基于NEMA雙環相位與合流相位的感應控制策略

姚昌宇，柳祖鵬，何雅琴，張 濤

(武漢科技大學 汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430065)

0 引言

信號交叉口的通行能力影響城市交通網絡服務水平，優化交叉口的信號控制方案，可以提高信號交叉口的通行效率，從而改善交通網絡的性能。

國內研究者對于信號交叉口的放行策略研究大多數是將感應控制和算法進行結合，羅霞等學者[1]將交叉口分為變速控制區和勻速行駛區，對即將進入交叉口的車輛通過遍歷樹算法搜索出所有無沖突通行次序，再利用人工蟻群算法求得最優解以確定最終方案。魏欣[2]提出的批處理策略中，將車輛的到達形成車隊形式，并賦予每車隊通行優先級，利用貪心沖突矩陣決策算法和K平移優化算法求放行車隊的最優次序。He[3]提出了一種啟發式算法，用于單交叉口內優先交通車輛(例如緊急車輛和公交車)在基礎設施通信情況良好的情況下，解決了同時具有多個優先權請求車輛的通行次序問題。

國內的交叉口相位設計方案中[4-5]，大多基于單環結構，單環相位結構要求一股或多股交通流同時獲得通行權，但如果單環結構下某一相位的兩股交通流不對稱，就會降低交叉口的通行效率。美國電氣制造商協會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)制定的TS-2標準中對相位的規定有效解決了這種交通流不對稱的情況。Koonce[6]和蔡云[7]介紹了NEMA相位方案中任意調整位于同環、同段的2個相位的順序或時長完全不會對交叉口中其他相位的正常運行產生任何不良影響。研究者[8-11]發現相對于傳統相位的配時方案，NEMA相位在處理相序和相位時長方面有著更高的靈活性，它能夠根據相鄰信號交叉口自身的特點，通過合理調整相序結構以及濾波帶寬來保證交通流的連續。朱和等[12]提出了基于NEMA相位的綠波最大化模型。王逸[13]在雙環相位方案的基礎上建立了以交叉口平均延誤為目標函數的雙環信號配時優化模型，并采用自適應遺傳算法對模型進行求解。修偉杰[14]通過運用Visvap調節NEMA雙環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方案的回旋處信號優化模型，并采用兩條左轉彎控制線來消除回旋處的沖突點和編織段。國內外學者大都將NEMA相位和算法相結合做研究，對于NEMA結構中主干路與次干路之間的屏障對相位方案的靈活性的影響研究課題較少。

針對已有不足，本研究提出一種將NEMA雙環相位與合流相位結合的控制策略，以提高感應控制的靈活性。

1 相位結構

1.1 NEMA雙環相位

NEMA相位方案主要采用雙環相位結構，由8股車流組成，每一個方向就代表一個相位，如圖1所示。NEMA相位結構中的上下2個環可以相對獨立運行，任意調整同環同一方向里的相位順序和時間都不會與其他相位產生相位沖突。在雙環相位方案中，只有遇到“屏障”時，分別處于2個環內的兩股車流才必須同時開始或結束，如車流2和5必須同時結束。NEMA雙環結構如圖2所示。

圖1 NEMA相位結構的車流編號Fig.1 Traffic numbers of NEMA phase structure

圖2 NEMA雙環相位結構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和直行車流同時放行的綠燈相位。相對于現階段國內交叉口單口放行或對向放行方式，合流相位更適合擁有復雜的不平衡交通流的交叉口。郭英明等[16-19]利用VISSIM驗證了合流相位在理論上的可行性：當出口車道數等于或大于同時放行的左轉與直行車道數之和時，合流放行相位在理論上具備可行性。

本研究假設交叉口的道路條件符合車道均衡原則，車輛在交叉口內左轉或直行時嚴格按照規定車道行駛。在未來面向智能網聯汽車的交通流中，在車道均衡條件下，假設智能車輛能自動按照車道行駛。

根據圖1所知，交叉口存在的合流相位如圖3所示。

圖3 NEMA雙環相位結構中的合流相位組合Fig.3 Merging phase combinations of NEMA dual-ring phase structure

以圖3(a)為例，車流2和車流7可同時放行,如圖中的斜線重疊部分,這2股車流在南出口形成合流，如圖4所示，即北進口的直行車流和東進口的左轉車流同時放行。

圖4 車流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 改進的相位結構

為了獲得更加靈活和合理的相位切換結構，在圖2所示的相序基礎上，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,將單個周期內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構。

相位結構如圖5所示，在保證車流無沖突的前提下，圖中車流之間的虛線表示各相位可自由結束，實線表示兩末尾相位須同時結束。

圖5所示的相位結構雖然在同一相位周期內無屏障，但是周期末尾仍然要求相位同時結束。為了突破周期之間的屏障，將圖5中第2周期的上下兩環的位置互換，即T2中的車流1, 2, 3, 4移至下環，車流5, 6, 7, 8移至上環，形成上下兩環依次從車流1到車流8的順序循環放行結構，如圖6所示。

在該相位結構中，通過車流(1, 4)、(5, 8)合流相位可以對原來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相位的大雙環結構。

圖5 在周期內融合(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雙環相位結構中，車流1和2之間可以互換，在4組車流都進行互換的情況下，相位結構如圖7所示。

在圖7所示的相位結構中，同時考慮2個周期前后銜接的情況，通過車流1, 2, 3, 4和車流5, 6, 7, 8上下互換，在周期內融合(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相位大雙環結構，如圖8所示。

圖7 調序后的NEMA相位結構Fig.7 NEMA phase structure after sequence adjustment

圖8是圖6相位結構放行次序的逆序，兩者具有對稱性。

圖8 逆序的8相位大雙環結構Fig.8 Eight-phase large dual-ring structure in reverse sequence

2 感應控制策略

交叉口的8股車流獨立運行感應控制策略，即當車流間存在較大的空檔時，結束當前相位的綠燈，下一相位的選擇是以圖6或圖8的標準相位結構為基礎。感應控制策略各控制參數取值參照文獻[20]：最小綠燈時間必須確保檢測器前的所有車輛在一個信號周期內全部駛離停止線。單位綠燈延長時間必須確保被檢測車輛從感應檢測器位置駛離停車線，一般取3～5 s。最大綠燈時間是為了保證各相位綠燈時間延長的限度，當達到最大綠燈時間時，為避免其他相位排隊長度過長，則強制切換下一相位。

2.1 基本策略

在感應控制策略中，每股車流都有各自獨立的控制參數，如最小綠燈時間、最大綠燈時間、單位綠燈延長時間等。

在相位結構中，上下兩環獨立按次序循環放行，可形成靈活多樣的相位組合。以圖6的正序標準相位結構為基礎，8股車流放行不同的綠燈時間，某一時段的控制狀態如圖9所示。

圖9 某時段各相位綠燈時間示意圖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雙環相位與合流相位的感應控制策略雖然在相位結構中消除了屏障對于靈活性的影響，但沒有屏障的約束作用會發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放行的另一綠燈相位發生沖突，必須采取保證合流相位同時結束的措施。

以圖6中上環的車流4為分析對象，車流4可以與下環中的車流7, 8, 1同時放行,如圖中陰影部分。將這3股車流稱為車流4的相容車流，如圖10所示。

圖10 車流7, 8, 1是車流4的相容車流Fig.10 Traffic flows 7, 8, 1 are compatible flows for traffic flow 4

在圖10中，車流4比車流1先結束綠燈，則下環的車流1切換到車流2時，車流2與上環的車流5是相容的，不會產生沖突。

當車流1比車流4先結束綠燈，此時下環的車流2將與上環的車流4產生沖突，需同時結束車流1和車流4的綠燈時間，如圖11所示。

圖11 車流4與車流1必須同時結束Fig.11 Traffic flow 4 and traffic flow 1 must be ended simultaneously

由圖11可見，車流4與相容車流中的末尾車流必須同時結束綠燈，否則會產生跨越相位的沖突。此處存在一個隱形的屏障：當前車流的綠燈時間不能超過最后一個相容車流的綠燈時間，如車流4的綠燈結束時間不能超過車流1綠燈結束時間。因此，在車流1切換到車流2時，必須同時將車流4切換到車流5。相對而言，車流1→2的切換是主動，車流4→5的切換是被動的。

以此類推，車流2切換到車流3的時候，必須同時將車流5切換到車流6。完整的8種主動和被動相位切換如表1所示。

表1 8種主動、被動的相位切換Tab.1 8 Eight active and passive phase switchings

2.3 構建隱形屏障

為了保證不發生跨越相位的沖突，在感應控制邏輯中必須為每個主動相位切換構建一道隱形屏障。在感應控制中，如果發生如圖11所示的情況，則控制邏輯將啟動該隱形屏障，同步進行被動相位切換。

以圖11所示的情況為例，當車流1和4都為綠燈且必須結束車流1時，分兩種情況進行分析：

(1)當車流1的綠燈時間達到最大綠燈時間，為了避免下一放行車流和車流4產生沖突，會強制結束車流1和4，放行車流2和5。

(2)當車流1的綠燈時間大于最小綠燈時間，小于最大綠燈時間且車頭時距大于規定值時，首先判斷車流4的綠燈時間是否滿足最小綠燈條件，然后判斷車頭時距條件，這兩個判斷有一個結果為假時，車流1和4繼續延長綠燈時間，直到車流4滿足結束條件或者車流1達到最大綠燈時間，才同時結束車流1和4，放行車流2和5。控制邏輯如圖12所示。

圖12 構建隱形屏障的控制邏輯Fig.12 Control logic for building invisible barrier

3 仿真試驗

在VISSIM仿真軟件中構建交叉口模型，在VAP模塊中構建感應控制邏輯，對提出的感應控制策略進行仿真驗證。

3.1 交叉口仿真模型

以武漢市團結大道-園林路交叉口為仿真背景構建模型，該交叉口4個進口道均設有3車道，其中直行與右轉共用2車道、左轉專用1車道。交叉口各個出口車道數等于左轉與直行車道數之和，符合合流相位放行的要求。交叉口一共布置12個檢測器，主干路、次干路檢測器的位置距離停車線50，30 m。

3.2 仿真場景

根據流量差異設置“流量均衡”、“流量不均衡”和“特殊流量”3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。

(2)流量不均衡場景下，車流1+2≈車流5+6；車流3+ 4≈車流7+8。

(3)特殊流量場景下，上下兩環的流量之和相等，車流1+2>車流5+6；車流7+8>車流3+4。

以上3種場景下，再分別設置低、中、高3種不同的飽和度，交叉口的流量分別約為每小時2 000，4 000輛和5 600輛。

設置兩種感應控制方案：(1)基于常規NEMA雙環結構的感應控制方案，用“NEMA”表示；(2)基于NEMA和合流相位的改進感應控制方案，用“NEMA+M”表示。

4 仿真結果及分析

匯總多次仿真試驗的評價數據，得到不同條件下的交叉口平均延誤對比分析圖，如圖13、圖14所示。

圖13 不同場景下，不同飽和度的延誤對比Fig.13 Comparison of delays with different saturations in different scenarios

圖14 不同飽和度條件下，不同場景的延誤對比Fig.14 Comparison of delays in different scenarios under different saturation conditions

如圖13所示，流量均衡場景下，兩種控制策略的效果相差不大。流量不均衡場景下，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種場景的兩種控制策略的延誤水平相近，原因是交通流量過小，各車流在最小綠燈時間內均完全駛入交叉口，無法凸顯控制策略調節效果。在中飽和度和高飽和度條件下，特殊流量場景中NEMA+M控制策略的延誤水平都明顯低于NEMA控制策略，原因是當主干道或次干道上下兩環的交通量之和相差較多，NEMA相位不能實現主干道和次干道車流的共同放行，使排隊車輛數量增加，嚴重時還會發生二次排隊現象，致使延誤增大。

匯總不同的流量場景和不同的飽和度條件，NEMA和NEMA+M控制策略的延誤對比，如圖15所示。

圖15 各種組成場景下的延誤對比Fig.15 Comparison of delays in different composition scenarios

從該圖可以看出，在特殊流量場景的高飽和度條件下，最小綠燈時間內排隊車輛無法全部駛出交叉口，由于流量的不對稱性，各相位對于綠燈時間的需求度不一，而NEMA相位中的硬性屏障使得主干路、次干路的上下環綠燈時間同時結束，必然造成二次排隊或者綠燈空放的現象發生，導致平均延誤增大。相較于NEMA相位，NEMA+M相位在保證車流無沖突的情況下，允許主干路相位與次干路相位產生搭接效果，極大程度地滿足了各相位根據自身車流量調節綠燈時間，平均延誤時間降低了約29.0%，說明在這種特殊的情況下，NEMA+M控制策略有很明顯的優勢。

5 結論

為消除NEMA方案中屏障對于相位放行靈活性的影響，在NEMA相位方案的基礎上融入合流相位，提出了一種改進的交叉口感應控制方案，通過仿真試驗驗證了此感應控制策略的有效性，在特殊流量條件下該控制策略有較明顯的優勢。后續擬在車隊行駛條件下，進一步對該控制策略進行驗證和改進。