信号配时如何兼具科学性与艺术性？

  导语：合理的信号配时不仅能提高通行效率，还会给驾驶人带来良好的驾驶感受。那什么样的信号配时方案才能称之为“好”呢？美国内华达大学教授田宗忠认为好的信号配时方案应兼具科学性和艺术性。在具体的信号配时方案设计中，如何才能做到这一点呢？请看田宗忠教授以美国转向菱形立交的配时方案来为大家进行具体分析。

  可以说，信号配时这项工作在很大程度上是一门“艺术”，并非纯科学或工程，因此机器（自适用等类似的配时算法）很难完全取代艺术家（工程师）。也就是说，好的配时方案需要数据和方法论作为支撑，但也需要设计的灵感与执行的判断，每一次配时都是因地制宜的创作，而不是流水线的生产。下面我们就这个话题进一步展开讲述。

  艺术与信号配时有何共性？

  自古以来关于艺术没有一个严格的定义，但人们对于艺术的几个特征是有公认的。艺术的特征可以归纳为具有创新、美的体现、公认的艺术家和对艺术的评价。信号配时同样具有这些特征：

• 创新性，世界上没有两个一模一样的交叉口，比如几何设计、流量组成、流量大小和分布不尽相同，因此也就不会有一模一样的信号配时方案。对于工程师来说，每一次的信号配时都是全新挑战，需要全力以赴去创新。

• 美的体现，信号协调下畅通的速度与不停车运行好似抑扬顿挫的音乐节拍，不同交叉口绿灯红灯的点亮恰似和谐优雅的集体舞蹈。

• 和艺术大师一样，信号配时工程师需要具备良好的信号配时技能，包括知识、经验、灵感、执行力、协作能力。

• 信号配时的评价也类似于艺术评价，很多指标无法定量，只有公认的“不错”，并没有所谓的“最好”。

  当然信号配时不纯粹是艺术，同时有科学的一面。比如信号配时提高了通行能力、减少了延误，这些都可以进行定量评价，但对一个驾驶人来说，通行能力提高20%、延误减少10%，是抽象的，看不见摸不着的。停车次数虽然也是一个定量评价指标，但对于驾驶人而言，在哪里停车、什么流向的车停车、停多久，才是比较直观的感受。这些无法定量即定性的评价，在进行信号配时时也需要考虑。一个好的信号配时方案，应同时具备艺术性与科学性。

图1：信号配时的艺术与科学

  案例讲解：信号配时如何兼具艺术性、科学性？

  1菱形立交和转向菱形立交

  本文重点展示的这个案例是关于信号控制的菱形立交（Diamond Interchange）和转向菱形立交（Diverging Diamond Interchange）。

  菱形立交，实际上就是高速公路和路面街道相交的立交。美国有70%的立交都是菱形立交，在中国因城市内高速公路少，这种立交并不常见。

  菱形立交信号配时的最大挑战在于，路面上有大量车流汇入高速公路，其两侧匝道为单向车道，且各有一个信号灯。如图2中，红色箭头标示了路面街道进入高速公路的左转车流，蓝色箭头标示了驶出高速公路的车流。可以看出红色箭头标示的左转车流要经过两个信号灯，且两个转向车流会互相交织，不可能同时放行，这就大大限制了立交交叉口的通行能力。

图2：菱形立交

  在这种情况下，怎么设计信号配时方案才能更好地协调这两个信号灯呢？美国关于这种传统菱形立交的信号控制研究和应用都已经比较成熟。为了解决这种左转车流影响，有人发明了转向菱形立交，如图3所示，当转向车辆通过第一个信号灯时，移到路的左边，这样在下一个交叉口左转时，就不需要再经过信号灯，大大提升了立交的通行效率。

图3：转向菱形立交

  转向菱形立交可以说是在传统菱形立交设计上的一个创新，给信号研究者和实践者在究竟如何更好地实现信号控制方面带来了充分发挥想象的机会。下面展示的几种信号控制方案，着实体现了很多思维创新和发挥，并尽可能地减少了停车和延误。

   2二阶段配时方案   二阶段配时方案使用了两个相位控制两个关键流向。第一个阶段是从东向西方向的主街与一匝道放行，第二个阶段是从西向东方向的主街与另一匝道放行。由图4所示可以看出，主街车流不需要停车，但是从匝道驶出的车辆基本上要停车。

  图4：第一种二阶段配时方案

  另一种二阶段配时方案如图5所示，第一个阶段相交的道路相位同时开始放行，即主街同时放行；第二个阶段匝道同时放行，从匝道驶出的车辆不必停车。这种配时方案可以实现相交道路上的协调控制，例如第一个阶段的时间正好等于车辆运行时间，这样主街的车不用停车，匝道的车也不用停车。

图5：另一种二阶段配时方案

  3三阶段配时方案

  三阶段的配时方案如图6所示，第一个阶段从东向西方向的主街放行，其它方向的车都停下；第二个阶段从西向东方向的主街放行，其它方向的车也停下；第三个阶段两个匝道同时放行。两个交叉口离得很近，这种方案避免了车辆在中部停车，驾驶感受非常好，当然这种配时方案下通行能力会有一定的损失。

图6：三阶段配时方案

   4四阶段配时方案

  第一种四阶段配时方案的放行方向实际上是逆时针的，同时当上一阶段快要结束时，放行下一个阶段的相位，产生叠加，提高效率。具体方案如图7所示，右方相位图中，共分为六个阶段，但其中两段写有T.T.的为虚拟阶段（即叠加相位）。这种配时方案同样避免了车辆在中部停车，提升了通行能力。通过仿真模拟视频可以看到运行效果。

图7：第一种四阶段配时方案

图8：另一种四阶段配时方案

  通过以上几种配时方案可以看出，信号配时具有艺术的所有特征，高质量的信号配时不仅运行效果流畅，看起来也令人赏心悦目。

  最后，笔者想在此引用辛武平博士在交通信号控制论坛微信群中关于信号配时的两段精彩描述分享给大家：

  “信号配时，是交通工程师和信号灯的爱情结晶，车轮与绿波的默契配合，让这温暖热情的红灯瞬间变绿，只留下质朴的尾气和空虚的路面。”信号配时，交通工程的一种传统作业。优美的路网放入流量，加上调制好的大波，车轮的走停与信号激烈地碰撞，演奏着美妙的交响。这里有全红与全绿对人们视觉的冲击，绿波的甜柔与红波的粗暴，被司机不断反复地回味。矛盾在一个小小的路面上和谐的存在。”

（文 / 美国内华达大学教授 田宗忠）

文章来源：交通言究社