（交通信息工程及控制专业论文）混合交通流信号交叉口交通控制优化研究.pdf

摘要 随着我国经济的高速发展，城市化进程不断加快，城市交通量迅速增长，交通需求 急剧增加，交通拥堵时常发生，由此引起交通事故频发、能源消耗激增、环境污染不断 加剧，进而制约整个城市的经济发展，缓解交通拥堵问题己迫在眉睫。 信号交叉口是城市交通的关键。在信号交叉口，相交道路上运行的不同交通流在此 选择和变换运行方向，是交通流的集散点。信号交叉口交通流运行顺畅与否，将影响整 个城市的交通运行状况。因此，信号交叉口交通控制的好坏是能否解决交通拥堵问题的 关键。 我国城市信号交叉口，由于交通设施建设滞后以及管理措施不够完善等原因，机动 车、非机动车、行人在交叉口内混行，造成交叉口交通秩序混乱、车速下降、延误增加、 交通安全性降低。因此，研究信号交叉口混合交通流特性，并在此基础上进行合理的交 通控制，对缓解城市交通拥堵具有重要的意义。 本文首先概述了交叉口交通信号控制参数及其之间的关系，给出了各参数的计算公 式，简要论述了交通信号控制评价指标，并对交通信号控制方式进行了分类介绍。接着 对信号交叉口各种交通流的交通特性和交通冲突进行了分析。在此基础上，总结提出了 机动车、非机动车、行人的渠化优化设计方案和交叉口渠化设计流程。总结提出了机动 车、非机动车、行人的信号相位优化方案，研究了信号控制与交通渠化组合设计优化， 并提出了3 种典型的方案。总结了传统的信号配时计算公式，提出了自行车两次绿灯法 绿灯间隔时间计算公式，行人专用相位绿灯时间计算公式。最后结合具体实例西安 市大差市交叉口，通过实地调查研究，分析其存在的问题，针对性地提出信号控制与交 通渠化组合设计优化方案，使用仿真软件v i s s i m 对优化方案进行仿真并评价。 关键词：混合交通流、信号交叉口、交通渠化、交通信号控制 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m ya n dt h es p e e d u po f u r b a n i z a t i o n ，u r b a nt r a f f i cf l o wi sg r o w i n gr a p i d l y , t h ed e m a n df o rt r a f f i cf a c i l i t i e si sg r o w i n g d r a s t i c a l l ya n d t r a f f i cj a m sh a v eb e c o m eac o m m o np h e n o m e n o n a l lt h e s el e a dt oh i g ht r a f f i c a c c i d e n tr a t e s ，d r a s t i cg r o w t ho fe n e r g yc o n s u m p t i o na n ds e v e r e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o n f u r t h e rt h e yh i n d e re c o n o m i cd e v e l o p m e n to ft h ew h o l ec i t y t h u s ，r e l i e v i n gt h et r a f f i cj a mi s w e l lo nt h ea g e n d a s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o ni st h ek e y o fu r b a nt r a f f i c a tt h es i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ，d i f f e r e n t t r a f f i cf l o w , p r e v i o u s l yd r i v i n go nr o a d sw h i c hm e e to nt h ei n t e r s e c t i o n ，f i r s tc h o o s et h e i rn e w d i r e c t i o na n dt h e nc h a n g et h e i rf l o wd i r e c t i o n t h e s ei n t e r s e c t i o n sc o m p o s et h em e e t i n g u p a n dd i s m i s s i n gp o i n t so ft h et r a f f i cf l o w t h es m o o t hw o r k i n go ft r a f f i cf l o wa ts i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n sw i l la f f e c tac i t y sw h o l et r a f f i cf l o wc o n d i t i o n t h u st h eq u a l i t yo ft r a f f i cc o n t r o l a ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o ni st h ek e yf o rt h es o l v i n go ft r a f f i cja m s i no u rc o u n t r yf o rt h er e a s o n so ft r a f f i cf a c i l i t yc o n s t r u c t i o n sl a ga n dt h ei m p e r f e c t i o no f t h e c o r r e s p o n d i n gm a n a g e m e n tm e a s u r e s ，m o t o r - v e h i c l e s ，n o n - m o t o r i z e d v e h i c l e sa n d p e d e s t r i a n sd r i v ei nt h ei n t e r s e c t i o n sa tt h es a m et i m e t h i sl e a d st ot h et r a f f i cd i s o r d e ro ft h e i n t e r s e c t i o n ，s l o wd o w no ft h ev e h i c l e s ，t h ei n c r e a s eo ft h ed e l a ya n dt h er e d u c t i o no ft r a f f i c s a f e t y s or e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e ro fm i x e dt r a f f i c f l o wa tt h ei n t e r s e c t i o na n dt h e c o n d u c t i o no fr e a s o n a b l et r a m cc o n t r o lb a s e do nt h er e s e a r c hm e a nal o tt ot h er e l e a s eo f u r b a nt r a f f i cj a r n t h i sp a p e rf i r s ts u m m a r i z e st r a f f i cs i g n a lc o n t r o lp a r a m e t e r sa n dt h e i rr e l a t i o n s ，t e l l i n g t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fe a c hp a r a m e t e r , s t a t i n gb r i e f l yt r a f f i cs i g n a lc o n t r o le v a l u a t i o n i n d e x e sa n di n t r o d u c i n gt r a f f i cc o n t r o lm e a n s t h e nt h i sp a p e ra n a l y z e sd i f f e r e n tt r a f f i c c h a r a c t e r sa n dt r a f f i cc o n f l i c ta tt h ei n t e r s e c t i o n s b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h e o p t i m i z e d t r a f f i cc h a n n e l i z a t i o n d e s i g nf o rm o t o r - v e h i c l e ，n o n - m o t o r i z e d v e h i c l ea n d p e d e s t r i a nr e s p e c t i v e l ya sw e l la si n t e r s e c t i o nc h a n n e l i z a t i o nd e s i g np r o c e s s t h eo p t i m i z e d s i g n a lp h a s ep l a n sf o rm o t o r - v e h i c l e ，n o n - m o t o r i z e dv e h i c l ea n dp e d e s t r i a na r es u m m a r i z e d b a s e do nt h er e s e a r c hf o ri n t e g r a t e do p t i m i z a t i o no fs i g n a lc o n t r o la n dt r a f f i cc h a n n e l i z a t i o n ， 3t y p i c a lp l a n sa lep u tf o r w a r d t r a d i t i o n a l c a l c u l a t i n gf o r m u l a sf o rs i g n a lt i m i n ga r e s u m m a r i z e d t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a so fg r e e ni n t e r v a lo ft o wg r e e nl i g h tl a wo f b i c y c l ea n d g r e e nt i m eo fp h a s ef o rp e d e s t r i a n a r ep u tf o r w a r d a tl a s t ac a s e 一一x i a nd a c h a is h i i n t e r s e c t i o n ，i si n t r o d u c e d b ya n a l y z i n gt h i sc a s e ，i n t e g r a t e do p t i m i z a t i o np l a ni sp u tf o r w a r d s i m u l a t i o na sw e l la se v a l u a t i o no ft h i sp l a ni sc o n d u c t e dw i t ht h eu s eo fs i m u l a t i o n s o f f w 毓渊i s s i m k e yw o r d s ：m i x e dt r a f f i cf l o w , s 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 h a n n e l i z a t i o nd e s i g n ， t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：参，1 i 彦乙 p 眸j 7 月巧日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：参1 氛 导师签名： 吁霭研 长安人学硕一i ：学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 交通是人类生存和社会发展所必须进行的活动，是经济和社会发展的基础性产业。 在现代社会中，没有高效运转的交通运输体系，就不可能有经济的持续发展。随着城市 化速度的加快，机动车日益普及，人们在赚取由机动车辆所带来的巨额利润以及充分享 受汽车巨大便利的同时，也越来越受到交通拥堵、交通事故频发、环境污染加剧和燃油 损耗上升所带来的困扰，其主要表现如下： ( 1 ) 交通事故频发，对人类生命安全造成极大威胁。 世界卫生组织( 、阳o ) 的研究结果表明【l 】：交通事故是人类死亡的第五大要因，占各 种事故死亡的比重最大，并且造成中青年人死亡比重最大。据w h o 统计，2 0 0 0 年全球 共有1 2 6 万人死于车祸，车祸是人类非正常死亡的重要因索。据w h o 专家推算，到2 0 2 0 年车祸致人死伤的排名将居第3 位，远远高于艾滋病、疟疾等传染性疾病。 ( 2 ) 交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大。 根据2 0 0 2 年联邦与各州公路资料统计【2 】，洛杉矶是美国交通拥塞最严重的城市，在 交通高峰期平均要堵9 3 个小时，而华盛顿是6 7 小时、纽约5 0 小时。因为堵车，每年 仅在燃料一项上就浪费了5 7 亿加仑( 约合2 6 0 亿升) 。如果把浪费掉的燃料费和损失的生 产力综合在一起计算，那么每年交通拥堵造成的经济损失就超过6 3 0 亿美元，而2 0 年 前仅为1 4 0 亿美元；在巴黎，每天由于交通拥挤引起的损失时间相当于一个拥有1 0 万 人口的城市的同工作时间；在英国一个大约具有1 0 0 个平面交叉口的城市内，每年由于 车辆延误造成的经济损失就达4 0 0 万英镑【3 l 。 ( 3 ) 空气污染和噪声污染程度同益加深。 交通车辆的尾汽排放是主要的大气污染源，它带来了大量的微粒物质，还有氮化物 和臭氧等。发达国家的调查表明【4 】【5 】：汽车排出的污染物占大气污染物总量的6 0 以上， 交通噪声占城市噪声的7 0 以上。而交通堵塞时，由于燃料不完全燃烧，造成的污染更 加严重。实验表明，车辆在起、制动时排出的废气是匀速行驶时的7 倍以上，产生的噪 声也比正常行驶时高出7 倍。据估算【6 】亚太地区微粒污染物的处理费用约为4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 美元吨，显然这是一笔昂贵的支出。 混合交通是指各种交通工具或行人共用同一单幅道路的交通现象。通常分为三种情 第一章绪论 况：一是不同种类机动车的混合交通；二是机动车和非机动车的混合交通：三是机动车、 非机动车和行人的混合交通。一般我们所说的混合交通是指后两种情况。其中，机动车 与非机动车的混合交通是我国城市交通的主要特征，尤其机动车与自行车的混合交通最 为普遍，在平原城市这一特征更为明显。据北京市统计，三环以内主次干道( 不包括大 量的胡同) 为2 5 0 条，总长5 1 0 k m 。而实现机非物理隔离( 含用隔离墩) 的道路仅占2 8 ， 其余7 2 的道路都是机非混行状况【7 1 。交通统计数据表明，我国一般大城市自行车出行 量占总量的3 5 , - - 一5 5 ，中等城市占4 5 , - , 6 5 t 8 1 。由于我国的经济发展不平衡，人民 生活水平不高，人口数量大，城市化水平低，城市基础设施建设落后，因此，混合交通 是我国城市交通的显著特点。即使将来我国国民经济得到显著的提高，我国国情也不允 许大量私人小汽车的出现，这种状况不可能在未来几十年内发生根本变化，我国城市交 通中混合交通的现象将持续相当长的一段时间。 1 2 研究意义 交通问题已成为当今世界人们普遍关注的重要问题，解决交通问题最直接和最有效 的方法是修建更多的路桥以提高路网的通行能力。然而，修建路桥的巨额资金和城市有 限空间的严格限制，使这一方法的有效性大打折扣。因此，在现有道路条件下，提高交 通控制和管理水平，合理使用现有交通设施，充分发挥其能力，是解决交通问题的有效 方法之一。为了提高交通网络使用效率，解决交通拥挤和交通安全问题，世界各国在对 交通流进行有效管理方面投入了大量的研究，试图应用自然科学与工程技术的最新研究 成果解决同益严重的交通问题，城市交通问题的客观需求和现代科学技术的发展促进了 智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 的产生。智能交通系统是全方位解决 交通运输安全和交通拥挤的有效手段。城市道路交通控制，尤其是交叉口的交通控制， 是智能交通系统的重要组成部分，城市交通控制理论与技术的研究具有重要的现实意义 和理论价值。 在交通管理和控制中，交叉口管理是一个不可缺少的重要组成部分。交叉口管理的 好坏将是能否解决交通拥挤问题的关键。交叉口的通行能力以及车辆通过交叉口时的受 阻滞的程度，都直接受到信号控制方法的影响，所以进行交叉口信号控制的研究是刻不 容缓的。而且道路交叉口的交通运行状态与整个交通运行状态密切相关，解决道路交叉 口的问题是解决交通问题的关键。 为了使混合交通流在交叉口处有秩序的运行，必须对交叉口采取合理的组织与管理 2 k 安大学硕f j 学位论文 手段，使混合交通流在时间、空问和功能上从无序到有序，减少干扰与阻滞，确保各向 混合交通流的顺畅和安全，实现城市交通的畅通。 因此，结合我国城市交通现状，在混合交通条件下，对平面交叉口进行科学、合理 的交通控制优化，减少或消除冲突点，保证行车安全，并使延误尽可能地减少，对于改 善城市道路交通拥挤状况、提高道路通行能力、减少交通事故具有十分重要的现实意义。 1 3 信号交叉口交通控制研究概述 1 3 1 国内信号交叉口交通控制研究概况 我国在信号交叉口方面的研究起步较晚，最早有北京工业大学、同济大学、北京市 政设计研究院等单位对信号交叉口进行了研究。1 9 8 5 年，北京工业大学针对灯控平交路 口混合交通的通行能力进行了研究。之后，我国交通工作者借鉴国外先进的交通研究理 论与经验，结合我国的交通特征，对信号交叉口进行了大量研究。 在信号交叉口信号设计优化方面，2 0 0 1 年，北京工业大学博士研究生马建明研究了 利用专家系统技术，从几何设计、交通组织设计以及信号配时等三方面对信号交叉口进 行优化设计，并建立了用于评价信号交叉口运行优劣的微观计算机仿真模型s i m s i o 9 1 。 2 0 0 1 年，同济大学杨锦东和杨东嫒，研究了信号交叉口非饱和条件下信号周期与相关因 素的关系，提出了周期时长的优化模型【l 们。2 0 0 4 年，北京工业大学硕士研究生李美玲， 根据信号交叉口优化设计的特点，提出借鉴专家系统的思想开发信号交叉口交通组织优 化专家辅助系统，以辅助信号交叉口的优化设计【1 。2 0 0 5 年，吉林大学硕士研究生姜 景玲，根据自行车相对于标准小汽车的换算系数和基于交通强度的机动车交通流的周期 时长优化方法，建立了典型交叉口的周期时长优化模型【12 1 。2 0 0 5 年，吉林大学硕士研 究生王波，提出了拥挤条件下交通流诱导分流策略与交叉口拥挤疏导信号控制策略，并 建立了交叉口拥挤疏导信号控制方案的实时选择模型【l3 1 。2 0 0 6 年，沈阳工业大学硕士 研究生杨继平，提出了交通信号双模糊协调控制方案，经过模糊推理得到最优的相序安 排和各通行相位的绿灯延长时剧1 4 1 。2 0 0 7 年，吉林大学研究生蔡蕾，提出了模糊控制 和自适应遗传算法相结合的交通信号优化控制方案，并在此基础上提出了线控方案【l5 1 。 在信号交叉口组织优化方面，2 0 0 1 年，北京工业大学马建明等人利用微观仿真模型， 提出了信号交叉口交通组织优化的设计方法【l6 1 。2 0 0 2 年，四川交通职业技术学院刘德 武，通过对平面交叉口的交通特性进行研究，提出了道路平面交叉口的交通组织与管制 的具体方法和措施【0 7 1 。2 0 0 4 年，长安大学硕士研究生白立岗，通过对交叉口交通特征 第一章绪论 的分析，建立了交叉口布局、信号控制、交通流生成及运行等数学模型【俺1 。2 0 0 4 年， 长安大学硕士研究生葛怀群对禁左交通组织进行了研究，提出了禁左交通效果评价的主 要指标，并构建了禁左交通组织的综合评价模型【1 9 】。2 0 0 5 年，中国农业大学硕士研究 生龚晓岚以减小交叉口信号控制的平均延误为目标，提出了平面交叉口多相位模糊控制 算法【2 0 】。2 0 0 6 年，长安大学硕士研究生刘新华，总结国内最新研究成果，提出了通行 能力匹配放行法【2 1 1 。2 0 0 7 年，合肥工业大学研究生张政，从硬件设计、软件设计两方 面详细提出了平面交叉口的交通组织优化设计方案，并针对立体交叉出入口交通运行存 在的主要问题，提出了解决方案【2 2 】。 在考虑混合交通方面，2 0 0 1 年，同济大学杨晓光等人，分析了设置行人交通控制信 号的必要性，并对设置方法进行了研究，针对混合交通流特性，确定了行人信号相位及 其通行时间的定量模型【2 3 】。2 0 0 4 年，哈尔滨工业大学硕士研究生董向辉在对非机动车 与行人交通特性分析的基础上，研究了信号交叉口周期时长和绿信比优化模型，并开发 软件对所建立的模型进行了实例验证 2 4 1 。2 0 0 4 年，北京交通大学硕士研究生赵建丽对 混合交通流条件下信号交叉口的行人交通进行了研究，对行人行为进行了详细描述，并 研究了行人交通的相关参数，建立了信号交叉口行人对汽车的接受延迟( 1 a g ) 模型和非机 动车混合群体对汽车的接受间隙( g a p ) 模型，这为混合交通流条件下的信号交叉1 2 1 微观模 拟仿真提供了行人行为描述和定量的数学模型【2 5 1 。2 0 0 5 年，吉林大学博士研究生景春 光在对自行车交通流特征参数分析的基础上，对交叉口自行车流的到达和释放规律进行 了研究，并建立了自行车交通流的参数模型2 6 】。2 0 0 6 年，长安大学硕士研究生金莉， 在充分考虑信号交叉口混合交通特性的基础上，提出了信号交叉口周期时长、绿信比、 绿灯时间间隔优化模型【2 7 】。 1 3 2 国外信号交叉口交通控制研究概况 早在1 8 6 8 年，英国伦敦w e s t m i n s t e r 街口出现了最早的交通信号灯，从此诞生了第 一个信号交叉口，围绕着交叉口的研究不断的深入开展。英国、美国等发达国家率先对 此进行了研究，他们以连续的交通流为前提，提出了左、右转专用车道、渠化交通设施 等方法，在交通管理方面采用信号控制与交通规则相结合的方法，如采用多相位控制、 禁左或禁右等，来提高交通安全与通行能力。 在信号交叉口信号设计优化方面，1 9 9 4 年，美国o a kr i d g e 国家实验室交通研究中 心i t s 研究室r e k h as p i l l a i 和a j a yk r a t h i 提出了如何在有限支路和有限范围的交通 4 长安大学硕十学位论文 系统中得到最大线控的带宽，并介绍了获得最大带宽的一种启发式的方法m i l p ( m i x e d i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) 的形成和发展过程，以及基于m i l p 的m a x b a n d 线控软 件的优、缺点，并提出了改进方法【2 8 1 。1 9 9 8 年，美国维吉尼亚工程技术学院j o s e p h a b a l l ， m a r t i n gvd a y ，p u s h k i nk a c h r o o 和t u n g s h e n gy u 等人，以使排队长度或等待时间最小 为目标，针对单个交叉口和有两个交叉口组成的最简单的网路，提出了反馈控制方法的 设计，并讨论了由两个交叉口组成的最简单的网络的多种模型和问题【2 9 1 。1 9 9 9 年，日 本学者i n o u e 和t a k e s h i 通过用仿真模型再现交通状况，用事件扫描法对设计方案进行 评价，并在十字路口进行试验的方法，研究了在交通高峰时段的拥挤状态下，信号协调 控制系统相位差的设计方法f 3 0 1 。2 0 0 1 年，美国普渡大学土木工程系a b b a s 和m o n i a s i r 提出了一种交通信号相位差的转换运算法则，这种方法的独特之处在于优化过程同时考 虑了交通量和占有率的影响，并且这种方法与传统的信号协调控制系统有较好的兼容性 3 1 1 a 在信号交叉口组织优化方面，1 9 8 5 年，l i n 研究了在红灯期间右转和设置右转专用 车道的运行特征。l i n 收集了1 6 个地点的红灯期间右转的数据，包括交叉口几何条件、 可接受间隙行为、运行时间。利用这些数据开发了仿真模型，测试不同几何条件下的右 转情况。l i n 的结论是在允许红灯期间右转的情况，设置右转专用车道是必不可少的【3 2 1 。 1 9 9 8 年，乔治亚洲工业技术大学土木工程学院m a r kb t a r r a l 和k a r e nk d i x o n 研究了 两条左转专用车道在有无左转专用相位条件下的交通冲突现象，从而分析了两条左转专 用车道对交通安全的影响【3 3 1 。 在考虑混合交通方面，1 9 8 6 年，s m i t h 和o p i e l a 在不同的环境下测定了自行车的行 驶速度分布【3 4 1 。1 9 9 7 年，p e i n 测定了不同环境下自行车的加减速度分布和转弯半径等 参数【3 5 】。1 9 9 8 年，韩国学者k w o n 和y o u n g i n 通过对1 5 条道路进行交通调查，研究了 混合交通组成条件下的行人交通特性，讨论了人行道对道路交通环境、行人、非机动车 及机动车运行特性的影响【3 6 1 。1 9 9 8 年，p u t m a n 在对实际调查数据分析的基础上，利用 回归分析的方法研究了车道宽度、是否存在自行车专用道、相邻车道流量等因素对自行 车运行的影响【3 7 】。1 9 9 9 年，美国得克萨斯大学交通学院z o n g z 等人研究了在不同信号 相位划分条件下，行人过街时问的确定方法，并阐述了这些方法的优缺点及其对交叉口 机动车辆运行的影响【3 8 。2 0 0 0 年，美国南佛罗罩达大学h u s h a mn a b d u l s a t t a r 对驾驶员 在信号交叉口左转或右转时给行人让行的特性进行了研究【3 9 】。 第一章绪论 1 4 论文研究内容 本文混合交通流信号交叉路口为研究对象，主要展开以下的研究内容： ( 1 ) 概述控制参数之问的关系、计算方法，信号控制评价指标，信号控制方式的分类。 ( 2 ) 分析混合交通流信号交叉的机动车、自行车、行人交通特性，分析混合交通流信 号交叉口交通冲突类型及冲突点，总结提出解决交通冲突办法。 ( 3 ) 概述交通渠化，总结提出机动车、非机动车、行人的交通渠化优化方案。 ( 4 ) 总结提出多种信号相位优化方案，并提出混合交通流信号交叉口交通渠化与信号 控制的组合设计优化典型方案，提出自行车二次绿灯法绿灯间隔时间计算公式，行人专 用相位绿灯时间计算公式。 ( 5 ) 结合研究方法，选取西安市大差市交叉口进行实例分析。 6 长安人学硕 j 学位论文 第二章交通信号控制参数及控制方式概述 2 1 交通信号控制参数 信号控制主要参数有：周期时间、绿信比、相位、相位差，其它相关参数有：绿灯 间隔时间、有效绿灯时间、损失时间、饱和流量、流量比等，图2 1 中反映出部分参数 之间的关系。 某相位i 与相位i 冲突 的相位 黄，j 图2 1 部分控制参数之间的关系 2 1 1 主要参数 ( 1 ) 周期时间 周期时间即信号灯运行一个循环所需的时间，等于绿灯、黄灯、红灯时间之和，在 该期间各个交通流将顺序得到通行权。通常用c 表示，单位为秒。若一个循环有刀步， 各步长分别为f l f ：乙，则有公式( 2 1 ) ： c = t l + f 2 + + 乙( 2 1 ) 适当的周期长度对疏散路口处的交通流、减少车辆等待时间有重要意义。 ( 2 ) 最佳周期时间，最小周期时间，实际应用周期时间 最佳周期时间是使交叉路口各方向车辆通过路口的总延误最小的周期时间，亦即最 7 第一二章交通信号控制参数及控制方式概述 优化的周期时间，在周期运行时间内信号发挥最高的效率，车辆的总延误最小。韦伯斯 特( w e b s t e r ) 经过反复的测算，给出了计算最佳周期的近似计算公式( 2 2 ) ： c o ：半喾t z z ) 一百 式中：三周期总损失时间；y 流量比。 最佳周期时间是应用于定时信号的一个重要参数。在实践中，所选用的周期时间稍 长一点。这是因为y 是基于平均流量计算的，而每周期到达交叉口的车流量又是浮动的。 这样考虑到周期时间与延误的关系，当周期时间略大于最佳周期时间时，延误增长的较 小，反之，延误增长的较大，因此，实际选用的周期时间应略大于最佳周期时间。 最小周期时间即能够到达交叉口的交通量刚好全部通过路口的周期时间。它由公式 ( 2 3 ) 得出： 2 吉 ( 2 3 ) 在设计协调信号时，最小周期时间可作为一个关键交叉点选择周期时间的参考参 数。在实践中，如采用最小周期时间，常常引起很大的车辆延误，因而应选用实际应用 周期时间。 实际应用周期时间是通过大量的实践总结出来的，由于流量比y 测量是基于平均车 流量的，而车流量又是随机变化的，因此实际应用中交叉口通行能力是打折扣的。实践 表明，当路口的饱和度达到9 0 时，路口的承受能力已达临界点，因而实际应用周期由 公式( 2 4 ) 得出： c 。：堕 ( 2 4 ) p5 0 9 - y 瞄卅 ( 3 ) 绿信比 绿信比是在一个周期内，各阶段的绿灯时间与周期时间的比值，由公式( 2 5 ) 得出： 2 = g c( 2 5 ) 式中：五绿信比；g 绿灯时间；c 周期时间。 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l l ) ，可使各方向上阻车次数、等待时间减至最少。 ( 4 ) 相位、相位差 在一个周期内，平面交叉口某一股或几股交通流所获得的通行权称为信号相位， 简称相。例如一个十字路口，根据实际情况可以设计为两相位、三相位甚至四到八相位， 长安人学硕 ：学位论文 四相位如图2 2 所示。相位越多，交通安全性越好，但交叉路口的利用率越低。目前我 国城市交叉路口交通信号，取两相位者居多。 相位差是交通干线协调控制系统中的一个重要控制参数。通过调整各路口间相位 差，可以使一串路口的信号灯形成一条绿波带，如图2 3 所示，车队通过这些路1 ：3 时畅 通无阻。 _ 相位l + 一，相位2 一 时间 f 周 期 长 度 相位3 图2 2 四相位信号控制图 l 信号l信号2 信号3 罢 、 翳 圈 爪 口绿灯 豳红灯 距离 图2 3 相位差时距图 9 。、啦、l 第二章交通信号控制参数及控制方式概述 2 1 2 其它参数 ( 1 ) 绿灯间隔时间 失去通行权的相位对应的绿灯结束后，到得到通行权的相位对应的绿灯开始之前， 有一段间隔时间，这就是绿灯间隔时间，用月表示，由公式( 2 6 ) 得出： r ：一d + f ( 2 6 ) v 式中：d 从停车线到冲突点最远距离； ，车辆在时口道上的行驶车速； r 车辆制动时间。 ( 2 ) 有效绿灯时间 即某一相位的绿灯时间与黄灯时间之和减去损失时间，实际上就是被有效利用了的 绿灯时间，它也等于绿灯时间减去启动延迟时间再加上结束滞后时间，用表示。 根据绿灯损失时间的定义，可以得出实际绿灯显示时间g 与相位有效绿灯时间之 间的关系公式( 2 7 ) ： + | = g + 月( 2 7 ) ( 3 ) 损失时间 即在周期时间内，由于安全因素和车流运行特性的原因，某段没有交通流运行而未 得到充分利用的时间。整个周期的总损失时间为各个阶段内关键相位的损失时间之和加 上各个绿灯问隔时间，得到公式( 2 8 ) ： 上= i + r ( 2 8 ) 损失时间与周期时间的关系为公式( 2 9 ) ： c = ( + 叶尺= 扎 ( 2 9 ) 式中：c 周期时间；关键相位的有效绿灯时间；卜一关键相位的损失时间； 上整个周期的总损失时间；r 绿灯间隔时间。 ( 4 ) 饱和流量 在一次连续的绿灯信号时间内，进口道上一系列连续车队能通过进口道停车线的最 大流量就是饱和流量，用s 表示。 l o 长安大学硕l ：学位论文 ( 5 ) 流量比 流量比是某进口引道的实际车流量q 与其饱和流量j 的比值。当某个相位中有多个 车流同时运行时，该相位的车流量系数为各车流中最大的车流量比值。整个交叉口的车 流量比为各个相位对应车流量系数之和，由公式( 2 1 0 ) 得出： y = 竺( 2 1 0 ) j 2 2 交通信号控制评价指标 评价指标也称效益指标，是衡量交通信号控制优劣的标准。交通控制效益指标有很 多，如饱和度、通行能力、延误时间、排队长度、行程时间、停车次数、停车率和燃油 消耗量等。 交通信号控制的目的就是要使单个交叉口或交通网络获得良好的交通效益。在一定 的道路条件下，信号控制交叉口的通行能力受信号周期时长的影响。在正常的周期时长 范围内，周期时长越长，通行能力越大，但车辆延误及油耗等也随之增长。当信号交叉 口通过延长周期时长所提高的通行能力远大于交通需求时，即饱和度相当小时，会无谓 的增加车辆延误与油耗。所以，在这种情况下，通行能力过大，对于信号控制交叉口的 交通效益没有多大意义。 因此，在一定的道路条件下，交叉口信号控制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、停车率、行程时间等指标达到最小，这样，既能保证车辆的 畅通又能降低运行费用。 评价指标的选择应遵循以下原则： ( 1 ) 全面性原则。交叉口信号控制的某一单因素评价指标只能从某一侧面反映交叉口 信号控制的效益，不能反映交叉口信号控制的整体效益，因此选取的评价指标应该从各 个不同角度反映出被评价交叉口的主要特征和状况，能反映交叉口的动态变化。 ( 2 ) 科学性原则。具体评价指标的选择应该在充分认识、系统研究的基础上，既包括 宏观性指标，又包括微观性指标。 ( 3 ) 可操作性原则。评价指标并不是越多越好，要综合考虑评价指标的量化及数据取 得的难易程度和可靠性，尽量选择具有代表性的综合指标和主要指标。 ( 4 ) 动态性与稳定性相结合的原则。评价指标内容不宜变动过频，在一定周期内，应 该保持其相对的稳定性，同时也要随交叉口交通量、交通流特性的变化逐步调整。 第二章交通信号控制参数及控制方式概述 2 2 1 饱和度 某一交叉口进口道的车流量与可从该进口道的通行能力的比，即该进e l 道的饱和 度。它由公式( 2 1 1 ) 计算： x ：旦：坚：上 qs g 。 兄 式中：g 该进v i 道的车流量：q 该进口道的通行能力： c 周期时间：s 该进口道的饱和流量； 有效绿灯时间；允绿信比；y 流量比。 ( 2 1 1 ) 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，而非各相位饱和度 之和。实践证明，饱和度实用限值定在o 8 珈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1 2 1 建设投资，故可以采用更高的限值饱和度实用极限值0 9 5 t 4 2 1 。 2 2 2 通行能力 在信号控制交叉口，车辆只能在有效绿灯时间内通过停车线，因此信号控制交叉口 一侧进口道上的通行能力为公式( 2 1 2 ) ： q = s g _ ，_ z e = 加 ( 2 1 2 ) 乙 式中：s 该进口道的饱和流量；有效绿灯时间： c 周期时间；五绿信比。 为了提供足够的相位通行能力，必须满足公式( 2 1 3 ) ： q q 或x q c 或允 y ( 2 1 4 ) 显然只要加大有效绿信比就可以加大该相位的通行能力，或者说降低其饱和度。虽 然这种方式可以使该相位的通行能力得以提高，但是这会使得其冲突相位的通行能力相 应降低。所谓冲突相位，就是指在灯色显示上相反的相位，一个相位获得通行权的同时， 与其冲突的相位正好失去通行权。因此，研究整个交叉口的总通行能力和饱和度有必要 把各个相位作为一个整体来考虑。 1 2 k 安人学硕l ：学位论文 2 2 3 延误时间 对于信号交叉口行车延误的分析与计算，主要有三种理论：稳态理论、定数理论和 过渡理论，其中稳态理论主要用于交叉口饱和度小于1 的情况，并假设在观测时间段内， 通过能力和车辆到达率保持不变。通过长期的现场观测和计算机仿真研究，w e b s t e r 提 出了单车平均延误时间公式( 2 1 5 ) ： d ：而c ( 1 - 3 ) 2 + 冬一o 6 5 ( 要) ；删 ( 2 1 5 ) 2 ( 1 一名x ) 2 q ( 1 一x )、9 2 7、 式中：d 交叉口给定入口处单车平均延误时间； c 周期时间；兄所研究相位绿信比； x 所研究相位饱和度；g 所研究相位车流量。 公式( 2 1 5 ) 0 7 第一项是由车辆均衡到达交叉口而引起的延误，称为均匀( u n i f o r m ) 延 误，有公式( 2 1 6 ) ： d u 而c ( 1 - 丽2 ) 2 ( 2 1 6 ) 公式中的第二项是由于车辆到达的随机性引起的延误，称为随机( r a n d o m ) 延误，有 公式( 2 1 7 ) ： 磷：士 ( 2 1 7 ) 1d ，= ( z 2 q ( 1 一x ) 、 公式中的第三项数值较小，常忽略不计。故有公式( 2 1 8 ) ： d = 吃+ d r = 瓦c ( 1 - 丽；t ) 2 + 丽x 习2 ( 2 1 8 ) 如果交叉口有刀个相位，则交叉口的总延误由公式( 2 1 9 ) 得出： d = q 4 ( 2 1 9 ) 式中：喀第i 相的单车延误；q 第i 相的车流量。 2 2 4 排队长度 排队长度是评价交叉口进口道设计长度选定的合理性、交叉口拥挤阻塞状况等的重 要指标。平均排队长度是指在信号一个周期内各条车道排队的最长长度t 的平均值。 1 3 第二章交通信呼控制参数及控制方式概述 各条车道最长排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的长度。平均排队长度用式 ( 2 2 0 ) 表示： 一 l - - - 旦一 ( 2 2 0 ) 刀 式中：刀车道数。 2 3 交通信号控制方式分类 城市交通信号控制是通过对交通流的调节、警告和诱导以达到改善人和货物的安全 运输，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好地利用现有运输能力，提高 交通流的安全性、快速性和舒适性。 城市道路上，平面交叉口在各类型交叉口中占很大比例，它们犹如瓶口成为道路的 咽喉要道，时刻关系到车流的速度和畅通问题。人们对平面交叉口的要求是既安全又通 畅，因此采用从时间上分开交叉口交通冲突的办法，按不同道路性质、等级与交通情况 采取不同的措施对交叉口的交通进行管理。 2 3 1 按控制原理划分的控制类型 ( 1 ) 定时控制 以历史的交通流的统计值为依据，找出每个日周和时日交通流变化的规律，用人 工方法和计算机仿真方法预先准备好不同日周不同时间区段( 时段) 所使用的配时方案 ( 即一组周期长、绿信比和相位差所组成的控制参数组合) ，采用程序存储方式将这些配 时方案存储在信号控制器或中心计算机中。在实施信号控制时可以用不同的方式调用这 些配时方案。这种控制方式的优点在于：实时性好，但方案的好坏取决于系统管理者事 先的判断能力。 ( 2 ) 感应控制 原理是根据车辆检测器测量的交通数据调整相应的绿灯时间的长短和时间顺序，以 适应交通的随机变化。适用于饱和度较低的交叉路口或各向交通流相差较大的交叉路口 的控制，特别是交通流没有明显的变化规律，随机性较强的交叉口，效果更为明显。 ( 3 ) 自适应控制 在一条干线或一个区域，根据交通流的动态的随机变化而自动地调整信号控制参 数，使控制系统自动地适应交通流的随机变化，这种控制方式就是自适应交通控制方式。 1 4 长安人学硕i ：学位论文 自适应控制是由于计算机技术和通信技术发展到一定的水平而产生的控制方式，主要用 于实现城市路网的统一调度和管理。控制系统根据检测器送来的交通量信息，实时产生 出对某种性能指标来说是最佳的配时方案，自动调节各个参数( 周期、绿信比、相位差 等) 。进行这种控制方式的交通信号机将检测到交通数据实时地通过通信网传至上位机， 上位机根据路网上交通量的变化情况，不断调整配时方案以达到最优控制。通过这种控 制方式，上位机同时控制城市中某个区域内的多个路口的信号机，实现区域中交叉口交