（交通运输规划与管理专业论文）单点及干道交通组织与信号配时改善研究.pdf

摘要 摘要 缓解交通拥堵问题除了控制交通需求、增加交通设施之外，提高交通系统 的运行效率也是十分重要的方面，而交通组织和信号控制是影响城市道路交通 运行效率的主要因素。本文从点和线两个层面，对交通组织与信号配时改善方 法及相关理论进行研究。主要内容包括： ( 1 ) 研究单点交叉口中各类交通流的交通组织原则、判断标准及改善措施， 提出交通组织与信号配时协调原则、常见问题及相应改善方法。 ( 2 ) 建立短车道进口道通行能力模型，研究短车道进口道通行能力与信号 周期的关系。研究发现t 短车道进口道通行能力并不一定随信号周期的增加而 增加，两者关系取决于短车道进口道中普通车道与短车道的饱和流量之比、短 车道长度以及总信号损失时间等因素；提出短车道进口道通行能力同信号周期 关系的定量判定标准。 ( 3 ) 针对现有单点路口最佳信号周期估算公式的不足，以美国h c m 2 0 0 0 延 误模型为基础进行研究，发现关键车道组的流量比关系对最佳信号周期的影响 在二相位和多相位下存在明显差异，并拟合出新的最佳信号周期估算公式。 ( 4 ) 分析干道功能及服务水平评价方法，研究干道上交叉口间距的合适范 围，提出兼顾机动性功能与集散服务功能的交叉口间距优化调整原则，并结合 实例进行分析；提出干道上各交叉口之间交通组织协调优化原则及可用措施。 ( 5 ) 分析干线交通信号协调控制机理，对定时式协调控制配时设计的数解 法提出改进建议。原数解法未能考虑各交叉口交通运行状况的差异对绿波带宽 度的影响，改进后的配时设计以关键交叉口的绿时损失最小为原则，有利于增 加线控系统的整体绿波带宽。 关键词：信号配时，交通组织，短车道，最佳信号周期，协调控制 摘要 a b s t r a c t o n eo ft h em a i ns t r a t e g i e st o m i t i g a t et r a f f i cc o n g e s t i o ni s t o i m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h et r a f f i cs y s t e m ，w h i c hm a i n l yd e p e n d so nt h et r a f f i cf l o wo r g a n i z a t i o n a n ds i g n a lc o n t r o ls c h e m e t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h et r a f f i cf l o wo r g a n i z a t i o na n d s i g n a lt i m i n gf o ri s o l a t ei n t e r s e c t i o n sa n dt h ei n t e r s e c t i o n so na na r t e r i a lr o a d f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l e s ，c r i t e r i aa n di m p r o v e m e n t m e a s u r e m e n t sf o rt h eo r g a n i z a t i o no ft r a f f i cf l o w sa ti s o l a t e di n t e r s e c t i o n s g e n e r a l p r o b l e m si nt h ec o o r d i n a t i o no ft r a f f i co r g a n i z a t i o na n dt h es i g n a lt i m i n gw e r e a n a l y z e d ，m a i np r i n c i p l e sa n de f f e c t i v em e a s u r e st od e a lw i t ht h ep r o b l e m sw e r e p r e s e n t e d s e c o n d l y , ac a p a c i t ym o d e lo ft h ea p p r o a c hw i t hs h o r tl a n e sw a sd e v e l o p e da n d a n a l y z e d i tw a sf o u n dt h a tf o ra na p p r o a c hw i t hs h o r tl a n e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec a p a c i t ya n dt h ec y c l el e n g t hd e p e n d so nt h es a t u r a t i o nf l o wr a t eo ft h en o r m a l l a n e sv e r s u st h a to ft h es h o r tl a n e s ，t h ee f f e c t i v el e n g t ho ft h es h o r tl a n e s ，t h el o s e t i m ea n dt h ec y c l el e n g t hi t s e l f t h ec r i t e r i o n st oe s t i m a t et h ea b o v e r e l a t i o n s h i pw e r e d e v e l o p e da n dv a l i d a t e dt h r o u g hn u m e r a lc o m p u t i n g t h i r d l y , t h ed i s s e r t a t i o nd e v e l o p e dn e wo p t i m a lc y c l el e n g t hm o d e l sb a s e do n t h ed e l a ym o d e l sf r o mh i g h w a yc a p a c i t ym a n u a l2 0 0 0 t h e r ei sap h e n o m e n o nt h a t t h ee f f e c to fy r a t i o ( r a t i oo ff l o wt os a t u r a t i o nf l o w ) p a t t e r nt ot h eo p t i m a lc y c l e l e n g t hi sd i f f e r e n tf o rt w o p h a s es i g n a lt i m i n ga n dm u l t i - p h a s e ss i g n a lt i m i n g t h e n e wm o d e l sr e f l e c t e dt h i sf e a t u r e f o u a h l y ，a f t e rt h ed i s c u s s i o n o nt h ef u n c t i o n so fa r t e r i a lr o a d sa n dt h e m e t h o d o l o g i e st oa s s e s st h e m ，t h ed i s s e r t a t i o ng a v es o m ep r i n c i p l e st oo p t i m i z et h e i n t e r s e c t i o ns p a c i n go na na r t e r i a l r o a d p r i n c i p l e sa n ds u i t a b l e m e a s u r e st o c o o r d i n a t et h et r a f f i co r g a n i z a t i o no ft h ei n t e r s e c t i o n sw e r ea l s op r e s e n t e d f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fs i g n a lc o o r d i n a t i o na n d i m p r o v e dt h ef o r m e rm a t h e m a t i c sa n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hi sas i m p l eb u tu s e f u l s i g n a lt i m i n gm e t h o dt oc o o r d i n a t es i g n a l so na na r t e r i a lr o a d t h ef o r m e rm e t h o dc a n n 摘要 n o tr e f l e c tt h ed i f f e r e n c e so ft h et r a m cc o n d i t i o n sa ti n d i v i d u a li n t e r s e c t i o n s t h e r e f i n e dm e t h o di sb a s e do nt h em a x i m i z a t i o no ft h ee f f e c t i v eg r e e nw a v ea tt h e c r i t i c a li n t e r s e c t i o n s ，a n dp r o v i d e daw i d e rg r e e nw a v eb a n d w i d t ht h a nt h ef o r m e r m e t h o d k e yw o r d s ：s i g n a lt i m i n g ，t r a f f i cf l o wo r g a n i z a t i o n ，s h o r tl a n e ，o p t i m a lc y c l e l e n g t h ，s i g n a lc o o r d i n a t i o n i i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 盈杉夕 ， 钙 月 蝣竹 名 心， ， 辩 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 交通拥堵越来越成为城市的通病。发达国家较早开始经历交通拥堵的痛苦。 中国随着社会经济的持续快速发展，小汽车逐步进入家庭，各大城市的汽车保 有量迅猛增长，以拥挤和污染为代表的道路交通问题也日益突出，并逐渐成为 社会热点问题。 美国5 0 个主要城市1 9 9 4 年因交通拥堵造成的经济损失超过5 3 0 亿美元， 其中9 0 损失来自时间损失，1 0 来自燃油损失【。日本东京每年因交通拥堵 造成的交通参与者时间损失高达1 2 3 亿日元。北京市一天的拥挤成本即为4 1 7 7 1 万元天【2 】。北京市大气污染物中，6 3 的一氧化碳、7 3 的碳氢化物和5 0 的 氮氧化物是由机动车排放造成的。9 0 年代，北京市3 0 3 条主要监测路段的交通 噪声平均值一直处于7 2 d b 左右，高于国家标准【3 j 。2 0 0 6 年深圳市的机动车尾 气污染物排放已占全市大气污染物排放量的7 0 以上，成为大气污染的主要来 源，去年排放的各种有害物质近2 4 万吨，对市民生活健康造成很大威胁【4 1 。 交通是个复杂的系统，任何单一层次、几种方法的简单集成都难以解决交 通问题这一“顽症”，必须采用系统工程的思想和方法，通过科学、系统的综合 治理来加以解决。 总体上看，解决城市交通拥挤问题从需求和供应两方面同时入手。在需求 方面主要是通过政策和经济的手段来控制和调节交通需求，如大力发展公共交 通，实施拥挤收费等等。在增加供应方面，其根本途径有两条：一是增加设施 供应，即加快交通基础设施建设，通过新建道路或对现有的道路网络进行改造 以提高整个路网的交通容量；二是在提高既有交通设施的交通运行效率。 城市道路的瓶颈在交叉口，交叉口的交通组织和信号配时是影响城市道路 交通运行效率的重要因素。合理的交通组织和信号配时能充分发挥道路系统的 潜力，改善交通安全、提高交通运行质量，减少能源消耗、降低废气排放和噪 声污染。反之，如果交通组织或信号配时不合理，则会加剧交通拥挤，增加能 第1 章引言 耗和污染，甚至引发交通事故。 在我国城市道路中，交叉口交通组织和信号配时设计方面普遍存在问题。 例如，信号周期时间普遍过长，机动车或非机动车交通组织不合理，进口道车 道数与路段车道数或进出口车道数不匹配，设置左转相位却未设置左转专用车 道、上下游交叉口间距不合理等等。这些问题对道路交通运行效率带来不利影 响。造成这些问题的原因，既有主观上的原因，又有客观上的原因。主观上， 过去很长一段时间，我国在交通系统发展方面普遍存在重建设轻管理，重硬件 轻软件，重道路设计轻交通设计。客观上，我国对于城市道路的交通组织和信 号配时设计方面还缺乏相应的设计标准或规范，不利于现代交通工程技术的推 广应用。此外，交通组织和信号配时设计理论本身也还存在很多需要完善的地 方。 因此，有必要研究城市道路的交通组织与信号配时改善问题。 1 2 研究目标与内容 信号交叉口的交通组织和信号控制改善问题涉及的范围比较广泛，相关研 究成果也比较多，结合我国在信号交叉口交通组织和信号控制方面的实际需要， 本论文研究的目标分为两方面，一是对实际交叉口规划设计工作中有关交通组 织、信号配时方面的问题提出解决方案，二是交叉口交通组织和信号控制理论 或方法的改进。前者侧重于利用现有理论解决工程中的实际问题，后者则是理 论和方法本身的改进。 单点信号控制和干道信号协调控制系统在城市交通控制中最具代表性，也 是城市交通控制系统的基础。因此本文主要研究单点和干道的交通组织和信号 配时改善问题。具体研究内容包括： ( 1 ) 单点交叉口交通组织、信号配时方法及交通组织与信号配时的协调； ( 2 ) 交叉口通行能力与信号周期时间的关系： ( 3 ) 最佳信号周期估算公式； ( 4 ) 干道服务水平评价及交叉口间距优化调整方法； ( 5 ) 干线信号协调控制配时设计方法、交通组织协调方法。 2 第1 章引言 1 3 研究的意义 本文从单点和干道两个层面对交通组织和信号配时改善问题进行研究，研 究的意义主要体现在： ( 1 ) 为城市道路交通设计工作提供指导。 随着我国交通建设决策者和规划设计人员的观念的更新，特别伴随着“畅 通工程 的深入开展，依靠科学技术改善城市交通问题已成为共识。在一些城 市，“交通设计 方法和技术已经进入城市建设的流程，并为改善城市交通状况 发挥了巨大作用【5 j 。但是，交通设计发展时间尚不长，缺乏统一而全面的规划 设计规范，广大规划设计人员多凭借经验或部分不成熟的理论或方法从事设计， 这一状况不利于交通设计的发展和城市交通改善。本文所研究的交通组织和信 号配时设计问题，很大部分都属于交通设计中的问题，研究结论对实际交通设 计工作具有重要指导意义。 ( 2 ) 完善交通组织或信号配时理论。 城市道路的交通组织或信号配时设计理论和方法仍在发展完善之中，也是 当前的研究热点之一。本文对关于交叉口通行能力与信号周期关系、最佳信号 周期估算公式、干道交通组织及信号配时方法的研究，无疑对完善交通组织或 信号配时设计理论具有一定意义。 1 4 研究方法 本课题涉及到交通组织与信号配时在实践中存在问题的改善以及交通组织 与信号配时理论或方法本身的改进两方面的工作。对于实践中存在问题的改善， 在方法论上主要是针对性地选择应用国内外成熟的理论、方法、规范、规程。 对于理论和方法自身的改进，则主要采取数理推导、实例验证等方法。 3 第1 章引言 1 5 论文结构 本文共分六章，各章主要内容如下： 第一章引言 介绍研究背景、研究目标和内容、研究方法等。 第二章研究综述 对国内外相关研究进行总结和分析，明确本文的研究方向和重点。 第三章单点交通组织和信号配时改善 分析单点交叉口交通组织和信号控制的任务及主要工作内容，就交通组织 和信号配时所涉及的一些关键问题进行探讨，并重点研究通过减少相位损失时 间来提高通行效率的办法以及短车道进口道的通行能力问题，提出短车道进口 道通行能力随信号周期变化关系的定量判断标准。 第四章新最佳信号周期公式 针对既有最佳信号周期存在的问题，以信号控制路口最新延误模型为基础， 研究最佳信号周期的理论计算方法；分析最佳信号周期同各关键车道组的总流 量比、流量比关系、总信号损失时间等因素的关系，发现除总流量比、总信号 损失时间之外，各车道组的流量比关系对最佳信号周期也有显著影响，因而多 相位和二相位情况不能适用统一的最佳信号周期公式。在此基础上，分别针对 多相位和二相位路口，以典型交通特征数据为基础，拟合出最佳信号周期估算 公式。 第五章干道交通组织和信号配时改善 探讨干道功能、服务水平评价方法及其交通组织和信号控制的目标，并对 交叉口间距优化调整、交通信号协调控制、相邻交叉口交通组织协调优化等进 行研究。提出干道交叉口间距的合适范围及优化调整原则；对交通信号协调控 制数解法的原理进行分析，并提出改进建议；提出干道沿线交叉口交通组织协 调优化的原则和常用措施。 第六章结论与展望 总结论文研究成果，并指出下一步研究方向。 4 第1 章引言 本章参考文献 【1 】y o u n s o ok a n g d e l a y , s t o pa n dq u e u ee s t i m a t i o nf o ru n i f o r ma n d r a n d o mt r a f f i ca r r i v a l s a tf i x - t i m e s i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n s p h d d i s s e r t a t i o n v i r g i n i ap o l y t e c h n i ci n s t i t u t ea n ds t a t eu n i v e r s i t y 【2 】王晶北京市交通社会成本的评估交通环保2 0 0 5 年第2 期 【3 】北京市环境保护局2 0 0 2 年北京市环境状况公报2 0 0 3 6 1 【4 】王慧琼全市车用燃油质量升级深圳特区报2 0 0 7 年0 4 月0 4 日 【5 】杨晓光主编交通系统设计研究与实践第一届同舟交通论坛论文 集上海：同济大学出版社2 0 0 4 5 第2 章文献综述 2 1 概述 第2 章文献综述 交通工程作为一门新兴学科，是随着汽车的发展而发展起来的，交通流理 论是交通工程学的基础理论，交通组织与交通信号配时设计理论和方法都是以 一定的交通流形态为前提，信号配时设计理论也是随着交通流理论发展的不断 深化。本章在概述交通流量理论发展历程的基础上，重点评析同交通组织与信 号配时密切相关的交通服务水平评价方法( 主要是延误估算模型) 、城市交通控 制系统、信号配时设计理论、交通组织方法等方面的进展。 2 2 交通流理论发展概况 交通流理论是交通工程学的基础理论。交通流理论始于2 0 世纪3 0 年代， 早期的交通流理论基本上是概率论方法【l 】。k i n z e r 于1 9 3 3 年首次提出p o i s s o n 分布应用于交通的可能性；1 9 3 6 年a d a m s 发表了有关的数值例题；1 9 4 7 年 g r e e n s h i d d s 等人在其有关交叉口的交通分析中采用了p o i s s o n 分布。1 9 5 0 年代 起，随着世界汽车工业的发展和汽车交通保有量的增加，交通量、交通事故和 交通阻塞剧增，交通流中各车的独立性越来越小，原有的概率论方法越来越不 敷应用，于是出现了车辆跟驰理论、流体力学模拟理论以及车辆排队理谢1 3 】。 1 9 5 9 年1 2 月，在美国通用汽车研究所的邀请下，以美、英、澳、德等国为主 的交通工程学、应用数学方面的学者1 0 0 多人在底特律市举行了首届国际交通 流理论学术讨论会，这次会议标志着交通流理论的诞生。1 9 7 5 年，d a n i e l 和 m a t t h o w 汇集各方面的研究成果，出版了“交通流理论”一书，较全面地、系 统地阐述了交通流理论的内容及其发展。 从7 0 年代末开始，国内道路交通相关高校和科研单位开始系统引进国外在 交通流方面的研究成果，并结合中国交通混合交通的特点进行改进，取得了不 少有价值的成果。部分物理学界、力学界、数学界和系统科学界的学者也加入 7 第2 章文献综述 研究队伍，他们在全速度车辆跟驰模型、速度效应元胞自动机模型和速度梯度 连续模型等方面的工作，解决了一些国外模型存在的问题【4 】。 近年来，国内外专家还致力于各种交通流特征模型研究，取得了丰硕的成 果，概括起来可分为下面五个方向的研究成剁4 】：车流到达模式研究；排 队队长、时变特征及其消散规律研究；交通流散布特征研究；信号控制方 案研究；驾驶员对信号的响应特征研究。这些研究通常以信号交叉口车辆两 两之间的微观运行关系为出发点，以车辆跟驶理论为主要理论基础，结合车辆 的到达、转向等随机分布，全面构造了车辆的到达、排队、跟驶、冲突等各种 运行状态的数学模型，并运用计算机仿真方法对信号交叉口的通行能力及延误 进行研究。 2 3 交通延误估算模型的发展 2 3 1 交通效益与服务水平评价指标 交通效益的评价指标一般有以下几个：通行能力或饱和度( 实际到达交通量 与通行能力之比) 、行程时间、延误、停车次数、停车率及油耗等。 在一定的道路条件下，信号控制交叉口的通行能力受信号周期时长的影响。 在正常的周期时长范围内，周期时长越长，通行能力越大，但车辆延误及油耗 等也随之增长。信号交叉口从延长周期时长所提高的通行能力远大于交通需求 时，即饱和度相当小时，对通车状况并无多大好处，却会无谓的增加车辆延误 与油耗。所以，在这种情况下，通行能力过大，对于信号控制交叉口的交通效 益而言，没有多大意义。信号控制交叉口的信号配肘，在一定的道路条件下， 应配以适当的周期时长，让通行能力稍高于交通需求而使延误、停车、油耗等 指标达到最小，这样，既能保证车辆的畅通又能降低运行费用。因此，现在一 般都以延误、停车、油耗等作为信号控制交叉口的交通效益评价指标。在线控 制、面控制系统中，除以上指标外行程时间也是信号控制交叉口的交通效益 评价指标之。 对于交叉口交通服务水平评价指标，各国家或地区并不统一。美国1 9 8 5 年 出版的道路通行能力手册( h i g h w a yc a p a c i t ym a n u a l ，h c m ) ，将交叉口服务水 8 第2 章文献综述 平评价指标由饱和度改为延误，按延误时间长短分为6 个级别【5 j 。日本交通工 程研究会以信号周期时长来划分信号交叉口的服务水平，其信号交叉口服务水 平按周期长分为三级【6 】。香港采用剩余通行能力( r e s e r v e dc a p a c i t y ) 来评价信 号交叉口的服务水平，其概念与饱和度类似。正如前面的分析，饱和度和信号 周期都不能独立地反映路口的交通效益，所以主要还是应该采用延误作为交叉 口服务水平的评价指标。 2 3 2 延误估算模型 延误是信号控制交叉口服务水平的主要评价指标，但延误估算是交通工程 领域的难点，因此一般建议交通服务水平评估尽量采用实地观测的方法，只有 在缺乏实测数据时才采用模型估算的办法。但是，鉴于实地观测耗费成本比较 高，而且存在一定主观性，同时对一些需要预估延误时间场合( 如i t s 中的行 程时间预测) 根本无法实地观测，因此研究延误估算是十分必要。 目前的延误估算方法有两类，一类是解析式延误估算模型，一类是建立在 仿真基础上的延误估算技术( 杨东援，2 0 0 1 ；陈绍宽，2 0 0 5 ；蒋金勇，2 0 0 5 ) 7 曲 。 本节重点评析解析式延误估算模型，因为多数信号配时设计方法都是建立在解 析式模型的基础上的。 w e b s t e r ( 1 9 5 8 ) 采用确定性排队理论，提出了适用于不饱和信号交叉口的 延误估算模型【1 0 】，如式( 2 1 ) 所示。 式中： d = 而c ( 1 - 2 ) 2 + 丽9 2 - o 6 5 亿- ) 2 ( 1 一y )2 9 ( 1 一五) l 9 2 、7 d = 平均每车信控延误( s ) ； c = 周期时长( s ) ； 五= 所计算车道组的绿信比； x = 所计算车道组的饱和度； q = 到达流量( v e h h ) ； 9 第2 章文献综述 y = 所计算车道组的流量比 式( 2 1 ) 中第一项为均匀延误，反映车流均匀到达所产生的延误，第二项为 随机延误，反映由于车辆到达的随机性而产生的延误，第三项是修正项。 w e b s t e r 延误模型不适用于饱和度比较大的情形，特别是当饱和度接近1 时， 延误趋于无穷大，不符合实际。w e b s t e r 延误模型是其他延误模型的基础。 为了估算饱和或超饱和情况下的延误，a k c e l i k ( 1 9 8 0 ；1 9 8 1 ) 【l i 】【1 2 】等人对 w e b s t e r 延误模型进行了改进，其中a k c e l i k 延误模型比较有名，该模型如式 ( 2 , 2 ) - ( 2 5 ) 所示。有学者认为a k e c e l i k 延误模型也存在高估的情况【1 3 】。 d ：g ! 二丛+ d d 2 ( 1 一j ，) o d = 鲁暇- 1 ) 2 】+ o d = 0f o rx x 。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 此后延误估算模型进一步改进，2 0 0 0 年美国t r b 推出h c m 2 0 0 0 5 1 ，其延 误估算模型如式( 2 6 卜( 2 8 ) 所示。 d = d 。( p f ) + d ，+ d f 1 0 ( 2 6 ) 第2 章文献综述 式中： d 户型 “ 2 ( 1 一少) 小卿丁i、8 k x ： ( 2 7 ) ( 2 8 ) d=平均每车延误( s ) ； 巩=均匀延误，即车辆均匀到达所产生的延误( s ) ； d r =随机附加延误，即车辆随机到达并引起超饱和周期而产生的附加 延误( s ) ； d ，=初始排队延误( s ) ； c=周期时长( s ) ； 五= 所计算车道组的绿信比； x=所计算车道组的饱和度； c= 所计算车道组的通行能力( v e h h ) ； i=上游路口随机影响系数，单点路口取l ； k=信号控制类型校正系数； t= 分析时段的持续时长( h ) ，一般取0 2 5 h 2 4 交通信号控制与信号配时设计方法 2 4 1 交通信号控制系统的发展 ( 1 ) 国外情况【1 扣1 6 】 1 8 6 8 年，英国发明家奈特( j p k n i g h t ) 在伦敦的威斯明斯特( w e s t m i n s t e r ) 街口设置了世界上最早的交通信号灯。它是仿效铁路信号，由红绿两种颜色组 成的臂板式煤气信号灯，用来控制交叉路口马车通行，只限于夜间使用。后来 由于信号灯意外爆炸而停止使用。1 9 1 8 年，美国纽约街头出现了第一座手动操 纵的电气照明三色信号灯。随后，1 9 2 5 年英国伦敦的皮卡迪利( p i c c a d i l l y ) 街 口也采用了这种信号灯。1 9 2 6 年，英国人在伍尔弗汉普顿( w o l v e r h a m p t o n ) 安设了第一座自动交通信号灯，这是一种定周期的交通控制方式，适用于交通 1 1 第2 章文献综述 量变化不大，需分时段控制的交叉路口。1 9 2 8 年世界上第一台感应式信号机在 美国巴尔的摩( b a l t i m o r e ) 试制成功，这种感应式信号机所使用的检测器最初 是用橡皮管作传感器，由交通工程师阿德勒( a d l e r ) 发明。为了解决交通流时 空连续性与交叉路口“各自为政”孤立控制之间的矛盾，必须把相邻的交叉口 作为一个系统来统一地加以控制。1 9 1 7 年，世界上第一个线控系统出现在美国 的盐湖城( s a l tl a k ec i t y ) ，它是一种可同时控制6 个交叉口的手动控制系统。 1 9 2 2 年得克萨斯州休斯顿市( h o u s t o n ) 发展了可控制1 2 个交叉口的瞬时交通 信号系统，控制特点是采用电子自动计时器对路口的交通信号进行协调联动。6 年之后，上述系统经过改进，形成“灵活步进式定时干道协调控制系统，并 很快普及到美国几乎每个城市。随着交通信号感应技术和电子计算技术的发展， 1 9 5 2 年在美国科罗拉多州的丹佛市( d e n v e r ) 出现了模拟电子计算机的交通信 号控制系统，经过改进被称为“p r ”系统。该系统由东方工业有限公司( e a s t e r n i n d u s t r i e si n c ) 研制，它将单一交叉口的交通感应控制概念应用于街道交通信 号网络，采用车辆控制器取样并向该系统控制中心输入交通数据，用模拟电子 计算机进行数据处理，然后再调整各交叉口的交通信号。从1 9 5 2 年到1 9 6 1 年 的1 0 年间，在美国建立了1 0 0 多个这种交通信号控制系统。 到上世纪6 0 年代，世界各国开始研究控制范围较大的信号协调控制系统， 建立模拟各交叉口交通流状况的数学模型，以解决信号配时的优化问题。1 9 6 0 年加拿大的多伦多市( t o r o n t o ) 将数字电子计算机( i b m 6 5 0 型计算机) 用于 区域交通信号控制，建成了世界上第一个中心式的交通信号控制系统，这个系 统于1 9 6 3 年开始运转使用，可控制2 0 个交叉口，到1 9 7 3 年做到可控制8 8 5 个 交叉口。该系统将检测器的应用与交通信号控制系统结合起来，从此，开始了 城市交通控制系统( u r b a nt r a 伍cc o n t r o ls y s t e m ，u t c s ) 发展历史的新纪元。 因为系统试验获得圆满成功，所以在世界各大城市，如纽约、伦敦、慕尼黑和 东京等相继建立了与其相似但有所改进的城市道路中心式交通控制系统 ( c e n t r a l i z e dt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m s ，c t s c s ) 。 英国交通与道路研究实验室t r r l 于1 9 6 8 年开发的离线优化的交通控制软 件t r a n s y t 可视为第一代的交通信号控制系统。它是基于6 0 年代初丌始的最 优化方法和系统仿真技术而提出的，同时受当时计算机水平的限制其控制方案 只能离线确定。以s c o o t 和s c a t s 为代表的信号控制系统可视为是第二代的 1 2 第2 章文献综述 实时自适应控制系统，技术背景是8 0 年代初出现了速度和容量均能满足在线控 制的计算机。与s c o o t 几乎同时推出的s c a t s 系统也得益于计算机技术的发 展，其特点是以主观的启发式原理设置交通信号的配时决策表。需要指出的是， t r a n s y t 经过不断发展现在已经升级到1 2 0 版，s c o o t 已经发展到4 2 版， s c a t s 已经升级到7 o 版，但主要还是计算机硬件和软件的更新换代，新增功 能更加完善，数据管理和维护更加方便，但原理并未存在实质性变化。 此外，意大利m i z a r a u t o m a z i o n e 公司开发的s p o 删t o p i a 为分布式实时 交通控制系统，在欧洲国家应用较多。每个子区由s p o t 系统( s i g n a lp r o g r e s s i o n o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y ，信号连续优化技术) 控制，然后由u t o p i a ( u r b a n t r a f f i co p t i m i z a t i o nb yi n t e g r a t e da u t o m a t i o n ) 协调组成区域控制系统。美国先 后开发的o p a c ( o p t i m i z a t i o n p o l i c i e sf o ra d a p t i v ec o n t r o l ，自适应控制的最优策 略) 和r h o d e s ( r e a l t i m eh i e r a r c h i c a ld i s t r i b u t e da n de f f e c t i v es y s t e m ) 均为三 级阶梯结构的实时分布式系统。从优化原理上，以上的系统更多的类似于 s c o o t 系统，而系统结构上则与s c a t s 相仿。 ( 2 ) 国内情况【1 5 1 8 】 我国在交通信号控制系统方面的工作起步较晚，解放前后很长一段时间， 只有少数几座大城市有为数不多的单点定周期控制交叉口。直到2 0 世纪7 0 年 代，有关单位又开始这方面的研究，陆续试验了感应式、定周期信号控f l ；t j 1 0 。 1 9 7 9 年北京前三门大街4 个交叉口进行交通干线计算机( d j s 1 3 0 型计算机) 协调控制试验成功。到1 9 8 0 年单点定周期信号机在全国大中城市得到了较广泛 的应用，北京、天津、上海等城市初步开始采用计算机进行干道协调控制和感 应控制。 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交通控制系统研究，如：在国家计委、国家科委的支持 下，交通部、公安部、南京市、同济大学完成了“七五 攻关项目，建成了南 京城市交通控制系统h t - u t c s ( 代号2 4 4 3 ) ，其中同济大学主研的“城市交通 控制技术课题鉴定为：国内自行开发的第一个城市交通区域控制系统的关键 技术，达到了国内外同类研究先进水平，在混合交通控制模型中自行车交通流 等方面的研究填补了国内外空白。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，如：1 9 8 4 年北京引进了南斯拉夫 1 3 第2 章文献综述 t r a n s y t - 7 f 系统应用于中心区5 3 个路口( 即二环路及其以内) 。1 9 8 5 年又引 进了s c o o t 系统，应用于东区3 9 个路口，于1 9 8 7 年8 月建成投入使用，后 来扩展到北区和西区。另外，上海、广州、沈阳还引进了s c a t 系统，大连、 成都、青岛引入了s c o o t 系统，长春引进了西班牙圣科( s a i n c ot r a f i c o ) 系统，深圳市引进了日本的京三( 1 吖o s a n ) 系统。这些交通信号控制系统在 一定程度上起到了提高城市道路运行效率，缓解交通拥挤的作用。 近年来，为解决日益突出的城市交通问题，目前国内出现了一批专业从事 交通控制系统开发的公司，如：北京布鲁盾公司、京安通讯交通设施有限公司、 清华紫光智能交通事业部、北京市振隆重科技发展公司、青岛海信网络科技股 份有限公司、上海宝康公司、上海交大高新技术公司、无锡锡山大为科技、南 京2 8 电子研究所、深圳格林威公司等。他们通过自行研究，或与清华大学、吉 林大学、同济大学等高等院校合作，相继开发了一些具有自主知识产权的城市 交通控制系统，这些产品正逐步在各类城市得到使用。 2 4 2 单点定时信号配时方法 ( 1 ) 英国t r r l 方法 t r r l 法也称为w e b s t e r 法或f b 法。该信号配时方法由英国运输与道路 研究所( t r r l ) 提出( w e b s t e r , 1 9 5 8 ) ，奠定了单点定时信号配时设计的基本理论 和框架，其他配时设计方法大都是在t r r l 方法上改进而形成的。 t r r l 法涉及饱和流量、最佳信号周期、流量比、信号损失时间、有效绿 灯时间、显示绿灯时间等参数的定义和计算。其他配时设计方法也基本沿用了 这些参数的概念，只是部分参数的计算方法有所不同。但w e b s t e r 最佳信号周 期公式只适用饱和度较小的情况，对接近饱和或超饱和的情况无能为力。 ( 2 ) 澳大利亚a r r b 方法 a r r b 法也称a k c e l i c 、法【1 9 】，由澳大利亚道路研究委员会( a r r b ) 的a k c e l i c 提出，是在t r r l 法的基础上改进而来的。主要改进包括：最佳信号周期估算 在t r r l 的基础上引入停车补偿系数；提出“行流( m o v e m e n t ) ”和“关键行流” 的概念，并以此为基础计算信号损失时间；对饱和流量的计算也有所不同。 a c c e l e k 最佳信号周期公式仍然沿用了w e b s t e r 公式的结构，对接近饱和或超饱 1 4 第2 章文献综述 和情况的应用效果仍不理想。 ( 3 ) h c m 2 0 0 0 方法 h c m 2 0 0 0 借鉴澳大利亚a r r b 方法中“行流 的概念，以“车道组 为 单位计算饱和流量，以关键车道组计算信号损失时间等参数。在信号周期计算 方面，h c m 以期望饱和度来计算信号周期时长，周期的取值范围过大。 ( 4 ) 上海规程方法 上海市工程建设规范城市道路平面交叉口规划与设计规程【2 0 1 中的信号 配时方法是在h c m 2 0 0 0 配时设计方法的基础上根据中国实际情况进行改进和 简化而来。下面介绍上海规程方法的基本过程，t r r l 等配时设计方法的基本 框架与其大同小异。 1 ) 饱和流量 饱和流量是在一次连续的绿灯信号时间内，进口道上一列连续车队能通过 进口道停车线的最大流率，单位是p c u 绿灯小时。 饱和流量随交叉口几何因素、渠化方式、信号配时及各流向交通冲突等情 况而异，比较复杂。因此，应尽量采用实测数据，实在无法取得实测数据时， 如新建交叉口设计时，才考虑用估算方法。 各国对饱和流量的估算基本上都采用以基本饱和流量为基础加以修正的方 法，其中加拿大方法【2 1 】比较简洁。上海规程在借鉴加拿大估算方法的基础上， 考虑非机动车的影响，采用式( 2 9 ) 估算饱和流量( s f ) ： s ，= s 所f )( 2 9 ) 式中： s 6 f = 第i 条进1 5 1 车道基本饱和流量( p c u h ) ； 厂化) = 各类进口车道的各类校正系数 2 ) 信号周期时长 信号周期时长须选用最佳周期时长，按式( 2 1 0 ) 计算。 c o = 南 1 5 ( 2 1 0 ) 第2 章文献综述 式中： c o = 最佳周期时长( s ) ； l = 信号总损失时间( s ) ； 】，= 总流量比 3 ) 信号总损失时间 式中： l = g ，+ i - 4 ) 。 五 l s = 起动损失时间，应实测，无实测数据时可取3 s ； 彳= 黄灯时长，可定为3 s ，= 绿灯间隔时间( s ) ； k = 一个信号周期内的绿灯间隔数 ( 2 1 1 ) 4 ) 绿灯间隔时间，按式( 2 1 2 ) 计算： i ：三 ( 2 1 2 ) “口 式中： z= 停车线到冲突点距离( m ) ； “。= 车辆在进口道上的行驶车速( 州s ) ： t ，= 车辆制动时间( s ) 当计算绿灯间隔时间， s 。g 。，则o c 。o c 0 ，即进n g i 的n _ _ 行能力随信号周期的增加而 增加；若则s 。 g 。，则式( 3 1 4 ) 应成立： 3 5 第3 章单点交通组织与信号配时改善 c 丛燮+ g 。+ 三：e v 口 ( 3 1 4 ) 将式( 3 1 4 ) 中的c 。称为发生短车道效应的临界信号周期。 综上，短车道进口道的通行能力同信号周期时长的关系可总结如表3 1 。短 车道进口道通行能力并不一定随信号周期之增加而增加，其通行能力同信号周 期时长的关系取决于短车道进口道中普通车道与短车道饱和流量之比、短车道 的长度以及路口的信号损失时间等因素。在一定条件下，短车道进口道的通行 能力将随信号周期之增加而降低。 表3 1短车道