摘要：明確分析了信號(hào)設(shè)計(jì)中相位設(shè)計(jì)和配時(shí)設(shè)計(jì)之間定性和定量的關(guān)系，并針對(duì)相位設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出相位設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的理論框架，構(gòu)造詳實(shí)可行的專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，進(jìn)一步建立相位聲稱和優(yōu)化模塊，在相位優(yōu)化模塊中，利用交通流沖突數(shù)量、交叉口時(shí)空利用率、信號(hào)相位損失時(shí)間總和三項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估交叉口信號(hào)相位的方案，為交叉口信號(hào)相位設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了完整的框架結(jié)構(gòu)和堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

１引言

平面交叉口所采取的信號(hào)控制模式無(wú)論是固定式還是感應(yīng)式，控制范圍無(wú)論是單點(diǎn)還是區(qū)域，都需要根據(jù)單點(diǎn)交叉口的幾何特性、交通流條件，選擇信號(hào)相位方案和確定信號(hào)配時(shí)參數(shù)，二者共同決定信號(hào)設(shè)計(jì)的成功與否。相位設(shè)計(jì)，是信號(hào)設(shè)計(jì)的首要步驟，信號(hào)相位直接影響交通流運(yùn)行的安全性和交叉口可提供的通行能力。配時(shí)設(shè)計(jì)，是在相位設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)進(jìn)口車道配置和交通流量分布，求解最優(yōu)的配時(shí)方案。

２信號(hào)設(shè)計(jì)及專家系統(tǒng)

在以往對(duì)交叉口信號(hào)控制研究中，重點(diǎn)通常集中在配時(shí)設(shè)計(jì)研究方面，認(rèn)為只要建立科學(xué)的信號(hào)配時(shí)模型，交叉口就可提供最大的通行能力和最優(yōu)服務(wù)水平。實(shí)質(zhì)上，相位設(shè)計(jì)和配時(shí)設(shè)計(jì)是定性和定量的關(guān)系，如果對(duì)信號(hào)相位研究不夠充分，通常難以求得最佳信號(hào)控制方案，如圖1，假設(shè)相位方案2是合適的方案，但因?yàn)闆](méi)有充分研究信號(hào)相位，可能選擇相位方案2以外的方案，無(wú)論采取如何先進(jìn)的配時(shí)模型，只要在相位i所確定的定性范圍內(nèi)求解，結(jié)果不會(huì)落到相位方案2的范圍內(nèi)，所得到的結(jié)果只能是偽最優(yōu)解；相反，如果首先進(jìn)行相位設(shè)計(jì)，確定相位方案2，在方案2所確定的定性范圍內(nèi)，利用配時(shí)模型進(jìn)行定量求解，就很容易得到最優(yōu)方案，得到真正的最優(yōu)解。

美國(guó)道路通行能力手冊(cè)HCM中早已提出信號(hào)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的問(wèn)題是選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)男盘?hào)相位方案，信號(hào)相位設(shè)計(jì)需要三個(gè)必要條件：1）信號(hào)設(shè)計(jì)方面具備專家級(jí)經(jīng)驗(yàn)；2）充分理解交叉口中各種類型交通流之間的影響；3）非常清楚信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)。

具備上述3個(gè)條件后，HCM進(jìn)一步指出“信號(hào)相位設(shè)計(jì)是交通信號(hào)設(shè)計(jì)中最具創(chuàng)造性的部分”。

信號(hào)相位設(shè)計(jì)需要判斷性經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，知識(shí)庫(kù)專家系統(tǒng)是解決這類問(wèn)題的有力工具，所以把基于知識(shí)的專家系統(tǒng)KBES作為支持工具對(duì)平面交叉口研究信號(hào)相位設(shè)計(jì)是科學(xué)可行的。

專家系統(tǒng)包括知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、解釋程序、知識(shí)提煉程序和自然語(yǔ)言處理程序。知識(shí)庫(kù)中存放系統(tǒng)求解問(wèn)題所需要的知識(shí)；推理機(jī)負(fù)責(zé)使用知識(shí)庫(kù)的知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題。在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，用戶為系統(tǒng)提供一些已知數(shù)據(jù)，并可從系統(tǒng)處獲得專家級(jí)水平的結(jié)論。

3信號(hào)相位設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)模型

信號(hào)相位設(shè)計(jì)模型中重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容包括：模型設(shè)計(jì)功能、框架體系、工作內(nèi)存和知識(shí)庫(kù)以及相位生成模塊、相位優(yōu)化模塊、

3.1模型設(shè)計(jì)功能

相位設(shè)計(jì)采用的策略類似于交通工程師所使用的方法。提出較好的初步信號(hào)相位和配時(shí)方案，評(píng)價(jià)信號(hào)交叉口的運(yùn)行情況，然后針對(duì)不足的運(yùn)行狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)方案修正，在設(shè)計(jì)者之間談?wù)摵陀嘘P(guān)專家咨詢會(huì)議獲得相關(guān)知識(shí)，利用啟發(fā)式方法選擇新的相位。

3.2框架體系

模型框架體系是典型的寄語(yǔ)規(guī)則的專家系統(tǒng)，由一系列先行推理規(guī)則、數(shù)據(jù)庫(kù)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)。規(guī)則是條件語(yǔ)句，用于描述一旦數(shù)據(jù)中某種模式被確認(rèn)時(shí)，如何修改數(shù)據(jù)庫(kù)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)監(jiān)督模式匹配情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的變化，判斷下一步該執(zhí)行的規(guī)則及執(zhí)行情況等。具體見(jiàn)圖2.模型框架體系包括：

1）工作內(nèi)存，描述下級(jí)問(wèn)題如交叉口和相位方案等控制次序的目標(biāo)；

2）知識(shí)庫(kù)，指激活或確定相位設(shè)計(jì)目標(biāo)的指導(dǎo)控制規(guī)則，設(shè)計(jì)規(guī)劃設(shè)計(jì)最初的相位方案；評(píng)估規(guī)則評(píng)估相位方案下交叉口服務(wù)水平；修正規(guī)則修正和改善相位方案。

3）推論技術(shù)模塊，在系統(tǒng)工作狀態(tài)中應(yīng)用有關(guān)知識(shí)，以解決信號(hào)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3.3工作內(nèi)存

工作內(nèi)存存儲(chǔ)相位設(shè)計(jì)中正在求解的和已經(jīng)求解的相位信息。

1）設(shè)計(jì)目標(biāo)的分級(jí)結(jié)構(gòu)

工作內(nèi)存中控制過(guò)程的知識(shí)是由控制系統(tǒng)所采取的設(shè)計(jì)目標(biāo)的一系列分級(jí)結(jié)構(gòu)組成，見(jiàn)圖3，對(duì)結(jié)構(gòu)目標(biāo)應(yīng)用控制規(guī)則并且決定何時(shí)激活或者確定目標(biāo)，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中提供相位和配時(shí)設(shè)計(jì)的必要已知量，通過(guò)調(diào)用一系列生成規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)初步方案，接著系統(tǒng)確定合理的信號(hào)周期，并分配綠燈時(shí)間。完成初步設(shè)計(jì)方案后，應(yīng)用評(píng)估規(guī)則評(píng)估交叉口服務(wù)水平，如果該信號(hào)設(shè)計(jì)方案的服務(wù)水平在所期望的最小值以上，則停止運(yùn)行并提供該方案作為較優(yōu)方案；否則，調(diào)用一系統(tǒng)修正規(guī)則，修改已有設(shè)計(jì)方案，并重新評(píng)估，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

信號(hào)相位對(duì)象可描述為與車道相關(guān)的次級(jí)相位（分相）的分級(jí)結(jié)構(gòu)式集合，見(jiàn)圖5，首先把相位方案分為兩個(gè)主相，每條道路方向一個(gè)主相，即東西相位和南北相位。主相屬性如下：名字、方向以及主相所包括分組的關(guān)鍵流率比。主相的下級(jí)是分相，分相對(duì)象可向后參考它所屬的主相，屬性有相位時(shí)間，綠燈、黃燈和紅燈時(shí)間，其他屬性為分相的類型，如直行、雙向左轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)直行混合、保護(hù)沖突混合式左轉(zhuǎn)等。

信號(hào)周期對(duì)象：對(duì)象的主要屬性，周期長(zhǎng)度，通過(guò)信號(hào)周期模型來(lái)確定；其他屬性包括：損失時(shí)間、相位數(shù)、流率比一級(jí)關(guān)鍵流率比。

3.4信號(hào)設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)

1.設(shè)計(jì)過(guò)程控制規(guī)則

相位設(shè)計(jì)過(guò)程需要采取一系列激活或確定設(shè)計(jì)目標(biāo)的規(guī)則來(lái)控制，見(jiàn)圖3，在相位設(shè)計(jì)時(shí)，控制規(guī)則激活和確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，決定采用哪個(gè)范圍內(nèi)的知識(shí)。

2.信號(hào)相位初步設(shè)計(jì)規(guī)則

信號(hào)相位設(shè)計(jì)的第一個(gè)任務(wù)是得到必要的已知量，并據(jù)此推到相位設(shè)計(jì)的深層信息。根據(jù)交叉口交流量判斷是否需要進(jìn)行信號(hào)控制，如果需要，控制規(guī)則將激活設(shè)計(jì)目標(biāo)以生成該進(jìn)口的主相（如南北進(jìn)口和東西進(jìn)口相位）和分相（如南北進(jìn)口的直行相位），完成信號(hào)相位設(shè)計(jì)之后，控制規(guī)則將激活目標(biāo)，確定信號(hào)周期長(zhǎng)度，對(duì)信號(hào)相位分配綠燈時(shí)間。

計(jì)算規(guī)則可確定系統(tǒng)所需要的輸入數(shù)據(jù)，減少模型所需要的大量信息，盡量減少計(jì)算工作量，分為三個(gè)次級(jí)目標(biāo)：

1）對(duì)向左轉(zhuǎn)車流差值規(guī)則，比較相互對(duì)向的左轉(zhuǎn)車流量，計(jì)算它們之間的差值；

2）進(jìn)口交通流量規(guī)則，總和進(jìn)口中車道的交通量，得到進(jìn)口的交通總量；

3）道路交通量規(guī)則，總和對(duì)向的進(jìn)口交通量以獲得道路交通量（如東西和南北），道路的交通量可作為判斷是否設(shè)置交通信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)之一。

3.信號(hào)相位設(shè)計(jì)規(guī)則

信號(hào)相位生成過(guò)程嚴(yán)格遵循圖3中的基本結(jié)構(gòu)，是一個(gè)分層次處理的過(guò)程，首先把相位方案設(shè)計(jì)為兩個(gè)主相，東西相位和南北相位；設(shè)計(jì)主相時(shí)，首先假設(shè)該主相的設(shè)計(jì)與其他分相無(wú)關(guān)。由于交通流之間的沖突，兩個(gè)主相時(shí)密切相關(guān)的，因而在設(shè)計(jì)主相后，應(yīng)該解決交通流沖突。對(duì)于每個(gè)主相，判斷是否需要左轉(zhuǎn)和直行分相，如果必要，則設(shè)計(jì)相關(guān)分相。

4.左轉(zhuǎn)信號(hào)相位設(shè)計(jì)規(guī)則

在信號(hào)設(shè)計(jì)中需要解決很多問(wèn)題，左轉(zhuǎn)信號(hào)相位的問(wèn)題是最重要的，相位設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)左轉(zhuǎn)交通流采取何種方式？左轉(zhuǎn)車流包括保護(hù)式、沖突式和無(wú)對(duì)向式左轉(zhuǎn)三種方式：

1）沖突式左轉(zhuǎn)，在對(duì)向的直行車流運(yùn)行同時(shí)，左轉(zhuǎn)車流利用直行車流的空擋穿過(guò)交叉口；

2）保護(hù)式左轉(zhuǎn)，不受任何沖突影響的左轉(zhuǎn)車流運(yùn)行。

3）無(wú)對(duì)向式車流左轉(zhuǎn)，由于交叉口的幾何特點(diǎn)，左轉(zhuǎn)車流不會(huì)與對(duì)向的直行車流發(fā)生沖突。通常發(fā)生在單行道路、“I”形交叉口等地方。

采取保護(hù)式還是沖突式相位取決于左轉(zhuǎn)和與左轉(zhuǎn)車流沖突的交通流量、交叉口的幾何特征以及其他因素。保護(hù)式左轉(zhuǎn)相位分為三種模式：雙向左轉(zhuǎn)相位、左轉(zhuǎn)+直行混合式相位、左轉(zhuǎn)保護(hù)+沖突混合式相位：

雙向左轉(zhuǎn)相位

指相對(duì)向的左轉(zhuǎn)車流同時(shí)利用保護(hù)式相位完成左轉(zhuǎn)。適用條件：左轉(zhuǎn)車流都滿足設(shè)置保護(hù)式相位的條件；相對(duì)向的左轉(zhuǎn)車流量基本相當(dāng)。

左轉(zhuǎn)+直行混合式相位

同一進(jìn)口的直行和左轉(zhuǎn)車流同時(shí)采取保護(hù)式信號(hào)相位，禁行與它們沖突的交通流。通常有兩種模式，具體見(jiàn)圖6。

模式1的適用條件和特點(diǎn)如下：

1）相對(duì)向的左轉(zhuǎn)車流滿足設(shè)置保護(hù)式相位的條件，左轉(zhuǎn)車流量差值在75VPH以上；

2）對(duì)向的兩進(jìn)口直行車流流量很大，差值在100VPH車道以下。

3）利用直行車流作為過(guò)渡信號(hào)階段，即搭接相位，可以減少相位交替的損失時(shí)間。

模式2的適用條件和特點(diǎn)如下：

1）左轉(zhuǎn)車流都需要設(shè)置保護(hù)式相位，左轉(zhuǎn)車流量差值在75VPH以上；

2）相對(duì)向的直行車流不均衡，差值在100VPH車道以上；

保護(hù)+沖突混合式轉(zhuǎn)相位

保護(hù)+沖突混合式左轉(zhuǎn)相位，對(duì)某進(jìn)口的左轉(zhuǎn)車流先給予保護(hù)式（沖突式）相位通行，然后給予沖突式（保護(hù)式）相位。該模式的特點(diǎn)如下：

1）混合式相位將會(huì)大大減少原來(lái)左轉(zhuǎn)車流以犧牲其他相位時(shí)間為代價(jià)所利用的左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間，提高交叉口的通行能力；

2）在自適應(yīng)左轉(zhuǎn)相位中，可根據(jù)交通流的變化情況靈活調(diào)節(jié)混合式相位中保護(hù)式和沖突式比列，便于取得最優(yōu)的信號(hào)方案。

5、直行信號(hào)相位設(shè)計(jì)規(guī)則

直行相位的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)過(guò)程：設(shè)置直行相位的判斷規(guī)則，如果沒(méi)有直行交通流，例如單行線，或者“T”形交叉口，單行線車流的對(duì)向進(jìn)口不存在直行交通流，而“T”交叉口中必定有一進(jìn)口不需要考慮直行相位；車道配置規(guī)則，為直行相位分配適當(dāng)車道。

6、行為和非機(jī)動(dòng)車信號(hào)相位設(shè)計(jì)規(guī)則

因?yàn)樾袨楹头菣C(jī)動(dòng)車輛通行速度低，運(yùn)動(dòng)軌跡隨意性強(qiáng)，等待信號(hào)的耐心差，特別當(dāng)信號(hào)設(shè)計(jì)不合適時(shí)，往往會(huì)違章通行，甚至與正在通行的機(jī)動(dòng)車流搶行。因此，在相位設(shè)計(jì)時(shí)，既要對(duì)相互影響的車流、人和非機(jī)動(dòng)車流進(jìn)行分離，提高整個(gè)交叉口的運(yùn)行效率；又要考慮它們之間的運(yùn)動(dòng)特性差異，保證交通安全。

右轉(zhuǎn)的行人、非機(jī)動(dòng)車流對(duì)交叉口影響甚微，可能不用考慮；直行的行人、非機(jī)動(dòng)車流則可以與車流直行相位共享通行權(quán)；左轉(zhuǎn)的行人、非機(jī)動(dòng)車流對(duì)交叉口交通沖突影響最大。

處理好左轉(zhuǎn)行為、非機(jī)動(dòng)車流的通行問(wèn)題，是提高交叉口通行效率，解決交通擁擠問(wèn)題的關(guān)鍵因素之一。根本策略在于加強(qiáng)左轉(zhuǎn)行人、非機(jī)動(dòng)車流的交通組織，并結(jié)合相位方案進(jìn)行協(xié)調(diào)，避免與左轉(zhuǎn)車流沖突。采取左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車、行人等候區(qū)法，直行相位放行時(shí)，左轉(zhuǎn)和直行的非機(jī)動(dòng)車、行人同時(shí)進(jìn)入交叉口，此時(shí)禁止左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)的行人、非機(jī)動(dòng)車需要在等候區(qū)內(nèi)等待，當(dāng)放行左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車或者放行相交道路直行機(jī)動(dòng)車時(shí)，進(jìn)行無(wú)沖突左轉(zhuǎn)或者直行。

3.5信號(hào)相位生成模型

信號(hào)相位越多，信號(hào)周期越長(zhǎng)，雖然可提高通行能力，但造成更多的延誤。在相位生成模型中，在滿足提高通行能力和保證交通安全的前提下，相位越少越簡(jiǎn)單越好。

相位生成模型分兩部分完成，按照專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)提出所有可行的相位方案，對(duì)所提出的相位主案按照要求建立目標(biāo)函數(shù)，以確定最佳信號(hào)相位方案。

3.5.1可行相位方案的產(chǎn)生

采用啟發(fā)式分解主法，以專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)，結(jié)合已知數(shù)據(jù)，利用相位設(shè)計(jì)規(guī)則，通過(guò)多級(jí)求解規(guī)劃，將復(fù)雜的相位方案分解為相對(duì)簡(jiǎn)單分相方案問(wèn)題。

3.5.2信號(hào)相位優(yōu)化模型

信號(hào)設(shè)計(jì)交通安全的原則：交叉口交通流之間的沖突是造成交通事故的主要原因，模型采用交通流沖突點(diǎn)數(shù)量來(lái)表示相位設(shè)計(jì)對(duì)交叉口交通安全性S的影響。

信號(hào)相位簡(jiǎn)單的原則：為了保證信號(hào)相位簡(jiǎn)單明了的原則，相位優(yōu)化模型中應(yīng)包含信號(hào)相位總的損失時(shí)間L，相位越復(fù)雜，損失時(shí)間就越多；相位越簡(jiǎn)單，損失時(shí)間越少；

信號(hào)設(shè)計(jì)的通行能力原則：模型中目標(biāo)函數(shù)采取交叉口通行能力，時(shí)空資源利用率越大，交叉口的通行能力則越大、因而，信號(hào)相位優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)包括：信號(hào)相位方案的損失時(shí)間總和；在信號(hào)相位方案下交通流之間的安全性；信號(hào)交叉口時(shí)空資源的利用率。

結(jié)論

論文明確分析了