（交通运输规划与管理专业论文）混合交通流下信号交叉口交通组织优化问题研究.pdf

摘要 随着我国国民经济的高速发展，城市化进程不断加快，机动车保有量迅猛增 长，进而使交通需求尤其是道路交通需求急剧增加，拥堵时常发生，缓解交通拥 堵问题已迫在眉睫。而长期以来我国机动车、非机动车、行人在信号交叉口内的 反复分流、合流是造成平面交叉口交通秩序混乱、车行速度下降、交通安全性降 低的一个主要因素。因此，研究信号交叉口混合交通流特性，对信号交叉口的交 通组织优化具有重要的意义。 论文从宏观角度上对道路交通组织优化进行了概述，进而对信号交叉口的交 通组织优化进行了分析，并在此基础上，介绍了混合交通下信号交叉1 3 交通组织 优化的方法。 论文从微观角度上对信号交叉口混合交通流的特性进行了分析，包括机动 车、非机动车的启动损失时间、车头时距，及行人的步行速度、启动时间。并在 此基础上，对机动车、非机动车、行人产生的交通问题进行了分析。 论文在信号交叉口混合交通特点的基础上，分别对机动车、非机动车、行人 的渠化设计进行了总结，对渠化与信号的组合优化进行了阐述，并提出了信号交 叉口渠化设计流程。 论文在对传统信号相位方案存在的交通问题分析的基础上，研究了左转机动 车、直行机动车、右转机动车、非机动车的相位设计。在充分考虑信号交叉口混 合交通特性的基础上，提出了信号交叉口周期时长、绿信比、绿灯时间间隔优化 模型。根据行人在信号交叉口的“组团”运行特性，分析了行人信号“迟启”、 “早断”运行模式，并完善了确定行人信号“迟启”、“早断”的数学模型。 关键词：信号交叉口；交通组织优化；混合交通流；渠化设计；信号设计 a b s t r a c t w ：l ：ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，e x p e d i t i n go fc i v i cp r o c e s s ，a n di n c r e a s i n go f m o t o rv e h i c l ev o l u m e ，t h et r a f f i cd e m a n di n c t c a s c ss h a r p l y w em u s tt a k es o m e m e a s u r e st od e a lw i t ht h es e r i o u st r a f f i c i a i r t h a tw i l lc o u n t e r w o r ko u re c o n o m y d e v e l o p m e n t h o w e v e r , i no u rc o u n t r y , o na c c o u n to ft h ee x i s t e n c eo fm i x e dt r a f f i c f l o w , v e h i c l e sf l o w , n o n - m o t o r i z e dv e h j c l ef l o w , p e d e s t d a n ss h u n ta n di n t e r f l o wt i m e a n da g a i na ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ，t h i ss t a t u sr e s u l ti nd i s o r d e r e dt r a f f i c , l o wv e h i c l e s p e e da n dt r a f f i cs a f e t yl e v e l t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h et r a f f i c o r g a n i z a t i o n o fs i g n a li n t e r s e c t i o nt h a tr e s e a r c h e st h em i x e dt r a f f i c r u n n i n g c h a r a c t e r i s t i c t h i sp a p c to u t l i n e st h et r a f f i co r g a n i z a t i o ni m p m v i n gf r o mm a c r o s c o p i cv i e w , f u r t h e ra n a l y s e st h a to i ls i g n a l i z e dj n t e r s e c t i o n o nt h eb a s eo fa b o v ea 1 1 t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h em e t h o d so ft h et r a f f i co r g a n i z a t i o no fm i x e dt r a f f i cf l o wo ns i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n 1 1 l i s p a p e ra n a l y s e s t h em i x e dt r a f f i c r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c o i ls i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o nf r o mm i 口o c o s m i cv i e w , i n c l u d i n gs e t - u p l o o s i n gt i m e ，h e a d w a yo f v e h i c l ea n dn o n - m o t o r i z e dv e h i c l e ，a n dw a l k i n gs p e e da n ds e t - u pt i m eo fp e d e s t r i a n o nt h eb a s eo fa b o v ea l l ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h et r s f c i c p r o b l e mo fv e h i c l e ， n o n m o t o r i z e da n dp e x l e s t r i a n 删sp a p e rs u m m a r i z e st h ec h a n n e l i z a t i o nd e s i g no fv e h i d e ，n o n - m o t o r i z e da n d p e d e s t r i a n ，a n ds e t sf o r t ht h ei m p r o v i n gc o m p o s i t eo fc h a n n e l i z a t i o na n ds i g n a l ， f u r t h e rp u tf o r w a r dt h ef l o w c h a r to fc h a n n e l i z a t i o no ns i g n a li n t e r s e c t i o n 伯i sp a p e ri l l u m i n a t e st h et r a f f i cp r o b l e mo ft r a d i t i o n a ls i g n a lc o n t r o lp r o g r a m a n dt h e ns t u d i e st h ep h a s ed e s i g n i n gp r i n c i p l eo fl e f t - t u r n i n gv e h i c l e ，s t r a i g h tv e h i c l e ， r i g h t - t u r n i n gv e h i c l ea n dn o n - m o t o r i z e dv e h i c l e c o n s i d e r i n gt h em i x e dt r a f f i c r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i co ns i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ，t h i sp a p e rs e t sf o r t ho p t i m i z e dc y c l e t i m e ，g r e e nr a t i oa n dg r e e nl i g h ti n t e r v a lm o d e l a c c o r d i n gt ot h e “g r o u p r u n n i n g c h a r a c t e r i s t i co fp e d e s t r i a n s ，t h i sp a p e ra n a l y s e s l a t es t a r t u p a n d “e a r l yb r e a k ”m o d e ， a n de s t a b l i s h e s “l a t e s t a r t u p a n d e a r l yb r e a k m o d e 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 ni m p r o v i n g ；m i x e dt r a f f i c f l o w ；c h a n n e l i z a t i o nd e s i g n ； s i g n a ld e s i g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 ，耳 论文作者签名：缈蒂夕6 年歹月，d 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 仓摹 汐占年多月。日 导师签名： 与锄萄 口多年j 月厂矿日 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国国民经济的高速发展，城市化进程不断加快，机动车保有量迅猛增 长，进而使交通需求尤其是道路交通需求急剧增加。为满足日益增长的交通需要， 近年来，城市交通基础设施建设投资加大、速度加快，取得了长足的发展。然而， 交通拥挤、秩序混乱、事故频发、污染加剧等城市交通问题依然尖锐。 据有关资料显示，1 9 7 8 年至1 9 9 5 年，我国城市机动车保有量的增长速度是 道路增长速度的8 0 倍。1 9 7 8 年，我国民用汽车总量仅有1 3 5 8 4 万辆，而到2 0 0 1 年则超过1 8 4 5 万辆，机动车总数达到6 8 5 2 万辆。其中，私人汽车由1 9 8 5 年的 2 8 4 5 万辆增加到7 7 0 万辆。由于交通需求与供给之间的不平衡，使城市道路 交通拥挤日益严重，导致交通出行时间延长、城市环境污染加重，从而引起不必 要的时间和金钱的损失。以北京市为例，高峰小时交通流量超过1 0 0 ( 3 0 辆的交叉 口数从1 9 9 4 年的2 9 个增加到1 9 9 9 年的5 2 个，高峰小时交通流量超过4 0 0 0 辆 的交叉口数达到9 8 个，作为交通干道的二、三环路高峰小时主要干道的负荷度 在9 0 左右。1 9 9 9 年1 2 月2 91 3 ，宁波市对2 2 个主要交叉口( 其中2 0 个是信 号交叉1 ：3 ) 进行了7 ：0 0 1 0 ：0 0 、1 5 ：0 0 1 8 ：0 0 的交通流量、流向调查，发现其中 交通负荷度超过1 o 的交叉口有1 1 个，占到5 0 ；交通负荷度超过0 9 的交叉1 3 有7 个，占到3 2 ，交通负荷度最低的为o 7 9 2 1 。理论上，交通负荷度超过0 ：9 ， 就会出现交通拥堵。 据美国得克萨斯运输研究所对美国3 9 个主要城市的研究表明，美国人均一 年堵塞在公路上的时间高达3 6 小时，美国每年因交通拥挤造成的经济损失约4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年损失均超过1 0 亿美元。日本仅东京圈严重拥堵地点 就达2 1 9 处，在东京高速公路拥堵严重的路段，其拥堵时间长达1 7 小时，拥挤 长度达9 8 7 公里，东京每年因交通拥挤造成的交通时间损失价值约为1 2 3 0 0 0 亿 日元。欧洲每年因交通拥挤所造成的经济损失为5 0 0 0 亿欧元。我国2 0 0 3 年因交 通拥挤导致的经济损失约为2 0 0 0 亿元，约占国民生产总值的2 。同时，交通拥 堵还增加能耗和污染物的捧放。研究表明，当汽车的时速从4 0 k m h 降到l o k m h 时，燃料消耗量增加一倍，环境负荷增加2 4 倍。据统计，北京市汽车排放的 一氧化碳、炭氢化合物、氮氧化物已占总排放量的4 0 5 0 ，广州市与交通有 关的排放物中，一氧化碳占总排放的8 7 、二氧化氮占总排放量的6 7 。此外， 交通事故频发也是城市交通问题的一个重大难点。据统计，2 0 0 1 年，全国共发 生交通事故7 0 多万起，1 0 万多人死亡，受伤人数5 0 万人，直接经济损失达3 0 亿元，近五年，全国道路交通事故数上升了3 2 5 ，死亡人数上升了8 8 ，受 伤人数上升了4 2 。 我国城市交通问题依然是人们关注的话题，并成为研究的热点问题。交通拥 堵使交通延误增加，行车速度降低，造成时间的损失、燃料消耗的增加；低速度 行驶，又大大增加了环境污染，造成城市环境的恶化；交通事故的频发、交通拥 堵使人烦躁不安，影响人们的正常生活。 总之，城市交通问题已经成为制约城市社会经济持续发展的“瓶颈”问题， 必须对此进行有效解决。 1 2 论文研究意义 通过对我国城市交通现状的研究，除了交通需求与供给不平衡导致的交通拥 挤外，我国城市交通的混合交通流以及交叉口的不合理组织也是引发城市交通问 题的主要原因。 随着我国城市化进程的加快，机动车，尤其是私人小汽车保有量迅猛增长， 以车代步已成为人们出行的主要方式。但不可否认的是非机动车、行人在城市交 通中依然占有一定比例，机动车、非机动车、行人在交叉口处反复进行分流、合 流，造成交通秩序的混乱，增加了交叉口的行车延误，降低了交叉口处的安全性。 同时，需要认识到道路走向的错综复杂决定了交叉口的必然存在。交叉口不 仅是道路网中通行能力的“瓶颈”，而且也是交通事故的“多发源”。因为交叉口 是道路交通的咽喉，在这里各个进口的机动车、非机动车、行人均有直行和转向 的不同要求，这样势必会产生相互干扰、引发交通事故、造成交通阻塞。据有关 资料显示，日本大城市中的机动车在市中心的旅行时间约有1 3 花费在平交口上， 日本交通事故中的人身事故与平交口有关的( 指在平交口内及其附近3 0 m 范围 内发生的人身事故) 占5 8 ：美国的交通事故约有一半以上发生在平交口附近日。 同时，大量的事实也证明城市道路交叉口拥挤现象最为严重，8 0 以上的延误集 中在城市道路交叉口，平面交叉口的通行能力不足道路的5 0 ，日常交通拥堵大 部分是由于平面交叉口的通行能力不足造成的。 为了使混合交通流在交叉口处有秩序的运行，必须对交叉口采取合理的组织 与管理手段，使混合交通流在时间、空间和功能上从无序到有序、减少干扰与阻 滞，确保各向混合交通流的顺畅和安全，实现城市交通的畅通。 我国很多城市在9 0 年代就已经使用了多种系统对交叉口进行控制，如北京、 大连、上海、广州等城市采用了s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i c s y s t e m ) 控制系统或s c o o t ( s p l i t - c y c l e - o f f s e to p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e ) 控制系 统。虽然s c a t s 和s c o o t 控制系统已经被很多国家和城市所采用，而且也得 到了满意的效果，如美国底特律采用了s c a t s 控制系统以后，城市交通和交通 环境都得到了良好的改善。但是在我国，使用s c a t s 和s c o o t 控制系统的效 果与国外差别很大。北京是我国使用s c o o t 控制系统最早的城市，在使用过程 中仍然存在不少问题，如由于非机动车对机动车的干扰，使得系统控制并不能收 到很好的效果。上海是采用s c a t s 控制系统较好的城市，但也仍然存在问题， 如高架路上的交通流在出口处严重干扰了地面交通流。 分析这些控制系统在我国使用效果不明显的原因，主要是国外的交通流以机 动车交通流为主，而我国的交通流是机动车、非机动车、行人混合的交通流，而 且非机动车与行人占有相当比重，国外系统未考虑这种混合交通流的特性，所以 无法适应我国城市交通特点。 同时，需要认识到立体交叉虽然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建成立体交叉。其原因是：经济成本太高，而且 城市街道的功能和周围地物的差异也不能完全行得通，通行方式也要因立体交叉 的形式而受到限制；如果采用典型的菱形立体交叉，平面上左右转车辆的交通 冲突仍不能完全避免，而在城市里大量采用苜蓿叶式或其他形式的互通式立体交 叉由于用地的限制又不现实；立体交叉对城市景观和环境等其他方面也存在一 些影响1 4 1 。所以说，平面交叉仍是我国城市交叉口的主要形式，道路资源充分利 用与否的关键是交叉口资源的利用情况，改善平面交叉口的交通状况，提高平面 交叉口的通行能力是综合解决城市交通问题的不可缺少的一步。 因此，结合我国城市交通现状，在混合交通条件下，对平面交叉口进行科学、 合理的交通组织优化，对于改善城市道路交通拥挤状况、提高道路通行能力、减 少交通事故具有十分重要的现实意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外信号交叉口研究现状 早在1 8 6 8 年，英国伦敦w e s t m i n s t e r 街口出现了最早的交通信号灯，从此诞 生了第一个信号交叉口，围绕着交叉口的研究不断的深入开展。英国、美国等发 达国家率先对此进行了研究，他们以连续的交通流为前提，提出了左、右转专用 车道、渠化交通设施等方法，在交通管理方面采用信号控制与交通规则相结合的 方法，如采用多相位控制、禁左或禁右等，来提高交通安全与通行能力。 发达国家在信号交叉口交通组织优化方面已进行了较为成熟的研究，如在信 号交叉口延误方面，1 9 9 7 年，加拿大阿尔伯达大学土木工程系s r e p l y 和 l f u v e h i c u l a r 介绍了如何计算车辆和行人在信号交叉口的延误i 5 1 。1 9 9 9 年1 月，路易斯安娜州大学土木工程学院教授b r i a nw o l s h o n 和密歇根州大学土木工 程学院教授w i l l i a mc t a y l o r 研究了自适应信号控制对接近延误( a p p r o a c hd e l a y ) 的影响，在文中通过比较s c a t s 控制系统和单点控制产生的延误，得出s c a t s 系统会给左转交通多一些绿灯时间的结论1 6 1 。1 9 9 9 年，美国得克萨斯大学交通 学院c c s a r a q u i r o g a 和美国加利福尼亚州斐特大学土木工程学院d a r c yb u l l o c k 介绍了一种新的调查信号交叉1 ：3 控制延误( c o n t r o ld e l a y ) 的方法”。 在信号交叉口信号设计优化方面，1 9 9 4 年，美国o a k p a d g e 国家实验室交通 研究中心i t s 研究室r c k h as p i l l a i 和a j a yk r a t h i 提出了如何在有限支路和 有限范围的交通系统中得到最大线控的带宽，并介绍了获得最大带宽的一种启发 式的方法m i l p ( m i x e di n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) 的形成和发展过程，以及基 于m i l p 的m a x b a n d 线控软件的优、缺点，并提出了改进方法”。1 9 9 8 年， 美国维吉尼亚工程技术学院j o s e p h a b a l l ，m a r r i n g v d a y 、p u s h k i n k a c h r o o 和t u n g s h e n g y u 等人，以使排队长度或等待时问最小为目标，针对单个交叉口 和有两个交叉口组成的最简单的网路，提出了反馈控制方法的设计，并讨论了由 4 两个交叉口组成的最简单的网络的多种模型和问题1 9 1 。1 9 9 9 年，日本学者i n o u e 和t a k c s h i 通过用仿真模型再现交通状况，用事件扫描法对设计方案进行评价， 并在十字路口进行试验的方法，研究了在交通高峰时段的拥挤状态下，信号协调 控制系统相位差的设计方法 1 0 1 。2 0 0 1 年，美国普渡大学土木工程系a b b a s 和 m o n i a s i r 提出了一种交通信号相位差的转换运算法则，这种方法的独特之处在于 优化过程同时考虑了交通量和占有率的影响，并且这种方法与传统的信号协调控 制系统有较好的兼容性1 1 1 1 。 在信号交叉口组织优化方面，1 9 8 5 年，l i n 研究了在红灯期间右转和设置右 转专用车道的运行特征。l i n 收集了1 6 个地点的红灯期间右转的数据，包括交 叉口几何条件、可接受间隙行为、运行时间。利用这些数据开发了仿真模型，测 试不同几何条件下的右转情况。l i n 的结论是在允许红灯期间右转的情况，设置 右转专用车道是必不可少的t 1 2 1 。1 9 9 8 年，乔治亚洲工业技术大学土木工程学院 m a r kb t a r r a l 和k a r t ：nk d i x o n 研究了两条左转专用车道在有无左转专用相位 条件下的交通冲突现象，从而分析了两条左转专用车道对交通安全的影响1 1 3 1 0 在考虑混合交通方面，1 9 8 6 年，s m i t h 和o p i e l a 在不同的环境下测定了自 行车的行驶速度分布t 1 4 1 。1 9 9 7 年，p c i n 测定了不同环境下自行车的加，减速度 分布和转弯半径等参数1 1 5 1 。1 9 9 8 年，韩国学者k w o n 和y o u n g - - i n 通过对1 5 条道路进行交通调查，研究了混合交通组成条件下的行人交通特性，讨论了人行 道对道路交通环境、行人、非机动车及机动车运行特性的影响u 。1 9 9 8 年，p u t m a n 在对实际调查数据分析的基础上，利用回归分析的方法研究了车道宽度、是否存 在自行车专用道、相邻车道流量等因素对自行车运行的影响 1 7 j 。1 9 9 9 年，美国 得克萨斯大学交通学院z o n gz 等人研究了在不同信号相位划分条件下，行人过 街时间的确定方法，并阐述了这些方法的优缺点及其对交叉口机动车辆运行的影 响t 1 8 | 02 0 0 0 年，美国南佛罗里达大学h u s h a mn a b d u l s a t t a r 对驾驶员在信号 交叉口左转或右转时给行人让行的特性进行了研究t 1 9 1 。 1 3 2 国内信号交叉口研究现状 我国在信号交叉1 3 方面的研究起步较晚，最早有北京工业大学、同济大学、 北京市政设计研究院等单位对信号交叉口进行了研究。1 9 8 5 年，北京工业大学 针对灯控平交路口混合交通的通行能力进行了研究。之后，我国交通工作者借鉴 国外先进的交通研究理论与经验，结合我国的交通特征，对信号交叉口进行了大 量研究。 在信号交叉口延误方面， 2 0 0 2 年，北京工业大学博士研究生邵长桥，运用 随机过程理论和计算机模拟的方法得到了信号交叉口排队长度分布模型，并运用 协调变换方法改进了车辆延误模型1 2 4 1 02 0 0 2 年，上海大学硕士研究生袁以武， 提出了在非饱和无溢流情况下左转专用信号灯的交叉口车辆延误模型，并给出了 计算车辆平均延误的公式1 2 5 e2 0 0 4 年，北京工业大学硕士研究生李春艳，在借 鉴美国通行能力手册延误模型的研究思路的基础上，结合我国城市信号交叉口交 通流运行特征，建立了适用于我国信号交叉口的左右转交通流的延误模型，同时， 通过采用车队法和冲突交通量法分别建立了信号交叉口左右转的通行能力模型， 并根据实际观测，证明其模型具有较好的适用性嗡1 。 在信号交叉口信号设计优化方面，2 0 0 1 年，北京工业大学博士研究生马建 明研究了利用专家系统技术，从几何设计、交通组织设计以及信号配时等三方面 对信号交叉口进行优化设计，并建立了用于评价信号交叉口运行优劣的微观计算 机仿真模型s i m s i o 2 7 1 e2 0 0 1 年，同济大学杨锦东和杨东媛，研究了信号交叉 口非饱和条件下信号周期与相关因索的关系，提出了周期时长的优化模型嘴1 。 2 0 0 4 年，北京工业大学硕士研究生李美玲，根据信号交叉口优化设计的特点， 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1 2 9 1 。2 0 0 5 年，吉林大学硕士研究生姜景玲，根据自行 车相对于标准小汽车的换算系数和基于交通强度的机动车交通流的周期时长优 化方法，建立了典型交叉口的周期时长优化模型 3 0 1 02 0 0 5 年，吉林大学硕士研 究生王波，提出了拥挤条件下交通流诱导分流策略与交叉口拥挤疏导信号控制策 略，并建立了交叉口拥挤疏导信号控制方案的实时选择模型1 3 1 1 e 在信号交叉口组织优化方面，2 0 0 1 年，北京工业大学马建明等人利用微观 仿真模型，提出了信号交叉口交通组织优化的设计方法1 3 2 12 0 0 2 年，四川交通 职业技术学院刘德武，通过对平面交叉口的交通特性进行研究，提出了道路平面 交叉口的交通组织与管制的具体方法和措施 3 3 o2 0 0 4 年，长安大学硕士研究生 自立岗，通过对交叉口交通特征的分析，建立了交叉口布局、信号控制、交通流 6 生成及运行等数学模型。2 0 0 5 年，中国农业大学硕士研究生龚晓岚以减小交 叉口信号控制的平均延误为目标，提出了平面交叉口多相位模糊控制算法3 5 1 a 2 0 0 4 年，长安大学硕士研究生葛怀群对禁左交通组织进行了研究，提出了禁左 交通效果评价的主要指标，并构建了禁左交通组织的综合评价模型 3 6 1 。 在考虑混合交通方面，2 0 0 1 年，同济大学杨晓光等人，分析了设置行人交 通控制信号的必要性，并对设置方法进行了研究，针对混合交通流特性，确定了 行人信号相位及其通行时间的定量模型 3 7 1 e2 0 0 4 年，哈尔滨工业大学硕士研究 生董向辉在对非机动车与行人交通特性分析的基础上，研究了信号交叉口周期时 长和绿信比优化模型，并开发软件对所建立的模型进行了实例验证啪。2 0 0 4 年， 北京交通大学硕士研究生赵建丽对混合交通流条件下信号交叉口的行人交通进 行了研究，对行人行为进行了详细描述，并研究了行人交通的相关参数，建立了信 号交叉口行人对汽车的接受延迟曲模型和非机动车混合群体对汽车的接受间 隙( g a p ) 模型，这为混合交通流条件下的信号交叉口微观模拟仿真提供了行人行为 描述和定量的数学模型k 3 9 1 02 0 0 5 年，吉林大学博士研究生景春光在对自行车交 通流特征参数分析的基础上，对交叉口自行车流的到达和释放规律进行了研究， 并建立了自行车交通流的参数模型t 4 0 o 1 4 本论文研究的内容和技术路线 1 4 1 论文研究的内容 1 、信号交叉口交通组织优化综述； 2 、信号交叉口混合交通流特性研究； 3 、信号交叉口交通渠化； 4 、信号交叉口相位设计； 5 、信号交叉口信号配时设计； 6 、信号交叉口行人信号设计； 1 4 2 论文研究的技术路线 根据论文研究的内容，确定主要的技术路线框图如图1 1 所示： 图t - 1 论文的技术路线 第二章信号交叉路口交通组织优化问题概述 2 1 道路交通组织优化概述 2 i 1 道路交通组织优化概念 交通管理是管理科学中的一个重要组成部分，是以稳定社会、保证经济正常 发展、追求社会效益为目标的现代化科学管理。它由两方面内容组成，一是突出 科学决策和有效控制，即管理思想的现代化；二是应用先进的科学技术，提高管 理工作的效率和水平，即管理技术的现代化。道路交通组织优化是这两方面知识 相结合的产物，是个有机整体。 交通组织，简言之就是交通的流量组织、流速组织、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 4 1 1 0 道路交通组织优化，就是要通过现有的交通现代控制技术、监控技术、诱 导技术、信息技术、通信技术，来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 道路交通组织优化思路 发达国家的历史经验表明，在经济高速发展进程中，车辆发展的速度远远超 过道路发展的速度，经济发展所刺激的交通需求远远大于道路资源、管理资源所 能提供的交通供给，交通供需矛盾表现出主要的交通问题，即“三点”问题：秩 序乱点、交通堵点、事故黑点。 认清当前存在的主要交通问题，就需要用科学的思路来进行交通组织优化， 即：对于宏观交通组织，在时间上要削峰填谷，在空间上要控密补稀，体现出矛 盾分散时空均分的原则；对于微观交通组织，信号配时上要分秒必争，在车道渠 化上要寸土必争，体现出在冲突分离基础上充分利用空闲时间和空闲面积 4 1 1 0 2 1 3 道路交通组织原则 道路交通组织优化是对“交通工程”技术的具体运用，具体来说包括交通工 9 程技术原则和交通组织思想方法原则 4 1 l 。 1 、交通工程技术原则 交通分离原则 一- 不同流向、不同种类的交通流在交通空间、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体分离两类。从内涵上讲，有时间分离和空间分 离两种形式。空间分离靠交通标志、标线来实现，时间分离靠信号相位来完成。 交通连续原则 交通连续原n e p 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：在交通渠化方面，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。 连续交通搞的好，行人流量可以减少，车流行驶可以有序，这是搞好秩序管 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 逐步趋于大体一致，不至于由于某一点压力过于集中而造成交通拥堵，这也是交 通优化所追求的目标。 交通优化的目标实际上是通过将交通压力进行转移来实现的。也就是将路网 中拥堵路口的交通压力转移一部分给非拥堵路口，即进行交通负荷均分，问题的 关键在于转移多少交通压力( 即程度) 和转到哪里去合适( 即作用点) ，这也是 交通优化工作的重点。 交通总量削减原则 交通总量削减也称交通总量控制。当一个路网总体交通负荷接近于饱和时， 已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；也可以采取供需互动关系来调整路网总体负荷，如停车与行车以静制动 的关系；或者采用道路划分功能( 即过境路、集散路等) 、交通流划分性质( 即 公务流、过境流、生成流、到达流等) ，分别分配道路流量。 1 0 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，即层流，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，频繁的合流分流冲突因其交通 紊流，造成拥堵和事故。 优先原则 优先是指对某一种车给予特殊待遇，有车种优先即流向优先( 如小轿车专用 道、公交专用道) ，直行车流优先，主路( 或环岛内) 车流优先等。 2 、交通组织思想方法原则 换位思维原则 交通组织调整，需要站在用路者角度考虑各种因素，即需要换位思维，以保 证方案的顺利实施。特别是单行、禁左、禁限措施的调整，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，同时还应考虑出路的承受能力以及 有可能引发的问题，来调整完善交通组织，这就是交通组织的基本思想方法。 以人为本，方便出行原则 交通组织不应以方便管理为出发点，而应以方便大多数人出行为准则。 在混合交通情况下，不同种类交通流在使用同一路面时都对通行条件提出需 求，而这些需求又都是相互矛盾的，这就要求按照行人、非机动车、机动车通行 时的规律特点进行交通组织，而不应只考虑机动车交通组织，忽略行人、非机动 车交通组织。所以说，应该首先以弱势群体的安全为基点，按照行人、骑车人、 司机的心理和行为特点，在尽可能照顾行人、骑车人的前提下，进行混合交通的 综合交通组织。 通行能力资源配置原则 此原则源于管理学中的“木桶原理”，即长短不齐木片箍成木桶，桶内盛水 的多少取决于最短木片。长短木片代表道路不同路口的通行能力、桶内盛水代表 道路所能通过的最大车流量。 对一条道路进行交通组织，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通行能力，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而发生交通拥堵，这就是通行能力资源配置原则。 路权分配原则 路权即为出行者使用道路的权利。道路交通管制将路权划分为时间路权和空 问路权。为了道路使用更加有序，就要进行合理的路权分配，如时问路权分配 般通过信号控制来实现；空间路权分配一般通过道路设施( 如隔离装置、标志、 标线等) 来划分。 路权分配原则的关键就是要考虑周全、简单明了，考虑周全就是对所有道路 使用者都要进行考虑，也就是所有道路使用者都要有路可走；简单明了就是所有 的道路使用者都能看懂各自的时间路权和空间路权。这是保证道路交通秩序的基 础。 动静态交通组织相结合原则 根据交通组织措施的不同，可将交通组织分为静态交通组织与动态交通组 织。静态交通组织包括车道渠化、信号相位、单行禁左、警告禁令、指路指示信 息提示等，主要解决交通资源配置问题，主要任务是对路网各节点不同流向进行 通行能力分配和路权分配，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，交通拥堵现象时有发生，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，这就需要同时进行动态交通组织。动态交通 组织包括信号配时、路口问信号协调、诱导信息、监控检测、指挥调度等，主要 任务是对路网各节点的交通负荷进行分配，以及指挥疏导，确保路网发挥最大效 能，常用的措旋有卸荷、截流、分流等。 渐变原则 交通组织调整应按调整作用力度大小循序渐进。如在交叉口，选取调整方式 的顺序应依次为调信号配时、调渠化车道、调禁限流向、调禁限车种。对于实行 禁限措施或进行流向调整的措施，实施前应进行广泛的社会宣传和采用试运行机 制，让广大用路者有充分的时间接受措施的调整，减轻实施的社会压力。 2 2 信号交叉口交通组织优化概述 由于交叉口是各种车辆和行人汇集并转向其他道路的集散点，这时车辆和行 人之间、车辆与车辆之间，特别是非机动车和机动车之间的相互干扰，不但会造 成交通阻滞，降低行车速度，而且也容易发生交通事故。可见，交叉口是道路交 通发生矛盾的集中点，各交通流相互干扰严重。因此，对交叉口进行交通组织优 化，首先要对交叉口的交通流特点进行分析。 2 2 1 我国混合交通下信号交叉1 3 交通流的特点 1 、信号交叉口混合交通严重。在我国大部分城市，交叉口处各种车辆( 卡 车、公共汽车、电车、轿车、出租车等) 、白行车、兽力车、人力车、行人混合 行驶，彼此之间相互干扰。 2 、信号交叉口交通流量大。信号交叉口是各种车辆及行人进行道路转换的 交织点，因此通过的交通量较大，交通密度高于一般路段。 3 、信号交叉口冲突点多。交叉口是各种车辆、行人汇集、分散的地段，各 交通流相互干扰严重，形成很多冲突点，其中，又以左转弯车辆对交叉口交通影 响最大。 4 、信号交叉1 3 交通速度低、通行能力低。交叉口是道路通行能力的“隘路”。 据统计，信号交叉口的通行能力比路段上的通行能力减少为：3 条道路交叉的下 降约3 0 ，4 条道路交叉的下降约5 0 ，5 条道路交叉的下降约7 0 。 5 、交叉口交通事故频发。交叉口是交通事故的主要发生地。据统计，在我 国的交通事故中，发生在交叉口的约占6 4 。 2 2 2 交通冲突 通过对信号交叉口交通特性的分析，可以看出，导致信号交叉口交通混乱、 事故多发的主要根源，就是交叉口处混合交通流产生的大量冲突点。 冲突点是指当两股不同流向的交通流同时通过空间某点时，就会产生交通冲 突，该点就称为冲突点。 按冲突的方式，交通冲突可为四种：交叉冲突、分流冲突、合流冲突、穿插 冲突，其中，合流冲突点与分流冲突点统称为交织冲突点，如图2 - 1 所示： 十丫产 ( a ) 交叉冲突点( b ) 合流冲突点 ( c ) 分流冲突点 图2 - 1 交通冲突的四种方式 按冲突发生的地点，又可将交通冲突分为：固定冲突点、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。 对无任何控制的平面十字交叉路口的冲突点进行分析： 若不计行人流、非机动车流的各类冲突点、冲突数见图2 - 2 、表2 1 。 ji l j、 一 1 、 赘 。j 一，一 一 。 一_ 1 厂、 厂。 f厂 交叉 合流 、 、 r 分流 j 1 突点 突点 突点- 图2 - 2 无信号控制交叉口机动车冲突点分布图 无控制交叉口机动车冲突数表2 - 1 交叉口形式交叉点合流点分流点共计 十字交叉 1 6 8 83 2 若计行人、非机动车，则各类冲突点、冲突数见图2 3 、表2 2 。 标准十字平交口机动车、非机动车、行人备类冲突点统计表表2 - 2 冲突类型交叉点合流点分流点小计共计 机机 1 6883 2 1 3 6 个 机l _ - 非5 6 5 6 其中：交叉点：1 0 4 个 机一行 88合流点：1 6 个 非一非 1 68 8 3 2 分流点：1 6 个 非一行 88 1 4 !一一；i一：j一；婴 l 踅| | 一呻。o 声9 “弋艾j ? j一一，d 一 一一 黪 f 飞 一爿 1 i l 、艮 穴 蓿 点 点 点 点 点 图2 - 3 标准十字平交口机动车、非机动车、行人无信号交叉口冲突点分布图 2 2 3 混合交通下信号交叉口交通组织优化 通过对无任何控制交叉口冲突点的分析，可以看出，大量的冲突点是造成交 叉口秩序混乱、发生事故的根源。因此，对信号交叉口进行交通组织优化，应对 冲突点进行控制。 冲突点的控制原则是：变随机冲突点为固定冲突点、变交叉冲突点为交织冲 突点、变饱和冲突点为非饱和冲突点、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1 4 1 。 在信号交叉口，对冲突点进行控制，一般采用冲突点的空间分离和时间分离 两种方法。 1 、冲突点的空间分离 在信号交叉口，对冲突点进行空间分离，主要采用交通渠化的方法，即通过 渠化设施对行人及各种不同车型、不同方向、不同车速、不同运动状态的交通流 进行引导、隔离和管制，使交通实体像渠内水流一样顺着一定的方向和路线，互 不干扰的安全有序运行。标准路口渠化如图2 - 4 所示。 图2 4 标准路口渠化图 通过渠化方法，可以把随机冲突点固定下来，利用交通标志、标线、高出路 面的各种岛状构造物、护栏、分隔带、隔离墩及其他设施和方法，缩小路口冲突 范围，隔离不同车种、流向的交通流，把空间上的冲突点的个数降至最低，为时 间分离和让行分离打好基础。 2 、冲突点的时间分离 对交叉口采用渠化以后仍然无法消除的冲突点，可以通过时间分离的方法， 即采用信号控制的方式，将冲突点在时间上加以分离。由我国现行两相制信号控 制的标准十字路口可以看出，通过采用时间分离的方法，交叉口的冲突点大大减 少，交通秩序极大改善，交通安全较大提高。标准两相位信号交叉口冲突点、冲 突数如图2 5 、表2 3 所示。 i 1j 机机空夏冲， n 毯 。机一丰交夏冲， 机行交叉冲， o 非事变_ i 冲， a 非骨交夏冲， ，j 鲁共交织冲突l !乡z一 一 帮7衍曼； 图2 5 两相位信号控制十字路口机、非、行各类冲突点分布图 两相位信号控制十字路口机、非、行各类冲突点统计表 表2 - 3 冲突类型交叉点合流点分流点小计共计 柳期2 441 04 2 个 机? 一非 1 41 4 其中：交叉点：2 6 个 枫新 44 合流点：8 个 非 2441 0 分流点：8 个 非彳亍 44 2 3 本章小结 本章首先对交通组织优化的概念、思路、原则进行了介绍，接着在对