基于时空资源优化的交叉口信号配时方法

基于时空资源优化的交叉口信号配时方法研究摘要本文基于空间占有率、时间占有率及其与车流量之间的关系建立了时空资源利用强度模型，通过此模型计算交叉口进出口各个路段、交叉口各个相位的时空资源利用强度及交叉口的总时空资源利用强度。同时通过VISSIM仿真软件提供的COM接口，建立基于MATLAB的VISSIM仿真平台，通过基于时空资源利用强度模型的绿灯时间分配方法，寻找交叉口总时空资源利用强度与考虑进出口道延误最小下的最佳周期之间关系，并通过MATLAB提供的cftool曲线拟合工具箱拟合其之间的线性关系，建立基于时空资源利用强度下的周期时长优化模型。通过VISSIM仿真软件，对传统韦伯斯特法及基于时空资源利用强度的配时法，基于路段行程时间及车辆数、交叉口平均车辆延误、车辆总延误、平均车速及总旅行时间的评价指标，对两种不同的配时方法进行微观仿真评价，验证该模型的有效性。本文基于时空资源利用强度模型降低了本文仿真交叉口车流量的平均延误及总延误，使交叉口利用更少的时间让更多的车辆驶离交叉口；提高了本文仿真交叉口车流量处于过饱和状态时的通行能力及提高交叉口时空资源利用率的有效性。最后，探讨了基于时空资源利用强度的配时法存在的问题与不足。关键词：交叉口信号配时方法；时空资源利用强度；周期时长优化模型；绿灯时间分配方法；二次开发；VISSIM仿真

ResearchonMethodsofSignalTimingForIntersectionBasedonOptimizationsofSpace-timeResourcesAbstractThisthesisestablishesamodelwhichisfortheintensityofspace-timeresourceutilizationthatisbasedonspaceoccupancyrate,timeoccupancyrateandtheconnectionwithtrafficflowbetweeninbothofthem.Afterthat,usingthismodeltocalculatethespatialandtemporalresourceutilizationintensityofeachroadsection,eachphaseoftheintersection,andthetotalspatialandtemporalresourceutilizationintensityoftheintersection.ThenthispaperestablishtheVISSIMsimulationplatformbasedonMATLABthroughtheCOMinterfaceprovidedbytheVISSIMsimulationsoftwareandthegreenlighttimeallocationmethodbasedonspace-timeresourceutilizationintensitymodeltolookfortherelationshipbetweentheintensityofthetotalspace-timeresourceutilizationattheintersectionandtheoptimalperiodconsideringtheminimumdelayoftheEntrance-and-Exit.Andinthelast,fitingthelinearrelationshipbetweenthemthroughthecftoolcurvefittingtoolboxprovidedbyMATLABtosetanoptimizationmodelofperioddurationbasedontheintensityofspace-timeresourceutilization.ByusingtheVISSIMsimulationsoftware,thetraditionalWebstermethodandthetimingmethodbasedonthespace-timeresourceutilizationintensitywhichareusedtocarryoutmicro-simulationevaluationbasedonroadtraveltimeandnumberofvehicles,averagevehicledelayattheintersection,totalvehicledelay,averagespeedandtotaltraveltimeandthentoverifytheeffectivenessofthemodel.Thispaperreducestheaveragedelayandtotaldelayofthetrafficflowatthesimulatedintersectionbasedonthespace-timeresourceutilizationintensitymodel,whichmakestheintersectionuselesstimetodrivemorevehiclesawayfromtheintersectionandincreasethetrafficflowatthesimulatedintersection.Thetrafficcapacityinthestatefurtherimprovestheeffectivenessofthespace-timeresourceutilizationrateoftheintersection.Basedonthespatiotemporalresourceintensitymodel,thispaper’sresultsreducestheaveragedelayandtotaldelayoftrafficflowatthesimulatedintersectionandmakestheintersectionuselesstimetodrivemorevehiclesawayfromtheintersection,andincreasesthetrafficflowatthesimulatedintersectionwhenitisoversaturated.Thetrafficcapacityoftheintersectionfurtherimprovestheeffectivenessoftheutilizationofspace-timeresourcesatintersections.Finally,Itdiscussestheproblemsandshortcomingsofthetimingmethodbasedontheintensityofspace-timeresourceutilizationKeywords:Signaltimingmethodofintersection;Space-timeresourceutilizationintensity;Perioddurationoptimizationmodel;Greenlighttimeallocationmethod;Redevelopment;VISSIMsimulationsoftware

目录1绪论 11.1研究背景及意义 11.2研究目标及内容 11.2.1研究目标 11.2.2研究内容 21.3技术路线 31.4本章小结 42城市交通信号控制基本理论 52.1交通控制中的基本概念 52.2交叉口交通信号灯设置依据 62.2.1交叉口设置交通信号灯的利弊 62.2.2交叉口设置信号控制的依据 62.3相位相序方案设计 72.3.1信号相位相序设计步骤及考虑因素 72.3.2信号相位相序设计规则 82.4信号交叉口运行效率评价指标 92.4.1主要评价指标 92.4.2辅助评价指标 103时空资源利用强度模型 113.1道路占用率分析 113.1.1空间占有率 113.1.2时间占有率 123.2时空资源利用强度模型构建 123.3.1空间资源利用强度 123.3.2时间资源利用强度 133.3.3时空资源利用强度 133.3时空资源利用强度与流量关系研究 143.4交叉口进出口道时空资源利用强度汇总 153.4.1进口道时空资源利用强度汇总 153.4.1出口道时空资源利用强度汇总 163.5交叉口总时空资源利用强度 173.6相位时空资源利用强度 174基于时空资源利用强度的交叉口信号配时方法 194.1周期时长优化方法研究 194.1.1周期时长优化方法研究现状 194.1.2常用TRRL周期时长优化方法研究 204.1.3常用TRRL法优缺点评价 214.2绿信比优化方法研究 224.2.1绿信比优化方法研究现状 224.2.2等饱和度绿信比优化方法研究 234.3基于时空资源利用强度的绿信比优化 244.3.1基本思想 244.3.2计算方法 244.4基于时空资源利用强度的周期时长优化关系模型 254.4.1基本思路 254.4.2交叉口基本参数调查 264.4.3VISSIM微观仿真建模 284.4.4MATLAB编辑模拟算法建立控制平台 294.4.5基于时空资源利用强度的周期时长优化关系模型 394.5本章小结 415算例验证及仿真结果分析 425.1TRRL配时法 425.2基于时空资源优化的交叉口信号配时法 445.3仿真评价结果分析 485.3.1仿真建模及仿真输出文件 495.3.2仿真结果分析 525.4本章小结 556总结 566.1本文主要完成的工作 566.2研究展望 56参考文献 58致谢 59附录 60PAGE6PAGE21绪论1.1研究背景及意义在现代城市中，城市交通是生活的命脉，交叉口作为路段、路网的交汇点，其规划和设计一直是交通工作者的研究重点，若交叉口拥堵现象及利用效率仍无法有效的解决，拥堵问题将蔓延整个路网，导致更严重的交通瘫痪。汽车保有量逐年快速增加刺激极大的交通需求尽管我国的道路建设程度越来越完善，但是在人民的生活水平不断提升，科技随着时代不断发展的条件下，机动车的数量及外观质量持续创新，汽车保有量每年都在提升，这使城市道路走到了无法承担如此多车流量的程度，使得交通需求与道路交通的供给产生不平衡，这种不平衡直接体现在交通拥堵上。通过数据显示，全国有百分之六十以上的城市时常发生交通拥堵，特别是在特大城市，由于人们对交通依赖过高，交通需求比一般城市更高，使得交通拥堵呈现常态化，从而造成大面积路网无法正常通行。交叉口与路段时空资源利用失衡单点信号配时方案或优化模型大多还是以进口道延误最小为目标函数，得到最佳周期及有效绿灯时间，而忽略了出口道路段容量及时空资源利用率的问题。即当车流量饱和的情况下，即车辆拥堵的情况下，需要实现的是使交叉口通行能力最大，使更多的车辆以更快的速度驶离交叉口，而不是单独以实现交叉口进口道延误最小作为目标。若将交叉口进出口道路段时空资源考虑进交叉口信号配时优化中，以更合理的方式分配绿灯时间，能在交通拥堵的情况下，使不同流向的车流以更高的效率驶出交叉口，可对促进交叉口时空资源的利用效率产生积极的作用。1.2研究目标及内容1.2.1研究目标本文的研究目标主要包括：研究传统交叉口韦伯斯特信号配时方法及绿信比优化方法，包括其一些具体的思想及设计方法等。构建交叉口时空资源利用强度模型，根据时间及空间占有率计算公式，将模型转化为速度与车流量的函数。通过VISSIM-COM接口技术，利用MATLAB编辑代码，通过模拟算法建立控制平台，确定基于交叉口各个路段时空资源利用强度下的周期时长线性优化模型。基于进出口道路段时空资源利用强度实现对交叉口绿信比的优化。将基于时空资源优化的交叉口信号配时方法运用于实际交叉口，通过相关的评价指标对本文模型与传统交叉口信号配时方法进行对比。1.2.2研究内容根据上述研究目的，本文的研究内容主要有一下几点：传统交叉口信号配时及绿灯时间分配优化方法研究绿信比的优化方法主要有等饱和度法及不等饱和度法，周期时长的优化方法在国际中主要有英国的TRRL法、澳大利亚的ARRB法以及美国的HCM法，本文主要分析TRRL法及等饱和度法，同时分析及简要说明其存在的优缺点。建立交叉口时空资源利用强度模型通过研究各种周期时长优化方法，对比分析各自存在的优缺点，针对交叉口饱和度较大的情况下，建立时空资源利用强度模型，同时基于时间及空间占有率计算公式，将模型转换为车流量及速度的函数，在本文中，速度用于衡量时间资源利用率，即表现为，时间利用率越高，车辆驶离交叉口的速度越大；车流量用于衡量空间资源利用率，即表现为，空间利用率越高，驶离交叉口的车辆数越多。以此通过时空资源利用强度反应孤立交叉口进出口八个路段时空资源利用率情况。基于交叉口进出口道时空资源利用强度模型的交叉口绿信比的优化方法在周期时确定的情况下，绿信比反应各个相位所分配的有效绿灯时间与周期时长的比例。通过回顾绿信比优化常用思路，基于时空资源利用强度，提出考虑出口道时空资源利用的有效绿灯时间分配方法，在一定程度上，提高交叉口的整体时空资源利用率。基于交叉口进出口道时空资源利用强度下的周期时长线性优化模型。通过VISSIM-COM接口技术，利用MATLAB编辑代码，通过模拟算法建立控制平台，模拟孤立交叉口，通过改变交通流量的输入，利用考虑交叉口进出口路段延误最小下的最佳周期时长与交通流量、进出口道延误关系，以及时空资源利用强度与流量的关系，确定基于交叉口各个路段时空资源利用强度下的周期时长线性优化模型。微观交通仿真验证及与传统交叉口信号配时方法对比以珠海市人民西路-敬业路交叉口为例，利用本文建立的基于时空资源优化的交叉口信号周期时长线性优化模型及绿信比优化方法对该交叉口进行优化设计，并在VISSIM仿真软件上对该交叉口运用传统信号配时方法与本文基于时空资源利用强度的配时方法进行仿真分析，最后通过延误等可视性数据验证本文模型基于此交叉口车流量处于饱和度状态下的合理性、可行性及优劣性。通过以上研究内容，改善如今交叉口存在时空资源利用不均衡的现象，如存在有些路段车辆行驶速度较快、车流量较小；而有些路段则呈现过饱和状态，即行驶速度缓慢，车流量较大的情况。同时改善现如今传统交叉口配时方案中，主要考虑以进口道停车延误最小为目标函数求解各个相位绿灯时间及最佳周期，忽视了交叉口出口道容量及其各路段时空资源利用效率的问题，实现时间与空间相结合的信号配时方法。1.3技术路线周期时长及绿信比优化研究方周期时长及绿信比优化研究方法研究背景及意义交叉口时空资源利用强度模型进出口道路段时空资源利用强度交叉口信号配时最佳周期时长模型交叉口绿灯时间分配方法基于时空资源优化的交叉口信号配时方法微观交通仿真验证与对比图1.1技术路线图1.4本章小结本章节从交叉口交通拥堵及时空资源利用失衡及的两个角度展开论述本文提出交通信号控制方法的研究背景，论证了研究基于时空资源优化的交叉口信号配时方法必要性，提出了本文的研究目标、主要研究内容以及相应的技术路线。

2城市交通信号控制基本理论在本章节中，主要介绍了城市道路交叉口信号控制理论中的一些重要概念，主要包括：周期时长，相位，有效绿灯时间、损失时间、绿灯显示时间、绿信比等。通过分析城市道路交叉口进行信号控制的优劣性及其设置方法，同时研究了设计相位相序的理论基础与方法。最后分析了城市交通信号控制中主要的评价参数及其计算方法。通过这些分析研究为交叉口信号控制方法优化，为下文构建出基于时空资源利用强度的优化模型提供理论支持。2.1交通信号控制中的基本概念在进行交叉口信号配时方法优化中，必要的是准确地理解基本的交通参数，并了解其适用范围，下面将对部分交叉口信号配时参数进行介绍。周期时长（CycleLength）：指的是一个周期内，信号灯色进行轮流的显示，在回到最初信号灯色时需要的总时间。用C表示，单位时间为s。相位（Phase）：指的是在交通路网中同一个交叉口信号周期内，不同车流方向获得相同的灯色显示时间，那么把获得不同灯色的连续时序作为一个信号相位。损失时间（Losttime）：指的是在相位与相位之间的切换时造成的不可避免的时间损失，包括全红时间，绿灯启亮时驾驶员的反应迟钝损失时间，绿灯结束时驾驶员减缓速度的停车等候时间，即即使绿灯显示可通行，但实际绿灯时间并无车辆行驶通过。其可分为前损失时间及后损失时间。有效绿灯时间（Effectivegreentime）：指的是交通车流获得行驶权时间。一个周期内的有效绿灯时间为该交叉口的周期时长减去该交叉口的总损失时间。用gege1式中：ge1——交叉口第一相位的有效绿灯时间（sG1——交叉口第一相位的显示绿灯时间（sA1——交叉口第一相位的黄灯时间（sAR1——交叉口第一相位的全红时间（sl1——交叉口第一相位的总损失时间（s绿信比（Split）：指的是在信号控制交叉口一个周期中的某个相位中，其有效绿灯时间与该交叉口周期时长之间的比值，一般用λ表示。周期绿信比位为各相位绿信比之和。2.2交叉口交通信号灯设置依据2.2.1交叉口设置交通信号灯的利弊总体而言，在目前的平面交叉口控制类型根据流经交叉口的交通流大小，大致可分为三种：基本规则控制、减速让行与停车让行控制及交通信号控制。通常来说，当交通流量增加到通过仅靠停车或减速让行标志无法承担时，才会考虑在交叉口增设交通信号灯。由于停车、减速让行标志和交通信号灯之间的控制有着不同的使用条件，各有优劣。因此，根据交叉口的实际情况选择合理的控制方式是十分有必要的，否则，会造成严重的不良后果。下面从两个方面进行说明。合理设置交叉口信号控制在路权分配这方面，可以通过一些合理有效的方式进行，例如为城市道路交叉口的交通流提供有秩序通行的指示，为车辆分流进行有效合理的引导，使其运行处于一种较为平稳状态，同时，还可以增加道路交叉口的通行能力，减少车辆的停车次数、排队长度及延误，同时可以降低交叉口发生交通事故的概率。设置不当导致的弊端在城市道路中，盲目地将停车让行或减速让行交叉口改为信号控制，可能在一定程度上会使城市道路交叉口增加额外的延误，即当交叉口车流量很低并不需要进行信号控制时，与其他控制方式相比，信号控制会增加机动车的延误，加重城市道路的拥堵，降低交通对空气质量的影响。同时，从经济角度出发，信号控制交叉口需要花费更多的设备安装及维修费用。2.2.2交叉口设置信号控制的依据是否对交叉口设置信号控制虽有较多的理论分析依据，但仍然没有较为公认的行之有效的方法。再之，因为各个国家的交通情况大不相同，所以在确定是否进行信号控制的情况下，大都基于理论分析及实际交通情况决定。综合美国、英国、日本、德国四个国家的设置原则，通过需要考虑的主要因素有：车流量：在交叉口任意小时，如高峰小时，4h，8h，或12中，主要及次要道路的车流量，交叉口总车流量。行人流量及学童过街流量：即穿越主要道路的行人总流量，特别是在学童往返学校之间的主要道路。停车延误：主要根据高峰小时车辆在次要道路进口道的停车延误时间。协调信号系统：将相邻交叉口的需求考虑在内。事故记录：在一年内，发生多次人身伤害或财产损失在限值以上的交通事故，同时多加强管理以减少事故的努力仍未能见效，多次影响车辆及行人的连续通行。总体而言，符合其中一条或者更多依据并不意味着就需设置交通信号控制，是否将某个交叉口改为信号控制交叉口，需要进行规范的交通调查及交通工程研究，同时在根据因素设置交通控制信号灯之前，应先充分考虑是否有其他弥补性措施使交通延误减少。2.3相位相序方案设计相位相序方案设计是信号设计中最重要的第一步，它决定了交叉口是否可以高效运行，它影响了城市道路交叉口通行效率。不可否认的是，一个合理适当的信号相位相序方案是交叉口信号配时设计中最为关键的一步，其合理性与否决定了交叉口信号控制效益的优劣性。2.3.1信号相位相序设计步骤及考虑因素相位相序方案是交叉口一个周期内相位的组合，需要从众多个组合中选出最优的适合该交叉口的方案，通常来说，交叉口车辆组成、车流量、形状复杂，交叉口相位相序方案越复杂。在进行相位相序方案设计的过程中，应该进行相位初选及相位调整两个步骤。相位初选一般基于经验进行判断，通过合理合并、分配交通车流量来缩减其设计范围，作为初步的相位相序设计方案，进行交叉口信号配时。在完成信号配时工作后，对各个评价指标参数进行评估，对初步的相位相序方案进行合理的调整，再重新进行评估，不断调整，直至符合设计规范及要求，形成最终的信号配时方案。在设计信号控制相位相序方案时，需要注意如下事项：通过分离相冲突的交通流，使交叉口事故风险最小化。交通信号控制能够有效的减少交叉口的冲突点，同时保护型左转相位能够有效的降低直行交通流与左转交通流之间的冲突率，但是，增加相应的相位数，交叉口的延误也会随之增加，因为需要在交通安全及效益之间取得一个较好的平衡。尽管增加相位数，交叉口的额外损失时间也会相应增加，但增设的保护型左转可以大幅度提升左转流向的饱和流率。交叉口中所有的相位相序方案都必须严格符合国家标准规范。相位相序方案需同交叉口的类型、几何形状、交通流量、交通速度及行人与自行车过街等相适应。交叉口相位相位方案需同进口道渠化，即交叉口进口道车道功能划分相适应，如当交叉口进口道路段空间较大，同时，左转车流量也相对较多，应考虑是否为其设置左转专用车道，而如果交叉口进口道路段空间相对校对，左转车辆交通需求并不是特别大，则需考虑不设置保护型左转相位。2.3.2信号相位相序设计规则十字交叉路口的运行效率很大程度上依赖于交叉路口本身的相位相序的灵活性，每套信号相位方案都会有其特定的相序。信号相位相序设计的判断逻辑应该以各车流的通行时间均衡为主，用相互对比分析的方式来确定。在十字交叉路口机动车相位中，包含不同方向的车流的放行方式主要的作用是为均衡调配车流，形成调配相位。据美国道路通行手册即HCM指出：“信号相位设计是交通信号设计中最有创造性的部分”。相位设计要得出一个确定的标准是非常困难的，因此，以下仅给出信号相位相序规则的一些参考标准：左转信号相位相序设计规则左转信号是交叉口机动车相位控制的难点，也是信号相位非常重要的设计对象，合适的左转信号相位相序设计会对信号控制有非常有利的影响。尽管从20世纪六十年代开始，左转信号相位就得到应用，但至今没有一套足以解决其问题的成熟方案。设计十字交叉路口交通信号相位相序时的首要事件就是确定左转信号相位的类型。常见的左转信号相位有：保护型左转信号相位、许可型左转信号相位、保护型-许可型左转信号相位等。保护型左转信号相位是指为左转车流单独设置的相位，不受其他交通流影响。大多数保护型左转信号流向用箭头灯控制。只有在当无对向直行车流的情况下，才会用箭头信号。在设置保护型左转信号相位时，需要权衡以下因素：①因为增加相位和受其损失时间给道路通行效率带来的影响；②左转交通流和其他交通流通行效率的提高。许可型左转信号相位是使用圆灯进行左转控制，可以在不影响对向车流以及行人流的情况下完成左转。在最简单的四岔交叉口的两相位信号控制方案中，全部的左转交通流都是用许可型左转信号相位。由于直行车流和左转车流存在冲突，许可型左转信号的运行非常复杂，并且还会受到其他如车流量、车道数、信号配时等因素的影响。保护型-许可型左转信号相位是在交叉口时空资源利用效率有限的情况下，为了保证充分利用资源，从而给予左转车流保护型相位通过，这种相位方案即结合了保护型，又结合了许可型的优点，与保护型相比，保护型-许可型左转信号相位可以更为有效地位为左转交通流提供较合理绿灯时间。直行信号相位相序设计规则直行信号相位的设计最主要有两部分：①设置直行信号相位的规则。在道路上没有直行交通流的情况下，需要删除相应的直行相位；②直行信号相位的车辆配置规则。非机动车、行人信号相位相序设计规则在对非机动车、行人信号相位进行相序设计时，要考虑到机动车和非机动车、行人之间的冲突，保证车辆、行人的安全，还要对这两者进行适当分离，增加交叉路口的通行效率。一般情况下，左转的非机动车车辆对城市道路十字交叉路口的交通运行、交通安全及通行效率的影响是最大的，在设计信号相位相序时需要着重考虑。在一些左转车流较大、事故发生率高的路段，若有必要，可以设置行人专用相位。2.4信号交叉口运行效率评价指标对交叉口进行交通信号控制评价的目的便是对交叉口信号控制的实际通行效益进行合理的、科学的评估。评估的结果是对当前的交通信号控制的客观分析，同时也是对未来系统升级改造、交叉口信号配时优化等客观依据。交叉口运行效益评价指标主要有两种，即主要评价指标及辅助评价指标。主要评价指标主要有四个基本参数，包括延误、停车次数、通行能力和饱和度。这些评价指标不但可以反应车流通过十字交叉路口的特点，而且可用于建立优化模型和目标函数，成为交叉口信号配时参数优化的数据来源。2.4.1主要评价指标交叉口中流量比反应了一个城市道路交叉口车辆的实际的通行需求，而绿信比作为一个可控的参数，代表了一个交叉口所能提供的通行能力。增加某条车道的绿信比，则可以增加交叉口该车道的通行能力，进而在交通需求不变的情况下，降低交叉的饱和度，但在周期不变的情况下，可能会造成其他车道通行能力下降及饱和度的上升，因此，进行交叉口信号配时时，需要从交叉口整体出发，考虑交叉口整体的通行能力及饱和度。车辆延误车辆延误是指由于道路环境条件、交通干扰以及交通管理等车辆驾驶员无法控制的因素所引起的驾车时间的增加。车辆延误是交通信号中应用最为普遍的评价指标，常常以现场观测的延误数据为准，另外也可以利用理论模型进行估算，常用的理论模型有：稳态理论、定数理论、过度函数曲线等。停车次数车辆的停车次数是指车辆在通过交叉路口时会由于红灯或排队影响而停车的次数。通行能力通行能力是指在一定的道路条件下，道路上交叉路口的某一平面在一定单位时间内可能通过的最大车流量。交叉路口的通行能力受信号配时设计的影响非常大，通常来说，通行能力越强，所需的信号周期时长需越长，其单位为pcu/h饱和度饱和度体现某一条车道车辆通行“供求”关系的一个参数，分为交叉口饱和度和相位饱和度。2.4.2辅助评价指标主要评价指标并不能够全面地反映信号交叉口的控制效果，因此，除了上述评价指标，还可建立相应的车辆燃油消耗、汽车尾气排放量等辅助参数，进行分析评价。

3时空资源利用强度模型本章通过分析道路路段的时间及空间占有率，构建时空资源利用强度模型，并通过模型计算交叉口进出口道路段的时空资源利用强度。3.1道路占用率分析道路占有率是路段是否被充分利用的重要衡量指标，对于交通信号控制管理、交叉口通行效益有着重要的影响，从字面上解释，道路占有率是指道路路段在某一个特定的时刻，在特定区域内，已被交通参与者所利用的道路量与区域内道路总量之间的比值。道路占有率的测量方法主要有空间测量法及时间测量法。在空间测量法中，空间占有率是常用的参量，其定义为路段各车辆所占面积的总和与道路的总面积之间的比值，实测中，一般将观测路段上的车辆总长度与该路段长度之比的百分数作为空间占有率。在时间测量法中，时间占有率是常用的参量，其基本思想是：道路上某断面被车辆占用的时间与规定时间间隔的比值，同样可以用于道路的占有状况的描述。简单来说，路段中车流量越密集，时间占有率越高，同时空间占有率也越高。3.1.1空间占有率空间占有率指在某一瞬间，路段中被车辆占用的总长度与路段总长度之比的百分数。例如，路段n的空间资源占有率计算公式如下：RS=1Li=1式中：RS——路段的n——路段的车辆数（辆）；Li——第i辆车的车身长度（mL——观测路段总长度（m）。当已知车辆长度分布，可以通过密度调查法调查车辆数，获取路段空间占有率。否则，需通过照相机拍摄瞬间照片，进行成像处理，人工进行测量道路车辆占有总长度及路段总长度，但在实际调查及进行微观仿真中，通过车辆车身长度获取空间资源占有率较为困难，在本论文建立时空资源利用强度模型中，空间资源的利用率体现在路段上车辆的数量上，即车流量越多，路段空间资源利用率越大。3.1.2时间占有率时间占有率指某断面内，某一时间段内，车流量通过累计总时间占该时间段的之比百分数，例如，某路段n的时间资源占有率计算公式如下：Rn=mtmT式中：Rn——路段T——总观测时间段时长（s）；tm——第m辆车占用路段的时间（时间占有率的计算通常利用埋在地面下的检测器，或者利用光电传感器被车辆遮挡引起信号变化感知车辆对道路的时间占用情况。3.2时空资源利用强度模型构建本文章定义的时空资源利用强度模型由路段车道的空间占有率及时间占有率决定，由I表示。3.3.1空间资源利用强度空间资源利用强度是反应交叉口车流方向中关键车道空间资源利用情况的参数，通过路段流量的到达率与饱和流率之间的比值表示，在饱和流率不变的情况下，当路段流量越大，路段空间资源利用强度越大,用Qn表示。某交叉口某方向流向下空间资源利用强度QQn=qnS式中：n——交叉口某方向流向Qn——交叉口某方向流向下qn——交叉口某方向流向下关键车道感应检测器检测的到达率（pcu/Sn——交叉口某方向流向下关键车道所在路段的饱和流率（pcu/（本文中感应检测器设置在城市道路交叉口进口道车道上，战略检测器设置于交叉口上的路段中间的车道上，用于检测流量、速度和车辆排队等。）例如：某交叉口北方向进口道直行下空间资源利用强度计算公式如下所示。Q北进直=q北进直S3.3.2时间资源利用强度时间资源利用强度是反应交叉口车流方向中关键车道时间资源利用情况的参数，通过交叉口车流方向中关键车道的时间占有率与关键车道所在路段的饱和流率对应的的时间占有率之间的比值表示，在饱和流率时间占有率不变的情况下，当关键车道时间占有率越大，路段时间资源利用强度越大,用Tn表示。某交叉口某方向流向的时间资源利用强度TTn=RnRsn式中：n——交叉口某方向流向Tn——交叉口某方向Rn——交叉口某方向流向的关键车道的时间占有率（pcu/Rsn——交叉口某方向流向的关键车道饱和流率对应的时间占有率（pcu/h例如：某交叉口北方向进到口直行下时间资源利用强度计算公式如下所示。T北进直=R北进直Rs北进直3.3.3时空资源利用强度时空资源利用强度由上文空间资源利用强度及时间资源利用强度根据相关的权重比例构成，是反应交叉口路段不同方向下的交通负荷的参数，用于衡量进出口道路段时空资源利用效率，用In表示。某交叉口某方向流向的时空资源利用强度IIn=αQn+式中：α——模型参数，取0.67；In——交叉口某方向Qn——交叉口某方向流向Tn——交叉口某方向例如：某交叉口北方向进口道直行下时空资源利用强度计算公式如下所示。I北进直=α将（式3.4）及公式（3.6）代入公式（3.8）得某交叉口北方向进口道直行的时空资源利用强度I北I北进直=α3.3时空资源利用强度与流量关系研究根据时间占有率定义可知：Rn=mtmT式中：tm——第m辆车占据战略检测器的时间（sT——总观测时间（s）；L——检测器长度（m）；lm——第m辆车的车身长度（mvm——第m辆车通过战略检测器的速度（km/ℎqn——交叉口某方向流向下关键车道检测器的检测到达率（pcu/l1——通过战略检测器的车辆的平均车身长度（mvn——交叉口某方向流向下以饱和流率释放的战略检测器检测到的平均速度（km/ℎRsn=nt式中：tn——交叉口饱和流率释放时第n辆车占据检测器的时间（sT——总观测时间段的时长（s）；L——路段检测器的长度（m）；ln——第n辆车的车身长度（mvn——交叉口某方向流向下路段战略检测器检测到车辆的平均速度（km/ℎSn——交叉口某方向流向下关键车道所在路段的饱和流率（pcu/l2——以饱和流率释放通过停车线的通过车辆的平均车身长度（mvSn——交叉口某方向流向下以饱和流率释放时车辆的平均速度，由交叉口具体情况确定（km/假定l1In=qnSn上式即为时空资源利用强度模型最终公式，作为计算交叉口进出口道时空资源利用强度及交叉口总时空资源利用强度公式。3.4交叉口进出口道时空资源利用强度汇总本文章仅通过分析孤立交叉口确立基于时空资源利用强度的交叉口信号配时方法，即分析孤立交叉口进出口道共八个路段的时空资源利用强度，考虑到交叉口一个进口道影响信号配时的流向主要有左转和直行，即一个方向存左转流向的时空资源利用强度及直行流向的时空资源利用强度，所以一个孤立交叉口四个进口道存在八个时空资源利用强度；另一方面，考虑一个孤立交叉口的出口道，忽略其车流流向的影响，四个出口道存在四个时空资源利用强度。3.4.1进口道时空资源利用强度汇总根据公式3.12，通过布设在交叉口进口道处的感应检测器及在交叉口路段中的战略检测器，即可求得交叉口进口道各个方向流向的时空资源利用强度，以下通过表格3.1进行汇总说明。表3.1进口道时空资源利用强度汇总表交叉口某方向进口道流向时空资源利用强度公式西进口直行流向II西进口左转流向II续表3.1进口道时空资源利用强度汇总表交叉口某方向进口道流向时空资源利用强度公式南进口直行流向II南进口左转流向II东进口直行流向II东进口左转流向II北进口直行流向II北进口左转流向II3.4.2出口道时空资源利用强度汇总根据公式3.12，通过布设在交叉口出口道处的感应检测器及在交叉口出口道路段中的战略检测器，并忽略其车流流向的影响，即可求得交叉口出口道各个方向流向的时空资源利用强度，以下通过表格3.2进行汇总说明。表3.2出口道时空资源利用强度汇总表交叉口某方向出口时空资源利用强度公式西出口流向II南出口流向II东出口流向II北出口流向II3.5交叉口总时空资源利用强度交叉口总时空资源利用强度I为交叉口各个进出口道方向的时空资源利用强度的平均值，作为下文进行建立基于时空资源利用强度的周期时长及绿信比优化依据。交叉口总时空资源利用强度公式如下所示。I=nInn（3.6相位时空资源利用强度相位时空资源强度是指在交叉口的一个相位内，某个交通流向进口道时空资源强度与出口道时空资源利用强度的比值。用于衡量考虑出口道时空资源利用强度下，相位的时空资源利用情况。即在此定义中，若交叉口相位中，若进口道时空资源利用强度越大，出口道时空资源利用强度越小，其相位总体的时空资源利用强度越大。打破以往信号配时优化中，仅仅考虑进口道延误、车流量等其他因素对信号配时的影响，而忽略的出口道容量及其时空资源利用强度对交叉口信号配时的影响，其将应用于下文基于时空资源利用强度的绿信比分配优化中，其计算过程如下公式所示为：IP=I进口道I出口道本文中，相位时空资源利用强度分为三种：较小相位时空资源利用强度、较大相位时空资源利用强度及最大相位时空资源利用强度。较小相位时空资源利用强度：指的是在同一交叉口的同一相位中，较小的IP较大相位时空资源利用强度：指的是在同一交叉口的同一相位中，较大的IP最大相位时空资源利用强度：指的是同一个交叉口中，所有相位中的较大相位时空资源利用强度之和。例如在一个两相位控制的交叉口，第一相位为南北直行，第二相位为东西直行。相位时空资源利用强度计算过程如下表所示：首先可以通过计算公式3.12交叉口各个方向进出口道时空资源利用强度，如表3.1及3.2所示，共有12个，分别为I西进直、I西进左、I南进直、I南进左、I计算第一相位南北直行的相位时空资源利用强度。表3.3第一相位南北直行相位时空资源利用强度计算表第一相位相位流向III备注南北直行南直行III小的IP大的IP北直行III计算第二相位东西直行的相位时空资源利用强度。表3.4第一相位南北直行相位时空资源利用强度计算表第一相位相位流向III备注东西直行东直行III小的IP大的IP西直行III计算交叉口最大相位时空资源利用强度。两个相位中较大相位时空资源利用强度之和即为最大相位时空资源利用强度。4基于时空资源利用强度的交叉口信号配时方法本章讨论的是信号配时方法，主要从周期时长及绿信比优化两方面进行分析，通过研究分析传统TRRL信号配时计算方法，分析其存在的优缺点。然后基于时空资源利用强度，通过VISSIM-COM接口技术，利用MATLAB编辑代码，通过模拟算法建立控制平台，基于珠海市四个关键相位人民西路-敬业路交叉口，建立基于此交叉口各个路段时空资源利用强度下的交叉口信号配时方法，该模型可以弥补TRRL方法存在的时空资源利用不均衡的缺陷，可唯一的确定交叉口进出口道交通流的状态。4.1周期时长优化方法研究4.1.1周期时长优化方法研究现状如今，国内进行信号配时是，主要还是通过TRRL法来计算交叉口的信号配时周期，但其公式在运用中，当车流量饱和度较大的情况下，计算值运用于现实生活中，交叉口的延误会变得无限大，由于国内道路相较于国外对于交通组成、交通情况来说更复杂，需要考虑的因素也因此更多。但也有许多学者在此方面做出巨大努力和贡献。1998年，顾怀中与王炜提出了多目标规划交叉口信号控制配时方法，此方法主要以延误、停车次数及等交通参数作为的优化目标，计算方式也改进以模拟退火全局的优化算法，构建了相应的模型，突破了许多其他研究中存在的瓶颈。同时，许多人工智能算法也被运用在求解这类多目标规划模型当中。到2006年，颜艳霞利用蚁群算法对模型进行了求解了并分析得到以车辆的平均延误，停车次数以及交叉口的通行能力为综合优化目标建立而成多目标规划模型。随后，在2009年，马莹莹等利用蚁群算法对该模型进行了求解，与以往不同的是，研究者从其他三个指标出发，包括机动车效益，行人效益和环境效益，构建出基于单点信号控制交叉口的多目标规划信号配时模型。两年后，2011年，刘金明同样采用蚁群算法进行了模型求解，但指标更改为交叉口总延误，总停车次数和总通行能力。最后，2012年，陈小红建立了以机动车延误，慢行交通延误，交叉口停车次数和交叉口通行能力四个交通参数为指标的多目标规划模型，与其他多目标规划模型不同的是，研究者将饱和度作为模型的约束条件加入了模型中，该模型为混合交通路网下的交叉口信号配时带来了一定的理论指导基础及实际意义，总的来说，孤立交叉口周期时长的优化常用的优化目标有：平均延误、排队长度、交叉口通行能力、油耗、费用等，同时人工智能也渐渐运用于其优化中。下面主要从分析研究TRRL周期时长优化法，并基于交叉口时空资源利用效率方面对其加以评价分析，并介绍基于时空资源利用强度模型的周期时长优化的思想。4.1.2常用TRRL周期时长优化方法研究TRRL法称韦伯斯特法，简称F.B法。该方法主要以交叉口进口道时的车辆最小延误作为目标，从而对信号配时方案进行优化计算，TRRL法理论主要包括：最短周期，最佳周期及实用周期。普遍而言，一个交叉口配时方法的成功设计，不应采用最短周期及过长的信号周期，因其都会导致车辆延误的增加，本章主要研究TRRL中最佳周期的算法。该方法以交叉口进口道时的车辆最小延误为唯一控制条件，其定时信号交叉口的延误公式为：d=C(1−λ)22（1−式中：d——交叉口某相位每辆车的平均延误（s）；C——交叉口周期时长（s）；λ——相位绿信比；y——相位流量比；q——车辆的平均到达量（pcu/h）；x——饱和度，即为观测最大流量与通行能力之比；式中第一项C(1−λ)21−定时信号交叉口的总延误公式为：D=i=1ndiqi式中：D——交叉口的总延误时间（s）；di——第i相位每辆车的平均延误时间（sqi——第i相位的车辆到达量（pcu为了便捷，将延误计算公式（式4.1）中最后的补偿项去掉，代入D公式，即可得到周期时长与交叉口总延误的表达式，并通过求导计算ddC0=1.5L+51−Y式中：C0——交叉口最佳周期时长（sL——交叉口的总损失时间（s）；Y——交叉口中所有关键相位关键车道的流量比之和。其中，交叉口信号周期的总损失时间及所有关键相位关键车道的流量比之和计算公式分别为：L=i=1n（ls+Y=i=1nmax⁡（qi式中：n——所设相位数；ls——车辆启动损失时间（Ii——Ai——黄灯时间（sqi——第i相位实际到达流量（pcu/hSi——第4.1.3常用TRRL法优缺点评价TRRL法是最早投入于交通信号控制实际运用的信号配时方法，至今仍影响着交叉口信号配时控制，原因主要在于其计算形式相对与其他交通控制模型来说简单，所需的交通模型参数较少，并且推出使用时间早，因此，TRRL法至今仍然发挥着重大的作用，特别是对交叉口车流量饱和度不高情况下，该方法仍然非常适用。但由于该模型开发较早，随着时代发展与科技的进步，其中一些不足之处也开始显现出来。同时，随着当前汽车拥有量的不断上升，模型中的一些系参数的标定也逐渐无法与实际情况相适应。总体来说，TRRL法主要有以下几个问题：TRRL法只以交叉口进口道车辆延误最小为唯一优化目标来优化周期时长，进而确定其它各参数。从交叉口整体而言，目前交叉口周期时长优化方法，仍未考虑交叉口整体进出口道路段空间资源的利用及其对周期信号配时的影响。尽管其他ARRB法引入了“停车补偿系数”,及美国的HCM法及Synchro法都做出了相应的改进，但仍没有从根本上探讨从进出口道时空资源的利用方面对交叉口信号配时的影响。这说明这些配时方法仍然在交叉口时空资源利用效益方面仍存在弊端，因而需要寻求其它更合理的配时方法。该方法在交通流过大，特别是车流量饱和度大于0.9时的交通流的延误计算并不准确，当车流量饱和度接近1时，在饱和度不断增大时，延误会显著增加。此外，模型建立所需的大量数据是通过模拟获得，但是时代在发展，汽车工业和道路交通技术发展的突飞猛进，该补偿项无法满足适应目前的交通组成情况。4.2绿信比优化方法研究4.2.1绿信比优化方法研究现状进行交叉口信号配时时，分配各个相位的绿灯时间需在周期时长确定以后各个相位的绿信比反应各个相位的有效绿灯时间与周期时长之间的比值。而如何合理地分配每个相位的绿灯时间，是提高交叉口通行效率及提升时空资源的利用率的重要方式。通常情况下，主要通过两种思路：等饱和度分配及不等饱和度分配去分配交叉口的各个相位的绿灯时间。在1985年时，韦伯斯特提出“相位等饱和度”概念，其原则是车辆延误最小，分配合理的绿灯时间，从而最小化交叉口的总体饱和度。在此原则下，绿信比一般情况下，会与交叉口相位的交通流量比形成比例，根据此比例，关键相位之间进行有效绿灯时间分配。这是一种较为简洁的计算方式，多用于单点信号控制交叉口。澳大利亚学者阿克赛立科随后对等饱和度分配作了补充，新的不等饱和度分配绿灯时间计算方法也随之形成。其计算过程主要如下：先计算出关键相位的定饱和度有效绿灯时间，再计算其他各个关键相位的有效绿灯时间，最后再为非关键相位分配相应的有效绿灯时间，此方法多用于干线协调控制方案中主路与之路不同饱和度下的交叉口。本文主要从孤立交叉口进行模型建立于研究，因此，下面主要介绍等饱和度分配方法。4.2.2等饱和度绿信比优化方法研究等饱和度指各信号相位饱和度相同，因此在这种情况下，交叉口饱和度即是相位饱和度。等饱和度法通常指的是韦伯斯特法。在韦伯斯特方法中，给出了绿信比的分配原则，即各相位绿灯时间按各相位关键车道车流量比值进行分配。各个相位有效绿灯时间计算公式如下：gei=Gemax⁡式中：gei——第i相位的有效绿灯时间（sGe——交叉口周期内的总有效绿灯时间（s例如：对于两相位信号控制交叉口，设两相位关键车道流量比分别为y1，y2Y=ygege2=Gey因此，求出有效绿灯时间后，由绿信比定义可知，最佳绿信比（OptimalSplit）为：λi=geiC式中：λi——第iC0——交叉口最佳信号周期（s按上述方法求得各个相位的有效绿灯时间后，即可以求出各个相位的绿灯显示时间，公式如下所示：Gi=gei+式中：Gi——第i相位绿灯显示时间（sli——第i相位的损失时间（sA——黄灯时间（s）。4.3基于时空资源利用强度的绿信比优化4.3.1基本思想等饱和度分配绿信比方法主要按照各相位关键进口道车道车流量比值进行分配，但为一个交叉口进行信号配时时，以往的信号配时方法往往忽略了出口道对周期时长及绿信比分配的影响，更多的时将出口道的车道渠化方式考虑进相位相序的设计时，而未考虑进交叉口的信号配时中，而忽略了出口道的时空资源利用，可能存在分配绿灯时间时，过多的车流量进入出口道，而出口道的容量并无法承载各个方向进入的车流量，导致即使交叉口出口道路段车流量运行效率不高的情况，导致整体交叉口的时空资源利用率大打折扣，所以，将出口道的时空资源利用情况考虑绿信比的优化中，显得非常重要。本文借鉴等饱和度分配绿信比的方法，基于时空资源利用强度模型，将以往的按照交叉口车流量比例进行分配的思想，运用到时空资源利用强度比例中，即在交叉口中分配绿灯时间时，时空资源利用率更高的相位可分配更多的绿灯时间，从而使得交叉口整体空间资源利用率有所提升。4.3.2计算方法基于时空资源利用强度的绿信比分配方法，借鉴等饱和度分配的思想，但不根据车流量比例进行分配绿灯时间，而是根据各个相位进出口道相位时空资源利用强度与交叉口总时空资源利用强度比例进行分配绿灯时间。其计算过程如下：gei=Ge较大I式中：gei——第i相位有效绿灯时间（sGe——交叉口总有效绿灯时间（s较大IPi——第最大IP因此，求出有效绿灯时间后，由绿信比定义可知，最佳绿信比（OptimalSplit）为：λi=geiC定义与上文同。4.4基于时空资源利用强度的周期时长优化关系模型4.4.1基本思路MATLAB编辑模拟算法建立控制平台改变交叉口各进口道输入流量MATLAB编辑模拟算法建立控制平台改变交叉口各进口道输入流量计算交叉口进出口道时间资源利用强度改变交叉口信号配时周期时长基于时空资源利用强度的周期时长模型交叉口基本参数调查计算交叉口总时空资源利用强度基于时空资源利用强度的绿信比优化计算交叉口各进出口道总延误取总延误最小下的最佳周期时长VISSIM微观仿真建模图4.1基于时空资源利用强度的周期时长优化关系模型思路流程图4.4.2交叉口基本参数调查本论文数据基于珠海市4个关键相位人民西路.敬业路交叉口晚高峰时段各个路段时空资源利用强度下的交叉口信号配时方法，通过调查获取此交叉口的基本信号配时参数，包括交叉口原始配时方案、周期时长、相位相序方案、车流量、车速、交叉口几何设计、进口道车道数等数据。具体交叉口数据如下图表所示。交叉口基本情况图图4.2交叉口基本情况图交叉口信号配时图图4.3交叉口基本情况图晚高峰时段流量统计表表4.1进出口道晚高峰流量统计表进口道转向车道一小时交通量小计饱和车头时距饱和流量y东进口直行634419692.3115590.2254770.3145580.3635900.38左转21822912.0117920.1011090.06西进口直行636816222.3015660.2354550.2944490.2933500.22左转21932622.5813960.141690.05南进口直行42144281.6222230.1032140.10左转21793622.4814520.1211830.13北进口直行32335342.2116290.1423010.18左转11911913.1511430.17西出口1566南出口1639东出口1792北出口1791交叉口百分之15位车速表4.2交叉口百分之15位统计表交叉口某方向进口道流向v交叉口某方向进口道流向v西进口直行流向29.1西进口左转流向32.04南进口直行流向21.816南进口左转流向15.6东进口直行流向29.1东进口左转流向32.04北进口直行流向23.816北进口左转流向15.6西出口29.1南出口29.988东出口32.04北出口23.9044.4.3VISSIM微观仿真建模VISSIM是一个较为成熟微观仿真软件，由德国PTV公司开发而成，也是一款高效及领先于世界的微观交通仿真软件，它的主要功能是在一个交通模型中模拟所有交通参与者并进行微观仿真。VISSIM采用综合分析手段，是评价交叉口信号控制方案的有效工具，同时，近年来，随着科技水平在交通领域的不断发展，人工智能逐渐被利用于交通领域。目前采用微观交通仿真软件的COM接口进行二次开发验证其研究模型算法，是目前最为认可和有效的方法。根据调查获得交叉口数据，设置相应车道的流量比、相位相序方案、路径决策、感应检测器及战略检测器，为MATLAB编辑模拟算法建立控制平台建立模型基础。拟建立仿真模型路网及相关数据如下图所示。图4.4交叉口仿真路网图图4.5交叉口车道车流量比例示例图图4.6交叉口检测器设置示例图图4.7交叉口相位相序示例图4.4.4MATLAB编辑模拟算法建立控制平台本文将在仿真平台VISSIM的基础上，通过VISSIM-COM接口技术，利用MATLAB编辑代码，通过模拟算法建立控制平台，该控制平台可激活VISSIM中的各项路网、评价功能，从布设的感应检测器及战略检测器收集实时的交叉口信息，通过VISSIM自带的评价模块，获取计算交叉口时空资源利用强度所需的参量，并将其代入公式计算得出不同车流量下，不同的交叉口总时空资源利用强度。同时实现寻求此交叉口在考虑出口道时空资源利用强度下的最佳周期，并求出此最佳周期与交叉口总时空资源利用强度的关系模型。具体算法流程如下图所示，具体代码详见附录。MATLAB编辑模拟算法建立控制平台MATLAB编辑模拟算法建立控制平台改变交叉口各进口道输入流量计算交叉口进出口道时间资源利用强度建立与VISSIM的连接建立VISSIM微观仿真路网计算交叉口总时空资源利用强度改变交叉口信号配时周期时长基于时空资源利用强度的绿信比优化计算交叉口各进出口道总延误

取总延误最小下的最佳周期时长

基于时空资源利用强度的周期时长模型MATLAB编辑模拟算法建立控制平台改变交叉口各进口道输入流量MATLAB编辑模拟算法建立控制平台改变交叉口各进口道输入流量计算交叉口进出口道时间资源利用强度建立与VISSIM的连接建立VISSIM微观仿真路网计算交叉口总时空资源利用强度改变交叉口信号配时周期时长基于时空资源利用强度的绿信比优化计算交叉口各进出口道总延误

取总延误最小下的最佳周期时长

基于时空资源利用强度的周期时长模型MATLAB编辑模拟算法建立控制平台改变交叉口各进口道输入流量计算交叉口进出口道时间资源利用强度建立与VISSIM的连接建立VISSIM微观仿真路网计算交叉口总时空资源利用强度改变交叉口信号配时周期时长基于时空资源利用强度的绿信比优化计算交叉口各进出口道总延误

取总延误最小下的最佳周期时长

基于时空资源利用强度的周期时长模型图4.8MATLAB编辑模拟算法建立控制平台算法流程图MATLAB编辑模拟算法建立控制平台在已建立较为完善的VISSIM微观仿真路网后，于MATLAB软件中，建立新的脚本文件，通过编写相关调用语句建立与VISSIM的连接，主要包括路网、路段属性、激活各类检测器、信号控制灯组及定义存储数据矩阵等。具体部分调用语句如下所示，详见附录代码。图4.9设置仿真参数代码图图4.10定义数据采集器代码图图4.11激活各类检测器代码图改变交叉口各进口道输入流量通过原始交叉口调查口数据，基于此数据下计算该交叉口各路段进口道流量变化，通过循环语句控制VISSIM实现自动更改流量设置，是交叉口的最大饱和流量Y由0.8变化到1，具体的流量变化及循环语句如下图所示。图4.12控制流量变化循环语句获取各个进出口道计算所需参数本文代码仿真时间设置为800s，预热时间为200s，采用单步单秒仿真，即通过仿真文件记录数据时间间隔为1s，通过叠加的方式获取600s的总仿真数据，并于最后取平均的方式获取本文所需计算参数，该方法可以更准确、有效的获取更精准的数据。具体代码如下图所示。图4.13获取评价文件每一秒车流量数据代码图图4.14叠加每一秒车流量数据代码图图4.15计算平均小时车流量数据代码图图4.16获取评价文件每一秒速度代码图图4.17叠加每一秒速度代码图图4.18获取总平均车速代码图计算交叉口各个进出口道时空资源利用强度通过上文每改变一次车流量获取评价文件中所需的车流量及速度数据后，通过式（3.9）计算此交叉口各个进出口道时空资源利用强度及相位时空资源强度，包括较小、较大及最大时空资源利用强度。图4.19计算交叉口进出口道时空资源利用强度代码图图4.20计算交叉口各个相位时空资源利用强度代码图改变交叉口信号配时周期时长通过上文每改变一次车流量获取评价文件中所需的车流量及速度数据及计算此交叉口各个进出口道时空资源利用强度及相位时空资源强度，通过循环语句控制VISSIM实现自动更改交叉口信号周期时长，实现周期时长以间隔5s从100s变化到180s，周期时长共变化17次。具体的周期变化及循环语句如下图所示。图4.21改变交叉口信号周期时长代码图分配各个相位红绿灯时间基于上文改变的信号周期进行绿灯分配，采用基于时空资源利用强度的绿信比分配方法，借鉴等饱和度分配的思想，根据各个相位进出口道相位时空资源利用强度与交叉口总时空资源利用强度比例进行分配绿灯时间，计算公式、具体代码如下所示。gei=Ge较大IPi图4.22信号周期时长分配代码图计算进出口道总平均延误代码基于时空资源利用强度等饱和度分配绿信比的方法分配改变的周期时长后，计算基于此周期及分配方法下的各个相位绿灯时间，交叉口四个进口道路段及四个出口道路段，共八个路段的延误，并计算其平均延误，作为此交叉口的平均延误。同时。在此基础上，进行三次循环取平均，作为此交叉口的总平均延误。具体代码如下所示。图4.23计算进出口道总平均延误代码图寻找考虑进出口道延误下的最佳周期经过上文代码，此时得出17个变化周期下，各个周期对应的交叉口的总平均延误，将其进行比较，找到最小的总平均延误下对应的周期时长，作为此交叉口考虑进出口道延误下的最佳周期。具体代码如下图所示。图4.24寻找考虑进出口延误下的最佳周期代码图记录相关仿真数据代码编写相应的矩阵进行数据的存储，包括每次车流量改变的各个路段的时空资源录用强度及各个相位的相位时空资源利用强度、最小延误及最佳周期等。方便后期进行数据分析及整理得出基于时空资源利用强度下的周期时长模型。相关代码如下所示。图4.25定义延误存储矩阵代码图图4.26定义时空资源利用强度存储矩阵代码图4.4.5基于时空资源利用强度的周期时长优化关系模型基于MATLAB代码所获取的数据，进行分析整理，通过Excel计算求得交叉口总时空资源利用强度I，即对交叉口进出口道各个路段的时空资源利用强度取平均，共计625个交叉口总时空资源利用强度及625个考虑进出口道延误最小下的最佳周期，部分数据如下图4.27所示。并通过MATLAcftool曲线拟合工具箱，获取Excel表格中的此交叉口的总时空资源利用强度及最佳周期，拟合其之间的线性关系，其拟合关系表达式如下式所示。(式4.15)此式作为此交叉口基于进出口道时空资源利用强度的周期时长优化关系模型。图4.27部分时空资源利用强度及最佳周期数据图图4.28拟合函数图4.5本章小结本章通过分析传统的韦伯斯特信号配时方法及等饱和度分配绿信比方法，探讨其在交叉口基于时空资源利用效率中存在的不足，并与此作为出发点，通过VISSIM-COM接口技术，利用MATLAB编辑代码，通过模拟算法建立控制平台，通过车流量建立起交叉口总时空资源利用强度与将出口道延误最小考虑在内的最佳周期之间的线型函数关系模型。此关系模型弥补了以往交叉口信号配时方法中忽略了出口道时空资源利用效率，交叉口作为一个整体，若仅仅考虑交叉口进口道延误，而未将出口道延误考虑在内，则可能存在将过多的车流量释放到出口道，而出口道却无法承担此车流量带来的过大的压力。若交叉口信号配时可以将使得进出口道时空资源利用强度取得较为均衡的状态，则交叉口整体的时空资源利用效率将能较好的提升。

5算例验证及仿真结果分析本章主要从交叉口车流量较大的情况下对交叉口采用韦伯斯特方法及基于时空资源利用强度周期时长优化关系模型及等饱和度分配，分析说明两种方法之间存在的优劣性。本文数据基于珠海市人民西路—敬业路交叉口调查获得的车流量数据，按照一定的比例将交叉口车流量数据换算成流量比Y=0.93的交叉口过饱和状态，交叉口输入流量分别为，东进口车流量输入为2420pcu/h，西进口车流量输入为2017pcu/h，南进口为846pcu/h，北进口车流量输入为776pcu/h。基于此流量数据及假设四相位延误时间共10s，对此交叉口运用两种配时方法进行配时，并对交叉口进行微观仿真评价，输出评价文件，并对数据结果进行分析。5.1TRRL配时法根据上文所介绍的传统的韦伯斯特配时方法，运用其最佳周期计算公式及基于流量的等饱和度分配绿灯时间方法，对该交叉口进行信号配时。具体计算过程如下所示。计算交叉口最佳周期C0=1.5L+51−Y计算各个相位有效绿灯时间表5.1相位有效绿灯时间计算表相位计算公式计算过程计算结果GC−L286−1058sGC−L286−1043sGC−L286−1053sGC−L286−10120s计算各个相位显示绿灯时间表5.2相位显示绿灯时间计算表相位计算公式计算过程计算结果gG59+2.83.358gG44+1.46.342gG53+2.67.353gG120+2.18.3119计算各相位绿信比：表5.3相位绿信比计算表相位计算公式计算过程计算结果λG590.206λG440.154λG530.185λG1200.420整理得该交叉口采用韦伯斯特配时法参数如下表所示：表5.4交叉口配时参数表相位Y周期（s）有效绿灯时间（s）绿灯显示时间（s）绿信比第一相位0.9628659580.206第二相位44420.154第三相位53530.185第四相位1201190.420整理得韦伯斯特法交叉口信号配时图如下图所示。图5.1交叉口信号配时图5.2基于时空资源优化的交叉口信号配时法基于上文所建立的时空资源利用强度模型及基于此模型下拟合而成的周期时长关系模型及基于时空资源利用强度下的等饱和度分配方法，对该交叉口处于过饱和状态下时进行信号配时。具体计算过程如下所示。计算各个路段时空资源强度通过获取评价文件输出的各个路段的交叉口车流量及车速，代入上文公式（式3.12），求得各个路段的时空资源利用强度，具体计算过程如下表所示。表5.5各个路段时空资源强度计算表时空资源利用强度交叉口某方向进口道流向计算公式计算结果III0.072III0.11III0.11III0.13续表5.5各个路段时空资源强度计算表时空资源利用强度交叉口某方向进口道流向计算公式计算结果III0.06III0.12III0.08III0.15III0.27III0.18III0.27III0.22计算交叉口总时空资源利用强度求得交叉口各个进出口道路段的时空资源利用强度后，求取平均值，作为该交叉口的总时空资源利用强度，计算过程及结果如下所示。I=n计算基于时空资源利用强度下的周期时长将所求得的交叉口总时空资源利用强度代入基于时空资源利用强度下的周期时长关系模型，即上文公式（式4.15），求得基于此交通流量下的最佳周期时长，计算过程及结果如下所示。C=−401.7I+272.2≈219计算各个相位时空资源利用强度根据上文计算的交叉口各个路段的时空资源利用强度，计算各个相位时空资源利用强度，包括较小时空资源利用强度及较大时空资源利用强度。表5.6各个相位时空资源强度计算表相位方向时空资源利用强度计算公式计算结果备注南北直行南直行III0.71较小相位时空资源利用强度北直行III1.06较大相位时空资源利用强度东西左转东左转III0.30较小相位时空资源利用强度西左转III0.98较大相位时空资源利用强度南北左转南左转III0.39较小相位时空资源利用强度北左转III0.95较大相位时空资源利用强度东西直行东直行III1.00较小相位时空资源利用强度西直行III1.23较大相位时空资源利用强度计算最大相位空资源利用强度将上文计算所得的较大相位时空资源利用强度相加，作为此交叉口的最大相位时空资源利用强度。其具体计算过程如下所示。最大IP=计算基于时空资源利用强度下的各个相位绿灯有效时间将上文通过进出口时空资源利用强度与出口道时空资源利用的关系得出的较大相位时空资源利用强度在此交叉口的最大时空资源利用强度所占的比值，进行各个相位绿灯时间的分配。具体计算过程如下表所示。表5.7相位有效绿灯时间计算表相位计算公式计算过程计算结果GC−L219−1052sGC−L219−1048sGC−L219−1047sGC−L219−1062s计算基于时空资源利用强度下的各个相位绿灯显示时间表5.8相位显示绿灯时间计算表相位计算公式计算过程计算结果gG52+2.83.352gG48+1.46.347gG47+2.67.347gG62+2.18.361计算各相位绿信比：表5.9相位绿信比计算表相位计算公式计算过程计算结果λG520.237λG470.215λG470.215λG610.279整理得该交叉口采用基于时空资源利用强度配时法的各项参数如下表所示：表5.10交叉口配时参数表相位Y周期（s）有效绿灯时间（s）绿灯显示时间（s）绿信比第一相位0.9321952520.237第二相位48470.215第三相位47470.215第四相位62610.279整理得基于时空资源利用强度模型交叉口信号配时图如下图所示。图5.2交叉口信号配时图5.3仿真评价结果分析对此两种配时方案通过VISSIM进行微观评价仿真，即输入相同的车流量及不同的信号配时方案，通过VISSIM提供的行程时间检测器及节点检测，分别设置在交叉口进出口道共八个路段上，及框选整个交叉口进行进行路段评价及交叉整体评价，具体检测器设置位置如下图所示。通过路段行程时间、路段车辆数及交叉口平均延误时间、总延误时间、平均车速、总旅行时间进行分析评价两种不同的配时方法。5.3.1仿真建模及仿真输出文件基于上文两种配时方法，进行VISSIM微观仿真，并设置节点检测及行程时间检测器，并输出评价仿真文件。具体检测器布设及评价文件如下图所示。图5.3行程时间检测器设置示意图图5.4节点评价设置示意图图5.5韦伯斯特法节点评价输出文件图图5.6韦伯斯特法行程时间检测器评价输出文件图图5.7基于时空资源利用强度配时法节点评价输出文件图图5.8基于时空资源利用强度配时法行程时间检测器评价输出文件图5