（应用数学专业论文）y形环形交叉口交通控制方法研究.pdf

中文摘要 交通量随城市经济的迅猛发展而急剧增长，一些城市主干道上现有的环形交 叉口由于通行能力不足，经常出现拥挤、混乱及堵塞的现象，往往是各向车辆争相 进交叉口，却很难顺畅驶出。本文以y 形环形交叉口内部各股车流的潜在冲突点和 车辆启动形成的启动波为依据，对y 形环形交叉口左转2 次控制方法在交通设施 布置和相位协调设计等方面进行改进，使其可用于多叉、中心环岛形状不规则等 复杂环形交叉口的信号控制，并将该方法应用于实例计算。 关键词：通行能力；环形交叉1 3 ；环道容量；相位协调 a b s t r a c t t r a f f i cw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eu r b a ne c o n o m y , t h e r ea p p e a rt r a f f i cc o n g e s t i o n ， c o n f u s i o na n dj a mo nt h em a i nr o a d ，b e c a u s eo fl a c ko ft h et r a f f i cc a p a c i t y m a n yv e h i c l e sl u ni n t o t h ei n t e r s e c t i o n s ，b u th a r dt or u s ho u ts m o o t h l y b a s e do nt h es t a r t - w a v e so ft h ev e h i c l e ss t a r t i n g a n dt h eu n i t so fp o t e n t i a lc o n f l i c tp o i n t s ，w eh a v ei m p r o v e dt h ec o n t r o lm e t h o do ft h ey - s h a p e d r o u n d a b o u tt u r nl e f tt w ot i m e sa n dt h el a y o u to ft h et r a n s p o r tf a c i l i t i e s ，s ot h a tt h e yc a nb eu s e di n t h es i g n a lc o n t r o lo fm u l t i b r a n c h ，t h ec e n t e ro fc o m p l e xi r r e g u l a rr i n ga r o u n dt h ei s l a n d i n t e r s e c t i o n t h em e t h o di sa p p l i e dt op r a c t i c a lc a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：t r a f f i cc a p a c i t y ；r o u n d a b o u t ；r i n gr o a dc a p a c i t y ；p h a s ec o o r d i n a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均己明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：0 丝丛导师签名：渤兰至日期她； 1 前言 随着全球人口的增加和各种型号机动车数量的急剧增加，交通问题已经成为 困扰我国乃至全世界的严重问题。如何采用科学的规划和管理手段，改善交通状 况，提升城市的交通能力已成为众多科研人员和交通管理者迫切需要解决的问 题。交通管理与控制的主要目的是提高现有道路的通行能力，保障交通的安全与 畅通，尤其是在繁忙的交叉路口，交通信号灯对车辆流动的调度指挥作用直接影 响道路的运行能力。 1 1 环形交叉口的特征及问题分析 环形交叉口是在交叉口中央位置设置圆形( 也包括椭圆形或不规则圆形) 中 心岛，变冲突交通流为交织交通流的交叉形式，一般无信号控制。其交通特点是， 不同方向的交通流直接进入环道，按一定的速度要求和统一的转向( 通常是逆时 针方向，少数国家或地区按顺时针方向) 绕中心岛单向行驶，进行连续的合流、 交织与分流n 2 1 。由于环交可以变冲突交通流为交织交通流，所以冲突点的个数 少于一般平交( 各向左转车流“出环时与对向直行和左转车流“入环 仍然存 在冲突点) ，车辆行驶更为安全，再加上对于进入环道的车辆不进行信号控制， 使其连续行驶，可以避免产生周期性的交通阻滞，从而提高交叉口的通行能力和 运行效率。但由于受中心岛环形车道上交织段的影响，不论坏交各进口道有多少 条车行道，其直行车与左转车都要在环道上交织行驶、当交织段长度小于2 倍的 最小允许交织段长度时，其通过量实际上只相当于一条车道的通过量，故其通行 能力只能达到一条车道的最大理论值，当交织段长度大于2 倍的最小交织段长度 时，其通行能力通常会有所增加，但增加的幅度不会太大，因而其允许通过量仍 不会很高。 1 2 环形交叉口实施信号控制的意义 受环形交叉口通行能力的限制，当各进口道的流入量较低时，环形交叉口的 通行效率尚可维持较好水平；而当各进口道的流量接近或超过环交的通行能力 时，进入环道交织段的车辆过大，就会造成环道上交通拥挤和阻塞，使得车流无 法连续通过环道，这种情形的最终结果就是，环道上车辆排放困难，进口道车辆 停车延误过长与车流阻塞，交叉口通行效率严重降低。当有非机动车交通流混入 时交通问题将更加严重，对环形交叉口实施信号控制，就是要将可能形成交通拥 阻的交通流，从时间上加以分离，实现不同流向的车流，依时间次序连续通过交 叉口，保障环道上的车辆顺利排放出环道，尽快腾出交通空间让后面进口道上的 交通流进入环道。由于环交的形状、规模( 通常指直径的大小) 不同，对环交实施 交通信号控制的方法也不能完全相同口1 。 1 3 环形交叉口研究的现状 早在1 9 世纪人们就开始研究交通信号对平面交叉口的控制。1 9 5 0 年美国交通 工程协会围绕交叉口的研究出版了第一版的道路通行能力手册，在之后的几 十年中又出了新的版本并对原有内容进行修正。纵观国外的研究，主要集中在交 叉口的信号配时、交叉口延误时问的计算、交叉口的交通模拟等。国内最先研究 信号交叉口的有北京工业大学、同济大学、北京市政设计院等。进入9 0 年代后， 开始陆续使用计算机模拟方法对道路及交叉口进行研究。杨锦东等人指出信号控 制目的在于最大限度地提高交叉口的使用效率；尹宏宾等人研究了一种基于专家 系统的信号交叉口配时设计系统解决交叉口交通拥挤问题。对交叉口几何尺寸， 交通渠化等参数进行优化设计，使得车辆通过交叉口的延误最小、通行能力最大， 措施一般包括：实施单向交通；实行禁左交通；停车线前移或后移；拓宽交叉口； 渠化交通；设置立体交叉如架设高架桥等。这些对于解决我国混行交通系统都有 一定的效果h 1 。城市交通系统是一个复杂的、非线性、非结构化、强相关的随机 系统。随着现代化城市开始飞速扩张，城市交通问题一般从两个方面入手：一是 对城市道路的不断扩建，以直接提高城市交通的负载能力；二是通过先进的智能 交通控制系统，对城市交通实现高效又不失公平的调度与控制。但道路扩建的规 模与速度远远不及城市人口与城市交通工具的激增与膨胀，更何况道路扩建的规 模是有上限的，不可能无限拓展。 2 0 世纪7 0 8 0 年代，我国很多城市都建造了环形交叉口( 简称环交) 。同一 般平面交叉口( 简称一般平交) 相比，环交具有冲突点少、车流连续、可为u 型 2 转弯( 调头) 提供方便等优点，环岛上的空间还有利于城市绿化和景观建设。然而， 随着我国经济的持续发展和人们生活水平的逐步提高，城市小汽车数量不断增 长，城市道路交通需求量也在不断增加，许多环交的原有设计通行能力无法满足 这种持续增长的需求，出现了日益严重的拥挤和堵塞等问题。对于环交设计通行 能力不足这一问题，过去通常采取拆除环岛，改建成一般平交加信号控制的办法。 但这一办法由于工程量和资金投入都较大，同时可能会破坏城市绿化和景观，所 以并不完全可行嘲。在国内，杨晓光教授最早对十字形环形交叉口的信号控制方 法进行了深入研究，形成了系统的理论研究成果，并且在厦门市的莲坂环形交叉 口得到成功应用。 1 4 本文内容 本文将对y 形环形交叉口的通行能力进行分析计算，且对左转二次控制方 法进行深入研究。并且以兰州市西关十字的环形交叉口为实例进行分析。 3 2y 形环形交叉口的通行能力的分析计算 2 1 设计通行能力 2 1 1y 形环形交叉口形式确定 环形交叉口可用于城市道路的y 形、x 形、十字形、复合形等交叉口，但最 常用的是道路相交的y 形、十字形交叉口。且对于流量不大的次干路等级以下 相交的y 形、十字形交叉口，用常规的环形交叉即能得到较满意的交通，但对于某 些位于主干路上或转盘式立交上的环形交叉，因各路进入交叉口的流量太大，常规 的环形交叉口已无法解决正常交通，此时加设信号灯控制可获得通行上的改善。 所以，信号灯控制环形交叉一般用于y 形、x 形、十字形、复合形交叉口，且每个 进口道有两条道以上情况。 2 1 2 进口到各车道设计通行能力 交叉口的通行能力是指单位时间内各相交进口道路进入交叉口的最大车辆 数，单位为p u c h ，确定信号灯环形交叉口的设计通行能力，只需确定各进1 2 1 道的通 行能力。而进口道的通行能力是由各车道的通行能力构成，只要分析进口道各条 车道的通行能力即可。 2 2 一条右转车道的设计通行能力 在信控环交口上，右转车不受信号灯的影响。在有专用右转车道的条件下， 它的最大通行能力( p u c h ) 为 g - 半 或c 尺2 t 1 0 0 0 v 式中：荭为右转车平均最小车头安全时距，s ： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 4 v 为交通流速度，k m h ： 宽为平均最小车头安全间距，i l l 。 但如果已知进口道右转车的比例足，则可按下面公式计算右转车道的通行 能力( p u c h ) ，即c 且 c 置一c 。xp r ( 2 3 ) 式中：c 为进口道的通行能力，p u c h 。 2 3 一条直行车道的设计通行能力 c t 的大小与信号相位、周期、红绿灯时间等参数相关。设一两相位信号控 制，信号周期为，红、绿、黄灯时间分别为t ，、t ；、f y ，则一条直行车道的通行 能力为 c ，。三皇咝坠! 二业垒二! 1 z ( 2 - 4 ) 式中：t 。为绿灯亮后，第一辆车起动并通过停车线的时间，s ，可据实际车流确定： h ，为直行车连续通过停车线的最小车头时距，可根据直行车连续通过停车线 的速度按最小安全车头时距理论确定，也可通过观察实际直行车流连续通过停车 线的平均间隔时间确定： 办为修正系数，根据车辆通行的不均匀性及非机动车、行人等对汽车的干扰程 度确定。当环形交叉口的自行车、行人从空间上与机动车分离时，可近似取1 0 嘲。 2 4 一条直、左车道的设计通行能力 左转车通过信号灯控制环形交叉口时，既受本向进口道入口信号灯的影响， 又受半环处环道上信号灯的影响，即左转车通过交叉口时受两处红绿灯信号的约 束，所有的左转车在交叉口都会遇到至少一次红灯的影响而停车。 在直、左车道中，因左转车受半环处红灯停车的影响，通过进口车道线花的时 5 l 司比直行车要长，这就对其后车辆造成了影响。影响程度为 口；t _ l t 一1( 2 5 ) t r 式中：气为左转车连续通过停车线的平均间隔时间，s ： 白为直行车连续通过停车线的平均间隔时间，s 。 又设一条直、左车道中的左转车所占比例为p 工，则一条直左车道的设计通行 能力( p u c h ) 为： c r 工tc 7 - ( 1 一q p 工) ( 2 - 6 ) 用公式( 2 - 6 ) 计算直、左车道的通行能力时，只受与本向进口道相应的环道 半环处停车线前左转车排队扇区容量的影响。排队扇区容量m 是排队扇区的车道 数、每条车道的长度由排队车辆平均占有车道长度k 决定的。 即肘。汪( 2 7 ) k 对照公式( 2 - 6 ) 和公式( 2 - 7 ) 。如果进口道只有一条直、左车道，则 c r 上x p sm 即 仇s 篑 防8 ， 如果进口道有n 条直、左车道，且各条直、左车道的相同，则有 n c r 工x p 工sm 即p s 苁 ， 2 5 两种环形交叉口通行能力比较计算 2 5 1 无信号控制y 形交叉口通行能力计算 设y 形环形交叉口环形道上的车道为3 条，每个进口的车道都为3 条，进口道 各车道的分工为一条右转车道，两条直、左车道。假设各交织段中交通流的运行 6 状况是一致的。因此，将研究对象确定为三分之一个环形交叉口，而将三分之一 环形交叉口中所有车流简化为3 个流向的车流，如图2 - 1 所示。 图2 1 其中，将环形交叉口两个环行车道的出环车流综合考虑为一个出环车流 a ；将环形交叉口入口处两个车道中的入环车流综合考虑为一个人环车流b ； 将环形交叉口入口处两个车道中的右转车流综合考虑为一个右转车流c 。 环形交叉口的最终目的是疏导交通，则以各方向出口交通量之和k + k + k 来描述环形交叉口的通行能力，参见图2 - 2 所示。采用线性最优化方法计算了 整个环形交叉口的通能力。其优化方程如下式所示。 7 m a x ( y l + k + 匕) s t ：= x 1 2 + 工1 3 + 工3 2s c 矸乞一工1 3 + z 2 l + x 2 3sc w 矸名_ x 2 l + x 3 l + x 3 2sc w 图2 - 2 式中：为从第i 个进口，第j 个出口出的车流量； c 。为交织段通行能力： 为第i 个进口与第i + 1 个进口之间交织段的交通量，p u c h ； 匕t 勤在这里f ，tj ( i = j ，即是车辆调头的情况) 。 对( 2 - 1 0 ) 式利用单纯形法求解 ( 2 - 1 0 ) 8 兰凹太堂亟土堂僮i 佥塞 x i j 芑0 m i n s ；一m a x ( y 1 + 匕+ 匕) 化为标准式如下 勤o ( f ，_ = 1 ，2 ，3 且i j ) m i n s 一一m a x ( y 1 + 匕+ 匕) 求解如下 b j x 1 2 x 1 3 x 2 1x 2 3x 3 1 x 3 2x l x 2 x 3b ( b 0 ( 1 ) 1 0 0 1 1 100g 011100010 c 。表1 001o11oo1 c 。 s ( b o ) 一1 1 1 111o000 ( 1 ) 1 0011100g x 1 2 o111ooo1o c 。表2 001011o01 c w s ( b o ) 0 0 1 11 0 1oog x 1 2 ( 1 ) 1 0011100 c w o111ooo1o c 。表3 x 2 3 oo101 1 0o1 c 。 s ( b o ) o100- 101102 g x 1 2 ( 1 ) 1 0011100g x 2 3 011100010 c 。表4 x 3 1 oo1 0 11001 c 。 s ( b o ) 01 1001 1113 g 9 c c c s s v i 2 3 2缸崩勃 + + + 硌 丛 n 工 石 石 + + + j 赳 殂 ，忧 蹦 晡、 d d d 昌 l i i 2 3 x x x + + + 2 3 2 砌知勋 + + + 埒 乃 n z z x + + + 屹 殂 殂 ，忧 捕 忱， 解得 f x l 2 = c 1 z 。，；0 l x 2 l ；0 k 钉。 l 戈3 l ；0 卜3 l ；c 。 m a x ( y 1 + 匕+ 匕) 一3 ( 7 ， 但这个解是一种理想状态，就是三个出i z l 都只有右转的车流，没有左转的车 流适度可行的。要考虑到一个路e l 有左、右转的车流，可得环形交叉口的通行能 力表达式如下式。 c 。m a x ( v , + k + e ) 一j ：彘( 2 - 1 1 ) 当右转比例p 凡= 0 4 ，直、左转比例p r l = o 6 时，c w = 1 7 0 0p u c h ，则 c = 2 31 8 p u c h 。 2 5 2 信号控制环形交叉口的通行能力计算 ( 1 ) 混合行驶车道的通行能力 c m k ；c t k l ( 2 - 1 2 ) 式中：蚝为左转车影响系数，其值与左转车比例p 工有关，可按吒* * 1 - 0 5 p 工计 算。 混合行驶车道是指直行、左转、右转车辆混合行驶，直行车、左转 车混和行驶。至与直行车与右转车混合行驶，由于此两向车流只在通过停车断面 线后进行分流，因此可按一条直行车道计算，而不按混行车道计算。 ( 2 ) 左转专用车道的通行能力 在周期长为t 的信号交叉口，当左转车流量小于工。值时，左转车基本上 不影响对向直行车道的通行能力。只有当左转车超过工一时，多通过一辆左转 车，每条对向直行车道就少通过一辆直行车，因此，应考虑增设左转专用车道， 而此时对向直行车道的通行能力应该作相应折减，折减值按照下式计算： 1 0 巳l m n o ( c l 一啦。) 式中：n 。为对向直行车道数； ( 2 - 1 3 ) c ，为每小时左转车辆数，p u c h 。 ( 3 ) 右转专用车道的通行能力 当右行车与直行车使用同一车道时，该车道最多只能通过心嗍辆车，当右 转交通量大于一时，则需考虑设右转专用车道。右转专用车道的通行能力可 按直行车道计算，只是右转流的车头时距偏大。 ( 4 ) 交叉口的通行能力 交叉口的通行能力等于组成交叉口的每条道路进口的通行能力之和。当交叉 口某方向的两条以上入口引道，且左转、直行、右转分道行驶，或部分分道行驶 时，若已知左、直、右转车的比例，可根据车道组合情况，先计算出直行车的通 过量，然后按下式换算成一个进口的行能力g 。以进口通行能力c ；为基础，利 用左、右转车比例，计算左转车流量c 。和右转车流量g ，具体的计算式见下式： e = 孟丢 c 工i nc f p c r c i p r 式中：p l 为左转车比例，： ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) p r 为右转车比例，。 设y 形环形交叉口环形道上的车道为3 条，每个进口的车道都为3 条，进口道各 车道的分工为一条右转车道，两条直、左车道，如图2 - 3 为1 号进口。 l 号进口 图2 - 3 取信号灯周期的常用时长为t = 9 0 s ，t gt5 0 s ，t o 一2 3 s ，口t o 9 5 ， p ri2 0 ，最；2 0 上述条件和各参数去值确定后得： g _ 九竽( 字+ 1 ) - o 塑9 0 ( 等25 5 “) i j ；7 2 2 ( p u c h ) 根据公式( 2 - 1 4 ) c - i i c - t 瓦 。旦= 1 2 0 3 ( p u c h ) 1 0 4 根据公式( 2 1 5 ) c 。一c ，p 。 = 1 2 0 3 x2 0 = 2 4 0 ( p u c h ) 由于直右混行车道相当于直行车道则c 丑tc r = 7 2 2 ( p u c h ) 1fjiilil 于是c 1 ；c r + c r + q = 7 2 2 + 2 4 0 + 7 2 2 = 1 6 8 4 ( p u c h ) 假设各交织段中交通流的运行状况是一致的则 3 c ，一c f 一3 c 1 2 5 0 5 2 ( p u c h ) f - l 综上所述，当各路1 ：3 进入交叉口的流量达到或超过常规环形交叉口的通行能 力时，可通过设置信号灯控制来提高环形交叉口的通行能力。而且当交叉口的面 积越大，这种采用信号灯控制来改善通行能力的效果就越明显。 1 3 3y 形环交左转二次控制方法 该方法的核心思想是将存在冲突点的各向左转车流与对向直行和左转车流 在时空上进行分离，由左转车流经过两次停车控制通过交叉口加以实现，适用于 环岛直径较大，环道上有足够空间容纳左转车流进行排队的环交。 3 1 交通设施布置 在各方向进口道上设置第1 停车线、专用左转车道及专用左转信号灯，另外， 在环道上各进口道左转车流与对向进口道左转车流冲突点前分别设置第2 停车 线，并配以相应的专用车道及专用信号灯。左转车流经过两次通行信号( 进口道 通行信号、环道通行信号) 后通过交叉口。具体布置如图3 - 1 所示。 ? 、i i 、 t 一。二 拿、藩蓬豪三摹一 。 ，| 一彳乃一天、 ， 3 2 信号相位设计 图3 - 1 在第1 停车线( 即进口道处) 采用两相位控制，并结合各进口道直行车与左转车 1 4 流量的不均衡比，对左转车流采取迟启早断方式调整其绿灯时间，以满足环道容 量的约束，同时提高直行车的通行效率；在第2 停车线( 即环道处) 也采用两相位 控制，该处的左转车辆利用进口道处两相位之间的绿灯间隔时间通行。 3 3 环道容量约束 对于y 叉环形交叉口，根据环道车流容纳空间的不同，环道容量有两种形 式。一种是指相邻两个环道停车线之间一个周期可以容纳的车辆数。另一种是指 在进口道停车线至环道停车线之间一个周期能够容纳的车辆数。y 叉环形交叉口 信号周期时长优化时，周期时长范围的选择要满足每个周期环道车流在环道内 的停车容量约束。如果一个周期内环道排队需求超过环道容量，则排队溢出到上 游环道，使得下个相位的车流无法出环，从而造成死锁现象出现。 图3 - 2 1 5 两种环道容量的含义对应两种不同的计算环道容量的空间要素，如图3 - 2 所 示。在图3 2 中，曲线a 易徕示车辆从进口道停车线至前进方向的紧邻环道停车 线之间的车辆行驶轨迹，弧一房的圆心角为口，半径为弧bf 的圆心角为卢， 环道宽度，半径为见曲线凹表示车辆在环道内相邻两个停车线之间的行驶 轨迹，其圆心角为y ，半径为肮假设车辆的平均停车长度为z ，则轨迹线ab c 上的环道容量m 。由下式确定： m 。二【：二兰! 二二! ! 二兰! ! 】嘞， 。3一。，180 1 j 式中，l l 表示环道abf 段上可以利用的排队空间的车道数。轨迹线凹上的环 道容量由下式确定： 坐盐踞，( 3 - 2 ) 1 8 0 式中，以：为环道刃e 段可利用的排队空间的车道数。 于是一个周期内环道总容量为( 单位p c u ) m t ，1 0 m l + m 2 ) ( 3 3 ) 其中，n 为环交路口数。 3 4 信号协调控制及协调相位差计算 由于y 形环形交叉口一般都比较大，因此可以利用进口道信号灯之间、环道 信号灯之间、进口道信号灯和环道信号灯之间的协调减少不同流向和不同相位之 问的损失时间，尽可能提高y 形环形交叉口的通行能力。为了进入环道的车流能 够尽快出环，尽量少停车，环道信号灯尽可能亮绿灯，增加车流连续通行的时 间比例。 1 6 3 4 1 进口道信号和环道信号协调 需要协调进口道信号灯和环道信号灯的情况有两种：可以利用进口道停车 线和环道停车线之间的空间距离形成的相位差来增加环道内排队车辆的消散时 间，由于环道停车线前的排队车流到达它与进口道车流之间的冲突点的时间几 乎为零，所以可以迟断环道车流的绿灯：同时y 形环形交叉口的信号控制方案 需要协调进口道信号灯与车流前进方向的紧邻环道信号灯，以保证进口道绿灯 结束时通过停车线的车辆能顺利通过前进方向的紧邻环道停车线。如图3 2 所示， 在车辆行驶的轨迹线彳锣f 段上，与下游进口道相位绿灯间隔时间由下式确定： 式中：参数 口、鼠、的意义同式( 3 1 ) ； ，表示环道停车线前的排队长度； 表示排队车流的消散波速。 3 4 2 环道信号之间的协调 ( 3 - 4 ) y 叉环形交叉口不但需要协调进口道信号灯与车流前进方向的紧邻环道信号 灯，而且还需要协调环道信号灯。环道信号灯之间的协调也有两种情况：为了 一个相位绿灯结束时驶入y 形环形交叉口的车辆能顺利驶出交叉口，不至于在环 道行驶过程中由于某个环道信号灯状态为红灯而产生不必要的停车延误和停车 次数，需要协调环道信号灯；当下游环道停车线前的车辆排队达到上游环道 停车线位置，下游环道在消散排队时其信号状态也需要协调与上游环道的信号 状态协调。如图3 - 2 所示，在车辆行驶的轨迹线( 缎上，与上游进口道相位绿灯 间隔时间由下式确定： 加媸一i 5 ， 1 8 0 1 y 口 式中，参数最) ，、z 、匕的意义同式( 3 - 4 ) 。 1 7 型 垒 3 4 3 全红时间的确定 全红时间指本相位黄灯末至下一相位绿灯初的时间间隔。在信号控制y 字环 形交叉口中，为保证安全，需要在两个相位之间设置全红时间，以避免上一相 位的尾车与下一相位的首车之间出现冲突。同时由于左转二次控制环形交叉口的 特殊性，全红时间还应该满足停在第2 停车线的车辆能够顺利驶出。为了避免上 一相位的直行尾车和下一相位的首车的冲突，全红时间应该满足盯3 ： 式中：d 。为上一相位停车线到其与下一相位车流潜在冲突点的距离： d ，为下一相位停车线到潜在冲突点的距离； t 为车辆长度与车辆安全距离之和： ，。为交叉口的计算车速： a 为车辆启动加速度： t ，为驾驶员启动反应时间。 显然，整个交叉口的全红时间4 应为： a r m a x l l + f 2 一a , t 3 3 5 周期时长的确定 ( 3 - 7 ) 由于环道上允许左转车停候，因而周期时长不能小于环道上左转车排放时间 的总和。 在进口道，直行车流所需的信号周期时间可按韦伯斯特公式 t ：1 5 l + 5 ( 3 - 8 )= 。一 l y 式中，l 为每周期的总损失时间，y 为交叉口交通流量比。 现在计算l 和y 。设一个周期有n 个相位，第i 个相位的损失时间为z ；，全红时 1 8 兰 当 甄 如 2 堕加i旦孙一如一2鬻 间为彳r ，则总的损失时间l 为 l 。酗+ 以) 交叉e l 交通流量比按下式计算： 】，= z l - 1 ：鱼 墨 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 为第i 相位信号临界车道的交通流量比。所谓临界车道是指每一信号相位上， 交通量最大的那条车道。吼和毛分别为第i 相位信号临界车道的交通量和饱和流 3 6 黄灯时间的确定 黄灯的含义是停止，但对于已经接近停车线无法安全停车的车辆允许通行。 因此，黄灯时问的长度应保证这些无法正常停止的车辆能够顺利的通过停车线。 假设黄灯启亮时，车辆距停车线的距离为t 。如果车辆能够在黄灯期间顺利 的在停车线前停车待行，那么t 应大于由下式确定的l ，。： “叱一+ 吾 ( 3 - 1 1 ) 式中：f ，为反应时间( ls ) ： 为绿灯期间车辆的行驶速度，m s ： a 为刹车的减速度m s 2 。 要想在变成红灯前越过停车线，那么此时，应小于以下公式中的y 2 ： y 2 = a ( 3 1 2 ) 式中，a 为黄灯时间，s p 3 。 为了使驾驶员不产生迷惑，最佳的黄灯时间的选择应以不产生选择通行状态 1 9 和进退两难状态为依据，即三y ，和三，：相等时的时间值。则可推出最佳黄灯时间为 l y l ；l y 2 即，+ 等2 一饥 彳= f r + 鲁 3 7 绿灯间隔时间的确定 ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) 绿灯间隔时间为相位间黄灯时间与全红时间之和，即 i 一彳+ ( 3 1 5 ) 式中：，为绿灯间隔时间i 彳为黄灯时间： a 月为全红时间。 结合最佳黄灯时间与最佳全红时间的理论计算结果，按实际条件进行修正， 可以得到绿灯间隔时间的推荐值。需要注意的是，由于城市中公交车的比例较高， 且大型公交车在通过y 字环形交叉口时车速比小型车慢。在公交车较多的y 字环形 交叉口，为防止出现由于尾车是公交车而导致的绿灯间隔时间不足等现象，在 计算全红时间时，应取用较小的交叉口设计车速，以提高交叉口的可靠度。另外 本计算方法适用于流量较大的交叉口，不考虑红灯期间各进口停车线前没有排 队的情况。 3 。8 延误和排队长度的计算方法 3 8 1 延误计算方法 根据交通流特性和引起延误的原因，车辆在交叉口经历的延误可分为两种： 均匀延误和增误。均匀延误是假设车辆均匀到达时产生延误；增量延误是由于车 辆的随机到达和个别暂时性的过饱和引起的。因此，常用的延误公式往往由两项 构成：均匀延误d 。和增量延误d ：考虑到上游信号交叉口对下游交叉口的影响， 常用的延误计算公式如下： d d l + p f + d 2 ( 3 1 6 ) 式中：d 为平均每辆车经历的延误，s p u c ； d ，均匀延误，s ； p f 为均匀延误修正系数，修正信号相位联动对延误的影响； d ，增量延误，假定在分析开始时无初始排队，s p u c 。 下面分别对均匀延误d 。和增量延误d ：进行计算。 ( 1 ) 均匀延误d 。 均匀延误是假定交通流为稳定的，车辆均匀到达并没有初始排队的情况下车 辆经历减均延误。其具体假设如下： 绿灯相位结束后，排队长度为0 ： 所研究的进口断面，车辆平均到达率和通行能力在相应的时段内为常数； 绿灯时间内，当有排队时车辆以饱和流率驶出交叉口；车队消散后，车 辆以到达率离开交叉口； 车辆到达不超过信号交叉口的通行能力。 在上述假设的基础上，可以按照下式计算均匀延误： d l 一 十毗廿纠 ( 3 - 1 7 ) 式中：t 为信号周期长度，s ： t 。为有效绿灯时间，s ； x 为车道组。 ( 2 ) 增量延误d ， 考虑到信号配时、通能力和车辆到达特性对延误的影响，给出了不同交通状 态下的车辆经历的增量延误计算公非饱和状态下，增量延误公式为： 2 1 d：；j三兰竺三生羔!呈!：乏掣。5 f g 觋 d 。一l + 口。r + lsf 譬q ，d o 一0 ( 3 2 1 ) 式中：d 。为第n 周期滞留的排队车辆数，p u c ； l 为起动损失，p u c ： 其他参数的含义同式( 3 1 8 ) 和式( 3 2 0 ) 。 其中需要说明的是：排队长度等于平均滞留车辆数与当前周期来车造成 排队的车辆数之和。当前周期来车造成排队的车辆数随交通漉状态的变化而 变化。当交通流处于非饱和态时，它与来车强度和红灯时间的乘积成正比，当交 通流处于饱和状态时，它与道路通行能和红灯时间的乘积成正比。当饱和度 大于饱和度最值时，平均滞留车辆数大于零，否则为零。 4 实例分析 下面通过兰州市西关r 宇y 形环交的实例具体说明环交信号2 次控制方法中 的交通设施布置与相位协调设计。 兰州市西关十字是兰州是的交通枢纽中心( 如图4 1 ) ，由以一条主干道( 中 山北路一中山南路) 和两条临夏路斜交的主干道构成，周边商业、办公设旄密集， 又靠近北滨河路是兰州市城区重要交通枢纽中心，加上非机动车与行人会对其机 动车通行造成影响，交通压力巨大，需要采用信号控制加以缓解。 ；o 临夏昭 m 山 路 图4 - l 经交通调查，西关十字环形交叉口的高峰小时交通量如表4 - 1 盘 辑 流量( p q c h ) 中山南出口中山北出口临夏北出口 中山南进口 中山北进口、 临夏南进口 4 1 交通设施布置 在各方向进口道上设置第l 停车线、入环车道及专用信号灯。中山北路、中 山南路、临夏北路到下游相邻出口的右转车辆无需进入环道绕行，故还设有右转 2 4 车道及专用信号灯。又考虑到中山北路、中山南路交通量大，临夏北路和临夏南 路为单行道。具体布置如图4 - 2 所示 4 2 周期和黄灯时间计算 图4 2 根据该交叉口的基本情况可计算，利用公式r 一_ 1 5 万l + 5 可计算出本方案的周期时长 为5 0 s ，利用公式彳，f ，+ 计算出黄灯时间a = 3 s 2 a 4 3 信号相位协调设计 对于环道相位与进口道相位的协调，采用式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 进行计算，计 算结果如表4 一l 所示。 环道相位黄灯时闻与下游进口道相位绿与上游进口道相位绿 灯间隔时间灯间隔时间 中山北进口上辩 1 0 临夏南进口上游l o 1 5 中山南进口上游 表4 1 对于环道相位之间的协调，由公式( 3 6 ) 计算得到：坤岫* = 1 2 s ；啦聃日 2 8 s ；冲山北2 1 4 s 。其中，f ，本相位黄灯水至下一相位绿灯初的时间间隔。 4 4 相位配时方案 取信号周期长度芦- 5 0 s ，在综合考虑环道相位与进口道相位以及环道相位之 问的协调的基础上，计算出西关十字y 环交的相位配时方案如图4 3 。 中山南进口 环 2 0 3 _ _ _ _ _ _ ：_ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - 右转 北环道( 中d ig i t 路上游) 出环 中山北进口 入环 右转 两环道( 临夏南路上游) 出环 临夏南路进口 入环 右轱 南环道( 中山南路上游) 出环 绿灯黄灯 一帅 5 结论 本文分析了y 字环交左转2 次控制方法的基本原理，在此基础上通过实例说明 对该方法加以改进后，可将其应用于多叉、中心环岛不规则等复杂环交。在具体 应用中，需要根据交叉口实际情况对交通设施进行合理布置，并对信号相位进行 协调设计，最后确定相位配时方案。在对复杂环交的信号相位进行协调设计时， 本文提出了环道相位之间绿灯间隔时间的计算方法，用以使绕行车辆连续通过相 邻环道信号灯，减少其停车待行次数，从而提高交叉口通行效率。本文的研究拓 宽了以y 字环交左转2 次控制方法为代表的环交信号控制策略的应用范围，并为上 述复杂环交的信号控制方法确定了理论基础。提高交叉口运行的安全性具有重要 的意义和实用价值。 参考文献： 1 杨晓光，杨锦冬，边经卫大型环形交叉口交通改善设计与控制方法研究 a 中国城 市交通规划协会成立2 0 周年纪念论文集 c 1 9 9 9 ：4 4 4 7 2 y a n gx i a o g u a n g ，e ta 1 t h et r a f f i c c o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e mf o rl a r g e r o u n d a b o u t c ，p r o c e e di n g s o f8 t hw o r l dc o n g r e s so ni n t e l l i g e n tt r a n sp o r t a t i o n s y s t e m ( c d o r o m ) ，i t sa u s t r a li a 。s y d n e y ，2 0 0 1 3 杨锦冬，杨晓光，彭国雄环形交叉口交通控制模式研究 j 公路交通科技，2 0 0 0 ，1 7 ( 3 ) ：4 7 5 1 4 王丽娜，陈慧，王小祥基于交叉路口的定时信号控制的研究 j 福建电脑，2 0 0 8 年第3 期：1 3 5 1 3 7 5 刘会斌，邓卫，李东屹环形交叉口的信号控制方法研究 j 道路交通与安全，第8 卷第2 期，2 0 0 8 ，4 ：3 9 4 3 6 弓副，李洋信号控制环交叉口的通行能力的计算 j 黑龙江科技2 0 0 4 ，1 0 ：5 8 - 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