（交通运输规划与管理专业论文）城市道路信号交叉口通行能力及其影响因素研究.pdf

摘要 摘要 信号交叉口作为城市道路的重要组成部分，在道路衔接中起着举足轻重的作 用，其通行能力的大小很大程度上决定或制约着整个城市路网通行能力的大小， 成为路网规划、建设、改造和交通治理的重点。交叉口是城市道路的瓶颈，绝大 多数的交通拥堵问题均出现在信号交叉口处，提高交叉口通行能力，减少交叉口 延误是城市道路交通追求的目标。 本文首先对国外信号交叉口通行能力的研究进行了总结和评述，然后回顾了 我国在信号交叉口通行能力研究中取得的一些成果，确定了论文研究方向。 在我国现有交通条件下，采集与分析北京市典型城市信号交叉口的有关数 据，利用视频方式对信号交叉口处车辆饱和车头时距进行现场测定。通过编写计 算机程序对数据分析处理，排除了数据中的异常值，结果表明车辆饱和车头时距 服从正态分布。 对信号交叉口进行了简要的描述，分析了该处车辆的运行特性。结合采集数 据，对起动损失时间进行了研究，认为信号交叉口处通过的车辆车头时距从第六 辆开始趋于稳定，即达到饱和车头时距，在统计饱和车头时距时将绿灯显示时前 五辆车的数据进行剔除，从第六辆车的车头时距开始记录。利用临界值法给出了 信号交叉口处左转车辆和右转车辆的临界间隙值。 通过对采集数据的分析，利用统计分析及交通仿真等方法，研究了交通组成， 车道宽度，左转车辆、右转车辆、右转车道转弯半径及直行车道数对信号交叉口 通行能力的影响，得出了相应的修正系数，提出了基于上述影响因素的信号交叉 口通行能力分析模型。 关键词信号交叉口；饱和流率；修正系数 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ea m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h eu r b a nr o a d ，s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o np l a y sa r o l ei nh o l d i n gt h eb a l a n c ef o rt h er o a d sc o n n e c t i n g ，i t sc a p a c i t yd e c i d e so rr e s t r i c t s t h ew h o l eu r b a nr o a ds y s t e m sc a p a c i t yi nac e r t a i ne x t e n t ，b e c o m e st h ek e y s t o n eo f t h et r a f f i cp l a n n i n g 、t r a f f i cd e s i g na n dt r a f f i cc o n t r 0 1 t h ei n t e r s e c t i o ni sa b o t t l e n e c k o ft h ew h o l eu r b a nr o a ds y s t e m ，m o s tt r a 衔cj a mq u e s t i o n sa p p e a ri nt h es i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n ，i m p r o v et h ec a p a c i t yo ft h ei n t e r s e c t i o na n dr e d u c et h ed e l a yo ft h e i n t e r s e c t i o na r et h eg o a lo ft h eu r b a nr o a dt r a f f i c 1 h et e x ts u m m a r i z e sa n dc o m m e n t so nt h e s t u d ya c t u a l i t yo fs i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n c a p a c i t yo v e r s e a sf i r s t l y a n dt h e n ，s o m ep r o d u c t i o n so fd o m e s t i c s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nc a p a c i t ys t u d ya r es u m m a r i z e d t h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h i s t e x ti sc o n f i r m e d u n d e rt h ec o l i n t r y t st r a f f i cc o n d i t i o np r e s e n t l y , g a t h e r i n ga n da n a l y z i n gt h e r e l e v a n td a t ao f s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o ni nb e i j i n g d a t ao fs a t u r a t i o nh e a d w a y sw e r e m e a s u r e db yv i d e o t a p i n g b a s e do na na n a l y s i so ft h ec o l l e c t e dd a t ab yc o m p u t e r , a b n o r m a ld a t aw a se l i m i n a t e d t h er e s u l ts h o w st h es a t u r a t i o nh e a d w a y sw e r en o r m a l d i s t r i b u t e d d e s c r i b e st h es i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nb r i e f l y , a n dt h e na n a l y s e st h e o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h ev e h i c l ea ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n b ys t u d y i n gt h e s t a r t u pl o s t t i m ew i t ht h eg a t h e r e dd a t e s ，c o n s i d e r st h eh e a d w a y g o i n gt of i x e d n e s sf r o mt h es i x t h v e h i c l e ，r e a c h i n gs a t u r a t i o nh e a d w a y , s oe l i m i n a t i n gt h ef i r s tf i v ev e h i c l e s ，h e a d w a y d a t ea tg r e e nt i m e g i v e st h et h ec r i t i c a l g a pv a l u eo ft h el e f t t u r n i n gv e h i c l ea n d r i g h t t u r n i n gv e h i c l eb yc r i t i c a lg a pm e t h o d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ed a t eg a t h e r e d ，t h et e x tr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo ft h e t r a f f i cc o m p o s i t i o n 、l a n ew i d t h 、l e f t t u r n i n gv e h i c l e 、r i g h t t u r n i n gv e h i c l e 、r i g h t - t u r n i n gr a d i u sa n dn u m b e ro ft h r o u g hl a n e sa ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ，g i v e st h e r e v i s i o nc o e f f i c i e n t ，a n db r i n g sac a l c u l a t em o d e lf o rs i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nc a p a c i t v b yt h e s ei n n u e n c ef a c t o r s 。 k e y w o r d ss i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ；s a t u r a t i o nf l o wr a t e ；m o d i f i e dc o e f f i c i e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔逃 导师签名：睦匕日期：皇巡：尘：堡 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和课题来源 城市道路是城市中担负城市交通的主要设施，是行人和车辆往来的专用地 n 1 ，对城市的生存和发展起到至关重要的作用。随着国民经济的发展和社会进步， 中国城市道路交通进入新的发展时期，人们对交通的需求越来越大，虽然城市道 路的密度及各种配套设施均有了很大程度上的提高，但是小汽车的保有量逐年增 大，交通负荷持续增长，加重了城市道路的运转能力。中国加入w t o 、北京2 0 0 8 年奥运会的来临以及“十一五 期间大力推进城市化建设都为我国城市道路的 发展提供了机遇，但是在城市道路不断发展的过程中，道路交通拥堵、交通事故 频发和交通环境污染等交通问题日益突出，严重影响着我国经济建设和运行效 率。 信号交叉口作为城市道路的重要组成部分，在道路的衔接中起着举足轻重的 作用，其通行能力的大小很大程度上决定或制约着整个城市路网通行能力的大小 口3 。从当前的情况来看，城市信号交叉口往往是整个城市路网的瓶颈，成为路网 规划、建设、改造和交通治理的重点。与其它路段的交通状况相比，信号交叉口 处的交通状况要复杂的多，车辆要反复的进行分流、合流以及交叉，使得信号交 叉口处车辆的运行效率较低。加之许多信号交叉口的几何和相位的设计不合理， 造成许多信号交叉口常常处于交通运行混乱的现象，极大的影响了城市路网的运 行质量。在日本，大城市中的机动车在市中心的行车时间约有三分之一用于平面 交叉口；而美国交通事故约有一半以上发生在交叉口1 。由此可见，对信号交叉 口交通问题的研究有助于充分利用交叉口的时空资源，降低其对道路系统的瓶颈 作用。 目前，我国大城市中平面信号交叉口大多出现了不同程度的交通拥挤和阻塞 现象。据调查，在高峰小时内，北京市区交通量在1 万辆以上的路口达5 2 处， 4 0 0 0 辆以上的路口9 8 处h 1 。随着我国机动车保有量的不断增加，城市信号交叉 口拥堵和阻塞的现象势必更加突出。统计显示，2 0 0 3 年中国汽车产销量增长首 次突破4 0 0 万辆，家用轿车年度增长率高达8 0 。中国交通部副部长翁孟勇在中 国交通可持续发展论坛上做出的预测：2 0 2 0 年，中国的民用汽车保有量将比2 0 0 3 年的数字增长6 倍，达到1 4 亿辆左右1 。到时如此庞大的机动车给信号城市道 路造成的压力可想而知。城市信号交叉口作为城市道路瓶颈的，更是面临着巨大 的挑战。因此加强城市交通管理，积极开展对平交路口的研究，努力提高交叉路 口的通行能力，实为当务之急。 本文依托国家十一五科技攻关项目城市综合交通系统功能提升与设施建设 北京工业大学工学硕士学位论文 i i ii i 关键技术研究，对城市道路信号交叉口进行了研究。 1 2 研究方向和意义 道路通行能力也称道路容量，是指道路的某一断面在单位时间内通过的最大 车辆数哺3 。通行能力作为公路建设的一项基础工作，不仅可以确定公路建设的合 理规模及合理建设模式，还可以为公路网规划、公路工程项目可行性研究、公路 设计、公路建设后评价等各个方面提供更为科学的理论根据。按照研究对象的不 同，道路通行能力的研究可划分为高速公路通行能力、公路主干道通行能力、信 号交叉口通行能力、公共交通通行能力等等。 我国通行能力研究是一个薄弱环节，现行公路工程技术标准口1 中采用的 通行能力，基本上是沿用国外的数据，由于我国道路等级、车辆运行特性、交通 组成、驾驶员总体特征等影响通行能力的诸多方面与国外情况都有较大差别，因 此现有公路工程技术标准中的通行能力不能充分反映我国公路交通的实际运 行特性，给我国公路发展的相关工作造成了困惑隅3 。 信号交叉口作为交通系统中最为复杂的环节，其通行能力的分析也一直是交 通工程学者研究的一个难点和重点田1 。信号交叉口的通行能力首先是对每一个引 道规定的。它是在一定的交通、车行道和信号设计条件下，某一指定入口引道单 位时间内所能通过的最大交通流量。因为交叉口很少发生所有流向在同一天同一 时刻达到饱和的情况，所以交叉口单个流向的通行能力往往比整个交叉口的通行 能力更重要。然而，我们在研究交叉口的通行能力时，特别在规划设计阶段，考 虑的是整个交叉口的通行能力，以使其能够满足所有流向到来的车辆都能实现继 续直行或转换方向的要求。因此规定，信号交叉口的通行能力是基于各个入口引 道通行能力基础上的所有入口断面的通行能力之和n 引。 信号交叉口通行能力研究之所以复杂，在很大程度上与其影响因素数目较多 有关，因此如何将各个因素对信号交叉口通行能力的影响分析清楚成为信号交叉 口通行能力分析中的重点，为本次研究的主要方向。 对于信号交叉口通行能力的研究，国内外的相关学者已经做了大量的分析， 也取得了不少十分有意义得成果。但随着我国经济实力的不断增强，我国交通道 路上的车辆组成、车辆性能以及信号交叉口的管理等都已有了很大的改进，以往 研究成果的部分结论已经不能很好的与现在的情况相符，急需对以往的研究成果 中的部分不太符合现状的结论进行相应的研究与分析，并在此基础之上得出相应 的更为符合我国现阶段信号交叉口状况的结论与方法。本文在借鉴了国内外参考 文献研究成果的基础之上，结合大量采集的相关数据，分析了城市道路信号交叉 口基本通行能力及其关键影响因素的修正系数。 第1 章绪论 1 3 研究方法和思路 纵观世界各国交通工程的发展，在通行能力方面上的研究中，基本上都采用 了三种方法n ：根据实测数据，建立速度一流量统计模型，估算通行能力； 以跟驰理论为基础，理论推导通行能力；构建交通仿真模型，通过设计仿真实 验，估算通行能力，即经验法：理论法和计算机模拟法。三种方法并不完全相互 对立，因此本次论文的研究将三种方法结合起来进行分析，以期达到更为理想的 效果。 城市道路信号交叉口处的通行能力研究有其十分明显的特殊性，车辆在交叉 口处的4 个入口方向有多种运行方式，冲突点较多。加之我国城市道路交通条件 与西方发达国家有着明显的差异，西方国家普遍采用的美国通行能力手册( h c m ) 中提到的方法不能直接应用与我国城市道路信号交叉口的通行能力和交通运行 分析之中，必须结合我国城市道路信号交叉口处的实际运行情况进行分析。这一 系列原因表明逐一进行经验法研究是不可能的，因此在研究城市道路信号交叉口 处通行能力时，应在综合考虑各种影响的基础之上，抓住主要问题，借鉴以往的 理论研究方法，结合大量现场观察和实测数据，分析信号交叉口的通行能力模型。 交通系统仿真，是指用系统仿真技术来研究交通行为，它是一门对交通行为 随时间和空间变化进行跟踪描述的技术n 羽。随着计算机技术的不断进步，交通仿 真技术得到了飞速的发展，尤其是在本世纪8 0 年代后，交通仿真技术日益趋于 成熟。如英国的t r i p s n 3 1 、美国的t r a n s c a d n 钉软件包、联邦公路局( f h w a ) 的t s i s 1 5 1 和c o r s i m 1 6 1 、德国的v i s s l m m 以及西班牙t s s 公司的a i m s u n 1 8 1 等。如今仿真技术已经广泛的用于交通事故、动态交通分配、出入口控制、道路 通行能力、路网运营分析等多个研究领域n 引。在研究过程中，一定数量的交通调 查与数据采集是必不可少的，这些调查数据对建立各种模型和模型参数的标定都 有着巨大的意义，但是并不能因此而忽略了交通系统仿真技术在信号交叉口通行 能力研究中的重要性。通过对交通系统的仿真研究，可以得到交通流状态的分布 规律、时间和空间变化规律以及与仿真控制变量之间的关系，从而为研究者对其 所研究的问题有着更为深刻的认识。利用仿真技术求解信号交叉口通行能力具有 以下优点： 1 ) 交通仿真可以不断地重复特定信号交叉口、交通条件下交通流的随机状 态，避免野外采集工作受天气、横向干扰等诸多因素的影响，确保采集数据的稳 定性； 2 ) 交通仿真可以简单地控制信号交叉口处的道路条件、交通条件及信号控 制系数等，清晰地反映特定因素对通行能力的影响程度，而这些因素的影响在现 实条件下很难量化； 北京t 业大学工学硕士学位论文 3 ) 交通仿真具有可重复性的特点，通过动画演示和统计分析仿真数据，便 于对信号交叉口处车辆运行特性进行深入分析； 4 ) 交通仿真模型可以减少现场调查数据的工作量大的弊端，可以通过较小 的代价取得精度较高的数据。 综上所述，本论文的研究思路是： 1 ) 以系统理论分析为指导，借鉴国内外相对的研究成果，分析我国城市道 路信号交叉口处车辆运行特性； 2 ) 利用现场观察与调查数据，分析信号交叉口处的基本通行能力，并对主 要影响因素进行研究； 3 ) 利用交通仿真技术对数据进行补充，近而完善城市信号交叉口处通行能 力的研究。 1 4 研究内容和结论 本论文主要的研究内容包括以下四个部分： ( 1 ) 国内外研究综述：对国内外信号交叉口通行能力及其影响因素的研究 进行总结和评述，并借鉴相应的研究方法与研究成果，确定本论文的主要研究思 路。 ( 2 ) 数据采集与分析处理：介绍研究中所需各种数据采集设备、采集方案 设计，以及数据分析处理的过程。 ( 3 ) 城市信号交叉口分析：介绍了城市道路信号交叉口相关的基本概念， 并对该处的车辆运行特性进行了分析，为进一步的分析奠定了理论基础。 ( 4 ) 通行能力及其影响因素研究：结合有关数据，运用统计分析方法和计 算机仿真技术对城市信号交叉口基本饱和流率及主要影响因素进行分析，得出相 应的通行能力模型。 第2 章国内外研究现状 第2 章国内外研究现状 早在1 9 世纪，人们便开始对交通信号的研究。1 8 6 8 年，英国在伦敦 w e s t m i n s t e r 街口安装了世界上第一台交通信号灯瞳引，揭开了城市交通信号灯控 制的序幕，人类交通从此进入了有序控制的阶段。信号交叉口通行能力的研究随 i 着交叉口处信号控制的出现引起了越来越多学者的注意，取得了一些值得推广或 借鉴的成果。 2 1 国外研究综述 ( 1 ) 美国h c m ( h i g h w a yc a p a c i t ym a n u a l ) 方法但u 美国h c m 方法中对信号交叉口通行能力的研究是建立在饱和流率模型基础 之上的。饱和流率是假定引道在全绿灯条件下，即绿信比c 为1 0 的情况下， 所能通过的最大流量。在实际计算中，选用理想的饱和流率，一般取1 9 0 0 v e h 小时，然后根据多个修正系数对该值做各种修正。根据绿信比得出每一个车道组 通行能力值，信号交叉口总通行能力通过对各个进口车道组通行能力求和获得。 ( 2 ) 英国t r r l ( t r a n s p o r t a n dr o a dl a b ) 方法比2 1 英国的t r r l 法对信号交叉口车辆延误进行了深入的调查、分析和研究，并 由韦伯斯特( w e b s t e r ) 建立了延误模型，提出了信号配时和通行能力计算方法、 平均延误时间和最佳信号周期的方法。其方法也是建立在饱和流率模型基础之上 的。通过观测和试验，得出不准停放车辆的进口车道的饱和流量与车道宽度( 不 小于5 5 米) 成正比，比例系数为5 2 5 ，通过饱和流量与绿信比的乘积得出信号 交叉口进口车道上的通行能力。 ( 3 ) 澳大利亚a r r b ( a u s t r a l i ar o a dr e s e a r c hb o a r d ) 方法口3 1 该方法是由澳大利亚a r r b 的a k c e l i k 对韦伯斯特( w e b s t e r ) 延误公式进 行了改进后提出的。在韦伯斯特( w e b s t e r ) 延误公式中，当车道上的交通量趋 近于饱和状态时，计算得到的延误时间会出现较大的偏差，该方法更无法计算超 饱和交通状况下的延误。在这种情况下，a k c e l i k 在考虑了超饱和交通情况和停 车因素后，提出了计算通行能力、平均延误和最佳信号周期的t r a f f i cs i g n a l s ： c a p a c i t ya n dt i m i n ga n a l y s i s 方法。 ( 4 ) 其它国家方法 除上述国家之外，其它一些发达国家和发展中国家也以美国h c m 为蓝本， 结合本国各自的实际情况编写了适合于本国国情的公路通行能力手册，如加拿大 c a n a d i a nc a p a c i t yg u i d ef o rs i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n 方法乜钔等。这些方法中对于信 号交叉口通行能力的研究大多沿用美国h c m 饱和流率的方法，并用多个影响系 数对其进行修正，只是依据本国的实际交通情况，所考虑的影响因素有所差别， 北京t 业大学t 学硕士学位论文 这些因素对信号交叉口处通行能力的影响通过研究后用相应的调整系数体现 2 s ，2 6 ，2 7 ，2 8 】 0 表2 1 部分国家信号交叉口通行能力考虑因烈2 9 1 t a b l e 2 1c o n s i d e r a t i o n sf o rc a p a c i t yo ft h es i g n a l i z e di n t e r s e c t i o na ts o m ec o u n t r i e s 考虑因素美国大不列颠澳大利亚瑞典 日本 加拿大台湾 道路宽度不考虑考虑不考虑不考虑不考虑不考虑不考虑 车道宽度考虑不考虑考虑考虑考虑考虑考虑 坡度考虑考虑考虑考虑考虑考虑考虑 重型车考虑考虑考虑考虑考虑考虑考虑 右转车考虑考虑考虑考虑考虑考虑考虑 左转车考虑考虑考虑考虑考虑考虑考虑 公共汽车停靠考虑不考虑不考虑不考虑不考虑不考虑考虑 行人考虑考虑不考虑不考虑不考虑考虑考虑 停车考虑考虑不考虑不考虑不考虑考虑 考虑 地区类型考虑考虑 不考虑 不考虑 不考虑 不考虑 考虑 高峰小时不考虑 不考虑不考虑 不考虑 不考虑不考虑不考虑 天气不考虑不考虑不考虑不考虑不考虑考虑不考虑 信号不考虑 不考虑不考虑 不考虑 不考虑考虑不考虑 2 2 国内研究综述 ( 1 ) 停车线法啪1 该方法是北京市政设计院提出的。它以进口道的停车线为控制面，车辆只要 通过该断面就被认为通过交叉口。采用停车线法计算信号交叉口通行能力时，需 先假定信号周期及其配时。一般情况下，根据交通量的大小，周期长度可以在 4 5 秒1 2 0 秒之间进行选择，当周期长度未达到上限时，若计算的通行能力不能 满足交通量，可延长周期后再进行计算。为避免信号交叉口延误过大，周期长度 不可大于1 8 0 秒。 ( 2 ) 中国城市道路设计规范推荐方法m 1 城市道路设计规范主要针对我国道路的实际情况，介绍了计算信号交叉 口设计通行能力的方法。该方法也以进口道的停车线为控制面，先计算某方向进 口道的一条直行车道通行能力，然后根据车道类型和转弯车辆比例得出该进口道 的通行能力，进而通过累加各个进口道的通行能力得出整个信号交叉口的通行能 力。 ( 3 ) 冲突点法口u 停车线法和中国城市道路设计规范推荐方法在分析信号交叉口通行能力 第2 覃国内外研究现状 时将停车线作为控制面，根据对信号交叉口实际交通运行状态的分析，对信号交 叉口通行能力真正起作用的地点为交叉口中的冲突点，而非停车线上。特别是在 两相位的信号控制交叉口中。所以我国学者根据对车辆通过信号交叉口实际运行 状态的分析，提出了利用冲突点计算信号交叉口通行能力的方法冲突点法。 该方法以冲突点为控制点，只有通过冲突点的车辆才认为通过了交叉口。 ( 4 ) 我国公路通行能力手册方法副 交通部公路科学研究院、北京工业大学等科研院所编制的我国公路通行能力 手册覆盖了通行能力的全部研究领域，提供了各种公路设施的通行能力分析方 法，为公路规划、设计与管理提供了基本依据。该手册中信号交叉口处的通行能 力计算方法与美国h c m 方法相似，分析方法建立在饱和流率模型基础之上。在 实际计算中，选用理想的饱和流率，一般取1 8 0 0 v e h d x 时，然后根据多个修正系 数对该值做各种修正。根据绿信比得出每一个车道组通行能力值，进而获得整个 信号交叉口的总通行能力。 2 3 本章小结 对于信号交叉口通行能力的研究，国外学者已经取得了很多的成果，其中有 不少的研究方法得到了推广和应用。我国学者在这方面也做了大量的工作，取得 了一些十分有意义的成果，提出了不少关于针对我国道路交通情况的信号交叉口 通行能力的计算方法。本章回顾和学习了国内外信号交叉口通行能力研究中所采 用的方法和思路，为接下来的分析和研究工作打下了基础。 北京工业大学工学硕士学位论文 l i _ m l 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇蔓蔓皇! 曼皇量! ! 曼皇 第3 章数据采集与处理 3 1 数据采集内容 交通调查是交通工程学科中一个非常重要的组成部分，交通工程学的发展在 一定程度上依靠的是交通调查工作的开展和数据资料的积累与利用口引。目前，国 内外研究道路通行能力的三种主要方法中均要有一定的实地观测数据作为分析 依据。信号交叉口通行能力的研究更是如此。现场数据的调查是后期分析工作的 第一手资料，现场调查数据的准确和“正常”与否直接关系到分析结果的偏差程 度。因此，正确的数据调查与处理方法将给后面的分析建模工作在质量上提供可 靠的保证。 影响信号交叉口通行能力的因素较多，大致包括道路几何条件、交通条件和 信号控制条件三类钔。道路几何条件影响信号交叉口的交通运行特性，很多因素 都将发挥作用，从而改变交通流中车辆的跟驰特性，影响饱和流中最小的车头间 距，从而影响通行能力。如车道功能划分将决定不同流向的车流如何使用各车道、 有无专用的右转或左转车道将对交通流的运行规律产生影响等；交通条件的影响 也是不可忽视的，如交叉口每一引道每一流向的交通量和交通组成将直接决定交 叉口的信号控制条件，而每一引道中大型车数量则分别会对相关的左、右转车流 产生影响，从而改变该引道的实际饱和流率；信号控制条件确定了信号交叉口内 交通流在时间上的运行规则。周期长度和信号配时方案将直接影响各流向交通流 的通行时间。信号相位设计则与道路条件配合，决定交叉口交通运行的效率。本 文正是从这三大类影响因素出发，确定了数据采集的内容，包括： ( 1 ) 几何条件现场调查因素：交叉口类型、车道功能、车道数、车道宽度、 进口车道坡度、转向车道转弯半径； ( 2 ) 交通条件现场调查因素：车型比例、交通量、转向比例、饱和车头时 距： ( 3 ) 信号控制条件现场调查因素：信号周期、绿灯时间、黄灯时间、红灯 时间。 第3 章数据采集与处理 3 2 调查地点 图3 1 数据采集内容 f i g u r e 3 1t h ec o n t e n t so fd a t ag a t h e r e d 调查信号交叉口选取步骤主要有： ( 1 ) 实地踏勘； ( 2 ) 列出可能的观测点； ( 3 ) 详细踏勘备选观测点； ( 4 ) 确定调查点。 基于以上步骤，本文在北京市选择了广渠门外大街、朝阳门内小街、化工西 口、东单路口东、松榆南路、幸福大街、平乐园、体育馆路、松榆北里、华威西 里、西子弯路等多个信号交叉口进行数据采集。 3 3 数据采集 3 3 1 数据采集设备 1 录像设备 在有利于拍摄信号交叉口入口引道处架设摄像机，用于记录信号交叉口入口 引道道路条件、交通量、交通组成。 2 雷达测速仪 雷达测速仪能够发射固定频率的无线电波，当电波遇到运动物体时则以恒速 反向传播，根据多普勒原理，当物体接近( 远离) 雷达测速仪时，电波将被压缩 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 扩展) ，导致反射波的频率引高( 降低) ，物体接近或远离越快这种反射波的 压缩或扩展的效应就越明显。根据已知电波的频率变化，雷达测速仪即可计算日 标物体的速度。该仪器用于纪录信号交叉口八口引道处车辆的运行车速。 幽32 雷达4 速仪 f i g l l r e 3 2r a d a r i n s t r u m e n t f o rs p e e d 3 秒表 用于记录车辆通过信号交叉口进口引道处的车头时距。 4 卷尺 用于记录信号交叉口进口引道处各个车道的车遵宽度。 5 其它物品和耗材 照相机，用来拍摄信号交叉口入口引道条件、交通条件和仪器布设等备方面 的现场照片；手工计数器，配合秒表用来f 司步记录入口引道出的高峰小时交通量： 其它物品和耗材还包括：笔记本电脑、坡度尺、反光背心、胶带等等。 3 32 观测时间 每个观测点应选有代表性的工作日进行观测，每次应包括至少一个高峰时 段，观测记录时间至少为2 个小时以上，尽量选在晚高峰时段进行。 333 数据采集过程 数据采集的现场施工图如图33 所示 董：薹釜耋耋堡皇些塞 34 数据整理 图3 - 3 数据采集现场施工图 f i g e 3 3c o n s t r o c t i o n o f d a t a g a t h e r e d 参考交通工程手册1 车型分类，将车辆分为小型车、中型车和大型车三 类，通过编写计算机程序，将通过视频摄像方法采集到的每一辆车辆通过停车线 的时间逐一记录下来，形成电子文件，分别计算绿灯放行期间内车辆的车头时距， 并记录相应的车辆类型。 与常用的研究方法不同，本文在采集饱和流率时，车头时距的计算以车尾通 过停车线作为基准，这样可以充分考虑车辆自身长度对饱和流率的影响，体现不 同车型车辆在交叉口处饱和车头时距的差异。 表3 - 】城市道路信号交叉口处车型分类 车型小型中型 大型 总重量( 吨) 20 - - 6 0 货车 载重量( 吨)0 5 总长( 米) 9o 叫20 。一 l 总重量( 吨) 1 lo q 60 北京丁业大学丁学硕十学位论文 爹第2 ，车遭7 釜存y 警瓷芎诺“鬈妒”口匿露 蟊第车道直行lo 记事奉7 。y7 。l ! 口! 隧 文件编辑毽) 格式嬗) 壹看帮助q ) 0 0 ：0 0 ：0 5 ：8 7 5 0 0 ：0 8 ：凹：4 5 3 0 0 ：0 0 ：1 2 ：1 4 1 0 0 ：0 8 ：1 3 ：8 1 3 0 0 ：0 0 ：1 5 ：2 0 3 0 0 ：0 0 ：1 7 ：1 s 6 0 0 ：0 0 ：1 9 ：1 s 6 0 0 ：0 0 ：2 2 ：0 7 8 0 0 ：0 0 ：2 3 ：6 s 6 0 0 ：0 0 ：2 7 ：0 4 7 0 0 ：0 a ：2 8 ：8 4 1 t 0 0 ：0 0 ：3 1 ：船1 0 0 ：0 0 ：3 2 ：8 9 1 0 0 ：0 0 ：3 l ：1 4 1 0 0 ：0 0 ：3 7 ：3 j i l i 0 0 ：秘嚣：3 9 ：1 8 8 4 0 0 ：0 0 ：4 1 ：8 9 1 0 0 ：0 0 ：4 n ：2 s 8 0 0 ：0 0 ：| 6 ：1 4 1 n 8 ：0 8 ：j 7 ：9 嘶 0 0 ：0 0 ：4 9 ：4 8 4 0 0 ：0 0 ：s l i ：2 6 6 0 0 ：0 0 ：s 5 ：5 6 3 图3 - 4 计算机程序软件 f i g u r e 3 4p r o c e d u r es o f t w a r eo fc o m p u t e r 对于其它手段采集的数据，如秒表采集的数据和卷尺采集的数据等，也输入 到计算机当中，形成电子文件，便于以后数据的分析与研究。 数据采集是城市信号交叉口通行能力研究的基础和关键，数据采集的质量直 接关系到后期通行能力的研究，因此无论是采集前的准备工作，还是采集过程中 的现场工作以及采集后的数据整理工作，都容不得半点瑕疵，否则会使得后期分 析研究后所得的成果与实际情况产生较大的误差。本次论文研究内容所涉及的调 查数据均符合论文研究内容，具有较高的代表性，为下面的数据分析与相应研究 成果的适用性奠定了基础。 3 5 本章小结 本章对论文中所需数据的采集方案、采集内容、采集设备、采集时间、采集 过程及采集数据的整理作了相应的介绍，为下一步的数据分析的利用奠定了基 础。为充分考虑车辆自身长度对饱和流率的影响，本文车头时距的采集以车尾通 过停车线作为基准。 第4 章城市信号交叉口分析 第4 章城市信号交叉口分析 道路与道路在同一平面相交的路口称为平面交叉口( 3 0 0 进入平面交叉口的车 辆，由于行驶方向的不同，彼此产生的交错方式也有所不同。同一行驶方向的车 辆向不同方向分开行驶的地点称为分流点；不同行驶方向的车辆以较小的角度向 同一方向汇合行驶的地点称为合流点；不同行驶方向的车辆以较大的角度相互交 叉的地点称为冲突点。上述三种不同类型交错点的存在直接影响了交叉口车辆运 行的状况，对交叉口处车辆运行的速度、流量以及交通事故的产生都有着重要的 意义。当交叉口处交通流量不大时，交叉口的秩序可以由通过车辆本身进行维护， 但是当交通流量达到一定限度时，交叉口处运行车辆的通行秩序将无法继续维 持，可以通过设置外在的交通信号加以控制，使得交叉口处车辆的运行恢复正常。 使用信号机控制交通流的交叉口称为交通信号控制口 。交通信号控制的目的是通 过交通信号机不同颜色灯光的周期显示，对交叉口相互交错的的交通流分配通行 权，以形成畅通且有秩序的交通流，从而减少干扰以提高交叉口的通行能力和车 辆通过时的安全条件。 研究城市信号交叉口通行能力，必须要先对信号交叉口及其交通流运行特性 有所了解。 4 1 交通信号控制基本概念介绍 交通信号控制是由两部分内容决定：确定相位；确定信号控制参数。 所谓相位就是一组交通流的通行权，通俗的讲就是一次绿灯。一般情况下， 相位组合的复杂程度和相位数目的多少都随平面交叉口的形状和交通流的复杂 程度决定而变化。相位的组合方式对信号的安全性和效率两方面都有决定性的影 响。 信号控制参数主要有周期时长、绿信比和时差等。 周期时长是指信号灯各种灯色轮流显示一次所需的时间，即各种灯色显示时 间之总和，或者是从某主要相位的绿灯启亮开始到下次该绿灯再次启亮之间的时 间。周期过长时，等待的车队会过长，有时会影响到上游交叉口，因此一般规定 交叉口的最大周期时间不宜超过1 8 0 秒。考虑到行人过街和起动等延误，交叉口 最小周期也不宜少于4 0 秒。 绿信比是指一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比。 时差也称相位差，有绝对时差和相对时差之分。绝对时差是指各个信号的绿 灯或红灯的起点或终点相对于某一个标准信号绿灯或红灯的起点或终点的时间 北京工、i p 大学工学硕十学位论文 差；相对时差是指相邻两个信号绿灯或红灯的起点或终点之间的时间差，它等于 两个信号绝对时差之差。为使车辆通过协调信号控制系统时，能连续通过尽可能 多的绿灯，必须使相邻信号间的绿灯时差同车辆在其间的行程时间相适应，所以 时差是信号控制系统实现协调控制的关键参数。 4 2 城市信号交叉口车道组划分 车道组的划分是城市信号交叉口通行能力分析的基础。由于信号交叉口的分 析方法是分步进行的气即按交叉口的单个进口和进口中的单个车道组设计，因此 根据交叉口的几何特性和交通流向分布，可将城市信号交叉口看作多个车道组的 组成体，进而用最小车道组数来描述交叉口的运行情况，下面给出了车道分组的 原则胁1 。 ( 1 ) 当进口有专用左转或专用右转车道时，将所有左转或者右转专用车道 作为一个独立的车道组； ( 2 ) 当进口有专用左转或专用右转车道、或两者都有时，可将除左转专用 车道和右转专用道外的所有车道作为一个车道组； ( 3 ) 当进口存在左直混行车道，则必须在明确该车道内不同流向比例的基 础上，才能确定车道组的划分。如果左转车流比例接近1 o ，则该车道应该作为 左转专用道进行分析；否则仍可按照左直混行车道处理，考虑左转车流的影响系 数。 需要强调的是，对于有两个或多个车道的引道组，其车道组的划分方法可能 不是唯一的，还需要考虑如何划分才能使问题更清晰。 当所分析的车道组包含两条或两条以上车道时，在以后所有的计算中都要把 这些车道看成为一个单一的整体。表4 一l 给出了一些典型的车道组划分实例，以 说明以上的划分原则。 4 3 城市信号交叉口车辆运行特性分析 城市信号交叉口处车辆的运行特性是研究通行能力，建立模型的基础。 信号交叉i z l 是城市道路中一种常见的交通设施。在城市道路信号交叉口中， 交通参与者较多，交通转向行为集中，控制方案也随之较多。信号灯在时间上周 期性地为不同的车道组分配通行权，使各车道组的交通流周期性地停驶。在各周 期中，不同流向的交通流具有不同的运行特性。 第4 章城市信号交叉口分析 表4 - 1 典型的车道组划分实例啪1 t a b l e 4 1t y p i c a ll a n eg r o u p sf o ra n a l y s i s 车道数入口引道中车道流向分布车道组划分方案 1 1 个率道组 ； 2 左转专用+ 直右混行 2 个车溯 ： ： 1 个车道组 二= 拿 或者： 2 左直混行+ 直右混行 t j 夕 2 个车道组 ： 寸 2 僻溯 或者 ； 3 左转专用+ 直行车道+ 直右混行 3 个车道组 、 4 3 1直行车流运行特性 当信号显示为绿灯时，经过短暂的反应时间后，红灯期间内积累的排队车辆 依次起动，鱼贯通过停车线。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，称为起动损失时间。最初几秒，车辆从原来静止的状 态逐步加速到正常行驶状态，交通流的流率变化很快；之后，车队速度保持正常 行驶状态，交通流则保持以饱和流率通过停车线。在绿灯结束后的黄灯时间内或 者是绿灯闪烁期间，由于部分车辆采取了制动措施，通过交叉口的流量由饱和流 率逐渐下降。红灯期间，达到停车线的车辆停车等候绿灯，随后达到的车辆则在 北京工业大学丁学硕士学位论文 车队末尾排队等候。 4 3 2 左转车流运行特性 按照车道功能不同，左转车流可分为左直混行、左转专用和左直右混行车流。 其中，左转专用车流除了在交叉口中需要运行更长的距离外，其他运行特性类似 于直行车流；不管是左直混行还是左直右混行，这样的车道功能划分都将使左转 车流受到同向直行车的干扰。由于共用一条车道，各流向交通流在通过停车线时， 其平均车头时距大于只有单一交通流的车道。此时，如果信号相位还为不同流向 交通流分配了不同的通行时间，将导致有效通行时间的减少。如在左直混行车道 中，左转车流处于红灯，停车线前停驶的左转车其后的直行车也不能通过。按照 信号控制条件的不同，左转车流可分为许可型和保护型左转车流。许可型左转车 流只能在绿灯期间出现以下情况之一时才能通过：1 ) 对向直行车未到达冲突点 之前，2 ) 在冲突点附近等待对向直行车流中出现允许穿越的车头时距，3 ) 信号 相位转换间隔。当左转交通需求较大时，个别左转车辆可能会贸然插入对向直行 车流。可见，许可型左转车流可能受对向直行车流的干扰；而保护型左转车流， 通常配合以专用的左转车道，此时，保护型左转车流的运行特性类似于直行车道。 如果左转车流仍然使用共用车道，保护型左转车流也可能受到直行车辆甚至右转 车辆的干扰。事实上，基于以上运行特性，信号交叉口的设计中往往将车道功能 的划分和信号控制条件进行协调设计，以保证各车道组交通流的高效运行。 4 3 3 右转车流运行特性 当右转交通量较小时，通常不控制右转车辆的通行，可以在右转车道上连续 通行；如果与其他流向车流共用车道，则可能被直行车辆甚至左转车辆阻挡而不 能通过。当右转交通量达到一定程度时，应考虑设置右转专用道和信号相位，给 右转车辆分配通行时间和空间，否则它将对其它方向上的车流产生一定的影响。 4 4 饱和流率 饱和流率是指假设所有时间均为绿灯，没有损失时间时，排队的车辆在通常 条件下通过交叉口引道的当量小时流率，它是用来计算通行能力的一个基本参 数。饱和流率取决于车辆驶过交叉口时连续通过车道组停车线的最小车头时距。 通常条件下，饱和流率可以通过现场