（交通运输工程专业论文）平面交叉口独立信号控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第j 页 摘要 f 城市道路酌交通闷题，翔结超来虢怒交通的供需矛詹阔越，耐这种矛 耩譬致酌蠹接精栗就燕交通的拥挤和渚寨，在平面交叉臼袭现尤为突出。 茵此研究解决平面交叉日的交通问题，采取有效的交通瞀壤措施，减少交 叉翻的交通冲突，提高交叉口的通行能力和交通安全性，从而提商整个城 市邋路阏的交通运行质量是目前最为迫切、最为实际的一项研究课题0 厂一 本文紧紧融绕交通信号控制技术，从平丽交叉阴的交通分析着手，研 究了交叉口的交通冲突，并由此引申出交通信号控制的设计原则。通过对 传统的多时段定周期控制方式和感威控制方式的剖析，指出了它们在现实 交邋信号控制中存在的不足，并在此蒸础上提出了一静效率更赢的平蕊交 叉啊独立信号控制方式多参数逻辑运算控制模式。并建立了优化模型， 绘出了优化算法。在以上理论的基础士编写了控刿软传，馊硬究结果褥以 产熬化。罴用鼷次癸援法建立了越单、有效的信号撩剁交叉銎交逶评徐撂 标体系。最嚣，结会交叉翻实例。对三释不鼹信号控制方式遴纾7 比较研 究瓣褥出结论。 本文的研究结采帮懿作为解决交叉日交遥信号控涮闷题豹一个含理 而有效的方法，在重痰的实验已经谣明了这一点，其有重簧酌实弼价值。 关镳词平面交叉口；信号控制；交通伉纯设计；通彳亍能力；配对模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t g e n e r a l l yt h et r a f f i cp r o b l e mi nt h eu r b a nr o a dn e t w o r kc a nb ea s s u m e da st h e c o n f l i c tb e t w e e nt r a f f i cd e m a n da n dr e s p o n s i v e t h o s ek i n d so fc o n f l i c tu s e dt o c a u s et h et r a f f i cc o n g e s t i o nd i r e c t l y , e s p e c i a l l ya tt h ei n t e r s e c t i o n s t h e r e f o r e ，t h e m o s ti n s i s t e n ta n d p r a c t i c a lr e s e a r c hs u b j e c ti sa i m e d t oi m p r o v et h et r a f f i co p e r a t i o n q u a l i t y f o r s o l v i n gt h e t r a f f i c p r o b l e ma t t h ei n t e r s e c t i o n si nw h o l eu r b a nr o a d n e t w o r kb ym e a n so f a d a p t i n gt h ee f f i c i e n tt r a f f i cm a n a g e m e n tm e a s u r e s ，r e d u c i n g t h et r a f f i cc o n f l i c t ，i n c r e a s i n gt h et r a f f i cc a p a c i t ya n di m p r o v i n gt h et r a f f i cs a f e t ya n d s o o n b ye n c l o s i n g t h et r a f f i c s i g n a l c o n t r o l t e c h n i q u e a n d a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i co ft r a f f i cm o v e m e n tw i t h s u b j e c t i n g t h et r a f f i cc o n f l i c t si nt h e i n t e r s e c t i o n ，t h i sa r t i c l eh a si n t r o d u c e dap r i n c i p l ef o rt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ld e s i g n b a s e do ns t u d y i n ga n de x p l o r i n gt h ed i s a d v a n t a g eo fm u l t i p l a nf i x e dt i m ec o n t r o l a n dv e h i c l ea c t u a t e dc o n t r o lm o d e s 。am o r ee f f i c i e n tt r a f f i cc o n t r o lm o d e m u l t i p a r a m e t e r sl o g i c a la l g o r i t h mm o d eh a sb e e np u tf o r w a r dt o g e t h e rw i t hb u i l d i n gu p t h eo p t i m i z e dm o d e la n da r i t h m e t i cf o ri s o l a t e di n t e r s e c t i o n s t h ec o n t r o lp r o g r a m ， i no r d e rt op r o m o t et h es t u d y i n ga c h i e v e m e n t p r o d u c t i v e l y , h a sb e e nd e v e l o p e d f r o m t h e t h e o r y o fa b o v e m e a n w h i l e ，t h r o u g l lt h e l a y e r e da n a l y z i n g ，as i m p l ea n d e f f e c t i v et r a m cc o n t r o le v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mh a sb e e ns e t u pa n dt h ec o n c l u s i o n h a sb e e n f i n a l l y o b t a i n e df r o mt h e c o m p a r i s o na m o n go ft h r e e d i f f e r e n t s i g n a l c o n t r o lm o d e sw i t ht h eo n s i t ee x p e r i m e n ta tt h ei n t e r s e c t i o n t h er e s e a r c hr e s u l td e s c r i e di nt h i sa r t i c l ec a nb ef i g u r e da sar e a s o n a b l ea n d e f f e c t i v em e t h o df o rt r a f f i c s i g n a l c o n t r o la tt h ei s o l a t e di n t e r s e c t i o n s i ti s s i g n i f i c a n t l yv a l u a b l ei np r a c t i c ea n dh a sb e e np r o v e db yt h eo n s i t et e s ti nc h o n g q i n g k e y w o r d s ： i n t e r s e c t i o n ，s i g n a lc o n t r o l ，o p t i m i z e d t r a f f i c d e s i g n , t r a f f i c c a p a c i t y , a n dt i m i n g m o d e l ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 平面交叉口交通现状 随着经济的发展与城市的进一步开发，我国各大城市的机动车社会保 有量越来越大，道路资源增长严重滞后。以重庆市为例，据统计，从1 9 9 0 年以来，重庆市道路长度年增长率仅为1 3 ，而机动车保有量年增长率 却高达1 2 1 0 ，这种交通供给和交通需求发展的不平衡性，不可避免的 导致行车难、乘车难、停车难的矛盾日益突出，这一系列问题在一定程度 上制约了城市经济的发展。 与道路相比，平面交叉口的交通行为更为复杂，更易遭受到交通环境、 人流、车流有影响；并因为其交通安全性差，通行能力低而成为影响城市 道路通行能力的“瓶颈”。据统计，机动车在城市市区中的旅行时间约有 1 3 花在了平面交叉口，6 0 以上的交通事故发生在平面交叉口及其周围， 并且，随着城市机动车社会保有量和年增长幅度的逐步提高，作为在城市 道路网中起着转换交通流向作用的平面交叉口面临的交通矛盾日益突出， 平面交叉口的交通治理在城市交通管理中就显得越来越重要。交通信号控 制技术作为一种投资省、见效快的措施在平面交叉口的交通治理中作用就 曰渐突出。 1 2 平面交叉口信号控制的意义 平面交叉口之所以成为交通通行能力和交通安全的瓶颈，究其根本原 因还是因为平面交叉口存在复杂而多样的交通冲突，一般来说，要根除平 面交叉口的交通冲突，最直接的方法就是建立体交叉，但修建立体交通是 否就一劳永逸、万事无忧了昵? 且看以下可能存在的弊端。 ( 1 ) 城市道路网交叉口间距小，交叉口处可以利用的土地资源十分 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 有限，大多数s l 而交叉口可能根本就不具备修建立体交叉的条件。 ( 2 ) 破坏城市的人文景观，城市功能的形成非一日之功，几十甚至 数百年形成的历史景观很可能被修建立体交叉所破坏。 ( 3 ) 立体交叉造价昂贵。城市交通是网络交通，少数几个只能解决 局部问题，大量修建又因其造价昂贵不易实施。 ( 4 ) 交通矛盾转移而并没有消除。立体交叉路口通行能力大，但相 邻平交路口通行不足，对整个城市而言，交通矛盾只发生转移而没有根本 消除。 ( 5 ) 导致城市功能退化。立体交叉考虑更多的是机动车的问题，在 定程度上影响了公共交通和行人交通并导致城市功能退化。 ( 6 ) 即使修建部份立体交通，平面交叉口的交通总量依然存在。 在空间上消除路口交通冲突遇到障碍后，自然而然人们就把解决路口 交通冲突的耳光投向了时间这个要素上来，交通信号控制技术从时间上分 离了通过平面交叉路口的车流，是减少甚至消除平面交叉路口交通冲突最 有效的措施之一，因此，它的应用就成为了现代城市交通管理的必然。 随着现代科技的进步和发展，也只有树立科学化的交通管理观念，在 现有道路交通淡施的基础上，充分利用现代高科技手段，进行城市交通的 科学化、规范化管理，才是舒畅城市交通、提高交通管理的快速反应和控 制能力，缓解乃至彻底解决交通拥堵、保障交通安全等问题的根本出路。 1 3 平面交叉口信号技术研究现状 纵观国内外交通信号控制技术，在基本类型上大致可以分为三大类， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 即币点独立控制、干线协凋控制、系统实时优化控制。但是，作为干线协 调控制和系统实时优化控制的基础，平面交叉口独立信号控制的研究具有 更重要的现实意义和更广泛的实用性。 根据对国内外实际交通信号控制应用的考察，平面交叉口独立信号控 制也不外乎采用定周期、多时段定周期、半感应、全感应等几种方式。前 二种控制方式的依据完全是基于对平面交叉口既往交通流数据的统计调 查，由于交通存在的变化性和随机性，这两种方式都具有通行效率低、方 案易老化的缺陷，而半感应式和全感应式这两种方式是在前两种方式的基 础上增加了车辆检测器并根据其提供的信息来调整周期长和绿信比，它能 够较好的适应交通量的变化。但是，由于采集信息较少和利用方式的简单， 也存在对路口交通情况判断不明的缺陷，限制了平面交叉口通行能力的进 一步提高，对这一问题，目前国内尚无更多可靠的办法来加以解决并投入 实际应用。据称西门子公司研制出一种针对交叉口独立信号控制的 m o w a 方式，能有效的解决这一问题，最大效率的提高平面交叉口的通 行能力，但遗憾的是我们对其工作原理和实际应用都缺乏了解。 作为重庆市道路交通信号控制系统的一个子项目研究，本文作者在重 庆市公安交通管理局科研所的领导下，自1 9 9 5 年起就参与并主持了平面 交叉口独立信号控制的研究和相应信号控制机产品的开发，迄今为止，已 设计制造了5 代机型，其中，在g j k 一5 型交通信号控制机的研制中，引 入了一种在每个信号控制阶段可进行4 参数( 根据计算机软件的编制可以 更多) 逻辑运算的信号控制模式，以期把平面交叉口独立信号控制的效率 提高到一个新的水平。 1 4 本文的主要研究内容和方法 本文运用，交通工程学基本理论和现代数字原理，通过对平面交叉口 信号控制方式的广泛调研和分析比较，阐明了传统的几种方式在现实交通 信号控制运用中的优势和存在的不足，并在此基础上运用计算机技术，提 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 【j 种效率更高的平面交叉口信号控制模式，最后，建立一套较为实用的 交叉口交通评价指标体系，按照统计学原理，以重庆市一平面交叉口为实 例，进行了几种不同信号控制方式的比较研究，其主要内容包括： 1 、分析平面交叉口的交通流特性，研究了交通流在平面交叉口的冲 突和信号控制下平面交叉口通行能力和服务水平。 2 、结合交通信号控制设i 十，进行了交叉口信号控制的规划分析和运 行分析。 3 ，引入一种在每个信号阶段可进行多参数逻辑运算的信号控制模型。 4 、建立平面交叉口交通评价指标体系，联系重庆市一路口应用实例 对几种不同信号控制方式的比较研究后得出结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章平面交叉口的交通分析 2 1 平面交叉口的冲突点分析 在城市道路网中，平面交叉口是通行能力和交通安全的卡口或咽喉。 在交叉口处，各条道路汇集的车辆、行人流量集中，并要在路口进行转向， 所以容易造成交通阻塞和交通事故。 当车辆和行人进出平面交叉口时，由于行驶方向和交汇方式的不同， 形成了很多的交通冲突点，根据其类型的不同，可以把这些交通冲突点分 为二大类：即冲突点和交织点。冲突点是指车辆或行人行进方向相互交叉 时可能产生的碰撞地点，当相交角度等于或大于9 0 度容易产生接触碰撞。 冲突点产生的原因主要是由于直行车和左转车辆相交时所致，它不但是引 起各种车辆之间、车辆与行人之间肇事最主要、最直接的因素，也是最直 接影响平面交叉口通行能力的因素。交织点，甫分流与合流两种，合流交 织点是指车流从不同方向驶向同一方向以锐角相遇时可能相互挤撞的地 点，分流交织点是指车流从同一方向驶向不同方向时可能相撞的地点。在 我国大部份路段上，由于两侧隔离设施差，行人和白行车横穿道路时容易 产生横向干扰，造成前车突然减速与后车相撞即追尾事故，这种情况在平 面交叉口没有人行横道时尤为突出。一些典型平蕊交叉口的冲突点分布如 下图2 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 车与车 人与人 l j1 l 歹 il j 、车、 登 ，一 一l ，、 ：、 | f r 、 i 专 i | 厂 l、 圈2 - 1t 型路口和+ 型路口冲突点分布围 上图两种路口的交通冲突点均是在无信号控制下的情况。 对于三向交叉口的平面交叉口，车对车的交通冲突点为3 个( 如包括 合流交织冲突点共6 个，再考虑分流冲突点共9 个) ，车对人的交叉冲突 点共1 2 个。 对于四向交叉的平面交叉口，车对车的交叉冲突点1 6 个( 包括合流 交织冲突点8 个共2 4 个，若把分流交织冲突点考虑在内再加上8 个共3 2 个) ，车对人的交叉冲突点共2 4 个。 上图只厕出了三向和四向交叉口的平面交叉口冲突点分布图，同样的 方法当可得到更多向交叉的平面交叉口的冲突点分布图，并引导出平面交 叉口交叉冲突点的计算公式： 1 n = 玎2 ( ，l 一1 ) ( 玎一2 ) o 式中一一交叉冲突点总数， 一一相交道路数。 目前，在交通信号控制中，日本只考虑交叉冲突和合流冲突，而欧美 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 各国都考虑分流冲突，而在我国的交通信号控制实际中，由于路口车速较 慢，一般只考虑交叉冲突，部份路口可根据情况可考虑合流冲突，对于分 流冲突一般都通过路口渠化解决。在对交叉冲突的考虑中，也可以根据冲 突双方的相对速度、发生事故的可能性和危险性大小在信号控制实际中可 分为三种情况来分别考虑：机动车与机动车的交叉冲突；机动车与非 机动j ：的交叉冲突；机动车与行人的交叉冲突。 由上式可以看出，无信号控制平面交叉口的冲突点随着相交道路数量 的增加而急剧增加，严重的影响了平面交叉口交通的顺畅和安全。因此， 除采用立交交通渠化、物理隔离等措施减少交通冲突外，在平面交叉口设 置交通信号控制，在时间上分离通过交叉口的车流，可以减少甚至消除交 通冲突点，从而提高交叉口的通行能力和交通安全性。 2 2 信号控制下平面交叉口的交通流特性 在平面交叉口，由于交通信号控制设施的存在，导致了交通流周期性 的巾断，我们称这种交通流为间断交通流。 2 2 1 饱和流率和损失时间 在有交通信号控制的平面交叉口，所有车道上的车辆都要间歇地行 驶，它根据交通信号的不同变化来获得或失去通行权，当交叉口绿灯启亮 时，车队离开停车线开始起动，但是，并非所有的车辆都在同一速度运行， 由于不同驾驶员和车辆的起动反应和加速效应的不同，车辆阀的车头时距 略有不同，根据观测。平面交叉口车辆的车头时距在平均车头时距附近随 机波动，设波动幅度为o ，即车头时距， 一o - ，f + 仃) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 则 f ，= f 一仃l l - 2 盯r 式r l - ：f 一为一定流量下的平均车头时距( 秒) o 一车头时距波动幅度( 秒) r 一一随机数( o r 1 ) 在理想的情况下，由于增加了用于加速的长度，后_ 辆车通常比前一 辆车的车头时距要短( 即oi oi + 1 ) ，在若干辆车后，其起动反应和加速 效应已经消失，后续车辆将形成一组匀速行驶的车队，这些车辆的车头时 距基本趋近于一个常数h ( 饱和车头时距) 如下图示( 图2 2 ) 。 通过车辆数( 辆) 车队中的车辆 髓2 2 车辆叠过信号交叉口车头时距曩 很显然，当车辆以稳定的运行车队，通过有信号控制的平面交叉e l 时，则车头时距波动幅度。趋近于o ，车头时距t i 趋近予7 同时趋近于h ， 即t i - ；- - - h 那么，在这种情况下，通过一处有信号控制交叉口时每个车道的交通 流率即饱和流率s 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 s = 3 6 0 0 h 式中：s 一一饱和流率( 辆小时绿灯) h 一饱和车头时距( 秒辆) ( 饱和状态下平均每辆车的车头 时距) 3 6 0 0 一一每小时的秒数 上式的建立足基于该方向车道总是绿灯信号，车辆通过交叉口无需停 1 i ，而实际上信号交叉口的交通流是周期性停止的，当信号变为绿灯时， 车队前若干辆的车头时距总是大于h 的，多出一个oi ，因此，对前几辆车， 在饱和车头时距h 的基础上，应增加其车头时距，从而得到一个增量值， 称为起动损失时间( 起始延误) 用，表示，则 = 式中：，i 总起动损失时间 t j - - 第i 辆车的起动损失时问 另一个损失时间就是清尾损失时间( 结束延误) 厶，它是指从一个方 向最后一辆车进入交叉口的时刻与另一方向变为绿灯的时刻之间的时问 差。 因而，对于车道的饱和流率而言，它的有效绿灯时间是在一个信号周 期的基础上，不但扣除了红灯时间，而且扣除了起动和清尾损失时间( 起 始延误和结束延误) 。被每辆车以h 秒的车头时距利用着。 2 2 2 通行能力和饱和度 信号控制下的平面交叉口的通行能力是以饱和流率的概念为基础的， 饱和流率是指在一定的道路交通条件下，指定的车道组( 或弓l 道) 能通过 交叉口的最大通行量。指定的车道组( 或引道) 的通行能力可表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 c f _ s f ( 8 c ) f 式巾：c f 一一车道组( 或引道) i 的通行能力( 辆，小时) s ：一一车道组( 或引道) i 的饱和流率( 辆，j 、时绿灯) ( 万c ) f 一一车道组或引道) 1 的绿信比 在交通信号控制中，整个交叉口的通行能力概念并不非常重要，有重 要意义的是各单个流向车流以一定的效率通过交叉口的能力，在实际的多 相位交通信号控制设计中，在同一绿灯时间内不同车道组( 或引道) 均有 车流运行，总有一个车道组( 或引道) 比其他车道组( 或引道) 需要更多 的绿灯时间，这便是确定该相位所需绿灯时间的关键车道( 或引道) 。 在交通信号控制中这种要求不可避免引入了饱和度的概念。车道组 ( 或引道) 实际流量与通行能力的比值，就称为该车道组( 或引道) 的饱 和度。 指定车道组( 或引道) 的饱和度可表示为： r = ( v c ) f = 哆i s fx ( 8 c ) ，】 = v _ f c s a = ( v s ) i ( a c ) i 式中：r 车道组( 或引道) i 的饱和度 弘一一车道组( 或引道) i 的实际流量 b 一一年道组( 或引道) i 的通行能力 v ，& 一一车道组( 或引道) i 的流量比率 f 万c ) 一一车道组( 或引道) i 的绿信比 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 饱和度衡量了实际流量和通行能力的关系，评价了信号控制交叉口 的服务水平。 2 3 信号控制平面交叉口的规划分析和运行分析 2 3 1规划分析 平面交叉【j 的规划分析不考虑交通信号控制设置细节，只是概略性地 评价交叉口通行能力，并提出一个基本的估计。 规划分析只关心平面交叉口的交通流量( 辆，小时) 以及交叉口的车 道数和车道的使用类型。由于规划分析鉴定的是单个车道，因此，在分析 过程中，交通流量必须是按车道分配的： 如具有专用转弯车道，则把所有弯车辆分配给各自的转弯车道。 对共用车道，流量在可用车道中均等地分配。 当在共用车道中包括许可的左转弯时，把车辆按小客车当量换算后 均等的分配给直行车道和共用车道。所有右转画和直行车的小客车当量换 算值为1 ，而左转车的小客车当量换算值与对向直行和右转交通量有关。 在通过考虑运行冲突以鉴别平面交叉口的关键车道交通流量的组合 后，可以得到交叉e l 关键交通流量，利用这一数据可以大体的评价平面交 叉口设计在总体上是否合理。 2 3 2 运行分析 运行分析确定每个车道组( 或引道) 的通行能力和服务水平以及整个 交叉e l 的服务水平，平面交叉口的运行分析是建立交叉v i 交通评价指标体 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 系的基础。由于信号控制平面交叉口运行分析的复杂性，目前流行的做法 是用五种不同的分析模型来共同进行。如图2 3 用框图说明了所用模型 和分析步骤 。 圈2 - 3 平面交叉口的运 亍分析 。 平面交叉口的交通问题，实质是各种交通流在平面交叉口互相冲突， 阻滞的结果，对其进行分析的模型和方法多种多样。传统上，使用以停车 线为准的分析方法，即假定车辆过停车线后，即算通过路口，特别是以英 国经典的威伯斯特方法为代表，以整个进口计算流量( q ) 和饱和流量 ( q s ) ，用各种系数将大小车折算为小车，将左右转车折算为直行车，将 直行车折算为机动车，并计入行人对饱和流量的影响，再按折减换算的q 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 和q s ，计算山饱和度y ，再以各进口最大y 求y 据以计算信号配时， 其优点是简化了路口的交通模式便于定量计算，其缺点也正是因为模式的 简单而缺乏对交叉口交通情况的深入分析。 将接个进口作为一个掩体进行分析，显然不适合车道较多、转弯车较 多、行人或自行1 ：将多的情况，更主要的是这类方法掩盖了交叉口冲突的 实质，并且，不能用数学形式准确地表达出交叉口车流需求和交叉口道路 能力的关系。这类分析方法在交通信号控制中的应用，就导致了简单两相 位控制方法在交叉口的大量运用，以现代交通信号控制的眼光和实际运用 效果来看，这是一种落后的方法。 随着交通流( m o v e m e n t ) 这一四维时空概念的出现，标志着平面交叉 【1 的交通分析已细化到一根或若干根车道，或者是一车道上不同方向的车 流，实际上就把平面交叉口的交通分析从停车线转移到冲突点，这类方法 以阿塞力克法为代表，其优点是：按交通流( m o v e m e n t ) 计算q 和q 。， 而不是整个进口。用各相位中最大y 的交通流( m o v e m e n t ) 来控制周期 时间，这种方法在路口较宽或有专门转弯车道的路口应用非常有效，但如 果有直左混合车流时，该法仍然要将转弯车换算成直行车，再计算ey 。 其间造成与实际情况误差较大，并且，这类方法仍然使用停车线位置的交 通参数使计算结果不够准确。同时，有可能在同一相位中各交通流 ( m o v e m e n t ) 饱和度相差较大。 “冲突点法”是真正把着眼点移到路口内，从而可以更精确地描述平 面交叉口交通的冲突，但是，在该法在实际的交通信号控制设计中，较上 述二法显得较为烦琐。 在交通实践中，由于平面交叉口交通流量的随机性和统计的时效性， 结合路口交通渠化，反而是前二种简明的方法用得较多，用其理论计算值 作为一个控制方案所有参数的概数，再根据实际交通情况作一定的调校、 修正，以适合当前的交通状况，获得最优的控制效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 14 页 序。 第3 章平面交叉口信号控制设计 通常，确定进行一个平面交叉口有效的信号控制方案需要以下的程 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第 16 页 在进行平面交叉口信号控制设计以前，为了方便本文后面的研究比 较，先引入几个概念和确定一个路口。 3 1 几个概念 相位：在不同的标准中对相位这一概念有不同的描述。在这里，将相 位定义为在一个周期中向一股或多股交通流显示的某一种交通信号序列， 即侮一组信号灯对应的独立车流，就被称为一个相位。在相位的时间这一 概念上，仅分配有绿灯时间、黄灯时间。 阶段：在信号周期的某一段时间内，使一股或多股独立交通流获得通 行权的交通信号状态。它包括了两个方面的含义，一是阶段是一个或多个 相位的组合。二是这一个或多个相位拥有通行权的时间。 问。 问。 间。 周期：在信号控制中，连续运行的阶段构成的一个最小循环单位的时 量大绿灯时间：一个周期中，某个相位或阶段被赋予通行权的最大时 最小绿灯时间：一个周期中，某个相位或阶段被赋予通行权的最小时 绿信比：相位或阶段实际获得绿灯时间与当前周期长度的比值，由于 在不同的阶段可能出现同一相位的运行，所以绿信比的定义中应包括相位 和阶段这两个概念。 3 2 引入一个路口 在本文进行的实验中，选取了个比较标准的t 型路口( 科一路口) ， 路口的流量在经过小客车当量换算如表3 w1 和圈3 1 3 4 示。 _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 泌 89l o1 11 2 1 31 41 51 61 7培 1 9 大坪直 8 9 29 呖g g 48 4 3趵06 踊7 8 3讶 8 1 59 6 69 1 3 7 6 5 6 9 2 力向左朋 疆1 3 受2 j 2 1 7l 晒2 6 52 4 33 0 5豁72 田2 4 3盟5 石桥铺直 8 1 3孵r9 0 l9 7 57 8 3e 9 4羽5 8 1 2 弼4 9 田9 1 5 7 3 4 6 田 期l 】右 1 衢2 0 ll 田1 3 42 1 32 4 8爱51 7 9舶b 翻昂2 4 11 贸1 伪 科一路 右鹦1研 3 3 5册3 6 43 d l3 1 2 蔺93 哇l 3 7 9饕4 翌d2 e 汀 方向 左晰3 l o弼34 l o翻b猫3 3 83 6 5羽93 3 9删3 3 1衢3 交叉【】总量 翻6 5硼7 3哦墨) 4 2舶9 52 3 6 2翻田2 7 1 5翻晓3 1 8 l晒黜盈阻 表3 1 科园一路交叉口流量一时问表 圈3 一 大坪方向进入交叉口的流量 圈3 2 石桥铺方向进入交叉口的漉量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 围3 3 科园一路方向进入交叉口的藏量 豳3 4 辩圄路交夏口的麓分布 由图可见，各方向进入路口在各时段变化趋势基本一致，并且，在该 路口两个左转车流都比较大，而左转车流是最易和其他流向产生冲突的， 为了减少冲突点的数日，就必须对平面交叉口的冲突进行空间和时间上的 分离，即进行路口渠化和信号控制。 3 2 1 交叉口渠化设计 l 、由于左转车流量较大，如果与直行或右转混畲行驶，将由于冲突 糟察交通大学硕士 i 究生学位论文第1 9 页 纳逼；可避免丽话致交逶延误霹l 交遴事数靛增期，北酵，为保涎平瓤交叉口 髓通行髓力和交遴安全，瘦把友转苹漉从其他擎淡中分褒出来，设漫专转 年道。 2 、扶石桥销方内进入路蹦的流曩，蹇程车远大予右转攀，所以考虑 将两条毒i 道分别没罨为专囊皋l 爨纛澳合举道。 3 、平瑟交叉翻的褥人戍尽可能鸟机动车分离。辩闲一路方向入流不 霹能采取其他措施从路口分离，皮设立信号控制入行横遒，减轻路口交通 冲突。 t 其予以一圭= 暇则，平艇交叉妇的浆纯如圈3 5 。 3 2 2 交叉蠲储号设计 鬣3 一交夏翻藁诧妥 l 、阶段设计 ( 1 ) 幽予= i 筵路的浆化、举滤的细分，多魍位的使用，所以，除杼人 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 幻外均应使用箭头灯。 ( 2 ) 平面交叉口的信号设计实质是路口冲突在时间上的分离，因此 托确定r 一个信号阶段时，心尽是避免同一阶段小存在着相互冲突的棚位 交叉冲突尤其应避免，合流冲突在一定程度上是可以容忍的。 ( 3 ) 每个相位时间应包括三部份而不是二部份，即反应起动时间， 通过首尾冲突点问路程的时间，以及该相位车队通过末冲突点所需时间， 所以在阶段的安排时应尽量避免这些冲突的影响。 ( 4 ) 每一个阶段的运行都意味着该阶段内各相位车流的释放，在阶 段的安排上还应该尽量利用这种释放对路口带来的好处，即后一阶段的开 始应尽量利用前一阶段结束后给路口带来的好处。 ( 5 ) 在阶段的安排，还应考虑前后两阶段中冲突相位车流在停车线 离冲突点的距离。 本例中，由于存在b 相位和c 相位的直一左冲突，如图3 6 示： 二二二二二二二二二fl 1 上 f l - 二二二二二 - - - b 图3 6 冲突示意围 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 对于这种接近正交的路l | ，显然s - s ：，即在转车流驶到冲突点的时 问小于直行车驶向冲突点的时间。如果先放直行车再放左转车，即含有相 位i j 的阶段在彳i 相位c 的阶段之前，当直行车结束，左转开启时，直行车 的尾车刚驶过停车线，匀速行驶段时问后通过冲突点，同进，左转车经 历一定的反应时间，启动j j u 速及匀速行驶后才到达冲突点，两者的时问差 必须满足穿越空档的时间，才能保证车辆的安全行驶而不致在交叉口产生 冲突，f l i 于s l s 。，则左转尾车到达冲突点的时间短于直行车尾车，而直 行头车到达冲突点时问常大子左转头车到达冲突点的时间，也就是说，含 有左转相位c 的阶段应先于含有直行相位b 的阶段，其间两向车流经过冲 突点的时间差更大。安全性更好。 遵从以上原则，进行了如图3 7 的信号阶段设计： ! jj _ 旦 ( i ! b 兰寻 却 、f p 圈3 7 信号控制骱段设计 2 、配时设计 利用已知的流量数据，根据经典的韦伯斯特法( 停车线法) 或阿塞力 克法( 交通流m o v e m e n t ) 可以很容易地求出周期长和各阶段时问，在信 号设计中，阶段1 的关键交通流是相位c ，阶段3 的关键交通流是相位b ， 阶段4 的关键交通流是相位e ，阶段2 实际上是在阶段3 中插入一个人行 相位，从属于阶段3 。如果没有人行相位该阶段完全可以去掉，其之所 以插在1 、3 阶段之间，完全是遵从上述阶段设计原则的结果，该阶段的 时间由行人最小绿灯时间决定，可按下式估算： g ，= 7 0 + ( w ，1 2 ) 一l 式中： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 g p 一行人最小绿灯时问( 秒) w 一从路沿到最远车道中心的距离( 米) i 一问隔时问( 黄灯时间+ 全2 e h t 问) ( 秒) 当然，如果把行人相位g 当作该阶段的关键交通流也是可行的，阶 段的时间仍由上式估算，只是在计算阶段3 的时间时，应扣除阶段2 的部 份时问。 具体的计算可采用如下的经验公式 饱和交通流量的计算，在该设计方案下，不存在对向车流干扰，应 按4 i 考虑对f f i j 车流影响时的饱和流量公式计算： 。，。、2 0 8 0 - 1 4 0 8 一4 2 如g + 1 0 0 ( w , 一3 2 5 ) 联r “g = i 量_ 一 式中：s ( r ，f ，瓯，g ，) 一某车道饱和流量( 辆小时) ，一转弯半径 厂一该车道中转弯车辆比例 d 。一靠边车道瓦= 1 ，非靠边车道瓯= f f 一上坡如= l ，下坡占。= o g 一坡度 w ，一车道宽度 必要的显示率计算 、q i j 九i i 2 2 。 二 s u 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 j b 一阶段i 的j 栩位的饱和度 g 一阶段j 的j 相位的设计交通量( 辆小时) s 盯一阶段i 的j 相位的饱和交通量( 辆绿灯时间) 以= m a x ( 蛔l ，人兄驴，a 九，) 其实，丑在本例中就是阶段i 的关键交通流的相位饱和度。 交叉口的饱和度计算 a ：y 九 j 一 一般 09 各阶段( 相位) 的黄灯时间和全红时间设计 进退两难状态：指驾驶员既不能以通常的减速度停止，也不能保持原 来的速度不变而通过的状态。 选择通过状态：指既可以以通常的减速度安全停车又可以保持原来的 速度不变通过的状态。 容易冲突状态：指黄信号时间内可能越过停车线进入交叉口，但不可 能在全红信号结束前通过交叉口的状态。 冒险通过状态：指在黄信号开始之后进入了交叉口内并且能在全红结 束之前穿过交叉口的状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 最佳黄信号时间是不产生进退两难状态和选择通行状态，根据实践经 验来看，在以v 4 0 k m h 的设计车速通过，黄灯时间取3 秒。 最佳全红时问与停7 l ；线之问的距离和车辆驶进交叉口进的速度有关， 对于该路口，为了提高效率，在考虑了阶段安排和起动延误的情况下，取 i l i 全2 t ：n q 问。实践看来是可行的。 损失时问的计算 ( r j + 彳吩) 一疗 j = n l 一周期里损失总时间( s ) 一阶段j 的黄灯时间( s ) 4 b - - 1 喻s tj 的全红时间( s ) 次数 咒一黄信号时间4 s 以上，或黄+ 全红时间5 s 以上的阶段的变化 周期长计算 c o p , - 喾 c 叩f 一最佳周期长( s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 绿信比的计算 g ，= ( c o p ，一l ) ( 2 i 允) g ，一i 阶段的有效绿灯时间( s ) a 一交叉口的饱和度 l i 阶段的饱和度 l - # i 失时间( s ) 平面交叉口信号控制理论上的配对计算是容易的，但由于利用数据 ( 交叉口流量统计) 与实际交通情况的差别以及路口交通和流向变化性和 随机性，再加上路口周围的交通环境不同。在实际的交通信号控制中，其 计算结果也只能作为一个具有较高参考价值的数据，实际上，不论是信号 周期或各阶段时间，实际应用和理论计算都有程度不同的差别。 3 、相位、阶段与相位周期的关系 一般来说，在一个周期中增加阶段数，可以减少甚至消除阶段内不同 相位交通流的冲突，从而提高平面交叉口交通流通行的顺畅性和安全性， 但是其副作用是降低了平面交叉口的通行能力，这是因为阶段数的增加不 但会减少分配给各阶段、相位的时间，而且由于阶段的增多使周期内阶段 转换次数增加，从丽导致黄、全红等交叉口清空时间增加。由于阶段的增 加也弓l 起了周期内损失时间的增加，因此，从这角度看又希望周期内阶 段数能减少。这三者在交通信号控制实践中应很好的协调。 此外，周期的陈短也是个值得注意的问题。过长的周期除了增大延 误以外，从驾驶员、行人等待信号的心里效果来考虑也不好，一般在实际 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 的交通信号控制巾最大周期也就在1 2 0 秒左右，个别特殊路口可以再延长 。+ 点，但最好不要超过1 6 0 秒，同样，过短的周期也不好，由于每个阶段 损失时问是一样的，实际上过短的周期导致厂绿信比的下降和通行能力的 降低，在没有其他措施保证的情况下，过短的周期导致了周期内阶段的频 繁替换，而车辆的频繁的起停也是安全事故的隐患。 3 2 3 两种信号控制方式和它们的缺陷 在本文的实验巾，对该路口先后进行了两种不同的交通信号控制。 1 、多时段定周期方式 根据该路口的流量调查，可将该路口的交通信号控制分为二个时段配 时，即高峰时段( 7 ：3 0 1 l ：0 0 ，1 6 ：0 0 1 9 ：0 0 ) 和平峰时段( 除高峰时段外的 其他时段) 经过计算和实际调控具体的配时如图3 8 示： 阶段1 阶段2阶段3阶段4 、7 ： 一 j a 旦_ 争 g 小、r _ 专 心 ff 高峰时段2 5 s 平峰时段1 5 s 1 0 s 1 0 s 6 0 s 5 5 s 3 5 s周期= 1 3 0 s 2 5 s周期= 1 0 5 s 圈3 8 交叉口阶段配时圈 侮个阶段的信号序列如下： 阶段时间( s ) = 绿灯时间( s ) + 绿闪时间( 3 s ，+ 黄灯时间( 3 s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 实验证明，该方案在交通流稳定，各相饱和度较高的情况下，具有较 高的通行能力和较少的延误，控制效果比较理想，但是，在实验中也发现： 虽然小时交通流量符合统计规律，但在不同的信号周期中交通流的 变化又具有较大的随机性，造成各周期中各阶段( 相位) 延误不同，交叉 l i 通行能力得小剑最有效的发挥。 对交通流量的变化没有适应能力，按统计规律划分的时段和实时情 况差距较大。 在交通流量较小而变化不规律时，又会出现绿灯无车空放而红灯有 乍等候的现象。 行人过街等待时间较长，特别在车流量较小时更让人难以忍受，这 时容易出现行人不按信号指示过街。 控制方案易老化，随城市整体交通变化趋势和交通组织的不同需经 常调褴方案，根据重庆的经验，一般3 5 个月就得作一次方案调整。 2 、感应控制方式 为克服多时段定周期的诸多缺陷，又进行了感应控制方式的实验，在 交叉口埋设了车辆检测线圈，如图3 9 所示。 _ = 二二二二= 再1 1 、= 畦二二二二二二二： 一一j 生一l 一、i j 7 ： - - - 、r z 蔓! 1f 阑 明3 9 感应控糟方式缝_ 位_ 圈 制流篓箸亲罢章蔷竺紫计依然采用了多时段定周期的阶段龇其控10制流程图如下( 图3 一) 。 “8 “删删“。町段设计，其控 _ 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 圈3 1 0 毫应控捌瀛程圈 在本例实验中，各阶段的最大绿灯时间采用了路口高峰时段的配时， 最小绿灯时间全部设为5 秒，从最小绿灯时间到最大绿灯时间的延长是根 据检测器在限定时间内对是否存在车辆的检测以单位绿灯延长时间进行 的，考虑到车头时距的因素，选取的单位绿灯延长时间为3 秒。 实验证明：在感应控制方式下，信号控制比多时段定周期方式更有效 率，在交叉口流量较大且符合各相位流量统计规律时，感应控制方式基本 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 f ：退化为多时段定周期控制方式。当交通流量减小或交通流量变化大而与 流量统计规律不符时，感应控制方式比定周期控制方式具有更大的灵活 性，具有更大的通行能力和较小的路口延误。但是，在实验中同样发现感 应控制方式在应用于实际交通控制中，依然存在一定的问题。 虽然在实际交通信号控制中要尽量避免控制阶段的跳跃，所以感应 控制方式每阶段的运行都设置了最小绿灯时问，并且出于安全的考虑，最 小绿灯时间不能少于5 秒。但是，在某些情况下，却希望控制阶段能够跳 跃，如路口某相位无交通需求或由于该相位车流因上游原因无法到达路口 时。感应控制方式必须运行了该无交通需求阶段的最小绿灯时间后才能进 入下一阶段，而这个最小绿灯时间对于其他有交通需求的阶段或相位来说 就是个不必要的浪费。 由于感应控制方式检测检测信息的非锁定性，感应控制方式人行相 位在阶段流程中无法取消，即在某周期内无行人过街需求时该阶段仍然存 在，这对其他阶段来说也是一个浪费。 或者在莱一阶段运行中，由于该阶段某相位出口堵塞原因，这时 该阶段的运行是没有意义的，需要取消该阶段运行，进入其他阶段或全红 清空路口再选择阶段执行，但对于感应控制方式来讲，由于检测器检测始 终有车该阶段不但执行，而且还要运行到最大绿灯时间，这在实际交通信 号控制中很难容忍。 感应控制方式容易失效，在本例中，如图3 1 l 所示： 圉 d 图3 1 1