（交通运输规划与管理专业论文）信号交叉口通行能力分析及软件设计.pdf

摘要 摘要 信号交叉口是城市道路网中的重要节点，交叉口的交通流如果不能很好的理顺，将会造成路 口的拥挤阻塞，从而成为制约城市道路网络通行能力的瓶颈。目前我国的城市道路交叉口控制方 式主要以单点信号控制为主。交叉口进口车道划分、交叉口渠化模式、信号相位设置及排序、绿 信比等因素均严重影响交叉口的使用效率和实际通行能力。 信号交叉口交通信息的采集是开展本文研究的基础。调查时借助摄像机，现场拍摄信号交叉 口运行状态，然后再读取车头时距、交通量等相关信息。在南京市区选择典型交叉口，安排在天 气晴朗的工作日展开调查，调查时间包括了交通高峰和平峰时段。数据处理时考虑了不同车型、 不同转向车流以及冲突特性等因素，分类统计了各类型车辆间的车头时距。通过大量的调查数据， 得出直行和左转排队车辆通过停车线的车头时距变化特性，确定了具有启动损失的车辆数，以及 各车道各车型机动车的饱和车头时距。 在传统停车线法、冲突点法研究成果的基础上，结合交通调查分析成果，对信号交叉口通行 能力计算方法及相关系数进行了修正。根据车流冲突特性，按有无冲突点分两类对各转向车道通 行能力计算公式分别进行了重新定义。对直行车道、左转车道、直左共用车道、直右共用车道等 各车道类型，分别分析了其通行能力，并考虑了车型、车道宽、车道位置、非机动车、坡度等影 响交叉1 3 通行能力的诸多因素，确定了各参数的修正系数，得到交叉口各转向车道实用通行能力 计算公式。 使用v i s u a lc + + 程序设计语言，设计了信号交叉口通行能力分析软件，可利用本文研究成果 方便的计算信号交叉口各转向通行能力，确定交叉口服务水平。 关键词；信号交叉口，通行能力，混合交通流，车流转向，服务水平，冲突，软件 a b s t r a c t s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt r a f f i ce n g i n e e r i n g i ft r a f f i co fi n t e r s e c t i o nc a l l t c i r c u l a t ew e l l ，c o n g e s t i o nw i l lb ec o n d u c e d s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nh a sb e e nb e c o m et h eb o t t l e - n e c ko f u r b a nr o a dn 剖胁出am a j o r i t yo f i n t e r s e c t i o n sa l es i n g l es i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s a l lf a c t o r sl i k el a n e t y p e ，c a n a l i z i n gt y p e ，s i g n a l ，g r e e n r e d ，e t c i n f l u e n c et h ec a p a c i t yo f s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n as t u d yi sb e i n gc o n d u c t e dw i t ht h eh e l po f v i d e oa tv a r i o u si n t e r d e e t i o n s , t oo b t a i ne s t i m a t e so f t u r n i n gt i m e ，a c c e p t a b l eg a p sf o rd r i v e r su n d e rv a r i o u ss i t u a t i o n s , f l o wf l u xa n ds oo i lt y p i c a l s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n sw e r ec h o o s e dt ob ei n v e s t i g a t e d , a n db e e no b s e r v e di ns u n s h i n yw e e k d a y s a m p e a ka n dp mp e a kw e r ea l li n c u d e di ni n v e s t i g a t e dt i m e i n v e s t i g a t i o na l s ec o n s i d e r e dv e h i c l et y p e ， t u r n i n g 仃a f f i c ，a n dc o n f l i c t , g a i n e dh e a d w a y sb e t w e e nd i f f e r e n tt y p e so fv e h i c l e s , a s c e r t a i n e dt h e d i v e r s i f i c a t i o no fh e a d w a y sb e t w e e ns t r a i g h tf o r w a r do rt u m - l e t tv e h i c l e si nt h eq u e u ed i s c h a r g e p r o c e s s , g a i n e dt h en u m b e ro fc a r sw h i c hh a v es t u r t u pl o s tt i m e ，a n dt h es a t u r a t i o nh e a d w a y so f d i f f e r e ml a n e sa n dd i f f e r e n tv e h i c l et y p e s b a s e do nt h et r a d i t i o n a lr e s e a r c ho fc a p a c i t yo fs i g r l a l i z e di n t e r s e c t i o n sa n dt h er e s u l to f i n v e s t i g a t i o n , t h i sp a p e ri m p r o v e dt h em e t h o do fc a p a e i t yc a l c u l a t i o n , a n a l y s i s e dm a n yf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h ec a p a e i t yo fs i g n a l i z e di n t e r s e c t i o ni n c l u d i n gv e h i c l et y p e ，w i d e t ho fl a n e ，b i c y c l e ， g r a d i e n ta n ds oo n , a s c e r t a i nt h e s ec o r r e c tc o e 塌c i a n t a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lm o d e l ，w i t ht h ev i s u a lc 阡p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，id e s i g n e dt h e a p p l i c a t i o np r o g r a m , t oa n a l y z et h ee a p a c i t ya n dl e v e lo f s e v i c oo f s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n si nt h eu r b a n r o a dn e n v o d l k e yw 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 , c a p a c i t y , m i x e df l o w , t i j m i n g l e v e lo fs e r v i c e ，c o n f l i c t ， a p p l i c a t i o n 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：垄! 纽 e t期：业侈 东南大学学位论文使用授权声明 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：垄。缘导师签名 2 雄 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早瑁v 匕 城市道路交叉口作为城市道路网络的节点，是人、车的主要交汇处，其交通流量大，冲突点 多，秩序混乱，是交通事故的多发点。道路交通在平面交叉口处由于车流转向而引起车流之间的 冲突、交汇、分流等车流运行行为，同时还和大量的非机动车和行人交织在一起，使得该处的交 通状况尤其复杂，城市交通拥堵问题往往突出的表现在交叉口处i l j 。大量事实也证明城市道路交 叉口的拥挤现象最严重，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路 段的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吲。 平面交叉口管理是交通管理的重中之重。平面交叉口按交通管制方式的不同，可分为全无控 制交叉口、主路优先控制交叉口、信号控制交叉口、环岛交叉口等几种类型。前两种适用于交通 量不是太大的交叉口，信号交叉1 2 1 适用于交通量大的交叉口，环岛交叉口适用于多路相交和畸形 交叉口，但对用地面积要求较大。交叉口信号控制是目前在世界各国最广泛采用的交叉口控制方 式，在我国道路交通管理条例中规定：当交通流量超过一定量或者年交通事故超过一定次数时， 需要在交叉口设置信号灯。与立交相比较，信号控制基本上不增加土地资源，并能有效实现冲突 交通流的分离，使交通流有序的通过交叉口。总而言之，中国城市交通拥挤现象在加剧，缓解交 通拥挤的关键是提高交叉口通行能力，交叉口信号控制是提高平面交叉1 2 1 通行能力的最有效办法 之一 交叉口的交通流如果不能很好的理顺，将会造成路口的拥挤阻塞，国内大中城市的主要交叉 口普遍采用多相位信号控制。以南京市为例，全市信号交叉口4 6 4 个，9 5 以上实施单点信号控 制，交叉口渠化率在9 0 以上1 3 】。对交叉路口进行合理的交通组织渠化，可以减少交叉口的交通 冲突点，提高路口的通行能力和交通安全性。从2 0 0 0 年在全国开展“畅通工程”检查以来，交 叉路口的渠化率、灯控率、信号配时合理性等均成为评价城市道路交通管理设施水平越来越重要 的指标【4 】。交叉1 2 1 渠化模式、信号相位、绿信比等指标均严重影响信号交叉口的实际通行能力。 基于我国城市信号交叉口的交通流现状，越来越多的交叉口设置了左、右转专用车道，对交 叉口采用多相位渠化控制，各车道的通行能力受信号控制方式、交叉口渠化方式影响很大。目前 对交叉1 2 1 延误和通行能力分析广泛采用的是美国通行能力手册分析方法，这与我国城市道路混合 交通流现状有较大差异，所以不能直接沿用美国通行能力手册的分析方法，但可借鉴该方法的研 究思路进行适当改进 随着城市交通压力日趋增大。信号交叉口管理方法有了很大改进，过去的研究成果已经与当 前的交通状况有了较大差距，信号交叉口通行能力计算亦是如此。影响信号交叉口通行能力的因 素很多，大致可分为道路条件、交通条件、交通控制方法，驾驶员特性等。在这些因素当中，有 些能够定量分析，有些只能定性分析，并且还存在着一些未知的影响因素。其中，道路条件是交 叉口本身所固有的，包括入口引道车行道的条数、宽度、几何线形、交叉口的形状，可视性等。 这一类条件可以通过工程措施予以改善，从而提高交叉口的通行能力其中路口拓宽便是一种有 效措施通过路口拓宽，增加进口道的车道数，组织不同车种和不同行驶方向的左转、直行和右 转车辆在各自的车道上分道行驶，这对于交叉口通行能力的提高是显而易见的。城市中仍然存在 东南大学硕士学位论文 很多交叉1 2 1 由于用地所限而继续采用共用车道的入口布置形式。信号相位的设置，尤其是左转信 号相位设置与否也严重影响交叉口的安全特性和通行能力分析方法。 本论文是关于信号交叉口车辆运行特性以及通行能力计算方法的基础性研究。在采集大量车 头时距、道路设施、信号控制方法以及交通量数据的基础上，按入口车道类型，信号控制方法分 类分别研究各转向车道通行能力，并分析了车道数、车道宽度、非机动车影响等因素与通行能力 的关系，为信号交叉口的设置提供了理论依据。本文致力于对城市道路信号交叉口通行能力进行 准确实用的估计，并设计相关实用软件，直观的评价信号交叉日的通行能力和服务水平，对信号 交叉口服务通行能力的确定具有重要的实践意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 道路通行能力的研究始于美国，已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 , 1 9 8 5 、1 9 9 4 、1 9 9 7 、2 0 0 0 版) 都论述了信号交叉口的延误及通行能力问题。h c m 2 0 0 0 对 于信号交叉口的运行分析提出了一整套的方法，得到三个关键性的成果：( 1 ) 每一车道组及整个 交叉口的v c 比；( 2 ) 每一车道组和引道及整个交叉口的平均控制延误以及对应的服务水平；( 3 ) 根据车道宽度、重型车比例、引道坡度、停车情况、公共汽车的影响、地区类型、车辆流向等对 通行能力进行修正i ，j 1 9 9 9 年1 1 月，美国德克萨斯大学土木工程学院k a r a m k o c k e l m a n 和r a h e e l a s h a b i h 分析 了轻型货车对信号交叉口通行能力的影响。他们通过调查得到信号交叉口轻型货车的车头时距， 把轻型货车换算成了小汽车( p c e ，p a s s e n g e r - c a re q u i v a l e n t s ) 【o j 。t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o a r d m e e t i n g2 0 0 5 中多篇文章对车道利用率、左转车影响、车队消散车头时距等交叉1 2 1 通行能力影响 因素进行了观测并得到了切实的研究成果1 7 驯。 日本于1 9 8 2 年利用修改道路工程技术标准的机会，将研究成果编入日本道路通行能 力手册中，从而使日本道路通行能力的计算标准化，其对信号交叉口通行能力的计算，基本原 理与美国相同。德国在道路与交叉口通行能力的研究中发表了许多学术论文，取得了突出的研究 成果。这些研究成果有的被美国道路通行能力手册直接引用u “。 日本交通工程研究会编写的平面路1 ：3 的规划与设计l i 州在信号管制平面交叉1 2 1 通行能力 的研究与算例一节中，以一个拓宽设置右转专用车道的十字交叉口为例，计算了各进1 2 1 道的通行 能力，其中以右转弯车道的基本饱和流量1 8 0 0 辆绿灯小时为基础，考虑车道宽度及大型车混入 率等修正，但其饱和交通量基本值和修正系数均是根据日本的实测结果确定的，而我国的交通特 性与国外显著不同。 八十年代至九十年代初，一些发展中国家如印度、巴西、印度尼西亚、韩国、马来西亚等国 也在各国政府的支持下，对各自的道路通行能力问题进行了专门研究，取得了一批研究成果。 i i t a8 a n e r j e e 采用摄像机拍摄了信号交叉口交通流运行状况，详细分析了左转车通过交叉 口的过程，从安全角度考虑了设置左转保护相位的必要性及其对通行能力的影响俐。f e n g b o r l i f t 分析了夏威夷和台湾多个信号交叉口排队车辆越过停车线的车头时距特点，并依此计算各车头时 距情况下信号交叉口各车道的通行能力，还在长岛和纽约的三个信号交叉口对其研究成果进行了 验证【9 】。 2 第一章绪论 纵观世界许多国家道路，交叉口通行能力研究过程，大部分都是以美国h c m 为基础，结合 本国的具体情况，进行有针对性的开发和补充，并在一定领域内进行深入研究，取得相应成果 4 】。 1 2 2 国内研究概况 根据我国的交通情况，各研究机构提出了不少计算信号交叉口通行能力的计算方法，现行的 城市道路设计规范采纳了两种方法，根据所考察的断面不同，分别称为“停车线法”和“冲 突点法”【1 2 】。 东南大学曾就环形交叉口、信号交叉口、混合交通路段及无信号交叉口通行能力的影响等进 行了较深入的研究，并分析了其相应的交通特性，取得了一定的研究成果：高海龙等提出了交叉 口通行能力的综合计算方法，凌镭进行了城市单点信号交叉口时空资源优化技术研究，蒋大治提 出了基于交叉n 冲突度分析的实用通行能力计算方法 3 , 1 1 , 1 3 , 1 4 北京工业大学曾于1 9 9 1 年主持翻译了美国道路通行能力手册，完成了。北京市道路通行 能力及公共汽车交通线路的通行能力”的研究，提出了城市中心区路网通行能力计算方法，开展 了交叉口交通模拟和高速公路交通模拟的探索性研究。此外，同济大学、北方交通大学、西南交 大和交通部公路科研所等有关高校和科研单位在这一领域展开了一系列的研究，并采集了一批有 价值的数据。 哈尔滨工业大学的池利兵等人对信号交叉口混合交通流进行了调查与数据分析，从微观角度 对信号交叉口混合交通流特性进行了探讨，对直左车道、无左转专用相位的一条左转专用车道、 有左转专用相位的一条左转专用车道、两条左转专用车道的通行能力分别进行了研究，并据此对 左转车的交通组织提出了改善措施【l 。 北京工业大学邵长桥等人对信号交叉口排队离散车头时距进行了统计分析【1 ”，数理统计分 析方法使得信号交叉口通行能力分析结果更加可靠。马建明等人提出一种基于仿真手段的交通组 织优化方法，为进一步研究交叉口的通行能力和运行延误提供了思路l l q 。 北方交通大学的张国华对信号交叉口通行能力的各种因素进行定性和定量分析，详细论述影 响信号交叉口中饱和流率的交通条件，道路条件和信号控制条件【2 j 。 吉林大学吴聪对有对向车流的平面十字交叉口通行能力进行了研究，用冲突点法、停车线法 和h c m 法分别计算国内最典型的三类( 有左转专用道，无左转信号；无左转专用道，无左转信 号；有左转专用大，且有左转专用信号) 十字信号交叉口机动车道的通行能力，验证了各种方法 适用的交叉口类型1 4 ，j 。 国内针对信号交叉口交通流特性及通行能力的实用分析方法方面已经进行了很多探讨，有很 多新的思路与方法，但尚不够系统，也没有与之对应的软件产品，这也正是本文研究的动机所在 1 3 主要研究内容 1 3 1 研究内容 1 、城市道路多相位渠化控制交叉口交通特性。主要对南京市区的交叉口进行调查，了解国 内大中城市交叉口渠化和信号控制现状，分析交叉口道路设施水平、信号控制策略、交通组成、 转向比例等影响因素下的交通流运行特性。 3 东南大学硕士学位论文 2 、信号交叉口渠化后各转向车道通行能力研究。根据交叉口渠化形式、信号相位方案和道 路设施条件，分车道计算其通行能力分别研究左转、直行、右转车流运行特性及相关影响因素， 建立符合大中城市交叉口实际情况的通行能力模型。 3 、交叉口实用通行能力分析。根据交叉口信号相位组合方案和进口道导向车道设置情况， 在分车道通行能力计算的基础上计算交叉口理论通行能力，同时考虑交叉口各影响因素及其服务 水平，建立交叉口实用通行能力计算模型 4 、城市道路交叉口通行能力分析软件开发。利用通行能力实用分析方法的研究成果，运用 v c + + 编程语言，开发出城市道路信号交叉口通行能力及服务水平分析软件。 1 3 2 研究重点 1 、对城市道路渠化交叉口通行能力的研究需要进行大量的调研，以找出交叉口入口引道设 置、道路基础设施条件、信号相位组合、绿信比等交叉口管理措施与通行能力的关系。为此将在 南京市区展开调查，选取典型交叉口，通过大量观测数据建立回归模型，使模型符合城市交通管 理现状并具有较强的实用性。 2 、交叉口车流尤其是转向车流运行复杂，不同转向车流车头时距、车型换算系数均有差异 因此，将分车道、按转向比例、区别车型进行调查和数据分析，确定各导向车道通行能力。在此 基础上，考虑交叉口各车道影响因素，进行参数的修正，得出渠化交叉口实用通行能力。 3 、建立的通行能力模型是否实用，如何为交通分析软件所用是本文研究的关键。因此尽量 简化模型、增强其实用性也是将本文的理论研究成果转化为实际应用成果的十分关键的一步。 4 、以面向用户的软件界面实现对交叉口通行能力计算及服务水平评价的功能，这需要充分 的计算机编程知识。本次开发软件拟采用v c + + 编程语言，开发出信号交叉口通行能力及服务 水平计算软件。 1 4 研究方法及研究技术路线 在信号交叉口运行的混合交通流具有极强的随机性，很难直接描述其在信号交叉口的运行状 态。本论文通过交通调查获得数据，并对数据进行统计分析来分析混合交通流中的小汽车、公共 汽车和非机动车的交通特征。但由于交通调查所需的工作量及费用消耗惊人。因此本论文在选取 典型交叉口的基础上，采用摄像机录像的方法，先直接采集现场交通录像，然后再读取车头时距 及交通流量。 对消除了冲突点的信号控制交叉口分别研究其直行、左转和右转车道的通行能力，对存在对 向冲突车流的信号控制交叉口亦分车道进行研究，尤其是直左、直右、直左右等共用车道的特性 与专用转向车道的差别。 服务水平是评价交叉口运行的重要指标，根据交叉口饱和度( 即实际交通流量与通行能力的 比值v c ) 来确定信号交叉口的服务水平。 信号交叉口的实用通行能力是在交叉口基础设施条件、信号控制方案、车流组成、所达到的 服务水平等诸多因素影响下所达到的最大通行能力。本论文按下面的步骤进行研究： l 、确定研究目标，即研究城市道路信号控制交叉r l 各车道的理论通行能力与实用通行能力 模型，并开发相应的应用软件。 4 第一章绪论 2 、广泛收集、查阅和整理国内外相关文献资料，借鉴已有的通行能力研究方法及其成果， 开拓自己的研究思路，充分发掘论文创新处，进一步确定研究目标、研究内容和待解决的关键技 术问题。 3 、在南京市范围内充分调研，选取目前国内广泛采用的典型渠化控制交叉1 ：3 。全面调查交 叉口设施设计、信号配时、交通流组成、转向比例、车辆排队消散情况等数据。 4 、掌握并运用正确的数据处理技术，重点分析交叉口入口引道设置、交通组成、道路设施 水平、信号控制策略等影响下的交叉1 3 各类型车道的通行能力。在大量数据回归的基础上确定信 号交叉口排队离散车头时距，和车道宽等影响因素造成的通行能力的修正系数。 5 、给出各种信号相位控制情况下的各类型车道理论通行能力和实用通行能力模型。 6 、本文的关键是将建立的模型用交叉口分析软件来实现。拟采用v c + + 编程语言，开发 信号交叉口通行能力分析软件。 东南大学硕士学位论文 第二章信号交叉口交通流特性分析 2 1 数据采集 2 1 1 交叉口的选择 2 1 1 1 调查地点和时间 交通调查的地点：南京市。调查时间：2 0 0 6 年4 月2 4 日、4 月2 7 日、5 月1 7 日、5 月2 4 日等工作日、天气晴好的交通高峰与平峰时间段。 2 11 2 调查对象及要求 调查对象是城市道路信号交叉口，选择的都是十字交叉口，因为对于t 行交叉口或畸形交 叉口也能用十字交叉口的调查数据进行修正得到需要的通行能力等相关系数。调查对象为设置 左转专用车道的多相位信号控制交叉口、有左转专用车道的两相位信号控制交叉口、无左转专 用车道的两相位信号控制交叉口等城市道路典型交叉口。调查内容主要是各流向的机动车，还 包括部分非机动车。 2 1 1 3 交叉口选择 确定待调查信号交叉口是开展交通调查最重要的准备工作，在南京市区充分调研的基础上， 从信号交叉口的典型性、普遍性，开展调查工作的方便性、经济性考虑，选择了以下几个信号 交叉口。 洪武路一中山东路交叉口，四相位信号控制交叉口，有机非隔离栏。此交叉口的北进口、 东进口、西进口均有四车道，从内至外分别为左转车道、两条直行车道和一条右转车道，出口 均为3 车道；南进口为六车道，从内至外分别为两条左转车道、三条直行车道和一条右转车道， 南出口为两车道。 珠江路一洪武北路交叉口，四相位信号控制交叉口，此交叉口的南进口和睦进口均为四车 道，从内至外分别为左转车道、两条直行车道和一条右转车道，出口均为两车道；北进口为兰 车道，从内至外分别为左转车道、直左共用车道、直右共用车道，出口车道为两条；东进口为 三车道，从内至外分别为左转车道、直行车道、直右共用车道，出口车道为两条。 北京东路一丹凤街交叉口，四相位信号控制交叉口，此交叉口的南进口、东进口、西进口 均为四车道，从内至外分别为左转车道、两条直行车道和一条左转车道，出口均为两车道；北 进口为五车道，从内至外分别为两条左转车道、两条直行车道和一条右转车道，出口为两车道。 学府路一迸香河路交叉口，两相位信号控制交叉口，此交叉口的北进口和南进口为两车道， 分别为左直共有车道、直右共用车道，出口为两车道；西进口为两车道，分别为左转专业车道 和直右共用车道，出口为一车道；东进口为一车道，是左直右共有车道，出口为一车道。 2 1 2 主要调查内容 信号交叉口几何条件，包括入口车道数、车道种类、车道宽度以及停车线位置等； 信号交叉口控制参数，包括信号控制周期、相位数以及各相位绿灯、红灯和黄灯时间 等； 6 第二章信号交叉口交通流特性分析 车辆反应时间，包括各入口车道第一辆车反应时间，以及非机动车反应时间； 信号交叉口车辆的饱和车头时距，包括各入口车道的各种车辆组合的饱和车头时距； 车辆通过交叉口的运行速度和运行时间，包括公交车、小汽车和非机动车通过信号交 叉口的运行速度和运行时间： 车辆在交叉口的延误，包括各入口车道车辆的延误。 2 1 3 调查方法 城市道路信号交叉口调查点需要根据交叉口的实际情况进行选取，方法如下： 十字形信号交叉口调查观测点布置如图2 1 所示。在一般情况下，如果数据采集仪充足， 应在每个路口布置，并按不同车道进行数据采集；采集仪数量较少时，可以在相互垂直的路口 布置。每个路1 3 的摄像机应记录好各路1 3 交通流( 机动车、自行车、行人) 停车、启动、穿越 的过程，高空摄像机应调整好角度，使其能够纵观整个交叉1 3 的交通运行状况，这样才能全面 记录信号交叉口的交通流状况，以便于以后的研究分析。 待调查信号交叉口中仅洪武路一中山东路信号交叉口有人行天桥，因此按图2 一1 b 所示在 人行天桥上时距最好的位置安置摄像机，拍摄对面入口的机动车运行状况。其他交叉口无人行 天桥，只有在路侧布置摄像机，布置点如图2 1 a 所示，须慎重选择摄像机位置，以避免行人 干扰。 啭警i 疆像机 囫淼 a 路侧观测点位置示意图 b 人行天桥上观测点位置示意图 圈2 t 十字交叉口观测点布置示意圉 2 2 信号交叉口机动车混合交通流特性分析 2 2 1 机动车混合交通流的交通组成 机动车混合交通流是指由不同车型或不同转向机动车组成的交通流。我国城市交通流中的 机动车种类繁多，性能各异，其行驶状态也不太相同。为了调查及数据处理的方便要尽量简化 车型划分，但从研究的精确性来看，又需要明确各类型车辆的差别。本文根据课题研究的需要， 对机动车混合交通流进行两种分类：一是按车型分类，二是按车道类型或该车流的转向组成分 类。 2 2 1 1 机动车混合交通流的车型分类 7 东南大学硕士学位论文 目前行驶在我国城市大街小巷的各种车辆，品种繁多，车种复杂。有些几何尺寸相近，但 性能其实相差很大。而交叉口处的车队由各种不同类型的车辆组成。交叉口的通行能力随着车 队组成的不同而有所区别：重型车比例越大，穿过路口的时间就越长，反之则短。因此在研究 交叉口通行能力之前，首先要进行车辆类型的划分。 在交叉口通行能力的研究中。既要区分出具有不同动力特性和外型尺寸的车型，还要从简 化分析的原则出发，尽可能地减少车型种类。车型分类通常是按车辆的轴距和结构特征进行的。 在城市道路设计规范中，计算信号交叉口通行能力时，把机动车辆分为大型车和小型车两 类【1 2 1 ；同济大学周商吾将机动车分为大型车、中型车和小型车三类【1 9 1 ，哈尔滨工业大学陈洪仁 将机动车分为摩托车、小汽车、一般公交车、铰接公交车和货车等五类1 2 0 ! 。本论文在参考以上 分类的基础上，结合本论文的研究内容将在信号交叉口的机动车混合交通流分为：小型车、中 型车和大型车三类。因为城市内部白天对货车进行管制，因此货车数量很少，实地观测也表明 货车数量极少，所以在车型划分中没有单独考虑货车。 表2 1 机动车的车型分类 2 2 1 2 机动车混合交通流在信号交叉口的转向组成分类 机动车在交叉口的转向一般可以分为左转、直行和右转三类，有时在允许掉头的交叉口会 出现左转掉头现象。只考虑车流转向进行混合车流的分类并不能反映车道对车流的影响，因此 本论文结合车道的分类把信号交叉口处的混合交通流相应的分为六类，见图2 - 2 。 i 行车道 r 1 右混行车道 广 右转车道 左转车道 h + + 直左混行车道直左右混行车道 图2 - 2 车道类型分类示意图 2 2 2 信号交叉口交通流运行分析 由于信号灯周期性的分配通行权，使得各个车道上的交通周期性的停驶。当信号由红灯转 换为绿灯时，红灯期间内形成的排队车辆依次起动，鱼贯地越过停车线。流率很快地由零增加 到一个相对稳定的值( 饱和流率) ；车头时距达到相对的稳定( 饱和车头时距) 。此后，车辆以 饱和流率通过停车线直至停车线后积存的车辆全部放行完毕，或者虽未放完，但绿灯时间已经 结束。在红灯刚刚转换为绿灯后，车辆并不是马上就起动越过停车线，而是要有几秒的迟滞， 起动后的车辆从起动到其达到期望车速也需要一段时间，在这段时间内，车头时距明显的要比 后面排队车辆之间的车头时距大，因此，这段时间没有被充分利用，有运行时间损失，称为起 8 4 l 第二章信号交叉口交通流特性分析 动损失时间。最初几秒，流率变化很快，这是由于车辆正处于起步和加速阶段，车辆从原来静 止状态逐步加速到正常行驶状态，速度由零变为正常行驶速度。在绿灯结束后的黄灯时间内或 者在绿灯开始闪烁之后，由于部分车辆己采取了制动措施，停止前进( 部分车辆虽未停驶，但 己减速) ，故通过交叉i ：i 的流率也逐渐降下来。这段时间也没有被车辆充分利用，有运行时间的 损失( 称为清尾损失时间) 。对直行车流而言，其运行特征大体如上所述，每次绿灯显示都要周 期性的经历起动、加速j 。 图2 - 3 信号交叉口车辆运行及延误示意图 间 转弯车流则呈现出不同的运行特征。在未设置左转保护相位的信号交叉口，我国交通法规 规定“绿色信号允许车辆直行和左转弯，左转车辆不得妨碍反向车直行1 2 2 ”。所以，左转车只 能在绿色信号初期在反向直行车未达到冲突点的时间内左转，或在冲突点附近等待直行车流中 出现允许穿越的车头时距穿插通过。但是，当左转车辆的交通需求较大时，个别左转车辆可能 会贸然插入直行车流，迫使反向车辆减速因而，允许左转弯的信号交叉i ：l ，转弯车辆可能与 直行车流发生干扰，甚至冲突。对于许可型左转车流，由于左转车辆只能利用反向直行车流的 间隙左转，同时会影响直行车流；当无可接受的间隙时，左转车辆只能在停车线后等待：部分 左转车辆也可利用信号相位转换间隔通过；对于和直行混行的左转车。左转车和同一车道的直 行车也存在相互干扰，左转车往往要阻碍其后的直行车辆放行因而，直行车受的干扰较大。 根据观测，当左转弯车流量较大时，转弯车辆往往不能及时清空，造成直行车流起动缓慢甚至 延迟直行车辆的起动，从而降低通行能力；还有的左转车被直行车流阻断，甚至停驻在交叉口 的中央 图2 - 4 是对左转车行驶轨迹进行分解的示意图，图中：l v = l e f lv e h i c l e ，即左转车； p o v = o p p o s i t ev e h i c l e ，即对向行驶车辆；c w = c r o s s w a l k ，即人行横道；b l = b i c y c l el a n e ，即 非机动车道；l x = t r a f f i cl a n ex ，即机动车道。图2 _ 4 中在左转轨迹中标注的七个位置的意义如 下】： 1 左转车进入左转车道； 2 左转车驶经人行横道和非机动车道； 3 左转车进入交叉口中心区域； 4 左转车表现出明显的左转趋势； 5 左转车进入与对向车流存在冲突的区域； 6 左转车离开与对向车流存在冲突的区域； 7 左转车穿过对向非机动车道和人行横道。 9 东南大学硕士学位论文 图2 4 左转车行驶轨迹分解图 对于存在非机动车和行人的情况，非机动车和行人不仅对机动车流有着横向的干扰，影响 直行车的通行能力，往往还会占领冲突区，形成对转弯车辆的干扰；由于非机动车流和行人释 放速度较慢，当流量较大时，清尾时间内非机动车流不能及时的离开交叉口，也会阻碍甚至阻 塞直行车辆的释放，造成直行车辆的起动延迟、行驶缓慢，甚至再次停车。 2 2 3 排队离散车头时距一般特性 车头时距是指同一车道上同向行驶的连续两辆车通过道路上某一点的时间间隔，一般以两 车的( 前) 保险杠通过该点的时间差来度量。车头时距很好的反映了车流运行状态，观测到达 车辆之间的车头时距可以了解车辆的运行状态和车辆到达特性；对等待在停车线后的排队车辆 越过停车线时的车头时距观测不仅可以了解车辆接受服务过程、服务时间以及其它服务特性， 如相继越过停车线的车辆之间相互作用，还可分析司机对信号控制的反应特性。 车辆进入引道后，由于红灯信号的作用要在停车线前排队等候，一旦绿灯开始显示，则排 队车辆顺次驶过停车线。以停车线为基准，可以观测到车辆驶过停车线的车头时距。第一个车 头时距定义为绿灯显示开始时间到第一辆车( 前) 保险杠驶过停车线所经历的时间，第二个车 头时距定义为第二辆与第一辆车的( 前) 保险杠越过停车线的时间差，以此类推，可观测到其 它车头时距。 在排队消散的过程中，前n 辆车的车头时距将受到启动损失和加速损失的影响，在第n 辆 车以后，启动损失和加速损失对于车头时距的影响消失，因此饱和车头时距将稳定在一个数值 l o 第二章信号交叉口交通流特性分析 附近。为了形象的说明车头时距的变化过程，假设n 为5 ，即第5 辆车后启动损失和加速损失 对车头时距不产生影响，见图2 - 5 。损失时间决定了单位时间内车辆实际充分利用的通行时间， 饱和车头时距则决定了这个可利用时间内能通过的车辆数，即车辆以最大密度使用道路时单位 时间内通过的车辆数。 车头 时距 ( s ) h 图2 5 饱和车头时距和损失时间示意圈 2 3 信号交叉口机动车车头时距分析 2 3 1 机动车交通流第一辆车通过停车线时间分析 国内外大量实验数据均表明，在信号控制交叉口中单列排队车辆在绿灯时间前n 辆车或多 或少受到启动损失时间的影响，从第n + l 辆车开始，饱和车头时距稳定于一个定值。h c m 认 为排队队列在第四辆排队车辆之后，达到饱和流率，车头时距达到一个稳定值即饱和车头时距。 德国的f e n g - b o r l i n ，通过对n e w y o r k 几处交叉口排队消散过程中大量车头时距数据的处理分 析。发现前四辆车的车头时距显著减少，至第五辆车开始车头时距趋于稳定 2 4 1 。我国哈尔滨工 业大学池利兵通过对哈尔滨市部分信号交叉口车头时距的观测分析，得出的n 值与国外有较大 差距：直行专用车道n 的平均值为5 4 8 ，左转专用车道n 的平均值为4 7 3 。 从绿灯变亮到第一辆机动车的车尾通过停车线的时间定义为第一辆车通过停车线的时间。 第一辆车通过停车线的时间的长短与驾驶员的反应速度和机动车的启动性能密切相关。由于南 京市交叉口信号灯显示均采用了倒计时方式，这使得驾驶员能够提前得知车辆通行相位的开放， 使得车辆的启动延误降为很低。 对调查录像进行分析，获得每一绿灯信号初期第一辆排队机动车通过停车线的时间，按机 动车车型、进口车道类型、共用车道第一辆排队车的转向这三个方面对第一辆排队车进行分类 统计，得到每一混合车流不同车型的第一辆车通过停车线时间的平均值，见表2 2 。表中缺少 部分数据，是因为调查资料所限，剔除了部分数据量小、分布分散，不具有普遍性的数据。 对同一种混合车流，不同车型的第一辆车通过停车线的时间，按时间长短由小到大进行排 队，依次为：小型车、中型车、大型车，这符合人们的直观认识。当第一辆车为中型或大型车 时，由于他们车身较长且车辆的启动性能较差，因此通过时间较长。 东南大学硕士学位论文 表2 - 2 混合交通流中第一辆车通过停车线的平均时间( s ) 、车型 小型车中型车大型车 车流、 左转混合交通流 3 1 5 直行混合交通流 2 9 73 8 24 5 7 直行2 9 43 7 84 印 直右混合交通流 右转 直行2 8 93 4 94 4 7 直左混合交通流 左转 2 4 3 左转 2 o l 直左右混合交通流直行 2 7 03 4 5 右转 比较直行混合交通流和左转混合交通流中的数据，可以发现第一辆车在直行专用车道上的 通过时间比左转专用车道上的通过时间要短。这是因为直行车辆不会受到任何的影响，而左转 车辆将会受到侧向的影响，如中央分隔带设施等。 但在直左混合交通流和左直右混合交通流中直行车的通过时间反而大于左转的通过肘间。 这是因为在直左混合交通流和左直右混合交通流中的左转车辆与对向的直行车辆发生冲突，左 转车辆如果没有提前通过冲突区，则需要等待一段时间才能通过，因此在这种情况下左转车辆 的司机都会在保证安全的情况下首先通过冲突区，所以第一辆左转车通过时间要小于第一辆直 行车的通过时间。 2 3 2 直行混合交通流的车头时距变化分析 对洪武路一中山东路信号交叉口四个入口的直行混合车流的车头时距分别进行统计分析， 考虑交叉口有多条直行专用车道，而各车道利用率不同，因此按不同车道进行统计分析从交 叉口中央分隔带开始计数，第一条左转专用车道即为左转车道1 ，简记l l ，若有第二条左转专 用车道即为左转车道2 ，简记l 2 ；第一条直行专用车道即为直行车道1 ，简记t l ，若有第二条 直行专用车道即为直行车道2 ，简记t 2 ，依此类推；第一条右转专用车道即为右转车道l ，简 记r 1 ，若有第二条右转专用车道即为右转车道2 ，简记r 2 ，依此类推。 车辆进入引道后，由于红灯信号的作用要在停车线前排队等候，一旦绿灯开始显示，则捧 队车辆顺次通过停车线。以停车线为基准，可以观测到车辆驶过停车线的车头时距。第一个车 头时距定义为绿灯显示开始时间到第一辆车( 前) 保险杠驶过停车线所经历的时间，第二个车 头时距定义为第二辆车与第一辆车的( 前) 保险杠越过停车线的时间差。以此类推，可观测到 其它车头时距。得到直行混合交通流在信号交叉口的车头时距的变化情况，见图2 - 6 ，2 - 7 ，2 - 8 。 第二章信号交叉口交通流特性分析 人 f 12 3 4 5 6 7 8 91 01 i 1 2 1 31 41 51 6 1 71 81 92 02 12 2 捧飘车辆 图2 - 6 洪武路一中山东路信号交叉口直行专用车道1 车头时距变化图 3 5 。3 。 v 2 5 孙 抖1 5 1 0 入 1234 5 6 7 8 91 01 1 1 2 1 31 41 51 6 1 71 81 92 02 12 2 排队车辆 图2 7 洪武路一中山东路信号交叉口直行专用车道2 车头时距变化图 3 5 3 0 0 、一2 5 蛀 篆2 0 排 1 5 1 0 人 、- ，_ 、_ 卜- - ， l2 34 5 6 7 8 91 0l l 1 2 1 31 41 5 1 61 71 8 1 92 02 l2 2 捧队车辆 图2 - 8 洪武路一中山东路信号交叉口南进口直行专用车道3 车头时距变化图 上面三图都有一个显著特点：第一辆车车头时距即第一辆车通过停车线的时间小于第二辆 车的车头时距。这有两个原因：第一，第一辆车的停靠位置紧靠停车线，因此其行驶距离最短； 第二，南京市的信号交叉口都采用了倒计时的信号显示设备，所以第一辆车在绿灯变亮之前， 已做好了准备，因此第一辆车的通过时间受启动损失和加速损失的影响较小。队列中的第二辆 车，除了在第一辆车开始起动的同时，可部分的出现反应时间和加速时间外，与第一辆经历的 过程相似；第二辆车通过停车线速度比第一辆车速度要快，因为增加了一辆车的空间长度用于 加速，它的车头时距仍然较长。第三辆和第四辆车以同样的过程通过交叉口，每一辆车的车头 时距都比前一辆短些。一般经过五、六辆( 根据观测结果，不同的地点有所不同，有的要经过 1 3 5 o 5 o 5 o 3 3 2 2 l l v赶譬球* 东南大学硕士学位论文 八，九辆车) 车后，起动反应和加速的效应已经消失，此时，车辆运行速度趋于稳定，以其所 期望速度驶过停车线，饱和车头数据稳定在1 5 s - 2 5 s 之间。第1 5 辆车之后。较小的车头时距 出现频率增大，这是因为南京市采用信号灯倒计时装置，使得在绿灯末期机