基于NEMA雙環(huán)相位與合流相位的感應(yīng)控制策略

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)

0 引言

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。

1 相位結(jié)構(gòu)

1.1 NEMA雙環(huán)相位

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

1.2 合流相位

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

1.3 改進(jìn)的相位結(jié)構(gòu)

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)流之間的虛線表示各相位可自由結(jié)束，實(shí)線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

2 感應(yīng)控制策略

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。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，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。

2.1 基本策略

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

2.2 跨越相位的沖突

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

2.3 構(gòu)建隱形屏障

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。控制邏輯如圖12所示。

圖12 構(gòu)建隱形屏障的控制邏輯Fig.12 Control logic for building invisible barrier

3 仿真試驗(yàn)

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。

3.1 交叉口仿真模型

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50，30 m。

3.2 仿真場(chǎng)景

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。

4 仿真結(jié)果及分析

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)虢徊婵冢瑹o(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)。

5 結(jié)論

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)。