（交通运输规划与管理专业论文）城市平面交叉口时空资源优化配置方法研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 随着城市经济的发展，我国城市规模有了很快的发展，同时城市居民的交通需 求也与日俱增，这就带来交通需求与供应的矛盾。其直接的后果就是城市交通拥堵、 交通秩序混乱，交通事故频繁。在平面交叉口处，情况更为严峻。基于我国是混合 交通流的国情，因此在交叉口时空资源配优化置的方法需要考虑混合交通流的特点， 尽可能地降低行人、非机动车以及机动车之间的互相干扰。本文对不同种类的交通 流的运行进行逐一分析，以此作为交叉口时空资源优化配时方法的研究基础。 以混合交通流为研究前提，充分考虑不同种类交通流的运行特性，提出不同交 叉口机动车进口车道、出口车道、渐变车道的设置方法；根据相交道路等级情况， 提出非机动车进口道的设置方法；结合相位顺序的安排，利用交叉口闲置的时间资 源，设置行人待行区；考虑环形交叉口交通量分布的具体情况，根据需要对中心岛 进行剖口设置，通过信号灯控与剖口相结合的方式为交通量大的直行车流提供快速 通道，在此基础上设置一定的导流设施和行人过街设施，提高了通过交叉口的行人 及非机动车的安全程度；利用交叉口的空余面积设置左转弯待转区，缩短了左转车 辆通过交叉口的距离，使空间资源得到更合理地利用。在此基础上，根据我国平面 的交叉口交通特点，分别研究了不同相位组合方案的适用性；结合不同交叉口的具 体情况，提出了确定相位顺序的方法；结合国外现有的研究成果以及国内交通流分 布的具体特点，提出相应的优化算法。 以使用者的角度出发，提出服务水平评价体系，并以运行效率和安全性为准则 选取不同的研究指标，最后利用层次分析法得出评价结果。 最后通过实际例子，运用文中提到的方法对其进行优化设计，并通过对实例优 化前后的服务水平评价反映交叉口时空资源优化配置方法的实用性。 关键词关键词：平面交叉口 时空资源 交通流特性 服务水平 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract with the development of social economy, the size of cities in china has been changing drastically, and citizens demands of transportation are increasing relatively. therefore, that brings the contradiction between supply and demand of transportations, and leads more traffic congestions, disorders and accidents, especially in plane intersections. based on the situation that mixed traffic flows in china, the method considering the mixed traffic to optimize the space-time resources in intersections, should reduce the interferences among pedestrians, non-motorized and motor vehicles. in the paper, different types of traffic flows will be analyzed respectively, and the findings will be as the foundation to study the timing method of optimizing the space-time resources in intersections. a prerequisite for this study is mixed traffic flows. considering the various functional features of different traffic flows, several setting methods for motor vehicles through intersections were shown, such as enter lane, exit lane and gradual changing lane. according to the ranks of crossing roads, the enter lane setting method of non-motorized vehicles was indicated. pedestrians waiting section was put forward by applying phase sequence arrangement to use the idle time resources. considering the specific circumstances of roundabouts, some cuts would be set at center islands when requiring. by using the traffic lights and cuts together, the straight lanes which contain large flows would be set as fast lanes. based on those settings, diversion facilities and pedestrian crossing facilities could be set to enhance the safety of pedestrians and non-motorized vehicles while crossing intersections. moreover, the waiting area for left turning vehicles could be set by utilizing the spare space of intersections. and thus, the distance of left turning vehicles crossing the intersection would be shorten, and space resources would be used more rationally in this case. based on the features of our countrys plane intersections, the applicability of different assorted methods have been researched respectively. according to specific situations of different intersections, the method of deciding phase sequence was discussed. and the arithmetic of optimization was stated by referring the present overseas study results and the features of our countrys transportations. 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii in terms of users perspectives, service performance assessment system was used to appraise the performance of applied methods. by using the dimensions of operating efficiency and safety, research indicators were picked out. the result of assessment could be got with using the hierarchy analysis finally. at the end of the paper, a specific case was shown how to optimize its situation by using the referred methods. the practicability of optimizing the space-time resources in intersections could be reflected by comparing with the service performance assessments between the past and optimized situations. key words: plane intersection space-time resources features of traffic flow service performance 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已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， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 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，即：学校有权 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。 本人授权华中科技大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 绪 论论 1.1 研究意义研究意义 城市交通是城市经济生活的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，对于城市 经济的发展和人民生活水平的提高起着十分重要的作用。随着经济的迅猛发展和城 市化进程的加快，我国的机动车保有量快速增长，这导致了交通需求与道路设施之 间的矛盾越来越尖锐，从而引发交通堵塞、交通事故频繁发生，环境污染等一系列 问题，严重影响着城市功能的正常发挥。2001 年，全国共发生交通事故 70 多万起， 10 万多人死亡，受伤人数 50 万人，直接经济损失达 30 亿元。近五年，全国道路交 通事故起数上升了 32.5%，死亡人数上升了 8.8%，受伤人数上升了 42%。目前，机 动车污染已经上升为我国城市大气和噪声的主要污染源。北京市汽车排放的一氧化 碳、碳氢化合物、氮氧化物已占总排放的 40%-75%。广州市与交通有关的排放占一 氧化碳总排放的 87%和二氧化氮的 67% 1。因此，如果我们不及早对此进行治理， 那么城市交通的恶化必将成为制约我国经济发展和城市功能正常发挥的瓶颈。 平面交叉口是道路与道路的交叉点，相交道路上的各种车辆、行人都要在此汇 集、转向、通过。因此在交叉口处，车辆和过街行人、机动车与机动车、机动车与 非机动车之间会产生许多汇合点、交织点和冲突点。这三者之间相互干扰严重，导 致平面交叉口的通行能力比路段会大幅降低，三条路相交时约减少 30%，四条路相 交时约减少 50%，五条路相交时更是约减少 70%。可见，平面交叉口是城市交通网 络的瓶颈所在。对于信号控制的平面交叉口，车辆受红灯影响而被耽误的时间约占 全程时间的 31%。另外，平面交叉口是交通事故频频发生的黑点所在。根据有关资 料2的统计，59的交通事故都发生在交叉口。因此，平面交叉口同时是交通安全隐 患的重要潜伏点。 因此，平面交叉口的交通组织管理合理与否将和该城市的居民生活水平息息相 关。如果平面交叉口的运营情况不良、交通组织管理不力，将会使得城市的交通拥 挤加剧、环境污染严重、交通状况恶化，为城市居民的日常生活带来极大的不便以 及造成该城市严重的经济损失；更为重要的是严重的交通拥挤、恶化的交通状况会 在很大程度上影响城市对外形象，从而降低该城市的对外影响力、吸引力，令该城 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 市失去应有发展机遇。 1.2 国内外研究现状 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 城市道路交叉口交通渠化设计作为交通组织的重要实现手段，在国外已经较为 成熟，一般都形成了规范或手册。如美国的 mutcd(manual on uniform traffic control devices) 3，在里面就介绍了各种渠化措施以及设施的尺寸、颜色和使用时 需注意的问题。 在信号配时方面，根据周期是否固定，单点交叉口信号配时又分为定周期信号 配时和感应式信号配时。在定周期信号配时方法中，目前应用最广的是 f.韦伯斯特 f.webster 公式4。然而，随着时代的发展，道路交通条件以及交叉口的运行情况都 产生了很大的变化。因此，webster 公式以交叉口通行车辆的总延误时间最少为主要 出发点的思想也逐渐出现了弊端。车辆受阻而被迫停车的次数、交叉口的排队长度 以及“人”的延误时间以及停顿次数（包括过街行人，公共汽车乘客等），也应该 列入交叉口配时设计的考虑因素中。另外，在进行交叉口配时设计时，设计者的出 发点应当是力图降低营运费用（除时间因素外，还有燃油消耗，车辆轮胎和机械磨 损等）以及汽车尾气污染，降低司机的不舒适程度，同时确保交叉口的安全。各国 学者基于这些因素对webster 公式进行修正。 澳大利亚学者r.阿克塞立科 （r.akcelic） 在他的研究中引入了“停车补偿系数”，并将它与车辆延误时间联合在一起，用以 评价信号配时的优化程度。这被认为是对 webster 公式一个成功的修正和补充5。对 于感应式信号配时，其基本原理是在交叉口处安装车辆检测装置，信号机便根据这 些检测到的车辆信息来控制红绿灯的运行。这种控制方式最早出现在美国。在 90 年 代中期，akcelic 提出了感应式信号配时绿灯信号长度和周期长度的计算方法 678。 感应式信号控制主要是以车辆延误为基础，在对车辆到达模型做出一定的假设后， 建立车辆延误模型再进行寻优计算。感应式信号控制比固定周期信号控制优越，它 能实时适应交通量的变化。然而，感应式信号控制只能检测是否有车辆到达而不关 心有多少车辆到达，因此它无法适应各流向的交通需求。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 由于平面交叉口的通行能力要比路段上要低，因此为了提高平面交叉口的通行 能力，故在交叉口进口处一般都希望尽量划分更多的车道，以达到提高通行能力、 降低饱和度的目的。目前按照这一思路所采取的措施一般有：在离交叉口几十米处 把道路中心线偏移，另外压缩车道，从而达到增加车道数的目的；为右转车辆开辟 专用右转车道，这可通过对路缘石进行拓宽来实现910。另外，大量事实证明，交 通流之间的相互影响是造成平面交叉口通行能力低下、交通事故频发的一个重要原 因。因此，在空间上分离不同种类交通流是提高平面交叉口的通行能力、减少交通 事故发生的重要手段。目前，在多数平面交叉口的设计方案中，大部分都是通过设 置各种物理渠化岛、导流岛以及施划各种标线等来实现人车分离的目的。另外，在 信号交叉口，为了消除不同种类交通流的相互干扰，需要考虑路口机动车放行方法 与非机动车、行人放行方法的组合。由于我国是混合交通，平面交叉口的放行方法 仅仅选择机动车的两相位或多相位是远远不够的。因此应该根据交叉口的几何条件 和机动车、非机动车流量特点，按照便于警察控制冲突点秩序的要求来选择交叉口 机动车放行与非机动车放行的组合形式，以保证交叉口范围内冲突简单，便于控制。 目前关于放行方法主要有三种：时间分离放行法、空间分离放行法和时空分离放行 法11。在实际的应用中，应该根据交叉口的面积大小、机动车、非机动车以及行人 的实际流量而采取不同的放行方法。 在信号配时方面，其主要方法主要从以下几个角度出发： 1) 针对单目标对信号周期进行优化121317； 2) 针对多目标对信号周期进行综合优化1415 3) 针对单目标绿信比进行优化16； 然而这些算法都是对单个控制参数进行优化，其结果具有一定的局限性。虽然 在第二类方法中建立了多目标优化模型，但是仍然摆脱不了单参数优化的实质。 1.3 研究目标和主要内容研究目标和主要内容 1.3.1 研究目标 研究目标 本课题就平面交叉口的时空优化配置方法作系统性的研究，同时对现有的某些 措施提出一定的改进方案，并在某些方面提出一些创新见解。本课题研究的主要目 标是形成适合我国城市平面交叉口的客观情况的时空资源优化配置方法的系统理 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 论。次级目标是对本课题中出现的平面交叉口的交通流运行特性作一系统性的分析， 为日后的工程实际应用提供依据。 1.3.2 主要研究内容主要研究内容 本论文所研究的是平面交叉口的时空资源优化配置方法，通过对交叉口的时空 资源优化配置，从而达到减少车平面交叉口的车辆延误、人车冲突以及提高安全性 的目的。论文的成果可以作为日后工程实际应用的参考。因此本文研究的主要内容 包括： 1) 平面交叉口的交通流运行特性 包括机动车在平面交叉口的到达特性、停车特性、通行特性以及间隙穿越特性 (对于无信号交叉口而言)；非机动车在平面交叉口的聚集特性、疏散特性；行人的 步行特性以及在交叉口的运行特性。 2) 平面交叉口的空间优化设计 这是本文的研究重点之一，通过充分利用平面交叉口有限的空间资源，使得各 进口道的车辆可以有序地通过交叉口。有效的空间布局设计，对于分离交叉口的车 辆冲突，减少交叉口的车辆延误具有重要作用。而且，空间优化设计也是信号配时 优化的前提，它为交叉口的信号配时提供了硬件基础。 3) 平面交叉口的时间资源配置优化设计 这是本文的另一个研究重点。根据平面交叉口的实际情况来决定是否需要信号 控制，如需要的话则结合该交叉口的流量、空间布局而设计相应的信号配时方案。 相对空间布局设计而言，信号配时则是平面交叉口交通组织的软性手段。通过交通 信号，在时间上对车辆的冲突进行分离。 4) 平面交叉口服务水平评价 建立交叉口服务水平评价体系，并在运行效率和安全准则下分别选取所需要的 评价指标，并利用层次分析法得到最后结果。对交叉口进行服务水平评价，可以检 验交叉口现状的以及改善设计后的服务水平状况，从而为决策者提供有效的依据。 1.4 主要章节安排主要章节安排 本文的第二章主要研究城市平面交叉口的交通流运行特性，这是研究平面交叉 口时空资源优化配置方法的基础部分；第三章是本文的核心之一，主要是研究交叉 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 口的平面布局优化的方法和手段；第四章是本文的另一个核心，主要研究平面交叉 口的时间优化配置手段，也就是平面交叉口的信号配时优化方法；第五章主要是研 究平面交叉口时空资源优化配置方案的评价，其中包括评价的指标、评价方法等； 第六章是实例分析，作为上述提出的方法的一个综合性应用；第七章是结论和研究 展望，对本文作归纳和总结。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 2 平面交叉口交通流运行特性分析平面交叉口交通流运行特性分析 2.1 概述 概述 平面交叉口是各种交通实体聚集的地方，机动车、非机动车以及行人都需要在 此实现转向、交接等出行目的。而且在不同的类型的平面交叉口，交通流所体现出 来的行为又有很大差异。在陆地交通中，交通流主要分为三种：机动车、非机动车 以及行人。这三者的交通运行特性各不相同，在实际运行中，它们又互相影响。因 此本章通过分析它们三者各自的交通特性以及相互影响，为后续的平面交叉口时空 资源优化方法的研究提供理论基础。 2.2 机动车运行特性 机动车运行特性 机动车在平面交叉口运行过程中，驾驶行为除了受到交通流实际情况的制约之 外，还受到交叉口的几何形状、采取的管理措施、控制方式等因素的制约。因此， 车辆在交叉口的运行情况比起路段上要复杂得多。 2.2.1 机动车的间隙穿越特性机动车的间隙穿越特性 间隙穿越特性是机动车经常出现的交通运行特性，它贯穿于整个交通流运行过 程。 在间隙穿越中有两个很重要的参数： 车头时距 f t和临界穿越间隙 c t 。 车头时距 f t 则是指支路排队车辆连续通过交叉口相邻两车之间的时间间隔，换句话说， f t 就是 支路车流在无其他车辆冲突影响下以饱和车流通过交叉口的车头时距；而临界穿越 间隙 c t 是指交叉口主路车流允许支路以等待穿越车辆通过主路的最小间隙。对于主 要道路也存在一个最小车头时距 m t ，它是指主路运行车流中两相邻车辆间的最小车 头时距。这几个参数在机动车间隙穿越特性的研究中起这相当重要的作用。 1) 车头时距的概率分布特性 19 通常，车头时距服从一定的概率分布。应用最早的车头时距分布是负指数分布 模型15： t etf =)( (2-1) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 式中：t车头时距，t0 车流量，=q/3600(q 为小时交通量) 从上式可以看出，当车头时距越接近零的时候，其概率就越大。因此，负指数 分布比较适用于道路上车辆比较稀少，车辆可以自由超车的情况。但是对于车流量 比较大，车辆运行受到一定限制的时候，负指数分布就显现出一定的局限性。为此， 需要对其进行一定的修正。负指数分布最常见的一种形式是移位负指数分布，其概 率密度函数为： = 0 1 )( t t e t tf 0 0 t t (2-2) 式中： 最小车头时距 t平均车头时距，t=3600/q 可见，在移位负指数分数中假设车头时距不能小于一个最小值 ，它解决了车头 时距越接近零概率越大的问题。当令时，此时就变成了式 2-1 中的负指数分布。 移位负指数分布在道路上车辆较多的时候也适用。它是负指数分布的更一般形式。 负指数分布还有一种修正形式爱尔朗分布，其概率密度函数为： t r e r t tf = )!1( )( )( (2-3) 式中：r爱尔朗分布的阶； r/车流量。 显然，当 r=1 时其形式就是负指数分布。 负指数分布及其修正形式都是交通流作为一个整体来同意考虑的，处于交通流 中的每辆车都是以相同的状态运行。事实上，处于同一交通流中的每辆车，其运行 状态都存在着差异。因此，科朗(cowan)在移位负指数分布的基础上又提出了 m3 分 布2021。m3 分布假定车流是由两部分组成的，一部分车辆以跟驰状态行驶，另一部 分则是以自由状态行驶。当车辆在跟驰状态行驶的时候，车辆之间保持均一的车头 时距 。当车辆在自由状态行驶的时候，其车头时距大于 。若车辆以跟驰状态行驶 的概率为1，车辆以自由状态行驶的概论为。m3 分布的概率密度函数为： = 0 )( )( t e tf 0 0 t t (2-4) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 式中：最小车头时距； 衰减常量； 自由车流概率。 这几个参数之间的关系为： = q q 3600 (2-5) 式中：q主路车流量。 m3 分布对于不允许超车的单车道情况比较合适。 它较为客观地描述了道路上运 行车辆状况2223。实际上道路上的运行车辆性质的不同经常会出现超车现象，因此 m3 分布也不能全面地描述车辆的运动行为。 根据单车道车辆的实际运行情况，在 m3 分布的基础上进行了改进，建立了改 进的 m3 分布，使其数学表达对车头时距的描述更为合理24。改进 m3 分布概率密 度函数为： = )1 ( 3 2 1 2 )( e tf 2 21 1 0 t t t (2-6) 式中， 1 为最小车头时距，当车辆处于超车状态时，车头时距服从0，上的均匀 分布，此时的分布密度为；当车辆处于跟驰状态时，其概率密度满足 1 ， 2 上 的均匀分布，此时其分布密度为 2 ；当车辆处于自由流状态时，车头时距大于， 此时其分布密度服从移位负指数分布 )1( 3 2 e。这几个参数满足下述关系： )(1 122113 = (2-7) 2 2 12 2 22 2 11 3 2/( 111 += q (2-8) 因此，改进型m3分布的分布函数为： += )1 ( 3 1211 1 2 1 )()( e t t tf 2 21 1 0 时，允许支路两辆车通过，当 fc ntth+时允许支路n+1辆车通过。 2.2.2 机动车在交叉口受阻滞特性机动车在交叉口受阻滞特性 在信号控制交叉口，车辆通常会由于红灯信号的存在以及不同信号之间的切换 而受到一定阻滞，使得它不能以正常速度通过交叉口。在每个信号周期内，总有一 部分车辆在到达停车线之前后受到红灯阻滞。即便是有些车辆是在绿灯时间可以到 达停车线的，但由于前面有上一次红灯阻滞而积存下的车辆阻挡，也不得不减速甚 至停车待机。 由于红灯信号的存在，车辆在经过交叉口的时候几乎都需要经历一个减速 停车加速的过程。这个过程可以分为三种情况： 1）车辆经过减速阶段，其速度由原来的 c v下降到0，然后又立刻加速至 c v，如 图2-1a所示； 2）车辆经过减速阶段，其速度由原来的 c v下降到0，然后保留此状态一段时间 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 后再加速至 c v，如图2-1b所示； 3）车辆经过减速阶段，其速度由原来的 c v下降到 c v,然后又立刻加速至vc，如 图2-1c所示； 图2-1a 车辆完全减速 图2-1b 车辆完全减速后 图2-1c 车辆减速到一定数 后立即加速 后停留再加速 后立即加速 图2-1a 车辆完全减速 图2-1b 车辆完全减速后 图2-1c 车辆减速到一定数 后立即加速 后停留再加速 后立即加速 实际上在有些时候，尤其是在每天的高峰时段，在一些比较重要的道路上，由 于其庞大的交通量，红灯信号期间经常会积累了大量车辆，这使得在这些道路上的 进口道上，车辆的排队长度过长。那么在队列靠后位置的车辆就可能需要经过二次 排队才能通过交叉口。 2.2.3 机动车疏散特性机动车疏散特性 在信号交叉口的绿灯阶段，在交叉口进口道上累积的车辆开始疏散。由于信号 阶段的切换，位于进口道前列的车辆通常要经历一个由静止到以正常速度行驶的加 速过程。对于后续的车辆，因为有了前面车辆的启动提示，因此它们会预先作出反 应而对车辆进行提前的加速。故车队的后续车辆在绿灯阶段时，可以以一个比较稳 定的状态通过交叉口，此时的流率就是饱和流率。对于车辆疏散的特性，要分两种 情况讨论：有冲突疏散和无冲突疏散。 1) 无冲突情况疏散 该种情况下，由于左右转车辆都有各自的专用车道，因此不会对本向直行车辆 造成干扰，而又因为专用左转相位的存在，使得本向左转车辆和对向直行车辆也不 存在冲突。此时的饱和流量25为： r f wg s gn 5 . 1 1 )25. 3(100421402080 + + = (2-11) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 式中： n 车道位置修正系数，靠边车道取1，非靠边车道取0； g 纵坡影响系数，上坡时取1，下坡时取0； g纵坡坡度； w车道宽度； f车道中，转弯车所占比例； r车辆转弯半径。 该种情况唯一存在的冲突就是本向右转车辆和本向直行行人以及非机动车所构 成的冲突。由于直行行人和非机动车的存在，使得右转车辆不能在全时段畅通无阻 地通过交叉口。当有行人和非机动车通过人行横道的时候，右转机动车就不得不停 下来为行人和非机动车让行。 2) 有冲突情况疏散 在一些没有设置专用左转车道的交叉口，或者设置了专用左转车道但是却没有 专用左转相位的交叉口，在绿灯信号阶段，通常会发生本向车辆和对向车辆的冲突。 此时的饱和流量主受到以下几个因素的影响： (1) 本向车道的交通强度，就是车道饱和度x； (2) 左转车辆比例f； (3) 交叉口可容纳的左转车辆(不至阻碍直行车)的车位数n； (4) 每小时内的周期数c/3600。 此时的饱和流量应该分为两部分：在有效绿灯时期驶离车辆的流量 1 s以及紧接 着有效绿灯末期驶离车辆的流量 2 s。此种情况下，饱和流量的计算比较复杂，其具 体计算方法见文献25。 当同类进口道的数量多于1条的时候，此时每条车道饱和流率会小于只有一条车 道时候的饱和流率。这是因为当存在多条同类车道的时候，在其中行驶的车辆之间 会有一定的干扰。 2.3 非机动车运行特性 非机动车运行特性 作为三大交通实体的非机动车，有着其独特的行驶特点，而且在平面交叉口处 的运行会对其他类型的交通实体会造成一定的影响。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2.3.1 交叉口范围内非机动车流运行特性交叉口范围内非机动车流运行特性 与行人以及机动车不同，自行车具有体积小、操纵灵活、行车轨迹不确定的物 理特征，因此它在交叉口行驶的过程中具有如下特性 26 ： 1) 摇摆性 自行车在交叉口内由于与机动车处于同一运行平面，无任何隔离防护，骑行速 度慢，自行车骑行人的畏惧心理使得车辆横向摇摆,容易偏离原骑行轨迹。 2) 成群性 交叉口信号灯停车线处由于红灯信号聚集了大量的自行车,在绿灯信号开启时 刻，自行车成群地涌进交叉口内，这使得交叉口短时间内进入的大量自行车从而对 机动车运行带来干扰。 3) 多变性 由于自行车机动灵活，易于转向、加速或减速，而且骑行人技术、心理因素等 差异较大，因而个体车辆的速度和方向常常变化，在交叉口内呈散点分布。 4) 遵章性差 自行车骑行人的心理状态是图省力抄近路和从众行为27,在通过灯控路口又无警 察和协勤人员管理时,易于出现闯红灯和在交叉口内抢行的违章现象。 5) 机动车与非机动车的不对等性 非机动车与机动车具有明显的不对等性。非机动车的体量、速度、强度等都与 机动车有着明显的区别，因此机非交通个体并不会混合成为单一的交通流。在交叉 口内部不同方向的车流相遇时，除密集的自行车队以外，在我国常规的交通现象是 自行车个体寻找机动车流的可插入间隙通过，也即当机非交通流相交时，一般是非 机动车流被隔断。 2.3.2 非机动车的间隙穿越特性非机动车的间隙穿越特性 在平面交叉口，非机动车与机动车的行驶轨迹总是存在一定的交叉，因此就产 生了交通流穿插行为。而被穿插的交通流(即优先交通流)前后两车之间的车头距离 就称为穿越间隙。非机动车的穿插行为分为两种：一是非机动车与非机动车之间的 穿插行为；二是非机动车与机动车之间的穿插行为。由于非机动车之间的穿插的危 险性不大，此类的穿插行为没有太大的研究价值。而对于机动车与非机动车之间的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 穿插行为，其危险性要大得多，对人造成的伤害也大为严重，因此这里说的是指此 类穿插。 与机动车的间隙穿插一样，非机动车的骑行者也存在一个临界穿越间隙。临界 穿越间隙是交通个体(包括机动车、非机动车和行人)在某个具体情况下可接受的最 小间隙持续时间。当实际间隙大于此值时，交通个体会选择穿越，否则则会选择等 待或者避让。临界穿越间隙的大小带有个人主观性，因此其具体数值大小因人而异。 2.3.3 非机动车的聚集特性非机动车的聚集特性 非机动车的聚集主要发生在信号控制的平面交叉口。经过大量的观测，在平峰 时段非机动车以及机动车数量都不多的时候，非机动车通常会停留在非机动车道内， 或者停留在人行横道的进口道处，此时非机动车一般不会占用机动车道停车（在没 有机非分隔带的道路），表现出来的是一种互不干扰、相对有序的状态；然而在高 峰时段，随着机动车和非机动车数量的增多，它们之间的互相干扰程度也会逐渐加 深，此时在交叉口处，非机动车因为数量庞大而占用大量面积停车，甚至会把非机 动车的进口道完全占用，后续的车辆不得不占用人行道停留，而对于没有机非分隔 带的道路，非机动车由于其体积较小、行驶灵活而穿插进机动车排队时所留下的空 隙里停车，而机动车也会由于其面积的有限而占用非机动车道停车，这样一来，两 者之间会造成严重的干扰。 与机动车不同，自行车在平面交叉口的聚集通常表现出来特征的是无序、随意 的简单的集中而不是排队。这是由于非机动车本身拥有体积小、灵活的特性。因此 非机动车的聚集特性可以通过对其占有的停车面积来衡量。非机动车的单位停车面 积与聚集的非机动车的数量有关，并且呈一定的不稳定性。当自行车数量较小的时 候，自行车的单位停车面积比较大，当自行车数量增多的时候，其单位停车面积便 逐渐下降，但当数量增加到一定程度之后，其单位停车面积就会趋于稳定。 2.3.4 非机动车的疏散特性非机动车的疏散特性 由于非机动车比较灵活，因此在绿灯信号初期，它的起动一般要比机动车的起 动要快。对于直行非机动车，处于前列的骑行者会迅速移动，力图以最小的时间通 过交叉口，而处于相对较后位置的非机动车则因为对向左转机动车的影响而不得不 停车等待，因此直行非机动车在通过交叉口时会有呈现出一定的批次性。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 对于左转非机动车，在绿灯信号初期，它会由于起动的相对提前以及机动车起 动的滞后而通常会较迅速地通过冲突点而实现其通过交叉口的目的，而对于后期的 左转非机动车，则会由于本向及对向直行机动车的影响而不得不采取二次过街的方 式而与直行的非机动车一起通过交叉口，此时的左转机动车所表现出来的是一种不 一致性。值得注意的是，在现时的交通控制与管理中，通常在把非机动车和本向直 行机动车安排在同一个信号相位，因此左转非机动车通常只能通过二次过街的方式 通过交叉口。 2.4 行人运行特性行人运行特性 在我国的大多数交通设计仲中，设计者一般注重对机动车交通的考虑，而对行 人交通所投入的考虑相对不多，因此行人交通在各种交通设计中一直是处于相对弱 势的地位。事实上，在我国的交通主体中，行人交通是一个较为庞大的群体，而且 从交通公平的原则以及以人为本的理念出发，都应该对行人交通给予足够的重视。 为了在设计中可以对行人交通作更深入的考虑，有必要对行人交通流运行特性作详 细的分析。 2.4.1 行人步行特性行人步行特性 与机动车交通相比，行人交通的速度是比较慢的。有关研究表明 28，由于心理 成熟程度的不同，13-19岁人的步行速度可能要更快一些，达到2.7m/s；20-49岁为 1.8m/s；50岁以上为1.5m/s。行人的步行速度还跟行人所处的状态有关，单人平均 步行速度为1.29m/s；当人们结伴而行时，速度只有1.17m/s。另外，行人步行的速 度和行人所处的位置有关。 在影剧院、 体育馆、 学校附近， 行人速度大约为1.2-1.5m/s； 在商业、交通、游览场所的行人速度大约只有0.8-1.2m/s。 在步行过程中，每个行人都有一定的动态空间需求。行人动态空间需求是指满 足人在行走时所需要满足的三维立体空间的量度。行人动态空间需求可以分为步幅 区域、感应区域以及避让与反应区域等。根据成年人身高以及步距，正常行走时平 均步幅区域为 64cm。感应区域主要受行人知觉、心理和安全等因素影响。在通常情 况下感应区域为 2.1m，在此距离下，视觉舒服，适合正常速度的行走。当步行者以 正常速度行走时，会在自己前面预留一个可见的空间区域，从而保证有足够的反应 时间以做出避让行为，这个区域称为反应区域，其具体大小为 0.48-0.60m。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 2.4.2 行人穿越车流影响因素分析行人穿越车流影响因素分析 行人穿越车流特征受到年龄、性别、行人的心理特征等因素影响。表2-3将列出 各种因素对行人穿越车流的影响情况。 表表 2-3 各因素对行人穿越车流影响情况分析各因素对行人穿越车流影响情况分析 影响因素 行人穿行速度 行人注意力 接受间隙 年龄 13-19 岁的最快，20-49 岁次之，50 岁及以上最 慢， 儿童的穿行速度的随 机性较大 成年人比较谨慎， 在穿越车 流时判断比较谨慎， 对周围 的交通环境观察较全面， 儿 童则较为轻率 成年人的判断比较 适中，儿童则较成年 人为小，老年人则较 成年人为大 性别 男性比女性快 大致相当 女性偏于保守，男性 则偏于冒进 出行目的 工作、 事务性的出行速度 较快， 生活性出行的速度 较慢 工作、事务性的出行，注意 力较为集中， 生活性出行则 相对比较悠闲 工作、事务性的出行 较小，生活性出行则 较大 文化程度 受教育程度高的会采取 比较适中的速度穿行， 反 之则较为快速 受教育程度高注意力比较 集中，反之则较为分散 受教育程度高的比 较适中，受教育程度 低会体现出一定的 偏差 心理状况 心情紧张、兴奋时，速度 较快，反之则较慢 心情紧张、兴奋时，注意力 较为集中， 反之则容易分散 心情紧张时，接受间 隙会较小，反之则会 更大 2.4.3 交叉口行人交通流特性交叉口行人交通流特性 行人通常会在平面交叉口处横过马路。对于无信号交叉口，行人通常要站在道 路旁观察车辆交通情况，当他判断车辆间有足够的安全间隙时才会横穿马路。行人 对车辆间隙的判断大多数情况下都是正确的，当然，有些时候也会出现因为错误的 判断而被汽车撞上的情况。因此对安全间隙的判断与行人的心理状态有关。在车辆 速度相同的情况下，轻率的行人判断的安全间隙通常要比稳重的行人判断的安全间 隙要小。另外车辆的速度也是影响行人判断安全间隙的重要因素。车辆的行驶的速 度越高，行人所需要安全间隙就越大，因此其判断的值就越高。对于信号交叉口， 这里要分两种情况：有行人专用相位以及没有行人专用相位的情况。在没有设置行 人专用相位的情况下，行人横过马路时会与本向的左转车辆以及相交道路的右转车 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 辆的产生冲突。因此，行人在过马路的时候也需要对此进行判断。另外，经过长期 的观察，行人在信号末尾横穿马路的时候，因为缺乏足够的绿灯时间，行人在横穿 马路的过程中，下一相位的绿灯信号已经启动，同时行人信号也切换成红灯。行人 只能停留在原地等待或者在通行车辆的空挡中寻找继续横穿马路的机会，更有甚者 挡住机动车强行穿越人行横道。这样既严重影响了交叉口的交通秩序，又容易发生 交通事故。造成这一切的原因是未能在时间、空间上将不同种类和流向的交通流进 行有效的分离。在一些设置有行人专用相位的平面交叉口，情况会得到很大的改善。 专用相位的存在使得行人交通流和机动车、非机动车交通流在时间上有效地进行了 分离，大大减少了它们之间的冲突以及相互干扰。然而，大量的调查观测表明，在 一些非高峰时段，尤其是当机动车交通量不大的时候，即使设有行人专用相位的情 况下，行人仍然也会冲红灯，这是我国的广大居民的交通意识比较淡薄，普遍素质 不高所致。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 3 平面交叉口空间优化设计研究平面交叉口空间优化设计研究 3.1 概述概述 车辆、行人以及非机动车在平面交叉口的范围中，具有各自的运行轨迹。这些 错综复杂的运行轨迹是造成交通延误、导致交通堵塞、产生交通事故的重要原因。 对于不同类型的交叉口，其冲突点的数量也各不相同。表3-1 29列出了各类交叉口机 机冲突点的数量。 表表 3-1 平面交叉口冲突点的数目 平面交叉口冲突点的数目 形式 交叉点 合流点 分流点 合计 3 路相交 3 3 3