（交通运输规划与管理专业论文）城市道路交叉口复杂度及与通行效率关系研究.pdf

摘要 作为城市道路网络的节点，交叉口汇集了行人、非机动车及机动车等不同方式、不同 特性、不同方向且相互冲突的混合交通流。但因缺乏集交通组织、空间布局、安全保障和 信号控制为一体的交叉口综合优化设计，无法对混合交通流进行合理有效的组织、分流、 引导及控制，导致交叉口效率低下、事故频发，成为瓶颈中的瓶颈。因此，平面交叉口虽 是道路交通网的重要枢纽点，也是交通事故的多发点。更为严重的是，发生在交叉口的局 部问题( 比如拥堵和事故) 能借助网络的开放性，以非线性模式朝周围迅速扩散和积累， 若处理不当往往造成交通系统功能大范围长时间受损甚至完全瘫痪，故交叉口也是城市综 合交通系统“矛盾的集中地、问题的发生源”，因而交叉口综合优化设计是提升城市路网乃 至整个综合交通系统功能的关键。 根据系统论，在一定范围内随着系统结构复杂性的增加，系统功能稳定性增强，但超 过一定临界点时，系统结构复杂性增加会导致系统功能稳定性降低。因此，作为微观系统， 交叉口的空间布局和运行组织并非越复杂越好，这一点在以往没有引起足够重视。针对我 国目前交叉口研究现状，本文从宏观及微观两个层面着手研究交叉口不同类型交叉口冲突 点数量及不同交通流条件下的冲突概率，提出复杂度的概念并阐述其内涵，建立复杂度的 计量模型从而可评价交叉口的运行状态。为了衡量交叉口时空资源的利用程度，本文提出 了交叉口通行效率的概念并建立了计算模型，分析其与交叉口复杂度之间的关系，从而可 将交叉口复杂度控制在一个合理范围内选择通行效率最大的交叉口作为设计目标。因此本 课题的研究可分为交叉口冲突点( 冲突区域) 研究、冲突概率研究、复杂度研究、通行效 率研究以及复杂度与通行效率关系研究5 部分。 本文以机动车与机动车、非机动车及行人这3 种交通方式的交叉冲突点为主，从宏观 层面分析了冲突点与交叉口空间布局型式的关系，主要包括不同相交道路条数、不同机动 车道数及不同相位设置三个方面，从理论上得出了交叉口各类冲突点的数量与空间布局之 间的关系。但由于非机动车自身的特性使得其在交叉口的行驶轨迹较不固定，因此机动车 与非机动车冲突点的位置并不固定，而是分布在某些区域内。本文应用摄影测量方法建立 了其不同时刻在交叉口行驶位置的图像坐标与大地坐标的联系，通过采集非机动车图像坐 标数据获得了非机动车不同时刻在交叉口行驶位置的实际坐标，将所有坐标点描绘于交叉 口范围内，其分布较为密集的区域则为非机动车行驶区域，与机动车行驶区域交叉部分则 为机非冲突区域。 在冲突点及冲突区域研究成果基础上，论文从微观角度研究了3 种交通方式的交通流 在冲突点及冲突区域发生冲突的概率。通过理论分析，以机动车车头时距、临界间隙、非 机动车及行人冲突区域占用时间等参数建立了冲突概率的计算模型，并基于大量调查数据 求解了各种类型的冲突概率。 基于以上两方面的研究成果，本文从宏观及微观两个层面建立了交叉口复杂度计量模 型，并运用该模型分别从单点及整个路网两个层次计算了不同类型的交叉口在不同交通需 求下的复杂度数值，分析了在不同条件下交叉口复杂度的变化趋势。 为了衡量交叉口时空资源的利用程度，本文提出了交叉口通行效率的概念及计算模型， 由于通行效率与交通冲突有较大的相关性，为了表征交通流在有无冲突两种情形下的延误 大小，本文提出了冲突强度的概念，通过大量数据得出交通流在有无冲突情形下的功能区 平均运行时间可用来计算冲突强度。由于通行效率模型不仅考虑了交通流在交叉口功能区 东南大学博士学位论文 的流量，同时也考虑了其在功能区的运行速度( 运行时间) ，更能全面地对交叉1 3 时空资源 利用的合理性作出评价。 基于复杂度及通行效率模型，论文计算了单点及整个路网交叉口在不同控制方式及不 同交通需求条件下对应的复杂度及通行效率数值，分析了不同情况下通行效率与复杂度之 间的关系。基于以上的研究，在进行交叉1 ：3 设计时可选择若干种复杂度在合理范围之内的 交叉1 ：3 ，再以通行效率为指标选择最佳的型式，从而可实现基于复杂度控制的交叉口优化 设计。 关键词：城市道路交叉口；交通冲突；冲突点；冲突区域；冲突概率；复杂度；冲突强度； 通行效率： a b s t r a c t a saj o i n to fu r b a nr o a dn e t w o r k ，i n t e r s e c t i o n sa g g r e g a t ev a r i o u sk i n d s ，c h a r a c t e r sa n d d i r e c t i o n sm i x e dc o n f l i c t i n gt r a f f i ci n c l u d i n gp e d e s t r i a n s ，n o n m o t o rv e h i c l e s ，m o t o rv e h i c l e s b u tl a c ko fc o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni n c l u d i n gt r a f f i co r g a n i z a t i o n , s p a c el a y o u t , s a t e t yg u a r a n t e e ，s i g n a lc o n t r o ll e a d st ol o we f f i c i e n c ya n df r e q u e n ta c c i d e n t s ，s oi n t e r s e c t i o n s b e c o m eb o t t l e n e c ko fb o t t l e n e c k t h ei n t e r s e c t i o n sa r en o to n l yh i n g e s ，b u ta l s oa c c i d e n t o c c u r r i n gp o i n t s m o r es e r i o u s l y , l o c a lp r o b l e m sc a ne x t e n da r o u n dw i t hn o n - l i n e a rm o d e l i f t r e a t e du n c o r r e c t l y , i tm a yb r i n gt ot h ep a r a l y s i so fu r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s oi n t e r s e c t i o n s c o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g nc a ni m p r o v et h ef u n c t i o no fu r b a nr o a dn e t w o r ka n d t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m b a s e do 1s y s t e mt h e o r y ，t h es t a b i l i t yo fs y s t e mi m p r o v e sw i t ht h ec o m p l e x i t yd e g r e e g r o w i n gd u r i n gac e r t a i nr a n g e b u tb e y o n dac r i t i c a lp o i n t , t h es t a b i l i t ys h o w e sao p p o s i t et r e n d s oa sam i c r o - s y s t e m ，t h ec o m p l e x i t yd e g r e eo fs p a c el a y o u ta n dt r a f f i c o r g a n i z a t i o no fa i n t e r s e c t i o nc a nn o tb et o oc o m p l e x , w h i c hi sn o tg a i n e de n o u g hr e c o g n i t i o n a i m i n ga tc u r r e n t c o n d i t i o n so fi n t e r s e c t i o n si nc h i n a , f r o mm i c r o - s c o p ea n dm a c r o s c o p e ，c o n f l i c tp o i n t sa n d p r o b a b i l i t yo fd i f f e r e n ti n t e r s e c t i o n sw e r ea n a l y z e d ，c o n c e p ta n dm e a n i n go fc o m p l e x i t yd e g r e e w e r eb r o u g h tf o r w a r d ，c o m p l e x i t yd e g r e em o d e lw a s d e v e l o p e dw h i c hc a nb ea p p l i e dt oe s t i m a t e i n t e r s e c t i o n sc o n d i t i o n s ，t h ec o n c e p ta n dm o d e lo fe f f i c i e n c yw e r ep u tf o r w a r di no r d e rt o e v a l u a t eu t i l i z a t i o no fs p a c e - t i m er e s o u r c eo fi n t e r s e c t i o n s ，t h e nt h er e l a t i o nb e t w e e nc o m p l e x i t y d e g r e ea n de f f i c i e n c yw a ss t u d i e d h e n c et h et a s ki n c l u d e sf i v ep a r t s ：t h er e s e a r c ho fc o n f l i c t p o i n t s ( z o n e s ) ，c o n f l i c tp r o b a b i l i t y , c o m p l e x i t yd e g r e e ，e f f i c i e n c ya n dt h er e l a t i o nb e t w e e n c o m p l e x i t yd e g r e ea n de f f i c i e n c y g i v e np r i o r i t yt oc o n f l i c t so fm o t o rv e h i c l e sa n dm o t o rv e h i c l e s ，p e d e s t r i a n s ，n o n m o t o r v e h i c l e s ，t h ec o n n e c t i o no fc o n f l i c tp o i n t sa n di n t e r s e c t i o n ss p e c i a ll a y o u tm o d ew a ss t u d i e d ， i n c l u d i n gt h en u m b e ro fc r o s s i n gw a y s ，m o t o rl a n e sa n dp h a s es e t t i n g ，t h et h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n o ft h er e l a t i o no fn u m b e ro fc o n f l i c tp o i n ta n dl a y o u tw a so b t a i n e d b u to w et ot h er a n d o m i c i t y o fn o n m o t o r st r a c k ，t h ec o n f l i c tp o i n t sb e t w e e nm o t o rv e h i c l e sa n dn o n - m o t o r sv e h i c l e sa r en o t f i x e d ，p h o t o g r a p h ym e a s u r e m e n tm e t h o dw a sa p p l i e dt od e v e l o pt h er e l a t i o nb e t w e e ng l o b a l c o o r d i n a t ea n dp h o t oc o o r d i n a t e ，t h eg l o b a lc o o r d i n a t ec a nb ea t t a i n e db yc o l l e c t i n gp h o t o c o o r d i n a t e so fn o n - m o t o rv e h i c l e s ，t h ed e n s ez o n eo fg l o b a lc o o r d i n a t ec a l lb er e g a r da sz o n eo f n o n m o t o rv e h i c l e st r a c k ，s ot h ec r o s s i n gz o n eo fm o t o rv e h i c l e sz o n ea n dn o n - m o t o rv e h i c l e s z o n ew a sm o t o rv e h i c l e sa n dn o n - m o t o rv e h i c l e sc o n f l i c t i n gz o n e o nt h eb a s eo fa b o v er e s e a r c h ，t h ec o n f l i c tp r o b a b i l i t yo ft h r e ed i f f e r e n tm o d e sw a ss t u d i e d t h r o u g h tt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ec o n f l i c tp r o b a b i l i t ym o d e lw a sd e v e l o p e ds e l e c t i n gh e a d w a y s ， c r i t i c a lg a p s ，o c c u p a n c yt i m eo fn o n m o t o rv e h i c l e sa n dp e d e s t r i a n si nc o n f l i c t i n gz o n e ，t h e v a l u eo fc o n f l i c tp r o b a b i l i t yw a sc o m p u t e da c c o r d i n gt ot r a f f i cs u r v e yd a t a o nt h ef o u n d a t i o n so fa b o v et w oa s p e c t s ，t h ec o m p l e x i t yd e g r e em o d e lw a sd e v e l o p e df r o m m a c r oa n dm i c r oa s p e c t s ，a n dt h ev a l u ew a so b t a i n e do fd i f f e r e n ti n t e r s e c t i o n so fd i f f e r e n tt r a f f i c d e m a n do fs i n g l ea n dr o a dn e t w o r ki n t e r s e c t i o n s t h ev a r i n gt r e n do fc o m p l e x i t yd e g r e ev a l u e w a sa n a l y z e d i no r d e rt os c a l eu t i l i z a t i o no ft i m e s p a c er e s o u r c eo fi n t e r s e c t i o n s ，e f f i c i e n c yw a sp u t f o r w a r d d u et ot h ec o n n e c t i o no fe f f i c i e n c ya n dc o n f l i c t ，t h ec o n f l i c ti n t e n s i t yw a sb r o u g h t f o r w a r dd e n o t i n gt h ed e l a yu n d e rc o n f l i c ta n dn o nc o n f l i c tc o n d i t i o n s ，t h em e a nt i m eo f i n t e r s e c t i o nf u n c t i o nz o n ec a l lb eu s et oc o m p u t ec o n f l i c ti n t e n s i t yt h r o u g h tam o u n to fd a t a e f f i c i e n c ym o d e li n c l u d e sv o l u m ea n dv e l o c i t yo ft r a f f i cf l o w s 。s oc 锄e v a l u a t et h eu t i l i z a t i o no f 东南大学博士学位论文 s p a c e - t i m er e s o u r c em o r er a t i o n a l l y t h ev a l u e so fc o m p l e x i t yd e g r e ea n de f f i c i e n c yw e r ec a l c u l a t e do fd i f f e r e n ti n t e r s e c t i o n s f r o ms i n g l ea n dr o a dn e t w o r ka s p e c t sb ya p p l y i n gc o m p l e x i t yd e g r e em o d e la n de f f i c i e n c y m o d e l ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e mw a sa n a l y z e d o nt h er e s e a r c ha b o v e ，s e v e r a li n t e r s e c t i o n s c a l lb es e l e c t e di ft h e i rc o m p l e x i t yd e g r e ev a l u e sa r ei nt h er a t i o n a lr a n g e ，a n dt h eo p t i m a lo n e c a l lb ec h o s e na c c o r d i n ge f f i c i e n c y ，s ot h ei n t e r s e c t i o no p t i m a ld e s i g nb a s e do nc o m p l e x i t y d e g r e ec o n t r o lc a nb ea c c o m p l i s h e d ， k e yw o r d s ：u r b a ni n t e r s e c t i o n ；t r a f f i cc o n f l i c t ；c o n f l i c tp o i n t ；c o n f l i c tz o n e ；c o n f l i c tp r o b a b i l i t y ； c o m p l e x i t yd e g r e e ；c o n f l i c ti n t e n s i t y ；e f f i c i e n c y 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 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。 f 7 瓜 夕 。 盯v 1 1 立题背景与意义 第一章绪论 随着社会经济的不断发展，城市化进程的不断加快，城市机动车数量不断增加，交通拥堵日益 严重，交通事故频频发生，环境污染日益加剧，所有这些由机动化带来的交通问题已严重影响到城 市的可持续发展及“以人为本”和谐社会的构建。 一般而言，解决城市道路交通问题有两种途径，一种途径是着眼于交通设施的修建，即继续修 筑城市道路，建设大运量的轨道交通。但这种方法一方面易受到城市有限的土地资源及巨大的建设 资金等诸多因素的制约，另一方面新的交通设施也会诱发新的交通需求，因此很难从根本上解决交 通问题。另一种途径是完善道路管理措施及提高道路管理水平，使得现有的各种交通设施能够最大 程度地发挥其功能。相对而言，第二种方法的可行性及可操作性更强。 作为城市道路网络的节点，交叉口汇集了行人、非机动车、公交车和社会机动车等不同方式、 不同特性、不同方向且相互冲突的混合交通流。但因缺乏集交通组织、空间布局、安全保障和信号 控制为一体的交叉口综合优化设计，无法对混合交通流进行合理有效的组织、分流、引导及控制， 导致交叉口效率低下、事故频发，成为瓶颈中的瓶颈。研究显示：车辆通过平面信号交叉口的通行 能力只相当于路段上的4 0 - - 5 0 ，平面交叉口所消耗的时间约占全程时间的3 1 ，而车辆行驶延 误中有8 0 - 9 0 由平面交叉口所造成。更有资料表明：美国平面交叉口事故数占总事故的3 6 左 右，联邦德国农村的交通事故3 6 发生在平交路口，城市道路交通事故6 0 8 0 发生在平交路口， 日本对1 9 9 0 年死亡事故发生地点进行统计表明，发生在交叉路口及其附近的事故数占总事故的 4 2 2 。更为严重的是，发生在交叉口的局部问题( 比如拥堵和事故) 能借助网络的开放性，以非线 性模式朝周围迅速扩散和积累，若处理不当往往造成路网和交通系统功能的大范围长时间受损甚至 完全瘫痪。由此可见。平面交叉口虽是道路交通网的重要枢纽点，也是交通事故的多发点。交叉口 是城市综合交通系统“矛盾的集中地、问题的发生源”，交叉口综合优化设计是提升城市路网乃至整 个综合交通系统功能的关键。 事实上，国内城市交通领域的实践者、研究者和决策者早已意识到交叉口综合设计对于城市交 通健康发展的重要性。特别是自2 0 0 0 年以来，由国务院批准、公安部、建设部共同负责实施的全国 城市交通“畅通工程”在全国6 0 0 多个城市如火如荼地开展，我国城市交通建设与管理的科学化水 平得到了明显提高，以交叉口渠化设计、信号优化控制和标志标线合理施划等现代交通技术为手段， 改善包括交叉口在内的城市交通环境已成为共识。 应该说，交叉口综合设计“应该做”早无异议，但“如何做”却各有千秋。不得其法、适得其 反者也为数不少：小至信号周期、绿时分配、相位设置等信号控制关键参数与交叉1 2 1 各进口交通流 的流量、流向不协调，造成各进k 1 、各车道间的交通负荷严重不均，影响通行效率；大至城市交通 建设盲目推崇“宽马路、大路口”、“高技术、多相位”，交叉1 2 1 的空间布局和运行组织相当复杂，但 对通行效率和安全度的提高却相当有限甚至有害。对于此类问题，究其根本原因在于：目前尚未完 整建立适合我国城市社会发展和城市交通环境的交叉1 2 1 综合设计技术体系，进而尚未形成能为城市 交通决策者、设计者和管理者所普遍接受并掌握使用的交叉口综合设计技术指南与技术工具a 根据系统论，在一定范围内随着系统结构复杂性的增加，系统功能稳定性增强，但超过一定临 东南大学博士学位论文 界点时，系统结构复杂性增加会导致系统功能稳定性降低。因此，作为微观系统，交叉口的空间布 局和运行组织并非越复杂越好，这一点在以往没有引起足够重视。 本论文依托“十一五”国家科技支撑计划项目城市综合交通系统功能提升与设施建设关键技术 的子课题：城市交叉口功能提升与设计关键技术( 编号2 0 0 6 b a j l 8 8 0 7 ) ，从系统结构复杂度和功能稳定 性之间的关系出发，本着“化繁为简”的新思路，提出“交叉口复杂度”、“通行效率”的概念及数 学模型，分析交叉口复杂度与通行效率之间关系，为十一五课题后续研究者研发基于复杂度控制的 交叉口设计关键技术，建立适合我国城市社会发展和城市交通环境的交叉口综合设计技术体系，进 而形成一套适合我国混合交通流特点的交叉口综合设计技术指南与技术工具奠定坚实的理论基础。 1 2 国内外研究概述 1 2 1 交叉口复杂度研究 1 2 1 1 复杂性研究 复杂性科学在8 0 年代中期开始兴起，主要研究复杂系统和复杂性的一门科学。虽然复杂性的研 究已遍及自然科学、工程技术科学、管理科学和入文社会科学等领域，但由于复杂性的研究起步较 晚，且各学科的研究对象和采用的分析方法不同，因此对复杂性概念的定义也不尽相同。到目前为 止，“复杂性”还没有一个统一严格的定义f l 之】。以下是一些学者提出的定义： r 罗森：复杂性不但是系统相互作用的功能，而且是我们自身的功能； r t r a p p l ：复杂性是我们仅仅部分知道和不能把握的人工自制的自然系统的性质【3 】； r a 西蒙：系统具有多么复杂或多么简单，关键取决于我们描述它的方式。人工性和复杂性这 两个论题不可避免地相互交织在一起【4 j ； 钱学森：所谓复杂性实际是开放的复杂巨系统的动力学，或开放的复杂巨系统学p j 。 据劳埃德统计，西方学者己经提出4 5 种复杂性定义，如分层复杂性、算法复杂陛、随机复杂性、 有效复杂性、同源复杂性、基于信息的复杂性、时间计算复杂性、空间计算复杂性等。 从国内目前的研究成果来看，复杂性科学的研究均足从系统论的观点出发，将复杂性科学与复 杂系统紧密联系在一起，研究范围涉及到工程、生物、经济、管理、军事、政治、社会等各方面的 复杂系统。 1 2 1 2 交叉口复杂性( 复杂度) 研究 国内外对于交叉口复杂性的研究较少，国外较有代表性的研究成果为前苏联学者费舍里松提出的 模型【6 】： c = n o + 3 c + 5 y j ( 1 1 ) 式中c 为交叉口综合复杂性系数；0 、c 、，分别为车流的分流点v 合流点和交叉点数量。 我国学者徐吉谦教授结合我国的实际情况对以上模型作了改进，如公式( 1 2 ) 所示1 7 j ： c = 墨m + 也二+ 包n j + 缸虬 ( 1 - 2 ) 式中c 为改进后的交叉口复杂性系数：毛、乞、毛、毛为系数；n a 、虬、以、，分别为平面 交叉口各类交通冲突点数量。 东南大学在上述研究的基础上，对平面交叉口综合复杂性系数作了进一步深入研究，采用系统分 2 第一章绪论 析方法，考虑平面交叉口3 个影响方面和1 1 个影响因素，建立了平面交叉口综合复杂性系数a h p 分析模型7 】： c = e r u c t u ( 1 - 3 ) ；t 式中c 为平面交叉口综合复杂性系数指标；鼻为第个影响方面的权重；e ，为交叉口第f 个构成要 素对第个影响方面的影响权重；q ，为交叉口第f 个构成要素对第个影响方面的影响分值。 东南大学的刘飞从不同冲突形式及不同交通方式两个方面建立了复杂度模型f 8 1 ： ( 1 ) 基于不同冲突形式产生的各类交通冲突点数 c = k l ，+ k 2 “+ 岛m ( 1 - 4 ) 式中，c 代表表示城市道路平面交叉口复杂度，墨代表交叉口交叉冲突点系数，屯代表交叉口合流 冲突点系数，毛代表交叉口分流冲突点系数，代表交叉口交叉冲突点数，心代表交叉口合流冲 突点数，虬代表交叉口分流冲突点数。 ( 2 ) 基于不同交通方式产生的交通冲突点数建模 c = 吃一口m 一。- i - 乞一6 虬- 6 + 吒6 m 一6 ( 1 5 ) 式中：c 代表表示城市道路平面交叉口复杂度，心一。代表机动车与机动车之间的冲突点数对交叉口 复杂度影响系数，屯一6 代表机动车与非机动车之间的冲突点数对交叉口复杂度影响系数，乞一6 代表 非机动车与非机动车之间的冲突点数对交叉口复杂度影响系数，d 一。代表机动车与机动车之间的各 类冲突点数，口一6 代表机动车与非机动车之间的各类冲突点数，6 6 代表非机动车与非机动车之间 的各类冲突点数。 1 2 1 3 目前交叉口复杂性( 复杂度) 研究存在的不足 从现有的交叉口复杂度研究成果来看，不同的模型均存在一些不足之处。如费舍里松的模型中不 同类型冲突点的系数均为常数，并未考虑交通流微观运行特征的影响，而其他模型中冲突点的系数 虽为变量，但对于系数的分析方法及求解过程却未加涉及。 1 2 2 交叉口混合交通流研究 国外学者h o s s a i nm 将混合交通流定义为由共同占用同一道路资源的不同类型的道路使用者( 包 括非机动车与行人) 构成的交通流，一般可分为3 种类型【9 1 = ( 1 ) 不同类型的机动车构成的交通流； ( 2 ) 机动车及非机动车构成的交通流：( 3 ) 机动车、非机动车及行人构成的交通流。因此，机动车、 非机动车及行人是构成交叉口混合交通流的3 个基本要素。 1 2 2 1 非机动车及行人基本特性研究 同样是混合交通流，我国与欧美发达国家的情形存在较为明显的差异。欧美国家交叉口交通流的 主要组成部分为机动车流，非机动车及行人的比例较低：而我国的交叉1 ：3 非机动车及行人占了一定 的比例，且由于非机动车与行人在交叉口的行为特性与机动车有较大的差异，使得我国的交叉口呈 现出较为“复杂”的状态。要想科学客观地反映这种状态，对于非机动车及行人特性的研究是必不 可少的。国内外学者对此开展了较多的研究，主要研究成果可归纳如下： 3 东南大学博士学位论文 美国的w i n a ir a k s u n t o m 通过对4 个信号控制交叉口的诵查，分析了自行车的速度、加速度、到 达分布、接受间隙及启动损失时间等等，建立了模拟模型，获得了各种行为的基本数据p o ；d e a n t a y l o r 研究了骑车者在黄灯初期的反映行为，结果表明对于较大尺寸的交叉1 ：3 ，机动车信号转换间隙及清 空时长难以满足较为冒进的骑车者穿越交叉口的要求【】；m o h a m m e d m h a m e d 研究了行人穿越人行 横道的行为特征，将行人穿越行为分为从一侧步行至中间绿化岛及从中间绿化岛步行至另一侧两个 阶段，并对有无中央分隔带两种情形分别建立了模型【l 引。 国内学者对于交叉口自行车基本特性研究，主要包括到达分布规律【l3 1 、速度、停车减速度、启动 加速度【1 4 1 5 1 等方面，而对于行人特性的研究主要涵盖了行人到达规律【1 6 17 1 、过街心理【1 8 - 1 9 1 、过街速 度【2 0 1 、过街时间【孔- 2 1 、延误等【2 3 之训。 1 2 2 2 相互穿越及干扰行为研究 混合交通流的一个重要特征表现为不同类型不同方向的交通流相互穿越较为频繁，对交叉i ：1 的影 响较为明显，对于穿越行为的研究成果可简要地总结如下： 美国的d e a nt a y l o r 等人通过对3 个速度较低的交叉口的数据调查，研究了非机动车穿越机动车 的行为，应用p r o b i t 模型对临界间隙进行了估计，表明若提供间隙的后车为自行车，则非机动车穿 越接受间隙相对较小，若提供间隙的后车为机动车，则接受间隙相对较大【2 引。而国内的北京交通大 学与北京工业大学对此的研究较多，并产生了一批硕博论文及其他一些科研成果1 2 弘”j 。 对于混合交通流之间相互影响的研究，国内主要有以下一些成果：北京交通大学黄玲研究了无信 号交叉i ：1 非机动车线路选择以及其与各类交通车辆的相互影响和避让行为【3 6 】；李志鹏定性分析了城 市道路交叉口各种不同类型的冲突，包括本向直行车辆与对向左转车辆的冲突、本向绿灯时间未驶 出交叉i ：1 从而滞留在交叉口内部的车辆对于交叉口的影响等等【37 】；赵春龙研究了平面交叉口混合交 通流机非干扰微观行为，以直行自行车与同向右转机动车的干扰为例，建立机非干扰微观行为模型 【3 8 】；周博运用模糊数学的相关理论对自行车穿越无信号交叉口时路径选择以及其与机动车的相互影 响和避让行为进行了分析和建模( 3 9 l ；徐良杰研究了信号交叉1 3 交通流间的相互影响，建立了左转非 机动车对直行机动车的影响模型，为设置非机动车专用信号相位提供了理论依据 4 0 - 4 t ；魏恒定量研 究了非机动车因素对于交叉口机动车的影响，计算出了影响系数1 4 引。 1 2 2 3 混合交通流研究成果的应用 交叉口混合交通流研究的最终目的还是为了改善交叉口的运行状况，提高交叉口的有序性、安全 度及通行效率，因此一些交通学者将混合交通流的研究成果运用到了交叉口的设计方案及改善措施 中，可大致概括为：张志远对非机动车交通流的特征、交叉口非机动车与机动车相互干扰的状况进 行了调查分析，提出非机动车在较大交叉口应尽量采用设置左转专用相位的设计方法f 4 习；王殿海通 过对中国3 个城市交叉口的调查，研究了直行及左转自行车与机动车的换算系数，得出直行及左转 非机动车的换算系数分别为0 2 8 及0 3 3 【4 4 j ；邵春福研究了左转非机动车二次过街对信号交叉口运行 效率的影响；倪颖在分析行人与右转机动车冲突类型的基础上，运用v i s s i m 仿真手段确定采用信 号控制分离两者冲突的临界流量条件 4 6 1 ；陈振起研究了尺寸较大的交叉口行人二次过街行为，设计 了二次过街行人信号，并建立了评价行人二次过街信号相位设计方案的仿真分析模型 4 7 4 s 1 ；杨晓光 运用穿越理论建立了转弯车辆通行能力模型和行人延误模型，在此基础上通过设置专用相位前后交 叉口通1 , - - j 丹匕p _ , 力和行人人均延误的对比分析，论证了设置整个交叉口行人专用相位的条件卜引；此外他 还运用相位组合技术，对行人相位与机动车相位的各种可能的组合进行了研究，提出了二次过街条 件下行人相位的设计方法p u j 。 4 第一章绪论 1 2 3 交通冲突研究 交通冲突的理念很久以前就已应用于危险点的鉴别，但长期以来各国交通组织对交通冲突的定 义、分类、表现形式等概念的解释不尽相同。为了比较和统一不同研究机构对交通冲突的认识，1 9 7 7 年在奥斯陆召开的首届国际交通冲突学术年会上正式提出了交通冲突的标准定义：两个或多个道路 使用者在一定的时间和空间上彼此接近到一定程度，此时若不改变其运动状态，就有发生碰撞的危 险，这种现象称为交通冲突【5 1 1 。交通冲突的概念统一以后，如何界定交通冲突、判断其严重程度、 建立安全评价方法及将之应用到工程实践中则成为急需解决的课题。因此交通冲突技术应运而生。 从本质上讲，交通冲突技术是一种依据一定的测量方法与判别标准，对交通冲突的发生过程及其严 重性程度进行定量测量和判别，并应用于交通安全评价的技术方法，属于一种新兴的定量研究各种 道路交通安全问题及其对策的非事故评价方法，可快速、定量评价交通安全现状及安全改善措施的 效果，克服了传统的事故统计评价方法周期长、事故统计不完全等不足【5 2 1 。关于交通冲突的研究成 果可概括为以下4 方面： 1 2 3 1 交通冲突的识别及其严重性的界定研究 交通冲突是一种避免碰撞的避让行为，并不一定造成损坏性的后果，因此对于交通冲突的判断 只能通过交通冲突个体行为( 如速度、轨迹等) 的变化加以判断。由于主观因素，不同的观测者对 于这种行为变化的判断存在一定的差异，因此需统一交通冲突的判断标准。新加坡的h o o n g c h o r c h i n 分析了如何客观地界定交通冲突并测量其参数【5 3 】；昆明理工大学的成卫针对我国交叉口的特点， 科学分析了如何选择交通冲突的界定指标，最终将车辆相距事故发生地点的距离作为判断冲突严重 程度的标准 5 4 - 5 5 j ：郑安文研究了机动车之间非严重冲突与严重冲突的判别基点及冲突发生时的碰撞 能量，分析了影响交通冲突危险性的主要因素f 5 6 】；卢川等人通过分析冲突时间累积频率分布柱状图， 对交通冲突的严重性判定进行了研究【，。 1 2 3 2 交通冲突的预测及与交通事故关系研究 交通冲突实质上是交通行为不安全因素的表现，其既可能导致交通事故的发生，也可能因采取 适当的避险行为而加以避免，因而交通事故与交通冲突之间存在着极为相似的形式，两者的唯一差 别在于是否发生了直接损害性后果。交通冲突技术替代事故统计方法，不仅在一定程度上克服了事 故统计方法的不足，而且可保证其有效性。美国的w d g l o u z 在1 9 8 2 年对大堪萨斯城地区4 6 个信 号交叉口和非信号交叉口的事故与冲突进行了调查，将事故和冲突分为1 2 种类型，发现各种冲突类 型与同类型事故有较好的相关关系，使用模型预测的事故值与实际值相差很小p 哪；印度的g t i w a r i 通过对印度1 4 个地点的调查，研究了交通事故与交通冲突之间的关系，研究发现：混合车流中即使 混有少量的非机动车也能产生较多的机非冲突，交通事故与交通冲突相关性并不高p 川；而中国的张 苏在长沙市交通事故与交通冲突之间替换系数的两次研究中发现：平均8 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 次交通冲突 导致一次交通事故的发生，交通事故与交通冲突的替换系数具有较高的可信度1 6 u j ；而对于交通冲突 的预测，较多的方法结合了灰色系统【6 lj 或神经网络系统f 6 2 6 3 j 。 1 2 3 3 交通冲突安全评价研究 既有的一些成果获得了交通事故与交通冲突的相互关系，因此研究人员着眼于用交通冲突技术 对交通设施进行安全评价，并取得了一些成果。b r i a n l a l l e n 等通过对交叉口冲突和碰撞产生过程的 分析，对交通冲突技术进行了修改补充，认为交通冲突技术确实能为交通工程师提供可靠的交通事 5 东南大学博士学位论文 故预测和评价工具f 6 4 l ；瑞典通过实验发现受伤事故与交通环境、交通量及车辆密切相关，可用冲突 技术评价交通安全措施的效果及交叉口重新改造的效果6 5 】；m o h a m m e dt 对直接左转及先右转后u 转弯这两种方式分别建立了冲突预测模型，结果表明后者更为安全f 6 6 】；国内学者分析了冲突技术评 价的有效性【6 7 】，并得出了较多的评价方法，如冲突率评价方法【6 8 】、模糊评价方法f 6 9 7 0 1 、灰色评价方 法7 1 1 、灰色聚类评价方法【7 2 】、欧几里德贴近度评价方法【7 3 】等等。 1 2 3 4 交通冲突技术的应用 除了理论研究之外，世界各国的交通工作者逐渐将注意力转移到其实际应用方面，并取得了许 多有价值的研究成果f 7 4 。6 】。应用领域主要包括如下一些方面，信号交叉口绿灯信号延时系统有效性 研究【7 7 1 、桂林市交叉口的安全评价【7 8 1 、e t c 安全评价【7 9 1 、郑州黄河公路大桥交通安全评价【8 0 l 、京珠 南高速公路交通安全评价8 、行人过街危险度评价【8 2 】、自行车安全评价【8 3 l 等等。 1 2 3 5 交通冲突研究的不足 从交通冲突的定义不难看出，交通冲突是否会导致交通事故关键在于冲突的一方或双方是否采 取了正确的避险方式，既有的研究主要从交通事故与交通冲突的关系着手，即研究了交通冲突与安 全性的相互关联，并没有研究避险得当会对冲突双方造成如何的影响。实际上，发生交通冲突的双 方若要避免交通事故的发生，会采取诸如停车、减速等行为，而这样的避险行为势必造成冲突一方 或双方时间的延误、通行效率的降低，目前的研究对于这部分的内容未加涉及。 1 2 4 通行效率研究 德国学者w e m e r b r i l o n 把交通流的运行与力学中的做功相联系。力学做功原理指出：在外力的 作用下，越重的物体以越快的速度在力的方向上运动，则外力做功的效率( 功率) 越高。将力学理 论中的力用车辆代替( 从广义上考虑，可用交通个体代替) ，如此而言，越多的车辆以越快的速度运 行则其通行效率越高【s 们。其将此理论应用于国外的交叉口，得到以下的公式： e ：口3 6 0 _ _ _ _ 0 0 t ( 1 - 6 1 - b )= 口 ， 1 d 式中，e 代表交叉口的通行效率，g 代表交通需求，d 代表交叉口车辆延误，丁代表分析时间段。 公式中的延误