美国交通信号配时实践与技术综述

交通信号配时的主要内容是设计交通信号运行的参数和逻辑，从而确定道路交叉口内各交通流向（包括车辆、行人、非机动车与公共交通等）的通行时刻和时长以实现某种或多种控制目标，保证安全且高效的交通运行。交通信号控制系统是交通信号配时的载体，决定了信号配时方案的最终实施效果。因此，信号配时方案设计需要符合交通信号机、检测器等软硬件设备的功能框架，也需要考虑控制系统的数据采集能力、通信条件乃至计算效率。从机械式、各自独立的原始交通信号控制机，到如今电子化、联网化的现代交通信号控制系统，交通信号控制软硬件设备的更新升级对信号配时技术的发展都有着极为重要的影响。

在经历数次交通信号控制系统的变革后，美国交通信号配时实践与技术逐渐形成了当前较为完整的体系。信号配时从业人员对于信号配时的主要预期目标、设计方法以及实施过程都有着一定程度的共识。回溯美国交通信号控制实践与技术发展过程，由行业组织和信号控制设备生产商推动的技术标准化和兼容化有着十分重要的影响。自上世纪70 年代起，美国州公路和运输工作者协会(American Association of State Highway Officials,AASHO)、交通工程师协会(Institute of Transportation Engineers, ITE)以及美国国家电子产品制造商协会(National Electrical Manufacturers Association, NEMA)等交通信号控制相关行业组织联合信号控制设备生产商发布了一系列技术标准并仍在持续进行更新。这些技术标准在全美国范围内得到了广泛采用，事实上规范了美国当今交通信号控制设备的制式与通信协议，很大程度上统一了交通信号配时涉及的配时参数与逻辑功能，同时也间接地促进了信号配时新技术开发与应用，方便信号配时工程师与研究人员开展交流与经验分享，减少了配时项目执行中管理者、工程师乃至公众之间的协调障碍。从更宏观的角度上来看，较为务实的行业氛围和多方参与的良性互动在美国交通信号配时技术与实践的发展历程中起到了十分积极的作用。机动车驾驶人，行人以及公交用户等交通参与者对于交通信号控制的意见与想法能够有效传递给交通信号管理部门，而交通管理部门能够从多角度分析用户需求并制定相应的改进措施。同时，设计和实施改进措施中遭遇的问题又可以转化为对交通信号控制设备生产商的要求，进而促进交通信号控制设备的更新迭代。其中著名案例是俄勒冈州居民Mats Järlström 对“黄灯时长”的疑问引起了美国信号控制行业的广泛讨论，甚至促使了美国交通工程师协会对该课题的进一步研究。

除上述技术标准外，美国各级交通管理部门亦有发表交通信号配时的指导手册和技术文献，其中美国联邦公路局(Federal Highway Administration,FHWA)以及美国交通研究委员会(Transportation Research Board, TRB)于2008 年和2015 年分别发布了两版《美国交通信号配时手册》(Signal Timing Manual)，较为全面地介绍了美国交通信号配时技术。对比其他国家与地区，美国交通信号配时具有3 项特点：一是美国信号配时参数自成体系，与其他国家存在差异；二是信号配时的主要工作是进行感应控制条件下的信号协调；三是信号配时方案通过较为特殊“环栅结构(Ring-barrier Structure)”进行表示。本节对该3项特点展开综述。

美国信号配时参数定义主要来源于相关行业标准和技术手册，以及信号控制设备生产厂商的产品操作手册。《美国交通信号配时手册》和《美国智能交通系统通信协议》(National Transportation Communications for Intelligent Transportation System (ITS) Protocol, NTCIP)中详细介绍了常规配时参数的定义，同时《美国交通设施手册》(Manual on Uniform Traffic Control Devices, MUTCD)等指导性文件中也描述了这些信号配时参数的应用场景。这部分常规配时参数的定义一般来说是较为严谨且统一的，但在常规配时参数之外，不同信号机制造厂商也会根据各自信号机产品所具备的特殊功能来定义一些额外的信号配时参数。因为这部分参数未纳入行业技术标准中，通常只有对应型号信号机的操作手册描述了其参数定义，例如：美国信号机生产商Cubic Trafficware (原Naztec)的Scout 信号机和Econolite 的Cobalt 信号机都具备相当数量的额外配时参数，使这些信号机能够满足更为复杂的信号控制需求。虽然大多数配时手册和相关指导性文件中对使用这些额外配时参数不作强制要求，但合理地应用额外配时参数可以丰富配时方案功能，从而进一步优化信号配时效果。但需要注意的是，信号机操作手册中的描述往往较为简略抽象，与实际使用效果往往存在一定程度上的出入，使得配时人员需要大量时间和精力进行摸索以掌握如何正确使用这类配时参数。

另外，由于语言或者使用场景的差异，信号配时参数定义在跨地区学术和工程交流中可能会产生歧义。例如：美国交通信号配时语境中“相位(Phase)”指的是某一特定交通流向或流向组合得到的绿灯、黄灯与全红清空时长之和，而“相位”在其他语境下也表示交叉口整体通行权保持不变的一个时段。配时参数定义差异可能造成沟通障碍，甚至导致错误理解。美国交通信号配时实践中还会使用一些较为抽象的术语，例如：“流量-密度控制(Volume-density Control)”等。这些术语通常表达一系列配时概念，在使用或理解时应当参考相关配时指导文件和信号机操作手册，详细地确认其内涵，避免“望文生义”。

目前美国所采用的现代交通信号机主要面向感应控制(Traffic Actuated Control)而设计，其中大多数配时参数与功能是基于交通检测器的。通过设定一些信号机参数，感应控制信号机可向下兼容固定配时，但一般只在特殊交通条件下或交通检测器故障时使用，应用范围也仅是行人较多的少数城市中心交叉口或某些交叉口的部分流向。另外，自适应交通信号控制在美国普及率尚低，因此美国交通信号配时实践与技术主要考虑感应控制。

感应控制可分为全感应或半感应，美国绝大多数路口采用的是全感应控制方式，即指交通检测器布设于所有进口道的信号控制流向(本文在讨论“感应控制条件下”时特指全感应控制)。感应控制条件下的信号配时与固定配时有着较为明显的区别，特别是当不考虑信号协调时。对于感应控制条件下的非协调交叉口而言，信号配时并不需要根据模型计算周期和各流向绿时长，因而也可在某种程度上采用交通流量观察代替原本繁琐的交通流量数据采集。非协调感应控制可以按照所设定的感应控制参数，如“最小绿灯时长(Min Green)”“最大绿灯时长(Max Green)”“ 单位通过时间延长(Passage Time)”等，通过基于交通检测器的交通感应机制实现各流向绿灯时长的灵活分配。非协调感应控制能够更好地适应交通到达的变化，实现整体交叉口绿灯时间的高效利用，通常被认为适用于距离相邻信号灯较远的单独交叉口或交通流量较低的夜间。《美国交通设施手册》(MUTCD)中建议：

若交叉口相邻间距超过半英里(1英里约为1.61 km)，可以不进行信号协调。同时一部分交通配时工程师认为，当交通流量降低时，信号协调下的固定周期可能导致绿灯利用率降低且部分流向延误显著增加，因而需要切换为无协调感应控制。但这两项否定信号协调的理由仍有较大争议，比如车队离散现象(Platoon Dispersion)是支持信号协调在长交叉口间距条件下无效的主要依据，但考虑车辆性能进步等原因，越来越多的研究发现尽管交叉口间距较大，信号协调仍然具有改善交通运行的作用。

而在低流量时段，可以采用短周期或长短周期结合等方式构建信号协调，能够有效避免次街长时间等待并减少干道交通停车次数，也间接地实现了干道交通控速，对保证夜间交通安全有着一定积极效果。

交通信号协调可以建立干道“绿波”，能够显著减少行程延误和干道交通停车次数，也可以在个别条件下实现交叉口排队管理等，改善交通运行。在感应控制条件下实现信号协调通常是美国信号配时工作中的重心与难点。感应控制条件下的信号协调控制仍基于周期、相位差等参数，但其设计过程有别于固定配时。感应信号协调控制虽然保有固定的周期，但周期内各交通流向绿灯时长分配一定程度上遵循交通感应机制。其中，一种典型的分配模式是周期内协调相位的结束时刻保持不变，而其他非协调相位绿时长会依据交通感应请求而变化。这种模式导致非协调相位会提早结束，剩余绿灯时间将转移至后续相位或直接给予协调相位(Early Return to Coordinated Green)。这种周期内的绿灯时长动态分配能够一定程度上提高绿灯利用率，优化交叉口通行效率，但同时也使得干道协调“绿波”具有不确定性。协调相位绿灯提前起亮事实上造成了相位差的改变，存在增加下游交叉口的停车次数与延误时间的可能，但与此同时，这种绿灯提前起亮对一些关键交叉口排队清空又有很大益处。另外，由于交通感应机制能够调整绿灯时间分配，感应协调控制所需多时段配时方案数一般比固定配时更少。通常情况下，美国信号配时实践中只对“早高峰”“晚高峰”“非高峰”这3个主要类别进行多时段方案设计，另外根据“绿波”潮汐方向变化或个别流向交通流量特征进行方案微调。简化多时段方案设计可以节约交通信号配时工作量和成本投入，同时就实际运行效果方面而言，更少的多时段方案数也意味着更少的方案过渡时间，事实上减少了方案过渡对信号协调造成的不利影响。

时至今日，建立感应控制条件下的信号协调控制仍是一项具有挑战性的工作。早在上世纪九十年代，学者Jeffrey Buckholz 便指出了感应信号协调配时实践中十大常见误区。其中，“配时人员对使用早启迟断相位组合(Lead-lag Phasing)表现出非理性的排斥”等问题目前仍然广泛存在。另一方面，感应信号协调配时方案设计对信号配时人员的能力提出了更高的要求。首先，配时考虑因素变得更为复杂，例如：感应机制使得周期确定更为灵活，而非固定配时条件下仅考虑关键交叉口。信号配时人员也可将交叉口间距与干道行驶速度纳入考虑范围，选择一个既能满足关键交叉口通行能力要求且控制延误在合理范围，又能够实现更好双向绿波协调效果的周期。其次，设计感应信号协调配时方案需要利用更多的信号机参数和功能，而信号配时人员往往必须付出大量时间与精力进行学习和研究，从而具备合理使用这些配时参数和功能的能力。一份2012 年发布的美国交通信号运行调研报告中指出，全美范围内交通信号配时综合质量依然存在较大的提升空间，其中在“干道协调效果”“配时方案更新及时性”等方面的评价结果不容乐观。信号配时项目资金不足和高水平信号配时人员短缺是造成目前困境的主要原因。

北美地区通常使用“环栅相位结构”表示交通信号配时方案。顾名思义，“环”表示各个相位灯色随着时间推进而变化的周期性过程，而“栅”表示这个过程中的重要时间节点，一般情况下可以理解为主街（或次街）相位的同时结束时刻并切换至次街（或主街）放行。“环栅相位结构”一般包含有2 组“环”和2 个“栅”，处在“栅”的同一侧是相容相位组，例如：图1 中所示的“标准8 相位(STD-8)”环栅相位结构中，环1 上的相位1 或相位2 与环2 上的相位5 和相位6 都可同时在交叉口内通行(即相容概念)，反之位于环2 上的相位5 或相位6 与位于环1的相位1和相位2 也都可同时放行，不存在冲突。

图1“标准8相位”环栅相位结构示意图

 “环栅相位结构”的优势是能将交叉口内各交通流向之间的冲突关系与交通信号运行过程结合在一起，极大方便了感应控制条件下的配时设计。当配时方案满足“环栅相位结构”时，相位时长变化或顺序变化并不会引起交通流向之间的冲突。因此，“环栅相位结构”通过一种简洁且巧妙的方式代表了感应条件下交通信号灯运行过程的诸多可能。但当处理复杂几何条件交叉口或实施特殊控制策略时(比如增设右转保护相位或添加公交专用相位等情况)，需要在标准“环栅相位结构”中添加“虚拟相位(Dummy Phase)”或“搭接相位(Overlap Phase)”，甚至使用额外的“环”或“栅”。这使得原有“环栅相位结构”变得十分复杂且抽象。另外，在“环栅相位结构”框架下对特殊交叉口进行配时通常需要一些技巧和独特思考，一些菱形立交(Diamond Interchange)和分离式菱形立交(Diverging Diamond Interchange)的配时案例就体现出精妙的、颇具特色的配时设计，展示了信号配时科学性之外的艺术性。

美国交通信号配时项目一般由交通信号灯的责任单位牵头(例如：市政府的交通职能部门、区域交通委员会以及州交通部等)，指派部门内部工程师或雇佣社会咨询公司实际执行项目工作。由于美国城市交通建设已经趋于完备，大部分信号配时工作是针对已有信号配时方案进行优化和更新(Signal Retiming)，为新建信号灯进行配时的项目相对较少。美国智能交通发展分析数据库(ITS Development Evaluation Database)中的项目数据记录和一些地方交通职能部门发布的评估报告表明：目前美国交通信号配时资金投入大约是3000~4500 美元⋅ 交叉口-1；依据配时优化后减少的行程时间、能源消耗以及尾气排放等指标进行计算，配时优化项目的效益费用比在40∶1 到200∶1之间。从这些数据可以看出，信号配时优化项目成本投入规模较小，但项目效益在美国获得了广泛认可，具有优势明显的效益费用比。本节重点介绍美国交通信号配时项目的基本流程和所采用软件工具。

《美国交通信号配时手册》中提出了“结果导向”式交通信号配时流程(Outcome-based Process)，包含了8项步骤，可概括为如下4个阶段。

(1) 数据采集与分析阶段

采集与分析交通数据是信号配时工作的基础，其中涵盖了分析交叉口交通流特征，确定关键交通流向(包括车辆流向、行人流向或公交流向等)以及明确重点关注的信号协调方向等内容。通常情况下，该阶段需要进行全天路段交通流量调查和高峰小时交叉口流向流量调查。但由于交通流量调查耗时耗力巨大，项目资源较为紧张时可采用替代方法，例如：根据感应控制条件下各相位持续时间的历史记录推算其所需的绿灯时长分配，进而得到一个可行的初始方案设计，再在后续的现场调试中对方案进行调整，根据实际运行效果确定最终配时方案。

(2) 配时方案设计与现场调试

配时方案设计是信号配时项目的核心部分，主要涉及确定各交叉口相位配置(考虑左转放行是“许可”或“保护”，是否设置自行车、公交专用相位等)，进行多时段划分，根据各时段交通运行特征以确定配时方案周期，计算各相位绿灯、黄灯、全红时长以及确定各信号灯相位差和相序等内容。由于这些内容十分繁杂，美国信号配时人员通常需要使用配时软件来完成配时设计工作。

配时方案设计完成后需要对方案的实际运行效果进行验证。方案实施后进行实地观测并适当调整方案设计是确保信号配时最终效果必不可少的步骤。由于感应控制条件下配时方案运行会受到实时交通到达变化的影响，可能与设计结果存在一定程度的差异，使得识别方案运行的错误和缺陷变得比较困难。若没有合适的软件工具辅助，配时人员往往需要在这个步骤耗费大量时间和精力。

(3) 配时维护阶段

配时方案最终确定并正式实施后，配时人员需要定期地对其运行效果进行评估，其中包括进行周期性流量调查以确定交通量是否发生显著变化，检查交通检测器和信号控制设备运行是否良好，设备通信和在网情况是否正常等。依据定期评估结果和来自公众的反馈信息，信号配时暴露出的问题应当得到及时地解决。当问题无法及时解决时，应当对下一轮信号配时项目规划的优先级做出针对性调整。

信号配时工具在配时方案设计中扮演着至关重要的角色。从最初信号配时工程师只能依照“时距图”进行纸笔作业，到如今功能强大的信号配时软件得到普及，信号配时工具的进步促进了信号配时技术发展，极大地提高了信号配时工作效率。目前，美国信号配时项目中使用的配时软件工具主要有Synchro, TranSync 以及Tru-Traffic 等。这些软件具有配时数据管理、配时参数优化、配时方案校验以及配时效果评价等功能。另外，TRANSYT-7F和PASSER 两款软件曾在美国也得到过一定程度的应用，但由于种种原因，目前已经停止了维护更新或被集成至其他交通软件中。本文对上述这5 款目前或历史上美国信号配时项目主要采用的交通信号配时软件工具进行分析，具体如表1所示。

表1 美国主要配时软件工具分析

除了表1 中所分析的配时工具外，部分美国信号配时项目中也使用其他信号配时辅助软件，例如：PTV Vistro，TRANSYT 等。此外，由于上述一些软件不提供仿真功能或仿真功能不够完善，例如Synchro 的SimTraffic 仿真应用无法对公交车进行仿真，使得配时人员在配时方案设计过程中还需额外使用交通仿真软件，如PTV Vissim等。

随着技术快速发展，美国交通信号配时流程和交通信号配时工具正处在不断更新迭代的阶段。当前的交通信号配时项目越来越突出数据采集与效果评价的重要性，并打造“数据驱动”的信号配时项目规划机制，以取代传统配时实践中以市民投诉和工程经验判断为主要依据的立项方式。信号配时工具的使用能够极大地节约配时项目的资源投入，提高配时质量，将在交通信号配时实践中扮演愈加重要的角色。

目前美国交通信号配时技术的前沿研究主要围绕两项主题，即信号配时效果评价和智能网联交通条件下的信号控制方法。本节对这两项主题分别展开综述。

缺乏对交通信号配时实际效果的评价一直以来是美国信号配时实践中的短板。因此，美国联邦公路局(Federal Highway Administration, FHWA)近年来大力推广“自动化交通控制效果评价系统(Automated Traffic Signal Performance Measures,ATSPM)”，支持了相关方面的理论研究与系统开发。

自动化交通控制效果评价系统采用高精度的事件数据(High-resolution Event Data，具体指交叉口各进口道车辆检测器触发记录和交通信号灯灯色变换记录)，重构全天候交通信号运行过程与交通到达情况，实现精细且长时间范围的交通控制效果评价。该系统可以计算多项交通控制效果评价指标，其中车队绿灯到达率(Platoon Ratio)能够对干道“绿波”实际效果进行量化评价，为后续相位差优化提供依据。此外，系统也能够根据检测器占有率数据识别因绿灯时长不足而引起的二次排队。

随着轨迹数据资源日益丰富，车辆行驶轨迹数据的价值得到越来越多的关注。其中，高精度车辆轨迹(数据分辨率在3 s 左右)可以作为交通信号配时效果评价的依据。美国交通数据公司INRIX 在2020 年末发布了一份研究报告，利用1 周时间内获取的数百亿轨迹点分析了美国境内超过21 万个交叉口的交通信号控制效果。同时，轨迹数据也可被用来分析干道协调层面的交通信号配时效果。

自动驾驶、车联网和车路协同技术正在飞速发展，以这些技术为特征的智能网联交通情景可能在不久的将来得以实现。智能网联条件会极大地丰富交通数据资源，将给交通信号控制带来巨大变革。目前的交通信号控制是基于交叉口车辆检测器采集的数据，数据获取往往是片面且滞后的。网联状态下，实时获取的交通大数据使预估交通到达特征成为可能，从而实现预见性交通信号控制，进一步提高路口通行效率，减少交通延误。构建智能网联条件下的交通信号控制算法是近几年的理论研究热点，相关论文多有发表。其中许多研究基于车联网数据寻求实现各种类型的控制目标，例如：能耗排放最小，优化公交延误，或者实现交叉口各流向之间更为“公平”的通行权分配。这些论文无疑开辟了交通信号控制的新思路，但实际应用仍需等待。

智能网联条件下信号控制方法研究的另一路径是利用新数据资源对一些已有信号控制方法进行改良。例如：“自组织式信号协调”研究中提出了“协调延长相位”的概念。利用车联网数据可以更精准地预估交通到达情况，使得该信号控制方法具有更进一步的改善空间。

尽管智能网联技术为将来信号控制发展描绘了极好的蓝图，但由于技术应用是循序渐进的过程，现有交通信号控制模式难以在近期(5~10 年内)发生巨大改变。因此，对于现有交通信号配时方法的深入研究仍有着重要价值。一些学者对传统信号配时方法开展了跟进研究，也有一些学者研究了特殊交叉口几何条件下的信号配时方法以及特殊交通条件(比如过饱和状态)下的信号配时策略。

本文摘自：《美国交通信号配时实践与技术综述》