平面交叉口信号相位设计专家系统理论框架研究

摘要：明确分析了信号设计中相位设计和配时设计之间定性和定量的关系，并针对相位设计的特点，提出相位设计专家系统的理论框架，构造详实可行的专家系统知识库，进一步建立相位声称和优化模块，在相位优化模块中，利用交通流冲突数量、交叉口时空利用率、信号相位损失时间总和三项指标评估交叉口信号相位的方案，为交叉口信号相位设计专家系统的开发提供了完整的框架结构和坚实的理论基础。

１引言

平面交叉口所采取的信号控制模式无论是固定式还是感应式，控制范围无论是单点还是区域，都需要根据单点交叉口的几何特性、交通流条件，选择信号相位方案和确定信号配时参数，二者共同决定信号设计的成功与否。相位设计，是信号设计的首要步骤，信号相位直接影响交通流运行的安全性和交叉口可提供的通行能力。配时设计，是在相位设计的基础上，根据进口车道配置和交通流量分布，求解最优的配时方案。

２信号设计及专家系统

在以往对交叉口信号控制研究中，重点通常集中在配时设计研究方面，认为只要建立科学的信号配时模型，交叉口就可提供最大的通行能力和最优服务水平。实质上，相位设计和配时设计是定性和定量的关系，如果对信号相位研究不够充分，通常难以求得最佳信号控制方案，如图1，假设相位方案2是合适的方案，但因为没有充分研究信号相位，可能选择相位方案2以外的方案，无论采取如何先进的配时模型，只要在相位i所确定的定性范围内求解，结果不会落到相位方案2的范围内，所得到的结果只能是伪最优解；相反，如果首先进行相位设计，确定相位方案2，在方案2所确定的定性范围内，利用配时模型进行定量求解，就很容易得到最优方案，得到真正的最优解。

美国道路通行能力手册HCM中早已提出信号设计中最为关键的问题是选择一个适当的信号相位方案，信号相位设计需要三个必要条件：1）信号设计方面具备专家级经验；2）充分理解交叉口中各种类型交通流之间的影响；3）非常清楚信号系统的运行特点。

具备上述3个条件后，HCM进一步指出“信号相位设计是交号设计中最具创造性的部分”。

信号相位设计需要判断性经验知识，知识库专家系统是解决这类问题的有力工具，所以把基于知识的专家系统KBES作为支持工具对平面交叉口研究信号相位设计是科学可行的。

专家系统包括知识库、推理机、解释程序、知识提炼程序和自然语言处理程序。知识库中存放系统求解问题所需要的知识；推理机负责使用知识库的知识去解决实际问题。在解决实际问题时，用户为系统提供一些已知数据，并可从系统处获得专家级水平的结论。

3 信号相位设计专家系统模型

信号相位设计模型中重点研究内容包括：模型设计功能、框架体系、工作内存和知识库以及相位生成模块、相位优化模块、

模型设计功能

相位设计采用的策略类似于交通工程师所使用的方法。提出较好的初步信号相位和配时方案，评价信号交叉口的运行情况，然后针对不足的运行状况进行设计方案修正，在设计者之间谈论和有关专家咨询会议获得相关知识，利用启发式方法选择新的相位。

框架体系

模型框架体系是典型的寄语规则的专家系统，由一系列先行推理规则、数据库及执行机构组成的系统。规则是条件语句，用于描述一旦数据中某种模式被确认时，如何修改数据库，执行机构监督模式匹配情况，监测数据库的变化，判断下一步该执行的规则及执行情况等。具体见图2.模型框架体系包括：

1）工作内存，描述下级问题如交叉口和相位方案等控制次序的目标；

2）知识库，指激活或确定相位设计目标的指导控制规则，设计规划设计最初的相位方案；评估规则评估相位方案下交叉口服务水平；修正规则修正和改善相位方案。

3）推论技术模块，在系统工作状态中应用有关知识，以解决信号设计问题。

工作内存

工作内存存储相位设计中正在求解的和已经求解的相位信息。

1）设计目标的分级结构

工作内存中控制过程的知识是由控制系统所采取的设计目标的一系列分级结构组成，见图3，对结构目标应用控制规则并且决定何时激活或者确定目标，同时在设计过程中提供相位和配时设计的必要已知量，通过调用一系列生成规则来设计初步方案，接着系统确定合理的信号周期，并分配绿灯时间。完成初步设计方案后，应用评估规则评估交叉口服务水平，如果该信号设计方案的服务水平在所期望的最小值以上，则停止运行并提供该方案作为较优方案；否则，调用一系统修正规则，修改已有设计方案，并重新评估，直至满足设计要求。

2）信号交叉口描述

用对象、属性、数值三位一体（OAV）集合描述信号交叉口，图4给出“十”字型交叉口的实例，各个进口都具有组成它的车道组共有的或者由其推导得到的特性，OAV单元描述各进口和车道之间必要联系。系统中都以OAV单元来描述进口、车道、相位和周期。

进口对象：进口对象包含该进口中车道组的信息，进口对象在OAV单元中是唯一的，描述进口对象采用唯一的名字，与其他进口的关系、进口的流量以及道路流量，都和车道对象紧密相关。

车道对象：车道对象描述车道的属性，用唯一的车道名来识别车道，如图4，南向进口车道-SB1，表示难进口1号车道。属性如下：（I）车道类型属性，识别车道的车流运行类型如左转、直行、右转还是混合车道；（II）进口属性，是联系车道和其所属进口对象中所有车道。车道具有所属信号相位的属性，一个车道可以包含于多个相位之中，如双向左转、左转直行混合、保护冲突混合式左转、直行等相位、其他属性为：车道的左转流量、直行；流量、右转流量，饱和流率以及流率比。

3）信号相位方案描述

信号相位对象可描述为与车道相关的次级相位（分相）的分级结构式集合，见图5，首先把相位方案分为两个主相，每条道路方向一个主相，即东西相位和南北相位。主相属性如下：名字、方向以及主相所包括分组的关键流率比。主相的下级是分相，分相对象可向后参考它所属的主相，属性有相位时间，绿灯、黄灯和红灯时间，其他属性为分相的类型，如直行、双向左转、左转直行混合、保护冲突混合式左转等。

信号周期对象：对象的主要属性，周期长度，通过信号周期模型来确定；其他属性包括：损失时间、相位数、流率比一级关键流率比。

信号设计知识库

1.设计过程控制规则

相位设计过程需要采取一系列激活或确定设计目标的规则来控制，见图3，在相位设计时，控制规则激活和确定设计目标，决定采用哪个范围内的知识。

2.信号相位初步设计规则

信号相位设计的第一个任务是得到必要的已知量，并据此推到相位设计的深层信息。根据交叉口交流量判断是否需要进行信号控制，如果需要，控制规则将激活设计目标以生成该进口的主相（如南北进口和东西进口相位）和分相（如南北进口的直行相位），完成信号相位设计之后，控制规则将激活目标，确定信号周期长度，对信号相位分配绿灯时间。

计算规则可确定系统所需要的输入数据，减少模型所需要的大量信息，尽量减少计算工作量，分为三个次级目标：

1）对向左转车流差值规则，比较相互对向的左转车流量，计算它们之间的差值；

2）进口交通流量规则，总和进口中车道的交通量，得到进口的交通总量；

3）道路交通量规则，总和对向的进口交通量以获得道路交通量（如东西和南北），道路的交通量可作为判断是否设置交号的标准之一。

3.信号相位设计规则

信号相位生成过程严格遵循图3中的基本结构，是一个分层次处理的过程，首先把相位方案设计为两个主相，东西相位和南北相位；设计主相时，首先假设该主相的设计与其他分相无关。由于交通流之间的冲突，两个主相时密切相关的，因而在设计主相后，应该解决交通流冲突。对于每个主相，判断是否需要左转和直行分相，如果必要，则设计相关分相。

4.左转信号相位设计规则

在信号设计中需要解决很多问题，左转信号相位的问题是最重要的，相位设计的关键是对左转交通流采取何种方式？左转车流包括保护式、冲突式和无对向式左转三种方式：

1）冲突式左转，在对向的直行车流运行同时，左转车流利用直行车流的空挡穿过交叉口；

2）保护式左转，不受任何冲突影响的左转车流运行。

3）无对向式车流左转，由于交叉口的几何特点，左转车流不会与对向的直行车流发生冲突。通常发生在单行道路、“I”形交叉口等地方。

采取保护式还是冲突式相位取决于左转和与左转车流冲突的交通流量、交叉口的几何特征以及其他因素。保护式左转相位分为三种模式：双向左转相位、左转+直行混合式相位、左转保护+冲突混合式相位：

双向左转相位

指相对向的左转车流同时利用保护式相位完成左转。适用条件：左转车流都满足设置保护式相位的条件；相对向的左转车流量基本相当。

左转+直行混合式相位

同一进口的直行和左转车流同时采取保护式信号相位，禁行与它们冲突的交通流。通常有两种模式，具体见图6。

模式1的适用条件和特点如下：

1）相对向的左转车流满足设置保护式相位的条件，左转车流量差值在75VPH以上；

2）对向的两进口直行车流流量很大，差值在100VPH车道以下。

3）利用直行车流作为过渡信号阶段，即搭接相位，可以减少相位交替的损失时间。

模式2的适用条件和特点如下：

1）左转车流都需要设置保护式相位，左转车流量差值在75VPH以上；

2）相对向的直行车流不均衡，差值在100VPH车道以上；

保护+冲突混合式转相位

保护+冲突混合式左转相位，对某进口的左转车流先给予保护式（冲突式）相位通行，然后给予冲突式（保护式）相位。该模式的特点如下：

1）混合式相位将会大大减少原来左转车流以牺牲其他相位时间为代价所利用的左转绿灯时间，提高交叉口的通行能力；

2）在自适应左转相位中，可根据交通流的变化情况灵活调节混合式相位中保护式和冲突式比列，便于取得最优的信号方案。

5、直行信号相位设计规则

直行相位的设计分为两个过程：设置直行相位的判断规则，如果没有直行交通流，例如单行线，或者“T”形交叉口，单行线车流的对向进口不存在直行交通流，而“T”交叉口中必定有一进口不需要考虑直行相位；车道配置规则，为直行相位分配适当车道。

6、行为和非机动车信号相位设计规则

因为行为和非机动车辆通行速度低，运动轨迹随意性强，等待信号的耐心差，特别当信号设计不合适时，往往会违章通行，甚至与正在通行的机动车流抢行。因此，在相位设计时，既要对相互影响的车流、人和非机动车流进行分离，提高整个交叉口的运行效率；又要考虑它们之间的运动特性差异，保证交通安全。

右转的行人、非机动车流对交叉口影响甚微，可能不用考虑；直行的行人、非机动车流则可以与车流直行相位共享通行权；左转的行人、非机动车流对交叉口交通冲突影响最大。

处理好左转行为、非机动车流的通行问题，是提高交叉口通行效率，解决交通拥挤问题的关键因素之一。根本策略在于加强左转行人、非机动车流的交通组织，并结合相位方案进行协调，避免与左转车流冲突。采取左转非机动车、行人等候区法，直行相位放行时，左转和直行的非机动车、行人同时进入交叉口，

此时禁止左转，左转的行人、非机动车需要在等候区内等待，当放行左转机动车或者放行相交道路直行机动车时，进行无冲突左转或者直行。

信号相位生成模型

信号相位越多，信号周期越长，虽然可提高通行能力，但造成更多的延误。在相位生成模型中，在满足提高通行能力和保证交通安全的前提下，相位越少越简单越好。

相位生成模型分两部分完成，按照专家系统知识库提出所有可行的相位方案，对所提出的相位主案按照要求建立目标函数，以确定最佳信号相位方案。

可行相位方案的产生

采用启发式分解主法，以专家系统知识库为基础，结合已知数据，利用相位设计规则，通过多级求解规划，将复杂的相位方案分解为相对简单分相方案问题。

信号相位优化模型

信号设计交通安全的原则：交叉口交通流之间的冲突是造成交通事故的主要原因，模型采用交通流冲突点数量来表示相位设计对交叉口交通安全性S的影响。

信号相位简单的原则：为了保证信号相位简单明了的原则，相位优化模型中应包含信号相位总的损失时间L，相位越复杂，损失时间就越多；相位越简单，损失时间越少；

信号设计的通行能力原则：模型中目标函数采取交叉口通行能力，时空资源利用率越大，交叉口的通行能力则越大、因而，信号相位优化模型中的目标函数应包括：信号相位方案的损失时间总和；在信号相位方案下交通流之间的安全性；信号交叉口时空资源的利用率。

结论

论文明确分析了信号设计中相位设计和配时设计之间定性和定量的关系，这对于解决信号控制中的误区具有非常重要的启发意义，没有充分研究单点交叉口的信号控制方案，片面强调“线控”或者“区控”心事情控制系统的重要性，是没有真正解决拥挤的主要原因之一。因此，进一步提出了进行信号相位设计专家喜用研究的重要意义，并建立了系统的框架体系好人信号设计模型，为信号相位设计专家系统的开发提供了完整的框架结构和坚实的理论基础。