（交通信息工程及控制专业论文）十字环形交叉口的渠化设计与配时研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的持续发展，汽车保有量不断增长，城市无信号控制环形交叉口的交通流量超过 了其最优通行流量限制。因此，无信号控制环形交叉口出现了交通拥堵、事故率上升、车辆延误、 饱和度增高等一系列交通问题。原有的交通渠化和信号配时方法难以有效地适应城市环形交叉口交 通发展的需求。本文在十字环形交叉口交通特性分析的基础上，对该类交叉口的渠化设计和信号控 制方法进行了系统的研究。 首先，本文对环形交叉口通行能力、排队延误等交通特性进行了定量分析，获取了交叉口通行 能力的影响因素；绘制了交通总量、左转比例、冲突交通量、大型车比例与排队长度、行车延误及 平均停车次数之间的关系曲线图；分析出了排队长度与交通总量、大型车比例之间的正比例关系， 行车延误与交通总量、左转车比例之间的递增关系，为环形交叉口渠化和信号配时奠定了设计基础。 本文通过对环形交叉口中心岛的几何尺寸、环道数、交织段、环道宽度，各个进出口车道宽度、 车道数等设计参数的分析研究，总结并提出了十字环形交叉口渠化设计的改进方案；应用所提出的 改进方案，对团结广场实例进行了全面的交通渠化设计和交通治理。 本文针对三种不同的环形交叉口，给出了相适应的配时方案，克服了以往交通信号配时多以停 车延误最小为目标，忽略信号周期与停车率、排队长度等多种因素的关联影响；为了提高环形交叉 口所在路段和相邻道路的通行能力，本文研究并改进了十字环形交叉口所在主干道上的绿波带设计 和环形交叉口与相邻普通交叉口的联动控制策略。 最后，本文以南京市江宁区天元路与利源路的低渠化十字环形交叉口为例，从交通数据采集、 交通问题分析、渠化设计及配时方案制定各个环节，应用本文所提出的方案和策略对该十字环形交 叉口实施了完整的渠化设计和信号配时。在以往的交通设计及运用中，环形交叉1 ：3 一直被认为是仅 适用于低流量的交通状况，本研究通过对实例的分析应用，突破了这一传统观点，提高了环形交叉 口的通行能力，扩大了环形交叉口的运用范围。 【关键词】十字环形交叉口渠化设计信号配时联动控制 t h ea c t u a lt r a f f i cf l o wi nt h ei n t e r s e c t i o nh a se x c e e d e dt h eo p t i m a lt r a f f i cf l o wo fr o u n d a b o u t ，b e c a u s e o ft h ep e r s i s t e n te c o n o m i c a ld e v e l o p m e n ta n di n c r e a s i n gm o t o ra m o u n t t r a f f i cc o n g e s t i o nh a sc o m eo u ti n t h er o u n d a b o u t ，h i g ha c c i d e n t sr a t ea n dh i g hd e l a yf o l l o w e d p r i m a r yc h a n n e l i z a t i o nd e s i g na n ds i g n a l t i m i n gd e s i g nm e t h o dc a nn o t a c c o m m o d a t et h et r a f f i cd e m a n dd e v e l o p m e n ta n ym o r e i nt h ef o u n d a t i o n o f t r a f f i cf e a t u r ea n a l y s i s , s y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h ec h a n n e l i z a t i o nd e s i g na n ds i g n a lt i m i n gd e s i g na r e c a r r i e do ni nt h ep a p e r f i r s t l y , q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft r a f f i cf e a t u r e sa b o u tc a p a c i t ya n dq u e u i n gd d a yo fr o u n d a b o u ti sd o n e ， a n di n f l u e n c ef a c t o r sa r ef o u n d c h a r t st h a tr e f l e c tt h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt o t a lf l o wr a t e s ，l e f tt u h lf l o w p r o p o r t i o n , c o i i f l i c tf l o wr a t e s ，l a 謦v e h i c l ep r o p o a i o n ，q u e u i n gl e n g t h , d e l a yt i m ea n da v e r a g es t o pt i m e s a r ed r a w n a n dq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e s ev a r i a b l ea g eo b t a i n e d t h e ni m p r o v e m e n ts c h e m ef o rc h a n n e l i z a t i o ud e s i g ni sb r o u g h tf o r w a r d , a i m i n ga tt h ei s l a n ds c a l c n u m b e ro fl a n e s ，w e a v i n gt e n g t h ，l a n ew i d t ha n de t c t oa p p l yt h ei m p r o v e m e n ts c h e m e ，c o m p r e h e n s i v e c h a n n e l i z a f i o nd e s i g na n dt r a f f i cm a n a g e m e n ta r ed o n ef o rt h et u a n j i es q u a r e a i m i n ga tt h r e et y p eo fr o u n d a b o u t s ，c o r r e s p o n d i n gs i g n a lt i m i n gs c h e m e sa r eg i v e n ，w h i c ho v e r c o m e t h ed e f e c tt h a tt i m i n gd e s i g no n l yb a s e do ns t o pd e l a yt i m eb u ti g n o r et h es t o pr a t e sa n dq u e u i n gl e n g t h 。t o i m p r o v et h ec a p a d t yo f t h ei n t e r s e c t i o na n dt h es e g m e n t ，r e s e a r c ho ft h eg r e e nw a v ec o n t r o lb e t w e e nt h e r o u n d a b o u ta n dt h er e g u l a rl a t e r s e c f i o ni sc a r r i e dt h r o u g h , a n db e t t e rc o o r d i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi sf o u n d a tl a s t ，d e s i g nm e t h o da n ds t r a t e g yi nt h ep a p e r8 x ea p p l i e di n t op r a c t i c a l t a k et h ei n t e r s e c t i o no f t l a n y u a nr o a da n di a y u a nr o a df o re x a m p l e ，a l lt h es t e p so f i n t e r s e c t i o nd e s i g na r ei n c l u d e d ，s u c ha sd a t a c o l l e c t i o n ，i s s u ea n a l y s i s ，c h a n n e l i z a t i o nd e s i g ns i g n a lt i m i n ga n de t e i nt h er e g u l a rt r a n s p o r t a t i o n u n g i n e e 血g ，r o u n d a b o u tw a sc o n s i d e r e d 勰t h ee s t a b l i s h m e n tf i tf o rt h es t a t e m e n to fl o wt r 世i cf l o w t h e v i e w p o i n ti sb r o k e nt h r o u g hb yt h er e s e a r c h t h ec a p a c i t yo fr o u n d a b o u ti si m p r o v e ，a n dt h ea p p f i c a t i o n r a n g ei sb r o a d e n e dt h r o u g ht h er e s e a r c h k e yw o r d s ：r o u n d a b o u tw i t hf o u r - l e g s ；c h a n n e l i z a t i o nd e s i g n ；s i 鲈a lt i m i n g ；c o o r d i n a t i o nc o n t r o l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：二瞳日期：出州 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：进导师签名： 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 i 研究背景 第一章绪论 随着我国社会经济快速发展，城市化进程加快，客货运需求增大，城市人口急剧增加，私家车逐步进 入家庭，交通供需矛盾进步加剧。尤其是在大城市，交通拥挤现象日趋严重，交通秩序愈加混乱，随之 而来的交通安全和环境状况严重恶化，很大程度t 影响了城市经济的进步发展及人民生活水平的提高。 有关资料表明i l j ：1 9 7 8 年至1 9 9 5 年，全国城市机动车保有量的增长速度是道路增长速度的8 嘴。 从7 0 年代末起，我国城市汽车拥有量以每年平均1 2 1 5 的速度增长。 9 7 8 年，我国民用汽车总量 仅有1 3 5 8 4 万辆，到2 0 0 5 年底己超过3 3 0 0 万辆，其中民用汽车增长最快的是私人汽车，大多集中在 我国的城市地区，而且增长趋势迅猛，2 0 0 4 年汽车销售增长率为1 5 ，2 0 0 5 年为1 2 。据国家信息中 心经济咨询中心主任徐长明预测，2 0 0 6 年全国汽车增长量估计在6 4 0 6 5 0 万辆左右。城市道路交通 的供需严重不平衡己经成为各大中城市所共同面对的严重问题，其中全国百万人口以上的城市中， 有”个城市的人均道路面积低于全国平均水平。交通需求与道路设施之间的尖锐矛盾所带来的交通 堵塞、交通事故频繁发生、环境污染等一系列问题，严重影响着城市功能的正常发挥和城市的可持 续发展。近五年，全国道路交通事故起数上升了3 0 多，死亡人数上升了l o 左右，受伤人数上升了 4 0 以上。近年来交通拥挤问题己成为影响城市运行效率和投资环境的重要瓶颈问题，特别是在大 中城市，如果我们不及早采取综合措施加以治理，则城市交通必将成为制约我国经济发展和城市功 能正常发挥的重要因素。 在城市道路网中，交叉口的存在，提高了道路交通的灵活性和连通性，完善了路网的交通功能。但由 于交叉口各种车流和人流交错运行，相互干扰，与路段相比其通行能力大大降低、交通行为更加复杂，交 叉口已经成为道路网络的瓶颈和交通拥挤发生源，造成局部交通拥堵，甚至影响整个路网的畅通。如日本 大城市中的机动车在市中心的旅行时间约1 届发生在交叉口1 2 1 ，美国的交通事故约有一半以上发生在 交叉口。 环形交叉口作为道路平面交叉口的一种特殊形式，交通流的运行状况有其独自的特点。车辆可 以连续有序地进入交叉口，并逆时针绕环岛至出口( 某些靠左行驶的国家顺时针绕环行驶) ，使得车 辆行驶连续。但是，环形交叉口在通行能力上存在较大的限制，进环与出环车辆在岛内运行需做交 织运行，环道上每增加一条车道，就增加一次进出环的交织。当各进口道的总流量较低时，通行效 率较好；而当总流量接近或超过3 0 0 0p c u h l l o l l i r j - ，车流将无法连续通过环道，造成环道上车辆的排 放困难、进口道车辆的过长停车延误与车流阻塞。 随着交通量的迅速增长，城市内部许多环形交叉口因通行能力不足，经常出现交通拥挤、混乱 和堵塞现象，甚至造成交通瘫痪。这些现象表明，城市许多环形交叉口原有的交通设计方法已经不 再能有效地适应交通发展的要求。有效的解决办法是实施交通渠化和信号控制优化，对环形交叉口的时 空资源进行合理的分配。 1 1 2 研究目的及意义 对于城市环形交叉口，交通空间的设计与通行时间的设计不是相互独立的两个方面，本文的研 究目的在于，根据我国城市道路交通的现实情况和发展趋势，将交通空间设计与通行时间设计两方 面的技术手段结合起来考虑，利用优势互补的原理来充分挖掘交叉口的时间和空间资源，达到最大 限度地提高交叉口的通行和运行效率，实现环形交叉口优化设计的目标。 通过对环行交叉口的交通组织和信号控制，可以实现环行交叉口内各方向车辆有序、协调的运 行【。信号控制的合理性，一方面表现在配时模型的科学性与合理性；另一方面表现在配时方案的 技术性。配时模型的科学性与实用性，在于模型能够尽可能充分反映交通供、需双方的要求，因而 东南大学硕士学位论文 需要不断寻求和完善配时模型；配时方案的技术性，在于结合交通空间的交通设计，合理组织各个 灯色时段的有效衔接。 由于无信号控制环形交叉口不限制车流的流入和流出，其输出的交通量均为连续流。因此在研 究城市交通控制系统时，很难将无信号控制环形交叉口与其他信号控制交义口进行协调控制，从而 降低了城市交通控制系统的适应性。本文研究利用交叉口相位控制的方法，在提高环形交叉口通行 能力的同时，明确了车辆在各相位的通行权，将环形交叉口的输出由连续流变为与一般信号控制的 交叉口相似的间断流，从而可以实现环形交叉口与一般交叉口的协调控制，提高了城市交通控制系 统的覆盖率和实用性。此外，在实际运用中，对环形交义口进行信号控制大幅度的提高了通行能力， 并对交通秩序进行了规范，改善了城市面貌，保护了环形交叉口周边的道路交通环境。 1 2 国内外研究发展概况 1 2 1 国外研究发展概况 世界上最早的公路环形交叉口是1 8 7 7 年由法国工程师厄基尼赫纳德设计的；其后不久美国纽 约市也建设了一些早期的小型公路环形交叉口，其目的是为了减少日益增长的公路交通事故和交通 拥塞 3 1 1 4 1 。 百余年来，世界各国的公路交通网络蓬勃发展，公路环形交叉口的规模、质量、通行能力及管 理方式等都发生了显著的变化。从最早的传统环形交叉口到二十世纪末流行与欧美现代环形交叉口 s j ( 该类环形交叉口区别与普通环形交叉口的特点为：入口礼让标志、入口喇叭形设计、不同的偏 转规则等) 和现代趋势所致的信号环形交叉口，都是朝着通行能力更强、交通安全性更好和交通延 误更小的方向发展。 由于环形交叉口在国外得到了相当程度的运用，因此在环形交叉口的理论研究方面也取得了一 定的进展，如交叉口的渠化设计理论和方法等。目前，国外关于环形交叉口的研究主要集中在无信 号控制环形交叉口领域，即研究无信号控制环形交叉口的内部各种特性及其使用情况。其中关于无 信号控制环形交叉口通行能力、延误、安全以及几何设计等方面的研究也已经比较成熟。 国外城市交叉口的渠化设计研究较为成熟，对左转弯车道的设置、右转弯车道设计、进口道宽 度、进口道车道数等做了大量研究，另外关于交叉口渠化、交叉口交角、交叉口缘石半径也有相关 的研究。国外在进行类似研究时，多注重工程实践，并在总结一系列成果的基础上，一般形成规范 或手册。美国将交叉口的渠化设计作为n c h r p 研究项目，并在1 9 8 5 年出版了n c h r p 第2 7 9 号报告， 提出了交叉口渠化设计的方法和原则。n o 氓p 第2 2 5 号报告对交叉口如何处理左转进行了全面剖析。 m u t c d i i 5 介绍了各种渠化措施以及设施的尺寸、颜色和使用时需注意的问题。但上述研究多针对 普通的平交路口，而环形交叉口的相关研究比较缺乏。 在无控制环形交叉口延误方面，国外学者主要侧重于用不同理论方法探讨在遵循“入环车辆让 出行环车辆”原则下的车辆延误。比较有代表性的有：a i m e ef l a n n e r y 在其研究中通过研究车流到达 的分布情况，利用m g 腓队模型计算车辆在进口道的延误时间以及排队长度川。 在无信号控制环形交叉口通行能力研究方面，国外学者主要侧重于讨论不同进口道及环道条件 下的环形交叉口通行能力“。比较有代表性的为：m a r t i j na m d el e e u w 在其研究中通过将整个环形 交叉口作为整体来分析，着重分析其中速度较慢的车辆对通行能力的影响，从而得到环形交叉口通 行能力的计算方法；v a n a r e m 以及美国道路通行手册( h c m ) 在其研究中利用间隙接受模型计 算环形交叉口进口道的通行能力。 在无信号控制环形交叉口几何设计及安全研究方面，国外学者主要侧重于将安全与环形交叉口 的几何设计结合起来，通过对车辆及行人的安全要求来指导环形交叉口的几何设计。比较有代表性 的有：a i m e ef l a r m e y 在其研究中通过对马里兰州、弗罗里达州公路环形交叉口的观测，集中研究 了环形交叉口几何特性与交通事故之间的关系，得到影响环形交叉口交通安全的各项设计因素； a b i s h a ip o l u s 在其研究中分析了几何设计对环形交叉口的运行特性影响，着重讨论了几何设计对环形 2 第一章绪论 交叉口的运行效率及进口道通行能力的影响。然而，能够直接指导实际应用的环形交叉口渠化的研 究比较缺乏，还没有形成比较成熟的方法体系。 关于环形交义口信号控制方面的研究，国外涉及不多，在美国环形交叉口设计指南及澳大利亚 环形交义口设计指南中稍有描述。美国环形交叉口设计指南指出“j ：“环形交叉口在必要时可对其 中某些进口道或全部进口道进行信号控制，在进行信号控制时，需要非常谨慎，以避免车辆在环岛 上排队过长”。澳大利亚环形交叉口的设计指南指出：“对环形交义口进行信号控制时，环岛必须 较大，以提供足够环道空间。信号灯应对进口车道进行控制，而对出环车辆不应进行控制”等。从 以上调研分析中可以看出，国外目前对环形交叉口的研究主要局限于无信号环形交叉口领域。而对 于信号控制环形交叉口，仅仅是将其作为流量增大时的暂时解决手段，且在进行信号控制时仅仅对 进口道进行控制，而忽略了出环车辆的控制，依然不能避免出环车辆与入环车辆之间的冲突。 综上所述，国外研究多偏重于对环形交叉口的交通特性以及通行能力、延误的研究，而对交通 渠化设计和交通信号控制方法的研究，目前还没有形成完整的理论体系和实用的设计方法。 1 2 2 国内研究发展概况 国内对环形交叉口的交通研究开始得比较早，最初主要是针对无信号控制环形交叉口的交通特 性研究；直到近年来，在对环形交叉口进行交通改造的过程中，逐渐产生了信号控制环形交叉口的 研究。目前，国内关于环形交叉口的研究热点是在原有无信号控制环形交叉口的基础上，通过合理 的交通渠化和加设信号控制等改造措施，以达到减少延误、增大通行能力的目的。 在无信号控制环形交叉口的交通研究领域，由于起步较早，与国外相关研究比较接轨，因此取 得了较多的研究成果，其中比较有代表性的成果包括【1 0 】：北京市市政设计研究院关于环形交叉口几 何设计的研究；东南大学交通工程研究所关于公路环形交叉口交通运行特性的研究；北京工业大学 关于环形交叉口通行能力的研究。北京市市政设计研究院主要从设计的角度对环形交叉口的中心岛 尺寸和形状、交织段长度、环道的布置和宽度以及环道的坡度等基本要素进行了研究，并提出指导 性的经验数据，以便环形交叉口的设计。东南大学交通工程研究所主要研究的对象为国内国道、省 道无信号控制环形交叉口，以“间隙接受理论”为基础，以数字模拟为方法来建立适合中国低渠 化环形交叉口通行能力理论模型。北京工业大学以北京市城市外围的常规环形交叉口为主要研究对 象，通过分析环形交叉口的交通流特性，提出交叉口内冲突交通流无优先级的特点，运用车队分析 法，确定交织段的通行能力。 以上的研究均是以无信号控制环形交叉口为研究对象，以让行规则为主要控制手段，讨论环形 交叉口的交通特性和几何特性。所得到的成果对公路环形交叉口和城市外围环形交叉口的交通设计 具有一定的实用性，但对于城市内部环形交义口，尤其是交通量超过其通行能力的无信号控制环形 交叉口，其成果还存在一定的局限性。 在信号控制环形交叉口的研究领域，国内正式起步于1 9 9 8 年。其中比较具有代表性的成果包括： 杨佩昆教授在交通管理与控制一书中首先提出了将信号灯运用于环形交叉口的理念，同时对现 有的道路交叉口设施，如何科学地采取交通管理与控制的各种交通治理措施来提高其交通效益的问 题进行了探讨；杨晓光教授等一批专家和学者相继对环形交叉口信号控制方法进行了理论及实践领 域的研究，产生了一批成果，包括 1 当上式中c i 为常数时( 即各交织段通行能力相等时) ： 秘2 ；吼2 ”盖。磊 。5 交织段中流量比最大值者 一即为交织段流量比 = q i c a 。 假设现有4 路交叉，拟设计r = 3 0m 的环形交叉口，通过对现状路口的交通调查、流量、流向 整理，经交通量预测其设计年限末各交织段的交通量分别为9 7 0p c u h 、9 1 0p c u h 、8 5 0p c u h 、7 8 0 p c u h ，非机动车总流量为3 5 0 0p c u m ，机动车直左交通总量为1 8 0 0p c u m 。假设环交的环道有三条， 每条宽5 5 m 。求解如下： 1 、由公式i 一2 石加僻+ b 1 2 ) 一2 a 3 6 0 0 ( r + b 2 ) 一口￥= 4 4m ，计算得出环道上4 个交织 段长度均为4 4 n l ： 2 ，交织段通行能力c i 【e 一c 】彳i ( 1 2 4 0 一2 6 5 ) 羔_ 1 0 9 1 p c u h ； 3 ，各交织段的流量比 及交织段最大流量比 m a x 。 硝一9 7 0 1 0 9 1 0 8 8 ，硝一9 1 0 1 0 9 1 - 0 8 3 ，硝一8 5 0 1 0 9 1 0 7 一7 8 0 1 0 9 1 1o 7 l 心一0 鼹 4 、交叉口直左车流总通行能力：c o c ，q q 一2 1 0 0 0 8 8 - 2 3 8 6 p c u h ； 5 、直左车总流量比：九一9 7 0 2 _ + 五9 i 1 0 丽2 五+ 8 忑5 i 0 2 丽+ 广7 8 0 2 - o 7 ； ” 2 1 0 6 4 2 1 0 0 6 、根据公路与城市道路设计手册交叉1 2 1 服务水平可按不同的流量比划分成a 、b 、c 、d 、 e ，5 个等级，服务水平同直左交通总流量比和交织段最大流量比两个指标有关，见表3 4 坚弘 。x 争一 泣缸 东南大学硕士学位论文 表3 4 环形交叉口服务水平划分标准 服务交织段最直左交通 水平大流量比总流量比 运行状态 a o 6 0 4车流很通畅 b o 8 5 o 6 车流比较通畅 c 0 8 5 0 8 5 车流受到约束，进出环道的车速有所卜降 d( 0 9 0 8 5 车流行驶不稳定，车流间有停车避让现象 e 0 9 5 1 ) 条直行车道，可直行车道的部分空间进行排队，但必须留出至少 一条直行车道，以备绿末黄初进入环道的直行车通行。据此，一个路口对应的环道容量为( 单位： p c u ) c 。- n c u4 - ( m 一1 ) c u 一0 7 5 小o ”一1 ) ( 4 4 ) 九 于是一个周期内环道总容量为( 单位：p c u h ) c - 气 ( 4 5 ) 其中r 为环交路口数。 3 、信号灯配置 1 ) 环形交叉口的每一个进口应有两组信号灯：一组面对进口道上的入环车辆，称为入口灯；另 一组面对该进口道与相邻进口道( 按逆时针方向) 之问环道上行驶的车辆，称为环道灯。由这两组 灯轮流给入环车辆与环内车辆分配通行权，使它们有条件以多股车流分段通过环形交叉口。 3 5 东南大学硕士学位论文 2 ) 为了最佳地协调控制进口道的左转、直行车流以及环道上的左转车流，需要配置具有联动功 能信号机和相应的信号灯：在第一停车线前车辆可视的位置设置四组箭头信号灯，控制进口道上左 转与直行车流；在第一二停车线前车辆的可视位置设置四组酱通信号灯，以控制环道上的左转车流。 详见图4 1 所示。 3 ) 相位 大型的四路环交，由于环道上有足够的空间排队条件，在进口道上，宜采用两相位控制，并结 合各进口道的流量不均衡比，依据迟起早断的方式调整各流向的绿灯时间；在环道，应采用两相位 控制。如果拆除环道，须采用四相位控制，而左转两步控制只需要两相位，可大大减少时间的损失， 这也充分说明了左转两步控制法的优势。下图4 3 ，4 4 以第一相位放行南北向车辆，第二相位放行 东西方向车辆为例具体阐述了左转两相位控制的相位图 图4 3 第一相位( 以左转通行信号迟起早断为例) 第四章十字环形交叉口的交通信号控制研究 图4 4 第二相位图( 以左转通行信号迟起早断为例) 4 、主要信号控制参数的确定 1 ) 周期长的确定 环道上两相位的有效绿时长及绿间隔时长的和为周期时长。由于环道上允许左转车等候，因而 周期长不能小于环道上左转车排放时间的总和设对应于第i 个进口环道上停候的左转车排放时间 为t d ，则其平均值为 f d 一( c l 一6 ) ( 1 t ) + 1 9 5 ( 4 6 ) 式中： sc - 环道上的饱和流率 i = 1 ，2 ，3 ，4 取b 为同相位中各路停候左转车排放时间之最大值，于是环道上车流所需的最短信号周期时间 c c 为： e 一也+ ) 其中，i 为各相位损失时间。 在进口道，直行车流所需的信号周期时间可按w e b s t e r 公式计算， ( 4 7 ) 东南大学硕士学位论文 c 。一( 1 5 l + 5 ) o y ) 式中： i r 一每周期的总损失时间。 y = _ ， y 第j 相位的直行车道流量比的最大值，即： _ ) ，一m a x 仞，s 。，q li s c 于是，环交的周期长取为： c - m a x c , ，c c ( 4 8 ) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) 对于进口道，依w e b s t e r 方法计算直行车辆相位所需的周期时长，再比较二个周期时长的大小， 取其大者为实际周期时长。一般可取周期时长为1 2 0p 1 5 0s 。 2 ) 环道信号的灯色设置及实际绿灯时间 为避免环道控制对进口道左转车流的信息干扰，避免驾驶员对环道信号的误解，简化环道信号 是必需的。当行驶在环道上的左转车流通过第二停车线时，可能与其发生冲突的对侧直行车流已经 放红灯，不会发生冲突，因此，环道信号两相位配时可只设置红灯、绿灯时间，不设黄灯时间，于 是，环道的每周期实际绿灯时间即为周期时间。环道各相位实际绿灯时间依各相位对应的环道容量 的最大值之比来确定： g j - c 。m a x c 驯，c 二( ，+ 2 ) i t ( 4 1 2 ) 其中， - 1 ，2 3 ) 环道相位与进口道相位的衔接 环道上等候的车辆须在下一个相位车流之前通过交叉口，因而环道相位与下一进口道相位的时 间著是配时方案中的又一个技术关键，需利用环道限定车速，第一停车线与相邻进口道左转车流之 间的冲突点的距离，黄灯时间，全红时问等参数计算，并采用联动方式实施。参见图4 2 ，设上一相 位环道上最后一辆等候车辆到交织点a 的行驶距离d 3 ，又若通过交叉口的饱和流率为& ，环道限定 车速为v o ，则上相位环道绿灯与本相位为进口道绿灯的启动时问差为 t g ，一1 s c 一2 d 3 9 0 ( 4 1 3 ) 此即环道相位与进口道相位的衔接时间。 4 ) 进口道每周期和各相位的有效绿灯时间 按饱和度相等配时法配时，通常是依各进口道流量比来确定各相位的有效绿灯时间。但本方案 中，由于环道上允许停放的左转车辆数是定值，因而每个周期的左转车最大通行能力也是定值。为 此确定配时方案时，要考虑环道允许等候的左转车数量。当左转车流量较大时，依环道左转车容量 所需的左转车排放时间来确定每周期的有效绿灯时间。 设本向左转车在环道上允许停放的车辆数为m 辆，则本向左转车从环道上排放完毕所需的理论 时间为： z ；一1 5 + 2 7 ( 册一4 ) ( 4 1 4 ) 其中m 为本向左转车在环道上，靠近环岛的第一条左转车道上的停放车辆数。同样方法可以计 算对向左转车在环道上停放车量的排放时间理论值焉。于是环道上本相位的有效绿灯时间不能小 于： 3 8 正一口本， ( 4 1 5 ) 当左转车流量较大时，可依左转车允许停放车辆比来确定各相位有效绿灯时间：当直行车流量 较大时，可依直行车流董比w e b s t e r 方法确定有效绿灯时间。 5 ) 进口道绿灯间隔时间与黄灯时间 由于大型交3 l n 的进i z i 道与出口道间距较一般平面交叉口大，交通信号相位切换的衔接时间若 采用3s 的黄灯时问，可能会导致黄灯末通过停车线的直行车辆与另一相位初期驶出的车辆( 左转车 或直行车) 冲突，因而需要重新确定绿灯时隔时间和黄灯时间长。 如图4 2 所示，设在黄灯初( 或绿灯末) 通过第一停车线的距离为x 。，本向直行车驶过该冲突 点时两车的安全距离为) 【2 ，该冲突点到右侧相邻进1 3 道停车线的距离为x ，绿灯间隔时间为l ，则 有： t l + 0 1 + 工2 ) i v o 之f o + 2 x 3 v o + ， ( 4 1 6 ) 由上式可算得适合于本进口道t l 的理论值，同一方法可计算出适合于其它3 条进口道h 的理论 值，4 个进口道t l 值的最大者，取为本交叉口配时方案的绿灯间隔时问l ，又设黄灯时间长为a ，则 由 i - a + 风( 4 1 7 ) 可确定黄灯时间长a ( r 0 为全红时间长) 6 ) 相位图 东西进口递 东西环道 南j l ：i 惹口道 南j 匕环递 图4 5 相位图示意 4 2 2 2 左转两步控制方法的改进 环形交叉口左转两步控制理论作为一种将环形交叉n 特性与交叉r a 信号控制理论有机结合的方 法，自提出以来，在国际上得到广泛的关注，并在国内得到了一定的应用。但在实际应用中，由于 交通情况的复杂性以及控制方法本身存在的局限性，表现出的主要问题是环形交叉口信号控制方法 为对称式配时。环形交叉口对称式控制方法存在着饱和度不均衡，部分进口绿灯时间利用不充分等 问题a 本文根据环形交叉口内部各流向之间的不对称性，给出了基于非对称性的环形交叉口优化控 制方法。该方法能够在一定程度上实现各进口道饱和度均衡的目标。充分利用各进口道的绿灯时间， 使环形交叉口的时空资源得到了充分的利用。 1 、根据上一节介绍的方法得到了信号周期c ，可以通过下式计算出周期的总有效绿灯时间g o g o c 一罗( ，一44 - f ) ( 4 1 8 ) 式中： g 旷每周期的总有效绿灯时间( s ) ： 卜豫灯间隔时问( s ) ： c - - 环形交叉口的控制周期( s ) ； a 黄灯时阃( s ) ； 3 9 东南大学硕士学位论文 卜一启动损失时间( s ) 。 2 、直行相位初始绿灯时间的确定 环形交叉口直行相位的初始绿灯时间按照直行车流的流量比来确定，即： g u + 2 ) o 兰g o l “j + 2 ) o ( 4 1 9 ) 式中： 占枷+ 2 ) o 第i 及i + 2 进口直行初始绿灯时间( s ) ； g r 一每周期的有效绿灯时间( s ) ： ac u + 2 ，o _ 一第i 及第i + 2 进口直行相位初始绿信比，具体计算公式如下： a 。；竺坐型(420)2)0 ( j 一。了一 l q 式中： _ ) ，第i 进口直行车辆的流量比； y m 组成周期的全部信号相位最大值之和。 3 、非对称性的判断 环形交叉口存在非对称性的原因在于环形交叉口各进口的流量以及流量比存在一定的差异，致 使在对称配时情况下，流量比相对较小一侧的进口绿灯时间利用不充分，从而导致该进口通行能力 的浪费以及其它进口延误的增加。因此要判断是否存在不对称性，需要从进口道总流量以及关键流 向的流量比两个方面进行分析判断。 由于各进口不对称性总是存在对的，而对于交叉口控制来说，需要对控制可靠性进行一定的考 虑，因此只有当相对两进口的总流量以及关键流向的流量比相差达到一定程度时，才需要对信号配 时进行不对称性的修正。 1 ) 总流量约束 当相对两进口的总流量差值超过a 即 ! ! ! 二! ! ! ! ! 口( 4 2 1 ) 吼+ q “2 式中： q l 第i 进口的总流量( p c u h ) ； a 相对两进口总流量差值范围，需要针对各环形交叉口的实际情况进行标定。根据实践， 依据环形交叉口的重要程度以及交叉口饱和度的不同，建议在0 0 5 o 0 8 之间取值。饱和度较高的重 要环形交叉口，为提高其通行效率，可取较低值；饱和度较低或非关键交叉口，为降低其控制难度， 提高可靠性，可采用较高值。 2 ) 关键流向流量比约束 对于环形交叉口某一进口道而言，直行车流的流量比是该相位的关键流量比，因此需要对相对 两进口的直行车流的流量比进行比较，当差值大于b 时，判断满足关键流量比不对称约束，即： i y 一y 郇+ 2 ) l b ( 4 2 2 ) 式中： y 广一第i 进口的直行车流量比； 卜相对两进口直行流量比差值范围，需要针对各环形交叉口的实际情况进行标定。根据实践， 依据环形交叉口的重要程度以及交叉口饱和度的不同，建议在0 0 5 0 1 之间取值。饱和度较高的重 要环形交叉口，为提高其通行效率，可取较低值，饱和度较低或非关键交叉口，为降低其控制难度， 柏 第四章十字环形交叉口的交通信号控制研究 提高可靠性，可采用较高值。 3 ) 不对称性的判断 对于环形交义口，非对称性判定的对象包括整个交叉口以及相对的两个进口道两类。 对于相对两进口道，需要同时满足总流量约束以及关键流向流量比约束两个条件才能判定存在 非对称性，即： q l + 2 苫4 及 2 ) 1 2 6 同时成立 之a 及 i y a i - y a ( i + 2 ) 1 2 6 不同时成立 ( 4 2 3 ) 式中； q m 2 第i 向和第i + 2 向之间的不对称系数，当第i 向和第i4 - 2 向之间存在不对称时， q + 2 为1 ，当第i 向和第i + 2 向之间不存在不对称时，q + 2 为o 。 4 、非对称附加绿灯时间的确定 对非对称性进行定性的判断后，需要对环型交叉口的初始控制方案进行基于进口道非对称性的 优化配时调整。由于在信号控制环形交叉口中，对直行相位的配时是整个控制方案的基础，其它流 向的绿灯时间是在直行绿灯时间的基础上确定的，因此对环型交叉口初始控制方案的优化配时调整 首先需要对直行绿灯时间进行优化设计。 图4 6 环形交叉i i 信号控制设施设计图 如图4 6 所示，对于相对两进口的直行车流( 以a 、c 断面为例，假设通过断面的直行车流量比 相对较小) ，判断其存在不对称性后，需要根据直行车流的流量比差值对直行绿灯时间进行修正， 即将流量比相对较小一侧( a 断面) 的直行绿灯提早结束，同时将对向第二停车线( e 断面) 以及右 侧进口第一停车线( d 断面) 提前放行。绿灯时问变化的差值f “m 2 计算公式如下： r “，+ ：q t ，+ ：g - t ，+ ：， - 一 ：i ： ：；：。i ；等 c 。2 ， 玎，引+ 生口一砸饥一纵 二“ 弘 二+ l旧医卜匦阮 k 陋畦 东南大学硕士学位论文 式中： f “+ 2 第i 向和第i + 2 向之间的非对称附加绿灯时间( s ) ； q m 2 第i 向和第i + 2 向之间的不对称系数； 如( u + 2 ) 第i 及第i + 2 进口直行初始绿灯时间( s ) ； ) ，第i 进口的直行车流量比。 5 、控制方案的优化 在确定直行绿灯的非对称附加绿灯时间后，可以对初始配时方案进行基于进口道非对称性的优 化配时调整，具体调整方法如下。 1 ) 直行绿灯时间的优化 对直行初始绿灯时间进行优化修正时需要注意：不仅要考虑本向道路的不对称绿灯时间修正， 同时还要考虑相交道路不对称绿灯时间修正对本向直行绿灯时间的影响。具体确定公式如下： g - g ( i + 2 ) o - p f “i j + 2 + 6 f “f 椰+ 3 ( 4 2 5 ) 式中： b y m 2 y 删 1 1 ) ，s y a o + 2 ) 6 。0 _ ) ，删乏y a o + 3 ) 1 y a o + 1 ) sy j “+ 3 ) 式中： g 第i 进口直行优化绿灯时间( s ) 。 乳“j + 2 ) o 第i 及第i + 2 进口直行初始绿灯时间( s ) ； b 、6 两个( 0 ，1 ) 函数，其作用是判断是否应该在第i 进口直行初始绿灯时间的基础上增 加或减少非对称附加绿灯时间； f “m 2 第i 向和第i + 2 向之间的非对称附加绿灯时间( s ) ； f “+ ，第i + 1 向( 第i 向左侧进口) 和第i4 - 3 向( 第i 向右侧进口) 之间的非对称附加绿 灯时间( s ) 。 2 ) 左转绿灯时间的优化 在确定左转优化绿灯时间时，需要以直行优化绿灯时间为基础，同时还需要考虑环道容量的约 束，关于环道容量的确定方法可详见参考文献 2 2 1 。左转优化绿灯时间的确定应分为3 种不同的情况 进行讨论，即： 单周期内左转车流量大于环道容量； 单周期内左转车流量小于环道容量，且本向左转车流量比大于本向直行车流量比： 单周期内左转车流量小于环道容量，且本向左转车流量比小于本向直行车流量比。具体确定 公式如下： 第四章十字环形交叉口的交通信号控制研究 g = m i n 【a 一咒c 。a p 。磁s i , 】 ( q m 之翻咏劫 ( q 成x g o i ：4 只筝越，且y 尉2y a ) ( 4 2 6 ) ( q 删x g o c 膈粒，且y 肼y ) 式中： g k 第i 进口左转优化绿灯时间( s ) ； g 第i 进口直行优化绿灯时间( s ) ； c ：t 越第i 进口所对应的环道内所能够容纳的最大左转车辆数( p c u ) ； 弗第i 进口所对应的左转环道数( 条) ； 第i 进口左转车辆饱和流量( p c u s ) ； q 矗第i 进口的左转车流量( p c u s ) ； o o 每周期的总有效绿灯时间( s ) ； y 第i 进口的左转车流量比； ) ，第i 进口的直行车流量比。 3 ) 第二停车线绿灯时间的优化 由于本向第二停车线放行车辆与对向第一停车线放行车辆之间存在冲突，且由式( 4 2 6 ) 可以看 出，第一停车线直行车辆放行时间总是大于等于左转车辆放行时间。因此本向第二停车线的绿灯时 间确定是由对向第一停车线的直行优化绿灯时间决定的。具体确定公式如下： g 一c 一2 ，一g a o + 2 ) ( 4 2 7 ) 式中： g n 第i 进口第二停车线优化绿灯时间( s ) ； c 一环型交叉口的控制周期( s ) ； ，肼第i 进口第二停车线绿灯与第i + 2 进口直行绿灯之间的间隔时间( s ) ； 以“+ 2 ，第i + 2 进口直行优化绿灯时间( s ) 6 、结论 该方法能够在一定程度上实现各进口道饱和度均衡的目标，充分利用各进口道的绿灯时间，使 环形交叉口的时空资源得到了充分的