張帥鵬 柳祖鵬 何雅琴 姚昌宇

(武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 武漢 430065)

0 引 言

感應(yīng)控制是解決城市道路交叉口交通擁堵的有效方法之一.2003年，美國電氣制造商協(xié)會(huì)(national electrical manufacturers association，NEMA)面向典型的十字形信號控制交叉口，建立了具有8個(gè)機(jī)動(dòng)車相位和4個(gè)行人相位，采用半環(huán)分析方法，定義起始相位和末尾相位兩種機(jī)動(dòng)車相位屬性，討論可能存在的相位組合方案和相位切換方案，分析相位切換過程基本規(guī)律的NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)[1].

國內(nèi)外學(xué)者基于NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)做了一系列的研究.黃謙[2]以NEMA相位為基礎(chǔ)，提出了一種通過排隊(duì)長度算法來確定周期和綠燈時(shí)間的交通配時(shí)優(yōu)化模型.喬建明等[3]發(fā)現(xiàn)采用基于雙環(huán)8相位的交通信號控制方法,既避免相位沖突，又易形成搭接相位，操作起來標(biāo)準(zhǔn)且簡單.季策[4]通過引入了NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法實(shí)現(xiàn)相序的靈活優(yōu)化，提出了一種單交叉口實(shí)時(shí)信號控制算法.曹政等[5]以NEMA雙環(huán)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)制定優(yōu)先度規(guī)則,以此確定動(dòng)態(tài)相位組合及相序排列.

國內(nèi)外學(xué)者對交叉口感應(yīng)控制的相關(guān)研究，有考慮各方向車流量的[6-7]，有考慮各相位排隊(duì)長度的[8-9]，有考慮車輛排隊(duì)長度和排隊(duì)時(shí)間的[10].韓平超[11]提出了相位需求度的概念，設(shè)計(jì)了相位需求度的計(jì)算方法和控制流程，但是相位需求度計(jì)算時(shí)只考慮了時(shí)間因素，無法合理地反映各個(gè)相位對綠燈信號的需求程度.柳祖鵬等[12]提出了綠燈需求度的概念，設(shè)計(jì)了綠燈需求度的計(jì)算方法和控制流程，但該控制流程是以相位結(jié)構(gòu)固定為前提的，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的相位組合.

對于合流相位的相關(guān)研究較少，郭英明等[13]利用VISSIM軟件對不同周期不同流量條件下的交叉口合流放行狀態(tài)進(jìn)行仿真,結(jié)果表明：當(dāng)出口車道數(shù)目與同時(shí)放行的左轉(zhuǎn)和直行車道數(shù)目之和相同或大于時(shí),合流放行相位在理論上具備一定的可行性.肖文彬等[14]提出了合流流線相容的概念并用于交叉口信號控制的相關(guān)研究.

針對NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)的一些限制，例如北進(jìn)口道的直行流量大，左轉(zhuǎn)流量小，但南進(jìn)口道的直行流量小，左轉(zhuǎn)流量大，這時(shí)NEMA相位結(jié)構(gòu)就無法實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié).文中引用綠燈需求度的概念和計(jì)算方法，提出一種基于NEME編號和合流相位的跳相序感應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)相位的動(dòng)態(tài)組合，以解決城市道路交叉口交通擁堵問題.

1 NEMA雙環(huán)相位車流編號及其規(guī)律

NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)由8股機(jī)動(dòng)車相位組成，見圖1.車流1、3、5、7為左轉(zhuǎn)車流，車流2、4、6、8為直右車流，NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)見圖2.同時(shí)，在將編號為9、10、11、12、13的虛擬車流分別對應(yīng)編號為1、2、3、4、5的實(shí)際車流后，可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律：設(shè)置編號為i的車流，當(dāng)i為奇數(shù)時(shí)，與編號為i+3，i+4，i+5的車流分別構(gòu)成合流、交叉、分流三種相位效果組合；反之，當(dāng)i為偶數(shù)時(shí)，與編號為i+3，i+4，i+5的車流分別構(gòu)成分流、交叉、合流三種相位效果組合.如編號為4的車流，4為偶數(shù)，與編號為7(4+3)的車流為分流，與編號為8(4+4)的車流為交叉，與編號為1(4+5)的車流為合流，見表1.

圖1 NEMA機(jī)動(dòng)車相位編號圖

圖2 NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)圖

表1 NEMA機(jī)動(dòng)車相位組合規(guī)律表

在考慮合流的前提下，8股車流的全部組合見表2.在考慮合流的前提下，8股車流的全部組合共有3×4=12種，其中(1,4)，(3,6)，(5,8)，(7,2)為合流.

2 合流相位

合流相位是指在同一出口道匯合的左轉(zhuǎn)和直行車流同時(shí)放行的綠燈相位.基于已有研究表明：當(dāng)出口車道數(shù)目與同時(shí)放行的左轉(zhuǎn)和直行車道數(shù)目之和相同或大于時(shí),合流放行相位在理論上具備一定的可行性.在本研究中，交叉口背景符合車道平衡條件，車輛在在交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)或直行時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)定車道行駛且不會(huì)變道.根據(jù)NEMA相位的車流編號，合流相位有四種情況：(1，4)，(3，6)，(5，8)，(7，2)為合流相位.以合流相位(1，4)為例，示意圖見圖3.

圖3 (1，4)合流相位示意圖

3 綠燈需求度

綠燈需求度(demand degree of green, DDG)是指不同相位在周期中的不同時(shí)間對綠燈信號的需求程度.處于紅燈相位下的車流的綠燈需求度與等待時(shí)間和排隊(duì)車輛數(shù)有關(guān).為了統(tǒng)計(jì)紅燈相位下的排隊(duì)車輛數(shù)，在緊靠停車線的下游(停車線與人行橫道之間)布設(shè)“檢出檢測器”，在進(jìn)口道上游大于最大排隊(duì)長度的位置布置“檢入檢測器”，不間斷統(tǒng)計(jì)檢入、檢出檢測器上的車輛到達(dá)脈沖，檢入脈沖時(shí)排隊(duì)數(shù)增加，檢出脈沖時(shí)排隊(duì)數(shù)減少，由此可統(tǒng)計(jì)得到各個(gè)相位在不同時(shí)刻的排隊(duì)車輛數(shù).檢測器位置見圖4.

圖4 檢測器位置示意圖

紅燈開始時(shí)，累加該相位下每1s時(shí)間內(nèi)的等待車輛數(shù)，即累加該相位下每一輛車已經(jīng)等待的時(shí)間，計(jì)算公式為

(1)

式中：DDG為綠燈需求度，veh·s；R為當(dāng)前紅燈時(shí)間；t為時(shí)間變量，從1增加到R；veh(t)為t-1～t這1 s內(nèi)該相位下的排隊(duì)車輛數(shù).

根據(jù)車輛檢測器的檢測信息，經(jīng)統(tǒng)計(jì)可以得到該相位下每1 s的車輛排隊(duì)數(shù)veh(t)，由此計(jì)算得到的綠燈需求度可以全面的反映紅燈相位下的等待時(shí)間和排隊(duì)情況.從而使得排隊(duì)車輛較多且等待時(shí)間較長的車流所在的相位獲得優(yōu)先通行權(quán).

4 感應(yīng)控制策略

4.1 相位切換

相位切換分為三種情況，以相位最小綠燈時(shí)間和相位最大綠燈時(shí)間為分界點(diǎn)，表示為：

1) 任一相位綠燈起始，在感應(yīng)信號控制內(nèi)設(shè)置最小綠燈時(shí)間，在最小綠燈時(shí)間結(jié)束之前，不進(jìn)行相位切換.

2) 到最小綠燈時(shí)間結(jié)束時(shí)，如果在一個(gè)預(yù)先設(shè)置的時(shí)間間隔內(nèi)沒有后續(xù)車輛到達(dá)，切換相位；如果有車輛到達(dá)，則延長綠燈時(shí)間，只要不斷有車到達(dá)，綠燈時(shí)間可繼續(xù)延長，直到預(yù)設(shè)的最長綠燈時(shí)間.

3) 當(dāng)相位綠燈時(shí)間大于等于最大綠燈時(shí)間時(shí)，切換相位.

用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為以下三個(gè)階段：①0≤t相

4.2 相位選擇

采用全感應(yīng)控制，以NEMA雙環(huán)結(jié)構(gòu)中定義的8個(gè)機(jī)動(dòng)車相位為基礎(chǔ)，在8個(gè)機(jī)動(dòng)車相位對應(yīng)進(jìn)口道上都設(shè)置檢測器，并根據(jù)車輛檢測器的檢測信息，計(jì)算得到對應(yīng)相位的綠燈需求度.在每一次選擇下一個(gè)切換相位時(shí)，選擇此時(shí)不沖突且綠燈需求度最大的相位為下一個(gè)變換相位.

通過相關(guān)研究和觀察可知，在NEMA相位結(jié)構(gòu)中，交叉口至多只能使2股機(jī)動(dòng)車相位的車流同時(shí)通過，通常情況下，為了使交叉口時(shí)空資源得到充分利用，交叉口信號控制都是以2股機(jī)動(dòng)車相位為基礎(chǔ)，這樣既充分利用了資源，又避免了沖突.處于綠燈狀態(tài)下的2股機(jī)動(dòng)車相位，當(dāng)其中1股機(jī)動(dòng)車相位滿足相位切換條件時(shí)，選擇該機(jī)動(dòng)車相位對應(yīng)的不沖突且綠燈需求度最大max(DDGi)的相位進(jìn)行切換.以相位1和5為例，示意流程圖見圖5.

圖5 相位切換示意流程圖

5 仿真測試與分析

5.1 仿真測試環(huán)境

以武漢市團(tuán)結(jié)大道-園林路交叉口為例，該交叉口4個(gè)進(jìn)口道均為3車道，其中直行與右轉(zhuǎn)共用2車道，左轉(zhuǎn)專用1車道.見圖6.

圖6 交叉口布局示意圖

仿真運(yùn)行時(shí)，共運(yùn)行4 000 s，前400 s作為路網(wǎng)車流初始化階段.設(shè)置多個(gè)仿真種子運(yùn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后輸出所有車輛的平均延誤作為評價(jià)指標(biāo).

5.2 仿真場景

根據(jù)車流流量差異設(shè)置“流量均衡”“流量不均衡”和“特殊流量”三種場景.①流量均衡場景下，主、次干路流量比約為3∶2，左、直、右流量之比為3∶6∶1，上下兩環(huán)的流量之和基本相等，車流1+車流2約等于車流5+車流6，車流3+4約等于車流7+8.②流量不均衡場景下，主、次干路流量比約為3∶2，上環(huán)流量之和大于下環(huán)流量之和，車流1+2大于車流5+6，車流3+4大于車流7+8.③特殊流量場景下，主、次干路流量比約為3∶2，上下環(huán)流量之和基本相等，車流1+2大于車流5+6，車流7+8大于車流3+4.以上3種場景下，再分別設(shè)置低、中、高三種不同的飽和度，交叉口的流量分別為2 000，4 000和5 600輛/h.

設(shè)置兩種感應(yīng)控制方案：①NEMA雙環(huán)結(jié)構(gòu)感應(yīng)控制，用“NEMA”表示；②基于綠燈需求度的跳相序感應(yīng)控制，用“DDG+M”表示.

5.3 仿真結(jié)果及分析

匯總多次仿真實(shí)驗(yàn)的平均延誤評價(jià)數(shù)據(jù)，得到3×3=9種不同條件下的交叉口平均延誤對比圖，見圖7.

圖7 不同場景下，不同飽和度的延誤對比

由圖7可知，流量均衡場景下，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略的延誤整體較大，其中在高飽和度情況下，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略下的平均延誤增加了2.26 s，增加了4.5%.流量不均衡場景下，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略的延誤整體較小，其中在高飽和度情況下，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略下的平均延誤減少了4.02 s，降低了5.5%.特殊流量場景下，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略的延誤整體較小，其中在高飽和度情況下，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略下的平均延誤減少了17.68 s，降低了22.4%.由此可見，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略更適用于流量不均衡和特殊流量場景的交叉口.

不同飽和度條件下，不同場景的延誤對比圖，見圖8.

圖8 不同飽和度條件下，不同場景的延誤對比

由圖8可知，低飽和度條件下，三種場景下的兩種控制策略的延誤相差不多，原因是交通流量過小，各車流在最小綠燈時(shí)間內(nèi)均完全駛?cè)虢徊婵?，無法凸顯控制策略調(diào)節(jié)效果.中飽和度條件下，三種場景下的兩種控制策略的延誤相差不多，都在1 s以內(nèi)，原因是交通流量適中，兩種控制策略的調(diào)節(jié)效果差距不明顯.高飽和度條件下，兩種控制策略調(diào)節(jié)效果開始凸顯，在高飽和度流量均衡場景下，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略下的平均延誤增加了2.26 s，增加了4.5%.在高飽和度流量不均衡場景下，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略下的平均延誤減少了4.02 s，降低了5.5%；在高飽和度特殊流量場景下，相較于NEMA控制策略，DDG+M控制策略下的平均延誤減少了17.68 s，降低了22.4%.

匯總不同流量場景和不同飽和度條件下，NEMA和DDG+M控制策略的延誤對比，見圖9.由圖9可知，在流量均衡場景下，NEMA控制策略較優(yōu)，但兩者交叉口平均延誤相差不大；在流量不均衡和特殊流量下，DDG+M控制策略較優(yōu)，特別是在流量不均衡和特殊流量場景的高飽和度交叉口，DDG+M控制策略都具有明顯的優(yōu)勢.

圖9 各種組成場景下的延誤對比

6 結(jié) 束 語

基于NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究，充分證明了NEMA相位的合理性和在交叉口控制中的優(yōu)勢，其對于相位的定義以及獨(dú)有的具有規(guī)律的相位編號方式方便了相關(guān)研究.紅燈相位下的綠燈需求度的計(jì)算方法充分考慮了車輛的排隊(duì)和等待時(shí)間，合理地反映出了各個(gè)紅燈相位對于綠燈信號的需求程度.在滿足當(dāng)出口車道數(shù)目與同時(shí)放行的左轉(zhuǎn)和直行車道數(shù)目之和相同或大于時(shí)的前提下，合流相位的存在將實(shí)現(xiàn)交叉口相位的動(dòng)態(tài)組合.

仿真測試和結(jié)果表明，在流量不均衡和特殊流量的交叉口，基于綠燈需求度的感應(yīng)控制策略比NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)更有效，且其控制效果隨著流量的增加表現(xiàn)得越來越明顯.

后續(xù)擬在車輛以車隊(duì)行駛方式到達(dá)的條件下，進(jìn)一步對該控制策略進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn).單點(diǎn)信號控制是干線協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)，后續(xù)研究可在單點(diǎn)控制的基礎(chǔ)上擴(kuò)展到干線甚至區(qū)域?qū)用妫⒃趯?shí)踐中進(jìn)行測試和驗(yàn)證.