（交通运输规划与管理专业论文）信号交叉口交通组织优化方法研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济建设的快速发展，城市交通量迅速增长，交通出现了日趋紧 张的局面，搠堵经常发生，整个城市的经济发展受到制约，缓解交通拥堵问题 已迫在眉睫。对于城市道路而言，交叉口是城市交通的关键。在交叉口，相交 道路上运行的不同交通流在此选择和变换运行方向，是交通流的集散点。在处 理上有平面交叉和立体交叉两种形式，由于立体交叉存在占地面积大、造价高 等问题而且也不可能完全解决平面交叉问题，所以平面交叉仍是我国城市交叉 口的主要形式，因此，平面交叉的管理和组织方法仍是缓解城市交通拥堵的重 要研究课题。 对于交通量大的平面交叉口，比较有效的交通管理控制方式就是采用信号 控制。随着交通量的猛增，城市道路上的信号交叉口越来越多，截止到2 0 0 0 年 年底，北京市已有1 0 3 6 个信号控制的交叉口。交叉口的交通拥堵十分严重，从 客观上讲，现有的道路资源没有充分利用，交通组织不够细致是一个重要原因。 本论文选择信号交叉口作为研究对象，研究它的交通组织优化方法，以缓解交 叉口的交通拥堵。 论文首先总结了目前信号交叉口交通组织优化的流程，然后根据流程对每 一步骤的具体内容进行详细介绍。主要包括信号交叉口放行方法设计、渠化设 计和信号优化设计。对于放行方法设计，由于我国存在自行车流，放行方法比 较特殊，目前仅有交管部门的一些经验。论文首先对这些经验进行了总结和提 炼，在此基础上提出了放行方法设计的一般流程。信号优化设计在国内外研究 都较为成熟，文中仅做了一般性的总结。对于渠化设计，目前国内研究还很不 成熟，文中借鉴国外经验，对渠化设计从基本概念、渠化措施及其适用性、与 信号设计的结合等方面进行了详细论述，提出了渠化设计的流程，形成了渠化 设计的方法体系。 介绍了信号交叉口交通组织优化的基本设计方法之后，论文根据优化设计 的特点，提出借鉴专家系统的思想开发信号交叉口交通组织优化专家辅助系统， 以辅助进行信号交叉口的优化设计。论文从专家系统的一般结构出发，根据专 业领域知识进行了知识库和推理机的设计，在此基础上，编写程序代码，实现 了专家辅助系统。为了验证专家辅助系统的可行性，论文选择北京和江西宜春 的两个典型信号交叉口进行了系统验证，经检验论文设计的专家辅助系统总体 上是可行的。 关键词信号交叉口；交通组织优化：渠化设计；专家系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m y , t h e v e h i c l ev o l u m eo f c i t yi n c r e a s e dr a p i d l v a n dt h et r , f f f i cj a mb e c a m em o r es e r i o u s w em u s tt a k es o m em e a s u r e st od e a lw i m t h es e r i o u st r a f f i cj a mt h a tw i l lc o u n t e r w o r k0 1 1 e c o n o m yd e v e l o p m e n t t ou r b a n r o a d ，t h ek e yi si n t e r s e c t i o n sw h e r ea l lt r a f f i cs t r e a m sc o n v e r g ea n dt u r n i nc h i n a c i t yt h em i x e dt r a 历co f i n t e r s e c t i o n sm a k co r d e rb e c o m er o u g ha n dt u m b l e t h i s s i t u a t i o ni s e s p e c i a l l yg r i e v o u s f o r a t g r a d e i n t e r s e c t i o n s i n a d d i t i o n ，a t g r a d e i n t e r s e c t i o ni st h em a i nf o r m a to fi n t e r s e c t i o ni nc i t y s ow em u s ta t t a c hi m p o r t a n c e t oi t sm a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1 f o r a t g r a d ei n t e r s e c t i o n s ，w i t ht h ev o l u m ei n c r e a s i n gt h em o r ee f f i c i e n tm e a n i s s i g n a l i z e dc o n t r 0 1 u pt o2 0 0 0 ，t h e r ea r e1 0 3 6s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n si nb e i j i n g b u tt h et r a f f i cj a mi ss t i l ls e r i o u sa ti n t e r s e c t i o n s o n eo ft h em a i nc a u s e si st h a tt h e t r a f f i c o r g a n i z a t i o n i sn o tw e l ll e a d i n gt ou s et h er o a d i n e f f i c i e n t l y t h ep a p e r c h o o s e st h es i g n a l i z e di n t e r s e c t i o na st h er e s e a r c h o b j e c ta n ds t u d i e si t so p t i m i z a t i o n m e t h o do f t r a f f i co r g a n i z a t i o nt oa b a t et h et r a f f i c j a m f i r s t ，t h ep a p e rm a k e sas u m m a r yo fp r o c e s so ft r a f f i c o r g a n i z a t i o n a t s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s ，t h ep a p e rm a k e sad e t a i l e da c c o u n t o f e v e r ys t e p t h ep r i m a r ys t e pi n c l u d e sd i s c h a r g i n gm o d ed e s i g n ，s i g n a ld e s i g na n d c h a n n e l i z a t i o nd e s i g no fs i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n t h ef i r s t s t e pi sp a r t i c u l a ri no u r c o u n t r yb e c a u s eo f t h eb i c y c l e s t h ep a p e rs u m su pt h ee x i s t i n gd i s c h a r g i n gm o d e b a s e do nt h ef o r m c re x p e r i e n c e sa n dp u tf o r w a r dt h em e t h o da n dp r o c e d u r eo f d i s c h a r g i n gm o d ed e s i g n t h es e c o n di t e mh a sb e e nm a t u r ei nh o m ea n da b r o a d s o t h ep a p e ro n l ys u m m a r i z e si t su n i v e r s a lk n o w l e d g e a sf o rc h a n n e l i z a t i o nd e s i g n ，o n t h eb a s eo f e x i s t i n gr e s e a r c ht h ep a p e rp u tf o r w a r ds o m en e wo p i n i o n st h a tp r i m a r i l y i n c l u d eb a s i c c o n c e p t ，c h a n n e l i z e d m e a s u r ea n di t s a p p l i c a b i l i t y , c h a n n e l i z a t i o n d e s i g np r o c e d u r e e t c a f t e r i n t r o d u c i n g t h eb a s i cm e t h o do ft r a f f i c o r g a n i z a t i o n a t s i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ct h ep a p e rp u tf o r w a r da ni d e at h a tu s i n g e x p e r ts y s t e mt oh e l pt h et r a f f i co r g a n i z a t i o no p t i m i z a t i o n t h e nt h ep a p e rm a k e s d e t a i l e dd e s i g no fk n o w l e d g es t o r e r o o ma n dc o n s e q u e n c em e c h a n i s mt h a ta r et h e i m p o r t a n tp a r t o ft h e e x p e r ts y s t e m b a s e do nt h ed e s i g n ，t h ep a p e rm a k e st h e s y s t e mb e c o m er e a l i z a t i o nt h r o u g hw r i t i n gc o d e f i n a l l yw es e l e c tt w os i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n st ov a l i d a t et h es y s t e m b yv a l i d a t i n gw ef i n dt h es y s t e mw o r k sw e l l k e y w o r d s s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ；t r a f f i co r g a n i z a t i o no p t i m i z a t i o n ； c h a n n e l i z a t i o nd e s i g n ；e x p e r ts y s t e m - i 】- 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：签逊日期：星竺堡：! ：三乡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔囊硷导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 为了更好的解决北京市的交通问题，北京市科委在“北京市i t s 规划及示 范工程研究”项目中设置了“信号交叉口仿真优化设计系统”的研究课题。拟 以北京市交叉v i 交通特性为基础，深入研究信号交叉口中自行车和行人的交通 特性，总结信号交叉口优化设计的理论和方法，开发混合交通流的信号交叉口 仿真优化设计系统，为提高交通管理水平，实现智能交通管理系统提供科学、 高效、实用的分析工具。 本课题即来自研究课题“信号交叉口仿真优化设计系统”，拟通过总结信 号交叉口交通组织优化的理论和方法，为仿真优化设计系统提供优化设计方法 支持。 1 2 研究背景 随着我国经济建设的快速发展，城市化进程不断推进，城市交通量迅速增 长，交通出现了日趋紧张的局面，拥堵经常发生，由此引发了一系列的问题： 交通延误增加、行车时间加长、事故频发、环境污染严重，整个城市的经济发 展受到制约，缓解交通拥堵问题已迫在眉睫。而对于城市道路而言，交叉口是 城市交通的关键，大量事实也证明交叉口的拥挤现象最严重，它是整个城市道 路的瓶颈地带。可以说交叉口的交通运行状态与整个城市的交通运行：状态密切 相关，解决了交叉口的问题就解决了城市交通的关键。 道路与道路的交叉点就是交叉口，它的主要功能是供相交道路上运行的不 同交通流选择和变换运行方向，是交通流的集散点。在处理上，可以是平面交 叉，电可以是立体交叉。立体交叉虽可以解决因平面交叉而产生的问题，但是 我们不可能将所有的交叉口全部改建成立交。 首先，立交工程浩大，修建费用高，占地面积大，修建工期长：其次，由 于相交道路的性质、占地、工程投资等限制，还不可能全部修筑完全互通式立 交，有时还需建造部分互通式立交，此类立交仍保留了部分平面交叉，平面交 叉问题依然存在，不解决好平面交叉问题，立交也不能很好的发挥作用；再次， 在城市内修建立交，还会带来分割城区、影响街区日照条件、干扰电波、妨碍 视线、破坏景观、给行人带来不便等问题。【1 1 因此，平面交叉仍是我国城市交叉口的主要形式，应当注重平面交叉的管 北尿工业大学工学硕士学位论文 理和组织问题，充分挖掘其潜力，使其更好地为城市交通服务。 平面交叉1 5 的交通管理控制方式有停车控制、让路控制和信号控制等几种 方式，前两者适用于交通量不是太大的交叉口，后者适用于交通量大的交叉口， 对于缓解交叉口的拥堵起到了很大的作用。随着交通量的猛增，城市道路上的 信号交叉1 3 越来越多，截止到2 0 0 0 年年底，北京市已有1 0 3 6 个信号控制的交 叉口。 但尽管这样，交叉口的交通拥堵问题还是频繁发生，除了因为道路设施不 完善以外，有很大一部分原因就是交通组织不够细致。对于信号控制交叉口， 除了信号优化设计，还有与之配套的空间分离设计等等很多的优化设计内容。 因此，本论文选择信号交叉口作为研究对象，研究它的交通组织优化方法，必 然对于缓解交叉口的交通拥堵有重要的意义。 1 3 研究意义 论文拟在国内外同类研究的基础上，参考北京市交叉口优化的成功案例， 研究信号交叉口的交通组织优化方法，并为开发信号交叉口仿真优化设计专家 系统做好方法支持。 论文的研究意义如下： ( 1 ) 论文总结提出的信号交叉口交通组织优化方法和设计流程能够为今 后北京市的交叉口优化提供方法支持，还可作为国内其他城市的交叉口优化设 计的参考。 ( 2 ) 论文提出的信号交叉口放行方法设计的方法和流程可以指导今后交 叉口的放行方法设计，解决好自行车和行人在交叉口的放行问题。 ( 3 ) 论文形成的信号交叉口渠化设计方法理论不仅可以指导今后交叉口 的渠化设计，更是可以弥补我国此方面研究的不足。 ( 4 ) 论文开发的信号交叉口交通组织优化专家辅助系统可以很好的辅助 信号交叉口的优化设计，提高交叉1 2 1 的运行效率。 1 4 研究内容与安排 论文选择平面信号交叉口作为研究对象，对其交通组织优化设计方法进行 研究，按照章节，主要的研究内容如下： 第二章，信号交叉口交通组织优化研究综述，主要介绍交通组织优化的概 念、原则、优化设计的内容和步骤；目前国内外的研究概况和评述。 第三章，信号交叉口放行方法研究，总结放行方法的分类及其适用性，提 出设计流程，以及每一具体步骤的注意事项。 第1 苹绪论 第四章，信号交叉口渠化设计研究，渠化的措施及其适用性、渠化设计方 法、与信号设计的组合搭配、渠化设计流程等。 第五章，信号交叉口信号设计，介绍信号设计的内容和方法。 第六章，信号交叉口交通组织优化专家辅助系统研究，在基础知识总结的 基础上，借鉴专家系统思想，设计开发信号交叉口交通组织优化专家辅助系统。 第七章，案例分析，将上面的理论和专家辅助系统应用于案例，进行检验。 最后是结论。 1 5 研究成果 论文通过对平面信号交叉口交通组织优化设计方法的研究，取得了如下研 究成果： 1 、总结归纳了信号交叉口交通组织优化的方法和流程，明确了流程中各 步骤的具体设计内容，为展开交通组织优化工作提供了科学的参考依 据。 2 、对信号交叉口的放行方法进行了总结，首次系统的提出了放行方法设 计的流程，对流程中每一步骤进行了详细介绍。 3 、对信号交叉口的渠化设计进行了详细研究，首次系统地提出了信号交 叉口渠化设计理论和方法，弥补了国内在此项研究上的不足。 4 、将专家系统方法应用于信号交叉口交通组织优化，详细设计并开发了 信号交叉口交通组织优化专家辅助系统，通过实际案例分析，证明该 系统是可行的，能为信号交叉口交通组织优化提供科学地分析工具。 北京工业大学工学顶士学位论文 第2 章信号交叉口交通组织优化研究综述 2 1 交通组织优化概述 2 1 1 交通组织优化的概念 交通组织，简言之就是交通的流量组织、流速组织和流向组织。 道路交通组织优化，是在有限的道路空间上，科学合理地分时、分路、分 车种、分流向使用道路，使道路交通始终处于有序、高效运行状态。f 2 】 随着科学技术的进步，现代交通组织优化一定要充分利用现有交通控制技 术、监控技术、诱导技术、信息技术、通信技术，制定出科学的战略战术，进 而使技术、业务、管理措施、警力达到高度统一，充分发挥出现代化管理的优 势。 2 1 2 交通组织优化的思想方法与原则 道路交通组织优化是对“交通工程”技术的具体运用，同时又是一种人为 行为。所以它首先遵守“交通工程”技术原则，另外还有与之配套的思想方法 原则，是由交通工程技术和交通组织思想方法这两大层面来组成。 l 、交通工程技术原则 交通分离原则 不同流向、不同种类的交通流应在交通空间、时间上分离，避免发生交通 冲突。 从形式上讲有法规分离和物理分离两类。从内涵上讲，有时问分离和空间 分离两种形式。空间分离一般靠交通标志、标线来实现，时间分离一般靠信号 相位来完成。 交通连续原则 交通连续原则即保证大多数人在交通活动过程中，在时间、空间、交通方 式上不产生间断。 例如路段上的行车道要对应着路口直行导向车道，以保证直行车流不变换 方向；路口进口导向车道要对应出口车道，以保证车流通过路口连续；信号灯 实现绿波带，以保证车流通过整条道路时间上连续；公交站与地铁站建在一起， 以保证换乘连续等等。 如果交通的连续性搞得好，则行人流量可以减少，车流行驶可以有序，这 弟2 苹信号，爻叉口交通组织优化研究综述 是良好的交通秩序管理的基本保证。 交通负荷均分原则 交通负荷均分是指通过对交通流进行科学的调节、疏导，达到路网各点交 通压力逐步趋于大小一致，不至于由于某一点压力过于集中而造成交通搁堵， 这也是交通优化所追求的目标。 通常可通过转移交通压力来实现这一目标，也就是把路网中拥堵路口的交 通压力转移一部分给非拥堵路口。问题的关键是转移多少交通压力和转移到哪 里去合适。不管怎样，总体上应把握交通流空间分布控密补稀，时间分布削峰 填谷的原则，般采用调配时、调车道、调流向、调禁限车种等手段，逐步实 现。 交通总量控制 当一个路网的总体交通负荷接近于饱和时，已经没有交通压力转移的余 地，可以采取总体禁限部分车种行驶，来削减该路网的总流量。 置右原则 按照车道分布，从左至右交通流速度依次降低来分配车道。这是按照交通 流层流动态规律分配车道，层间行驶阻力最小，发生冲突的机会最少，并且层 间速度差也最小。反之则易产生大量的并线变道，频繁的合流分流引起交通紊 流，造成j 爿j 堵和事故。 优先原则 优先是指对某一种给予特殊待遇，有车种及流向优先，如小轿车专用道、 公交专用道( 优先道) ，直行车流优先，主路( 或环岛内) 车流优先等等。 2 、交通组织思想方法原则 换位思维原则 交通组织调整方案的制定，需要换位思维，即站在用路者的角度考虑各种 因素，以保证方案的可行性。特别是单行、禁左、禁限等重大措施的调整，在 方案实施前，首先要站在禁限对象的角度查找是否有时空出路。如果有还要考 虑该出路的承受能力以及有可能引发的问题：如果没有时空出路，就考虑另外 的方案。这是进行交通组织最基本的思想方法。 以人为本，方便出行原则 交通组织不应该以方便管理为出发点，而应该以方便大多数人出行为准 则。 在相同的道路空间上，各种不同的交通流包括行人、非机动车和机动车混 合行驶，它们都对通行条件提出需求，但这些需求是相互矛盾的。因此要按照 北京工业大学i 学顿= e 学位论文 它们通行时的不同特点来进行组织，不应该只考虑机动车交通组织，而忽略行 人和非机动车的交通组织，应该三者都兼顾。通常情况下，应充分考虑弱势群 体的安全，在尽可能照顾行人和非机动车使用者的前提下，进行混合交通的综 合交通组织，方便大多数出行者的出行要求。 通行能力资源配置原则 此原则源于管理学中的“木桶原理”，即长短不齐的木片箍成木桶，桶内 盛水的多少取决于最短的木片。一条道路上不同路口的通行能力是不同的，可 以将路口的通行能力形象的看作是长短木片，道路所能通过的最大流量看作是 桶内盛水量，那么该条道路的最大通过流量将取决于通行能力最小的路口。 有此原则作基础，在进行道路交通组织时，要以该条道路上通行能力最小 的路口为基准，其他路口通向该路口流向上的流量，不得超过该路口相关方向 的最大通行能力，否则必将因积累快消散慢发生交通拥堵。 路权分配原则 每个出行者都有使用道路的权力，称之为路权。道路交通管制将路权划分 为了时间路权和空间路权。为了道路使用更加有序，就要进行合理的路权分配。 时间路权分配般通过信号控制来实现，空间路权分配通过道路设施如隔离装 置、标志、标线等来划分。 路权分配的原则关键就是全面、简单清楚。全面就是所有的道路使用者都 考虑到，都有路可走。简单清楚就是所有的道路使用者都能看懂各自的时问路 权和空间路权。这是保障道路交通秩序的基础。 动静态交通组织相结合原则 根据交通组织措施的不同，可以分为静态交通组织和动态交通组织。静态 交通组织一般是对单点采取措施进行交通组织，这在交通量不是很大的情况下 是很有效的。但随着社会的发展，交通量迅猛增长，交通拥堵经常发生，路网 负荷几近饱和，这时仅靠静态交通组织已不能解决问题，需要同时进行动态交 通组织。动态交通组织就是通过各种手段对整个路网进行动态调控，常用的措 施有卸荷、截流、分流等。 渐变原则 交通组织调整应按调整力度的大小循序渐进。例如在交叉口，调整措施的 顺序最好依次为调信号配时、调渠化车道、调禁限流向、调禁限车种。对于禁 限、单行等重大调整措施，在实施之前最好进行广泛的社会宣传和试运行机制， 让广大的用路者有充分的时间接受措施的调整。 第2 章信号交叉口交通组织优化研究综述 2 2 信号交叉口交通组织优化 2 2 1 信号交叉口交通特性分析 论文的研究对象是平面信号交叉1 2 1 ，它具有如下特点：【3 j ( 1 ) 它是道路系统中通行能力的“瓶颈”，据统计，平面交叉1 2 1 的通行能 力较路段下降4 6 到5 0 。 ( 2 ) 它是交通事故的主要源发地。在我国所有的交通事故中，发生在交叉 1 3 的约占6 4 。 ( 3 ) 在我国的大部分城市，交叉口处各种机动车、自行车、行人甚至畜力 车、人力车交叉混合行驶，彼此之间相互干扰，形成我国特有的“平 面混合交通”。 导致交叉口处交通混乱的根源是什么呢? 根源就是混合交通流之间产生的大量的冲突点，一个不加任何控制的平面 十字形交叉口的冲突点示意图如图2 - 1 所示。 i 鲞l l删 口_ t ； 狐。1 2 ， 愁孽 二。二2 曼! 一= i 。，_ h ij 1 | 孓 v焱匕亡 一j ，j 麓 ，寸一” 一 孓l = e | 一 分1 涟 r 1 ，h m 一 ，弋 r、 【删j 蠹 止出。沁 博 l 1| | j 图2 1 无控信号交叉口的冲突点不恿图 f i g u r e 2 1c o n f l i c tp o i n t sa tu n s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n 交通冲突是产生交通延误和交通事故的根源，下面分析一下交通冲突的特 性。 当两股不同流向的交通同时通过空间某点时，就会产生交通冲突，而该点 就称为冲突点。按冲突的方式交通冲突有四种：交叉、合流、分流、穿插，如 图2 2 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( a ) 交义( b j 合流 ( c ) 分流( d ) 穿插 图2 - 2 交通冲突的四种方式 f i g u r e 2 2 4t y p e so f t r a f l i cc o n f l i c t 按发生地点不同又可分为固定冲突点和随机冲突点。固定冲突点的位置比 较固定，如路口、人行横道处，随机冲突点的位置难以确定，如违章横过道路 时容易发生随机交叉冲突：自行车挤占机动车道行驶时容易发生随机交织冲突； 因此随机冲突点随处可见。 2 - 2 _ 2 信号交叉口交通组织优化方法 根据交通特性的分析，可以利用优化方法以减少甚至消灭冲突点，即进行 冲突点控制。 冲突点控制的原则是：变随机冲突点为固定冲突点、变交叉冲突点为交织 冲突点：减少冲突点个数，减少冲突点上的冲突次数，减少冲突点上的冲突能 量，缩小冲突范围。 对于信号交叉口，多采用空间分离和时间分离相结合的方法进行冲突点控 制。 冲突点的空间分离 一般常采用交通渠化的方法，即对于同一平面上行驶的各种交通流，采取 各种分离的措施，可使不同方向、不同类型或不同速度的交通流按所划分的车 道“各行其道”，互不干扰，典型的渠化交叉口如图2 3 所示。 通过此方法，可以把随机冲突点固定下来，利用路口的导流带、导向线、 导向车道以及停车线、人行横道等交通标线，缩小路口冲突范围，隔离不同车 种、流向的交通流，把空间上冲突点的个数降至最低，为时间分离打好基础。 冲突点的时间分离 对空间渠化以后仍然无法消除的冲突点，可以采用信号控制的方式，在冲 突点的通过时间上进行分离。个两相位控制的交叉口的冲突点分布示意图如 图2 - 4 所示，较不加任何控制的交叉口减少了近四分之三的冲突点。可见通过 时间分离冲突点可大大改善交叉口的通行秩序，提高其安全水平。 图2 - 3 典型渠化交叉口示意图 f i g u r e 2 3t y p i c a lc h a n n e l i z c di n t e r s e c t i o n 型粘 l l 。 聱 ji 。巍。 橼j 鞋j 譬：? = ：i 一 ，缈聚捌鞭引 i l i i l l i i 雾黎 蕊 ：二! 竺：3 鬟瑟二l _ 。 f 否 ! 一 考虑立交等 基本方案 选定平耍交叉路口的几何构造 在该平面交叉臼限制条件的可能性? 是 设定信号管制方式( 显示方案) 口道的饱和 计算正规化交通量计算各显示的 饱和度 计算甲商交叉口的饱和度( x ) 是 7 一 验算比甲面交叉l j 饱和 度小的信号显示方案 、，_ h 。 。一 是 否 验算信号周期，决定各进口道的 绿信比( g ，c ) 平面交叉口可能通过的交通量 j 否 ：八 是否考虑 其它方案 注：图片来源于日本交通工程学会主编的平面交叉路口的规划与设计 图2 1 4 日本的信号交叉口通行能力分析流程图 f i g u r e 2 - 1 4p r o c e d u r eo fc a p a c i t ya n a l y s i sa ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n si nj a p a n 国内对于交叉口的优化设计研究主要有以下几方面： 1 、上海市2 0 0 1 年出版了工程建设规范城市道路平面交叉口规划与设计 规程，对平面交叉口的规划与设计作了规定，对于平面交叉口提出了规划和设 计的流程，如图2 1 5 ，以此来指导上海市平面交叉口的规划与设计。 2 、北京工业大学马建明的博士论文中提出了一种集几何设计、信号设计 以及交通组织设计三者为一体的信号交叉口优化专家系统。j 交通组织优化专家子系统：交叉口交通组织方案制定的方法是，首先对交 叉口进行系统调查，掌握大量有关该交叉口的基础资料和信息，并对交叉口的 现状进行分析，根据交叉口道路条件，道路功能的分工和交通流分布情况，以 第2 章信号交叉口交通组织优化研究综述 安全、通畅为目标，通过对现有交通流的合理汇集与再分配以及交通仿真分析 方法，制定出能够对车流运动状态产生控制作用的、由多种多样的交通管理措 施组成的实施方案，其中包括硬件、软件方面的多种手段。其工作流程见图2 1 6 。 同时还提出了交通组织优化的规则，但没有进行详细的研究。 准 备 工 作 阶 段 方 案 设 计 阶 段 详 细 设 计 阶 段 l 各可行方案分析比较选定详细设计方案l 几何结构的修正 山 详细设计 交通控制方法的修 从交通控制管理方面加以调整 + 有无问题、讨论内容、方案比较 羔 要修正 ：= 塞垂竺须修丐! 堕= 修正事项及方法的整理、确认 不要修正 塑塞墨竺堡笪f 注：此图来源于上海市工程建设规范城市道路平面交叉口规划与设计规程 图2 1 5 城市道路平面交叉口规划、设计流程 f i g u r e 2 1 5p r o c e d u r eo fp l a n n i n ga n dd e s i g nf o ra t - g r a d ei n t e r s e c t i o n so nu r b a ns t r e e t 北京= r = 业大学工学硕士学位论文 ! i i = = = = = = = = = = = = = = - - = - ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 皂! 曼曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼 调查现有交叉口交通状况和现行管理措施 对交叉口服务水平进行评价 拟定新的或调整现有交通管理措施 执行新的或调整的交通绢织方案 重新对交叉口服务水平进行评价 j 堡竺苎至! ! 至，二 0 否 j 堡 结束 是 查厂磊磊磊 图2 1 6 交叉口交通组织设计流程 f i g u r e 2 - 1 6f l o w o ft r a f f i co r g a n i z a t i o nd e s i g na ti n t e r s e c t i o n s 2 4 研究评述 2 4 1 现状研究评述 就目前所掌握的文献来看，国内外都开展了信号交叉口优化设计方面的研 究，这些研究具有以下l 个方面的特征： ( 1 ) 在放行方法设计方面，由于国内外交通流基础的不同，国外没有借 鉴经验，国内仅有交通管理部门的实践经验，但总结不系统不深入。 ( 2 ) 国外提出了多种信号优化方法，但优化对象的基础是机动车流为主 的交通流，因此，与我国现实的交通流状况之间存在差别，适用性很难得到保 证。我国的研究者在信号优化方面也作了大量的工作，目前单点控制技术较成 熟，现在仍不断努力研究适用于我国交通的线控和面控技术。 ( 3 ) 在渠化设计方面，国外已形成了规范或手册，如美国的m u t c d ，但 同样是由于交通流的特性不同，对于我国的指导意义不大。国内虽有不少的观 点和提法，但没有形成较为系统深入的理论。 ( 4 ) 对于交叉口综合优化设计，国外已有较系统的理论，我国这方面的 理论还很不成熟，虽然一些研究者提出了很多想法，但大多仅停留在框架上， 第2 章信号交叉l f 交通组织优化研究综述 具体研究内容不深入。我们可以借鉴国外的思想方法，在我国现有的基础上选 择某项具体内容进行深入研究。 2 4 2 论文研究基础与思路 论文选取平面单点信号交叉口为研究对象，研究其交通组织优化方法，具 体包括放行方法研究、渠化设计研究、信号优化设计、综合优化设计研究。根 据国内外情况的介绍和评述，确定研究基础和思路如下： 1 、放行方法研究，由于我国交通流基础的不同，国外无可借鉴经验，论 文将总结国内交管部门的实践经验，并从交通工程的特点对经验加以提炼，提 出放行方法设计的方法。 2 、渠化设计研究，论文将借鉴部分国外经验，主要通过总结国内渠化设 计方法，对渠化设计进行研究，提出渠化设计方法和理论。 3 、信号优化设计，对于单点信号优化，国内外研究都较为成熟，论文不 做研究，通过参考相关文献，介绍相应的设计内容。 4 、综合优化设计，论文将根据交通组织优化的特点，参考国内外综合优 化的方法，通过建立信号交叉口交通组织优化专家辅助系统工具，来辅助进行 综合优化设计。 2 5 本章小结 本章主要介绍了信号交叉口交通组织优化的基础知识和方法与步骤，并对 目前国内外的研究情况进行了回顾。通过回顾知道我国现有的优化理论和方法 还很不完整也很不成熟，特别是渠化设计方面。因此，本论文拟在我国现有的 研究基础上，借鉴国外经验，以信号交叉口为研究对象，研究信号交叉口的放 行方法设计、渠化设计，总结信号优化设计，建立优化专家辅助系统，最终形 成我国特有的信号交叉1 3 交通组织优化设计理论和方法，以弥补这方面研究的 不足。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章信号交叉口放行方法研究 3 1 信号交叉口放行方法分类及其适用- 性 在我国，城市道路特别是平面交叉口处机动车、自行车、行人混行严重， 是典型的混合交通流，自行车在整个交通方式中占有很大比例，在交叉口处与 机动车相互干扰特别严重。为了提高交叉口的运行效率，需要综合运用各种手 段和技术，来优化通行方式，有效的协调机非之间的矛盾。首先，必须要选择 交叉口的放行方法。 放行方法主要是讨论在交叉口内自行车采用怎样的模式放行的问题。近年 来，在交通管理实践中，我国许多城市根据自身特点，综合考虑机动车、自行 车、行人通过交叉口时的特点和要求，对放行方法进行了实践和研究，形成了 以下几种模式： ( 1 )自行车按行人相位放行模式； ( 2 )自行车按机动车相位放行模式； ( 3 )自行车禁驶区放行模式： ( 4 ) 综合放行模式。 下面分别介绍这几种模式：1 3 】 1 、自行车按行人相位放行模式 为简便起见，在论文中将此模式称为模式l ，如图3 。1 所示是其示意图。此 模式是在信号周期时间内拿出一个专有相位放行行人和自行车。在此相位中， 机动车信号灯为全红灯，自行车和行人信号灯为全绿灯，行人和自行车可以从 不同方向上迅速通过交叉口。在其他相位中，只准机动车进入交叉口，行人和 自行车则严禁进入交叉口。 交叉口处的行人流量很大时，采用此模式行人可以从各个方向迅速通过交 叉口。行人相位的绿灯时间是按照行人过街时闯来设置的，出于行人过街是组 团式前进的，因此时间一般不会很长，因此在行人相位中能放行的自行车必然 不会太多。同肘，由于信号周期长度有限，行人相位时间越长，机动车相位时 间就会相应缩短。所以采用此模式时最好是在交叉口面积不太大，这样行人过 街时问就不会太长，相应机动车的通过时间就可以延长。 因此模式1 适用于交叉口面积不大，机动车流量适中、自行车流量较小、 行人流量大的交叉口。 第3 套信号交叉l 】放行方法研究 7i 素一齐 乡i 机动车流 f 一 、 蟛、斗_ 、 自行车 和行人流 。、， 图3 1 放行模式l 示意图 f i g u r e 3 1t h et y p i c a lc h a r to f d i s c h a r g i n gm o d e l 2 、自行车按机动车相位放行模式 此模式称为模式2 ，示意图如图3 2 所示。此放行模式是让自行车按机动车 相位走，不设单独的自行车信号灯，只设机动车信号灯和行人信号灯。 当自行车和机动车流量都很大时，模式1 将不再适用，可以采用模式2 ，让 自行车按照机动车相位放行。但由于自行车和机动车同时放行，需要足够的空 间，特别是左转车辆需要的空间更大，以保证机动车和自行车不相互干扰，因 此要求交叉口的面积要大。同时，为了避免左转自行车与直行机动车的相互干 扰，最好采用多相位配时。 因此，此模式适用于交叉口面积大，自行车与机动车流量大，多相位配时 的交叉口。 i i l 铉+ j j 、 机动车流 l 7 、一 、j j 厂7、膨_ 。 自行车流 一一一一。 、一一一+ 一弋、，厂 图3 - 2 放行模式2 示意图 f i g u r e 3 2t h et y p i c a lc h a r to f d i s c h a r g i n g m o d e2 3 、自行车禁驶区放行模式 此模式称为模式3 ，示意图如图3 - 3 所示。自行车禁驶区模式是为了减少左 转弯自行车对直行机动车流通过交叉口的影响，在交叉口中间划出一定区域为 自行车禁驶区，左转自行车在区域外二次停车待驶，让直行机动车先行通过。 如图3 - 4 所示为自行车禁驶区设置示例交叉口。 当自行车和机动车流量都很大时，可以采用此模式。此模式对于交叉口面 积和信号相位设置没有特殊要求。但对于机非隔离要求较高，要求自行车与机 动车在进口道处就很好的分离，否则易导致路口内秩序混乱。 北京工业大学工学硕士学位论文 因此模式3 适用于机动车和自行车流量大，进口道机非隔离较好的交叉口。 k 乏， 一 翻ih 丫、 机动车流 自行车流 f j k 、j 、厂力r j 够t ， 自行车 一 忒一一厂 、 左转待驶线 图3 - 3 放行模式3 示意图 f i g u r e 3 - 5 t h e t y p i c a lc h a r t o f d i s c h a r g i n gm o d e 3 一 ! 一一二二二= ! 二 一- 一一f i 。1 1 一 i 鬟萎 i l 禁驶区 。 j 左转停止线 图3 4 信号交叉口自行车禁驶区设置示例 f i g u r e 3 4a ne x a m p l e f o rp r o h i b i t i o nr e g i o na ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s 4 、综合放行模式 以上三种放行模式，对交叉口线型、几何形状、面积大小，信号相位设置 均有具体要求，但在实际道路条件中，很少有非常标准，规范的交叉口符合具 体的应用条件。因此可以把几种放行方法综合运用，形成一种放行规则，如图 3 5 所示是一综合放行模式的示例。 此例为主次干相交道路，次干道方向无法划设专用车道，因此无法设置专 用左转相位。在次干道方向上设置自行车候驶区，信号灯使用圆形交通指挥灯， 自行车在绿灯时随机动车进入交叉口，左转自行车在二次停止线外候驶，让直 行机动车先行。而主干道方向设置箭头灯，车道信号灯指示放行流向，自行车 按车道信号灯指示分别通过交叉口。综合放行规则为：见到圆形信号灯，左转 自行车按候驶区规则通行；见到箭头信号灯，左转自行车按相位通行。 另外对于行人流量特别大的交叉口，也可以采用自行车按机动车相位放行 模式，另外在信号相位中，专门设置1 2 个行人专用相位，用于行人通过交叉 口。这种方式对于行人流量大、秩序乱，而机动车流量不大的交叉i = i 非常有效。 ，i 1 。1 。1 。1 。1 1 1 1 一 一一二= 二二! 一i 一一r 一 2 手叫 到 艟 辫 盎 # 罩 k ；转 ：弯 f 侯 驶 区 f 一 1 jt 图3 5 综合放行模式示例 f i g u r e 3 5a ne x a m p l e f o rt h ei n t e g r a t e dd i s c h a r g i n gm o d e 3 1 2 信号交叉口放行方法设计 对于信号交叉口的放行方法设计，总结如图3 - 6 所示的设计流程图。 仃 北京工业大学工学顼士学位论文 交 通 调 查 阶 段 调 查 分 析 阶 段 放 行 方 法 设 计 阶 段 交 交 交 通 通 通 信 量 设 。亍 调 施 设 查 调 计 查 调 查 二丁丁j r = = 信 号相 周位 种 囊黍 度案 交 通 体 流 量 大 小 _ 一l1t ， 山 根据分析资料进行放行方法设计 山 方案评价 上 确定最佳方案 图孓6 信号交叉口放行方法设计一般流程图 f i g u r e 3 6ag e n e r a lp r o c e d u r e f o rd e s i g no fd i s c h a r g i n gm e t h o da ts i g n a l i z e di n t e r s e