（交通运输规划与管理专业论文）排队长度约束下的瓶颈交叉口协调控制方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国城市的交通拥堵状况日益严重已是不争的事实，而且伴随着城市经济的发展、 规模的扩大，交通拥堵的严重程度在不断地加深、拥堵范围在不断地扩大。从本质上 来说，拥堵的发生是交通需求与供给之间的不平衡导致的，其发生时段往往是居民出 行高峰期，发生地点往往始于路网的某个交通瓶颈处。当交通需求不断增加达到一定 程度时，就会在交通瓶颈处形成过长的车辆排队，产生小范围的交通拥堵。但此时如 果不及时采取措施进行控制，当排队车辆不断上溯至上游交叉口时，便可能对上游其 它流向车辆的正常运行产生影响，进而导致路网交通流锁死现象的发生，造成大面积 交通堵塞，甚至造成路网交通瘫痪，此所谓交通“多米诺”现象。“多米诺”现象是城 市交通拥堵的极端表现形式，由此产生的后果与影响也最为严重，所以在城市交通控 制中必须采取措施来预防这种现象的出现。 本论文的研究便是以防止“多米诺”现象为出发点，选用排队长度作为控制系统 效果的评价指标。首先建立起基于交通波理论和交通流二流理论的当量排队长度计算 模型，并且利用仿真软件对模型的精度进行了验证，仿真结果表明，本文所建立的当 量排队模型的计算精度可以满足理论研究的要求。 其次，本文以排队长度作为约束条件，提出针对瓶颈交叉口的协调控制方法，并 重点讨论了控制连线的选取依据以及瓶颈交叉口协调控制模型的建立过程。该方法充 分利用路网时空资源，将交通压力转移到压力较小的控制连线交叉口，防止交通“多 米诺”现象出现。 结果表明，与普通控制策略相比，排队长度约束下的协调控制更有利于防止“多 米诺”现象的发生，达到了协调控制目的。 关键词：交通控制；交通瓶颈；排队约束：协凋控制：排队上溯 西南交通大学硕士研究争擎位论文第1 i 页 a b s t r a o t t h eg r o w i n gt r a f f i cc o n g e s t i o ni nc h i n ai sa ni n d i s p u t a b l ef a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dc i t ys i z e ，t h et r a f f i cc o n g e s t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s i ne s s e n c e ， t h eo c c u r r e n c eo fc o n g e s t i o ni sd u et ot h et r a f f i ci m b a l a n c eb e t w e e nd e m a n da n ds u p p l yt h e p o i n ti so f t e nl o c a t e da tt h er o a dn e t w o r kw h i c hb e g a nat r a f f i cb o r i c - n e c k ，a n dt h et i m ei s t h ep e a ko fr e s i d e n t sg o i n go u t w h e nt h et r a f f i cd e m a n dt oac e r t a i ne x t e n t ，t h et r a f f i c b o t t l e n e c kw i l lf o r mal o n gq u e u eo fv e h i c l e s ，l e a d i n gt oas m a l ls c o p ec o n g e s t i o n i fw ed o n o tt a k em e a s u r e st oc o n t r o li nt i m e ，i tw i l la f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no fv e h i c l e si n d i f f e r e n td i r e c t i o n sw h e nt h ev e h i c l e sc o n s t a n t l yr e a c ht h eu p s t r e a mi n t e r s e c t i o n t h i s s i t u a t i o nw i l ll e a dt or o a dn e t w o r kt r a f f i cf l o wl o c k e d ，a n dc a u s el a r g et r a f f i cj a m so rr o a d n e t w o r kt r a f f i cg r i d l o c k ，t h et r a f f i co ft h i ss o - c a l l e d ”d o m i n o ”p h e n o m e n o n d o m i n o ” p h e n o m e n o ni st h ee x t r e m ep e r f o r m a n c eo fu r b a nt r a f f i cj a l l i sf o r m ，t h ec o n s e q u e n c e sa n d e f f e c t sa r em o s ts e r i o u s t h e r e f o r e ，t r a f f i cc o n t r o lm e a s u r e sm u s tb et a k e nt op r e v e n tt h i s p h e n o m e n o n t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st op r e v e n tt h e ”d o m i n o ”p h e n o m e n o n t h eq u e u el e n g t hi s u s e da st h ei n d e xo fc o n t r o ls y s t e me v a l u a t i o n a tf i r s t ，t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fe q u i v a l e n t q u e u el e n g t hb a s e do nt r a f f i cw a v et h e o r ya n dt r a f f i cf l o wt h e o r yi sb u i l t t h ea c c u r a c yo f t h em o d e lh a sb e e nv e r i f i e db yv i s s i ms o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e a c c u r a c yo ft h ee q u i v a l e n tq u e u el e n g t hm o d e lc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e o r i t i c a l r e s e a r c h s e c o n d l y , t h i sp a p e rp r o p o s et h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lm e t h o df o r t h eb o t t l e n e c k i n t e r s e c t i o n s ，t h ef o c u si so nt h es e l e c t i o no ft h ec o n t r o lc o n n e c t i o na n dt h eb u i l d i n gp r o c e s s o ft h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lm o d e lo fb o t t l e n e c ki n t e r s e c t i o n s i tm a k ef u l lu s eo ft h er o a d n e t w o r ks p a c er e s o u r c e s ，t r a f f i cp r e s s u r ew i l ls h i rt ol e s ss t r e s s f u lc o n t r o lc o n n e c t i o n i n t e r s e c t i o n st op r e v e n tt r a f f i c ”d o m i n o ”p h e n o m e n o n f i n a l l y , t h e r ea r es i m u l a t i o n so nt h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lm o d e li nt h i sp a p e r t h er e s u l t s s h o wt h a tc o o r d i n a t i o nc o n t r o lu n d e rq u e u el e n g t hc o n s t r a i n ti sm o r ec o n d u c i v et op r e v e n t ”d o m i n o p h e n o m e n o n ，t h u st h ep u r p o s eo fc o o r d i n a t i o nc o n t r o li sa c h i e v e d k e y w o r d s ：t r a f f i cc o n t r o l ；t r a f f i cb o t t l e n e c k ；q u e u ec o n s t r a i n ；c o o r d i n a t i o nc o n t r o l ； q u e u eo v e r f l o w 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在，年解密后适用本授权书： 2 不保密刚使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位做作者虢训许 日期： 2 0i o 6 了 指导老师签名：妒 同期：仂1 0 彳p 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 在研究交通波理论和交通流二流理论的基础上，建立适合强拥挤交通流状态 的路段当量排队长度计算的模型； ( 2 ) 根据交通流、信号配时及排队长度之间的相互关系，从关联度与存储车队能 力两方面确定控制连线交叉口； ( 3 ) 采用基于小步距的绿信比调节法对控制连线区域内所有主要相关相位的绿灯 时间同时进行小步距调节，限制驶向瓶颈交叉口的车辆数，达到减少瓶颈相位交通需 求的目的，将交通压力转移到压力较小的控制连线交叉口，避免在实行排队约束控制 时，对周围路网上车流的运行产生较大影响。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 首吖 训 l 孙 如 签 者 耻 懈 瑚 刘 日 沦位学 至里耋曼奎耋彗圭要塞耋耋鳘兰耋兰：要 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着经济的高速发展、人口的持续增长以及人民生活水平的逐渐提高，我国的机 动车保有量也正以前所未有的速度增加着，根据统计数据显示，截至到2 0 0 9 年底，全 国机动车保有量已达1 8 6 5 8 0 7 万辆庞大的机动车数量已经使很多城市的道路以及 交通设施难堪重负，对于很多的城市特别是像北京、上海这样的丈城市而言，大面积 交通拥堵经常发生”。严重的交通拥堵不仅会加重对环境的污染，a 弱城市的竞争力， 还会降低城市的运转效率。1 。针对交通拥堵持续时阃越来越长、发生频率越来越高、 波及范围越来越广的这种状况，各城市均在不断地加大资金投入，从各方面寻求解决 这一问题的方法和途径。 造成交通拥堵的原因可能有很多，例如“：交叉口信号配时不台理；交叉口设施 不完善、公交车停靠站点不合理、车辆运行秩序混乱；交叉u 渠化不合理或自身道路 条件的局限性等。其发生时段往往是居民出行的高峰期，发生过程通常是从路网上的 某一瓶颈交叉口开始，首先在交通瓶颈处产生过长的车辆捧队，产生小范围的交通拥 堵。这种局部的拥堵对于整个路网的交通运行影响不大，但如果不及时采取措施进行 控制当排队车辆不断累积最终上溯到上游交叉口时，便可能阻挡其它方向车流的正 常运行，并且逐渐影响到周围相关交叉口从而引起排队扩散的连锁反应，最终造成 大面积的交通捌堵。这种交通拥堵扩散的反应过程与“多米诺”骨牌倒塌时的连锁过 程类似，园此也称为城市交通“多米诺”效应如图1 1 所示。 ， 卞： 图卜l 交通“多米诺”效应 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 量曼舅曼皇曼鼍曼曼曼鼍置鼍= m m ：=i 。 = = n l = 。= m = = i = m = i m m ：。= 。鼍 实际经验表明，一旦出现交通流锁死现象，路网需要相当长的时间才能恢复到正 常运行状态，其损失不言而喻。从实质上看，导致“多米诺”现象发生的两个主要原 因是道路结构设计以及信号配时的不合理。从理论上讲，可以通过采取一定的交通控 制手段如改造不合理的路网结构、改进信号配时方案等来避免这一现象的发生。因为 就现有的道路条件限制以及有限的交通控制效果而言，拥堵的发生是交通需求过剩的 必然结果，可以允许局部拥堵的出现，甚至可以通过强制性的信号调节使某点的拥堵 向上游转移，但一定要预防交通流锁死现象的出现，即要确保交通拥堵的“良性”扩 散。本文即针对路网中的瓶颈区域寻求利用信号配时技术对其进行控制，从起始点防 止交通拥堵的恶性扩散，就是为了避免交通流锁死现象的出现，保证小范围内的交通 拥堵不至于迅速扩散，达到改善交通拥堵的目的。 1 2 国内外研究现状分析 在国外，特别是西方国家，由于经济发展起步较早，二十世纪六十年代交通拥堵 问题就已经非常突出。因此国外相关研究开始的也较早，对交通拥堵问题的研究积累 了大量研究成果。这些研究成果集中体现于已开发出的交通控制系统和控制策略，其 中具有代表性的如t r a n s y t 、s c o o t 等陋7 1 。 国内对城市交通问题的研究起步较晚，关于交通拥挤时交叉口信号控制问题研究 的相对较少，但也积累了一些研究成果。 1 2 1 国外研究现状 国外对于以排队为约束的信号控制的研究成果主要包括以下两个方面的内容： ( 1 ) 理论研究 l o n g l e y ( 1 9 6 8 ) 将交通拥挤分为两类：第一类是由于信号交叉口自身排队车辆不 断累积造成的拥挤；第二类是受其它交叉口排队车辆影响而产生的拥挤。l o n g l e y 指出 当第一类拥挤不可避免时，交通控制的目标应该是避免或推迟第二类拥挤的发生，他 提出根据交叉口进口道排队强度来进行绿信比优化碑1 。g o r d o n ( 1 9 6 9 ) 认为交叉口信号 控制的优化目标应该是各个相位的排队长度阳1 。m i c h a l o p o u l o s 和s t e p b , a n o p o o l o s ( 1 9 7 7 ) 将冲击波分析应用于信号交叉口，针对单个交叉口和交叉口群分别研究了具有排队长 度约束的过饱和信号系统，特别关注了排队的动态变化和信号控制的效果n 们。 m i c h a l o p o u l o s 和s t e p h a n o p o u l o s ( 1 9 7 8 ) 在考虑排队约束的条件下提出了最小化过 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 饱和交叉口延误的控制策略，建立了一个两相位配时模型，称为“b a n g - - b a n g ”模型。 其基本思想是先让到达率较大相位运行最大绿灯时间，到达率小的相位运行最小绿灯 时间，然后寻找一个合适的转换点，使到达率大的相位运行最小绿灯时间而到达率小 的相位运行最大绿灯时间。r a t h i ( 1 9 8 8 ) 提出了一种在主路采用同步控制，其它相 交道路采用被动相位差来进行排队控制的方法n2 | 。r a t h i ( 1 9 9 1 ) 将控制策略分为内部 控制和外部控制。内部控制包括单个关键交叉口控制、拥挤干线的控制和防止“多米 诺效应的网络控制；外部控制是指控制流入拥挤子区的交通流量，从整体上提高拥 挤子区的交通质量n 3 1 。r o u p h a i l 和a k c e l i k ( 1 9 9 1 ) 提出了一种针对两近距离交叉口 的排队管理策略，当进口道排队长度超过设定的阂值时，通过对饱和流率的调节来实 现流入流出量的控制n 4 1 。m i n - t a n gl i 和a l b e r tc g a n ( 1 9 9 9 ) 介绍了t r a n s y t - 7 f 优化过饱和路网的方法，t r a n s y t - 7 f 为处理过饱和情况提出了四个新目标函数( 主要 包括交叉口通行能力和排队强度) ，模拟结果显示采用新的目标函数可以降低车辆延误 并较少排队上溯现象n 5 1 。z a h e rk k h a t i b 和g e o f f r e ya j u d d ( 2 0 0 1 ) 为降低路网的 拥挤程度，提出以通行能力作为目标函数，并在进行绿信比优化时考虑了进口道长度 的影响口6 j 。t a n g h s i e nc h a n g 等人( 2 0 0 0 ，2 0 0 4 ) 改进了“b a n g b a n g ”模型，建立了 “b a n g b a n g1 i k e 模型，在此基础上提出了控制过饱和路网的动态方法n 7 1 8 1 。 ( 2 ) 在实际控制系统和控制策略的开发上 最主要的是t r a n s y t 和s c o o t 系统： t r a n s y t ( t r a f f i cn e t w o r ks t u d yt o o l ) 交通网络研究工具，是英国交通与 道路研究所( t r r l ) 于1 9 6 6 年开发的脱机优化网络信号配时程序，之后经不断改进和 完善，已成为世界各国应用最普遍的协调配时工具之一。t r a n s y t 在对各项配时参数的 优选过程中，对每种配时方案均估算车辆排队可能出现的最大值，系统考虑到了某 些个别连线，尤其是短连线在排队长度超过一定的限值后，排队队尾可能上溯到上游 交叉口致使上游堵死的情况。t r a n s y t 允许用户对每条连线设置一个排队长度限值，在 预计排队长度超过规定限值时，利用“惩罚系数”对配时方案进行调节。不过，t r a n s y t 未能对排队上溯这样一个复杂过程做出确切的描述，这是因为在t r a n s y t 的基本假设 中，认为所有的停车排队车辆均处于停车线处( 即向垂直方向排队) 旧3 。 s c o o t ( s p l i t c y c l e 0 f f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 即“绿信比一信号周期 绿时差优化技术”，是一种对交通信号网络实行实时协调控制的自适应控制系统。由 英国交通与道路研究所( t r r l ) 于1 9 7 3 年开始研究和开发的协调控制系统，1 9 7 9 年正 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 式投入使用s c o o t 的功能之一即是限值交通向敏感地区流动，以便防止该地区受阻车 队回溯致使交叉口堵塞这种情况的发生，这种方法称为闸门控制。s c o o t 系统检测器的 布设也充分考虑了可能出现的最大排队长度位黄。为了实现闸门控制，s c o o t 能够修改 相关交叉口的信号配时，这些路口可能离敏感地区较远甚至可能在另外的子区。闸门 逻辑定义了条或多条的瓶颈连线以及闸门连线，当瓶颈连线的车辆排队达到一定饱 和度时，作为储存车队的闸门连线的绿灯时间将减少，以缓解瓶颈连线的交通压力乜0 l 。 1 2 2 国内研究现状 国内相关研究主要成果有：陈森发( 1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) 提出了关键车流和非关键车流 的概念，采用两级模糊控制实现了对单交叉口的控制，第一级是通过设定时间、绿灯 方向关键车流到达车辆数和红灯方向关键车流的排队长度来确定绿灯基本延长时间， 第二级是通过绿灯方向非关键车流车辆到达数来确定绿灯附加延长时间乜4 2 引；王殿海 等( 2 0 0 2 ) 以交通波理论为基础，分析了协调信号交叉口之间车流运行中的排队消散 过程，及其对上下游交叉口的影响，建立了车队间隔与信号配时参数之间的函数关系， 计算了上、下游交叉口停车线前的最大排队长度，认为适当的相位差可以在一定程度 上避免“多米诺”现象的发生。赵忠杰等( 2 0 0 4 ) 分析了近距离交叉口的交通特性， 采用交通流宏观动态模型推导出了近距离交叉口信号设置应满足的约束条件。裴玉 龙等( 2 0 0 5 ) 借鉴调度优先权的思想进行饱和状态下交叉口的绿信比优化，保证优先 消散最拥挤方向的交通流，在设计绿信比优化模型时借鉴了交警执勤的经验窿5 1 。杨晓 光等( 2 0 0 6 ) 研究了短连线交叉口群的控制策略，提出设置相位差要以下游交叉口排 队长度为基础；认为传统定时信号控制方法对短连线不合适，其信号控制应该是实时 动态的，根据不断变化的排队长度来确定相位差乜6 3 。金治富等人( 2 0 0 6 ) 研究了过饱 和交叉口的动态最优控制策略，指出在交叉口严重拥挤的状态下需对交叉口上游的交 通需求进行控制呛引。樊宏哲( 2 0 0 7 ) 分析了信号交叉口车辆的排队一消散过程，建立 起了基于交通波理论的适合于路段动态排队计算的模型，在分析路段上下游流量一通 过能力关系的基础上，提出了以排队为约束进行信号调节时的所采用的控制策略以及 可以实施的三种控制方法，并对每种控制方法所适用的条件、阈值设定以及信号调节 方法做了介绍心8 | 。陈昱光( 2 0 0 8 ) 以研究如何防止出现“多米诺”现象为出发点，分 析了城市路网大面积交通拥堵的形成原因。在利用触发检测器实现瓶颈交叉口交通状 态的定性判断后，运用均衡压力法的基本思想将瓶颈交叉口的部分交通压力转移到上 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 游相关交叉口，利用上游相关交叉口帮助瓶颈交叉口分担交通压力，逐渐消散瓶颈交 叉口的拥堵状况啪1 。 纵观国内外研究成果，国外相关研究起步较早，研究的也比较深入。但般仍将 延误、停车次数或通行能力最为信号配时的直接优化目标，很少考虑排队长度与进口 道长度对信号配时的影响，对防止交通“多米诺 效应的研究仍有待加强。同时值得 指出的是，国外很多研究成果属于交通公司的商业机密，其核心理论及模型一般并不 公开发表。与国外研究相比，国内针对过饱和情况下城市交通信号控制的研究较少， 而且一般多为定性分析，缺乏考虑实际应用的系统性研究。 1 3 课题研究目标、研究内容 1 3 1 研究目标 在研究已有的城市交叉口信号控制方法和排队计算方法的基础上，首先建立起适 合瓶颈路段排队长度计算的模型。根据交通流、信号配时及排队长度之间的相互关系， 对路网上存在的瓶颈路段，从关联度与存储车队能力两方面选取交通压力较小的控制 连线交叉口，用基于小步距的绿信比调节法对控制连线区域内所有主要相关相位的绿 灯时间同时进行小步距调节，限制驶向瓶颈交叉口的车辆数，达到减少瓶颈相位交通 需求的目的。保证拥堵的“良性”扩散。然后利用v i s s i m 软件对控制效果进行模拟评 价。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 介绍信号控制的基本理论和方法，并分析以排队长度作为交通瓶颈处信号控 制优选目标参数的依据； ( 2 ) 在研究交通波理论和交通流二流理论的基础上，建立起适用于强拥挤交通流 状态下的路段当量排队长度计算模型，并进一步分析在定的路网范围内各路段之间 的交通流、信号配时及排队长度之间的相互关系； ( 3 ) 根据交通流、信号配时及排队长度之间的相互关系，从关联度与存储车队能 力两方面确定控制连线交叉口； ( 4 ) 采用基于小步距的绿信比调节法对控制连线区域内所有交叉口的主要相关相 位的绿灯时间同时进行小步距调节，限制驶向瓶颈交叉口的车辆数，达到减少瓶颈相 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 位交通需求的目的，将交通压力转移到压力较小的控制连线交叉口，避免在实行排队 约束控制时，对周围路网上车流的运行产生较大影响； ( 5 ) 最后利用v i s s i m 模拟软件对这种信号调节手段给出效果评价。 1 4 技术路线 本文的技术路线如图1 - 2 所示： 一望一 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 ；匦匦巫； ；匝匦 信号调节方法 j 模拟与仿真 图1 - 2 论文技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章城市交通信号控制理论基础 本文的研究属于城市交通信号控制的一部分，城市交通信号控制的基本概念及理 论是本文研究的基础，因此本章将对这些内容做简单的介绍。 2 1 交通信号控制基本概念 信号交叉口的实际通过能力，以及车辆通过交叉口时受到的阻滞程度，都直接受 信号配时方案的影响。国内外交通信号控制类型种类繁多，不管哪种控制方式，其基 本的控制理论和控制参数都是相同的，只是在系统优化目标的选取上存在差异。以下 主要介绍信号控制系统的基本控制参数、控制系统的评价参数以及控制系统优化目标 的选取依据。 城市交通控制系统的基本控制参数有三个陋3 引：周期时长、绿信比及相位差。单点 配时不用考虑相位差的因素，对于周期时长和绿信比的确定基本以经典的韦伯斯特理 论为基础，在协调系统中关于相位差的确定视具体道路系统不同相对比较复杂，以下 分别简单介绍。 ( 1 ) 周期时长：周期时长是信号灯各种灯色轮流显示一次所需的时间，即各种灯 色显示时间之总合，或是某主要相位的绿灯开始启亮到下次该绿灯再次启亮之间的一 段时间。用c 表示，单位为s 。单个交叉口的信号周期长度是根据交通量来确定的，周 期时长是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数，是信号配时设计的主要对象。 经典的韦伯斯特方法，对信号周期的计算是以交叉口总的延误最小为依据的，其 最佳值c o 按下式来确定： c o - 箐 协， 式中卜总损失时间( s ) ； y 一各关键相位流量比之和。 ( 2 ) 绿信比：绿信比是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比，一般用入 表示： 无：盈( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式中元一绿信比； c 一周期时长，单位为( s ) ； 一f 相位有效绿灯时长，单位为( s ) ： g i 。= g i + ， ( 2 3 ) 式中卜一绿灯损失时间( s ) 。 与信号周期的确定一样，在各相位之间，绿灯时间的分配也是以车辆阻滞延误最 少为原则。韦伯斯特应用等饱和度原则即绿信比应该与相位的交通流量大致成正比这 一原则来计算绿灯时间的，计算公式如下： g f = 等( c 一三) ( 2 - 4 ) 式中 g i f 相位的绿灯时间( s ) ； y 一各相位的流量比之和。 ( 3 ) 相位差 相位差是主干路信号协调控制的关键参数，是为保证车辆通过相邻交叉口的连续 性而设置的，有绝对相位差和相对相位差之分。 1 绝对相位差：是指各个信号的绿灯或红灯的启动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之差。 2 相对相位差：是指相邻两信号的绿灯或红灯的起点或终点之间的时间之差。相 对时差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，必须是相邻信号间的绿时差同车辆在其间的行驶时间相适应，所以 相位差亦是信号控制系统实现协调控制的关键参数之一口4 1 。 对于单向交通街道，相邻交叉口信号相位差可以按下式确定： o s = 导x 3 6 0 0 ( 2 - 5 ) 式中d ，一相邻信号问的相位差( j ) ； s 一相邻信号问的问距( k m ) ； 1 ，一线控系统车辆可以连续通行的车速( o n h ) 。 双向交通的街道相位差设置，当交叉口间距相等时，比较容易实现，反之协调起 来有一定的难度，必须采取试探与折中方法求得，此处不再赘述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 交通信号控制效果评价指标 要对信号网络的多种协调配时方案进行优选，以确定一个控制效益最佳的方案， 可供选择的参数有多种，例如：延误、排队长度、通行能力、饱和度、停车次数和停 车率、燃油消耗量等，所有这些参数都是以信号配时( 周期时长、绿信比和相位差) 为白变量的函数，所以，这就使我们有可能利用这些函数关系，调整每一个路口的三 项配时参数，以使车辆在路网上的运行所受阻滞最小m 嗡1 。 在实际中，我们往往无法使以上这些参数同时达到最小。这样，在某些时候，就 要求我们只选取其中的一项或几项配时参数为优选目标函数，而在另外的某种具体道 路交通状况下，则可能需要选用另外一项或几项作为目标函数。例如，在早晚高峰期 间，对于饱和度较高的交叉口，应以交通疏导，减少排队长度为主要控制目标，其余 的目标参量( 停车次数，耗油量) 则是次要的。相反，在非高峰期间，则应争取城市 主要干道上车辆行驶的连续性，以减少停车次数和节省燃油消耗作为控制的主要目标， 而车辆延误、排队长度则是处于第二位的目标。 正确合理的选用信号配时优选的目标函数，对提升控制效果，进而减少车辆的尾 气排放、预防交通拥堵以及事故的发生、增加社会经济效益均有很重要的作用。下面 对这些参数作简单介绍。 2 。2 1 信号交叉口车辆延误 延误是指由于道路与环境条件、交通干扰以及交通管理与控制设施等驾驶员无法 控制的因素所引起的行程实际损失。延误形式主要有控制延误、运行延误、停车延误、 排队延误以及引道延误。平均延误时间是评价交叉口控制效果的一个重要参数。交叉 口各车道平均延误可用下式估算： d = d l + d 2 + d 3 ( 2 6 ) 式中d 一各车道每车平均信号控制延误( s v e h ) ； d l 一均匀延误，即车辆均匀到达所产生的延误0 v e h ) ； d ，一随机附加延误，即车辆随机到达并引起过饱和周期所产生的附加延 误b v e h ) ； 以一初始排队附加延误，即在延误分析期初停有上时段留下积余车辆 的初始排队使后续车辆承担的附加延误( s v e h l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼皇- i h ii i i= , = = | i i 舅量蔓量皇曼曼鼍鼍 早期的信号配时设计中，大多采用单项目标函数作为优选的标准。车辆平均延误 时间作为目标函数使用的最为广泛。后来，有学者指出，使用单一的车辆延误作为唯 一的目标函数并不具备很好的经济性。 2 2 2 停车次数和停车率 车辆的停车次数与停车率对车辆的耗油量以及交叉口周围的环境污染程度有着至 关重要的影响。下面首先说明完全停车和不完全停车的概念，然后介绍停车次数和停 车率的确定方法。 观察交叉口的实际交通状况我们会发现，并非所有的车辆受到信号阻滞时都完全 停顿下来，部分车辆仅仅减速，在车速尚未降到0 之前又加速至正常速度，图2 - 1 表 示了三种不同的行驶情况。 ( 1 ) 完全停车与不完全停车 扰 “ “c 甜 甜c ， d = d ： d 。 d ，f c ) 图2 1 完全停车与不完全停车 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l1 页 图2 1a ) 中，车辆受阻后车速由正常速度“，降至0 ，然后立即加速，直至重新恢复 原来车速。此种情况下停车延误时间吃= 0 ，而总延误时间d = 以。图b ) 中，车辆行驶 速度减至0 后没有立即加速，而是有段完全停驶的时间，即d 0 ，此时总延误时间 d d h 。图c ) 中，速度由“。降至“。( 心7 0 ) 后便立即加速，重新恢复至原速度“。这 种情况下总延误时间d 虽然与减速一加速延误时间d h 相等，但这时的d 。显然小于丸。 一般将a 、b 两种情况称作构成一次“完全停车”，而把c 所代表的情况称作一次“不 完全停车”。显然，所谓一次“完全停车”，就是指车速一度减至0 ，然后从0 开始重新 加速。而“不完全停车 是指减速阶段与加速阶段的转折点车速不为0 的情况。 ( 2 ) 停车率和停车次数的确定 有了“完全停车”与“不完全停车”的概念之后，就可以方便地建立车辆延误时 间与停车次数的相关关系。因为任何大小的延误时间都包含至少一次停车：“完全停车 或“不完全停车”，视延误时间长短及原始车速而定。若用延误时间d 和d 。的比值来反 应这种关系，该比值称为停车率，记为h ，显然只要满足：h = d 以0 就说明这当中 包含着“一定程度”的停车。 停车率包括j 下常阻滞和过饱和阻滞两部分，即 h = h 。+ h 。 ( 2 7 ) 式中吃一随机过饱和停车率； 一正常阻滞部分停车率。 则全部车辆的停车次数为：日= h o q 。 2 2 3 通行能力和饱和度 ( 1 ) 信号相位的通行能力与饱和度 某一信号相位的车流通过交叉口的最大允许能力( 即单位时问内该相位能通过交 叉口的车辆总数) ，取决于这些车流所获得的最大通行流率，即饱和流量s 以及绿信比 入，具体公式如下： c = s a( 2 8 ) 式中s 一该相位的饱和流量( v e h h ) ： c _ 一该相位的通行能力( v e h h ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 为了便于比较通行能力和实际交通量，将一个相位的实际到达流量即交通量g 与 该相位饱和流量s 的比值称为流量比j ，将g 与通行能力c 之比称为该相位的饱和度x ， 即： y = q s ( 2 9 ) x = q c = 坐= y 2 ( 2 1 0 ) j g 通常将流量比y 看成常量，它反映实际的通行需求量；把绿信比旯看成可控参数， 它代表可提供的通行能力；饱和度z 则与这两个反映交叉口通行“供求 关系的参数 相关。 ( 2 ) 交叉口总通行能力与饱和度 交叉口总通行能力就是一个交叉口对于各个方向( 或相位) 全部车流所能提供的 最大允许通过量。交叉口的总饱和度是指饱和程度最高的相位所达到的饱和度值，而 并非各相位饱和度之和。从理论上说，交叉口的饱和度只要小于l 就应该能满足各方 向车流的通行要求。然而实践表明，当交叉口的饱和度接近1 时，交叉口的实际通行 条件将迅速恶化，更不必说等于或大于l 了。因此必须规定一个可以接受的最大饱和 度限值，即饱和度的“实用限值”。研究结果表明，反映车辆通过交叉口时的一些特性 参数，如车辆平均延误时间、平均停车次数以及排队长度等等，均与饱和度实用限值 的大小有关。实践证明，饱和度实用限值定在0 8 0 9 之间，交叉口就可以获得较好 的运行条件。在某种特定的条件下，例如交通量很大，而交叉口周围的环境条件又较 差，为减少交叉口建设投资，可以采用更高的限值饱和度实用极限值o 9 5 。 2 2 4 排队长度 排队长度是指停驶车辆占用道路的空间长度，它是交叉口控制效果评价的一个重 要指标，特别是在经常出现过饱和状态的交叉口以及短连线交叉口，因为这类交叉口 由于滞留车辆的不断累积，会使排队上溯到上游交叉口，形成交通流锁死，导致“多 米诺”现象的发生。在实际应用中，根据研究目的的不同， 排队长度有以下几种定义方法： ( 1 ) 平均排队长度：某一时间段内排队长度的平均值； ( 2 ) 最大排队长度：绿灯开始时的排队长度； ( 3 ) 平均最大排队长度：各周期最大排队长度的平均值； ( 4 ) 排队消散长度：排队消散点距离停车线的长度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 排队消散长度最大排队长度 图2 2 排队长度示意图 图2 2 是绿灯初期的最大排队长度与排队消散长度的比较，在交叉口饱和度较高 时，后者往往比前者要大出很多，所以后者也是交通控制中需要特别关注控制参数。 排队消散长度的计算及如何基于此长度对交叉口进行信号调节将是本论文最主要的研 究内容，将在后续章节中介绍。 2 2 5 综合指标 如前所述，单一的指标并不具有很好的经济性，学者们考虑能将多项指标集中起 来反应控制系统的控制效益。丹尼斯罗伯逊在建立著名的t r a n s y t 方法时，首次 成功地使用了综合目标函数，即包括延误时间与停车次数在内的所谓“运行指标” ( p e r f o r m a n c ei n d e x ) ，后来经过多次改进，在最新的t r a n s y t 系统中所采用的综合 目标函数如下所示： 肚善( 肌w i 。；+ 而k 和j ( 2 - 式中用一综合目标函数，即“运行指标以英镑计； 形一每辆车延误一小时相当的经济损失值； w 一第f 条连线上车辆延误时间的加权系数； d ；一第f 条连线上车辆的总延误时间； k l o o 次停车相当的经济损失值； 忽一第i 条连线上车辆停车次数的加权系数： 最一第f 条连线上的全部车辆完全停车次数总和； 一连线的总数目。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 2 3 小结 本章介绍了城市交通信号控制中的一些基本概念，阐述了交通信号控制的经典理 论：韦伯斯特一柯布理论，最后说明了常用的交通控制效果评价指标，这些工作为后 续研究奠定了理论基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章路段当量排队长度计算 传统的信号配时理论认为车辆排队是在停车线处的，也就是说传统信号配时理论 假设排队车辆不会上溯到上游交叉口。在交叉口饱和度较低、路段较长时可以认为上 述假设是正确的，但在交叉口持续过饱和时，很容易出现累积滞留车辆延伸至上游交 叉口的情况。这时传统信号配时理论的理论基础已不存在，因此其配时结果也必然是 不合理的。 在交通流量比较大的路段，排队长度是一个重要的控制参数，在实际中，为防止 排队上溯，避免交通“多米诺现象的出现，我们往往更加关注的是排队队尾所处的 位置。在饱和度较高的交叉口，准确的计算相应路段上车辆的排队长度，对及时采取 有效措施预防排队上溯到上游交叉口以至于引发交通“多米诺”效应有着至关重要的 作用。 本章主要是针对交叉口高饱和度情况，提出基于交通波理论和交通流二流理论的 当量排队长度的计算模型，作为后续建立以排队长度为约束的瓶颈交叉口协调控制方 法基础。 3 1 基于交通波理论的排队长度模型 交通波理论运用流体力学的基本原理，模拟流体的连续性方程，建立车流的连续 性方程，把车流的密度变化比拟成水波的起伏而抽象成车流波。当车流因道路或交通 状况的改变而引起密度的变化时，在车流中产生车流波的传播。通过分析车流波的传 播速度以寻求车流流量和密度、速度之间的关系口“妇 3 1 1 交通波基本模型的建立 如图3 1 所示，假设一条公路上有两个相邻的不同交通流密度区域( k ，和k ) ，用 垂直线s 分割这两种密度，称s 为波阵面，设s 的速度为u ，并规定交通流按照图中 箭头xj 下方向运行。显然，由交通流量守恒可知，在时间t 内通过界面s 的车辆数n 可以表示如下： = ( “i 一“。) 后i = ( “2 一“w ) 七2 ( 3 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图中，u 。为a 区车辆的区间平均速度，u ：为b 区车辆的区间平均速度。 将q = k u 代入式( 3 1 ) 中化简可得波速的计算公式： 驴嚣 2 ， 3 1 2 停车波和起动波 通过实际交通调查数据验证发现h 2 1 ，格林希尔治模型适合于描述交通流密度不大 密度是比较大的，在这种情况下，选用适合于描述交通流密度较大状态的g r e n b e r g 模 型来计算交通波啪孔1 。由交通流理论可知g r e n b e r g 线性模型的表达式为： 小审 ( 3 - 3 ) 式中u r n 一临界速度，流量达到极大值时的速度； k j 一阻塞密度。 “。：竺：! ! ：! = ! 釜! 二! ! ! ! ：! ：! 釜! 。3 4 ， 2 f 一 q 4 对于停车波，由于k 。= k ，可得停车波的波速为： 饥l n ( 争 虬一百 n ：一n 式中后：停车波上游路段车辆密度。 对于起动波，由于尼：= k j ，所以可得起动波波速公式为： ( 3 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 k k t “。i n ( ) 驴一并 协6 ) 式中k 一起动波下游车辆行驶密度。 车辆起动后以饱和流率通过停车线，可以认为车辆从停车起动到通过停车线这段 时间以最佳密度和最佳速度行驶，既有以下关系： s = k m u 。 ( 3 7 ) 式中 “。一最佳速度； s 一饱和流率，城市道路一般取s = 1 8 0 0 ( v e h h ) ； k 一最佳密度，根据格林伯模型有k = k ，e 。 3 1 3 路段车辆排队一消散分析 假设路段长度为l ，信号周期为c ，上下游交叉口相位差为允，下游红灯时长为f ，。 当上游交叉口绿灯开始后，车辆以饱和流率释放驶向下游交叉口旯时间后，下游交叉 口绿灯开始，车辆开始释放。上游交叉口红灯开始后，车辆停止通行，已经通过上游 停车线的车辆继续驶向下游，下游也在入时间后开始红灯时间，此时下游开始排队。 当下游交叉口绿灯启亮时，产生起动波墨以起动波速“。追赶停车波是，在起动波 追上停车波之前，排队队尾