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基于微观交通仿真的城市交通控制方案评价研究 专业：交通信息工程及控制 硕士生：吴小丹 指导教师：余志教授何兆成讲师 摘要 城市交义厂i 和快速路作为城市交通的主体结构，其适宜的交通控制对于缓解 城市总体路嘲的交通压力、减少出行时问、提高经济和社会效益起到了积极的作 用。为了更及时、更确切地了解交通控制方案实施前的影响，需要对交通控制方 案进行影响评价。本文回顾了近年来评价交通控制方案的方法，详细描述了城市 交义门信号控制及城市快速路交通控制的基本原理，提出了基于微观交通仿真的 评价框架。通过该框架，可咀有效地确定交通控制方案优点、缺点，也可以确定 交通需求、路段瓶颈情况等各种因素对其的影响作用。该框架充分考虑r 现代交 通控制技术的新颖性及其复杂性，使用外部应用程序作为外部插件嵌入到路网交 通流的仿真中。同时，在p a r a m i c s 微观仿真模型的基础上，总结适合交叉【_ | 交通信号控制方案- j 快速路交通控制方案的评价方法。根据该框架及评价方法， 本文利用微观仿真平台p a r a m i c s 对广州市江南大道i ；_ j 吕岗路的交叉口的信号 配时优化方案及广园快速路的限速方案进行评价。结果表明基于微观交通仿真的 评价框架及评价方法，可以有效、便捷地对交通控制方案进行定量评价：交通控 制方案的实施效果通过仿真平台可以清楚、生动地显示，具有重要的实用价值。 关键词：城市交叉口；城市快速路；交通控制方案评价：微观仿真；p a r a m i c s a s t u d yo fe v a l u a t i o no fc i t yt r a f f i cc o n t r o lb a s e d o n m i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o n m a i o r ：t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga n dc o n t r o l n a m e ：w ux i a o d a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry uz h i ，l e c t u r e rh ez h a o c h e n g a b s t r a c t u r b a ni n t e r s e c t i o n sa n de x p r e s s w a y sa r et h em a j o ri n f r a s t r u c t u r e so f u r b a n r o a dn e t w o r k ，t h e i rf i t t i n gt r a f f i cc o n t r o la r ei m p o r t a n tt or e d u c et h ep r e s s u r e o ft h et r a f f i co ft h ew h o l en e t w o r k ，r e d u c et h et r a v e lt i m e ，a n di m p r o v et h e b e n e f i to fe c o n o m y i no r d e rt om a k es u r et h ee f f e c to ft h et r a f f i cc o n t r o l b e f o r ep u t t i n gi ti np r a c t i c e ，i t sn e c e s s a r yt oe v a l u a t et h ee f f e c to ft r a f f i c c o n t r 0 1 t h i sp a p e rf i r s t l yr e v i e w st h em e t h o do fe v a l u a t i o no nt h ee f f e c to f t r a f f i cc o n t r o l ，a n dd e s c r i b e st h er e l a t e dt h e o r yo fu r b a ni n t e r s e c t i o n st r a f f i c c o n t r o la n de x p r e s s w a y st r a f f i cc o n t r 0 1 t h e na ne v a l u a t i o nf r a m e w o r kb a s e d o nt r a f f i cs i m u l a t i o ni sp r o p o s e d t h ef r a m e w o r kc a ne f f e c t i v e l ys h o wt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft r a f f i cc o n t r o l ，t h ee f f e c to ft r a f f i cd e m a n d ， r o a db o t t l e n e c ka n do t h e ro ff a c t o r s t h en o v e l t ya n dc o m p l e x i t yo ft r a f f i c c o n t r o lt e c h n o l o g yi ss u f f i c i e n tc o n s i d e r e db yt h ef r a m e w o r k o u t s i d e a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ( a p i ) i su s e da so u t s i d ep l u g - i n st oe m b e di n t ot h e s i m u l a t i o np r o c e d u r eo ft r a f f i cf l o w t h i r d ，e v a l u a t i o nm e t h o d so ft w ok i n d s o f t r a f f i cc o n t r o ti n c l u d i n gi n t e r s e c t i o nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o la n de x p r e s s w a y s t r a f f i cc o n t r o lw h i c hb a s e do nm i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e p a r a m i c sa r ea l s op r o p o s e d b a s e do nt h ef r a m e w o r ka n de v a l u a t i o n m e t h o d ，t h i sp a p e re v a l u a t e st h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o lo fc r o s si n t e r s e c t i o no f 1 1 j i a n g n a n d a d a or o a da n dc h a n g a n gr o a di ng u a n g z h o ua n dt h es p e e dl i m i t c o n t r o ls t r a t e g yo fg u a n y u a ne x p r e s s w a y t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h a tt r a f f i c c o n t r o lc a nb ee v a l u a t e dq u a n t i t a t i v e l ya n de f f e c t i v e l y , a n dt h ep e r f o r m a n c e o ft r a f f i cc o n t r o lc a nb es h o w e dc l e a r l yb ys i m u l a t i o np l a t f o r m t h e f r a m e w o r ka n de v a l u a t i o nm e t h o di su s e f u li np r a c t i c e k e y w o r d s ：u r b a ni n t e r s e c t i o n ；u r b a ne x p r e s s w a y s ；t r a f f i cc o n t r o l e v a l u a t i o n ；m i c r o s c o p i cs i m u l a t i o n ；p a r a m i c s 1 1 背景及意义 第一章绪论 1 1 i 城市交叉口信号控制的意义 城市交叉口是城市道路网的咽喉要道，其通行能力制约着城市道路的通达， 是影响道路畅通的瓶颈。充分利用交叉口的时空资源，按照现实的交通流给予相 应的最适宜的交通控制，最大程度提高交叉口的通行能力，不但能提高车辆通过 交叉口的速度，减少延误，节约人们的出行时问，同时能避免该交叉口发生堵塞， 影响交叉口临近路段及更远路段的顺利通行。据有关研究表明，机动车在其减速、 制动和起动期日j 所排放的有害物质是其币常行驶时的若干倍。因此，解决好城市 交叉口通行问题，减少机动车在交叉口附近的停车延误，对提高社会经济效益和 环境保护都有重大意义【l j 。 1 1 2 城市快速路交通控制的意义 目前，我国的一些大型城市已经修建了城市快速路，这对于缓解城市总体路 网的交通压力、减少出行时问、提高经济和社会效益起到了积极的作用。具体有 以下几方面的作用1 2 1 ： 1 体现城市交通骨干作用 作为城市交通的骨干系统，快速路系统的骨干作用主要体现在以下方面： ( 1 ) 具备较高的通过能力。根据城市道路交通规划设计规范，大城市 的快速路的道路宽度为3 5 4 5 米，机动车车道条数为4 8 条，机动车设计速度为 6 0 8 0 公罩小时。由于采用全立交和较高的设计标准，其最大通过能力应在 2 0 0 0 辆小时车道以上。 ( 2 ) 在城市交通周转量中占有较高的比重。如1 9 9 4 年9 月西北三环按快速路 标准改建通车以后，北京市区拥有了两条城市快速环路，二、三环快速路承担市 中心区交通流量的5 0 左右，对缓解市中心区道路交通压力起着重要的作用。 ( 3 ) 承担大部分中远距离交通，这主要包括城市内的跨区交通和过境交通。 如作为广州市快速路网重要组成部分的内环路，其功能主要是按照道路功能分 级、系统渠化原则，建立中心区交通屏障，减轻市中心区交通压力，缓解中心区 交通。从实践来看，内、外环路开通之后，中心区道路网交通负荷下降1 0 1 5 左右，中心区过境交通流量下降7 0 左右。 2 促进城市道路网的完善 众所周知，城市路网的完善与否，是城市交通发达程度最直接的硬性指标。 目前国内北京、上海、广卅i 等大城市，通过快速路网的建设，将包括快速路、主 干路、次干路和支路等在内的道路资源进行整合，初步形成合理的网络结构，对 于满足市民的出行需求和商品、物资流动的需要具有重大意义。如上海市在 1 9 9 2 1 9 9 9 年问，先后建成了包括内环线高架南北高架、延安路高架、逸仙路 高架、沪阂路高架等在内的高架道路系统，并同时在内环线以内建造三条横向( 东 西向) 、三条纵向( 南北向) 的快速干道。“申”字型高架道路和“三横三纵”的 主干道共同构成了上海市的立体交通网络，缓解了市区交通的矛盾。工程建成后， 市区道路车辆通行时速由原来的7 1 5 公里提高n 3 0 4 0 公里，人均道路占有面 积由2 1 平方米提高到7 5 3 平方米，并承担了绝大部分新增车流量。 3 对城市土地发展的强烈诱导作用 作为大运量的交通系统，城市快速路的出现会在很大程度上提高地区的交通 供给水平，由此刺激交通需求的增长，服务地区呈现人口增加、土地丌发强度 增大的状况。往往是快速交通系统延伸到哪罩，城市就随着发展到哪罩。因此无 论国内外的旧区改造或新区发展项目，往往需要修建快速路或快速轨道交通进行 支持，这已经成为实现城市规划发展意图的一种有效手段。女n 2 0 0 0 年6 月通车的 广园东路，便是联系广州城市中心大组团和东翼大组团的城市快速路之一，其建 成对加强城市东部交通走廊能力，平衡与调节与之平行的黄埔大道、中山大道和 2 广深高速公路的交通负荷，带动广深铁路以北地区的土地丌发，实现城市东部地 区发展战略具有十分重要的意义。 然而，由于城市快速路具有较高的设计通行能力，也具有较大的交通吸引力， 因此，其交通负荷较大，车辆行驶车速较快，交通流密度较高。在我国目i j 的城 市快速路系统中，存在着一些亟待解决的交通问题，如常发性的交通拥堵、事故 等，这些问题的存在，大大地降低了城市快速路的运行效率。城市快速路存在的 交通问题主要有以下几点”1 ： 1 交通拥堵问题 交通拥堵是城市快速路在运行中存在的主要问题，造成拥堵的原因是多方面 的。首先，交通拥堵与未进行入口匝道流量限制有关。城市快速路具有较高的交 通吸引能力和比较稳定的行驶车速，因此，在使用过程中常常会出现较大的交通 流密度和断面交通流量。当城市快速路进入匝道交通量与主线交通量相加导致合 流路段的交通需求超过路段设计通行能力时，在城市快速路主线上将会产生交通 拥堵。另外，路段上的“瓶颈”是产生交通拥堵的又一原因。城市快速路出入口 较多，通常利用主线车道数的变化来实现辅路车流的安全汇入，当行车道数减少 时会造成路段上产生“瓶颈”。当主路交通流量较大时，“瓶颈”上游很可能 会处于拥堵状态。 2 交通诱导设施与监控通信设施不健全 目前交通广播台是驾驶员了解动态交通信息的主要手段。可变信息显示系统 主要提供静态交通信息，其诱导作用没有得到充分发挥。由于面向公众的交通信 息服务系统尚不健全，所发布的交通信息不丰富、实时性差、发布渠道单一等， 导致了交通信息接收不畅，很难起到合理分配交通流的作用。 3 偶发性问题 城市快速路最常见的偶发性问题包括：道路交通事故、车辆抛锚和不利的气 候条件。 因此，解决好城市快速路通行问题，对快速路进行合理的交通控制，意义重 大。 3 1 1 3交通控制方案的评价方法回顾 对交通控制方案实施前的影响评价，可以为可行性研究、方案比选、实施效 果分析及系统运作优化等提供科学依据“1 。目前的城市交通控制方案的评价，大 多通过实测调查来获得评价指标。以城市交叉口评价为例，国内很多学者进行了 大量的研究。大多集中在对交叉口通行能力、交通组织与管理方案、服务水平这 几个方面的评价。陆化普、隋亚刚、吴海燕1 5 】通过对信号交叉口交通特性和通行 能力的现场调查，对交叉口的交通特性及影响交叉口饱和交通量的主要因素进行 了定量分析，提出了交叉口拥堵的原因和提高交叉口通行能力的措施建议。刘传 锋、蒋永才【卅等对交叉口交通渠化组织设计，并对渠化前后交叉口通行能力和车 辆平均延误水平进行了分析。 评价城市交通控制方案常用的指标及调查过程如下： 1 交叉路口阻塞率 定义：中心城区主干道上周期性严重阻塞路口数量占主干道交叉路口总数的 比例。单位：。 调查指标：要求提供当年主干道上周期性严重阻塞的交叉口数量、名称一览 图，核实所提供的资料并换算为相应的指数。 指标含义： 交叉路口阻塞率是衡量整个路网饱和程度的指标，也是检查交通管理效果、 制定交通需求管理对策、提出交叉口改造规划建设方案的依据。周期性阻塞交叉 路口是指一定时间内经常出现阻塞的交叉口( 不是随机或意外原因引起的) 。信 号灯控制交叉口若3 次绿灯显示车辆未通过路u 的为严重阻塞；无信号灯控制交 叉口( 包括环形交叉口、立交桥) 若车辆在路r a ；, l - 的车行道上受阻排队长度超过 4 0 0 m 的为严重阻塞。 2 平均行程延误 定义：主、次干道行车延误与行驶旱程的比值。单位：j k m 。 调查指标：选择繁华区、非繁华区主、次干道各l 条，长度不低于5 岛”，记 录实际行程时自j 和行驶罩程。该指标的设计车速见城市道路规范和城市道 路交通规划设计规范。调查所得的平均行程延误值为主干道平均行程延误和次 4 干道平均行程延误的平均值。 指标含义： 平均行程延误能够综合地反映出城市路网的整体性能和城市交通管理的效 率及水平。平均行程延误的计算方法如下：长为，的道路上测得的实际行程时阿t 与以该路段设计速度行驶所需的时间之差，除以道路长度得至平均行程延误， ， 即：平均行程延误= ( t 一 - - ) t o 。该指标应选取正常工作f 1 的上午8 ：3 0 - - 1 l ：3 0 或 v o 下午的1 4 ：0 0 - - 1 6 ：0 0 时段进行调查。 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 无法控制的因素而引起的行程时日j 损失。根据延误的发生原因，可分为固定延误、 运行延误、停车延误、行程延误、排队延误、引道延误。其中，行程延误是指实 际行驶的总行程时间与完全排除干扰后以畅行速度通过调查路段的自由行驶时 间之差，它包括停车延误和因加减速而产生的加速延误和减速延误。 为了消除调查路段罩程对行程延误的影响，本指标采用的是行程延误与调查 路段里程之间的比例，即平均行程延误。在计算行程延误时，实际行程时间和调 查路段单程采用跟车法得到；畅行速度取该路段的限制速度。 行程延误受到交通秩序、车辆性能、道路条件、交通条件、交通控制与管理、 交通环境等多种因素的影响，因而，行程延误的大小能够综合反映道路交通阻塞 程度、道路基础设施及交通控制措施的设置水平。 3 主干道平均车速 定义：中心城区主干道上机动车的平均行程速度。单位：k m l h 。 调查指标：在调查平均行程延误时可同时获得该指标值。 指标含义： 主干道平均车速用以评价道路的通畅程度，是衡量综合交通管理对策效果的 重要指标，也是衡量交通管理工作效果的有效指标。主干道平均车速是指中心城 区主干道上机动车盼平均行程车速。行程车速是指车辆通过某段道路的长度与通 过该条道路所需的总时问之比( 包括中间停车时阊和延误时间) ，平均行程车速 是所测车辆样本行程速度的算术平均值。 行程车速受到交通量、交通组成、交通管理状况、道路横断面、平面和纵断 5 面线型、视距、侧向净空、路面、交通环境等多种因素的影响，是上述因素的一 个综合反映1 7 l 。 由于实地测试的难度和费用都比较高，微观仿真被越来越多的用于评价交通 控制方案的实施效果。例如：陈东光和赵宪尧1 8 j ，廖明军和王凯英9 1 研究了城市 道路平面交叉口的改善设计及其交通仿真评价，他们分剐选择某个特定交叉口， 对该交叉口改善前后的运行效率进行了模拟对比，并分析了改善设计对交通的影 响。余志、龚峻峰f o l 利用p a r a m i c s 对交叉口实施改善的配时策略进行评价。 b e n - a k i v a 和h a s a n 使用m i t s i ml a b 对美国波士顿地区的高速公路实施 a l i n e a 及f l o w 交通控制策略进行了综合评价。a l i n e a 、f l o w 是基于高 速公路匝道测量的算法【n 1 【1 6 1 。g a r e t hm i l l a r 和r o d e r i c kt u d g e 用p a r a m i c s 适 时仿真s c a t s 协调交通控制信号，并对包括f i x e dt i m e 模式、m a s t e r l i n e 模式、 i s o l a t e d 模式在内的三种信号控制策略进行测试，结果发现如果处于高需求的状 况下，s c a t sm a s t e r l i n e 模式在减少延误和停车次数上优于i s o l a t e d 模式f 1 7 】。 从以上交通控制方案评价方法回顾可以看出： 1 无论是单点交叉口、高速公路、城市道路网络的评价研究，都是单一的， 分散的，因此一套既适合交叉口信号控制又适合快速路交通控制的评价框架和评 价方法显得尤其重要。 2 采用微观交通仿真这一有效的评价方法【l g l 对交通控制方案的实施效果进 行评价是可行、必要的。 1 2 主要研究内容及大纲 本文首先详细阐述了城市交叉口交通信号控制与快速路交通控制的基本原 理，包括城市交叉口交通信号控制的方式、基本参数、优化方法，及快速路交通 控制方法，提出一套基于微观交通仿真的交通控制方案评价框架，通过该框架， 可以有效地确定交通控制方案的优点、缺点，也可以确定交通需求、路段瓶颈情 况等各种因素对其的影响作用。该框架充分考虑了现代交通控制技术的新颖性及 其复杂性，使用外部应用程序作为外部插件嵌入到路网交通流的仿真中。总结适 合交叉口交通信号控制方案与快速路交通控制方案的评价方法，并应用微观交通 6 仿真平台p a r a m i c s 对广州市江南大道与昌岗路的交叉口的信号配时优化方案 及广圆快速路的限速方案进行评价，以此来检验评价框架及评价方法的可行性、 可用性。 文章内容大纲安排组织如下： 第二章，首先详细阐述了城市交叉口交通信号控制与快速路交通控制的基本 原理，第三章，提出评价城市交叉口信号控制与城市快速路交通控制的框架，第 四章，总结适合交叉口交通信号控制方案与快速路交通控制方案的评价方法，第 五章，利用第三、四章描述的基于微观交通仿真的交通控制方案评价框架及方法， 对广州市江南大道与昌岗路交叉口的信号配时优化方案及广园快速路的限速方 案的评价；最后，在第六章，针对前一章的实例分析结果给出了总体结论，总结 了论文的主要创新点与贡献，并就基于微观交通仿真的城市交通控制方案评价问 题的研究方向与前景作了讨论。 7 第二章城市交叉口交通信号控制与快速路交通控制 的基本原理 城市交叉口和快速路是城市交通的主体结构，本章将主要介绍城市交叉口交 通信号控制与快速路交通控制的基本原理。 2 1 城市交叉口信号控制 2 1 1 城市交叉口交通信号控制的方式 城市交通信号控制的分类多种多样。 1 根据所采用控制装置的不同，交通信号控制一般有3 种类型。9 1 ： ( 1 ) 定周期式信号控制 这种信号的周期时长，相位，绿灯时间及转换白j 隔等都是事先确定的。信号 周期时长以不变的形式运行，每个周期的周期长和相位恒定不变。依靠所提供的 设备，可用几种预定配时方案，每种都自动的在一天规定的时问内交替使用。 ( 2 ) 半感应式信号控制 这种信号控制保证主干道总保持绿灯直至设在次干道上的监测器监测出有 车辆到达。这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干道显示绿灯，该绿 灯时问将维持到次干道上车辆全部通过路口或持续到规定的最大绿灯时问为止。 在绿波信号系统中，配给次千道的绿灯时问须限制在预定的时间内。 该系统的周期时长和绿灯时间可根据需要随时进行调整。当次干道没有车辆 时，主干道总保持绿灯，事实上，分配到次干道的绿灯时问可充分利用，所有“多 余”的绿灯时问则分配给主干道。 ( 3 ) 全感应式信号控制 这种信号的所有相位全由传动监测器来控制。一般每个相位都规定最小与最 s 大绿灯时阿。这种控制形式的厨期长度和绿灯时问可根据要求做很大的变动，周 期中的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未测出交通量时，该时刻的相 位可自动取消。 2 根据控制范围分为点控、线控和面控例。 ( 1 ) 点控方式 点控方式是指道路交叉口的信号灯互不相关的各自独立运行的方式。点控方 式适用于相邻路口问距离较远，线控无多大效果或者因各相位交通需求变动显 著，其交叉口的周期长和绿信比的独立控制比线控更有效的情况。单个交叉口点 控制是一种最基本的控制方式，因其设备简单、投资最省、维护方便，至今仍广 泛采用。 ( 2 ) 线控方式 线控方式又称干线协调控制、绿波控制。在城市道路网中，如果交通干线上 几个距离较近的交叉口的控制信号互不相关，当各交叉口分别设置单点信号控制 时，从上游驶出的车辆很有可能在下游又遇红灯。这种交叉口之白j 各自为政的孤 立方式难免造成行车不畅，污染严重。为此人们研究出一种基于绿灯概念的干线 相邻交叉口协调控制策略，即把这些交叉口的信号机在时白j 上联接起来协调控 制，使得一列车队在具有多个交叉口，这样确保道路畅通，从而减少干线上的停 车次数和行车延误。线控制的主要特点是对几个信号机设定共同的周期长和相对 的相位差。线控适用于交叉口问距较小，交通干线流量较大的情况，因为这时车 流不会离散，控制效果好。 干线交通信号控制可分为离线方式和在线方式。离线方式下，主干线上设定 一强主信号机和多台从信号机，由主信号机向各个从信号机发送同步信号，各个 从信号视根据预先设定的相位差和绿信比分配红、绿灯起始时问和持续时问，从 而实现绿波控制。主干线交通信号在线控制方式是出城市中心计算机对主干线各 个交叉口的交通信号枫进行协调控制，各个交叉口的交通信号机将检测到的交叉 口交通流信息发送给中心计算机，中心计算机根据采集到干线上的交通流数据进 行优化处理，然后向各个交叉口的交通信号机发送红、绿灯起始信号实现绿波控 制。 在城市交通网络中，绿波控制的观点早在3 0 年代就已经为人所认识。然而， 在复杂的城市网络中，通常不可能同时将所有道路设置成绿波。在交通密度较大 的情形下，绿波会导致拥挤以及在交叉口的阻塞。当- n 车队恰好在清车时问后 到达交叉口时，在此情形下，绿波控制导致了负面效果。因此，需要通过交通信 号定时及采用一种处罚策略限制进入拥挤区域的车辆。这些事实也说明了交通网 络控制的必要。 ( 3 ) 面控方式 面控方式又称区域协调控制或在线网络控制，系统的控制对象是城市或某个 区域中所有交叉口的交通信号。面控方式是线控方式的扩展。面控区域一般划分 成若干个子区，这里的子区是指用相同的周期去进行控制的区域。面控系统由中 央控制机、子区控制机、路口控制机三级组成。中央控制机给出每个子区的最佳 周期长，各个子区控制机负责相位差和绿信比的优化计算，路口控制机再做优化 调整，总的目标是使得区域内的各个车辆在通过某些路口时所产生的总损失最 小。面控系统适用于城市中若干条干道相互交错环绕的路网结构，这时若采用线 控不能达到预期效果。 区域交通信号控制也有两种方式，一是离线优化在线控制方式，另一种是在 线优化在线控制方式。目前，国外的典型城市交通控制系统有英国的t r a n s y t 系统和s c o o t 系统、澳大利亚的s c a t 系统、只本k y o s a n 电器制作有限公司 的交通控制系统、德国的s i e m e n s 系统等。国内有深圳s t c 交通控制系统、南 京的交通控制系统以及天津的交通控制系统等。网络控制方式有方案选择式和方 案生成式，和固定时间网络控制方式相比，交通响应网络控制系统通过按交通需 求的变化分配绿灯时间的办法可以获得更大的效益。最初出现的系统是基于方案 选择式，针对经常出现的情况( 如早、晚高峰期交通流的变化) 设计相应的交通 信号控制方案。但实际中可能出现的情况太多，难以预先对每种情况设计出相应 的信号控制方案。交通需求的变化以及交通网络的变化会使得已有的固定时间方 案迅速失效。此外，在信号控制方案之间切换时、特剐是在方案改变迅速时，也 会产生损失。因此，目前研究的兴趣大多已集中于在线优化方法。 o 2 1 2 交通信号控铹的基本参数 1 单个交叉口信号控锚的基本参数 一个信号交叉口，它的信号配时方案包括两个方面的内容：确定相位信号方 案和信号控制基本参数。无论是定周期式控制还是感应式控制，都需要根据交叉 口的几何特性、交通状况进行信号相位方案的选择和信号配时参数的确定，信号 相位方案及配时参数的合理与否决定了信号控常b 效果的优劣。合理选用相位组合 及控制顺序是决定交叉口交通效益的主要因素。 一般来讲，在设计信号相位时，要考虑以下原则： ( 1 ) 根据各个进口道盼方向绘制交通流线。 ( 2 ) 绘出相互不交叉，或者不汇合的交通流线组合，对其中能够统一组合 进行整理，给予一个相位分配。 ( 3 ) 路口左右转车辆的转向行驶，对正常的交通运行影响较大，处理不好， 往往会减少道路通行能力，而且容易引发交通事故。这样，就应该根据转弯车数 日，决定是否使用左右转弯专用相位和行人专用相位。 一一 一 一、t 气，- 一 1 y ( a ) 交通流方向 一 ， t 、 ( b a 相信号 、气，r 。 ( c ) b 相信号 酷2 - 1t 型交叉口二相位设计举例 ( 4 ) 一般来讲，相位数越少则效率越高。相位数多会使分配给各相位的时 间减少，同时会使相位转换时的清路口时间( 黄灯时间+ 红灯时间) 变长，增加 了损失时间。因此，要认真研究交叉口的结构、路面标线和交通规则等。比如对 于一个t 型交叉口( 如图2 1 所示) ，如果直行车流中的右转车数目不大，可以 利用对向直行车的空隙实现右转，那么就可以用简单的二相位控制，而不必要采 用较为复杂的三相位控制。 ( 5 ) 当一个交叉口左转车辆较少，或者饱和度比较低时，其相位数要尽可 能少；当交叉口左转车辆比较多，或过街行人、自行车较多并与右转弯车辆相冲 突时，相位数目可适当增加。 ( 6 ) 在实际中，相位在一个交叉口一经确定，考虑到人们的习惯，一般不 要轻易改变。这就要求在相位设计阶段要仔细研究，但日i i i 国内外还没有最佳的 相位设计法。 ( 7 ) 由于相位数多会使各个相位所得时问减少，相位转换时黄灯和红灯时 间之各变长，从而增加了损失时白j ，相位数少会提高路口通过能力和效率。要减 少信号相位数，就必须简化交通流运行，这需要借助其它的方法，比如，可以设 置路面标志，实施导流化处理，制定相应的交通规则等。 不同条件采用的设计方案不同，下面给出最常见的十字交叉口的相位设计的 一些示例，如表2 1 所示。归纳这些信号相位示例，可以看出设计信号相位要着 重考虑： ( 1 ) 考虑交叉口的大小，即是否能在进口道设置各行进方向的专用行车道， 专用行车道的设置对于相位影晌比较大； ( 2 ) 看看主流方向是直行还是转弯； ( 3 ) 分析左转交通量或右转交通量的大小，主要是通过相位设计，减少对 向直行车和左转车的冲突以及右转车与行人的冲突。 相位在一个交叉口一旦确定下来，就不应当轻易改变。这是因为考虑到车辆 驾驶人员的习惯，否则容易引起意外事故。 2 表2 - 1 十字交叉日的 啦设计示傩 编号相位1 橹位2格位3 槽位4 注释 参 1 a 咿i & 务 东进口的左转车多， 2 a 咿 而且没有左转车道 ot r 表示一次信号循环中红灯时闻，f ，表示一次 循环中黄灯时闻，表示一次循环中绿灯时闳，r 表示信号局瓣，则有 t = + 0 + f g ( 各1 1 ) 厨觌时长是决定点控制定时信号交通效益盼关键控常$ 参数。 从疏散的角度来讲，显然当交逶需求越大畴，羼期疲越长，孬赠 _ 个厨瓣内 1 3 已达的车辆不能在该周期的绿灯时自j 内通过交叉口，就会发生堵塞现象。从减少 车辆等待时间的角度来计划，太长或太短的周期都是不利的。若周期太短，则发 生上述堵车现象。若周期太长，则某一方向的绿灯时问可能大于实际需要长度， 而另外方向的红灯时自j 不合理的延长必然导致该方向车流等待时间的延长。正确 的周期长度应该是：一个方向的绿灯时问刚好使该方向入口处等待车队旅行完 毕。 ( 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，一般用五表示。 a = 生( 2 2 ) 丁 式中，五为绿信比，k 为有效绿灯时长( s ) ，r 周期时长( s ) 。 绿信比的大小对于疏散交通流和减少路口总等待时间有着举足轻重的作用。 通过合理地分配各车流方向的绿灯时间( 绿信比) ，可使各方向上的停车次数、 等待时问减至最少。 2 线控与面控系统中信号的基本参数 线控制系统是面控制系统的组成部分，或从另一个角度蜕，线控制系统是面 控制系统的一种简化的特殊形式。所以，凡是可以用在面控制系统上的技术、方 法、程序、设施等，都可以用在线控制系统上。信号控制系统的控制参数也基本 一致【2 2 1 1 2 ”。 在干线交通信号协调控制系统中，除了周期时长与绿信比这两个基本参数同 点控制中的稍有不同外，在控制系统中还有一个重要的参数，叫时差。 ( 1 ) 周期时长 在信号控制系统中，为使各交叉口的交通信号能取得协调，各个交通信号的 周期时长必须是统一的。为此，必须先按单点定时信号的配时方法。根据系统中 各交叉口的布局及交通流向、流量，计算出各个交叉口交通信号所需的周期时长， 然后从中选出最大的周期时长作为这个系统的周期时长，把需要周期时长最大的 这个交叉口叫做关键交叉口。在近代的控制系统中，对有些交通量较小的交叉口， 实际需要周期时长接近于系统周期时长的一半，可把这些交叉口的信号周期时长 定成系统周期时长的半数，这样的交叉口叫做双周期交叉口。 ( 2 ) 绿信比 在信号控制系统中，各个信号的绿信比是根据各个交叉口各向交通量的流量 比来确定的。 因此，在控制系统中，各个交叉口信号的绿信比不一定相同。系统应取一个 恰当的绿信比作为系统主干线的最小绿信比。 ( 3 ) 时差 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中点相对于某一个标准信号 绿灯或红灯的起点或中点的时问之差。 相对时差，是指相邻两信号的绿灯或红灯的起点或中点之问的时闻之差。相 对时差等于两个信号绝对时差之差。 以红灯中点为标准的时差与以绿灯中点为标准的时差是相等的，一般多用于 线控制的通过带方法中确定信号时差；以红灯起点或绿灯起点为标准的时差，一 般多用于面控制系统中确定信号时差。各信号的绿信比相等时，各不同标准点的 时差都柑等。一般多用绿灯起点或中点作时差的标点，则称为绿时差。 为了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 相邻信号间的绿时差同车辆在其间的行程时问相适应。所以时差是信号控制系统 实现协调控制的关键参数。 2 1 3 交叉口交通信号控制优化方法 经典控制优化方法有： 1 定时控制 早期的交通信号控制器是按照固定不变的周期长和红绿灯的时阱比例来控 制信号灯的变化的。研究定时控制，就是研究如何根据交叉口的道路条件及交叉 口各进口道到达交通的流向和流量束确定定时信号的配时方案。该方案包括确定 交叉口的相位顺序和数量以及相位周期和绿信比等参数。确定控制信号基本参数 的主要依据是使交叉口的交通效益最大。其评价指标一般有以下几个：通行能力、 饱和度、行程时问、延误、停车次数、停车率及油耗等。周期时长越小，延误停 车越小，但是有效绿灯时问所占比例下降，信号有用周期时间减少，通行能力急 剧下降。因此信号控制交叉口的信号配时原则是：在一定的道路条件下，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、油耗等指标最小。 这样既可以保证车辆的畅通又能降低运行费用。定时信号配时技术的基本原理是 其他控制方式配时的基础。 定时信号的配时方法还在不断地研究、改进之中，目d 口普遍采用的是w e b s t e r 方法。该方法以交通延误作为交通效益指标，以延误最小求解最佳周期时长，各 相位绿信比同各相位的最大流量比按比例分配。 w e b s t e r 法最佳周期计算公式为： 瓦= 箐 ( 2 - 3 ) 式中，f 7 l 每个周期的总损失时间，5 ； 瓦最佳周期长度，s 。 y = 乃一，是临界车道组交通流量比，所谓临界车道组是指每一相位中， 交通流量比最大的车道组。j ，一为最大流量比。 y = q j i q , ( 2 - 4 ) 式中，y ，车道流量比； q j ，入口的到达流量，p c u h ； 以，入口的饱和流量，p c u h 定时控制适合于交叉口的交通流量变化比较有规律的交通情况，对于一天内 的交通量的不同变化情况，采用多时段定时控制可以适应交通情况的规律变化， 仍是一种常用的信号配时方案。 2 感应控制 交通感应控制是通过车辆检测器测定到达进口道的交通需求，使信号显示时 间适应测得的交通需求的一种控制方式。感应控制对车辆到达随机性大的交通情 况适应性较好，可使车辆在停车线f ； f 尽可能少停车，以保证交通通畅。交通感应 1 6 控制分为全感应控制和半感应控制两类，图2 2 所示为次要道路安装检测器的半 感应算法流程图。 t 主要道路绿灯时闻 “一i ” 主要道路最小绿灯时问到7 夕 一一 、 次要道路绿灯时间 厂一 n ，。j 。 ：次要道路绿灯时问积累 r _ 一 ? 7 j 。 j 幽2 - 2 半感应算法流程幽 感应控制的基本工作原理是，相位起始于绿灯，感应信号控制器内预定设有 一个“初期绿灯时间”。至初期绿灯结束时，如在一个预置的时间日j 隔内，无后 续车辆至b 达，即可更换相位；如检测到有后续车辆到达，则每测得一辆车，绿灯 延长一个预嚣的“单位绿灯延长时间”，只要在这个预置的时| 日j 问隔内，车辆中 断就换裙；连续有车，则绿灯连续延长，一直延长到一个预置的“极限延长时间” 时，即使检测到后面仍有来车，也中断这个相位的通车权，转换到另一个相位。 所以感应控制适用于在交通量变化大而不规贝啦难于用定时控制处置的交叉口。 对于必须降低对主要干道干扰的交叉口，用感应控制的效益较好。在不适宜处于 联动定时系统中的交叉口，通常也采用感应控制，特别在有几个流向的交通量时 有时无或多变的复杂交叉口上，感应控制可得到最大效益。 1 7 另外，近年来，随着智能控制理论的发展，用智能控制的方法对交通系统的 控制得到了国内外学者的关注。在各种智能控制方法中，模糊控制与神经网络控 制占据着主导地位。 2 2城市快速路交通控制 2 2 1 快速路的定义 快速路是在城市内修建的，有中央分隔带分隔对向车流，每方向具有两条或 两条以上车道，全部或部分控制进出1 ：3 和出入口b j 距的城市道路f 2 4 1 。快速路的 功能是为满足城市中大量、长距离、快速交通服务。 作为城市大运量快速交通干道，城市快速路系统多为环路加放射性联络线的 结构形式。按功能不同，城市快速路可分为两类：一类是城市内的快速路，如北 京的二、三环；上海的内环、外环；天津的外环、中环，主要满足市内各区间的 交通功能。另一类是城市问的快速路( 即放射线) 。如北京的京通快速路、八达岭 快速路：天津的津塘快速路、滓滨快速路，主要为满足城市与郊区城镇之间的交 通需求服务口5 1 。 2 2 2 城市快速路交通控制方法 快速路的管理类似于高速公路管理，是对一些主要交通参数，如交通量、交 通密度、速度、占有率、堵塞程度以及交通状况、路面状况和气象参数等进行实 时监测，根据交通参数及交通条件的历史数据或实时采集的数据，按照某种预定 的性能准则来调节快速路的交通参数，从而使公路自动地保持最佳的运行状态。 快速路的控制方法主要有以下几种t 2 6 卜【2 8 】： 1 主线控制 主线控制就是对快速路主线的交通进行调节、诱导和警告，按照路段下游的 通行能力控制路段上游的交通需求。主线控制的基本日标是改善快速路运行的安 全和效率，缓解主线上的交通拥挤和交通瓶颈对交通的影响。主线控制方法包括 车速控制法，车道封闭控制法、驾驶员信息系统等。这些控制方法主要是为了取 得最佳车速，使其瓶颈路段的服务交通量达到允许的最大，防止交通状态变化而 产生追尾等交通事故。 主线控制主要用于下述目的： ( 1 ) 当交通需求接近道路通行能力时，使主线的交通流保持均匀性和稳定 性，以增加驾驶员的舒适程度，提高快速路的利用率并预防拥挤发生； ( 2 ) 改善交通流运行状态，使其在主线上的确瓶颈路段上能达到最大通行 能力； ( 3 ) 如果发生交通拥挤，或因车速、车流密度发生变化而在车流中产生冲 击波时，需要改进交通运行使其从拥挤状态恢复到正常状态，并防止事故的发生； ( 4 ) 在雨、雪、雾等特殊气候条件下，保证快速路的运行安全： ( 5 ) 当出现交通事故或因维修而使主线通行能力下降时，要提高道路的使 用效率； ( 6 ) 当快速路交通需求在方向上有很大差别时，需改变快速路不同方向上 的交通负荷； ( 7 ) 减少驾驶员的不满，将驾驶员诱导到交通状况较好的道路上。 2 入口匝道控制 入口匝道控制可以控制进入快速路的交通量，使进入快速路的车流量在道路 最大容量允许的范围内运行，使整个高速路网上的交通流量分靠合理，充分利用 其通行能力，同时可以消除或减少匝道处交通流交汇时的冲突和事故。 入口匝道控制方法的基本目标是控制快速路的交通需求，通过限制车辆进入 快速路的速率，使快速路交通流能依据某一性能指标运行在最佳状态附近。它的 主要功能就是减少事故发生瓶颈，抑制事故冲击波的传播，降低道路阻塞的可能 性。入口匝道控制虽然可以改善快速路的交通状况，但是造成负面影响的是会导 致入口匝道排队和车辆向普通道路分流增加普通道路的负荷。 入口匝道控制的基本原理是平衡入口匝道处快速路上、下游交通量。一般来 9 说，如果上游交通量与从匝道进入的交通量之和大于下游的通行能力就会发生交 通拥挤。根据上游的交通需求与下游通行能力之差为限制进入匝道的交通通流量 便可减轻公路上的交通拥挤，车辆在快速路上的总延误时间及在匝道上等待进入 快速路的时问也都会减少。简言之，入口匝道控制是限制进入快速路的车辆数目 以保证快速路自身的交通需求不超过其交通容量的一种方法。基本目标可以根据 具体的交通问题加以选择： ( 1 ) 减少快速路干道上行驶车辆总的行程时间； ( 2 ) 减少通道内全部行驶车辆的行程时间； ( 3 ) 在快速路干道和入口匝道上，消除或减少交汇处的冲突和事故； ( 4 ) 改善交通流的平稳性，从而减少不舒适感或环境干扰。 3 出口匝道控制 出口匝道控制是以缓解出口匝道衔接的平面交叉口的交通阻塞、防止出口排 队过长而导致高速干道上交通阻塞为目的的方法，包括调节快速路流出的车辆数 和封闭出口匝道。强迫限制车辆离开快