了這種交通流不對(duì)稱(chēng)的情況。Koonce[6]和蔡云[7]介紹了NEMA相位方案中任意調(diào)整位于同環(huán)、同段的2個(gè)相位的順序或時(shí)長(zhǎng)完全不會(huì)對(duì)交叉口中其他相位的正常運(yùn)行產(chǎn)生任何不良影響。研究者[8-11]發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)相位的配時(shí)方案,NEMA相位在處理相序和相位時(shí)長(zhǎng)方面有著更高的靈活性,它能夠根據(jù)相鄰信號(hào)交叉口自身的特點(diǎn),通過(guò)合理調(diào)整相序結(jié)構(gòu)以及濾波帶寬來(lái)保證交通流的連續(xù)。朱和等[12]提出了基于NEMA相位的綠波最大化模型。王逸[13]在雙環(huán)相位方案的基礎(chǔ)上建立了以交叉口平均延誤為目標(biāo)函數(shù)的雙環(huán)信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型,并采用自適應(yīng)遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解。修偉杰[14]通過(guò)運(yùn)用Visvap調(diào)節(jié)NEMA雙環(huán)相位使之更適合交通流不平衡的交叉口。MA等[15]提出了一種基于雙環(huán)方案的回旋處信號(hào)優(yōu)化模型,并采用兩條左轉(zhuǎn)彎控制線(xiàn)來(lái)消除回旋處的沖突點(diǎn)和編織段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大都將NEMA相位和算法相結(jié)合做研究,對(duì)于NEMA結(jié)構(gòu)中主干路與次干路之間的屏障對(duì)相位方案的靈活性的影響研究課題較少。
針對(duì)已有不足,本研究提出一種將NEMA雙環(huán)相位與合流相位結(jié)合的控制策略,以提高感應(yīng)控制的靈活性。
NEMA相位方案主要采用雙環(huán)相位結(jié)構(gòu),由8股車(chē)流組成,每一個(gè)方向就代表一個(gè)相位,如圖1所示。NEMA相位結(jié)構(gòu)中的上下2個(gè)環(huán)可以相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行,任意調(diào)整同環(huán)同一方向里的相位順序和時(shí)間都不會(huì)與其他相位產(chǎn)生相位沖突。在雙環(huán)相位方案中,只有遇到“屏障”時(shí),分別處于2個(gè)環(huán)內(nèi)的兩股車(chē)流才必須同時(shí)開(kāi)始或結(jié)束,如車(chē)流2和5必須同時(shí)結(jié)束。NEMA雙環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 NEMA相位結(jié)構(gòu)的車(chē)流編號(hào)Fig.1 Traffic numbers of NEMA phase structure
圖2 NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)Fig.2 NEMA dual-ring phase structure
合流相位指在同一出口道匯合的左轉(zhuǎn)和直行車(chē)流同時(shí)放行的綠燈相位。相對(duì)于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)交叉口單口放行或?qū)ο蚍判蟹绞剑狭飨辔桓m合擁有復(fù)雜的不平衡交通流的交叉口。郭英明等[16-19]利用VISSIM驗(yàn)證了合流相位在理論上的可行性:當(dāng)出口車(chē)道數(shù)等于或大于同時(shí)放行的左轉(zhuǎn)與直行車(chē)道數(shù)之和時(shí),合流放行相位在理論上具備可行性。
本研究假設(shè)交叉口的道路條件符合車(chē)道均衡原則,車(chē)輛在交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)或直行時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)定車(chē)道行駛。在未來(lái)面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的交通流中,在車(chē)道均衡條件下,假設(shè)智能車(chē)輛能自動(dòng)按照車(chē)道行駛。
根據(jù)圖1所知,交叉口存在的合流相位如圖3所示。
圖3 NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)中的合流相位組合Fig.3 Merging phase combinations of NEMA dual-ring phase structure
以圖3(a)為例,車(chē)流2和車(chē)流7可同時(shí)放行,如圖中的斜線(xiàn)重疊部分,這2股車(chē)流在南出口形成合流,如圖4所示,即北進(jìn)口的直行車(chē)流和東進(jìn)口的左轉(zhuǎn)車(chē)流同時(shí)放行。
圖4 車(chē)流2, 7合流相位示意圖Fig.4 Schematic diagram of merging phase of traffic flow 2 and traffic flow 7
為了獲得更加靈活和合理的相位切換結(jié)構(gòu),在圖2所示的相序基礎(chǔ)上,考慮到合流相位(2, 7)、(3, 6)合流的可行性,如圖5中的陰影部分,將單個(gè)周期內(nèi)主干路與次干路之間的屏障取消,使主干道的相位和次干道的相位形成搭接結(jié)構(gòu)。
相位結(jié)構(gòu)如圖5所示,在保證車(chē)流無(wú)沖突的前提下,圖中車(chē)流之間的虛線(xiàn)表示各相位可自由結(jié)束,實(shí)線(xiàn)表示兩末尾相位須同時(shí)結(jié)束。
圖5所示的相位結(jié)構(gòu)雖然在同一相位周期內(nèi)無(wú)屏障,但是周期末尾仍然要求相位同時(shí)結(jié)束。為了突破周期之間的屏障,將圖5中第2周期的上下兩環(huán)的位置互換,即T2中的車(chē)流1, 2, 3, 4移至下環(huán),車(chē)流5, 6, 7, 8移至上環(huán),形成上下兩環(huán)依次從車(chē)流1到車(chē)流8的順序循環(huán)放行結(jié)構(gòu),如圖6所示。
在該相位結(jié)構(gòu)中,通過(guò)車(chē)流(1, 4)、(5, 8)合流相位可以對(duì)原來(lái)兩周期的相位形成搭接,如圖6中的陰影部分,使NEMA相位中的屏障完全消失,形成8相位的大雙環(huán)結(jié)構(gòu)。
圖5 在周期內(nèi)融合(2, 7)、(3, 6)合流相位Fig.5 Merging (2, 7) and (3, 6) merging phases in a cycle
圖6 周期之間融合(1, 4)、(5, 8)合流相位Fig.6 Merging (1, 4) and (5, 8) merging phases between cycles
在原NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)中,車(chē)流1和2之間可以互換,在4組車(chē)流都進(jìn)行互換的情況下,相位結(jié)構(gòu)如圖7所示。
在圖7所示的相位結(jié)構(gòu)中,同時(shí)考慮2個(gè)周期前后銜接的情況,通過(guò)車(chē)流1, 2, 3, 4和車(chē)流5, 6, 7, 8上下互換,在周期內(nèi)融合(1, 4)、(5, 8)合流相位,在周期之間融合(2, 7)、(3, 6)合流相位,也可以形成8相位大雙環(huán)結(jié)構(gòu),如圖8所示。
圖7 調(diào)序后的NEMA相位結(jié)構(gòu)Fig.7 NEMA phase structure after sequence adjustment
圖8是圖6相位結(jié)構(gòu)放行次序的逆序,兩者具有對(duì)稱(chēng)性。
圖8 逆序的8相位大雙環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.8 Eight-phase large dual-ring structure in reverse sequence
交叉口的8股車(chē)流獨(dú)立運(yùn)行感應(yīng)控制策略,即當(dāng)車(chē)流間存在較大的空檔時(shí),結(jié)束當(dāng)前相位的綠燈,下一相位的選擇是以圖6或圖8的標(biāo)準(zhǔn)相位結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。感應(yīng)控制策略各控制參數(shù)取值參照文獻(xiàn)[20]:最小綠燈時(shí)間必須確保檢測(cè)器前的所有車(chē)輛在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)全部駛離停止線(xiàn)。單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間必須確保被檢測(cè)車(chē)輛從感應(yīng)檢測(cè)器位置駛離停車(chē)線(xiàn),一般取3~5 s。最大綠燈時(shí)間是為了保證各相位綠燈時(shí)間延長(zhǎng)的限度,當(dāng)達(dá)到最大綠燈時(shí)間時(shí),為避免其他相位排隊(duì)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),則強(qiáng)制切換下一相位。
在感應(yīng)控制策略中,每股車(chē)流都有各自獨(dú)立的控制參數(shù),如最小綠燈時(shí)間、最大綠燈時(shí)間、單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間等。
在相位結(jié)構(gòu)中,上下兩環(huán)獨(dú)立按次序循環(huán)放行,可形成靈活多樣的相位組合。以圖6的正序標(biāo)準(zhǔn)相位結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),8股車(chē)流放行不同的綠燈時(shí)間,某一時(shí)段的控制狀態(tài)如圖9所示。
圖9 某時(shí)段各相位綠燈時(shí)間示意圖Fig.9 Schematic diagram of green light time for each phase in a certain period
基于NEMA雙環(huán)相位與合流相位的感應(yīng)控制策略雖然在相位結(jié)構(gòu)中消除了屏障對(duì)于靈活性的影響,但沒(méi)有屏障的約束作用會(huì)發(fā)生跨越合流相位的沖突情況。為了避免切換后的下一綠燈相位和此時(shí)放行的另一綠燈相位發(fā)生沖突,必須采取保證合流相位同時(shí)結(jié)束的措施。
以圖6中上環(huán)的車(chē)流4為分析對(duì)象,車(chē)流4可以與下環(huán)中的車(chē)流7, 8, 1同時(shí)放行,如圖中陰影部分。將這3股車(chē)流稱(chēng)為車(chē)流4的相容車(chē)流,如圖10所示。
圖10 車(chē)流7, 8, 1是車(chē)流4的相容車(chē)流Fig.10 Traffic flows 7, 8, 1 are compatible flows for traffic flow 4
在圖10中,車(chē)流4比車(chē)流1先結(jié)束綠燈,則下環(huán)的車(chē)流1切換到車(chē)流2時(shí),車(chē)流2與上環(huán)的車(chē)流5是相容的,不會(huì)產(chǎn)生沖突。
當(dāng)車(chē)流1比車(chē)流4先結(jié)束綠燈,此時(shí)下環(huán)的車(chē)流2將與上環(huán)的車(chē)流4產(chǎn)生沖突,需同時(shí)結(jié)束車(chē)流1和車(chē)流4的綠燈時(shí)間,如圖11所示。
圖11 車(chē)流4與車(chē)流1必須同時(shí)結(jié)束Fig.11 Traffic flow 4 and traffic flow 1 must be ended simultaneously
由圖11可見(jiàn),車(chē)流4與相容車(chē)流中的末尾車(chē)流必須同時(shí)結(jié)束綠燈,否則會(huì)產(chǎn)生跨越相位的沖突。此處存在一個(gè)隱形的屏障:當(dāng)前車(chē)流的綠燈時(shí)間不能超過(guò)最后一個(gè)相容車(chē)流的綠燈時(shí)間,如車(chē)流4的綠燈結(jié)束時(shí)間不能超過(guò)車(chē)流1綠燈結(jié)束時(shí)間。因此,在車(chē)流1切換到車(chē)流2時(shí),必須同時(shí)將車(chē)流4切換到車(chē)流5。相對(duì)而言,車(chē)流1→2的切換是主動(dòng),車(chē)流4→5的切換是被動(dòng)的。
以此類(lèi)推,車(chē)流2切換到車(chē)流3的時(shí)候,必須同時(shí)將車(chē)流5切換到車(chē)流6。完整的8種主動(dòng)和被動(dòng)相位切換如表1所示。
表1 8種主動(dòng)、被動(dòng)的相位切換Tab.1 8 Eight active and passive phase switchings
為了保證不發(fā)生跨越相位的沖突,在感應(yīng)控制邏輯中必須為每個(gè)主動(dòng)相位切換構(gòu)建一道隱形屏障。在感應(yīng)控制中,如果發(fā)生如圖11所示的情況,則控制邏輯將啟動(dòng)該隱形屏障,同步進(jìn)行被動(dòng)相位切換。
以圖11所示的情況為例,當(dāng)車(chē)流1和4都為綠燈且必須結(jié)束車(chē)流1時(shí),分兩種情況進(jìn)行分析:
(1)當(dāng)車(chē)流1的綠燈時(shí)間達(dá)到最大綠燈時(shí)間,為了避免下一放行車(chē)流和車(chē)流4產(chǎn)生沖突,會(huì)強(qiáng)制結(jié)束車(chē)流1和4,放行車(chē)流2和5。
(2)當(dāng)車(chē)流1的綠燈時(shí)間大于最小綠燈時(shí)間,小于最大綠燈時(shí)間且車(chē)頭時(shí)距大于規(guī)定值時(shí),首先判斷車(chē)流4的綠燈時(shí)間是否滿(mǎn)足最小綠燈條件,然后判斷車(chē)頭時(shí)距條件,這兩個(gè)判斷有一個(gè)結(jié)果為假時(shí),車(chē)流1和4繼續(xù)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間,直到車(chē)流4滿(mǎn)足結(jié)束條件或者車(chē)流1達(dá)到最大綠燈時(shí)間,才同時(shí)結(jié)束車(chē)流1和4,放行車(chē)流2和5??刂七壿嬋鐖D12所示。
圖12 構(gòu)建隱形屏障的控制邏輯Fig.12 Control logic for building invisible barrier
在VISSIM仿真軟件中構(gòu)建交叉口模型,在VAP模塊中構(gòu)建感應(yīng)控制邏輯,對(duì)提出的感應(yīng)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
以武漢市團(tuán)結(jié)大道-園林路交叉口為仿真背景構(gòu)建模型,該交叉口4個(gè)進(jìn)口道均設(shè)有3車(chē)道,其中直行與右轉(zhuǎn)共用2車(chē)道、左轉(zhuǎn)專(zhuān)用1車(chē)道。交叉口各個(gè)出口車(chē)道數(shù)等于左轉(zhuǎn)與直行車(chē)道數(shù)之和,符合合流相位放行的要求。交叉口一共布置12個(gè)檢測(cè)器,主干路、次干路檢測(cè)器的位置距離停車(chē)線(xiàn)50,30 m。
根據(jù)流量差異設(shè)置“流量均衡”、“流量不均衡”和“特殊流量”3種場(chǎng)景。
(1)流量均衡場(chǎng)景下,主、次干路流量比約為3∶2,左、直、右流量之比為3∶6∶1。
(2)流量不均衡場(chǎng)景下,車(chē)流1+2≈車(chē)流5+6;車(chē)流3+ 4≈車(chē)流7+8。
(3)特殊流量場(chǎng)景下,上下兩環(huán)的流量之和相等,車(chē)流1+2>車(chē)流5+6;車(chē)流7+8>車(chē)流3+4。
以上3種場(chǎng)景下,再分別設(shè)置低、中、高3種不同的飽和度,交叉口的流量分別約為每小時(shí)2 000,4 000輛和5 600輛。
設(shè)置兩種感應(yīng)控制方案:(1)基于常規(guī)NEMA雙環(huán)結(jié)構(gòu)的感應(yīng)控制方案,用“NEMA”表示;(2)基于NEMA和合流相位的改進(jìn)感應(yīng)控制方案,用“NEMA+M”表示。
匯總多次仿真試驗(yàn)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù),得到不同條件下的交叉口平均延誤對(duì)比分析圖,如圖13、圖14所示。
圖13 不同場(chǎng)景下,不同飽和度的延誤對(duì)比Fig.13 Comparison of delays with different saturations in different scenarios
圖14 不同飽和度條件下,不同場(chǎng)景的延誤對(duì)比Fig.14 Comparison of delays in different scenarios under different saturation conditions
如圖13所示,流量均衡場(chǎng)景下,兩種控制策略的效果相差不大。流量不均衡場(chǎng)景下,在高飽和度情況下,NEMA+M控制策略下的延誤減少了4.6 s。在特殊流量場(chǎng)景下,中飽和度的NEMA+M控制策略的延誤減少了4.9 s,降低了13.8%;高飽和度的NEMA+M控制策略的延誤減少了25.0 s,降低了28.5%。
如圖14所示,在低飽和度條件下,3種場(chǎng)景的兩種控制策略的延誤水平相近,原因是交通流量過(guò)小,各車(chē)流在最小綠燈時(shí)間內(nèi)均完全駛?cè)虢徊婵?,無(wú)法凸顯控制策略調(diào)節(jié)效果。在中飽和度和高飽和度條件下,特殊流量場(chǎng)景中NEMA+M控制策略的延誤水平都明顯低于NEMA控制策略,原因是當(dāng)主干道或次干道上下兩環(huán)的交通量之和相差較多,NEMA相位不能實(shí)現(xiàn)主干道和次干道車(chē)流的共同放行,使排隊(duì)車(chē)輛數(shù)量增加,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生二次排隊(duì)現(xiàn)象,致使延誤增大。
匯總不同的流量場(chǎng)景和不同的飽和度條件,NEMA和NEMA+M控制策略的延誤對(duì)比,如圖15所示。
圖15 各種組成場(chǎng)景下的延誤對(duì)比Fig.15 Comparison of delays in different composition scenarios
從該圖可以看出,在特殊流量場(chǎng)景的高飽和度條件下,最小綠燈時(shí)間內(nèi)排隊(duì)車(chē)輛無(wú)法全部駛出交叉口,由于流量的不對(duì)稱(chēng)性,各相位對(duì)于綠燈時(shí)間的需求度不一,而NEMA相位中的硬性屏障使得主干路、次干路的上下環(huán)綠燈時(shí)間同時(shí)結(jié)束,必然造成二次排隊(duì)或者綠燈空放的現(xiàn)象發(fā)生,導(dǎo)致平均延誤增大。相較于NEMA相位,NEMA+M相位在保證車(chē)流無(wú)沖突的情況下,允許主干路相位與次干路相位產(chǎn)生搭接效果,極大程度地滿(mǎn)足了各相位根據(jù)自身車(chē)流量調(diào)節(jié)綠燈時(shí)間,平均延誤時(shí)間降低了約29.0%,說(shuō)明在這種特殊的情況下,NEMA+M控制策略有很明顯的優(yōu)勢(shì)。
為消除NEMA方案中屏障對(duì)于相位放行靈活性的影響,在NEMA相位方案的基礎(chǔ)上融入合流相位,提出了一種改進(jìn)的交叉口感應(yīng)控制方案,通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了此感應(yīng)控制策略的有效性,在特殊流量條件下該控制策略有較明顯的優(yōu)勢(shì)。后續(xù)擬在車(chē)隊(duì)行駛條件下,進(jìn)一步對(duì)該控制策略進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。