基于NEMA标准和Synchro软件的交叉口相位缩减设计

杨 震， 王宝杰

（1.南京林业大学汽车与交通工程学院，南京210037；2.长安大学运输工程学院，西安710064）

0 引 言

交叉口是城市路网通行能力的瓶颈，也是交通拥堵和交通事故的高发地点，世界各国的经验表明，实行信号控制是交叉口最有效的交通管理手段［1］。合理的相位设计是交叉口信号控制的基础，也是提高交通效率的关键因素之一。目前较为通用的相位结构（或相位模板）是美国国家电气制造商协会（National Electronic Manufacturers Association，NEMA）在TS-2 标准中针对典型信号控制十字交叉口制定的双环相位结构，由8 个机动车相位组成［2-3］，在NEMA 双环相位的应用方面，徐洪峰等［3］考虑相位结构、行人过街绿灯时间和绿灯间隔时间，提出了机动车相位固定最小绿灯时间的计算方法；王逸等［4］基于自适应遗传算法，研究了NEMA双环相位的信号配时优化方法，并与传统的Webster配时法进行了对比分析；吴先宇等［5］将短连线交叉口分为信号合并和信号协调两种控制类型，并基于NEMA相位建立了相序设置策略和信号配时方法。

在NEMA相位结构中，处于同环、同屏障的两个相位可以调换顺序，而不会影响其他相位的正常运行［4］。此外，8 个机动车相位并非缺一不可，可以取消或合并某些相位，形成七相位［6］、六相位［7］、对称四相位［8］、进口单独放行相位［8-9］等方案。一般而言，交叉口相位数量越多，一个信号周期内损失时间越多，能够被车辆利用的绿信比总和就越小，因此，在一定的道路几何或交通流量分布条件下，可通过缩减交叉口相位数量，让少部分车辆选择其他路径绕行通过交叉口，从而增加其他相位的绿灯时间，或缩短信号周期时长，达到提高交叉口总体通行效率的目的。本文结合实例交叉口探讨交叉口相位缩减策略的设计方法和实施效果，从而为交叉口信号控制打开新的思路。

1 数据采集

本文以南京市龙蟠路-锁金北路交叉口为例，探讨交叉口相位缩减策略的设计及应用。该交叉口采集的数据分为几何形态数据和交通流量数据。

1.1 几何形态数据

交叉口几何形态数据通过百度卫星图、街景及实地观测采集。该交叉口南北向为交通干道龙蟠路，其限制车速为60 km·h-1，东西方向为次要道路，各个进口车道的宽度为3.25 m，其中北方向设有高架桥引道，包含两个进口道与两个出口道。交叉口东进口锁金北路由于路幅宽度有限，为单向交通管制路段，车辆只出不进，对应的南进口无右转专用道，西进口无直行进口道，而北进口则设有供车辆掉头的通道，可按左转车道处理。交叉口以南190 m 处、以北435 m 处各设有一处车辆掉头点，其中掉头点（北）位于高架桥下方。

交叉口的几何形态及关键几何数据如图1 所示（为更好地反映出交叉口的关键几何数据，该图未严格按比例绘制）。

图1 交叉口的几何形态及关键几何数据

1.2 交通流量数据

交叉口交通流量数据通过实地录像及人工计数采集，如表1 所示。

2 相位缩减设计

根据交叉口的几何形态和交通流量数据，为其设计3 组相位方案，其中方案A为根据NEMA双环相位模板设计的基本相位方案；方案B、C则是在方案A的基础上通过缩减相位形成的方案，具体如下：

方案A（见图2（a）） 屏障1 为南北方向构成的4 个相位（φ1～φ4），屏障2 为东西方向的车流各自形成的2 个相位（φ5、φ6）。

方案B（见图2（b）） 取消方案A的南进口左转相位（φ3），使得交叉口缩减为5 相位，原φ3相位的车辆经掉头点（北）绕行通过交叉口，同时南进口的左转进口道改为直行，原φ3相位的流量转移到南进口直行及北进口右转方向中。

方案C（见图2（b）） 取消方案A的北进口掉头相位（φ1），使得交叉口缩减为五相位，原φ1相位的车辆经掉头点（南）绕行通过交叉口，同时北进口的掉头通道改为直行。为保持进出口道数目的平衡，北进口最外侧直右车道改为右转，次外侧直行车道改为直右车道，原φ1相位的流量转移到南北进口的直行方向中。

表1 龙蟠路-锁金北路交叉口交通流量数据

图2 交叉口相位方案

3 信号控制设计

在3 种相位方案的基础上，使用Synchro 软件对交叉口进行信号控制方案的设计。Synchro 是美国Trafficware公司研发的一套完整的城市路网信号配时优化软件，可在节点、干线和路网3 个层面上对信号控制方案进行分析与优化［10-11］，同时还具备与CORSIM、TRANSYT-7F、HCS等交通仿真软件的接口［12］，目前较新的版本是10.0。Synchro也是用于求解NEMA双环相位配时方案的常用工具。

在Synchro软件的节点／路网界面（Add Link）中绘制交叉口，在进口道布局设置界面（Lane Settings）输入进口道布局、交通流量、基本饱和流量、进口道宽度、坡度、转弯半径等数据及关键参数，在交通流量设置界面（Volume Settings）输入高峰小时系数、重型车比例等参数，在配时参数设置界面（Timing Settings）输入转向类型、相位序号、最小相位时长、黄灯时间、全红时间等参数［13］，分别对3 种相位方案进行配时设计。考虑到交叉口的几何形态和车辆运行特性，各相位起动停车损失时间取为3 s；东西向各相位绿灯间隔时间取为6 s，而南北向掉头相位φ1取为3 s，其他相位取为5 s；黄灯时间统一取为3 s［14］。最终得到各方案的信号控制参数，如表2 所示。

表2 交叉口各相位方案信号控制参数

从表2 中可以看出，与方案A 相比，方案B 将信号周期缩减为70 s，而方案C则将信号周期扩大为90 s，同时也显著扩大了φ2相位（重交通流相位）的绿灯时长。

4 方案评价

本文选取车均延误为主要指标，使用美国道路通行能力手册《HCM2010》［15］中的方法评价各方案的运行效果。《HCM2010》认为车辆在交叉口的信号控制延误主要由均衡相位延误和过饱和延误组成，其计算方法为［16］：

式中：di、di1和di2分别表示进口道i 的均衡相位延误、过饱和延误和信号控制延误（信控延误）（s）；gi表示进口道i 对应相位的有效绿灯时间（s），在本文中，其数值上与表2 所示的显示绿灯时间相等；xi表示进口道i 的饱和度；Qi表示进口道i 的通行能力（veh·h-1）；T 为研究时段的长度（h），一般取0.25 h；C表示信号周期时长（s）。

整个交叉口的车均延误：

式中：qi表示通过进口道i的交通量（veh·h-1）；qT表示通过交叉口的总交通量（veh·h-1），包括绕行交通量；qU，j为第j 股以绕行方式通过交叉口的车流流量（veh·h-1）；dU，j为第j股绕行车流由于绕行产生的额外延误（s），主要指的是在路段上的行驶时间：

式中：LU，j为第j股绕行车流的绕行路段长度（m）；v为绕行车流在路段上的行驶车速（km·h-1），μ 为考虑到行驶速度随机波动、车辆变道、测量误差等因素的增量系数。本文中，LU，j可从图1 中获得，v 可取为龙蟠路限制车速的85%，即51 km·h-1，μ可取为1.2。将延误评价方法应用于3 个方案，结果如表3、4 所示。

表3 交叉口各流向延误评价结果

表4 交叉口总体延误评价结果

从表4 中可以看出，虽然方案B、C 的少部分车流需要绕行通过交叉口，产生了额外延误，但总体延误却通过相位的缩减得到了降低。在方案B、C 中，交叉口的平均信控延误分别为27.2 s和26.9 s，比方案A分别降低了17.1%和18.0%，而交叉口的车均延误（将绕行延误考虑在内）分别为28.6 s和28.7 s，比方案A分别降低了12.8%和12.5%，产生的优化效果较为接近。但从表3 中可以看出，两个方案对各方向车流延误及饱和度的优化效果有所区别，方案B 降低了大部分流向的延误和饱和度，而方案C 则显著降低了南进口直行车辆（重交通流方向）的延误和饱和度，而其它大部分流向则有所增加。此外，方案C 所有流向的饱和度均小于1，即没有过饱和车流。综合来看，由于方案B对各方向车流的优化效果较为均衡，且绕行车流量较小，因此为较优方案。

5 结 语

信号控制是交叉口最有效的管理方法，合理的相位设计是信号控制的基础，通用的相位结构是NEMA标准中的双环相位，但在一定的道路或交通条件下，可通过缩减交叉口相位数量，来使交叉口达到更高的通行效率。本文结合实例交叉口，为其设计了一个常规的NEMA双环相位方案和两个缩减以后的相位方案，利用Synchro 软件对各方案进行了信号配时设计，并选取延误为主要评价指标，使用《HCM2010》提供的方法评价了各方案的运行效果。结果表明，两个缩减方案都能显著减少交叉口的车均延误，提高交叉口的通行效率，并且其中一个方案对各方向车流的优化较为均衡。本文的相位缩减设计方法可推广到其他交叉口，从而为交叉口信号控制提供了新的思路。