毕业设计（论文）-城市道路交叉口交通信号控制设计及仿真.doc

宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 1 目 录 1 前 言.2 1.1 本次毕业设计课题的目的、意义 .3 1.2.交通控制简介.4 1.3 国外交通信号控制技术研究概况 .4 1.4 国内交通信号控制技术研究概况 .5 1.5 交通信号系统仿真 .6 1.5.1 系统仿真的概念 .6 1.5.2 交通系统仿真的特点及分类 .7 1.6 论文结构 .9 2 平面交通信号控制基本概念介绍.9 2.1 基本概念 .9 2.2 信号控制参数 .11 2.3 信号控制类型 .11 2.3.1 按控制范围分类 .11 2.3.2 按控制方法分类 .13 2.3.4 信号控制常用性能指标 .14 2.3.5 无信号交叉口交通影响程度评价方法 .14 2.4 本章小结 .16 3 文萃路与学院路交叉口现状计算分析.16 3.1 主要道路通行能力计算 .17 3.2 文萃路与学院路交叉口交通量调查.20 3.2.1 统计周期的选择.20 3.2.2 交通量调查的目的和意义 .20 3.2.3 调查的必要性 .21 3.3 行车延误调查 .21 3.3.1 延误调查的反法、目的及意义 .22 3.3.2 交叉口实际调查数据 .22 3.4 交叉口的几何结构特征 .23 3.4.1 各交叉口的交通量调查.24 3.4.2 速度相关的测定.28 3.4.3 车辆转换系数 .29 3.4.4 当量交通量.29 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 2 3.5 文萃路与学院路交叉口现状分析计算 .29 3.5.1 交叉口交通量计算 .29 3.5.2 交叉口通行能力计算 .30 3.6 交叉口延误计算 .31 3.7 对此无信号交叉口交通音响评价 .32 3.8 分析交叉口公害影响 .32 3.9 经济性可行性分析 .32 3.10 本章小结 .32 4 文萃路与学院路交叉口交通配时仿真设计.32 4.1Synchro 交通仿真系统简介。 .32 4.2 本文 Synchro 仿真基础数据收集.33 4.3 Synchro 软件仿真参数设置 .34 4.3.1 绘制文萃路和学院路交叉口路网图，如 4-3:.34 4.3.1 调用 LANEW INDOEW 对话框,输入道路参数，如图 4-4：.34 4.3.2 调用 VOLUMEW INDOW,输入交通量参数，如图 4-5.35 4.3.3 调用 Ring and BarrierDesigner 对话框,设置相位相序，如图 4-6：.36 4.3.4 SYNCHRO 进行最佳化分析之画面如图 4-7 所示： .36 4.3.5 通过设置以上参数，得出配时方案如图 4-8：.37 4.3.6 SimTraffic 3D 仿真 .37 4.4 信号设计方案.39 4.5 仿真结果对比 .39 4.6 本章小结 .40 5 结论.40 5.1 结论 .40 注释.41 参考文献.41 致 谢.44 外文翻译.45 附 件.47 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 3 1 1 前前 言言 本章节主要对课题的提出及研究意义进行阐明，介绍了基本的概念和理论知识， 对论文结构作了整体规划和安排。 1.1 本次毕业设计课题的目的、意义 图 1-1 交叉口行政图 图 1-1 为本文要研究的交叉口行政图，从图中可以看出，文萃路和学院路交叉口 周围学校和居民区较多，这些对交叉口通行能力和服务水平都有一定影响，更重要 的是行人密集，在通过此无信号交叉口时容易出现交通事故，存在不安全因素。为 了提高交叉口的通行能力和服务水平，本文拟对其进行交通调查后，分析评价现状， 提出信号配时设计方案，并对新方案进行模拟仿真。 城市道路交叉口是整个城市道路网络的基本节点，也是网络交通流的瓶颈所在， 其通行能力直接制约着城市道路交通的顺畅。车辆在平面交叉路口处反复地分流、 合流及交叉，交通状况十分复杂。因此极易造成交叉口处车辆运行效率的降低。加 之不尽合理的几何设计与相位设计，使交叉口时常处于极其混乱的局面。这种情形 下，一方面造成交叉口的通行能力下降、车辆延误增加，同时也带来了交叉口处噪 声和车辆尾气排放加大的后果。另一方面有研究表明，一旦交叉口发生堵塞，将不 仅仅影响交叉口临近路段，还会影响到更远路段交通的有效运行，并且拥堵的消散 时间一般较长。在日本，大城市的机动车在市中心运行时间约有 1/3 花费在平面交 叉口上，我国则更多。多年来，发达国家在这方面进行了诸多研究。研究交叉口的 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 4 交通问题有助于充分利用交叉口的时空资源，降低或消除其对道路系统的瓶颈影响， 提高整个道路系统的通行能力和服务水平。 目前我国大城市中平面信号交叉口大多 出现了不同程度的交通拥挤和阻塞现象，研究与提高信号交叉口的通行能力已成为 实施城市交通“畅通工程”的首要任务。加强城市交通管理，积极开展对平面信号 交叉口的研究，努力提高其通行能力和服务水平，实为当务之急。同时，随着计算 机技术的发展，用仿真方法研究交叉口的信号配时优化以及车辆之间的微观运行状 况，是交通工程的一项重要课题。 1.2.交通控制简介 交叉口是城市交通拥堵的主要发生地。城市交叉口大多为单点信号控制交叉口, 研究这类交叉口的通行能力和服务水平具有重要意义。对单点信号控制交叉口的规 划、设计与改造应从通行能力和服务水平两方面入手,而目前在实际中常常重通行能 力轻服务水平。本文分析这类交叉口的道路条件、交通条件和信控条件等对通行能 力和服务水平的影响,重点分析了在二相位条件下信号周期对通行能力和服务水平的 影响。 交通信号控制是指通过对城市平面交叉路口信号灯持续时间进行合理控制，使得 交通流能够高效驶离交通路口，达到疏导、改善交通流的目的。用信号方式控制交 通流的思想最早诞生于 19 世纪。1868 年，在英国伦敦的威斯敏特街口安装了一种 红绿两色的臂板式燃汽信号灯，标志着城市交通信号使用的开始。1918 年，纽约的 街口安装了一种手动的二色信号灯，首次出现真正意义上的信号灯，这也是交通信 号控制的雏形。 1926 年，英国出现了一种结构简单的机械式交通信号机，它通过小电动机带动 齿轮的机械转动，实现单时段定周期的红绿灯切换。虽然这种机械式的信号机首次 实现自动控制，但由于不能根据交通状况而相应的改变，其效果不如手动控制，但 它奠定了城市交通信号自动控制的基础。 随后，英国研制出了根据早、中、晚不同时段采用不同信号周期的多时段定周期 交通信号灯。到了 20 世纪_50 年代，北美、西欧和日本等道路交通相对较为发达的 国家，经过对这类信号机的引进和吸收，基本实现了本国大城市交通信号的自动控 制。1928 年，美国研制了世界上第一台感应式信号机，首次实现了交通信号根据交 通流而自行调整。1964 年，加拿大的多伦多市建成了世界上第一个利用计算机进行 集中协调感应控制的交通信号控制系统。从此以后，世界各国都相继将计算机技术 应用到交通信号控制中以求有效解决口益紧张的城市交通问题。 到 20 世纪 80 年代初。先后出现了英国的 TRANSYT 和 SCOOT 系统、澳大利业的 SCATS 系统、加拿大的 RTOP 系统、美国的 UTCS-3GC 系统以及 ASCOT 系统等。我国 的北京市在 20 世纪 80 年代末期引进了 TRANSYT 和 SCOOT 交通控制系统，而上海和 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 5 广州则使用的是 SCAT 系统。目前，天津、宁波、杭州等几个城市正在使用的也是 SCAT 系统。1990 年，由原来的西班牙圣科(SAINCO TRAFICO)公司开发研制成功了 自适应交通信号控制系统 ITACA，目前该系统已分布在欧洲、美洲、业洲及非洲， 国内已有长春、南宁、武汉、郑州等多个城市在应用 12 。 1.3 国外交通信号控制技术研究概况 目前，实际交叉路口中最常用的信号控制方式是定时控制和交通感应控制。定 时控制的信号配时参数以离线的方式确定信号周期和绿信比，然后将信号配时方案 写入信号控制器在线执行。这种控制方式并不能适应实际交通流的动态变化。交通 感应控制虽然在交通流饱和度比较低且各方向交通量相差较大时具有效率更好的控 制效果，然而当交通流饱和度很高且各方向交通量均接近实际通过能力时，其控制 效果无异于定时控制 3 国外学者最先从 20 世纪 60 年代开始了对交通信号优化控制 技术的理论研究和探索。其中，Webster(1958 Miller(1963)分别针对固定周期的信 号控制建立了以车辆平均延误最小为目标的信号配时模型及计算方法 4 ，前者的方 法仍是今天定时信号控制的基础。 随着人工智能领域的不断发展，模糊控制、遗传 算法等技术也融入到了交通信号的控制中。 在国外，1977 年，Pappis 和 Mamdani 提出了城市单向单路口模糊控制方法 5 ， 为城市路口信号的控制翻开了崭新的一页。然而这种控制方法是建立在理想化路口 模型的基础之上，在实际的城市路口难以独立发挥作用。1986 年，Anthony 等人提 出将单交叉路口的交通状况分成不饱和状态、饱和状态及平稳状态、不平稳状态之 后再对信号进行控制 6 。但是该方法是建立在观察和统计的基础之上的，缺乏实时 的交通流信息，控制策略还是不能完全适应交通流的动态变化。1992 年，Foy 等提 出了一种在二相位的系统中用 GA 来分配绿时长的方法 7 1997 年，Kim 提出了分级 式的城市路口模糊折制方法，可以根据车流量的变化及时调整控制策略，选择不同 的模糊控制规则 8 1999 年，Fatine Maghrebi 研究了在过饱和交通状况下， Hopfield 神经网络对交通信号时长的优化能力 9 。2000 年，Rouphail 等针对固定 周期提出了一种 GA 与 CORSIM 模型相结合的优化策略 10 ，Kim 与 2001 年将遗传算法 引入了城市路口信号的模糊控制中，对模糊控制器的参数进行全局优化，有效地改 善了模糊控制器性能 11 ，2001 年，Park 等提出了一种针对固定周期的随机信号优 化方法.该方法使用一种 GA 的接口与 CORSIM 模型相结合来对周期长度、绿信比、相 位差同时进行优化 12 .2003 年，Park 和 Schneeberger 扩展了他们十 2001 年提出的 方法，使之可以协调控制自动交通信号系统和优化相位差 13 。 1.4 国内交通信号控制技术研究概况 在国内，1992 年，我国学者徐冬玲提出了基于感应控制思路的单路口模糊神经 网络控制方案 14 ，仿真结果虽然较为理想，但是仍然没有摆脱感应控制的思想。 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 6 1993 年，李立源等人研究了交叉路口的最优控制问题，建立了交通流的最优预测模 型，提出了一种交叉路口的在线最优控制方法 15 。1998 年，陈森发等学者提出了关 键车流和非关键车流的概念，分析了非关键车流对控制效果的影响，在此基础上对 Pappis 提出的算法进行了修正，仿真结果优与 Pappis 方案 16 。然而这种控制方法 主要适用于城市路口左转车流较小的情况，当左转车流较大时路口信号还是必须采 用多相位控制。1999 年，刘智勇、朱劲等人根据人们对多相位单交叉路口交通指挥 的决策过程，设计了一种新的模糊感应控制器，把队长作为控制目标，综合考虑相 邻相位车道上的车队长度 17 。2001，西北工业大学的黄辉先提出使用遗传算法对单 交叉路口的相位配时进行优化，在当前周期的基础上实现了对下一周期交通流的预 测和优化控制 18 。上述两种方法仅仅考虑了单个周期的信号优化问题，而没有考虑 整个控制周期内信号周期间的交通流藕合关系，因此严格地讲是一种静态的优化控 制方法，而由于采用的是针对固定周期时长进行优化，所以该方案并不是真正意义 上的实时配时。2001 年，伍建国和巨永锋将模糊控制与感应控制进行有机的结合， 提出了基十多条车道通行状况的多相位多级城市路口模糊控制方法，可以适用于多 相位、车流量变化显著的路口信号控制 19 。然而这种控制方法并不适合于车流量稳 定和左转车流较小的路口信号控制。2003 年，西北工业大学陈小锋使用遗传算法对 周期时长和相位配时同时进行优化 20 ，该方法同时对四个参数在一定数量的周期内 进行优化，计算量大，计算时间长，而且采用固定的交叉概率和变异概率，使得收 敛速度放慢。同年，山东大学朱文兴提出了一种单路口信号灯模糊遗传算法优化配 时方法，把路口一个周期内车辆平均延误作为目标函数，用模糊控制器推算出下一 个周期的时间长度，然后用遗传算法优化目标函数，从而得到最优配时方案 21 。该 方案采用二进制编码的简单遗传算法，收敛速度较慢。 各种各样的新思想、新方法推动着城市交通信号控制的不断发展。但是由于交通 系统的复杂性，交通信号优化控制技术的发展远未完善，对于交通信号优化控制技 术及工程实现的研究仍是当前的重要研究课题之一。 1.5 交通信号系统仿真 仿真，顾名思义是指对真实事物的模仿，也称为“模拟” ，它是指为了求解问题 而人为的模拟真实系统的部分或整个运行过程。由于科学研究与实践的对象是兼有 方法论与工具意义的系统仿真问题，因此，通常说的仿真也就是指系统仿真。1966 年雷诺(T.H.Naylor)在其专著中定义:仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术， 它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或系统(或者它们的某些 部分)在若干周期内的特征。 1.5.1 系统仿真的概念 国内学者认为:系统仿真就是在计算机或实体上建立系统的有效模型(数字的、 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 7 物理效的、数字物理效应混合的模型)，并在模型上进行系统试验。目前人们普遍接 受的观点是:系统仿真是以相似原理、控制理论、系统技术、信息技术及其应用领域 有关专业技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对 真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科综合性技术。 系统仿真是 20 世纪 50 年代逐步形成并迅速发展起来的新兴学科。最早的通用仿 真器是由美国 IBM 公司研制的，1967 年更名为通用仿真系统，并增加了许多功能， 直至后来发展成为应用最广的一种离散系统仿真语言。时至今日，仿真技术发展方 兴未艾。我国自 20 世纪 50 年代就开展了仿真技术研究，并得到了迅速发展。60 年 代末，在开展连续系统仿真的同时，己开始对离散事件系统(如交通管理、企业管理)进 行仿真研究。70-80 年代，在训练仿真器方面获得飞速发展，自行研制的飞行仿真 器、舰艇仿真器、火电机组培训仿真系统、化工过程培训仿真系统、汽车模拟驾驶 仿真器等相继研制成功并投入使用，在行业操作人员培训中发挥了很大的作用。 1989 年中国系统仿真学会正式成立，标志着仿真学在中国的发展进入了一个崭新的 阶段。90 年代，我国开始对分布交互式仿真、虚拟现实仿真等先进仿真技术及其应 用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真。系统仿真近些年来发展十分迅速， 它综合集成了计算机、网络、图形图像、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制 等多个高科技领域的知识。现代仿真系统已经成为任何复杂的系统特别是高新技术 产业不可缺少的研究、设计、评价和训练的手段和工具，并在实践中得到了有效的 应用。 1.5.2 交通系统仿真的特点及分类 交通系统仿真是交通分析的有效手段之一，其目的就是运用计算机技术再现复杂 的交通现象，并对这些现象进行解释、分析，找出问题的症结，最终对所研究的交 通系统进行优化。 (1)交通系统仿真具有以下特点: 经济性 有些数据无法通过普遍意义上的试验方法获得，或者是试验过程代价非常昂贵， 这种情况下，仿真实是最佳的求解算法。 安全性 利用计算机进行仿真试验，可以避免实地试验(如交通调查)中可能出现的意外伤 害。 可重复性 一旦建立了一个仿真模型，可以任意重复仿真过程，这是普遍的试验方法所无法 比拟的。 包容性 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 8 由于利用计算机模拟是对一种设想进行验证，它可以使某些参数(如车速、交通 量等)超出实际调查所能得到的范围，并且不受天气等客观原因的制约，从而克服实 际观察难以获得理想数据的缺点。利用计算机进行模拟预测，对于再现复杂交通环 境下的车流运行特性、弥补观测数据的不足等都有着其他方法和手段无可比拟的优 势。 可操作性 事实上仿真方法比分析方法更容易应用，因而潜在的用户比解析法的用户要多得 多。 可控制性 计算机仿真是通过程序控制的，它很容易使某些参数的作用限制在一定范围或特 定值。例如，人为地固定一些变量为常数，只改变一些变量以考察它们对所研究指 标的影响:还可以事先对一些诸如信号配时、几何形状等因素进行人为优化，采取特 定的组合方案进行模拟，进而对不同方案进行必选、评价等。 较强的独立性 仿真模型对原始数据的依赖性不强，即使输入的数据有些粗糙，用户也可以通过 不断的修正输入，逐步获得理想的结果。此外，为在数学上容易处理，解析模型通 常需要许多简化假设，而仿真模型则没有这么多限制。对于解析模型，分析者只能 计算有限的系统性能测度，而对于仿真模型，产生的数据可用于估计任意可想到的 性能测度。 快速真实性 与实际交通调查相比，交通仿真可以快速获得结果，缩短了数据获取周期，还可 避免由于人为因素发生交通中断等干扰而造成的数据丢失或失真。 （2)交通系统仿真分为以下三类: 宏观交通仿真 宏观交通仿真把交通流看作连续流，个体车辆不单独标识。一般来讲，宏观交 通仿真对计算机资源要求较低，它的仿真速度很快，用于研究基础设施的新建、扩 建及宏观管理措施等。根据目前计算机硬件的发展水平，可以在大规模的路网范围 内进行交通宏观仿真。宏观仿真不对某具体车辆的运动过程进行描述，即不考虑个 别车辆的运动，而是从统计意义上成批地考虑车辆的运动。同微观仿真相比，其精 度低，应用的范围也小。宏观交通仿真对交通系统的要素及行为的细节描述程度低。 例如，交通流可以通过流量、密度、速度关系等一些集聚性的宏观模型来描述，而 像车辆的车道变换之类的细节行为可能根本就不予以描述。宏观交通仿真适用于描 述系统的总体特征，并试图通过真实反映系统中的所有个体特性来反映系统的总体 特性。 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 9 中观交通仿真 中观交通仿真在宏观交通网络的基础上，将个体车辆放入宏观交通流中进行分析， 根据模拟的需要，对特定车辆的速度、位置及其他属性进行标识，或对个体车辆分 组，再对每组车辆的速度、位置及及其他属性进行标识。这一仿真系统可以用来拟 定、评价在较大范围内进行交通控制和干预的措施和方法。例如，人为地固定一些 变量为常数，只改变一些变量以考察它们对所研究指标的影响；还可以事先对一些 诸如信号配时、几何形状等因素进行人为优化，采取特定的组合方案进行模拟，进 而对不同方案进行必选、评价等。 微观交通仿真 微观交通仿真把每辆车作为一个研究对象，对所有个体车辆都进行标识和定位。 在每一扫描时段，车辆的速度、加速度及其他车辆特性被更新。微观交通仿真能模 拟出短时间内交通流的波动情况。跟驰模型、超车模型及变换车道模型是微观交通 仿真的基本模型。一般来讲，微观交通仿真对计算机资源要求较高、它的仿真速度 慢，用于研究交通流与局部的道路设施的相互影响(如车道划分、道路宽度、弯道、 坡度及公交站的设置等)，也用于交通控制仿真(如交通信号灯控制、让路停车等)。 微观交通仿真在仿真方法上与宏观仿真完全不同，它要对所有个体特性行为及具体 过程进行描述。微观交通仿真对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高。微观 交通仿真模型对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，车辆在道路上的跟驰、 超车及车道变换等微观行为都能得到较真实的反映。微观仿真车辆进入路网的时间、 车型、车速的设定及路口的转向都是随机确定的。 本文主要使用的是平面信号交叉口的微观交通仿真。 1.6 论文结构 本文共分六章： 第一章首先论述了本课题的选题背景和意义;然后对城市交通信号控制的发展和 研究概况进行了介绍和分析。最后，简要介绍了论文的章节安排。 第二章介绍了与本文研究相关的一些基础知识，内容包括:城市交通信号控制概 述及相关知识。 第三章介绍了交通调查相关知识，并对本文调查数据进行分析计算。首先根据实 测交通量计算出道路通行能力及服务水平。然后利用相关评价指标进行现状分析。 第四章根据现状提出信号控制方案，根据有关控制理论，运用交通仿真软件进行 仿真模拟研究。并和现状进行比较，对控制效果进行分析。 第五章设计总结。 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 10 2.2.平面交通信号控制基本概念介绍平面交通信号控制基本概念介绍 对于平面交叉口信号控制，目前理论发展比较成熟，相关概念已经提出并得到广 泛应用，本章对基本概念介绍如下。 2.1 基本概念 (1)信号相位 信号相位就是各种不同的信号控制状态，一种控制状态允许某些方向的车辆和行 人通行、对这方向亮绿灯。禁止其他方向的车辆和行人通行，则对这些方向亮红灯， 把这一种控制状态下对交叉口各方向所显示的这些不同灯色的组合称为一个信号相 位。 22 对于一个交叉路口，根据实际情况可以设计为两相、三相、四相、甚至八相。 图 2-1 为二相位车流分布图。 图 2-1 二相位车流分布图 (2)进口道饱和流量 进口道饱和流量指在一次连续的绿灯时间内，交叉口进口道上车队能够连续通过 停车线的最多车辆数，用 u 表示(辆/秒)。饱和流量的影响因素较多，在实际信号设 计中取定值。 23 (3)饱不度 也称流量比，是指在相位 i 时实际进入进口道 j 的交通流量的与进口道 j 的 ij q 饱和流量的比值称为该进口道的饱和度。每一个相位 i 所控制的交叉路口各进 j u ij x 口道饱和度的最大值为相位 i 的饱和度而交叉路口所有相位的饱和度之和为该 ij x i x 交叉路口的饱和度 x。关系如下: 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 11 （2-1 ij ij ij q x u ） （2-2 max iij xx ） （2-3 j i i xx ） 2.2 信号控制参数 交通信号控制的基本参数包括周期长、绿信比以及相位差，总称为控制参数。信 号控制的目标就是最佳地确定交通系统各交叉路口在各车流方向上的这些控制参数， 并付诸实施。 (1)周期 交通信号的红、绿、黄三种信号灯在交通控制时是依次闪亮时，信号灯变化一个 循环所用的时间称为信号周期，简称周期，一般用 C 表示(秒)。一般信号灯的最短 周期时长不少于 40 秒，否则就不能保证几个方向的车辆顺利通过交叉口；最长周期 时长一般不超过 120 秒，多相位控制时不超过 180 秒，否则会引起等待司机的烦躁 和增大车辆延误时间。适当的周期长度对路口交通流的疏散和减少车辆等待时间有 重要意义。信号周期长度的选取应根据某种优化性能指标选择。 (2)绿信比 绿信比是一个相位信号的有效绿灯时长与周期时长之比。一般用入表示。 入=Ge / C （2-4） 式中:入表示绿信比， C 表示周期时长， Ge 表示有效绿灯时长； 绿信比的大小对于疏散交通流和减少交叉路口总等待时间有着举足轻重的作用。 在信号周期时长固定的情况下，通过合理地分配各车流方向的绿灯时间(绿信比)， 可使各方向上车辆等待延误时间减至最小。 2.3 信号控制类型 交通信号控制有两种分类方式。一种按控制范围来分类，主要包括单点控制、干 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 12 线控制和网络交通;另一种按控制方法进行分类，主要有定时控、感应控制以及优化 控制。两种分类方式下的各控制类型之间可以相互结合。 2.3.1 按控制范围分类 (1)单点控制 交叉路口的信号控制只根据本路口的实际情况独立运行，而不考虑邻近交叉路口 的影响，控制目的是尽可能减少该路口的行车延误。在单点控制中，每个路口都有 最适合自己交通状况的信号配时参数，路口的实际控制方式可采用定时控制、感应 控制或者优化控制。单点控制适用于相邻信号相距较远、线控无多大效果的交叉路 口，是交叉路口最基本的交通信号控制形式。目前，我国城市中的大多数交叉路口 采用的控制都属十这种类型。 (2)干线控制 图 2-2 具有绿波的干线 图 2-3 具有阻塞的绿波 在城市道路网中，交叉口相距较近，两个相邻的交叉口之间的距离通常不足以使 一小队车流完全疏散。各交叉口分别设置单点信号控制时，车辆经常遇到红灯，时 停时开，行车不畅，环境污染严重。为了减少车辆在各个交叉口的停车次数，特别 是当干线上的车辆比较畅通时，人们研究了一种干线相邻交叉口协调控制策略。最 初协调信号计时的方法是基于绿波的概念，相邻交叉路口执行相同的信号控制周期， 主干道相位的绿灯开启时间(相位差)错开一定的时间，交叉口的次道在一定程度上 服从主干道上的交通。当一列车队在具有许多交叉口的一条主干道上行驶时，协调 控制使得车辆在通过干线交叉路口时总是在绿灯开始时到达，因而无须停车地通过 交叉口，如图 2-2 所示，减少车辆在行驶过程中的延误时间。然而，在交通密度较 大的情形下，绿波会导致拥挤以及在交叉口的阻塞，如图 2-3 所示。当一列车队恰 好在清车时间后到达交叉口时，在此情形下，绿波控制导致了负面效果。 决定交叉口是点控还是线控目前为止无固定的标准。一般来说，可根据如下情况 进行综合判断: 相邻交叉口间距越小，线控的必要性越大; 交通量(线方向)越多，线控的必要性越大; 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 13 相邻两个信号机之间交通流的脉动越大，线控的必要性越大; 当相邻交叉口饱和度的差较大、最优周期长不同但不是相差整数倍或整数分之 一的周期长的情况下，应把实施线控的损失和不采用线控的损失进行比较后再决定 是否采用线控。 (3)网络控制 网络交通信号控制的对象是城市或某个区域中所有交叉口的交通信号随着计算 机、计算方法、自动控制、车辆检测技术的发展，人们研究把个城市区域内所有交 叉口的交通信号联起来综合加以协调控制，以使得区域内的各个车辆在通过某些交 叉口时所产生的总损失(包括延误、停车次数、油耗等)最小或使区域内交通网络的 通行能力最大。在这种控制方式下，交通信号机将交通量数据实时地通过通信网传 至上位机，上位机根据路网上交通量的实时变化情况，按一定时间步距不断调整正 在执行的配时方案。通过这种控制方式，容易实现交叉路网的统一调度与管理，上 位计算机同时控制一个城市区域中的数十个交叉路口。实现区域中交叉口之间的统 一协调管理，提高路网运行效率。 2.3.2 按控制方法分类 (l)定时控制 定时控制是实际交通中可以实现的最基本的一种控制方法。在定时控制中所有控 制参数(周期、相位差和绿信比)均是根据交叉路口历史交通量数据预先确定。信号 控制中，一天只能执行一种配时方案的称为单时段定时控制;一天按不同时段的交通 量执行不同配时方案的称为多时段定时控制。这种控制方式的主要特点是它不是需 求响应式的，也就是说信号操作不考虑交通需求的波动。最基本的控制方式是单交 叉路口的定时控制。线控制和面控制也可采用定时控制，称为静态线控系统和静态 面控系统。 (2)感应控制 根据交通路口的交通量的变动进行实时控制的一种信号控制方式，没有固定的周 期和绿信比。该控制方式是在交叉口的进道口上设置车辆检测器，信号配时方案可 随检测器检测到的车辆信息而动态改变。进行感应控制时，在一个给定的最小绿灯 时间。内，绿灯无条件开放，该时间结束后，若位十停车线处的车辆检测器检 min g 测到有车辆到达，则追加一小段绿灯时间g，若一直有车辆到来，则继续延长绿灯 时间直至最大绿灯时间若在追加的绿灯时间终了未检测到有车辆到来，则结束 min g 绿灯。 若只在交叉口部分进道口上设置车辆检测器则称为半感应控制;若在交叉口所有 进道口上设置车辆检测器则称为全感应控制。采用感应方式的线控制、面控制也可 称为动态线控系统和动态面控系统。 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 14 (3)优化控制 优化控制是计算机技术和通信技术发展到一定的水平而产生的控制方式，主要 用于实现城市路网的统一调度和管理。控制系统根据检测器送来的交通量信息，针 对某种性能指标而产生最佳的信号配时方案，并且自动调节各个控制参数(周期、绿 信比、相位差等)。进行这种控制方式的交通信号机将检测到交通数据实时地通过通 信网传至上位机，上位机根据路网上交通量的变化情况.不断调整配时方案从而达到 最优控制。通过这种控制方式，上位机同时控制城市中某个区域内的多个路口的信 号机，实现区域中交叉口交通信号之间的统一协调调管理，提高路网的运行效率。 一方面，当前智能控制已成为交通信号控制发展的一个必然方向;另一方面，线 控和面控的基础都是单交叉路口，如果单交叉路口得不到有效控制，干线或整个区 域也无法提高通行效率。本文就以城市平面交通单交叉路口为对象，进行定时交通 信号控制方面的研究和设计，然后据此给出单点控制的方案。 2.3.4 信号控制常用性能指标 1.延误时间 延误时间是指车辆在没有交通信号和等待队列的阻碍下行走所需的时间和实际的 行程时间之差。交叉口进道口所有车辆的延误总计称作总延误，交叉口进道口每辆 车的平均延误称作平均延误。 2.通行能力或饱和度 通行能力是指在实际的道路条件、交通条件和控制条件下，在一定时间内通过进 道口停车线的最大车辆数；饱和度是指实际到达的交通量与通行能力之比。在一定 的道路条件下，信号控制路口的通行能力受信号周期的影响。在正常的周期长范围 内，周期时长越长，通行能力越大，但车辆延误和油耗等也随之越大而且在饱和度 相当小时，片面的追求通行能力的提高，只会无谓的增加油耗和车辆延误，对交叉 口的交通效益无多大意义。 2.3.5 无信号交叉口交通影响程度评价方法 无信号交叉口的交通影响程度评价方法以服务水平、临界流量和储备通行能力为 指标，包括以下三类评价方法。 1.方法 1: 以项目建设前服务水平对应的可接受服务水平为依据无信号交叉口的服务水平分 级标准与信号控制交叉口有所不同，并不是将交叉口作为一个整体来定义的。这是 因为不同的交叉口控制设施会给驾驶员带来不同的感知。无信号交叉口的服务水平 指标是停车延误仅由控制方法造成的延误，包括信号控制或者停车标志控制。控 制延误由减速、排队行进、停车、加速延误组成。 无信号控制交叉口分为两类:次要道路停车控制交叉口、全方向控制交叉口。对 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 15 于两种不同的无信号交叉口，次要道路停车控制交叉口的控制延误仅包含受控制的 进口道;全方向控制交叉口的控制延误要考虑所有进口道的车流，最后由各进口道延 误加权平均得到。其中进口道的延误是由各车道延误加权平均得到的服务水平分级 标准见表 2-1。 24 表 2-1 无信号交叉口服务水平标准 服务水平每次停车延误（s） A10 B11-15 C16-25 D26-35 E36-50 F50 规划目标年无信号交叉口的延误可以通过下列计算公式得到。 根据HCM2000 ，无信号交叉口的延误计算公式如下: （2-5） 2 . . 3600 ()() 3600 9001(1) 450 x xxm xm x m xm xm x v vvcc dT cccT 其中，d各车道每车平均延误(s/pcu ) ； 进口道 x 的流量，辆小汽车/h ； x v 进口道 x 的通行能力，辆小汽车/h； .m x c T分析时段的持续时长(h)，取 0.25h； 2.方法 2: 以临界流量为标准 ，随着流量增加，排队延误以及冲突数也相应增加，安全性 降低。当流量增加到一定程度，应设置信号灯。信号灯首先要考虑车辆行驶的安全 性，而冲突数正是反映交叉口车辆行驶安全性的指标。比较无信号交叉口与信号交 又口的冲突次数，如果无信号交叉口冲突数的平均水平小于信号交叉口冲突数的平 均值加上波动度，即落在安全范围内，认为无信号交叉口是安全的;否则，认为不安 全。当无信号交叉口的冲突数平均水平等于信号交叉口冲突数的平均值加上波动度， 为临界状态，相应的流量为临界流量设 Vs(辆/h)为流量较小的道路上的流量， 25 Ve(辆/h )为临界流量(用交叉口总流量表示)，根据比较结果，得出临界流量为: (1)当 Vs 150 辆/小时，Ve=400500 辆/小时; (2)当 Vs 150 辆/小时，Ve=600700 辆/小时。 宁夏大学机械工程学院 2009 届毕业设计 16 在评价无信号交叉口交通影响时，以临界流量作为阀值。即项目建设以后，新增 交通量使双停车控制无信号交叉口的流量达到了 Ve(即临界量)以上,为交通影响是 显著的。这时应对其采取控制或管理措施，如人工指挥或信号灯控制、渠化、车道 使用控制、改善视距、多向停车控制等。这种方法适用于非机动车和行人较少，安 全性要求高、冲突点较多、具有明显主路优先特征的无信号交叉口。 3.方法 3: 以储备通行能力为标准这种方法以储备通行能力为指标，但又分为两种做法:一 是直接以车道的储备通行能力为标准;二是以车道的预留容量比例为标准，即储备通 行能力占该车道通行能力的比例。 车道的储备通行能力，是指该车道未被使用的通 行能力。其值按下式计算: CR=CSH-v(3.20) (2-6) 式中: CR_一车道的储备或未被使用的通行能力，辆小客车/h; CSH 一车道的通行能力，辆小客车 l1; v所使用车道的总交通量或流率，辆小客车/h a 车道的预留容量比例按下式计算: RC=CR/ CSH(3.21) (2-7) 式中:RC车道的预留容量比例，%。 将建设项目新增交通量与原有交通量叠加以后，计算交叉口通行能力，评价其 交通影响。若以储备通行能力值作为交通影响评价的标准，评价影响程度如表 2- 2。 表 2-2 无信号交叉口交通影响程度评价方法 3 R C相应描述 影响程度 300 无延误或短时间交通延误无影响 0-299 通常、较长或很长时间的交通延误有影响(可接受) 15 m 时, S 1 取 1. 1; S 2 为次要道路上车辆构成系数(取值范围见表 3) ; S 3 为交叉口所处区域位置系 数。当交叉口在乡村地区, S 3 取 0. 9,当在市郊, S 3 取 0. 95, 当在城区S 3 取 1。事实上, 次要道路上通过交叉口的车流也存在左转车影响对向行车的问题, 理论也应该对N 2 进行折减。但考虑到次要道路一般为两车道, 且总体交通量水平 较低, 左转车较少, 其影响忽略未计。 （5）无信号灯控制交叉口通行能力 将主要道路和次要道路在交通口处的通行能力相加, 即为所研究交叉口的通行能 力N s。N s = N p + N 2 对于给定的一个无信号控制平交口, 根据上述计算方法, 就可以计算该平交口的适应通行能力。在实际应用当中, 对于一个规划路网,可根据 预测交通量及事先确定的道路条件,计算每个平交口确定为无信号控制平交口的合理 性。对于实地已经存在的平交口, 根据道路条件及观测交通量, 通过上述方法, 可 以评价该平交口是否能够适应, 有无必要改为立交或者增设信号灯等。 3.2 文萃路与学院路交叉口交通量调查 要计算此交叉口的通行能力，首先必须对交叉口的交通现状进行调查，获取真实 交通数据，然后才能在此基础上进行通行能力的计算和服务水平评价。 3.2.1 统计周期的选择 在进行交通调查的时候，需要确定统计的周期。城市交通流受影响的因素比较多， 交通量容易在短时间内急剧变化，因此统计周期的确定应该能够消融这种变化，因 此本文采用 5 分钟作为统计周期。 3.2.2 交通量调查的目的和意义 交通量调查的目的在于通过长期连续性观测或短期间隙性和临时性观测，搜集交 通量资料，了解交通量在时间、空间上的变化和分布规律，为交通规划、道路建设、 交通控制与管理、工程经济分析等提供必要的数据。交通量数据是交通工程学中的 一种最基本的资料，因此交通量调查是十分重要的。 交通量调查资料根据不同的目的，有着广泛的应用。如果通过调查观测掌握了一 定的交通量数据则可作为必不可少的资料应用于下列各项研究： (1)由同一地点长期连续性观测，掌握交通量