基于NEMA標準和Synchro軟件的交叉口相位縮減設計

楊 震， 王寶杰

（1.南京林業大學汽車與交通工程學院，南京210037；2.長安大學運輸工程學院，西安710064）

0 引 言

交叉口是城市路網通行能力的瓶頸，也是交通擁堵和交通事故的高發地點，世界各國的經驗表明，實行信號控制是交叉口最有效的交通管理手段［1］。合理的相位設計是交叉口信號控制的基礎，也是提高交通效率的關鍵因素之一。目前較為通用的相位結構（或相位模板）是美國國家電氣制造商協會（National Electronic Manufacturers Association，NEMA）在TS-2 標準中針對典型信號控制十字交叉口制定的雙環相位結構，由8 個機動車相位組成［2-3］，在NEMA 雙環相位的應用方面，徐洪峰等［3］考慮相位結構、行人過街綠燈時間和綠燈間隔時間，提出了機動車相位固定最小綠燈時間的計算方法；王逸等［4］基于自適應遺傳算法，研究了NEMA雙環相位的信號配時優化方法，并與傳統的Webster配時法進行了對比分析；吳先宇等［5］將短連線交叉口分為信號合并和信號協調兩種控制類型，并基于NEMA相位建立了相序設置策略和信號配時方法。

在NEMA相位結構中，處于同環、同屏障的兩個相位可以調換順序，而不會影響其他相位的正常運行［4］。此外，8 個機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］、進口單獨放行相位［8-9］等方案。一般而言，交叉口相位數量越多，一個信號周期內損失時間越多，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間，或縮短信號周期時長，達到提高交叉口總體通行效率的目的。本文結合實例交叉口探討交叉口相位縮減策略的設計方法和實施效果，從而為交叉口信號控制打開新的思路。

1 數據采集

本文以南京市龍蟠路-鎖金北路交叉口為例，探討交叉口相位縮減策略的設計及應用。該交叉口采集的數據分為幾何形態數據和交通流量數據。

1.1 幾何形態數據

交叉口幾何形態數據通過百度衛星圖、街景及實地觀測采集。該交叉口南北向為交通干道龍蟠路，其限制車速為60 km·h-1，東西方向為次要道路，各個進口車道的寬度為3.25 m，其中北方向設有高架橋引道，包含兩個進口道與兩個出口道。交叉口東進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，對應的南進口無右轉專用道，西進口無直行進口道，而北進口則設有供車輛掉頭的通道，可按左轉車道處理。交叉口以南190 m 處、以北435 m 處各設有一處車輛掉頭點，其中掉頭點（北）位于高架橋下方。

交叉口的幾何形態及關鍵幾何數據如圖1 所示（為更好地反映出交叉口的關鍵幾何數據，該圖未嚴格按比例繪制）。

圖1 交叉口的幾何形態及關鍵幾何數據

1.2 交通流量數據

交叉口交通流量數據通過實地錄像及人工計數采集，如表1 所示。

2 相位縮減設計

根據交叉口的幾何形態和交通流量數據，為其設計3 組相位方案，其中方案A為根據NEMA雙環相位模板設計的基本相位方案；方案B、C則是在方案A的基礎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 為南北方向構成的4 個相位（φ1～φ4），屏障2 為東西方向的車流各自形成的2 個相位（φ5、φ6）。

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

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

表1 龍蟠路-鎖金北路交叉口交通流量數據

圖2 交叉口相位方案

3 信號控制設計

在3 種相位方案的基礎上，使用Synchro 軟件對交叉口進行信號控制方案的設計。Synchro 是美國Trafficware公司研發的一套完整的城市路網信號配時優化軟件，可在節點、干線和路網3 個層面上對信號控制方案進行分析與優化［10-11］，同時還具備與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雙環相位配時方案的常用工具。

在Synchro軟件的節點／路網界面（Add Link）中繪制交叉口，在進口道布局設置界面（Lane Settings）輸入進口道布局、交通流量、基本飽和流量、進口道寬度、坡度、轉彎半徑等數據及關鍵參數，在交通流量設置界面（Volume Settings）輸入高峰小時系數、重型車比例等參數，在配時參數設置界面（Timing Settings）輸入轉向類型、相位序號、最小相位時長、黃燈時間、全紅時間等參數［13］，分別對3 種相位方案進行配時設計。考慮到交叉口的幾何形態和車輛運行特性，各相位起動停車損失時間取為3 s；東西向各相位綠燈間隔時間取為6 s，而南北向掉頭相位φ1取為3 s，其他相位取為5 s；黃燈時間統一取為3 s［14］。最終得到各方案的信號控制參數，如表2 所示。

表2 交叉口各相位方案信號控制參數

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則將信號周期擴大為90 s，同時也顯著擴大了φ2相位（重交通流相位）的綠燈時長。

4 方案評價

本文選取車均延誤為主要指標，使用美國道路通行能力手冊《HCM2010》［15］中的方法評價各方案的運行效果。《HCM2010》認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，其計算方法為［16］：

式中：di、di1和di2分別表示進口道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表示進口道i 對應相位的有效綠燈時間（s），在本文中，其數值上與表2 所示的顯示綠燈時間相等；xi表示進口道i 的飽和度；Qi表示進口道i 的通行能力（veh·h-1）；T 為研究時段的長度（h），一般取0.25 h；C表示信號周期時長（s）。

整個交叉口的車均延誤：

式中：qi表示通過進口道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生的額外延誤（s），主要指的是在路段上的行駛時間：

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波動、車輛變道、測量誤差等因素的增量系數。本文中，LU，j可從圖1 中獲得，v 可取為龍蟠路限制車速的85%，即51 km·h-1，μ可取為1.2。將延誤評價方法應用于3 個方案，結果如表3、4 所示。

表3 交叉口各流向延誤評價結果

表4 交叉口總體延誤評價結果

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）分別為28.6 s和28.7 s，比方案A分別降低了12.8%和12.5%，產生的優化效果較為接近。但從表3 中可以看出，兩個方案對各方向車流延誤及飽和度的優化效果有所區別，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對各方向車流的優化效果較為均衡，且繞行車流量較小，因此為較優方案。

5 結 語

信號控制是交叉口最有效的管理方法，合理的相位設計是信號控制的基礎，通用的相位結構是NEMA標準中的雙環相位，但在一定的道路或交通條件下，可通過縮減交叉口相位數量，來使交叉口達到更高的通行效率。本文結合實例交叉口，為其設計了一個常規的NEMA雙環相位方案和兩個縮減以后的相位方案，利用Synchro 軟件對各方案進行了信號配時設計，并選取延誤為主要評價指標，使用《HCM2010》提供的方法評價了各方案的運行效果。結果表明，兩個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，并且其中一個方案對各方向車流的優化較為均衡。本文的相位縮減設計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。