（道路与铁道工程专业论文）微观交通仿真技术在城市道路系统中的研究.pdf

摘要 交通仿真是用数学模型复现交通流时闯空间变化的技术。随着运输系统管理 ( t s m ) 广义理念和智能交通系统( i t s ) 的日益发展，交通仿真技术在交通管 理、交通控制、交通规划和交通设旌改造中越来越得到广泛地应用。 基于以c o r s i m 为研究平台进行二次开发的城市交通网络仿真系统 u r b a n s i m ，本文就仿真技术在城市交通中的应用作了实践与理论两个方面的研 究。干道信号协调控制是减少交叉口车辆排队延误和停车率的有效途径；线控研 究建立交通仿真模型，是用数学方法模拟车流在道路网上的运行状况，研究道路 网配时参数的改变对车流运行的影响。通过建立长沙市五一路线控系统，可以迅 速在仿真软件中对相位差进行图解法的计算。在线控研究的基础上，介绍国外发 展相对成熟的感应式控制原理和u r b a n s i m 在感应式控制中的应用，通过对五一 路干道及其周边区域的实验研究，分析了其实行感应式控制的可能性和所产生的 效益。在理论研究方面，就环形交叉口交通流运行特性进行了分析，并深入地研 究了可接受间隙对延误的影响以及车头时距分布对通行能力的影响，提出了利用 仿真技术研究环形交叉口通行能力的实验方法。最后利用u r b a n s i m 模型中交通 仿真与交通分配相结合的特点，对比研究不同的交通分配方法在仿真模拟中路段 产：生的交通量，分析了交通分配中用户平衡和系统最优原理对路段行驶时间、行 驶车速的影响，并进一步研究了交通量构成对路段动态特征指标的影响，以及利 用交通仿真系统尝试在动态交通分配中进行应用研究。 关键词： 交通仿真u r b a n s i m 线控系统感应式控制通行能力 交通分配 a b s t r a c t t r 砸cs i m u l a t i o ni sat e c l l n i q u et or e p r o d u c e 血ed y n 眦i cp r o c e s so f n 衄cn o w b yt l s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l w i t hd e v e l o p m e n to fe ) f t e n d e di d e ao f 台如耳l o n a _ t i o n s y s t e mm a n a g e m e m ( t s m ) a 1 1 di i l t e u i g e n c e t r a 筋c s y s t e m ，旬唰匝c s i i i l u l a t i o n t e c h l l i q u ei s 印p l i e di n 订a 1 1 印o r t a t i o nm a n a g 锄e n t ，缸a 伍cc o n 缸0 1 ，衄u 1 s p o r c a t i o n p j a n m n ga sw e i ia st h ee n h a n c e m e n to f 鼢l s p o r t a 矗o ni 1 1 】晒t n l c 抽田暑se x 搬l s i v e l y b a s e do nm b a i l 缸a 街cn c t w o r ks 证瑚l a t i o n 珂s t e m 一己，6 a ”m 也a tw a sd e v e l o p e d o nt 1 1 ep l a t f o n no f c c 忪觋龇p a p e rd o e sar c s e a r c ho f 血e 出e o r ya b o u ta p p l i c a t i o n o fs i m u i a d o nt e c h n o l o g yi nu r b a nt m n s p o r b t i o n c o o r d i l l a t e dc o n 仃o lo fm a i o rr o a d s i 母1 a i si sav a i i dp a t h w a vt or e d l l c ev e h i c i eq u e u ed e l a ya n dn 岫b e r so fs t o pa t i m e r s e c t i o n s ：仃a 伍cs i m u l 甜o nm o d e lo fc o o r d i n a t c dc o n 廿o li m i 协t e sv e h i c l e p e r f o i t r l a i l c emt r 墒cn e t 、v o r kt l l r o u g l lm a t h e m a t i c a lr t l o d e l w bc a ns m d yh o wt o a 赶b c tv e h i c l en o wd u et oa l t e r a t i o no ft r 撷cn e “v o r ks i g n a l 口a r 锄e t e r t h r o u g h c o o r d i n a t e dc o n 仃o lo fw u 、五r o a d 、am a i na r t e r yi nc h a n g s h a ，w ec a r lc a l c u l a t e o 矗e t sb y 鼯a p l i c “a n a l y s i si i lt h es 证l u l a t i o ns o m v a r e o nt 1 1 eb a s eo fc o m p i e t i n g c o o r d i n a t e dc o n t r o l ，t 1 1 ep a p e ri n t r o d u c e st h e 吐1 c o r yo fa c t u a t e dc o n t r o lw h j c hh a s b e e nd e v e l o p e dp e r f e c t l yi nw e s t e mc o u n 研e sf o rm a r l yy e a r sa n d 山ea p p l i c a t i o no f u r b a n s i mi na c m a t e dc o n 仃0 1 t l r o u 吐e x p e r i m e n t s ，幽ep a p e ra n a l y z e sp o s s i b i l i t y a n db e n e f i to fa c t u a t e dc o n 扛o li fi tb ep u ti n t ou s ea l o n gw u r d a d i i lt h e o r e t i c a l s t u d y ，t h r o u 曲a n a l y z i i l go p e r a t i o n a ic h a r a c t e r i s t i c so f 打舸cf l o wi nr o u n d a b o u ta n d s t u d y j n gm ea c c e p t a b i eg a pj n f i u e n c eo nd e l a ya n dd i 丘毫r e n t 枷v a ld i s 廿j b u t i o n s e 船c tt ot 1 ec 印a c i t y ，血ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ee x p e r i m e n tm c t h o d st os t u d yt l l e c a p a c i t yo fr o u n d a b o u tb yl l s i n gt 1 es i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ta tl a s t ，b a s e do nt j l e f f e a t l l r ei n t e 簪a t i n g 仃射五cs i m u l a t i o n 、“t l lt r a 伍ca s s i g m e n t ，t h ep a p e rc o m p a r e st h e l i n kv o l u m eb yu s i n gd i 矗、e r e n tt r a 篮ca s s i 鲫_ 1 1 1 e n tm o d e l s 。a n da 1 1a ：i y z e s 也ei n n u e n c e o fu s e re q u i l i b r i u ma i l ds y s t e m so p t i m a la s s i g 砌e n t so n 把w e lt i m e ，廿 w e ls p e e da s w e l ja st r 撷cv o l u m eo nl i r 出s f u n l l e tt h ep a p e ri n 仃o d l l c e st h es t u d vo n 山e i n n u e n c eo ft r a m cc o m p o s i t i o no nr o a dl i r 出d v n a m i c sa n dt h e 廿a m cs i m u l a t i o n 印p i i c a t i o ni nf o r m u l a t i n gd y n a m i ct r a 衙ca s s i g n m e n tm o d e l s k e yw o r d s ：t t a m cs i m u l a t i o n ，【厂，6 d 槲埘，c o o r d i n a t e dc o n t r 0 1 a c t u a t e dc o n t r o l c a p a c i 吼t r a m ca s s i g n m e n t 1 1 引言 第一章绪论 在交通工程学中，交通控制和管理的概念正随着运输系统管理( t s m ) 广义 理念的日益发展而不断地更新。广义的t s m 理念目标不仅在于方便车辆的位移， 而且旨在优化对现有交通资源的利用，在不损害社会利益的前提下，提高对人和 货物的运输能力、减少城市交通污染。这就要求交通工程师必须从传统的解决方 案如优化信号配时、优化信号相位、使用禁止转向、禁止停车、专用车道、增加 直行车道等方面转到更为综合和广深的解决方案，如使用集中式交通控制、匝道 出入控制、优先道路控制、优先车辆控制等方面中来。但是随着交通需求的增加， 与之相伴的问题，如交通拥挤、油耗、污染等，迅速在城市地区扩展。由一个交 叉口、一条道路等局部交通网络上一个点的问题，发展到多个交叉口及其相关联 道路所组成的局部交通网络问题。这样，要处理的问题已经不是一个点的问题或 局限于一个交叉口、干道或公交停车站等问题，而是整个交通系统以及交通与环 境、城市规划等协调发展的问题了。显然再用传统的解决单一设施的交通控制策 略已不能奏效。要处理一个交通网络上具有相互影响关系的交通问题不可能用一 个解析模型来解决，更不用说靠手工推演计算。这时人们自然想到需要研究发展 计算机模拟技术交通仿真j 。 交通仿真是6 0 年代以来，随着计算技术的进步而发展起来的采用计算机数 学模型来反映复杂交通现象的交通分析方法。在交通仿真技术出现之前，交通工 程师多采用经验方法和数学分析方法来分析交通现象。然而，交通系统是一个典 型的复杂系统，系统内要素的状态及其相互作用规律受多维随机因素的影i 恫，往 往难以用经验模型或数学分析模型来准确地描述。而仿真模型如微观仿真以交通 系统最基本的要素如单个车辆、车道、信号灯等为建模单元，因而能非常灵活地 反映各种道路和交通条件的影响。根据以上的分析，我们可以给交通仿真如下的 定义：交通仿真是用数学模型复现交通流时间空问变化的技术j 【“。 1 2 仿真的形式 所谓计算机模拟就是利用计算机的快速处理性能求解系统模型，并把计算处 理结果以一定的形式表达出来。因此计算机模型的形式可以从刻画系统的模型及 输出结果的形式上区分。 模拟按模型分类基本上可分为：数学模型的模拟和物理模型的模拟。物理模 型就是根据相似原理，把真实系统按比例放大或缩小制成物理模型的研究方法， 其状态变量与真实系统完全一样。例如在交叉口通行能力模拟中，交叉口的几何 形状、尺寸比例等均采取物理模型，通过改变相应参数便可得到不同的交叉口类 型。数学模型就是运用抽象的方法，把真实系统各因素的内在关系用数学式子表 示的模型，其状态变量大多由人决定其量纲，反映系统的一个因素。例如交叉口 通行能力模拟中，通行能力和车道宽度、转向比例、控制方式等关系公式。数学 模型中若含有时间因素，则称之为动态模型，否则为静态模型。这些模型的建立 可由两种方法实现，用实测数据回归关系式或理论推导一j 。 模拟按模型参数的是否可预先确定，可划分为确定性模拟和随机性模拟。确 定性模拟是指其参数事先确定。而随机模型其参数事先则是不确定的，但它们符 合一定的统计规律。例如交叉口通行能力模拟中，车辆的到达时间、车头时距、 车型比例等均为随机变量，因此是随机性模拟。 模拟按模型描述程度的不同，可分为宏观模型模拟、中观模型模拟和微观模 型模拟。 ( 1 ) 微观模型模拟 对系统的要素及行为的细节描述程度最高。例如，微观交通仿真模型对交通 流的描述是以单位车辆为基本单元的，以单位车辆的速度、到达时间、停车次数、 加减速性能等为研究指标，车辆在车道上的跟车、超车及车道变换行为等微观行 为都能得到较真实的反映。 ( 2 ) 中观模型模拟 对系统的要素及行为的细节描述程序较高。例如，中观交通仿真模型剥交通 流的描述往往以若干辆车构成队列为单元的，能够描述队列在路段和节点的流入 流出行为，对车辆的车道变换之类的行为也可以简单的方式近似描述。 ( 3 ) 宏观模型模拟 对系统的要素及行为的细节描述处于一个较低的程度。例如，交通流可以通 过流密速关系等一些集聚性的宏观模型来描述，而像车辆的跟车和变换车道之类 的细节行为可能根本就无法描述。 模拟按仿真钟的不同设置方式可分为：时问驱动模拟与事件驱动模拟，也就 是说计算进程控制是按时间控制或是按事件控制。例如在交义口通行能力模拟中， 时间驱动程序是按计算机时钟，设置某一定的时间为步长，每隔段时问计算一 次结粜，随之更新一次输入或输出。而j f 件驱动程序则是以某一二扛什出现确定更 新输入与输出结果，例如以车辆到达某一断面如交叉口进口车道停车线为判别条 件。 模拟按其输出结果可划分为数字模拟与图像模拟两种。所谓数字模拟指计算 结果以数值形式显示出来：而图像模拟则是将计算结果以图形或图像形式显示出 来。 本论文仿真的应用研究所采用的u r b a n s i i r t 模型采取的是数学模型与物理模 型相结合，应用随机性、动态、微观、时间驱动模型模拟，输出结果用数字和图 像两种形式表示。 1 3 微观仿真研究的意义和特点 到现在为止，可以说交通问题研究已经有三种方法：经验实测方法、理论分 析方法、计算机仿真。 最常用的方法是经验实测法。实测法的最大优点是基本数据都来源于实际现 场，有很大的可信度，不需要什么假设条件。但是，其弱点是对于个别因素的影 响情况很难确定，可以分析出经验实测法三个层次的局限性：可准确观测的参 量很有限；完全依靠观测手段建模的费用和时间可能无法承受；观察建模扩 展应用的局限性很大。 理论分析法，即以流体力学为基础的描述交通流状态，采用传统的数学模型 公式描述系统的总体特性。其优点是对于个别因素的影响有明确的数量关系表示。 然而，交通系统是一个复杂的系统，系统内要素的状态及其相互作用规律受多维 随机因素的影响，其中有些随机因素可用数学规律表示，有些则难以表示。传统 交通流模型因其理论基础的局限性，对实际交通状况的描述能力仍存在较为明显 的缺陷，主要体现在以下几方面：路网动态交通状态描述能力不强；由于数 学模型的封闭性，分析结果与设计者之间交互功能不强：分析结果的表达形式 过于单调，缺乏直观性，既不利于专业人员理解，更难以为非专业人员接受： 模型描述能力不强，很难反映复杂多变的道路几何条件和交通条件的影响；由 于实际路网的交通流特性与真正的流体特性并非完全一致，因而数学分析模型的 理论基础与实际情况有着明显的差异，其模型的建立往往需要事先做出报牵强的 假定条件，这在某些情况下甚至会产生较大的偏差，因此这类模型往往总是只在 总体上反应了交通流的运行规律，这使得模型分析结果的准确性和反映问题的深 度都不是很高”1 。 由于交通系统本身的复杂性以及交通工程的新技术、新概念的不断出现，客 观e 对交通分析工具的功能提出了更高的要求。计算机仿真则兼有以上两种方法 的优点，由于计算机仿真是理论推演、抽象出来的，而一些基本数据则来自现场 实测，而且利用计算机模拟方法能产生像许多实测法那样得到的交通数据。 与传统的交通分析技术相比，计算机交通仿真技术，尤其是微观交通仿真技 术具有非常明显的优势，主要体现在以下几方面p 1 ： ( 1 ) 模型机制的灵活性与柔软性：仿真模型对系统内各基本要素的变化规律 及相互作用关系的描述与系统的实际运行过程紧密对应，有利于形成灵活性和柔 软性较强的模型机制。 ( 2 ) 模型描述的灵活性与准确性：微观仿模型以交通系统最基本的要素如单 个的车辆、车道、信号灯等为建模单元，因而能非常灵活地反映各种道路和交通 条件的影响。另外，微观仿真模型的形式一般较为简单，但往往就是实际行为的 直接描述，因而也更能反映客观实际； ( 3 ) 交通分析的开放性：借助于计算机技术，通过良好的用户输入输出界面， 模型的运算结果可方便地与用户交互，增强了模型应用的实用性和方便性，仿真 结果的动画演示的直观性使得即使是非专业人员也能很容易地理解。 ( 4 ) 强大的路网动态交通状态描述能力：时间扫描技术为路网的动态交通状 态提供了最大的支持。 交通仿真技术的强大功能，使其能适应广泛的交通工程应用领域： 交通管理系统设计方案的评价分析； 道路几何设计方案的评价分析； 道路交通安全分析； 新交通技术和新设想的测试； 交通工程技术人员培训| 。 交通仿真技术也是交通工程理论发展的关键实验平台，这可以从两个方面来 理解：首先，交通仿真可以迅速方便地重现错综复杂的或大规模的交通现琢，并 允许用极低的代价搜集记i 录任何复杂的试验参数；其次，也许是更为重要的，通 过仿真技术，可以在接近真实的仿真交通条件下大量、反复地测试、评佶和检验 难以或完全不能在真实的交通条件下实施的交通管制、交通诱导、交通法规、新 的车辆技术，以及进行交通心理和交通事故研究。总而言之，交通仿真技术提供 了迅速而方便地构造和重现复杂的交通现象、并全面记录现象发生过程的能力， 使之成为交通工程理论发展的关键实验平台。 仿真技术以其高效、优质、低廉体现了它强大的生命力和潜在能力，具有很 强的形象性、直观性、真实性、灵活性和开放性，同时不失宏观性。 1 4 微观交通仿真模型在lt s 影响评价中的应用 微观仿真模型特别适合于在计算机上精确再现路网上的实际交通状况，非常 细致地描述系统实体和它们之间的相互作用。例如，微观水平的车道变换不仅涉 及到当前车道中本车对前车的跟车规律，而且涉及到目标车道的假定前车和后跟 车的跟车规律，还有详细的驾驶员决策行为模拟，甚至整个车道变换的操纵过程 也能模拟出来。这一特点使得微观工具成为评价智能交通系统( i t s ) 影响也许是 最合适的工具【，j 。微观模型基本上由两大部分所组成，一部分是路网几何形状的 准确描述，包括信号灯、标志标线、车辆检测器、可变信息标志等交通设旌。另 一部分是每辆车动态交通行为的准确模拟，这种模拟要考虑驾驶员的行为并根据 车型加以区分峥j 。 微观仿真模型可定量评价i t s 的效益，特别是先进的出行者信息系统( a t i s ) 和先进的交通管理系统( 棚s ) ，这些效益可以通过车速和行程时间等指标来量 化。总而言之，微观仿真模型可以仿真的i t s 领域有动态交通控制、事故处理方 案、实时路径引导、车道控制( 车道使用标志、高乘坐率车道等) 。些仿真模型 还能够进行设计参数的敏感性分析。微观仿真模型在两方面特别有价值，即信号 控制( 自适应、协调信号、公交优先、匝道控制) 、事故与拥挤管理( 车辆检测、 事故管理、可变信息标志、动态路径引导、高速公路流量控制) 和城市交通控制 是微观仿真的主要应用领域p j 。 1 5u r b a n s i m 仿真系统简介 u r b a l l s i r i l 道路交通仿真系统是以美国c o r s n 系统为技术平台开发的一个 应用于城市道路交通仿真与研究的软件。由于c o r s d “系统有相当氏的开发和应 用期，其技术功能非常强大，故本系统不仅具有友好的用户界面和强大的技术支 持，而且交通建模技术成熟，能广泛地适应交通研究和工程设计。由于本系统向 用户开放几乎所有的参数，用户可通过对参数的标定和校核，能准确地复现所研 究的交通环境和状况，应用于交通管理、交通控制、交通规划、道路网改造设计、 道路交叉口改造研究等方面【1 0 】。 1 5 1u r b a n s i m 运行的交通环境 运行u r b a n s i m 系统必须由用户标定的交通环境主要包括： 路网拓扑结构( 用路段一节点简图表示，如各路段的几何特性、车道数、 高速公路的纵坡、平曲线曲率、超高、渐变段或辅助车道、事故停车区、互通式 立交) ； 车道渠化控制( 如左转专用道和公交专用道、重型载重汽车专用道) ； 驾驶员行为特性( 如对加速、减速和信号灯的反应) 、类型、冒进程度： 进入路网的交通流量、流向、流率或o d 资料和公交系统的详细资料； 车队构成( 公交车、合乘车、小汽车、货车并可标定其性能特征) ； 交通管理与控制( 停车和让路标志信号控制、定时信号控制、实时或定 时感应式信号控制、复杂的高速公路监控系统) 以及事故和临时事件模拟。 为对标定这些参数提供一个有效的框架，真实的路网环境用节点和单向路段 构成的网络来表示。这些路段一般表示城市道路或高速公路路段，节点一般表示 城市交叉口或几何特征发生改变的点( 像纵坡变坡点、弯道等) 。 1 5 2 输出资料 交通管理和优化策略的评价可基于u r b a n s i m 仿真产生的有效度 m o e s ( m e a s u r e so f e 腩c t i v e n e s s ) 指标。m o e s 包括平均车速、停车次数、停车延误、 行程时间、行驶距离、燃油消耗量、污染物排放量。通过对m o e s 值的研究，可 以预测和评价交通控制、管理和t s m 策略的影响和效果。 u r b a n s i m 动画演示 仿真研究的一项重要技术是路网交通流的动画演示。动画演示可以预演或再 现系统的运动规律或运动过程，其直观、形象的特点，使得运算结果可方便地与 用户交互，增强了模型应用的实用性和方便性i l “。用户在计算机屏幕上可以看到 静态实体( 道路的边缘线、车道划分线、停车线、交通标志标线、公交站台等空 间位置等) 、半动态实体( 信号灯) 、动态实体( 车辆) ；交通流的聚集、排队、拥 挤、阻塞、消散过程”。u r b a l l s i i n 动画演示界面见图1 1 。 图1 1u 而a n s i m 动画演示界面 第二章u 由a n s i m 模型在道路干线信号控制系统中 的应用研究 2 1 引言 线控系统即干线交叉口交通信号的协调控制系统，就是把一条干道上一批相 邻的交通信号连接起来，加以协调控制，为沿干线行驶的车辆提供通过带，以保 证干道上的车辆能够畅通，减少干道上的延误和停车率。线控的主要特点是：对 几个信号机设定共同的周期时长和确定各信号时间上的相对关系，即相位差，其 定周期控制与点控方式基本相同“卅l l “。 线控研究建立交通仿真模型，其目的是用数学方法模拟车流在交通网上的运 行状况，研究交通网配时参数的改变对车流运行的影响，以便客观地评价任意一 组配时方案的优劣。为此，交通仿真模型应当能够对不同配时方案控制下的车流 运行参数平均车速、延误时间、停车率、燃油消耗量等作出可靠的估算。 本章以u 曲a i l s i n l 为平台研究长沙市五一路六个主要平交路口，根据 w e b s t e r 法计算交叉口信号周期时长，在模型中直接利用图解法计算协调控制 系统相邻信号问的相位差，并进行运算、验证和校核，把五一路上一批相邻的交 通信号连接起来，加以协调控制，为沿五一路主干道行驶的车辆提供通过带，以 保证该主干道上的车辆能够畅通，减少在主干道上的延误和停车率，体现了线控 研究在实际应用中的意义和作用。 2 2u r b a n s i m 在线控应用研究中的介绍 线控研究中所需要确定的两个主要参数分别是共同周期时长和相位差。各蹲 点控制交叉口的周期可以通过w e b s t e r 法计算得出，其中心思想是使所有随机 到达信号交叉口的车辆延误时间最小；根据线控原理，取其中最大值作为共同周 期时氏，其他各交叉口根据实际交通流量流向确定各相位时长。传统相位差的计 算有时间一距离图上作业法和数解法，些交通工程学者也提出了许多改进的算 法模型，但其计算非但繁杂，且难免发生人为错误，交通效益血不一定好更无 法处理多相位等复杂配对方案交叉口问的协调1 1 7 j 。 u r b a i l s i m 模型巾周期相位时长和相位信号设置、相对相位差为信号控制各输 入参数项。模型对给定的周期时长、绿信比、栩邻信号位鼹之间的间距和没定的 连续运行车速，仿真计算会自动产生信号相位时间距离图( 简称时距图) ，参见 图2 2 。可以根据信号图中显示的刻度，通过计算并分析调整信号时差即可获得系 统的最宽通过带f 1 引。 实际应用中采取的步骤如下： ( 1 ) 对于规划中的路线，根据各交叉口的平面布局及进口道交通流量，按 w e b s t e r 法单点定时控制的配时方法，确定其周期时长：自然辩证法认为，存在 即合理，因此可以认为，现实中路线各交叉口的信号配时，在一定程度上有其合 理性，故应以现行的信号配时参数为基础，在仿真模型中对单点进行研究，调整 和校核信号配时方案，使随机到达交叉口的车辆延误时间最小； ( 2 ) 根据线控原理，取所有交叉口中周期时长最大值作为共同周期，其他各 交叉口根据实际交通流量流向调整并重新确定其周期时长【9 l ( 2 m 。 ( 3 ) 在u r b a i l s i m 模型中仿真运算，并根据信号相位时间一距离图对相位差 作凋整和校核。 2 _ 3 实例分析 本章选取长沙市五路六个平交路口作为线控研究对象，其交叉口编码图见 图2 1 。其中节点2 3 、2 4 、2 5 、2 6 、2 7 + 、2 8 、2 9 、3 0 、3 1 分别为湘江一桥东、五 一广场、长沙饭店、湖南旅社、芙蓉路立交、省政府、袁家岭、晓园路口、车站 路口，其中信控交叉口见图所示。 罐艇! ： 雌秽謦滞 图2 1 五一路线控研究交叉口编码图 苇科 7f 3 i = 1 4 t 信号控制 节点 2 3 1 主要道路交叉口高峰小时信号控制参数设计 实测饱和车头时距、交通流量数据及根据现行信号配时方案，在仿真模型洲 整的六个交叉口饱和流量信号控制参数见表2 1 f 2 ”。 节点2 7 为芙蓉路立交桥，由于只能右转驶入平l 驶离五一路的交通流量井n 阿条蹄的直行交皿足立体交叉 的，越在本文的线控制研究中没有考虑其礤三响。 8 表2 1五一路主要交叉口现状信号控制参数设计汇总 编名 类 饱和车头时距( s )饱和流量( p “车道h ) 信号绿灯信号 周期 时间( s ) 号称 时间 型 东南 西 北 东 南西北东西向南北向 ( s ) 2 4五一广场2 52 62 52 71 4 8 26 0 81 6 2 8韶o1 4 06 02 0 2 5 长沙饭店 2 52 62 52 71 2 4 2 7 7 09 8 2 8 3 61 4 l6 06 0 2 8 省政府 2 ，52 8z 63 11 4 5 41 7 61 6 5 46 2 81 4 46 05 l 2 9裒家峰2 42 62 53 1 1 3 4 0 5 了41 7 8 83 8 41 5 8 7 5 3 z 3 0晓园路口 2 7 2 5 2 4 2 78 2 8 o 1 4 4 69 8 61 2 4 7 0 4 5 3 1 车站路口 2 22 82 62 72 3 01 7 9 41 3 1 601 0 l3 56 0 注：表中数据为2 0 0 1 年1 月交通工程实习调查数据；其中绿灯信号时间为直行绿时长 不包括其左转相位长。 2 3 2 线控研究 根据上表所示饱和流量流向及单点相位配时参数( 时间距离图见图2 2 ) ， 在u r b 孤s i m 模型中以1 5 m i i i 为一时段进行无线控模拟，产生的有效度统计数据 见表2 2 。 5 0 ： 7 蓐矗一n n 氍誓譬。懋热篇篇 i嗡t 脚嫩i 、，1 。4 1 。! 。 螽；。 氇蓼翟j 墨 ： x 哥“。 矗7 、 7 、 ，。，| 。 ：誊甓 = 3 s = 掣， rj ，7 1 2 9 7 讲 1 3 “4 。t 、，。，? 。，0_ 。 ( 哆 ： 、中2 8 2 5 2 6 5 s 嘲，- ji 。 5 嘈 、 幅鹕蔓，j ，馘，雩吠锄文x ，。 9 7 3 骨童，7，7 卿。；，b 伽重，夸，痞，划：，：一。去， 9 表2 2无线控仿真结果有效度( m o e ) 统计表 路段路段 路段路段路段 选项 台计 2 4 2 57 2 2 82 8 2 9 7 4 - 3 03 0 一3 1 直行车排队延误4 2 9 5 04 5 1 2 31 1 8 ，鹳 1 2 3 3 59 4 71 1 3 2 0 0v e h m m 直行车平均延误 9 4 ，9 68 7 0 73 7 9 02 9 8 72 6 7 22 7 6 5 0 v c l l c p2 1 9 9 1 6 0 21 9 7 d8 8 i1 6 4 0 8 2 9 2 眺m 废气排 h c 0 3 3o 2 602 70 1 4o 2 31 2 3g ，k m 放量 n o 。 1 4 0l | 1 610 6o 5 9 0 9 6 5 1 7 鲫 燃油消耗( 所有车辆) 5 3 6 7 4 3 0 03 9 4 81 7 4 52 6 6 51 8 0 2 5l 直行车平均车速1 3 0 30 l2 5 3 12 1 - 8 72 7 9 0 停车比率8 69 55 55 5 7 1 由信号时一距图、仿真结果有效度统计表可知路段2 4 2 5 、7 2 2 8 、2 8 2 9 、7 4 3 0 车辆排队延误情况严重，停车率高，废气排放量大。 根据线控原理，取袁家岭交叉口信号周期1 5 8 s 为整个五一路各信号交叉口的 共同定周期，并根据各交叉口实际流量流向情况，对各交叉口周期配时重新作调 整( 见表2 3 ) 。 表2 3 五路主要交叉口线控信号相位配时设计表 节点编号 相位编号相位l相位2 相位3相位4周期长( s ) 相位描述 东西向直行南北向左转东西向左转 南北向直行 2 4 1 5 8 相位时长g 产8 3 sg 产3 0 sg f 2 5 sg = 2 0 s 相位描述东西向直行南北向直行 东西向左转 2 5 1 5 8 相位时长 g _ 8 0 s= 6 0 sg = 1 8 s 相位描述 南北向直行东西向左转东西向直行 2 8 1 5 8 相位时长g 。= 3 2 s y f 3 3 s岛= 9 3 s 相位描述东西向直行南北向直行 东西向左转 2 9 1 5 8 相位时长g ：= 7 8 s g 2 = 3 2 s矗= 4 8 s 相位描述 东西向直行南北向直行 东西向直行 3 0 1 5 8 相位时陡 g i = 7 0 sg 2 = 5 5 s g f 3 3 s 相位描述 南北向直行东西向直行 3 l 1 5 8 相位时长g ，= 9 3 s g 2 = 6 5 s 根据五一路的路面情况及实测车速，我们取车速为5 6 k m h ，在图2 | 2 ，f 1 由起 始节点2 4 引一条斜线觚斜线的斜率即为车辆沿干道可连续通行的车速，取 5 6 州h ；与节点2 5 、2 8 、2 9 、3 0 的相位轴分别相交于c 、d 、e ，在图2 2 中记 节点2 5 、2 8 、2 9 东西向绿灯启动时刻点分别为f 、g 、h ，将上述6 个点向上引 垂直线，得到其中时间刻度上相应的数据，即可得到相对相位调整差分别为 蚀，2 4 = 3 5 s ，2 s = 6 5 s ，翰瑚= 1 0 s ，9 甄= 1 0 0 s ，份l 3 0 = 6 0 s 。保持原交通流量流 向数据不变，按照表2 3 相位配时参数和上述相对相位偏差对相应的信号控制参 数作更改，模拟运算产生的线控信号时距图见图2 3 。 图2 _ 3五一路信号时一距图( 线控) 从图2 3 信号时距图可看出，各交叉口东西向绿灯起始时刻点同绿波线a b 与相位时间轴的交点重合，东西向达到了较为理想的线控协调效果。由于此6 个 交叉口相互距离差值较大，且信号定周期相对过长，只能使得南北向路段3 0 2 9 、 2 8 2 5 达到线控目的，而路段2 5 2 4 、2 9 - 2 8 、3 1 3 0 只能保证一小段绿波时间；但 因为车站路3 8 2 l 为单向控制路段，由西往东的车流量较由东往西车流量小，故 相对整个路段而言，影响不是很大。u r b 趿s i i n 模拟产生的相应有效度统计数据见 表2 4 ，其直行车辆排队总延误为3 6 7 v e h m 毗此延误主要由于下列原因滞留产生： 由于实例中交叉口间距相差悬殊，所取车速由于受到不同因素的干扰而降低，因 此在某些交叉口相应的绿灯时间内车辆不能全部通过 2 期。 表2 4线控仿真结果有效度( m o e ) 统计表 路段 路段路段路段路段 选项 合计 2 4 2 57 2 2 8 2 8 2 97 4 3 03 0 3 l 直行车排队延误9 2 7 31 1 3 o o 1 1 3 7 31 0 2 6 81 6 53 6 7 o ov e h m i n 直行车平均延误2 3 7 91 9 5 53 1 3 6 2 1 8 77 1 11 0 3 6 8s ，v e h 废气 c d1 7 1 21 1 1 01 65 483 41 0 8 4 6 3 9 4 酣 排放h c0 2 30 1 7o 2 20 1 20 1 6 o 9 0 肿1 乩 n o 。 0 ，9 40 7 8 09 3o 5 3o6 738 5 眺ml 燃油消耗( 所有车辆)3 2 1 32 68 04 0 9 51 6 ，6 51 8 4 71 3 5 0 0 l 直行车平均车速 2 9 6 12 3 3 32 74 82 57 64 65 2 停车比率3 0 5 54 6 5 2 4 4 3 34 0 将上述线控仿真结果有效度统计数据与无线控比较，可以得出直行车辆排队 总延误减少6 8 ，c o 排放量减少2 2 ，平均车速提高近1 4 5 k n 汕，停车率平均减 少约3 4 。运算后的线控实例在u r b a i l s i i i l 动画可视模拟器模拟运行，看到运行中 的车辆基本上能够顺利通过各信号交叉口，滞留排队的车辆主要是如上原因所述 的滞留车和等待左转相位的左转车、上游交叉口次道左转相位为绿灯时产生的左 转车、上游交叉口同例次道连续产生的右转车，见滞留车辆产生分析图2 4 。 图例：_主道上游交叉口直行绿灯启动时刻滞留扯f 游交叉 i ：_ 1 的车辆 a 、b 、c 、d 滞留在下游交叉口车辆的产生衄斟 图2 4 滞留车辆“生分析例 一刚槲郧确一， k 戮 周未行 别州习 叫一iil-再 簇|。蚌 一一一 。一一一 胆萨剑善 一 占口口一绿红 一直左 2 4 相位差的二次调整 如前所述车辆产生滞留的原因，滞留形成的车队由于起动延误、排队消散需 要一定的时长，如果像图2 t 3 所示的完全理想线控的情况下，使得绿波带中的直 行的前部分车辆驶近该交叉口时不得不减速甚至停车等待滞留车辆驶离交叉口， 而使得线控协调效果受到一定程度的影响j 。 为了使上游交叉口的第一辆车驶近下游交叉口时仍能以原来行驶的速度通过 该交叉口而不受滞留车辆的影响，因此可将相对相位差减少，减少的差值应等于 滞留车队中第一辆车起动到车队中最后一辆车起动加速至连续流车速所需的时 长。第二次调整的减少相位差差值主要和上游交叉口次要道路上在周期时长中产 生的左转流量和红灯时长产生的右转交通量，以及该路段的车道数、路氏、坡度、 路面状况等相关。二次调整的相位差差值需要根据实际情况研究确定，通过五次 运行，我们在u r b a n s i m 动画演示时观察得出平均差值调整参考值，见表2 5 。 表2 5相对相位差二调整差值参考表 路段编号观察滞留车辆数( 辆)进口路段直行车道数( 条)调整参考值( s ) 路段2 4 2 52 526 路段7 2 2 81 6 24 路段2 8 2 91 423 路段7 4 3 0 2 835 路段3 0 3 1 431 由上表可得出近似的相位差差值计算公式( 2 1 ) ： s = 彳“2 b ) ( 2 1 ) 式中： s ：二次相对相位差调整差值，s ； 一：观察滞留的车辆数，辆： b ：进口路段直行车道数，条。 建泌所计算的相位差差值不应大于8 s ，否则会影响线路原来所做的线控系 统，波及前后节点的绿波西调效果。将修改相对相位差值在输入文件中调整并运 算，u r b a j l s i m 模型输出文件中模拟产生的其主要统计数据见表2 6 ，其相应直行 车辆排队总延误为3 3 2 v e h n l i n ，在原来的基础上排队总延误减少约l o 。直行午 平均延误、废气排放量、燃油消耗、停车率等有相应减少，平均车速有相应增长。 表2 6仿真结果有效度( m o e ) 统计表 路段路段路段路段路段 选项 合计 2 4 2 57 2 2 8 2 8 2 97 4 3 03 0 一3 1 直行车排队延误 7 0 0 55 5 5 2 9 4 1 71 0 8 7 03 0 73 3 2 o ov e h m i n 直行车( 平均延误)2 0 5 6 1 4 2 42 6 8 62 3 1 09 0 49 3 8 0s e h 废气 c d1 6 8 81 0 6 71 5 6 7 77 81 1 1 3 6 2 1 3 鲫 排放h co 2 30 1 6o 2 l0 1 1o 1 6 0 8 7 酣( j t l n o 。 o 9 4o 7 2 o8 90 4 9o 6 3 3 6 7 咖1 燃油消耗( 所有车辆) 3 2 7 82 4 2 23 8 _ 8 71 7 - 3 71 8 2 41 3 1 4 8 i 直行车平均车速3 2 5 02 3 3 52 8 4 52 8 0 94 6 6 8 停车比率 2 5 0 03 8 6 03 9 0 53 06 73 93 l 2 5 结论 交通仿真系统中各参数的实时调整和可重复运算，使得复杂的线控研究变得 相对简单起来。且由于u r b a n s 妇模型较快的运算速度、形象的动画演示、直观 的统计图表，使得在线控研究中对各种方案进行比较分析提供了良好的条件；各 项比较结果的得出电使得看到了城市交通协调控制的重要意义。 第三章u r b a l l s i m 模型在感应式信号控制中的应用研究 3 1 引言 在第二章中研究并讨论的单点信号控制及定时协调控制系统的配时方案属 于第一代、第二代控制策略的范畴，其信号灯的显示由脱机设计的固定配时方案 控制，即交叉口各进口道的通行权基于预先设定的相位分配。信号周期长、各相 位时长、相位数和相位排列由历史的交通流量流向数据静态设计产生。其主要优 点是：定时信号设施价格低于感应信号 行中容易调节；适应交通流的均匀一致 且安装、维护方便；配时方案在实际运 其信号启动时间可取得一致，方便与干 道相邻的交叉日交通信号同步而形成协调系统。缺点是不能适应短期交通波动， 对于实时的交通需求无法及时地得到体现和反应；非高峰小时会引起过大的车辆 和行人延误。显然，这种控制方式不能胜任日益发展的交通需要弘。 感应式控制原理是通过车辆检测器测定到达进口道的交通需求，使信号显示 时间适应测得交通需求的一种控制方式：即在交叉口进口道路上设置车辆检测 器，信号灯配时方案可随检测器检测到的车流信息而随时改变。感应式控制具有 如下优点：如果检测器位置和类型选择得当，控制器中交通控制参数设定合理， 当交叉口交通流量小于其通行能力时，能大大减少车辆的延误；通过连续地更新 各相位的绿信比，对交通量变化较大且不规则和短期交通发生波动具有较好的适 应性，进而提高某一时段( 一天或一周) 交叉口及路段的总体通行能力；当低流 量时，交通流能连续运行，增加安全性：且特别适用于多相位的交叉口。因此， 感应控制对车辆随机到达的适应性较大，可使车辆在停车线前尽可能少停车，达 到交通通畅的效果“。 本章拟首先对国外发展相对成熟的感应式控制方式和原理作简要介绍，基于 第二章中对长沙市五一路线控系统所做的研究，通过效益一成本分析法( 或效用一 成本分析法，文中主要应用u r b a l l s i m 模型产生的有效度作为参考指标) ，对定时 式控制和感应式控制作技术一经济评价，以期分析和研究氏沙市五一路实行感应 式控制的可行性和适用性，并扩展评价不同路网利交通条件下各策略的适用性。 3 2 单点感应式控制原