道路交叉口信号相位设计实用方法.pdf

第 1 部分 智能交通技术 159 道路交叉口信号相位设计实用方法 张雷元 树爱兵 公安部交通管理科学研究所 江苏 无锡 214151 摘 要 信号相位设计是道路交叉口信号配时的关键步骤 其关系信号配时方案的科学性与 合理性 目前我国在信号相位设计方面仍然缺少方法指导 针对这一问题 本文提出了一种 交通信号相位设计的实用方法和流程 将相位设计过程划分为交通流分析 专用相位设计 相序设计和相位方案检验四个阶段 并给出交通流冲突分析 相位设计形式选择 左转相位 类型和相序确定等关键步骤操作方法 通过结合实际道路交叉口信号相位设计实例 具体说 明了采用该方法进行相位设计的过程 关键词 道路交叉口 信号控制 信号相位 设计流程 关键步骤 A Practical Method of Road Intersection Signal Phase Design Leiyuan Zhang Aibing Shu Traffic Management Research Institute Of Public Security Ministry JiangSu WuXi 214151 China Abstract Signal phase design is a key step in the road intersection signal settings whitch affects the science and rationality of signal timing program At present there is lack of methodological guidance in the signal phase design in China To solve this problem this paper presents a practical methods and processes of signal phase design in whitch the phase design process is divided into four stage including traffic flow analysis the design of a dedicated phase phase sequence and phase program tests At the same time the paper has given the key steps of phase design including traffic flow conflict analysis choice of phase form left turn phase type and determine phase sequence Finally it specified the phase design process by using this method through an actual roads intersection signal phase design example Keywords Urban Road Intersection Signal Control Signal Phase Design Process Key Steps 1 引言 交通信号相位是在一个信号周期内 同时获得通行权的一个或多个交通流的信号显示状态 1 3 在 交叉口信号配时中 引入信号相位的主要目的是把相互冲突或干扰严重的交通流适当分离 减少交叉 口交通冲突和干扰 交通信号相位设计是信号配时的关键步骤 其决定了配时方案的科学性与合理性 并直接影响道路交叉口的交通安全和畅通 国外一些先进国家制定了配时手册 明确了相位设计的方法和流程 美国联邦公路局信号配时手 册 4 给出了相位设计的基本流程 具体包括车道组设置 左转相位设计 右转相位设计 行人相位设计 相位顺序设计等主要步骤 德国信号配时规范RiLSA 5 规定需通过车道和交通流分析 确定左转 右 转交通流保护和许可选项 确定相位数 确定相位顺序 确定相位过渡等步骤制定信号相位方案 我 第七届中国智能交通年会优秀论文集 160 国在国家层面尚未制定信号配时手册或指南 也没有明确提出信号相位设计方法或流程 但是 关于 信号相位设计的研究工作一直没有停止 张国华等 9 把相位方案设计为东西和南北两个主相 在每个主 相的基础上 设计左转和直行分相 赵玉华等 10 以两相位设计为基础 将相位形式划分为对称相位和 单口相位 并分别进行设计 董德存等 11 以确保相位间隔时间最短为目标 考虑交叉口特征 左转专 用道和待行区 关键交通流 冲突点 停车线与冲突点距离等多种因素 选取最佳的相位方案 确定 相位顺序 从国内现有研究情况看 主要研究集中在相位形式 相位类型和相序设计等单个方面 缺 少整体设计方法和流程 对实际交叉口信号相位设计的指导作用并不明显 本文将提出交通信号相位 设计的实用方法和流程 并给出关键操作步骤 为道路交叉口信号相位设计提供指导 2 相位设计方法 2 1 设计原则 文献 4 8 均提出了交叉口信号相位设计的基本原则 综合为以下几点 1 安全性原则 相位内部交通流冲突尽可能少 非冲突的交通流可以在同一相位中放行 除了 共用信号的转弯交通流外 冲突的交通流应在不同的相位放行 2 效率性原则 相位设计要提高交叉口的时间和空间资源的利用率 过多的相位数会导致相位 切换次数增加 也即损失时间的增加 从而降低交叉口通行能力和交通效率 反之 太少的相位也会 使交叉口因混乱而降低效率 3 均衡性原则 相位设计需兼顾各流向车流之间的饱和度均衡 如果将巨大的通行权提供给没有 车流量的流向则没有任何意义 应保证相位内部之间各流向的流量比相差不大 才能不浪费绿灯时间 4 连续性原则 一个流向在一个周期中只能获得一次连续的绿灯时间 一个进口的所有流向要 在连续相位中放行完毕 如果几股车流共用车道 它们必须同步放行 例如直行和左转交通流共用一 个车道的情况 5 习惯性原则 符合驾驶习惯 方便驾驶员理解 2 2 设计流程 通过对现有研究 4 11 的总结和归纳 一个完整的相位设计流程应包括交通流分析 专用相位设计 相序设计和相位方案检验四个阶段 如图1所示 第 1 部分 智能交通技术 161 图 1 相位设计流程图 2 3 关键步骤 2 3 1 交通流冲突分析 进行交通冲突分析是进行相位设计的重要基础 交通冲突是产生交通延误和交通事故的根源 当 两股不同流向的交通流同时通过空间某点时 就会产生交通冲突 而该点就称为冲突点 冲突点分为 交叉点 合流点和分流点三类 其中 交叉点对交通事故的影响最大 合流点次之 分流点最小 8 信 号相位设计应尽量减少冲突点 但是 由于相位数和周期等限制 不可能设计太多相位 也不可能消 除所有冲突点 因此 有限的信号相位只能用来解决冲突较为严重的冲突点 这就要求在相位设计之 前分析冲突点的冲突严重性 一般可以从冲突点性质 交通流状况等因素综合评定冲突的严重性 本 文选择冲突流性质和冲突流夹角作为判定指标 冲突流性质分为高速流和低速流 高速流是直行和左 转机动车流 低速流是指右转 非机动车和行人流 冲突流夹角是指两个有冲突流向之间的交角 如 图2所示 第七届中国智能交通年会优秀论文集 162 图 2 冲突流夹角示意图 将冲突严重度分为6个等级 冲突严重程度按1 6级逐渐递减 1级冲突最严重 各级冲突严重度 的判断规则如表1所示 表 1 冲突点严重度判断规则 1 2 3 4 5 6 冲突流交角 90 度 90 度 大于 90 度 大于 90 度 小于 90 度 小于 90 度 冲突流性质 高速流与低速 流 高速流与高速 流 高速流与低速 流 高速流与高速 流 高速流与低速 流 高速流与高速 流 明确了冲突点和冲突严重性后 可设计一个交通流冲突矩阵来描述各流向间的冲突关系 具体可 参考表6 设计相位时应根据冲突矩阵选择非冲突交通流集或弱冲突交通流集 这样设计出来的相位方 案能保证各相位内部冲突较小 通常选择冲突严重度小于4级以下的交通流组成相位 因为根据交叉 口事故记录和日常经验4级以上的冲突往往极易发生交通事故 2 3 2 相位设计形式选择 目前 实际应用中主要有两种相位设计形式 12 一种是对称流向放行的相位设计形式 简称对称 流向放行相位形式 另一种是各进口单独放行的相位设计形式 简称单口放行相位形式 对于一个 典型的十字交叉口 采用这两种设计形式的相位如图3所示 a 对称流向放行相位设计形式 b 单口放行相位设计形式 图 3 样两种相位设计形式 这两种相位设计形式互有优缺点 对称流向放行相位形式是基于各流向均衡的原理提出的 依据 相位等饱和度 原则进行分配 事实上 这种设计形式只能实现各个相位的关键交通流之间的等饱和 度 当同一相位中的交通流饱和度不均衡时 关键交通流需要较长的通行时间 而其他交通流可能早 已放行完毕 造成通行时间的浪费 单口放行相位形式对每一个进口分别单独设置一个相位 同一进 口的左转和直行车辆利用同一个相位通行 一个进口放行完毕再放行下一个进口 这种设计形式能实 现每个进口内部各条车道 即每个相位内部各个流向 交通流均衡 但是很多情况下进口方向左 直 右转向交通流通常是不均衡的 使用这种形式设计相位会带来巨大浪费 而且这样设计的相位连续性 较差 驾驶员较难适应相位变化 严 重 度 因 素 第 1 部分 智能交通技术 163 不同的相位设计形式有其各自的特性 对交叉口的交通效益也会产生不同的影响 文献 12 选取交 叉口总通行能力 饱和度和延误的均衡性 相位衔接损失等几个指标对两种形式的基本特性进行比较 得出了如表2所示结论 表 2 两种相位设计形式比较 相位形式 通行能力 冲突点数 延误 饱和度均衡 相位切换损失 对称相位 取决于相位数和交通流量 更少 更小 更小 单口相位 取决于相位数和交通流量 更好 从上表可以看出 多数情况下 对称流向放行相位形式比单口放行相位形式更具优势 文献 11 给出使用单口放行相位形式的条件 一是左转和直行共用车道 左转没有专用车道 二是达到设置左 转专用相位的条件 三是车道数越多的方向对应的车流量反而越少 只有当三个条件同时满足时 才 建议采用单口放行相位形式 2 3 3 左转相位类型确定 左转相位在相位设计中非常关键 它对交叉口的安全和运行效率的影响很大 1 左转相位类型 在美国联邦公路运输局的交通信号控制手册中 左转信号相位主要有许可型左转 保护型左转 禁止左转相位等设置方式 4 结合国内对交通信号控制理论的理解和交通管理实践 定义以下三种 形式 左转专用相位 类似于保护型左转相位 为左转交通流专门设置一个相位 不与其它交通流共用 从而使得左转交通流不受其它交通流冲突影响 左转共用相位 类似于许可型左转相位 左转和其它交通流共用一个相位 在相位运行时 允许 左转交通流利用可接受间隙通过交叉口 禁止左转相位 禁止某个方向的交通流左转作为信号相位设计的一个形式 主要用来保持交叉口 的畅通性 在这种情况下 需要在交叉口前方设置 禁止左转 标志 左转专用相位与共用相位相比会占用更多的有效绿灯时间 左转专用相位可减少转向车辆的延 误 但是可能会增加交叉口的总延误 左转共用相位可减少交叉口延误 但会影响交叉口的安全性 因为其需要左转车流利用直行车流的空挡通过交叉口 可能会发生车辆之间或车辆和行人间的碰撞 事故 2 左转相位类型选择 是否设置左转专用相位常常要考虑三个因素 安全 通行能力以及延误 安全性是设置左转相位 最为重要的依据 交通流量是目前广泛使用的推荐标准 具体的影响因素包括左转交通量和对向直行 左转交通量 行人交通量 其它还有视距 车道数 渠化的类型和特性 进口道的车速和对向车辆的 运行车速 通过交叉口的距离 事故记录等 综合现有文献 4 10 14 15 主要有以下几类左转专用相位判断指标 第一类为交通流量类指标 主要 包括左转交通流量 对向直行交通流量等 第二类为延误类指标 主要包括左转总延误 平均延误 第三类为交通安全类指标 主要包括左转交通事故起数 交通冲突起数 第四类为交叉口几何条件类 指标 主要包括左转车道数 对向直行车道数 视距等 第五类为速度类 各类指标阈值汇总如表3 所示 第七届中国智能交通年会优秀论文集 164 表 3 左转专用相位判定阈值 分类 指标 阈值 交通流量类 左转流量 300 辆 小时 2 辆 信号周期 对向直行车流量 1100 辆 小时 左转流量与对向直行流量乘积 50000 一个对向直行车道 90000 二个对向直行车道 110000 三个对向直行车道 交通延误类 左转总延误 2 辆 小时 左转平均延误 35 秒 辆 交通安全类 左转交通事故起数 4 起 1 年 或 6 起 2 年 或 8 起 3 年 左转交通冲突次数 5 次 年 交叉口几何条件类 安全视距 75 米 对向车流速度 55 公里 小时 120 米 对向车流速度 55 公里 小时 对向直行车道数 3 左转车道数 2 速度类 对向车流速度 70 公里 小时 综合我国交通实际情况 从以上指标中选取如表 4 所示指标作为衡量是否使用专用左转相位的评 价指标 表 4 左转专用相位类型判定指标列表 指标 阈值 左转车道数 2 对向直行车道数 3 左转流量 300 辆 小时 左转流量与对向直行流量乘积 50000 一个对向直行车道 90000 二个对向直行车道 左转交通事故起数 4 起 年 根据以上指标 可采用图4所示的左转相位类型判定流程 所需的基本资料有交通事故记录 交 叉口几何条件 交通流量状况等 第 1 部分 智能交通技术 165 图 4 左转相位类型判定流程图 2 3 4 相序设计 信号相序是指在一个信号周期内各个相位的运行顺序 信号相序设计不但要考虑机动车流与非机 动车 行人交通流 而且要兼顾它们之间在运行特性上的差异 在我国混合交通流中 大部分信号相 位中都有机动车流和非机动车流 由于机动车流和非机动车流之间在加速 运行速度 稳定性和忍耐 心理等方面都存在着巨大的差异 因此信号相序设计不仅对交叉口通行能力 交通秩序有影响 而且 会影响交叉口的交通安全 信号相序设计考虑的主要因素包括交叉口几何特征 轨迹长度 交叉口渠化 左转待行区 导流 线的位置 拓展车道 交通管理措施 单向 禁左 禁右 等 根据以往应用经验 在设计相序时应 注意以下几点 第七届中国智能交通年会优秀论文集 166 1 保证不同相位交通流平稳衔接 在一个信号周期内 每个交通流只有一个连续的通行权 2 当交叉口进口方向的某个转向交通流量较大 排队车辆会阻塞同方向其它交通流时 应考虑 先放行该转向交通流 3 应根据当地驾驶员 行人和非机动车行驶习惯进行设计 比如一些地方习惯先放行直行再放 行左转 另一些地方习惯先放行左转再放行直行 4 为保证延误最小 应使相位绿灯间隔时间最小 通常最有利的相位顺序是周期时间 由必须 的总绿灯间隔时间与关键绿灯时间决定 最短的相位顺序 5 在单口放行相位中 一般应优先采用对向进口衔接或者逆时针方向衔接 避免采用顺时针方 向衔接 6 如果机非隔离带过宽时 难以设置非机动车禁驶区或二次停车线 宜先放左转为宜 避免路 口内秩序混乱 7 如果交叉口机动车放行方式为左转专用相位加左转待行区的 则应先放直行后放左转 只有 这样才能发挥左转待行区的作用 3 应用举例 下面以无锡市滨湖区梁清路 鸿桥路交叉口进行说明 该交叉口的几何特征如图5所示 图 5 梁清路 鸿桥路交叉口示意图 经过流量调查 获得该交叉口某时段交通流数据如表5所示 表 5 梁清路 鸿桥路交叉口交通流量 单位 PCU h 进道口 左转 直行 右转 总流量 东进口 231 540 45 816 西进口 226 554 167 947 南进口 189 162 77 428 北进口 122 108 23 253 1 交通流冲突分析 根据2 3 1节描述建立交通流冲突矩阵如表6所示 第 1 部分 智能交通技术 167 表 6 交通流冲突矩阵 流向 北左 北直 北右 东左 东直 东右南左南直南右西左西直西右北行 东行 南行西行 北左 1 1 4 1 3 3 北直 1 4 1 1 1 1 北右 6 6 东左 1 1 1 3 3 东直 1 1 1 1 1 东右 6 6 南左 4 1 1 1 3 3 南直 4 1 1 1 1 1 南右 6 6 西左 1 1 4 1 3 3 西直 1 4 1 1 1 1 西右 6 6 北行 3 1 6 6 1 3 东行 3 1 6 6 1 南行 西行 6 1 3 3 1 6 1 级 2 级 3 级 4 级 5 级 6 级 说明 北行表示北方向人行横道行人交通流 北左表示北方向左转机动车交通流 其他类似 相位设计的目的是保证相位内部各个交通流之间的冲突较少 根据表6 具有1 3级的交通流不 能在同一相位中放行 如北进口左转和东进口左转不能同时放行 2 相位设计形式选择 从交叉口几何特征情况看 该交叉口左转均设有专用车道 不满足2 3 2节给出的使用单口放行相 位形式的条件 因此使用对称流向放行相位形式 3 左转相位设计 该交叉口东西方向左转和对向直行交通量的乘积大于90000 根据2 3 3节给出的左转专用相位判 定条件 应设立左转专用相位 4 相序设计 该交叉口实际设置了左转待行区 示意图上未方便给出 且当地习惯是先放行直行再放行左转 根据2 3 4节相序选择原则 应采用先放行直行再放行左转的相序 5 相位设计方案确定 综合以上分析结果 得到如图6所示相位方案 图 6 相位设计方案 第七届中国智能交通年会优秀论文集 168 4 结语 本文在综合现有研究的基础上 提出了道路交叉口交通信号相位设计的实用方法 将相位设计过 程划分为交通流分析 专用相位设计 相序设计和相位方案检验等四个阶段 并给出各个阶段的关键 步骤 具体包括交通流冲突分析 相位设计形式选择 左转相位类型和相序确定 最后 本文结合一 个实际道路交叉口信号相位设计实例 说明了如何采用本相位设计方法和流程进行相位设计的过程 本文提出的设计方法主要适用于典型三叉和四叉路口 对于五叉以上路口和环形交叉口等特殊交 叉口相位设计的适应性还需进一步验证 此外 本设计方法虽然未突出说明非机动车和行人专用相位 设计 但是这些相位的设计仍可参考本方法中关于机动车相位的设计方法 参考文献 1 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会 GB 25280 2010 道路交通信号控制机 S 北京 中国标准出版社 2010 2 中华人民共和国公安部 GA T509 2004 城市交通信号控制系统术语 S 北京 中国标准出版社 2004 3 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会 GB T 20999 2007 交通信号控制机与上位 机间的数据通信协议 S 北京 中国标准出版社 2007 4 Federal Highway Administration 2008 Traffic Signal Timing Manual TSTM 2008 R Department of Transportation Washington DC U S 2008 5 德 道路与交通工程研究学会编 李克平译 交通信号控制指南 德国现行规范 R 北京 中国建筑工业出版社 2006 6 日 交通工程研究会编 刘春华 刘憬译 平面交叉口的规划与设计 M 北京 中国建筑工业出版社 1988 7 高云峰 陈红洁 信号控制交叉口相位相序优化研究 C 2007 第三届中国智能交通年会论文集 929 932 8 尹宏宾