（车辆工程专业论文）城市平交路口交通控制的设计与仿真.pdf

中国农业大学硕士学位论文 摘要 i i 摘要 目前我国城市道路的路1 ：1 9 0 以上是平面交叉口，然而城市平面交叉口是交通阻塞和事故的 多发地。虽然修建立交桥可以解决交通冲突但是立交桥存在占地面积广、耗资大、影响城市景 观等不足之处。因此，关于充分利用平面交叉口的时空资源，最大程度地提高交叉口的通行能力 的研究有着极其重要的现实意义。 本文从一典型主干路的三个路口的交通调查入手，分析了造成路口延误和影响通行能力的原 因。然后从路口几何设计、交通流组织及路口管理控制方面着手，提出了几种旨在渠化这三个平 交路口交通流、减少平面路口内交通堵塞的改进方案并运用交通仿真软件s y n c h r 0 对改进方 案进行了比较分析，得出了每个路口的最佳交通控制方案。通过各改进方案的对比发现，在优化 信号周期而路口交通状况无明显变化时，将路口渠化和交通配时优化相结台，可使路口交通状况 明显改善：与原状相比，整个路口的交通量与通行能力之比可降低2 5 以上，路口总延误可减少 6 5 以上。对主干路进行了协调控制设计，改进后的方案与原状相比；总延误由2 0 0 d 、时降至8 5 小时，总停车次数由1 6 6 6 2 降至1 2 0 8 2 ，大大提高了干线的通行能力。 关键词：平 i l i i 信号路口。交通控制，路口渠化配时方案优化，交通仿真 a b s t r a c t n o w a d a y s ，n i n e t yp e r c e n to fa l lt h ei n t e r s e c t i o n so ft h ec i t yr o a d sa r o u n dc h i n aa r ep l a n a r i n t e m e e t i o n s t h ei n t e r s e c t i o ni nt h ec i t yi sw h e r et h et r a f f i cj a ma n da c c i d e n t so f t e nh a p p e n a l t h o u g h c o n s t r u c t i n gc l o v e r l e a f j u n c t i o n sm a yr e s o l v et r a f f i cc o n f l i c t s i th a sm a n ys h o r t c o m i n g ss u c h l a r g e a r e a s ，h i g hc o s t s ，e f f e c t so nt h es i g h to fc i t ya n ds oo n t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h e c a p a c i t yo f t h ep l a n a ri n t e r s e c t i o nb yu s i n gt h eo p t i m a lt r a f f i cc o n t r o ld e s i g n t h i sp a p e rf i m t l yt a k e sc e r t a i nt y p i c a lr o a d “a ne x a m p l e ，m a k e st r a f f i cs u r v e yo ft h et h r e ep i a n a r i n t e r s e c t i o n sa m o n gt h ew h o l er o a da n da n a l y z e st h ec a u s eo fl o wc a p a c i t ya n dh i g hd e l a y s e c o n d l y , i t p u t sf o r w a r ds e v e r a lp r o j e c t s t od e c r e a s et r a f f i c c o n g e s t i o na n dg a i nh i g hc a p a c i t y , t h i r d l y , t h e i m p r o v i n gp r o j e c t sa r ea n a l y z e db ys y n c h r os o f t w a r ea n dt h eo p t i m a lp r o j e e ti sf o u n db yc o m p a r i n g t h e m t h ec o n c l u s i o n st h a tc o m b i n i n gt r a f f i cc h a n n e l i z a t i o nw i t ht i m i n go p t i m i z a t i o nc a ni m p r o v et h e t r a f f i cs t a t u sa tt h ei n t e r s e c t i o nw h i l et h e r ea r eh a r d l ye v i d e n te f f e c t sb ya p p l y i n go p t i m i z i n g i n t e r s e c t i o nc y c l el e n g t h t h ei n t e r s e c t i o nv o l u m e - t o - c a p a c i t yi sd e c r e a s e db ym o r et h a n2 5 a n dt h e i n t e r s e c t i o nd e l a yi sd i m i n i s h e db yo v e r6 5 h n a l l y c o o r d i n a t ec o n t r o ld e s i g ni sm a d eo nt h ew h o l e r o a da n dg o o de f f e c t sa r eg a i n e d t h er e s u l t sa f t e rt r a 施cc h a t m e l i z a t i o no ft h ew h o l er o a da r et h a tt h e t o t a ld e l a yi sr e d u c e df r o m2 0 0h o u r st o8 5h o u r sa n dt h ei o t a is t o p sa r el o w e r e df r o m1 6 6 6 2t o1 2 0 8 2 k e yw o r d s ：p l a n a rs i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ，t r a f f i cc o n t r o l ，t r a f f i cc h a n n e l i z a t i o n ，t i m i n go p t i m i z a t i o n ， t r a f f i cs i m u l a t i o n 摘要 目前我国城市道路的路e a 9 0 以上是平面交叉口，然而城市平面交叉口是交通阻塞和事故的 多发地。虽然修建立交桥可以解决交通冲突，但是立交桥存在占地面积广、耗资大、影响城市景 观等不足之处。因此，关于充分利用平面交叉口的时空资源，最大程度地提高交叉口的通行能力 的研究有着极其重要的现实意义。 本文从一典型主干路的三个路口的交通调查入手，分析了造成路口延误和影响通行能力的原 因。然后从路口几何设计、交通流组织及路口管理控制方面着手，提出了几种旨在渠化这三个平 交路口交通流、减少平面路口内交通堵塞的改进方案，并运用交通仿真软件s y n c h r o 对改进方 案进行了比较分析，得出了每个路e l 的最佳交通控制方案。通过各改进方案的对比发现，在优化 信号周期而路口交通状况无明显变化时将路口渠化和交通配时优化相结台。可使路口交通状况 明显改善：与原状相比，整个路口的交通量与通行能力之比可降低2 5 以上，路口总延误可减少 6 5 以上。对主干路进行了协调控制设计，改进后的方案与原状相比；总延误由2 0 0 d , 时降至8 5 小时，总停车次数由1 6 6 6 2 降至1 2 0 8 2 ，大大提高了干线的通行能力。 关键词：平面信号路口，交通控制，路口渠化，配时方案优化，交通仿真 a b s t r a c t n o w a d a y s n i n e t yp e r c e n to fa nt h ei n t e r s e c t i o n so ft h ec i t yr o a d sa r o u n dc h i n aa r ep l a n a r i n t e r s e c t i o n s t h ei n t e r s e c t i o ni nt h ec i t yi sw h e r et h et r a f f i cj a ma n da c c i d e n t so f t e nh a p p e n a l t h o u g h c o n s t r u c t i n gc l o v e r l e a fj u n c t i o n sm a yr e s o l v et r a f f i cc o n f l i c t s ，i th a sm a n ys h o r t c o m i n g ss u c ha sl a r g e a r e a s ，h i g hc o s t s ，e f f e c t so nt h es i g h to fc i t ya n ds oo n t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n t t oi m p r o v et h e c a p a c i t yo f t h ep l a n a ri n t e r s e c t i o nb yu s i n gt h eo p t i m a lt r a f f i cc o n t r o ld e s i g n t h i sp a p e rf i r s t l yt a k e sc e r t a i nt y p i c a lr o a da s a ne x a m p l e m a k e st r a f f i cs u r v e yo ft h et h r e ep l a n a r i n t e r s e c t i o n sa m o n gt h ew h o l er o a da n da n a l y z e st h ec a u s eo fl o wc a p a c i t ya n dh i # d e l a y s e c o n d l y , i t p u t sf o r w a r ds e v e r a lp r o j e c t st o d e c r e a s et r a f f i cc o n g e s t i o na n dg a i n h i g hc a p a c i t y t h i r d l y , t h e i m p r o v i n gp r o j e c t sa r ea n a l y z e db ys y n c h r os o f t w a r ea n dt h eo p t i m a lp r o j e c ti sf o u n db yc o m p a r i n g t h e m t h ec o n c l u s i o ni st h a tc o m b i n i n gt r a f f i cc h a n n e l i z a t i o nw i t ht i m i n go p t i m i z a t i o nc a ni m p r o v et h e t r a f f i cs t a t u sa tt h ei n t e r s e c t i o nw h i l et h e r ea r eh a r d l ye v i d e n te f f e c t sb ya p p l y i n go p t i m i z i n g i n t e r s e c t i o nc y c l el e n g t h t h ei n t e r s e c t i o nv o l u m e t o - c a p a c i t yi sd e c r e a s e db ym o r et h a n2 5 a n dt h e i n t e r s e c t i o nd e l a yi sd i m i n i s h e db yo v e r6 5 f i n a l l y c o o r d i n a t ec o n t r o ld e s i g ni sm a d eo nt h ew h o l e r o a da n dg o o de f f e c t sa r eg a i n e d t h er e s u l t sa f t e rt r a f f i cc h a n n e l i z a t i o no ft h ew h o l er o a da r et h a tt h e t o t a ld e l a yi sr e d u c e df r o m2 0 0h o u r st o8 5h o u r sa n dt h et o t a ls t o p sa r el o w e r e df r o m1 6 6 6 2t o1 2 0 8 2 k e yw o r d s ：p l a n a rs i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ，t r a f f i cc o n t r o l ，t r a f f i cc h a n n e l i z a t i o n ，t i m i n go p t i m i z a t i o n ， t r a f f i cs i m u l a t i o n 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，也不包含为获得中国农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。 研究生签名： 闺薇7 镱 时间：驯年6 月j ) 厶日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：l 虱确翻 时间： 御；年z 月垆日 导师签名： 孑抗 时间：j 咿莎年占月 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究城市交通控制的意义 随着经济的发展和人民生活水平的提高机动车迅猛增加。然丽随着机动车的迅速增加，交 通拥挤、交通事故频发、环境污染等问题目益严重，交通问题造成了巨额的经济损失。这些问题 集中地体现在了城市交叉口处。交叉口是城市交通中一个十分重要的部分，它的功能是把道路连 接起来，使其构成道路网，从而实现多个交通流方向的变换。在整个路网中，交叉口是道路通行 能力的瓶颈。平面交叉口形式简单，交通组织方便，使用范围广泛，是城市路网中最基本的交叉 口形式。由于机动车、非机动车和行人都处在同一个平面内，与道路相比，平面交叉口的交通行 为更为复杂，更易遭受到交通环境、人流、车流的影响，尤其在大交通量情况下。会造成长时间 延误甚至堵塞，安全性能也会下降。同时由于汽车在交叉口附近频繁地启动、停车，会加大废气 的排放量加剧空气污染。据统计，机动车在城市市区中的旅行时间约有1 3 花在平面交叉口，6 0 以上的交通事故发生在平面交叉口及其周围。因此平面交叉口的交通治理在城市交通管理中 就显得越来越重要。如何充分利用交叉口的时空资源，按照现实的交通流给予相应的晟适宜的交 通控制，最大程度提高交叉口的通行能力，有着极其重要的现实意义。这不但能提高车辆通过交 叉口的速度，减少延误，节约人们的出行时间，还能避免因该交叉口发生堵塞而引起的交叉口临 近路段及更远路段的交通不畅。 近几年来，我国的汽车工业持续高速发展。图1 一l 为1 9 9 1 年到2 0 0 4 年我国民用汽车保有量变化 图”1 。据有关单位预测，2 0 1 0 年中国轿车市场的规模将达7 0 0 万辆，整个汽车市场达到1 0 0 0 万辆”1 。 单位；万辆 。冒i i 1 1 1 高容譬夏誉害各害蜜8gg 昌g 雪2 窖2 当222 宝呙高昌呙 图1 1民用汽车保有量变化国 随着城市汽车保有量的逐年增加，交通堵塞已经成为人们十分关注的问题。北京在汽车保有 量连续上升的压力下，交通堵塞情况严重。然而，纽约、东京、柏林等国际化大都市的面积大都 与北京相当，巴黎市区仅相当于北京的六分之一，而这些城市的汽车保有量却是北京的两倍以上。 1 o 笳 加 坫 加 0 甚至更多，可是交通堵塞情况却远没有北京那么严重“1 。 目前我国城市道路的路口9 0 以上仍是平面交叉口“1 ，在数量上较之立体交叉占有绝对的优 势，直接影响着道路的通行能力。虽然修建立交桥可能解决交通冲突，但是立交桥也有它的不足 之处”； ( 1 ) 城市道路网络中交叉口间距小，交叉口处可以利用的土地资源十分有限，大多数平面交 叉口可能根本就不具备修建立体交叉的条件； ( 2 ) 立交桥会破坏城市的人文景观； ( 3 ) 立体交叉造价昂贵； ( 4 ) 交通矛盾转移而并没有消除； ( 5 ) 导致城市功能退化。立体交叉考虑更多的是机动车的问题。在一定程度上影响了公共交 通和行人交通并导致城市功能退化。 车流就像一种特殊的流体，当车流大到一定程度时在立交桥上并线必然造成车流系统的扰 动，这个扰动会扰乱整个系统稳定，使车流效率迅速下降，甚至产生堵塞。因此在北京市，很多 立交桥上都添加了红绿灯。 解决城市交通问题的根本途径有两个：一个是加快道路设施规划建设健全城市道路网络体 系；二是采用先进的科学技术，对城市交通进行现代化的管理和控制，提高现有道路的通行能力。 但是，修建道路的巨大经济投入和城市空间的限制，使得这一方法的成效不尽如人意。近年来， 世界各国都非常重视日盏严重的交通问题，投入大量人力物力对道路交通运输系统的管理与控制 技术进行研发，相继出现了许多不同的交通控制方法和系统，为缓解交通拥挤发挥了很大的作用。 实践证明，在进一步加强交通基础设施建设的同时，还需要极大限度地提高现有路网的利用效率， 同时加强交通需求管理，加强对城市道路网的智能管理与优化控制。交通管理与控制就是利用交 通法规、交通工程技术措施、交通信号控制设旌等对车辆、行人的交通行为进行规范和约束，使 车与车、车与路、车与行人之问形成一种相互沟通、相互合作的运行体制，产生协调效应。使交 通流有序、通畅、快捷”。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对信号交叉口研究比较多，主要集中在交叉口的信号配时、交叉口延误计算分析、交叉 口的交通模拟等。 德克萨斯运输学院研究小组对路口做了大量研究，得出了临界车道法的概念，对每个入口的 临界车道求出一个通行能力，那么对于整个交叉路口可以求出一个脑界车道容量，得出临界车道 通行能力与周期的关系，从中可以看出临界车道通行能力与周期成反比关系，同时表明在周期相 同的条件下，入口数越多临界车道通行能力也相应降低。该研究成果在某种程度上有助于理解信 号周期对交叉口通行能力的影响”1 。 英国的韦伯斯特( w e b s t e r ) 利用排队论与数字计算机模拟相结合的方法，给出了路口定时信 号车辆延误时间的计算公式，经过反复近似计算，提出了最佳信号周期的计算公式。这个公式是 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 以延误最小作为目标函数”1 。w e b s t e r 还推断当周期在o 7 5 c o 1 5 c o 范围变动时，延误没有显著 增加。因此，在选择周期时，同时要考虑到路口的实际情况，还要考虑好交叉口的通行能力，理 论上的周期并不一定适合该交叉口。 在交叉口通行能力方面，最具代表性的主要还是美国8 5 年及2 0 0 0 年韵通行能力手册“。 交叉口通行能力是在服务交通量的基础上通过对相应交叉口的交通条件、道路条件及环境条件进 行修正丽褥到的。 1 2 2 国内研究现状 目前，我国仍在发展中国家之列，国民交通生活尚未进入汽车化的时代。在城市中，市民出 行除乘坐公共汽车外主要还是以自行车和步行为主，因此混合交通在我国城市非常普遍。针对我 国国情，致力于我国交通事业的交通工程专家对城市道路网的瓶颈交叉口作了大量的工作， 尤其是对平面信号交叉口的研究比较多，取得了许多研究成果。这些工作大致分为以下几个方面： ( 1 ) 通行能力解析；( 2 ) 信号优化；( 3 ) 交叉口的优化组织和管理：“) 交叉口模拟；( 5 ) 交叉口的 评价方法。接下来就上面几个方面来简单介绍一下目前中国的研究现状。 根据我国的交通情况，各单位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 。其中，停车线法是以停车线为考察断面，车辆只要通过停车线就算通过了交叉口然后 计算各种不同流向组成的车道的通行能力。但在两相位的情况下，车辆通过交叉口的实际运行状 态是：本向直行车( 右转车) 和对向左转车。在同一绿灯时间内交错通过这两向车流的冲突点。因 此，这个冲突点是车辆通过两相位信号交叉口的关键地点。但“停车线法”却以停车线作为考察 断面这与实际情况不一致。比如，作为信号配时主要依据的设计流量，“停车线”所用的是到达 同一进口道的直行、左、右转车的小时流量，实际上，真正消耗一次绿灯时间的却是通过上述冲 突点的本向直行车同对向左转车的周期到达车辆。“停车线”所用的信号配时的另一个重要参数 饱和流量，也是车辆驶出停车线时的饱和流量，即通过停车线平均饱和车头时距的例数。同 上述理由，符合实际车辆运行状态的应是通过这个冲突点的平均饱和车头时距。考虑到上述情况 提出了“冲突点法”。 同时，许多学者对影响平面交叉口通行能力的因素方面做了很多实质性的探索，关宏志曾经 对北京一环交下的平面信号交叉口进行过研究，根据“停车线法”的计算理论提出了信号交叉口 的通行能力与黄灯和损失时间的函数。随着损失时间的增长，路口的通行能力减小；并认为理想 状况时损失时间一般包括一次车辆的起步、加速时间，但是一些入口引道及交叉口内，车辆经常 多次受到干扰使车辆运行受阻，而不得不重复减速( 停车) 加速的过程。根据受阻次数和 停车线法得出通行能力随受阻次数变化的规律n “。 彭国雄分析了自行车对信号交叉口通行能力的影响，在自行车对信号控制交叉1 2 1 通行能力 的影响一文中，提出了交叉口进口车道机动车饱和流率和绿初损失时间等表征通行能力的计算 值与自行车交通量的定量关系模型；并采用对比分析法通过计算实例从定量韵角度揭示了自行车 交通对典型信号控制交叉口通行能力的影响；在最后，提出可用于指导信号配时的左转自行车交 通量“临界值”的概念“。 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 在信号配时优化方面，国内基本上依据英国w e b e r s t e r 公式来计算信号周期。由于该公式的 应用具有一定的适用范围，对较低饱和度的交叉口才有到达优化的目的。它是以延误最小为目标 函数的推得的。顾怀中、王姊提出了交叉口交通信号配时的模拟退火全局优化算法。该算法选用 延误时间、停车次数及通行能力为优化目标函数，各性能指标的加权系数随交通需求的( 一般分 平峰和高峰) 不同而变化，以适应不同交通状况下对配时优化的不同要求“”。杨锦东等人指出信 号控制目的在于最大限度地提高交叉口的使用效率，一方面要以人为本，体现道路使用者的利益， 使延误和停车率尽可能小；另一方面，要合理利用道路交通设施使用效率，使道路通行能力尽可 能的大。在正常的周期时长范围内，周期时长越长，通行能力越大，但车辆的延误及停车率也随 之增长。当延长周期时长所提高的通行能力远大于交通需求时，对通车状况并无好处，却无谓地 增加延误。信号交叉口的配时，应配以适当的周期时长让通行能力稍高于交通需求而使延误、停 车、排队等指标到达最小。因此作者提出了以延误时间最小、排队车辆数最少为目标函数，以饱 和度为约束条件的两目标优化模型“。 尹宏宾等认为信号配时是影响信号交叉口通行能力的关键，并在基于知识的信号交叉口配 时设计系统一文中根据专家系统的有关理论和信号交叉口的配时设计原理，研究了一种基于知 识的信号交叉口配时设计系统。研究该系统的主要出发点是基于交通流的随机性和不确定性较 强，虽难以用精确的数学模型加以描述，但是可以根据经验进行适当的分析。 在信号相位设计和配时方面，同济大学彭国雄提出几种典型十字交叉口的信号配时方案应用 叠加相位的可行性，针对三相位和四相位分别阐述了叠加相位设计的要点及计算公式，并从时空 资源分析对于某些流向交通量不均衡的交叉1 3 来说是具有一定的效益的“。 在交叉口优化组织和管理方面，主要研究成果集中在交叉口的拓宽设计。车道的设置及功能 划分方面，标志标线，以及交通岛的设置，行人和自行车的组织，信号相位的划分和组织等。”。 交通评价在交通工程非常重要，各项规划和设计最后是否达到拟定的目标，评价就成为了最 终的检验方法。针对事前和事后，国内大多数评价方法分别采用调查分析方法和计算通行能力以 及延误的理论公式，进行分析评价，最后运用层次分析法对交叉口进行综合评价o 1 。 1 3 本课题研究内容 本文首先对一典型主干路的三个路v i 进行交通调查，以了解这三个路1 3 在高峰小时的交通流 特性和交通控制现状，为后续设计提供资料依据。然后，基于调查的资料分析造成路口延误和影 响通行能力的原因，并从路1 3 几何设计、交通流组织及路口管理控制方面着手，提出几种旨在渠 化这三个平交路口交通流、减少平面路口内交通堵塞的改进方案。运用当今交叉口信号优化方面 最快捷、最精确的模型之一的s y n c h r o 软件对提出的改造方案进行比较和分析，以得出每个路 口的最佳交通控制方案和在何种情况下优化信号配时能得到较好效果。最后，对主干路进行协调 控制设计，同时给出主干路的改进方案以达到提高整条干线的通行能力的目的。本课题研究内容 的示意图如图1 2 所示： 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 查阅资料 选择典型交叉口实施交 通调查，获取交通数据 基于交通调查对路口做 出分析并提出改进方案 运用s y n c h r o 软件对备 改进方案进行分析和比较 对主干路进行协调控制 设计并提出改进方案 针对各改进方案的比较 和分析结果。得出结论 圈1 2 本课题研究内容示意图 5 中国农业大学硕士学位论文 第二章交通数据调查与整理 第二章交通数据调查与整理 本章将以安立路的三个依次相接的路口为研究对象，进行变通量和车辆速度等方面的调查， 然后对交通调查所得到的数据进行整理，以了解这三个路口在高峰小时的交通流特性和交通控制 现状，为后续设计提供资料依据。 2 1 交通调查内容与目的 交通调查是为了找出交通现象的特征性趋向，在道路系统的选定点或路段，收集和掌握车辆 或行人运行情况的实际数据所进行的调查分析工作。交通调查的主要对象是交通流。 本次调查主要进行了交通流特性的两项调查：交通量和车辆速度的调查。平面交叉口详细的 调查不但有助于提高我们对交叉口的感性认识，为对其进行理论分析提供依据，而且有利于针对 其特点科学地提出解决方案。本文对安立路各路口进行调查，其主要目的是一方面评价改善效果， 另一方面可以用来标定交通仿真模型，以便对未来在进行改造时提供一个可视化的评价工具。 2 2 交通量的调查与整理 交通量是描述交通流特性的最重要参数之一。交通量调查的目的在于通过长时期连续观测或 间隙和临时观测，搜集交通量资料，了解交通量在时间、空间上的变化和分布规律，为交通规划、 道路建设等提供必要的数据。交通量数据是交通工程学中最基本的资料，因此交通量的调查是十 分重要的。 ( 1 ) 交通量调查的准备工作 进行交通量调查前，首先根据调查的目的和要求，制定调查计划，对调查工作的内容、方法、 所需条件进行系统地、周密地准备、选择与部署，使调查工作取得预期的效果。在准备工作中最 重要的是调查区间、时间的选择。 ( 2 ) 交通数据采集方法 对于安立路各路口的调查采用人工观测法。安排人员在指定地点按调查工作计划进行交通量 观测。人工观测用原始数据表配合机械计数器和画正字来记录来往车辆，按统计要求，将记录结 果登记在表格上。根据调查计划要求，分车型、来去方向，并且还要分车道进行记录。从理论上 说人工观测无论是在车型分辨上或是计数方面都应比仪器观测准确和机动灵活方便，调查方法易 于掌握，调查资料整理方便，而且调查地点、环境也不受限制”“。 ( 3 ) 交通量调查的实施 本次调查是针对安立路的三个路口进行的，这三个路口从北往南顺次为华汇路口、安立路口 和安北路口。与路段相比，交叉口的状况非常复杂，因此对交叉口交通流量的调查采用人工观测 法，并以进口道的停车线作为观测断面。在调查时每个进入交叉口的进口都有一个观测员，每个 观测员分别观测直行和左右转车辆，而且对于不同的车型也要分别观察记录。为了方便起见， 本调查将机动车分为铰接车、大型车辆、中型车辆和小型车辆四类。其中，铰接公共汽车、无轨 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章交通数据调查与整理 电车、托挂车为铰接车：5 吨以上货车、大型公共汽车为大型车；2 5 吨货车、4 5 座以下中型客 车、中型面包车为中型车；小汽车、小面包车、2 吨以下货车作为小型车。对三个路口分别选取 星期二至星期四连续三天的时间进行调查，这三天皆为晴天，避开了雨等影响正常交通情况的恶 劣天气。其中，每天的整个观测时间为5 小时，每1 5 分钟为一个观测时间段。早高峰期观测时间 为7 ：3 0 _ - 9 ：3 0 ，中午观测时间段为1 2 ：0 0 - - 1 3 ：0 0 ，晚高峰观测时间段为1 7 ：3 0 - - 1 9 ：3 0 。 ( 4 ) 交通量数据整理 在获得交通量调查资料后要对资料进行整理，从中得出一些反映特征性趋势的数据。调查资 料的整理要进行车辆分类换算为标准车辆数，并把观测时段的数据扩展转换为所需的整时段数 据，列入相应的表格中进行分析。 1 ) 车辆分类与换算 在道路上行驶的车辆由于其车型、外廓尺寸和行驶速度不同，对道路占用和使用效率会不同。 为了对车辆进行统一的定性和定量，以便能准确评价道路的通行能力、实现科学的交通管理和分 析道路交通问题，需将不同车型的交通量换算为标准的车型交通量，这项工作称为车辆当量换算。 标准车型是根据当量换算目的、车型可比性及要求达到的可认性等多方面因素确定的。在我 国一般公路和二级汽车专用公路采用中兴载货汽车作为标准车型：高速公路、一级汽车专用公路 和城市道路采用小客车作为标准车型，在交通管理方面均以小客车作为标准车型。 具体的当量换算方法就是将观测得到的某种车型的交通量乘以该车型相对标准车型的当量 换算系数e 。对同一类标准车型，当量换算系数对应不同道路类型和使用目的有一定的差别。 对安立路三个路口的车辆换算以小型车为标准，计算如下： 当量交通量= 第i 类车的当量换算系数e i 实际调查的第i 类车辆数 ( 2 1 ) 铰接车、大型车、中型车和小型车的e i 分别取为3 0 ，2 0 ，1 5 ，1 0 。 2 ) 交通量整时换算 由于交通量数据量非常大，有些交通调查常常采用按一定时间间隔间歇式的抽样调查或者选 取有代表性的日期、时段进行调查。这些调查得到的数据需要换算成相应的小时交通量、日交通 量、月交通量和年交通量。安立路的三个路口调查交通量整时换算将最大通行量时间段的交通量 换算为小时虽大通行量，把1 5 分钟最大通行量换算为小时最大通行量。 经整理后最终得到的各路口高峰小时流量表分别见第四章中的表4 1 ，表4 8 ，表4 - 1 7 。 2 3 车辆速度的调查与整理 区间车速调查资料通常用于掌握道路交通状况，作为评价道路服务水平的主要指标，作为线 路改善设计依据和衡量道路上车辆运营经济性的重要参数。区间车速调查方法有牌照法、跟车法、 五轮仪法、光感测速法和流动车测速法等。 本次调查采用牌照法。牌照法是在调查路段的起点和终点设置观测员记录通过观测点的车辆 类型、牌照号码、各辆车的到达时间。测完后，将两处车型及牌照号码进行对照，选出相同的牌 照号码，计算通过起点和终点断面的时间差即为行程时问，用路段距离除以行程时问得到行程车 速。此法适用于无大型交叉口，单向一车道或流量不很大的单向双车道公路，观测路段不宜超过 5 0 0 米。牌照法主要优点在于取样速度快，室外工作时间短，能准确测得不同时段的平均行程车 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章交通数据调查与整理 速及各种类型车辆的平均车速、通过断面的单向交通量及车头时距，便于进行交通工程中的微观 分析。但牌照法测得的只是起点和终点的行程时间，无法知道车辆在行程之间的延误及交通阻滞 情况，当路段之间有交叉口时，由于车辆在交叉口的转向，使起点终点的车牌号不完全一致，增 加了工作量；在单向车道和大于两车道的路段，观测是由于靠边车道上车辆的阻挡，无法看清中 间车道上的车辆的牌照号码容易漏记号码，另外此法现场劳动强度大。本文车辆速度调查是在安 大路口和安北路口之间取一段2 0 0 米的路段进行的。调查数据见表2 1 。根据表中的数据，由公式 f | s i r ；z u( 2 - 2 ) 一1 计算得r ：! 坐：8 6 k r r g h 。参照美国交通调查手册中的置信水平为9 5 的最小样本量表可知， 1 4 1 所需的最小样本量为3 8 ，而观测的样本为1 4 ，远大于最小样本量，满足要求。 公式( 2 2 ) 中： r 一行程车速的平均变动范围，k m h ： e i s i 一所有速度差值绝对值的总和； 一所测车辆的行驶次数。 表2 1 车速调查表 观测号次 1234 5 6 7891 01 l1 21 31 4 小计 行程时i 司( s )2 3 3 61 8 1 71 71 61 7 3 4 2 51 31 41 41 71 92 8 0 利用观测的行程时间和路段距离f 计算车辆速度： k 2 半 c 粥， 如m = 3 6 0 0 + 2 0 0 2 3 = 3 1 3k m h 式中：1 一路段长度，m ； t l 一第i 车的单程行程时间，s 。 计算区间内平均车速： 3 6 l n k 。_ 一 ( “) 善 巧= 3 6 + 2 0 0 + t 4 2 8 0 = 3 6 k m h 用公式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 计算得出的数据，仅是为了了解掌握安立路的交通状况，并为后面 第五章的主干路协调控制设计提供一些参考性数据。 通过调查得到的各路口几何形状图及用录像法采集到豹信号配时方案，其具体情况见第四章 中各路口的交通状况介绍。 8 第三章信号交叉口交通控制的基本原理与交通仿真 本章将介绍信号交叉口交通控制方面的一些基本原理。如交通渠化、信号配时计算等。将这 些原理同上一章的交通调查紧密结合起来，才能针对交叉口所表现出来的问题提出相应的、有效 的措施。 3 1 组织管理 平面交叉口是道路的重要组成部分，平面交叉口通常由两部分组成。第一部分为外围通行区 域。指从进口开始展宽处到停车线，包括进出口车道的直行、左转、右转车道以及相应的拓宽段 及过渡段。第二部分为中心通行区域即为停车线包围的区域，其中设有人行横道，标志标线及渠 化设施等，各个流向的彳了入、自行车及机动车按照一定的通行次序依次在这个区域通行。通常， 交叉口的拓宽渠化设计、交通组织及信号控制都在此完成。平面交叉口的交通运行是干路交通运 动中至关重要的一环。因此平面交叉口的优化对于干路通行能力的提高尤为重要，其方法主要有 如下文提到的几个方面。 3 1 1 交通渠化 在道路上用路面标线、分割带、交通岛等方法来使不同类型的交通、不同方向和不同速度的 车辆能像渠道内水流那样，顺着规定的方向、互不干扰地、顺畅地通行，这就称为渠化交通。从 渠化交通的定义可以看出路口渠化的目的简单地说就是合理地引导各流向的车流更通畅更有序 地通过交叉口。为达此目的。必须合理地分配交叉口的空间资源道路资源，确定左转、直行 和右转这三个流向的车流分别占用几条车道，或哪些流向共用一个车道更合理些。分配原则就是 按照各流向车流量的比例和进口总车道数均衡分配。也就是说在不同的交通流向中，车流量高的 车流占有较多的车道，车道数与车流量成正比。在路段上，通常按照交通流性质和流量，用分割 带和路面标线，划分出各种车道实现渠化。在交叉口，由于交通流产生交叉、分流、合流等复杂 情况，发生交通冲突和交织，导致交通混乱，容易发生交通阻塞和事故，所以要在临近交叉口前 的路段上即组织好交通流，用导流车道进入交叉口、引导车道直行、左转弯和右转弯，使交叉口 获得安全而有秩序的交通效果。 ( 1 ) 交通流渠化的主要作用 1 ) 疏导交通，提高车速 利用导流车道、分割带和交通岛等方式将直行、左转弯和右转弯车辆分道行驶，使驾驶员容 易辨明行驶方向，有秩序地通行，使车辆能以较高车速通过交叉口，减少交遥阻塞。 2 ) 减少冲突点，控制冲突角，提高交通安全 利用交通岛的不同布置形式来减少冲突点和控制冲突角。 3 ) 限制超车超速，保护行人过街 利用交通岛限制车道宽度控制车速，防止超车，防止车辆在交叉口转错车道，并利用交通 9 中国农业大学硕士学位论文 第三章信号交叉口交通控制的基本原理与交通仿真 岛作为行人过街时避车的安全岛。 ( 2 ) 导流车道设计 1 ) 设置条件 左转车道；左转弯车流与直行车流造成冲突点是交叉口的一个主要问题。因此在交通量较大 的干线道路，当左转弯车流比重较大时，应安排左转弯车道。在t 形路口，也宜设左转变车道。 一般认为，当设计车速小于6 0 公里小时交通量小于5 0 0 辆4 时的双车道道路可不设左转弯车 道。有关专用左转车道的设置可遵循下列原则： 需要完全地保护左转相的地方，应设置专用左转道。 左转交通量超过1 0 0 辆，j 、时时，应予考虑设置专用左转。 左转交通量超过3 0 0 辆小时时，应考虑设置两条左转车道。 左转停车道长度应足以应付转弯交通量而不应降低引道的安全和通行能力。 右转弯车道：一般是将右转弯和直行车道合在一起，即不一定所有交叉口都设置专门的右转 弯车道。一般认为当右转弯交通特别多或右转弯交通速度要求较高时，以及右转弯车辆和行人都 比较多时，均应设置单独的右转弯车道。一般右转交通量超过3 0 0 辆4 时以及毗邻主要车道交通 量也超过3 0 0 辆小时车道时，应考虑设置专用右转车道。 车道数：一般主要道路设置充分的车道数，使直行加右转交通量之总和不超过4 s o 辆4 , 时 车道。 2 ) 设置方法 设置左转弯车道通常采用以下一些方法： 无分割带的路段，将车行道中线偏移，压缩车道宽度，留出左转弯车道；为使司机识别， 在偏移后的中线部分画上斑马线。 无分割带的路段，取消停车道，留出左转弯车道。 中央分割带比较宽时。可占用其一部分宽度作左转弯车道。 有条件的路口，将路口局部拓宽，设置左转弯车道。 设置右转弯车道，可在设置左转弯车道的同时布置，也可采用取消停车道或拓宽路口的方法 设置。当右转弯车辆不多时，最右侧车道可兼作直行及右转弯使用。 3 ) 车道宽度 导流车道宽度可略窄于路段上车道宽度。 4 ) 车道长度 左、右转弯车道长度为滞留长度厶与翻之和，即= 厶+ l d 。 对于无信号管制的交叉口，滞留长度按一分钟内到达的左、右转弯车辆数求算。 对于信号管制的交叉口，车道长度按每个信号周期内到达的左、右转弯车辆数的二倍或用下 式计算： li 墨查主望堕萼霎鐾皇萎篓善鍪兰篁燮x 汽车长度( 3 - 1 ) 每小时信号周期数 一 。 减速长度按减速过程中的初速巧和玛( 公里小时) = 豢 以及减速率a ( 米秒2 ) 用下式求算 ( 3 ，2 ) 中国农业大学硕士学位论文第三章信号交叉口交通控制的基本原理与交通仿真 当减速长度短于渐变长度时，则采用加宽渐变长度。 5 ) 渐变段长度 当车道宽度改变、车道数改变和中心线移动时，路面划线需要设渐变段，其长度一般可参考 下式采用： 对于偏移车行道中心线并压缩车道线宽度的情况： 渐变段长度l ；三y s 0 6 1 i s ( 3 - 3 ) 3 对于偏移车行道中心线并压缩车道线宽度( 设斑马线) 的情况： 1 渐变段长度l 一妻y ( 一s ) 0 6 v - ( 矿一s ) ( 3 - 4 ) j 式中：y 一设计车速或8 5 车流量中可能达到的最大车速，k m h ； s 一中心线偏移量，m ； 一转弯车道宽度，m ； ( 3 ) 交通岛设计 1 ) 交通岛分类 导向岛用于控制和指引交通： 分车岛用于分隔反向或同向车道； 安全岛用于行人横过道路时作避车地点； 中心岛用于车流绕行。 2 ) 导向岛与分车岛 交通岛按其功能、所在地位而设计，一般应使其面积大些数量少些；应避免设置过多的小 岛；应使行近车辆的驾驶员容易识别；在岛的端部及曲线部分不设其它设施，也可以考虑同时使 用交通标志、路面标线，及照明设施。 3 ) 人行横道安全岛 当路面较宽，人行横道较长时( 例