（交通运输规划与管理专业论文）城市道路交叉口信号配时设计方法研究.pdf

摘要 随着经济的发展和城市化水平的提高，城市交通m 题f 益突出。如何充分利 用现有道路资源，通过科学合理的交通控制手段，最人限度的提高信号交叉口的 通过能力、降低延迟时川一直是交通工程领域重要的研究课题。在诸多交通控制 手段中，优化信号配时是最直接有效的方法之。 本文介绍了交义口的一股背景知i i 重点阐述了平面信号交叉口的交通控制 的设置原理。在此基础上，对北京市某交叉口进行解剖，分析其在现有交通控制 方案f 的通行能力和服务水平，发现此交叉口交通控制方案已老化，分析l 其成 因根据观测数据给出了交通抟! 制更新方案。设计了信号交义口微观仿真软件来 实现信号配时优化设计。介绍了仿真软件设计的总思路、框架及流程图，总结了 在编程实现过程。 r 一些具体收扶和疑难点，并对今后的工作提出殴想。 城市交义口把城市道路相瓦连接起来构成道路网，其通行能力制约着城市道 路的通达，是影响道路畅通的瓶颈。解决好城f h 交叉i 的交通控制管理，挖掘现 有交通资源的潜力，提高交叉口通行能力，减少在交叉f _ 】处的停车与延误，足一 项利国利民的重要研究工作，本文在这方面做了些探讨，望能为早同实现我国 交叉口设计、控制、管理的智能化、集成化和号家知识系统库尽一份力量。 关键词：交叉口通行能力信弓配时优化微观仿真 一i i tl 业人学坝1 。论文 a b s t r a c t s i g n a l i z e di n t e ts e c l io nm a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1 s i g n a i z e di n t e r s e c t i o n h a sb e e nb e c o m et h eb e t t le - n e c k0 fc i t yt r a f f i c s oi t i ss i g n i f i c a n tt o r e s e a r c ht r a f f i cc h a r a c t e ra ts i gr l a liz e din 1 ，e r s e cl i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc o m m o nb a c k gro h h dk n o w le d g e0 f in t e r s e cl i o i l m a i l 3 l yd e s c r i b e st r a f l f icc e n t r e lp r i n c i p l e b a s e d0 1 3t h et h e o r yo ft r a f f i c c o n t r o la ts i g n a l i z e di n t e l s e c t i o n o n eo fi n t e r s e c t i o n so fb e ij i n gc i t y i sa n a t o m iz e d ，w h o s e c a p a c i t ya n ds e r v i c el e v e lu n d e rc u r r e n tt r a f l f i c c o i l t r 0 1s c h e m ea r ew o f k e do h t w et l i n dt h a t t h et r a f f i cc e n t r e ls c h e m e 0 ft h ei n t e r s e c t i o ni so u t d a t e da n dg iv eah e ws c h e m eb a s e do nf i e l d o b s e r v a t i o n s t h er u l et h a tt r a ( f i cc o n lr 0 1s c h e m eo fs i g n a li z e d i n t e r s e c t i o nn e e d sr e n e w i n gt i m e l yi s p u t f o r w a r d a n di t sr e a s o ni s a n a l y z e df u r t h e r t h ed e s i g no f s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nm i c r o s c o p i c s i m u l a t i o ns o f t w a r eisi no r d e rt oo p t i m iz es i g n a lt i m i n g t h ep a p e r i n t r o d u c e sit sw h o l ei d e a ，f r a m e w o r ka n df 、1 0 wc h a r t ，s u m m a r iz e ss o m e a c h ie v e m e n t sa n dp r o b l e m sd u r in gp r o g r a m m i n gar i db r i n g sf o r w a r d s u g g e s ti o nf o rf u t u r ew o r k i n t e r s e c t i o ni nac i t yist h ej o i n to fr o a dn e t w o r k ，w h i c hp 1 a y sa 1 i m p o r t a n tr o l e i nr o a dc a p a c i t ya n ds e f v ic e i ti s v e r yi m p o r t a n ta n d v a l u a h let h a tw es h e u l dt r yo u rb e s tt em a n a g ec it yi n t e r s e c t i o nt r a f f i c c o d t r o la n dd i gd e e p l yc u f f e d ttr a f t i cresouic es o a st oi m p r o v e i n t e r s e c t i o nc a p a c i t ya n dd e c r e a s ed e l a ya n dq u e u e1 e n g t h a1 itt l ew o r k 两北r 业入学坝i 论文 i n c l u d e di nt h ep a p e r0 nt h es t u d yt l i e l di sf o fp r ( ) m o t f n gd e s i g n i n ga n d c o n t r o l n gc i v in t er s e 【、t i ( ) 1 3 s in t e 【l i g e n t , 1ya n di n t e g r a t i v e iv k e yw o r d s ：i n t e r s e c t i o n 、c a p a c i t y 、s i g n a lt i m in g 、o p t i m iz e 、 m j c r o s c o p ics i m u l a t i o n 两北丁业人学硼h 仑丈 第一章绪论 随着经济的发展和人民生活水平的提高，交通话动已成为人们生活中的重要 组成部分。二十世纪以来，汽车i 业的发展推动了交通的发展，城市道路建设、 高速公路的铺设以及路网的形成，使交通不断繁荣。交通的发展，促进厂人类社 会的不断进步，而社会的进步，又促进了交通设施的建设、交通工具的改进。但 是随着汽车数量迅猛增氏，城市道路面临着闩益捌挤的交通问题。交通捎j 挤导致 时间延误，交通事故增多，环境污染加剧燃油损耗上升。与此同时，世界各国 展开了对城市交通控制系统的研究。 1 1 城市交通信号系统的演变 从1 8 6 8 年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，勃置市交通信号机由手动到自 动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到线控和面控，从无 车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年的发展。到1 9 6 3 年加拿大多伦多市建 立了一套使用i b m 6 5 0 魁计算机的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市 道路交通信号系统的发展进入了一个新的阶段。各个时期典型交通信号系统的特 征如附表所示。之后，美国、英圈、前联邦德国、r 本、澳大利亚等国家相继建 成数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一股还配备交通监视系统组成交 通管制中心。n s 0 年代初，全世界建有交通管制巾心的城市有3 0 0 多个。 附表变通信号系统的发展状况 简时间控制路信号检洲控制方 国别城市名称 韵i( 年)l j 数周j l j _ |器 1 8 6 8 英国伦敦燃气色刘 旦 f 1 9 】4 美国克利夫兰电力色刈 邑 ff 点 单点定周州自动信号 控1 9 2 6 英国各城市 监 正 自动 机 1 9 2 8 美国并城订了感廊式白动信号机 韭 正气压式白动 1 9 1 7 美国盐洲城 手控千道协凋系统6 个定人1 ： 电子计时干道协渊系 线1 9 2 2 美国休斯敦 1 2 个 定电动 统 控 步进式定时干道协调多个 1 9 2 8 美国各城市 变 ! l h 动 系统( 线) 模拟计算机交通信多个 忙 1 9 5 2 炎国丹佛变气压式计算机 号控制系统( 刚) 加拿数字训钎= 机协惘感多个 1 9 6 3 多伦多变电磁式计算机 夫应交通控制系统( 网) 1 2 世界上几种典型的城市道路交通控制系统 随着计算机技术和自动控制技术的发展以及交通流理论的不断发展完善， 交通运输组织与优化理论、技术的不断提高交通管制中心的功能得到了增强， 控制手段也越来越先进，形成了一批高水平有实效的城市道路交通控制系统。 从系统结构与控制方式上分，有集中式计算机控制系统( 控制中一1 5 的计算机 处理道路网上的所有信息，并司各路口发u 控制指令) 和分佃式计算机控制系统 ( 由中央、地区、路口控制三级组成，各级电脑负责自己控制区域并执行上一级 控制指令) 。从系统控制战略上分，有静态系统f 根据历史交通流数据优化信号配 时) 和动态系统( 根据检测器适时采集的交通流数据优化信号配时) ：从控制区域的 路网结构上分，有开环网络的闭环网络：从系统功能上看兼有监视、控制和诱导 功能。 当前世界各国广泛使用的最具代表性且有实效性的城市道路交通信号控制 系统有三个。 1 、英国t r a n s y t 交通信号控制系统 t r a n s y t 是由英国道路研究所花费近十年时间研制成功的控制系统，经过 不断改进，己发展到t r a n s y r - 8 型，它的主要技术特 正宵： 控制模式：静态模式。 系统目标：平均延误时| - l | j 、停车次数、排队长度最小。 参数特征：绿信比( s ) 与相位差( 0 ) 是通过建立优化数学模型计算，即是优 化确定的；周期( c ) 不进行优化，仪从事先确定的局案中通过比较各运行指标选 出最佳的，即是选择性确定。 寻优方法：爬山法。 t r a n s y t 系统被 进界4 0 0 多个城市采用，是目前最成功的静态系统。但它 存在几个不足的地方：第一，计算量大，在大城市中这一问题尤为突出：第二， 不对周期进行优化，实际上很难获得整体最优配时方案：第三，它是离线优化， 需要大量的路网几何、交通流数据，需要花费大量的人力、物力、财力。 2 、澳大利亚s c a t 系统 s c a t 是澳大利亚于7 0 年代术丌发的。s c a t 采用先进的计算机网络技术，呈 计算机分层递阶形式，结构为模块形式。s c a 1 1 的技术特征有： 控制模式：地区级，联机，中央控制，联机与脱机同时进行。 系统目标：饱和度最大及通过带宽度最大。 参数特征：在预先确定的多个s 、c 、o 中选择合适的参数。 哥优方法：无实时交通模，比较选择法。 s c a t 系统充分体现了计算机嘲络技术的突出优点，结构易于更改，控制方 案较为容易变换。然而s c a t 系统也有几个明显的不足：第一，s c a t 系统实为 种方案选择系统，限制了配时参数的优化程度：第二，s c a t 系统过分依赖于计 算机硬件，移植能力差：第三，选择控制方案时，无实时信启、反馈。 3 、英国s c o o t 系统 s c o o t ( s p l i tc y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o nt c c h n i q u e ) 也是由英国道路研究所在 t r a n s y t 系统的基础上采用自适应控制方法，经过八年的研究于1 9 8 0 年提出的 动态交通控制系统。s c o o j l 采用实时控制，获得了明显优于静态系统的效果 被许多国家采用。 s c o o t 的主要技术特征有： 控制模式：联机实时模式，即动态模式。 系统目标：费用最小为优化目标。 参数特征：s 、o 、c 均透过建立优化数学模型计算。 寻优方法：小步长渐进寻优方法。 s c o o t 系统同样存在不足的情况。第一，相位不能自动增减，任何路口只能 有固定的相序：独立的控制子区的划分不能自动完成，只能人1 j 完成：第二，安 装调试困难，对用户的技术要求过高。 这三个系统我们将在第四章中进行详细的介绍。 1 3 中国城市交通的状况及控制系统的使用情况 1 3 1 中国的城市交通状况 由于中国城市受经济发展水平的制约，形成了畸形落后和不胜负荷的局面， l 、城市道路结构不合理 目前中国城市交通以路上交通为主，大多数城市道路空f 刮结构属平面交通状 态，形成“人车混行，快慢车混驶”的特点。道路系统布局多采用简单的平面方 格形式，难以适应交通系统现代化管理的需要。路网功能的结构层次混乱，主、 次于道和支线比例失调，衔接关系紊乱，使于线道路难以发挥其功能。 就道路面积来说，中国城市道路面积率低于世界上同舰模的大城市。据统计 资料( 1 9 9 3 年统计资料) ，中国城市道路面积率平均不足7 ，人均道路面积也低于 世界上同规模的大城市。 两北t 业 学坝l 诒业 系统目标：饱和度最大及通过带宽度最大。 参数特征：在预先确定的多个s 、c 、o 中选择合适的参数， 哥优方浊：无实时交通模比较选择法。 s c a t 系统充分体现了训算机嘲络技术的突优点，结构易于更改，控制方 案较为容易变换。然而s c a t 系统也有l 个明显的不足：第一，s c a t 系统实为 种方案选择系统，限制了配刚参数的优化程度；第二，s c a t 系统过分依赖于计 算机硬件，移植能力差：第三，选择控制方案时，无实时信息反馈。 3 、英国s c o o t 系统 s c o o t ( s p l i t c y c l e o f f s e t o p l i m i z a t i o n t c c l m i q u e ) 也足由英国道路研究所在 t r a n s y t 系统的基础卜采用自适应挖制方法，经过八年的研究_ 丁1 9 8 0 年提出的 动态交通控制系统。s c o o t 采用实时控制获得了明显优于静态系统的效果， 被许多国家采用。 s c o o t 的主要技术特征有： 控制模式：跃机实时模式，即动态模式。 系统目标：费用最小为优化目标。 参数特征：s 、0 、c 均透过建市优化数学模型计算。 寻优方法：小步长渐进寻优方法。 s c o o t 系统同样存在不足的情况。第一，相位不能自动增减，任何路口只能 有固定的相序：独立的控制了医的划分不能自动完成，只能人工完成：第二，安 装调试刚难，对用户的技术篓求过高。 这三个系统我们将在第四章中进行详细的介绍。 1 3 中国城市交通的状况及控制系统的使用情况 1 3 1 中国的城市交通状况 由于中固城市受经济发展水平的制约，形成了畸形落后和不胜负荷的局而 1 、城市道路结构小合理 目前中国城市交通以路上交通为主，大多数城市道路空问结构属甲面交通状 态，形成“人牟混行，快慢牟混驶”的特点。道路系统柏局多采用简单的平而方 格形式，难以适应交通系统玑 化管理的需要。路州功能的结构层次混乱，主、 次千道和支线比例失调，衔接关系紊乱，使干线道路难以发挥其功能。 就道路面积米说，中国城市道路面积率低于世界上同规模的大城市。据统计 资料( 1 9 9 3 年统计资料) ，中国城市道路面积率平均不足7 ，人均道路面积也低于 世界上同规模的大城市。 世界上同规模的大城市。 系统目标：饱和度最大及通过带宽度最大。 参数特征：在预先确定的多个s 、c 、o 中选择合适的参数。 哥优方法：无实时交通模，比较选择法。 s c a t 系统充分体现了计算机嘲络技术的突出优点，结构易于更改，控制方 案较为容易变换。然而s c a t 系统也有几个明显的不足：第一，s c a t 系统实为 种方案选择系统，限制了配时参数的优化程度：第二，s c a t 系统过分依赖于计 算机硬件，移植能力差：第三，选择控制方案时，无实时信启、反馈。 3 、英国s c o o t 系统 s c o o t ( s p l i tc y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o nt c c h n i q u e ) 也是由英国道路研究所在 t r a n s y t 系统的基础上采用自适应控制方法，经过八年的研究于1 9 8 0 年提出的 动态交通控制系统。s c o o j l 采用实时控制，获得了明显优于静态系统的效果 被许多国家采用。 s c o o t 的主要技术特征有： 控制模式：联机实时模式，即动态模式。 系统目标：费用最小为优化目标。 参数特征：s 、o 、c 均透过建立优化数学模型计算。 寻优方法：小步长渐进寻优方法。 s c o o t 系统同样存在不足的情况。第一，相位不能自动增减，任何路口只能 有固定的相序：独立的控制子区的划分不能自动完成，只能人1 j 完成：第二，安 装调试困难，对用户的技术要求过高。 这三个系统我们将在第四章中进行详细的介绍。 1 3 中国城市交通的状况及控制系统的使用情况 1 3 1 中国的城市交通状况 由于中国城市受经济发展水平的制约，形成了畸形落后和不胜负荷的局面， l 、城市道路结构不合理 目前中国城市交通以路上交通为主，大多数城市道路空f 刮结构属平面交通状 态，形成“人车混行，快慢车混驶”的特点。道路系统布局多采用简单的平面方 格形式，难以适应交通系统现代化管理的需要。路网功能的结构层次混乱，主、 次于道和支线比例失调，衔接关系紊乱，使于线道路难以发挥其功能。 就道路面积来说，中国城市道路面积率低于世界上同舰模的大城市。据统计 资料( 1 9 9 3 年统计资料) ，中国城市道路面积率平均不足7 ，人均道路面积也低于 世界上同规模的大城市。 阴北t 业人学坝卜论文 参数北京l 海 大津 尔康华盛顿 巴黎 城f 1 j 道路面积( ) 5 86 4 47 1 354 3 2 58 人均道路面枞( m 2 人)6 021 841 361 0 19 3 2 、交通出行结构失调 中国城市交通主要由各种机动车、非机动车和行人构成，形成特殊的三元混 合交通结构。变通方式可分为两大类，即公共交通利私人交通，其中公共交通由 公共汽车( 包括有、无轨电车) 、地铁、高架桥、出租汽车组成：私人交通主要由 自行车、摩托车、私人小汽车及步行交通构成。由于这些交通方式的自身特点使 它们能够在系统中共存。另外，由于系统所具有的自组织自能力，并在外界交通 环境的协同作用下形成了各种交通方式问的制约与平衡。因此，对某一种交通 方式来说，不能任其自山发展，否则会破坏这种平衡状态，使系统出现问题。 目前中国城市的交通结构，由j 二公共交通畸形落后、不胜负荷的局面，在一 定程度上刺激了私人变通的发展，目村主要体现在对自行车、私人交通需求的急 刷增长，使交通方式问比例严重失调。据调查，大部分城市公交车与自行车出行 比例为2 ：8 l ：9 或更加严重，导致的结果是巨大的自行车流，特别是上下班高峰 期渊势如潮涌，并与机动车争道抢行，阻碍诉常交通。这种局面反过来又影响 了公共交通的服务水平由于大量出行被自行车吸引，使公共交通经营陷入困境， 低劣的服务水平又增大了广大群众的不信任感，义增加了对私有交通的倾向。这 更加重了城市交通系统的紊乱。 3 、交通管理技术水平低，交通事故频繁。 我国城市交通管理和交通安全的现代化设施极少。以北京与东京比较，两市 部有一个交通管制中心，但北京变通控制中心管理路口数目仅是东京的3 ，交 通标志数是东京7 ，人行横道数是东京的4 8 ，人行天桥数是东京的3 6 ，地 下人行过街足东京的5 ，我国的交通事故率居高不下，j 车事故死亡率北京为6 人( 国内为最小的城市) ，而东京仅为19 a 。 1 3 2 我国的城市道路交通控制系统 我国的城市交通控制系统方面的工作起步较晚，在二十世纪七十年代后期北 京市开始采用d j s 一1 3 0 型计算机进i j ：1 干道协调控制的研究。二十世纪八十年代 以来，城市道路交通问题越来越严重。国家一方面进行以改善城市市中心交通为 核心的u t s m 技术研究；另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城 市道路交通控制系统。现以北京使用的交通信号控制系统进行说明，北京使用的 交通控制系统主要是简易单点信号机、s c o o t 系统和t r a n s y t 系统。 1 、简易单点信号机可以用来实现手动或自动控制的交叉口单点定时控制， 并且具有夜晚黄1 j 控制功能，使用方便并且成本低。 4 2 、m s k e 2 0 型微处理器路h 信号机它是属于t r a n s y t 系统，具有自动运 行、中心控制、人工控制、无电缆协调控制、黄闪控制、手动控制、备用方式等 功能。 3 、t - 2 0 0 m k 2 型路口信号机，它是属f s c 0 0 7 r 系统，具有自动运行、中心 控制、人工控制、黄i 刈控制、及降级控制模式( 包括区域协调控制、无电缆协调 控制、单点感应控制、单点定时控制、手动操作控制模式) 。 这些信号系统虽然取得了满意的效果，但中国的国情决定了需要对这些系统 进行改进，主要体现在： 1 、需要完善信号控制这些信号系统一般只能实现两相位控制，存在一定 的局限性。而在实际中，如果根据交叉路口的情况，适当采用多相位控制、变相 序控制，可减少交叉路口的交通冲突，提高交通的安全性。 2 、需要合理解决混合交通流问题目前自行车流的放行几乎都是和机动车 的放行同时开始，容易造成交通流的冲突。因此，需要设计出一种信号系统能对 各个相位包括对自行车流单独进行控制。 3 、国产化率低目日n 先进的信号控制系统的国产化率比较低，进口费用昂 贵。因此应该设计出微机化、模块化的信号系统。 1 4 论文要解决的问题和工作要点 针对以上问题，本文对城市道路交叉口的信号配时进行仿真和优化研究。在 介绍交通流、信号配时等基本理论的基础上，分析了城市交通信号控制系统，对 信号交叉口控制进行优化研究运用微观仿真方法优化信号配时。 论文各章节的内容如下：第：二章介绍了信号配时模型，第三章介绍了城市交 通信号控制系统，第四章介绍了信号交叉 j 优化系统研究，第五章介绍了运用微 观仿真方法优化信号配时。 第二章信号配时模型 信号配时就是根据交叉l 】的道路情况及交叉e 1 各进口道车辆流向和流量束 确定信号周期时长在各相位的分配方案。信号配时方案一般用信号配时图来表 示，下图是一种最基本的两相化信号配时图。 l i 取蹲路 渐：e 鼙 ：b 二 嗣甜 熏t r 简辊“衙、嚣 ， 袋心、 忒泌k 第一相鞋l f 闻 ， 篇二据证时间 。 l 一蛙玎 ：= ： 荤t 蕊蕊l s 图曩玎 幽2 ，l 两相伊信q 配时i 到 图中第一相位，对不同方向显示的灯色组合是：东西向道路放绿灯，南北 向道路放红灯r 东西向车辆可以通行，南北向车辆禁止通行：第二相位改东西向 道路放红灯南北向道路放绿灯，即南北向车辆r 叮以通行，东西向车辆禁止通行。 2 1 信号配时参数 1 、流量比率) ， 流量比率又称饱和度，是单位时间内实际流量同饱和流量之比。车道流量比 率即为各进口道实际车流量同该车道饱和流量之比。通常车道流量比率最高的相 位称之为关键相位，它对整个交叉口的通过能力和信号配时起决定作用。流量比 率的计算公式为： 两北t 、l k 凡学颁。i + 论义 y i 车道流鼍比率 g r i 车道到达流量 ( 2 一1 ) 5 i i 车道饱和流最 2 、绿灯间隔时间i 绿灯间隔时间又称路口腾清时问，是指从上一相位绿灯结束到本相位绿灯开 始的这段时问，通常等于黄灯时问，它是为避免下一相位头车同上相位尾车在交 叉口相撞而设置。按车辆从停车线到最远的冲突点之间的行驶时间计算，计算公 式为： ，= 二+ r( 22 ) v l 绿灯间隔时问 s 从停车线到冲突点最远距离 v 车辆在进口道】，：的行驶车速 t 一车辆制动时间 3 、起动损失时自jl 绿灯启亮后，车辆不可能立& h 起动开出停车线在每个相位绿灯初期，车辆 因起动而实际并未用于通车的一段绿灯时间，为相位绿初损失时间。在黄灯后期 车辆不能通行这段时间为相位黄米损失时间，二者合在一起统称为起动损失时 间。如图2 2 所示。 帅 簿栅棚失时嘲 黄_ 采 ；l 失时渊_一 ； 暂技绿灯孵铺 。 域雌黄蕾 ，、 、， i 。 l、 幽2 2 有败绿划时间和损火时间 4 、有效绿灯时侧 在显示绿灯时阳j 和黄灯时间中 为有效绿灯时间，按下面公式计算 g = g + 1 一， 式中： g 。有效绿灯时l f i j g 显示绿灯时间 a 一一黄灯叫问 ，起动损失时问 5 、时间距离图 除去起动损失时间，实际用于通车的时l u 称 ( 2 3 ) tj l 谴垃衙窒鹿 i 暮 陟 ( 要i 墨 引卞 i ；f 萼u h 雪l刀 净e 净e 号吲三 龋囊 幽2 3 时l 司距禹图 线控信号系统通常使刚时问距离图束表示信号配时，如图2 3 所示。横 坐标为距离，纵坐标为时问，图中红相和绿相h q - i n 之和为系统周期时长。其中红 相包括红灯时间和黄灯1 1 寸i u j 。因为在线控系统中，只关心系统周期时长和时差， 对每个路口的绿信比和黄l fn , 寸i b j 不予考虑，等系统周期时长和时差确定后，再针 对每个路口重新计算显示绿灯时i h j 和黄灯时f n 。 图中所画一对平行斜线所标定的时| - 白j 范围称为通过带，其宽度就是通过带宽 ( 或称为绿波带宽) ，简称带宽。以秒( s ) 或周期时长的百分比计。平行斜线的斜率 就是车辆可连续通过交叉口所需的车速，称为通过带速度，简称带速。 6 、理想信号间距 理想信号间距是使线控信号配时系统达到二维完全绿波协调控制方式( 如图 两北t 业人学坝l 论文 2 - 3 所示的那样) 所要求的交义川1 _ i j 距，凶为这种情况很难达到，凶此称之为理想 信号间距。在计算绿时差时要用到这+ 参数。 7 、协调控制方式 根据相邻信号问的相位关系可分为以下三种： a 、同步式协调控制 在同一时刻，主干道方向所有信号都最示相同灯色，这种方式主要用于车辆 在相邻交叉口之间行驶时| l r j 等于周期时长的整数倍。即： s = kv c ( 2 - 4 ) 式中： s 相邻交叉r 讣i j 距 v 主于道上平均车速 c 系统周期时长 k 一一自然数 b 、交互式协调控制 在同一时刻，主干道方向相邻信号都艘示相反灯色，这种方式主要用于车辆 在相邻交叉口之间行驶时f 日j 等于周期时长的一半的情况。即： s = vc 2( 2 5 ) c 、综合式协调控制 在同一时刻，如果相邻交叉口距离较近，则显示相同灯色，如相距较远则显 示不同灯色，这种方式灵活方便，因而得到广泛应用，本课题也采用该方式进行 信号间协调控制。 2 2 信号配时评价指标 评价指标也称效需指标，是衡量信号配时优劣的标准。交通控制效益指标有 很多，如通过能力、平均延误n , ji b j 、平均停车率、平均最大排队长度和燃油消耗 量等。其中最主要的指标有通过能力和延误时问，对于给定信号配时的路口，其 通过能力和延误h c f n l 可通过理论公式计算和计算机仿真法测定。 1 、纯理论法计算评价指标 a 、通过能力 关于通过能力的计算，许多学者如w e b s t e r ，r k i m b e r ，r a c k c e l i k 都提出 了各自的算法，在实际工程中应用最多的是r a c k c e l i k 方法。它是以饱和流量 为主要影响通过能力的因素，饱和流量是指单位时间内，通过交叉口的最多车辆 数( 折算成标准小汽车) 。影 l i q 饱和流量的因素有很多，如车辆流向构成，转弯半 径，进口道坡度，车道宽度，车道位茕等。通过能力计并公式如f ： 两北丁业人学硕【+ 论文 ( 2 6 ) ( 2 7 ) f 1 0 ，w = 3 3 7 m = o 5 5 + 0 1 4 x w ，w 3 7 m 以= 1 o 5 ( g ，l o o ) ( 2 9 ) 正= e k 。j ( 2 1 0 ) 式中： q 某方向道路通过能力 s 修f 后的入口饱和流量 五绿信比 s b 基本入口饱和流量，可由奄表得出 兀车道宽度修f 系数 厶车道坡度修正系数 f 车流构成修正系数 w 一某一方向进口车道总宽度 g 一道路坡度( j ：坡h , j - , 9 “一”- q - ，下坡时用“+ ”号) 转向某一转向车辆占该道路总车流量的比例 8 ，车辆折算肖量，直行q = l ，托转q = 3 ，右转e i = 1 2 5 b 、平均延误时问 对于信号交义门行车延误的分析与汁算，主要有三种理沦：稳态理论、定数 理论和过渡理论。其中稳态理论主要用于交叉l 。i 饱和度小于1 的情况，并假设在 观测时间段内，通过能力和车辆到达率保持不变。平均延误时削公式如下： 乃= 鹅+ 碉7 2 一o 。s 卢训 ， 式中： 五 丛f ，ll s 凡 q s 两北i 业人学坝l 论艾 一 瓦一一平均延误时问 c 一一信号周期 口交通流量 y 一流量比率( 饱和度) 兄所考察相位的绿信比 这个公式中的第项是出于正常的红灯阻滞所造成的延误，第二项和第三项 由车辆到达的随机性日i 起。 2 、计算机仿真法测定评价指标 计算机仿真法用类似实测的方法测定评价指标，当车辆驶离模拟区域后r r i p 加1 ，在计算通过能力时，以n 。作为依据；车辆延误时问是指从车辆进入模拟区 域到驶离模拟区域的这段时间减去车辆无阻滞情况下通过模拟区域所需时恻，计 算公式如f ： 门：卫3 6 0 0 ( 2 1 2 ) 式中 q 通过能力 “，一一已通过交叉口的车辆数 ”c 已运行的周期数 c 一信号周朗 乃平均车辆延误时间 0 车辆延误时间 f 一一一车辆驶离交叉门日j 刻 ( 2 1 4 ) 厶# 巧 两北r 业人学坝i j 沦史 。m 车辆进入交义口h 寸刻 ，以畅行速度( 无延误) 通过交义口所用时问 3 、信号配时目标函数 由于评价指标内部相互关联，在现实情况中，往往难以使各项指标同时都选 到最佳值。因此，通常选取其中的一项或几项，给每项评价指标赋以一个“加权 系数”，这些评价指标的加权和作为优化配时的目标函数。优化目标就是使目标 函数值达到最大。本课题中，以通过能力和延误时间为评价指标构建目标函数 r ( i ，t ) 。计算公式如下： 晰) = 基t + 铺( 1 _ t ) k 为通过能力的加权系数，q 为限定条件内所能达到的最大通过能力， k 。为限定条件内所能达到的最小平均延误时间。q 【i 和t d 【i 】分别为此次实验 的通过能力和平均延误时间。 2 3 单交叉口信号配时模型 1 、确定最佳周期的时长 以延误时、日j 作为交通效益指标，对定数理论延误公式( 2 一1 1 ) 进行求导，用近 似法可解出如下结果： c 。= 等 三一o + ，一a ) y = m a x y ，y ， 式中： e 最佳信号周期 每个周期总损失时问 y 各相位流量比率之和 ，绿灯阳j 隔时问 a 黄灯艮阳i ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 一1 8 ) ，一一启动损失时间 ，i 相位某+ 方向流量比率 i 一个周期内的相位数 增加周期时长可提高通行能力，但周期时长超过1 2 0 s 后，通行能力提高缓 慢，而延误时间增长很快，故周期刚长不宜超过1 2 0 s 。周期时长也不宜过短， 因为要考虑到车辆和行人安全通过交叉口所需最短时间。最短时间一般定为4 0 s 。 在二相位路口中，绿灯阳j 隔时问通常等于黄灯时间。故各相位总损失时间等于两 倍的起动损失时涮。 流量比率计算公式： ，4 、凸= m a x ( q 自：j 求，叮凸j 曲) 式中：碍t ，叮自t 吁凶，g 此为子方向车流量 s ，s i “，3 口，5 = 为各方向饱和流量 2 、信号配时 g e = e l 一一一b ， 嚷。q _ j g = g ，一a f ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 根据式( 2 1 6 ) 确定的最佳周期时长，可得到每周期的有效绿灯时间为g 。，把 g 。在所有信号相位之问按各相位的最大流量比率进行分配，得到各相位的有效 绿灯时间g 。和显示绿灯时川g ，然后根据图2 1 可得出各相位的红灯时间，至 此单交叉口的信号配时就结束了。 3 、单交叉口信号配时应用实例 一个两相位信号交叉口，各进口道交通量列于表2 一l ，绿灯间隔时间7 秒， 黄灯时日j3 秒起动损失时蒯3 秒，其信号配时计算步骤如下： 表2 - - 1 备进口道的交通鼙和饱乖流营 阿北t 业入学坝1 论文 项目北进口南进口尔进口曲进| = l 交通耸q 6 2 07 2 ( )3 9 04 4 0 饱和i 流量s 2 4 0 02 4 0 01 0 0 01 0 0 0 流量比率y o 2 6o 3o 3 90 4 4 m a x y ，y o 30 4 4 y07 4 根据式( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 i ) ，求出流量比率y 及y ，列于表2 - 1 第四行和第六行。 a 、每周期损失时间为：( h ，一爿) ：2 。7 ：1 4 s 1 5 l + 5 b 、最佳信号周期时长e ：l y ：1 0 0 5 c 、有效绿灯时长瓯；c 。一l ：l o 卜1 4 ；8 6 s g e n s = 3 4 s g 一= 5 2 s d 、显示绿灯时长g u s = g 一a 十，= 3 4 8 g e w ：g d r a + ，：5 2 s 2 4 多交叉口信号配时模型 城市路网中，交叉口之i i 白j 棚距较近，交叉口的车流量往往和前一路口的流量 有关，车流量呈现浪涌式的特点，如果只对单个信号交叉h 进行独笾信号配时， 一方面难以预测其车流量；另一方面，由于各路口信号缺乏关联性，会造成较高 的停车率。为了最大限度地利用道路资源，通常将一条主干道上的若干相邻交通 信号协调控制( 简称“线控”) ，或将一区域内的所有信号灯统一协调控制f 简称“面 控”) 。由于面控实施起来难度较大，目前还处于理论探索阶段。 线控信号配时是对一条主干道上的多个交叉口进行胁调控制使车辆沿主干 道行进过程中，得到连续的绿灯信号( 简称“绿波”) 。这样就可降低主干道车辆 的延误时间，但同时也不能让支干道l 的车辆长时间等待。绿波是经过沿线各路 1 ：3 信号配时的精心协调来实现的，在双向绿波信号配时的时问距离图( 图2 3 ) 上 可明显看出，这种理想的信号配时是很难达到的，凶为各路口之1 1 日j 的实际间隔是 不均匀的。只能追求最接近二维完全绿波的协调控制方式。即对各个交叉口的信 号周期、绿信比及绿灯起步时距( 时差) 作统筹安排，建立合理的相关关系，最重 要的是各路口周期时长的统一和绿灯起步时距的协调。 在计算机仿真中，根据单交叉e l 信号配时模趔确定备选周期时长，用数解法 求信号时差。实际上周期时长和时差的选择需反复计算4 能确定。基本思路是先 由备用周期时长和平均车速求出理想信号阳j 距，再求出信号时差，看通过带速利 实际车速的差距。如差距过大则调整周期时长，但周期时长也不宜太长，否则造 成绿灯时间的浪费。把多次计算的结果进行比较，从中选择最佳方案。 线控信号配时的设计方法如下： 1 、单独计算各交叉口信号配时 a 、根据各交叉口的几何参数和交通量，按单交叉口信号配时模型，分别确 定各交叉口周期时长。具体办法参见2 3 节。 b 、根据各交叉口所需周期时长及主次道路的流量比率，分别计算各交叉i z l 各相位的绿信比和显示绿灯时f t t j 。以所需周期时长最长的交叉口为关键交叉口， 其主干道方向相位为关键相位，以此周期时长作为线控系统备选周期时长。 c 、关键路口的主干道显示绿灯时川就是各交叉口对主干道必须保持的最短 绿灯显示时长：非关键路口的次干道的显示绿灯时问就是该路口次干道最短绿灯 显示时长。 d 、系统周期时长( 关捷路口周期时长) 大于非关键路口周期时长，一般来讲， 因改用系统周期时长造成的多余时间全部加给主干道的绿灯日, l - f h j ，所有路口的周 期时氏统一使用关键路口周期时长。 2 、确定信号时差 通常有两种方法求信号时差：图解法和数解法。图解法利用时间距离图 多次尝试直到找出一条合适的绿波通过带，因精度难以控制，在实际工程中只能 作为参考。计算机仿真通常采用数解法，下面通过一实例来介绍数解法。 设有a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 八个交叉口，a b 交叉口之f e f j 距为3 5 0 m ， b c 为4 0 0 m 等，有效距离简写为3 5 ，4 0 。用式( 2 1 6 ) i t 算得关键交叉口的周期 时长为8 0 s ，响应的系统带速暂定为v = 1 1 1 m s ( 4 0 k m h ) 。 w 1 7、 。”鼍i 。 三! = |、1 1 2 巴t 。呜 i ， ” 【她i 。| 盟 1 j 靼 3 l a 7、 枷 、瑚。2 弛7 剀2 _ 4 理想信号年实际信号的相对何置( 尺寸单位：米) 交叉口相邻间距见表2 1 ，以下是详细计算步骤： a 、计算a 列。用式( 2 5 ) 计算s = v c 2 = 4 4 0 m ( 取有效数字4 4 ) 。也就是说，相 距4 4 0 m 信号的时差，相当于交互式姗调的时羞( 错半个周期) ，相距8 8 0 m 的信 号，正好是同步式协调( 错一个阁期) 。以a 为起始信号，则其下游距a 4 4 0 m 处正好是组成交互式协调的“理想信号位置”。考察下游各实际信号位置与各理 想信号错移的距离，显然错移距离越小，则信号叻调效果越好。因此将v c 2 的数值在实用允许范围内变动，迓。计算寻求协调效果最好的各理想信号位置， 使其满足各交叉口实际信号位置剑理想信号位置所需移动距离的总和最小。以 4 4 1 0 作为v c 2 的变动范围即3 4 5 4 ，将此范围填入表2 2 左边a 列中a 列内 的数字即为假定“理想信号问距”。 b 、计算a 列各行。以a = 3 4 的+ 行为例，a b 交叉口的实际间距为3 5 ，同理 想信号问距3 4 差值为l ，将i 填入a b 问的一行中，意思是b 如果向前移动1 0 m 就可同a 组成交互式协渊。b c 原间距为4 0 ，则1 十4 0 - - 3 4 = 7 ，即c 同其理想 信号位置锗移距离为7 ，将7 填入b c 问的一列内。 依次类推。计算到g i t 间的一列，值得注意的是：如果算出的错移距离大于 a 值即3 4 ，则将错移距离与a 值裙除取余，将余值填入列中。 c 、计算b 列。以a = 5 0 一行为例将实际信号位置与理想信号的挪移量按顺 序排列( 从大到小) ，并计算各相邻挪移量之差，将此差值的最大值记入b 列。a = 5 0 一行的b 值为2 2 。计算方法如下： agfchbde 012 32 52 83 54 i4 5 l2 223764 依次类推，计算a = 3 5 2 5 4 各行的b 值。 表2 - 2 数解法确定信号时芹 abcdefgh 3 5 4 01 65 42 82 8 2 7b 3 4l72 393 3 12 41 4 3 5 o52 l53 32 61 8 1 3 3 63 531 9l2 92 11 29 3 73 511 73 42 51 661 0 3 83 5 3 71 53 12 1 1 10 1 l 3 93 53 61 32 8 4 7 63 3 1 1 4 03 5 3 5i l2 51 3 12 81 2 4 l3 53 492 293 72 313 4 23 53 371 953 3i 81 4 4 33 53 251 6l2 91 31 3 4 43 53 l31 34 12 581 2 4 53 53 011 03 82 131 1 4 63 5 2 94 573 5 1 7 4 4 1 2 4 7 3 52 8 4 44 3 21 34 01 5 4 83 52 74 312 993 61 8 两北t 业人学坝l 。论文 4 93 52 64 24 72 65 3 22 l 5 03 52 54 14 5 2 3 1 2 82 2 5 】 3 j2 44