信号交叉口7相位方案设计及其应用文献综述
1. 研究背景
随着我国城市的不断发展，汽车保有量不断上升，城市中的交通网络日益复杂，交通拥堵日益严重。交叉口是城市交通网络的瓶颈，各方向、各类型的车流在此交汇，对交叉口进行有效的管理和控制是提高路网通行能力、保证交通安全的关键。信号控制已被证明是一种行之有效的交叉口管理措施，而合理的车道渠化及相位方案设计是实行信号控制的前提。
目前国际上最常用的相位方案是美国电气制造商协会(NEMA)提出的ring-barrier八相位方案，但在交叉口几何条件或流量分布较为特殊时，可以对相位方案设计及相关参数进行调节优化，也可通过适当减少相位数量，引导某些方向的车流选择其它路径通过交叉口，以降低交叉口总体延误，达到更好的控制效果。国内学者普遍在优化相位方案设计上进行研究，而美国北卡罗来纳州交通部(NCDOT)提出了一种交叉口7相位方案来减少交叉口的信号控制延误。
2. 国外研究概况
国外对于七相位方案的研究是源于一个种特殊的信号设计要求：将一个三岔路口设计成十字路口，即将一个三岔路口道路最方便的地方与现有的小道相接成十字路口，当三岔路口转换为十字路口时，交叉口的信号也必须从三个临界相位和五个总相位转换为四个临界相位和八个总相位。但是附加的临界相位会形成更长的信号周期，会增加交叉口整体延误。基于这种情况就需要寻找一些可行的替代方案，以便主要街道能保持较低的延误。然而，大多数替代方案都需要扩建并且预算较高。
美国北卡罗来纳州交通部(NCDOT)提出了一种交叉口七相位方案[1]来减少交叉口的信号控制延误。新的解决方案是将双环八相位嵌套方案中的其中一个流量较小关键相位抽去。图1.1显示了NCDOT信号相位编号方案。在这个方案中，交叉口的新扩展的的第四个路口位于图的底部，用于向北行驶。有了这个替代方案，交叉口的信号将包括阶段1到7，但不包括阶段8；我们称之为交叉口七相位方案。新扩展的第四路口右转相位（图1.1中的南进口的右转相位）将在第1阶段服务。需要在此相位行驶的驾驶员将在交叉口左转或右转，然后执行U形转弯，或者必须通过街道网络找到另一条路线。七相信号的移动性受影响是因为信号只有三个临界相位。为了只有三个关键阶段，第7阶段必须保持关键，主导第3和第4阶段的组合。如果三个关键阶段是可能的，主要街道交通应该经历几乎没有改变的时间和额外的延误，主要街道的发展潜力将保持原样，周期将不会变得更长。
图1.1 NCDOT信号相位编号方案
在交叉口的信号控制优化中，国外学者研究探讨了在右转冲突时，如何设计交叉口信号方案才能在保证行人和自行车通行安全的同时，降低交叉口总信号周期[2]。这种保护但同时进行的相位调整方案比全行人相位更加有效。文中给出了一个考虑右转和交叉冲突的阶段排序的通用框架，该框架用四个环代替了通常的两个环。还有国外学者认为在美国电气制造协会（NEMA）的标准下，很少有人对协调最优分流控制进行研究[3]。他们提出了一个虚拟相位链的概念，并用这个概念来模拟NEMA标准下的城市交通控制。将协调最优分割控制问题构造为线性二次规划问题，并用模型预测控制实现最优反馈控制，解决方案提出后可用于NEMA控制器的定时计划。该方法可用于大规模城市交通最优分流控制。James Bonneson, Srinivasa Sunkari,和 Michael Pratt认为协调的区域信号控制系统会使信号定时维护方面的资源投资更加经济，并使整个区域内的信号运行更加一致。它能快速响应以维持或改善现有信号交叉口的运行[4]。
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