（交通运输规划与管理专业论文）干道控制系统两种协调方法的比较研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文第1 页 摘要 y 3 1 8 7 8 d 本文首先对城市干道交通协调控制的两种方法一一 、一一一l 、一一一一 绿波带法和仿t r a n s y t ( 面控方法在线控上的特殊应 用) 法进行了理论探讨。并通过对干道上车流运动状况 的模拟，建立了相应的交通模型，编制了绿波带软件和 仿t r a n s y t 软件。最后，针对成都市一环路西北段运 用了所编制的软件，通过对两种方法控制下该路段交通 信号协调效果的分析和比较，得到了绿波带法和仿 t r a n s y t 方法的各自特点和适用范罔。 关键词：千道+ 韧i 调瑶湖水绿波带仿t r a n s y t 西南交通大学研究生学位论文第2 页 a b s t r a c t i nt h ef i r s t ，t h i st h e s i si sa b o u tt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h w o r ko ft w om e t h o d sf o r a r t e r y t r a f f i cc o n t r o l - r - r - r - - t h e g r e e nw a v eb a n da n d i m i t a t i n g t r a n s y t ( a r e ac o n t r o l s y s t e mi s u s e di n a r t e r yt r a f f i cc o n t r 0 1 ) t h e nt h e t r a f f i c m o d e l sa r es e tu pa n dt h eg r e e nw a v eb a n da n di m i t a t i n g t r a n s y t p r o c e d u r e s a r ef o r m e d a c c o r d i n g t ot h e s i m u l a t i n go fm o t i o nc o n d i t i o n so ft r a f f i cf l o wi na r t e r i e s a tl a s t 。t h ep r o c e d u r e sa r eu s e di nt h en o r t h w e s ts e c t i o ni n l o o p 1o f c h e n g d u a c c o r d i n g t ot h e a n a l y z i n g a n d c o m p a r i n go ft h e c o n t r o le f f e c t so ft h et w om e t h o d s ，t h e t h e s i sp r o v i d e dt h et w om e t h o d s c h a r a c t e r i s t i c sa n du s i n g s c o p e k e y w o r d ： a r t e r yt r a f f i cc o n t r o l g r e e nw a v eba n d i m i t a t i n gt r a n s y t c h 1 4 0 8 0 9 7 ；1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 。l交通信号控制的产生和发展 1 8 6 8 年在英国伦敦街头首次出现了使用燃汽的色灯信号，用于指 挥车辆行驶，这种信号依照铁路信号显示方式由红灯与绿灯组成，后来 由于燃汽爆炸未能推广使用。1 9 1 4 年，美国在克利夫兰城安装使用了人 工操作的电气照明信号灯，这种信号设置在交叉口中央的信号塔上，四 个方向均有直径为3 7 5 c m 的红、绿、黄三色的园形投光器。许多国家采 用后又逐渐给予了改进。当时，信号灯仅仅是为了使各冲突车流分时地 使用交叉路口和减少交通事故而设置的。但不久人们发现，只有适当地 调整信号灯各相位的长短及比例，才能高效率地利用交叉路口，由此开 始了优化信号配时的历史，即信号灯最优控制的历史。在最初的信号灯 最优控制中，各交叉路口互不联系，各自为政。之后，出现了一个突破 性的改进：处于一条主干线上的一串信号灯同时动作，即各路口的绿灯 信号谁先亮、谁后亮，晚多少时间，要遵循一定的规律，形成一条绿波 带，使来往于这主干线上的车辆能够一路不遇上红灯而顺利通过。1 9 1 7 年，第一个具有此功能的所谓绿波系统在美国盐湖城建成，各信号灯通 过一些机电设备互联起来，实现同步动作，各信号灯的周期时间是统一 的，且不能随时间改变，即所谓定周期方式。这种无计算机的、定周期 的各路口信号灯协调最优控制是交通信号灯控制的第一代。 1 9 5 9 年，加拿大多伦多市开展了对模拟计算机控制信号机的研究。 1 9 6 4 年多伦多成了世界上第一个具有城市交通计算机控制的城市，城市 交通信号灯控制自此揭开了新的一一页，计算机集中控制是交通信号控制 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 话南交通大学研究生学位论文第2 页 的第二代，这一代系统的起止时问大致为1 9 6 0 年至1 9 8 0 年。 随着体积小、售价低的微型计算机的出现和迅速发展，现在已迎来 了信号灯计算机控制的第三代，即分散控制。它从根本上解决了集中控 制的弱点，并且最新研究又把智能引进了分散控制。 自从计算机应用于交通系统以来，控制系统的控制规模逐渐从单个 交叉路口的点控、单条干道的线控发展到整个网络的面控。更重要的是 控制方式也从离线定周期控制发展到了在线实时控制，并且在线实时控 制方式的适应交通流变化能力不断增强，控制效果不断提高。目前，城 市交通是否由计算机控制和管理也成为城市现代化建设水平的一个评价 标准。 1 2交通控制系统的分类 交通信号控制系统在不同的国家有多种不同的模式，但根据控制的 范围和控制的方式，都可归结为以下两类： 根据控制的范围分：单点控制( 点控) ；干线控制( 线控) ：区域控 制( 面控) 。 根据控制的方式分：定时控制和自适应控制。定时控制又可分为一 段定时和多段定时：自适应控制又可分为方案选择方式和方案形成方式。 一按信号控制范围来分类 ( 一) 单点控制系统一一点控制 这种控制方式是一个个道路交叉口或交通枢纽的信号灯各自不相关 的独立运行，是信号化交叉路1 ：3 交通控制的最基本的形式。目前，我国 一些大城市采用的自动信号就属于这种类型。 这种系统只适用于交通量变化不大的路口，是一种初级控制方式， 所用设备较简单，只需在每个交叉口设置一台信号机即可，无须设置主 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 i i 露南交通大学研究生学位论文第3 页 控信号机或控制中心，投资节省，设备运营费用低。然而它的控制效率 也较低，这是因为缺乏必要的灵活性，不能根据交通的实际状况来调整 配时方案。此外，各个交叉口之间无协调关系，这就使得车辆在行驶过 程中，受信号阻滞次数增多，延误时间加长。 ( 二) 主干道交通信号协调控制系统线控制 这种控制方式是在一条或几条道路上，将所有交叉口信号灯的运行 以某种方式协调起来，按照一个既定方案同步联动。即所谓“线控制系 统”。线控制多采用绿波带控制，适用于城市的主干道，如大的环状路或 放射路。 在实施联动的干道上，车辆驶到第一个交叉口时，可能要等待绿灯 放行，通过后以一定的车速驶到以后的各交叉口时，信号多协调为绿灯， 以保证干道上车辆的畅通，提高于道上的车速和通行能力。同干道相交 的次要道路，在一定程度上服从干道的交通。实际上，由于种种因素的 影响，难于做到从第一个交叉口到最后一个交叉口，在很长一段的路程 上都遇上绿灯，往往经过几个路口后就会出现红灯。但遇上红灯的机会 总比不加协调的点控制要少。 ( 三) 区域性控制系统一一面控制 区域交通控制系统是将城市某个区域中的所有交叉口作为控制对 象，对各交叉口的交通流用计算机进行统一的协调控制，即“面控制”。 小的城市可以集中统一控制，大的城市采用分区控制，而各分区的 控制又由中央控制室调节。区域控制在道路网中用多方向绿波带控制， 也就是将若干线控系统相互连接形成网络，决定面控相位差不仅要考虑 区间的优化，同时也要考虑全路网的优化。 二按控制方式来分类 ( 一) 定时控制方式 西南交通大学研究生学位论文第4 页 这种方式，利用交通流历史统计数据，进行脱机优化处理，得出多 时段的最优信号配时方案，存入控制器或控制计算机内。对整区交通实 施多时段定时控制。 城市道路交通有早高峰、晚高峰，所以定时控制的参数可分为三类， 即早高峰、晚高峰和平峰。在多段定时交通控制中，多使用适合上述三 种交通形式的称为三段定时交通控制。定时控制简单、可靠、效益投资 比高；但不能适应交通流的随机变化，特别是当交通流量数据过时后。 控制效果明显下降，重新制定优化配时方案将消耗大量的人力重作交通 调查。因此，此种方式多适用于交通量不大的交叉口。 ( 二) 感应自适应控制方式 它是一种实时联机的控制方式，也叫动态响应控制方式。在控制区 交通网络中埋设检测器，实时采集交通流数据，实施联机最优控制，既 能控制个别路口，也能控制城市干道和区域。 它又分为方案选择控制方式及方案形成控制方式。方案选择控制方 式是在以往交通资料的基础上，制定出几个可供选用的控制方案，然后 根据实测的道路交通资料，在l 二述方案中随时选择适合该交通状况的最 佳方案。比较有代表性的系统是澳大利亚的s c a t 系统；而方案形成控 制方式，则无须事先确定控制参数和给定选用的方案，而是根据实测的 交通资料，决定最佳的控制参数及方案，从而实现交通控制，比较有代 表性的系统如s c o o t 系统。自适应控制结构复杂、投资高、对各种设 备可靠性要求高；但能较好地适应交通流的随机变化。 1 3 我国城市道路交通控制系统的现状及本文思路 一国内交通控制系统发展概况及未来模式 我国在城市道路交通控制系统方面的工作起步较晚，在七十年代后 西南交通大学研究生学位论文第5 页 期北京市开始采用d i s 1 3 0 型计算机进行了干道协调控制的研究。八 十年代以来，城市道路交通问题越来越严重，国家一方面进行以改善城 市中心交通为核心的u t s m 技术研究，另一方面采取引进与开发相结合 的方针，目前我国已有三十多个城市建立了城市道路交通控制系统。如： 北京引进了s c o o t 系统，上海引进了s c a t 系统，深圳市引进了日本 的监控系统等。已经在运行中的系统，越来越表现出它良好的社会、经 济和生态效益，减少了车辆停车和延误造成的损失，缓解了交通拥塞 减少了交通事故，减轻了噪音和空气污染，提高了路段和路口通过能力， 改善了交通警工作条件，增加了现代化城市的科学文明色彩。但是引进 中也存在许多不尽如人意的地方：首先，由于国情的不同，引进系统的 适应性较差，如国外交通中非机动车流的比重非常小，一般不予考虑， 而在国内交通中，非机动车流占了相当大的比例，由非机动车引起的机 非混杂，不仅降低了机动车的行车速度，而且增加了交通事故；其次由 于实时检测系统设备比较昂贵，在国内引进的系统中，一般都要作些筒 略，这也将影响设备的可靠性和检测数字的准确性，控制效果相应就差 一些。 可喜的是，在国家计委、国家科委的批准下，公安部、南京市完成 了“七五”攻关项目，建成了南京城市交通控制系统( 代号2 4 4 3 ) 。此 项目的攻关目标是研究和建立适合中国国情的机动车与非机动车混合交 通的城市控制系统。此系统结合了s c o o t 与s c a t 的优点，是我国完 全国产化自行设计建成的第一个适应中国混合交通条件及路网密度低、 路口间距悬殊的城市交通控制系统。但是在运行中也有不足之处：第一 优化目标综合了行车延误、停车次数、阻塞度、但未充分考虑提高能力； 第二机动车与非机动车控制模式尚不完善，车流相互影响仍大量存在， 限制了系统效果。因此如果在协调控制之前，对机动车和非机动车进行 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第6 页 时间或者空间上的分离( 机非时空分离) ，控制效果会更好。 综合分析国内外先进的城市道路交通控制系统，结合中国大城市道 路交通的实际情况，充分考虑现代科学技术成果的使用，中国城市道路 交通控制系统的发展方向应是： ( 1 ) 多模式化：首先在系统结构上，应吸收集中式s c o o t 、分布 式s c a t 、半分布式n u t c s 各自的长处，在控制范围内各个区域采用灵 活可转换的系统结构，以达到在系统结构上适应交通流的区域变化；其 次在系统目标上，应根据不同区域的实时交通情况，对路口能力最大、 总延误最小、排队长度最短等目标进行筛选和组合以确定不同的系统目 标，这样系统优化更具针对性；再者在控制战略模式上，应有适应交通 拥挤状态下和适应中等交通量的方式。 ( 2 ) 智能化；随着信息技术的高度发展，作为道路交通控制系统应 能为车辆提供准确、及时、多样的信息，在传统的信息广播、可变情报 板的基础上，应在城市中建立与控制系统协调的集中式g p s 诱导系统， 并与公路的智能车辆公路系统相衔接。 ( 3 ) 最优化；t r a n s y t 与s c o o t 都采用交通模型来优化配时， 但由于当时计算机技术的限制，在模型算法求解上有一定的局限性，在 线爬山法及小步长渐近寻优常常能获得有限的局部甚至整体最优解。随 着计算机技术和优化理论的发展，在线优化有可能获得更好的局部甚至 整体最优解。同时要看到无论t r a n s y t 还是s c o o t 、以及n u t c s 都 立足于路口、控制区域建立交通模型，以获得路口控制参数，同样随着 计算机技术和优化理论的发展，建立立足整个路网的动态交通分配模型 和整体优化模型并求解，达到对路口控制参数进行调整从而实现在整个 城市范围内对交通流动态进行协调控制是可行的。 ( 4 ) 规整化：任何控制系统都是立足于一定的道路与交通条件下， 西南交通大学研究生学位论文第7 页 因而使用道路与疏导交通流的方法对控制系统会产生深刻的影响。在建 立一个城市道路交通控制系统之前，必须对道路状况及交通流状况作出 交通流疏导方案和道路使用方案，制定出交通规则，使得道路交通更加 规整。 ( 5 ) 通用化与模块化：鉴于s c a t 控制方式受硬件及汇编语言编制 的限制，只能在p d p i l 系统计算机上实施，而s c o o t 、u n t c s 都使用 高级语言编程，便于推广使用，特别是u n t c s 在软件编制上全部模块 化，更有利于开发研制和进一步完善。控制系统在研制中应立足通用化 和模块化，以有利推广和完善。 二本文研究思路 本文着重进行城市干道交通信号协调定时控制的研究。实时控制效 果虽好，但其系统结构复杂，设备投资较大。对一个城市来说，如果其 城建规模基本确定，那么其交通流量相对较稳定，此时对单独路口或是 干道采用定时控制，就可取得较好的控制效果。并且由于定时控制系统 硬件和软件技术都非常简单，设备所需投资较少，效益投资比高，因此， 在现实条件下，仍有一定的实用价值：同时如果注意观察我国交通状况 就会发现：城市中比较拥挤的往往是几条大的干道，支路上的饱和度相 对来说比较低，如果能把干道上的交通流协调好，就解决了大部分的交 通问题，本文即是在这一思想指导之下着手进行研究的。在对干道的定 时协调控制研究中，提出了两种控制目标：一是使于道的通行能力最大 一一最大绿波带法，一是使干道上车辆的总停车次数和延误时自j 最小一 一仿t r a n s y t 法。分别介绍了它们的配时原理以及优化方法，并结合 成都市一环路西段和北段路口情况，开发了相关软件，对两种目标下的 控制效果和适用条件进行了评价。 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第8 页 第二章定时信号配时基本原理 信号灯交叉口的实际通行能力，以及车辆通过交叉口时受阻滞程度， 不仅与交叉口的几何线型有关，还直接受配时方案影响。在现有道路条 件下，如何改善配时设计方法，设法寻求一个最优配时方案，便成了提 高交叉口运行效率的关键。 单独交叉口的信号控制，又称“点控”，它的配时原理是联网协调控 制和实时( 感应) 控制的配时基础。点控配时的主要设计参数是信号周 期和绿灯时间。实行联网协调控制的交叉口群，绿灯起步时差也是一个 重要参数。 本章将首先概述点控的控制方式和定时控制的特点以及交通信号控 制的基本参数，其次详细说明定时控制的配时方法及步骤。 2 1点控特点及基本控制参数 单独信号机的控制，即点控方式，在控制上，被控交叉口信号与相 邻的其它交叉口信号不发生联系。 点控分定时控制和感应控制两种。定时控制所使用的设备是定周期 信号机，感应控制所使用的，除了感应式信号机外，还有设置在交叉口 处的车辆检测器。 定时控制就是定周期控制，定时控制任何一个时段内的信号周期和 绿信比是固定不变的。而交叉路口的交通状况是随机变化的，但通过交 通调查和统计，可寻找到交通流量与流向变化的基本规律，这也就是交 西南交通大学研究生学位论文第9 页 叉口信号定时控制的基本依据。定时控制系统简单，投资少，便于维护 而被广泛采用。 这一节介绍交通信号控制的三个基本参数，即周期长度、绿信比和 信号相位，以及相位差的概念。 一周期长度c 是信号灯绿、黄、红显示一周所需的时间，即各种灯色显示时间之 和，用c 表示，单位为秒。 c = g + 足+ a( 2 1 ) 式中： c 一一周期长度 e 一绿灯时间 a 一一黄灯时间 r 一一红灯时间 秒 秒 秒 秒 信号周期长度的大小取决于被控交叉口的交通流特性和所采用的控 制方式，通常交通量越大，周期就应该越长，反之，周期就应短一些a 二绿信比x 在一个信号周期中，有效绿灯时间分配给各个信号相的情况，常用 绿信比入表示，九为有效绿灯时间g 。( 将在后面讲到其定义) 与周期c 的比值： a ：生( 2 2 ) c 交叉口主干道与次干道上有效绿灯时间不一定相等，故它们的绿信 比x 。和 2 也不一定相等，为使主干道交通畅通，应该有九。 ：。 三相位舻 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 i i 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 相位是信号轮流给某些方向的车辆或行人的通行权。某一个交叉口， 东西方向亮绿灯，称此时绿信号为东西相或第一相仍；南北方向亮绿灯， 称为南北相或第二相9 ：。可以用有向线来表示信号相，有向线的箭头方 向与车辆运动方向一致。如图2 1 ，对于普通十字交叉路口，用有向线 表示二相位制。 纯吼 欠莎 图2 1 相位数及其组合方法对交通控制的安全和效率有着决定性影响。一 般说来，相位数越多，分离交通冲突越好，越安全，可另一方面，由于 相位数的增加，将降低交叉口的通行能力。 相位一经决定之后，要考虑到人们的习惯，不能轻易改变。而且相 位的选择和计算是很复杂的问题，迄今还没有成熟的相位优化设计方法。 四相位差口 相位差，即绿时差，设某一交叉路口为参考点，任何一个交叉路口 绿灯信号开放时间与参考点绿灯信号开放时间之差称为绝对相位差；干 道上任何两两相邻的交叉口绿灯开放时间的差叫做相对相位差。相位差 的计算，可以绿灯或红灯的起点或以绿时或红时的中心点作为标准。 2 2点控信号的配时和通行能力 单点控制交叉口配时大多采用f 韦伯斯特一一b 柯布理论。在评价 三 西南交通大学研究生学位论文第1 1 页 信号参数是否最佳的指标中，延误时间是驾驶人员最为关一t l , 的，而且也 容易折算成经济损失来估计信号控制的经济效益。韦伯斯特方法，就是 以车辆延误时间取最小值为评价标准的计算信号配时的一种方法，其核 心内容是两个公式：一个是单车延误计算公式，一个是最佳周期长度计 算公式，后者是由前者推导丽来。下面先说明有关的术语及参数，然后 介绍此种方法的配时和通行能力的计算。 2 2 1 基本术语及参数 一饱和交通流 如图2 2 ，在绿灯刚启动的几秒钟内，除了车队中最前砸几辆车， 由于确认信号和启动加速形成通过停车线车头间隔时间较长外，其余车 辆差不多以均匀而很小的车头时间间隔通过停车线，这种状态的交通流 叫作饱和交通流。或者说，在绿灯信号期间内，车辆的待行行列连续存 在，这时通过交叉路口停车线的最大流量叫饱和交通流量。一个交叉路 口各方向进1 3 道的饱和流量可以调查实测，饱和流量与交叉路口的几何 构造，左转和右转交通量，车队的车种车型结构以及其它众多因素有关。 饱和交通流量用s 表示，单位为辆有效绿灯小时。 通过停车线时的平均车头时距 24681 01 21 41 61 82 02 42 6 通过停车线的顺序 图2 2 所谓有效绿灯小时是指以小时计的有效绿灯时间。下面介绍有效绿 灯时间的概念。 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 谣南交通大学研究生学位论文第1 2 页 有效绿灯时间为g 。= g + 4 一( 2 3 ) 式中： g 。一一有效绿灯时间( 秒) g 绿灯时间( 秒) a 一一黄灯时间( 秒) l 为交叉口总损失时间，在计算该参数之前，必须对车流通过信号 灯控制的交叉口的运行特性予以了解，如图2 3 所示。 驶出率 ( 辆，j 、时) 时阔( 秒) 注：i j 表不绿时初损失，表不黄时尾损失 图2 3车辆通过停车线的驶出率与时间的关系 从图中可以看出，当绿灯信号刚开启时，车辆的驶出率并不很高， 因而开始时那一小段绿灯时间没有得到充分利用，导致了损失时间，( 又 叫绿时初损失) ：而在黄灯时间里，车流量由大变小，逐渐降低到零，所 以黄灯时间亦有一部分被损失掉，命之为损失时问1 2 ( 又叫黄时尾损失) 。 那么这些时间损失是如何产生的呢? 绿时初损失主要由机动车的起动延误以及自行车流的干扰造成的。 在绿灯初显时，车辆有起动延误时间，一般约为2 3 秒。同时在我国的 道路网上，由于自行车流的存在，红灯期间大量自行车在路口停车候驶， c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 而自行车又具有起动灵活的特点，故绿灯刚开始显示时，自行车流将先 于机动车流通过路口，必然对机动车的起动带来影响，故绿灯前损失时 间应根据各交叉的车流( 包括非机动车流) 状况和平面布局具体测定计 算得到。非机动车流越大，路口愈宽值愈大。总体来说，绿灯前损失时 间为4 8 秒。如果非机动车进口道宽阔，停车线靠前，车型统一，则利 用自行车可压缩流且灵活机动的特点，使其以密集队形通过路口，减少 对机动车流的干扰，绿灯前损失时间就可降低。 而在绿灯关闭、黄灯开启时，车辆已不允许越过停车线，只有绿灯 期间已经越过停车线的车辆可以继续通行，因此，这段时间里的车流量 由大变小，逐渐降低到零，所以，黄灯时间也有一部分被损失掉。 因此损失时间可用下式求得： l = ，l - f + 尼( 2 4 ) l 为一相信号的损失时间，它包括绿时初和黄时尾两部分损失时间。 n 信号的相位数； 足+ 为一个周期中的全红时间。如果每相绿灯后都有全红时间r ，则： r 。= r i 。所谓全红时间是指交叉口各入口道信号灯均为全红的时间。 i = l 设置全红时闯是为了彻底清除已进入交叉口的车辆，保证下一相绿灯开 启时交通畅通和安全，但在无形中增加了延误时间，本系统此值设为0 。 二通行能力 道路的通行能力是指畅通道路上某一地点交通的能力，即单位时间 内通过某一地点的最大交通量。 在信号控制的情况下，交叉口上某一入口车行道上的通行能力可使 用下列公式计算： a 1 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 匿南交通大学研究生学位论文第1 4 页 ，：掣 ( 2 5 ) c 式中： m 一一信号交叉口某一入口道的通行能力( 辆，j 、时) g 。某相信号的有效绿灯时间( 秒) s 入口道饱和交通量( 辆小时) c 信号周期长度( 秒) 则交叉口的总通行能力为：n = m ，n 为相位数。 三流量比口 到达各方向进1 ：3 道停车线的实际交通量与饱和流量之比，叫流量比 ( 无纲量) 。交叉1 ：1 总交通流量比p ，是全部各相临界车道的交通流量比 p i 之和。所谓临界车道，是指每一信号相位上，交通量最大的那条车道。 临界车道的交通流量比等于该车道的交通量和饱和流量之比，即：可用 下式求得： 胪 ( 2 _ 6 ) 式中： p ；第i 相信号临界车道的交通流量比 g ，一一第i 相信号临界车道的交通量( 辆，j 、时) s 入口道饱和交通量( 辆d 时) 则 p = n ，n 为相位数 i = 1 ( 2 7 ) c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 “ 嚣南交通大学研究生学位论文第1 5 页 一般p 0 7 ，就可能发生 阻塞。 2 2 2 最小信号周期长度 设两相位信号周期为c ，一个周期的总损失时间为l ，因此一个周 期内，允许通行的全部有效绿灯时间为c l ，为使信号对交通流发生控 制作用，必须遵守下列条件： p 茎c - l ( 2 - - 8 ) c 将上式移项，可得 ， c = c m ( 2 - - 9 ) l 一口 这是为了能适应交叉e l 流量比p 所需要的最小而必要的周期长度c 。 在式2 8 和2 9 中的l 为一个信号周期的总损失时间，从z 3 1 中讨论可知，l 几乎为一定值，与周期长度c 无关。而且c 越小，l 在 其中所占的比重越大；反之越小。 而且，由式2 9 ，当l 为定值时，仅仅p 与c 有关。交叉口流量比 p 越大，要求的周期c 。越大；反之越小。 周期的最短极限是取决于最小绿灯控制时间，不能短于4 0 秒，周 期的最长极限，根据交通心理学不能超1 8 0 秒，所以周期长度可以4 0 1 8 0 秒的范围内选择。 2 2 3 最佳信号周期长度 在信号控制的平面交叉路口，为了把交通冲突点在时间上分隔开 来，各干道方向的车辆必须在交叉路口进行停车排队等待，再加上停车 西南交通大学研究生学位论文 第1 6 页 减速和起动加速，交叉口的交通时问延误是不可避免的。在计算交叉口 的时间延误时，为简单起见，对于独立的平面交叉路口，认为到达的交 通流是接近均匀的，即假设都是以相同的车头间隔时间到达。那么在非 过饱和的平面交叉路口的一个进口道上，每一个信号周期的车辆总等待 时间d 就相当于图2 3 阴影的三角形面积。图2 3 和图2 4 是进口道 停车数和时间的关系。 s ( t ) 一一离开率( 按饱和 庀)q ( t ) 一一到达率 【二二= 1 二= rgrg 图2 3 grg 图2 4 设在绿灯启亮后时间f ( 图中虚线所示) 内，交叉口某进口道停车 线内排队等待的车辆完全消散，由图2 4 可得： 式中 q ( r + t l = s t q r = ( s - q ) r ，：生 s q q 到达交通量( 辆，j 、时) s 一一离开交通量，为饱和交通量( 辆，j 、时) r 一一红灯时间( 秒) f 绿灯启亮后排队等待车辆消散时间( 秒) ( 2 一1 0 ) c h 0 0 1 枷0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 7 页 由图2 4 可知，阴影三角形面积即车辆延误等待总时间d n ：! 艘f ：一l q r $ r ：堡塑：丛：( 2 m 1 1 ) 2 2 ( s 一窜)2 ( s g )z ( 1 一p ) 那么一个周期内每辆的平均延误时间为： 矗：坚：土：墨：( 2 - - 1 2 ) 2 ( 1 一口) q c2 c ( 1 一p ) 把r = c ( 1 一代入上式，每辆车平均延误等待时间，可表达为： d ：曼! ! = 生：c ( 1 - 2 , ) 2( 2 1 3 ) 2 ( 1 一p )2 ( 1 一a x ) 式中，x 为饱和度，就是实际的交通流量和从这个方向能通过交叉路口 的最大交通流量之比。即工= g s ) 。 2 1 3 式表示了交通流均匀到达引起的车辆平均延误时间，然而各 信号周期车辆到达率变化是随机的，因而车辆的受阻排队长度也随机变 化，经过长期的现场观测和计算机仿真研究，韦伯斯特提出下列计算单 车延误的公式： d=而c(i-兄)2+丽x2_o65斟“2训(2-14)2(1 1 一a 工) 2 l c 7 ( 一石)i 口2j 上面公式中第一项是由于车辆均匀到达交叉口而引起的延误，称为 均匀延误： d ：c ( 1 - 2 ) z ( 2 - - 1 5 ) d - 2 面j 百 公式第二颈是车辆到达的随机性引起的延误，称为随机延误： x 2 d r3 = 2 q ( 1 - x ) ( 2 1 6 ) 匿南交通大学研究生学位论文 第1 8 页 公式中第三项数值较小，常忽略不计，故有： 。m = 筹+ 嘉( 2 - - 1 7 ) 如果交叉1 3 有n 个相位，则交叉口总延误应为： d = 吼d ， ( 2 一1 8 ) 式中： q i 一一第i 项的车辆到达率 d l 一一第i 项交通的单车延误 韦伯斯特考虑以寻求交叉路口交通流延误时间最小来确定最佳周期 长度，则单独信号交叉口最优化问题可以归结为： 目标函数 约束条件 m 抽。= 缸扣百孤( 1 - 一2 铂1 ) 2 c _ + 未与h c 土 1 一p 由d 对c 微分求极值时，即即罢：0 ，就可得到使交叉口总延误取最小 o l 值的最佳周期长度的解析表达式： c ：1 5 l + 5 ( 2 1 9 )一， ” 1 - p 信号损失时间l 几乎为一定值，则c 。与交叉1 3 流量比p 唯一有关，到达 交通流量大，要求信号周期长些，才能使车辆延误时间最小。 2 2 4t r r l 信号配时方法 英国运输和道路研究所t r r l ( t r a n s p o r t a t i o na n d r o a dr e s e a r c h l a b ) 配时方法的理论基础，就是2 2 3 所述的w e b s t e r 最佳信号周期公 式，这一信号配时方法按以下步骤进行： c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 9 页 1 ，按t r r l 的经验公式来计算饱和流量的基本值： s = 5 2 5 w ( p c “， ) w 5 5 m 式中：p c u 为小汽车交通量单位的缩写，w 为进口道宽度，当b 5 5 米时，可由有关手册查出对应于不同宽度的饱和流量s 的基本值，然后 予于修正； 2 根据实际到达交通量q ，计算各方向进口道的流量比p ；，交叉口 的流薰比 p = n 3 计算一个周期的信号损失时间三，l = ，l z + r ，l 为相位数； 4 按式( 2 一1 9 ) 计算最佳信号周期长度c 。； 5 计算各相位有效绿灯时间。信号周期确定之后，各信号灯的绿 灯时问应按各相临界车道交通量作正比例分配，即： 量。旦( 2 2 0 ) 如p ： 由式( 2 _ 2 0 ) 可求出每一相位的有效绿灯时间：g d 2 ( c - l ) p 。, 6 计算各相位实际绿灯时间g ，= g 。+ ，一a ，式中，为第i 相信号的 损失时问( 包括绿时初和黄时尾) 7 作信号配时图； 8 计算通行能力：n = i = 1 9 计算各相停车及排队延误，参见2 3 2 。 至此，已完成了独立控制信号灯交叉口的最优信号定时配时方案的 西南交通大学研究生学位论文第2 0 页 设计，但是，有研究结果表明：车辆在通过交叉口量其运行参数，如延 误停车次数及排队长度均与实际允许饱和度( 即交叉口饱和度实用限值) 大小有关，这一限值定得越高，这些数值越高，交叉口运行状况越差。 实践证明饱和度实用限值定在0 8 0 9 之间，交叉口就可获得较好的运 行条件，在实用限值情况下所对应的周期长度即为实用最短周期长度c 。， 可用下式表示： c ，= l o p x ，) ( 2 2 1 ) 式中，x 。为交叉口饱和度实用限值，在对交叉口进行信号配时设计 中，实用最短周期c 。是一项重要参数，为保证路口支付状况的良好，信 号周期长度不得低于此值。x 。常取为0 9 ，特定情况可取o 。9 5 。 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第2 1 页 第三章干道信号协调控制的绿波带法 对于一条有若干交叉路口的主干街道，如果沿用前面讨论的孤立交 叉路口的控制方法来组织交通，那么，各交叉口的绿信比、周期长度和 绿灯开启时间是相互独立、互不联系的。这样一来，虽然各交叉口的控 制是最佳的，但整条干道的交通运行效果未必就好，甚至还可能增加停 车次数和车辆的延误时间。如果把主干街道的所有信号交叉口看作一个 系统，在相邻信号交叉口的绿灯起始时刻之间建立一种时问关系，从而 使车队每到达一个信号交叉口时，正好遇到绿灯。这样，沿干道行驶的 车辆，就可以获得不停顿的通行权，形成连续的交通流。这种线控方式， 称作“绿波带法”。实际上，即使在主干道上，由于种种原因，也很难做 到车辆在所有交叉路口上都遇到绿灯，一般经过几个路口将会遇到红灯， 但遇到红灯的机会比起信号灯单独控制时要少得多。 在本章中，首先说明绿波带法的有关参数概念，其次阐述绿波带法 的配时优化设计方法，最后进行最大绿波带法的程序设计。 3 1 绿波带法基本参数 一相位差目 在交叉口的联动控制中，相位差在实现交通畅通方面是个最重要的 参数。相位差也称“时差”，时差有绝对时差和相对时差，绝对时差是指 各个信号的绿( 红) 灯起点对于某一个标准信号绿( 红) 灯起( 中) 点 的时间之差；相对时差是指相邻两信号的绿( 红) 灯起( 中) 点之间的 时间之差，相对时差等于两个信号绝对时差之差。绝对时差的标准点多 西南交通大学研究生学位论文第2 2 页 取绿灯中心或绿灯起点，以绿灯中心为标准的时差与以红灯中心为标准 的时差是相等的。各信号的绿信比相等时，各时差都相等。一般多用绿 灯起( 中) 点作为时差的标点，称为绿时差。 二通过带 时距图上两条平行斜线间的空白带叫做通过带，它在各交叉口均遇 绿灯。 三带宽 指通过带的宽度，以秒为单位，表示在交通流通过带内可利用的时 间。 四带速 指通过带内车队的速度，在时距图上用通过带斜率的倒数来描述。 通过带愈陡，斜率愈大，车队速度愈小。 3 2 绿波带法配时优化设计 绿波带法配时优化设计，主要是确定干道上各交叉口的周期长度、 绿信比以及相位差，下面分别加一介绍。 一周期长度 通过点控配时设计，对每个交叉口的最佳周期值c 。已初步确定，但 对整个干道系统，因为每个交叉口的交通状况不同，故其最佳信号周期 也不同，但是为了协调各交叉口信号灯的运行，系统控制范围内的所有 交叉口，都应采用共同的周期长度，也可允许少数的交叉口采用不同的 周期，但必须与其它路口的周期长度成接倍数关系。所谓麸同周期长度 通常是指在负荷最高的关键交叉口计算出的最佳周期长度。 c h 0 0 1 4 0 8 0 9 7 1 1 西南交通大学研究生学位论文第2 3 页 在选用共同周期长度时，应注意：随机和过饱和延误是影响其长度 的主要因素。周期长度的下限是由饱和度决定的，若周期长度过短，会 导致随机与过饱和延误的剧增，因而周期长度不得低于实用最短周期。 同时周期长度也不宜过大，实践证明，在1 0 0 秒内，周期每增加2 0 ， 通过能力增加3 0 - 4 0 。超过1 0 0 秒时，周期每增加1 0 ，通行能力增 加仅1 - 2 ，而且，红灯时间随周期增长而变长，易引起驾驶人员的烦躁 情绪，从而造成事故率上升。 二绿信比 1 关键交叉口绿信比的确定 所谓关键交叉口是指交通负荷最重的交叉口。 首先，根据关键交叉口的各条进口通道的负荷大小( 即各进口道的 y 值与总的y 值之比例大小) ，计算出每一相位应该分配的有效绿灯时间， 然后根据信号阶段的划分情况和绿灯损失时问，再求出各信号阶段的实 际绿灯显示时间g 。具体计算方法参考2 2 4 。 2 其它非关键交叉口绿信比的确定： 非关键交叉口绿信比，除了要满足主控线路上关键路口所必须的绿 灯长度( 关键路口的绿灯长度) ，还要考虑沿途由支路上转弯进来的附加 车流及主车流本身可能发生意外离散，因而要适当加长绿灯时间，如果 将前者所要求的绿灯长度作为“最低限绿灯长度”，那么后者即为“最高 限绿灯长度”。 对于次要交叉口( 也即非关键交叉口) ，沿控制路线方向的“最低限 绿灯时间”等于关键路口沿控制方向的绿灯长度。而次要交叉口沿道路 控制方向所需的最长实际绿灯时问就等于协调控制系统的周期减去支路 的最短实用绿灯时间( 当然要扣除绿灯间隔时间) 。 若支路方向饱和度满足实用值z 。= 0 9 即可，那么它所需要的最小限 西南交通大学研究生学位论文第2 4 页 度有效绿灯时间为： 、= 钱 cs 川 折算成实际绿灯显示时间，则为： g 支小= p x 百, ( c 广- l ) + & 一4 ( 3 2 ) 沿主路方向的“最大限度绿灯长度”g 大应为： g 大= c 。一g 直小一， ( 3 3 ) 式中： g 大一一某次要路1 3 沿主路方向最大限度绿灯时间 c 。一一信号周期长度 n 该交叉1 3 为支路上车辆放行所安排的信号阶段数 g 刘、每一个支路专用信号阶段的最低限绿灯长度 ，一一全部信号阶段的绿灯间隔时间总和 值得注意的是，如果采用的周期值c 。小于c 实用，即： c 。 石0 而9 l ( 3 4 ) 那么按式( 3 2 ) 所求出的主路方向最大限度绿灯长度6 太则有可能小于 “最小限度绿灯长度”，在这种情况下，应当采用“最小限度绿灯长度” 做为g 人的值。换言之，在非关键交叉路口，沿绿波控制方向每周期内的 绿灯显示时间至少与关键交叉口的绿灯长度相等。 三相位差 西南交通大学研究生学位论文第2 5 页 相位差是线控系统中极重要的参数，寻求最佳相位差与许多因素有 关，计算相位差也有种种方法，在对此的研究中，摩根( m o r g a n ) 利特 尔( l i t t l e ) 的最大通过带法是较有代表性的。摩根和利特尔两人曾提出 在上、下行方向的速度不同和在各信号区间也互异的条件下，求出等时 差和不等时差的方法。但假定周期时间、各信号的座标位置及红灯时间 为已知。下面将对该方法进行讨论。 首先介绍临界信号。所谓临界信号，是指红灯时间的一端与一个方 向的通过带相接，而另一端与另一个方向的通过带相接的信号。临界信 号可分为红灯与上行前端及下行后端相接的第1 组以及与上行后端和下 行前端相接的第2 组。如图3 1 时距图所示。图中s ；属于第1 组，s 属 于第2 组。 r f 2 谢 一 f 0 l 瓷乒、 i i 、下行。 时 目 舭卜贯一6 。吲c 二 一l 图3 1 时距图 图3 1 与常见的时距图不同，纵轴代表距离，s ，、s 分别是交叉口 i 和交叉口；的信号灯位置；横轴代表时间，a 、b 、c 三点为信号s 。的 。o 三段红灯时间的中心点，其红灯时间分别为r ；和r i 。干道双向行车，b 为上行车队通过带宽度，b 。为下行车队通过带宽度；在两路口间，上行 一彀j 、f j 】t 西南交通大学研究生学位论文第2 6 页 行车时间为勺，下行行车时间为7 ，口为实现绿波交通应有的相对相位 差。如图所示，在s ；红灯结束后，绿灯开放，上行车队头车及全部车辆 顺序通过s ；，并通过s 。，当车队尾车越过s j 时，绿灯结束，红灯开始。 可见上行车队在s ；处卡头车，在s j 处卡尾车。在图上还可看到，下行车 队在s j 处卡头车，在s i 处卡尾车。为遵守这一约束条件，一虚确定s 。与s j 间的相对相位差9 ，眚筅上下行通过带宽度b 和b ，应满足如下不等式：。 t 0 西c，0 6 s c 在s 。处，a c 为两个周期的长度，按下行车队来考察： p+r_l吩“+粤或，c(3-2 5 ) 2 1 在s ；处，a b 为一个周期的时间长度，按藉车队来考察： 旦+ 靠+ 6 + 生一口：七2 c ( 3 6 ) 2 “ 2 解上二式，得到计算相位差的公式： 口= b - 2 b + t l f f - l i + 毛2 i c ( 3 - - 7 ) ， l j 1 2 = i 2 一七1 当矗= 五，即上f 下行通过带相等时，得到等带相位差： 口= 孚屿：詈 ( 3 川) 我们把以式( 3 8 ) 定义的时差叫做半整数时差。 同时可证明，在6 = 6 。的条件下，存在着使晒+ 6 “成为爨态艘半譬数 时差( 条件1 ) ；反过来，若假定是半整数时差时，则b = 6 ( 条件2 ) a 西南交通大学研究生学位论文第2 7 页 在求使通过带宽度为最大的等时差时可从条件1 只研究半整数时差， 从条件2 只考虑上行方向，即足以说明。下面我们首先求使通过带为最 大的等时差，然后推广求出使通过带为最大的不等时差。 如图3 1 所示，假设b = b + ，那么此时存在着使晒+ 6 。) 成为最大的半 整数时差，设b 为由于半整数时差而得到的上行方向最大通过带宽度，b 为最大通过带宽度。由公式3 6 可推出上行通过带的大小： 西= | i 2 c + 口一丢( 量+ r j ) 一f 口 ( 3 9 ) 把式3 8 代入此式，则成为下式： 6 一三 + 刚一l ( r a + 知) + k c _ 2 = c 删( 一去( 墨+ 露，) - 2 - 刍( r a + i ：j i ) + 嘞) ( 3 - - 1 0 ) 式中m a n 是m a n t i s s a ( 尾数) 的缩写，m a n z 表示将z 的整数部分减去 的数值，8 j = 0 或者，最佳的毛可由m a x b ( o ) ，6 ( 1 2 ) 】给出，因此成为下 式： 把m m i n 啼m a