交通信号设计基础3-交通信号控制基本概念课件讲解

交通信号控制基本概念第一节交通控制的概念交通渠化(空间)利用路面标线、交通标志、交通岛、导流/隔离带等多种措施对同一平面上行驶的各个方向交通流予以分离，使各种不同类型、不同方向及不同速度的交通流各行其道，减小相互干扰的交通管理方法。信号控制(时间)通过控制路口信号灯的灯色变化，对道路上运行的车辆和行人进行指挥。第一节交通控制的概念被控对象交通流反馈量延误时间、排队长度、流量、密度、速度、占有率等控制量红/绿灯信号、主线限速标志、可变情报板等性能指标延误时间、停车次数、排队长度、行程时间等延误时间控制模型停车次数控制模型第一节交通控制的概念1、交通信号控制模型交通信号控制模型是描述交通性能指标随信号控制参数、交通环境、交通流状况等因素变化的数学关系式。性能指标：延误时间、停车次数等信号控制参数：信号周期、绿信比和相位差等交通环境：车道饱和流量、损失时间等交通流状况：交通流量、车队离散性等2、交通信号与交通信号灯第一节交通控制的概念交通信号在道路上向车辆和行人发出通行或停止的具有法律效力的灯色信息，主要分为指挥灯信号、车道灯信号和人行横道灯信号。交通信号灯由红色、黄色、绿色灯采取不同组合组成的信号装置，用于指挥车辆、行人通行。1)指挥灯信号绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯车辆不准妨碍直行车辆和行人的通行；黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行横道的行人，可以继续通行（还应包括“已经驶近停车线而无法安全制动的车辆”）；红灯亮时，不准车辆、行人通行；黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行；绿灯闪烁时，未越过或靠近停止线的车辆注意减速行驶；绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。第一节交通控制的概念2)车道灯信号绿色箭头灯亮时，本车道准许车辆通行；红色叉形灯亮时，本车道不准车辆通行。3)人行横道灯信号绿灯亮时，准许行人通过人行横道；红灯亮时，不准行人进入人行横道；绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已进入人行横道的，可以继续通行。第一节交通控制的概念3、信号相位与控制步伐信号相位：对于一组互不冲突或冲突较弱的交通流同时获得通行权所对应的信号显示状态。相位数过少——不能有效地分配好路口通行权，路口容易出现交通混乱，交通安全性下降；相位数过多——会导致路口的通行能力下降，延长司机在路口的等待时间。控制步伐：路口各方向各交通信号灯状态所组成的一组灯色状态组合。主要控制步伐（几十秒）：东西直、东直左等过渡性控制步伐（几秒）：绿闪、黄灯、全红第一节交通控制的概念二相位、六步伐信号控制方案第一节交通控制的概念第一节交通控制的概念第二节交通参数(时间参数)1、信号周期信号周期：信号灯色按设定的相位顺序显示一周所需的时间，即一个循环内各控制步伐的步长之和，用C表示。信号周期是决定交通信号控制效果优劣的关键控制参数。信号周期太短——难以保证各个方向的车辆顺利通过路口；信号周期太长——导致司机等待时间过长，大大增加车辆的延误时间。所有信号相位的绿信比之和必须小于1。第二节交通参数(时间参数)2、绿信比绿信比：一个信号周期内某信号相位（或车流）的有效绿灯时间与信号周期的比值，用λ表示。有效绿灯时间：将一个信号周期内该信号相位（或车流）能够利用的通行时间折算为被理想利用时所对应的绿灯时长，用tEG表示。获得通行权车流在其相位期间通过交叉口的流量图第二节交通参数(时间参数)前损失时间：绿灯初期，由于排队车辆需要起动加速、驶出率较低所造成的损失时间。后损失时间：绿灯结束，黄灯期间停车线后的部分车辆已不许越过停车线所造成的损失时间。后补偿时间：绿灯结束，黄灯初期已越过与驶近停车线的车辆可以继续通行所带来的补偿时间。后损失时间与后补偿时间之和等于黄灯时间，恰恰也正反映了黄灯的过渡性与“两面性”。一个信号周期内各相位获得通行权的车流运行图第二节交通参数(时间参数)绿信比是进行信号配时设计最关键的时间参数，它反映了该信号相位交通流在一个周期中需要绿灯时长的大小。经过优化的绿信比能够恰当地把绿灯时间分配给各相位的交通流，从而使总延误或总停车次数等指标达到最小。3、最短绿灯显示时间最短绿灯显示时间：信号相位规定的最低绿灯时间限值，用Gm表示。规定最短绿灯显示时间主要是为了保证车道行车安全。定时控制：根据历史交通量数据确定一个周期内可能到达的排队车辆数，决定最短绿灯显示时间的长短；感应控制：根据停车线与车辆检测器之间实际存在的车辆数，决定最短绿灯显示时间的长短。第二节交通参数(时间参数)4、绿灯间隔时间绿灯间隔时间：上一个信号相位绿灯结束到下一个信号相位绿灯开始的这段时间间隔，用I表示。规定最短绿灯显示时间主要是为了确保已通过停车线驶入路口的车辆，均能在下一个信号相位的首车到达冲突点之前安全通过冲突点，是为了保证交叉口行车安全。绿灯间隔时间（相位过渡时间）通常表现为黄灯时间或黄灯时间加上全红时间（交叉口清场时间）。第二节交通参数(时间参数)绿灯间隔时间=黄灯时间+全红时间为避免前一相位尾车与后一相位头车在路口发生冲突，要求在它们驶入路口的时刻之间必须存在一个实际间隔时间，该时间间隔由基本间隔时间和附加路口腾空时间两部分构成。基本间隔时间：由车辆的差异性与运动特性决定，其大小一般取值为2～3秒（黄灯时间）。附加路口腾空时间：由路口特性与相序设计决定，其大小可以根据冲突车流从各自停车线到同一冲突点所需行驶时间差来确定（全红时间）。第二节交通参数(时间参数)第二节交通参数(时间参数)定时控制：绿灯间隔时间需取为末首车辆实际时间间隔。感应控制：如果在停车线前埋设了检测线圈，则该线圈可以测量到前一相位最后车辆离开停车线与前一相位绿灯结束之间的时间差，从而可以得到绿灯间隔可压缩时间，此时绿灯间隔时间可取为末首车辆实际时间间隔与绿灯间隔可压缩时间之差（可变全红时间），提高路口的通行能力。第二节交通参数(时间参数)总的绿信比VS总的损失时间第二节交通参数(时间参数)5、损失时间损失时间：由于交通安全及车流运行特性等原因，在整个相位时间段内不允许车辆通行及折算出未能被利用的时间，用l表示。总的损失时间：所有关键车流在其信号相位中的损失时间之和，用L表示。第二节交通参数(时间参数)6、相位差相位差也叫偏移，分绝对相位差和相对相位差两种定义方式。在一个协调控制信号系统中，以某一个信号为基准信号，其它信号的协调相位绿灯起始时间滞后于基准信号的绿灯起始时间的最小时间差，称为绝对相位差。在一个协调控制信号系统中，沿车辆行驶方向任意两相邻信号的协调相位绿灯起始时间的最小差值，称为相对相位差。相位B相位A时间绿灯间隔时间黄灯全红红黄周期长第三节交通参数(交通流参数)1、交通流量(难以调节)交通流量：单位时间内到达道路某一截面的车辆或行人数量，用q表示。到达交叉口的交通流量：一个信号周期内到达停车线的车辆数，其主要取决于交叉口上游的驶入交通量。交通流量通常随时间随机变化，既包括规律性的变化，也包括非规律性的变化，其在不同的时间段内将围绕某一平均值上下波动。2、饱和流量(难以调节)饱和流量：单位时间内车辆通过交叉口停车线的最大流量，用S表示。饱和流量大小取决于道路条件（车道的宽度、坡度）、车流状况（大车混入率、转弯车流比率、车道功能）以及配时方案（信号相位的设置情况），而与配时信号的长短基本无关。饱和流量的获取方法：现场实地观测，经验公式估算（韦伯斯特法、阿克塞立科法、折算系数法、停车线法、冲突点法）。第三节交通参数(交通流参数)交叉口各方向进口道的通行能力将随其绿信比的增加而增大。第三节交通参数(交通流参数)3、通行能力(可以调节)通行能力：在现有道路条件和交通管制下，车辆以能够接受的行车速度行驶时，单位时间内道路截面所能通过的最大车辆数，用Q表示。现有道路条件：道路的饱和流量交通管制：交叉口的绿信比配置4、交通流量比(难以调节)车道交通流量比：车道的实际流量与饱和流量之比，用y表示。相位交通流量比：信号相位中车道交通流量比的最大值，即关键车流的交通流量比。交叉口交通流量比：所有相位（关键车流）交通流量比之和，用Y表示。第三节交通参数(交通流参数)车道交通流量比是一个几乎不随信号配时影响的交通参量，它在一定程度上反映了道路的拥挤状况，是进行信号配时设计的一个重要依据。交叉口交通流量比将决定信号周期大小的选取：相位交通流量比则决定各相位绿灯时间的分配：第三节交通参数(交通流参数)5、饱和度(可以调节)道路饱和度：道路的实际流量与通行能力之比，用x表示。交叉口饱和度：饱和程度最高的相位所达到的饱和度值，而并非各相位饱和度之和，用X表示。饱和度实用限值：为各条道路设置的可以接受的最大饱和度限值，用xP表示。第三节交通参数(交通流参数)当饱和度保持在0.8~0.9（xP

）之间时，交叉口可以获得较好的运行条件；当饱和度接近1时，交叉口的实际通行条件将迅速恶化。不同信号相位的饱和度将随绿信比的配置呈现出“此消彼长”的变化趋势。当调节各个信号相位的绿信比使各股关键车流具有相等的饱和度时，交叉口饱和度将达到最小。第三节交通参数(交通流参数)每条车道的饱和度实用限值应根据车道所处的具体实际情况和对车道的具体限制要求，选用适当合理的数值。协调控制交叉口的主干道方向公交线路的优先方向车流量较大的车道或连接相近交叉口的短车道第三节交通参数(交通流参数)交通参量车流相位交叉口绿信比λ各股车流关键车流关键车流组损失时间l各股车流关键车流关键车流组交通流量比y各股车流关键车流关键车流组饱和度x各股车流所含车流（最大值）所含车流（最大值）车流、相位、交叉口第三节交通参数(交通流参数)减速延误时间+停驶延误时间+加速延误时间第四节交通参数(性能指标)1、延误时间车辆的延误时间：车辆在受阻情况下通过交叉口所需时间与正常行驶同样距离所需时间之差。交叉口总延误时间：所有通过交叉口的车辆的延误时间之和，用D表示。交叉口平均延误时间：所有通过交叉口的车辆的延误时间平均值，用d表示。交叉口平均延误时间是一个评价交叉口运行效果和服务水平的重要指标。交叉口平均延误时间的大小与交叉口服务水平的高低关系最为密切。第四节交通参数(性能指标)服务水平延误时间/s服务水平延误时间/sA0~5.0D25.1~40.0B5.1~15.0E40.1~60.0C15.1~25.0F>60.0美国服务水平与平均延误时间关系服务水平延误时间/s服务水平延误时间/sA0~10.0D35.1~55.0B10.1~20.0E55.1~80.0C20.1~35.0F>80.0我国服务水平与平均延误时间关系一次完全停车：情形（A）、（B）一次不完全停车：情形（C）2、停车次数第四节交通参数(性能指标)（非线性关系）判断受阻车辆是否构成一次完全停车可以通过比较车辆的延误时间d与平均一次完全停车所对应的减速—加速延误时间dh的大小来确定。第四节交通参数(性能指标)车辆的停车次数（停车率）：车辆在通过交叉路口时受信号控制影响而停车的次数，即车辆在受阻情况下的停车程度。交叉口总停车次数：所有通过交叉口的车辆的停车次数之和，用H表示。交叉口平均停车次数：所有通过交叉口的车辆的停车次数平均值，用h表示。平均停车次数也是一个衡量信号控制效果好坏的重要性能指标。减少停车次数可以减少燃油消耗、减小车辆轮胎和机械磨损、减少汽车尾气污染、提高司乘人员的舒适感，同时确保交叉口的行车安全。对于一辆车一次受阻而言，其延误时间越小，其停车次数越少；但对于一个交叉口甚至一辆车而言，其延误时间越小，其停车次数未必越少。第四节交通参数(性能指标)延误时间和停车次数与信号周期之间的关系交通信号控制的目标就是要寻求较大的通行能力、较低的饱和度，从而使得通过交叉口的全部车辆总延误时间最短或停车次数最少。第四节交通参数(性能指标)单点控制：被控路口的交通信号配时方案只按照该路口的交通状况单独设计，而不考虑该路口周围其它路口的交通状况，仅追求单个路口的运行效果最佳。干道协调控制：将干道上的多个路口联系起来作为研究对象，同时对各个路口进行相互协调的配时方案设计，使得干道行驶车辆尽可能获得不停顿的通行权。区域协调控制：将区域内的所有路口联系起来作为研究对象，同时对各个路口进行相互协调的配时方案设计，使得整个控制区域的交通运输效率提高、车