交通管理与控制 课件 第十章 干线交叉口信号协调控制

第十章干线交叉口信号协调控制1.信号协调控制的基本要素交通管理与控制1.1信号协调控制的基本参数信号协调控制的基本参数包括：（1）周期；（2）绿信比；（3）相位差周期：信号协调系统内的交叉口应具有统一的信号周期长度绿信比：各交叉口绿信比根据各自的流量需求而定，不一定相同相位差：一般情况下，相位差指两个交叉口绿灯起亮时间的差值，为一个小于周期长度的非负数周期：信号协调系统内的交叉口应具有统一的信号周期长度相对相位差：相邻路口周期时间均相同的联动系统中，相邻两个交叉口协调相位的绿灯起始时间差。单位：秒。绝对相位差：在联动系统中，选定一标准路口，规定该路口相位差为0，其它路口相对于此路口的相位差。两类相位差概念ABCDET1T2T3T4Ａ为系统参照交叉口，周期长度为140s实测各相邻交叉口间车辆平均行驶时间是：T1

＝170s，T2=156s，T3=232s，T4=183sB交叉口的绝对相位差=T1-140s（１个周期长）=30sC交叉口的绝对相位差=T1+T2-280s（２个周期长）=46sD交叉口的绝对相位差=T1+T2+T3-420s（３个周期长）=138sE交叉口的绝对相位差=T1+T2+T3+T4-700s=41s各交叉口相对相位差？1.2信号协调控制的效益通常，采用停车次数和延误来评价信号协调控制的效益。s——总的停车次数，次d——总的延误时间，s1.3信号协调控制的有益效果减少总体车辆的停车次数激励车辆保持平稳的运行速度使车辆以紧凑的车队形式连续通过交叉口降低红灯期间到达率，减少总体车辆延误距离时间时间累计车辆数GRGR=C[1-g/C]tCVSRGSRGRGV1V2信号协调有利于降低延误1.4影响信号协调控制效果的主要因素主线交通流中存在大量的转出交通流主线交通流中存在大量的转入交通流主线交通流存在大量的路侧交通干扰存在多相位信号控制的复杂交叉口信号交叉口之间的距离过大，大于600m信号协调效果受到显著的影响街道运行条件课后要求分析不同相位方案产生的转向交通流对干线绿波控制的影响。第十章干线交叉口信号协调控制2.单向绿波基本设计方法交通管理与控制2.1理想相位差关于信号协调控制“距离-时间”图中的几个约定时间距离相位差Lv红灯：黑色条块黄灯：阴影条块绿灯：空白理想相位差：使信号协调达到最理想状态的相位差，即，当车队的首车到达下游交叉口时，下游交叉口绿灯信号刚好启动上、下游相邻交叉口之间的距离车队的行驶速度反映了期望获得最大带宽、最小延误和最少停车次数当车队从第一个交叉口由静止开始启动时，考虑到启动过程速度较低，可在上式后面添加一项启动延误（2~4秒）注意：理想相位差的正向偏差和负向偏差所引起的损失是不同的2.2单向绿波基本设计速度：18m/s交叉口编号相邻的上游交叉口编号理想相位差65540/18=3054180/18=1043360/18=2032360/18=2021360/18=20表1理想相位差计算表12345612345620s20s20s30s10s绿波带宽课后要求分析单向绿波带宽的影响因素。第十章干线交叉口信号协调控制3.考虑排队车辆的单向绿波设计交通管理与控制3.1排队车辆对绿波的影响Q=平均每车道排队车辆数h=车辆的平均车头时距（1.9~2.0s）Loss1=下游交叉口的排队车辆由静止到运动的启动损失，2.0s上游起始交叉口没有车辆排队，没有启动损失LosshhLosshhL1/vOf1iL2/vOf2iL1L2路段路段相位差绿波的速度1-2(360/18)-(4+2)=14360/14=25.72-3(360/18)-(4)=16360/16=22.53-4(360/18)-(4)=16360/16=22.54-5(180/18)-(4)=6180/6=30.05-6(540/18)-(4)=26540/26=20.8表1理想相位差计算表123456假如2~6号交叉口排队车辆均为2辆，车速为18m/s，则：清空排队车辆使得绿波的速度领先于车队的移动；随着车队的移动，车队可通过的窗口将越来越狭窄；准确的估计每个交叉口排队的车辆数非常重要从上游交叉口主干道两侧的次要道路转入的车辆；从上下游交叉口之间的小路驶入的车辆；从路边停车带驶出的车辆；从上个信号周期滞留的车辆排队车辆的来源：排队车辆的影响：课后要求思考：绿波系统中，排队车辆对初始车队的绿波窗口如何产生影响，当初始车队的尾车形成滞留后，该绿波系统是否稳定？第十章干线交叉口信号协调控制4.单向绿波闭回路约束交通管理与控制4.1道路网络回路的概念道路网中的回路：由几条道路围合而成的闭合区域1234ABCD四条单行线组成的闭合回路N当回路中，每条单行线道路都采用绿波控制，且周期相同时，回路中的各个交叉口的相位差构成一种特定的约束关系1234ABCDN交叉口1、2、3、4均采用两相位控制，周期均为C用gNS代表交叉口南北向通行时长用gEW代表交叉口东西向通行时长交叉口1与2之间的理想相位差为OfA，交叉口2与3之间的理想相位差为OfB，…4.2闭回路绿波系统以交叉口1为参考点，令交叉口1的南北向绿灯起亮的时刻为回路系统的起始时刻，t=0.12A则，交叉口1的车队到达交叉口2的时刻为：由于交叉口1和2属于绿波系统，在（t+OfA）时刻，交叉口2的南北向绿灯启动，经过g2,NS时长后，交叉口2的东西向绿灯启动，此时的系统时刻为23B1A交叉口2的车队到达交叉口3的时刻为：由于交叉口2和3属于绿波系统，在（t+OfA+g2,NS+OfB）时刻，交叉口3的东西向绿灯启动，经过g3,EW时长后，交叉口3的南北向绿灯启动，此时的系统时刻为：23B1A4C交叉口3的车队到达交叉口4的时刻为：由于交叉口3和4属于绿波系统，在（t+OfA+g2,NS+OfB+g3,EW+OfC）时刻，交叉口4的南北向绿灯启动，经过g4,NS时长后，交叉口4的东西向绿灯启动，此时的系统时刻为：1234ABCD交叉口4的车队到达交叉口1的时刻为：由于交叉口4和1属于绿波系统，在（t+OfA+g2,NS+OfB+g3,EW+OfC+g4,NS+OfD）时刻，交叉口1的东西向绿灯启动，经过g1,EW时长后，交叉口1的南北向绿灯启动，此时的系统时刻应与系统初始时刻无相位差，即相差整数个周期：于是，获得闭回路的相位差约束条件.课后要求分析假如闭回路中的相位差不满足约束条件，则闭回路绿波系统将如何演进。第十章干线交叉口信号协调控制5.单向绿波闭回路分析案例交通管理与控制5.1闭回路案例下图是一个由四条单向行驶的道路所组成的系统，该系统的周期时长为80秒，各交叉口的信号配时如下表所示。假定路段1→2、2→3、3→4的绿时差分别为：20，19，23。试计算路段4→1的绿时差。4123N交叉口编号南北方向东西方向绿灯时间黄灯时间全红时间绿灯时间黄灯时间全红时间1373133322363332323363135324384330325.2闭回路案例分析4123Nt1,2t2,3t3,4t4,1已知，各路段的行驶时间为：80201923交叉口编号南北方向东西方向绿灯时间黄灯时间全红时间绿灯时间黄灯时间全红时间13731334223643323233631353243843303280201923交叉口编号南北方向东西方向绿灯时间黄灯时间全红时间绿灯时间黄灯时间全红时间13731334223643323233631353243843303232+3+236+3+130+3+237+33+236+3+130+3+237+3+1t4,1的绿时差应约束在不超过周期时长的范围内，计算可得故：n=3；t4,1=25s课后要求教材P310习题5。第十章干线交叉口信号协调控制6.双向绿波的相位差特征交通管理与控制6.1双向绿波的相位差关系归纳出双向绿波相位差的一般特征为：对于理想条件下的双向绿波，有：6.2绿波带宽的效率带宽的效率E：带宽与信号周期时长的比值则，绿波带的通行能力为：饱和车头时距绿波方向的直行车道数当n为奇数：北南LLLLL称为：交互式控制6.3交互式控制特点：相邻交叉口在同一时刻，干线方向显示相反的灯色6.3交互式控制当交叉口主、次干道的通行时间分配比例为50:50时，双向绿波的带宽效率均为50%北南LLLLL当交叉口主干道的通行时间多于次干道时，将产生多余的绿灯时间当交叉口主干道的通行时间少于次干道时，将消减绿波带宽北南LLLLL当交叉口主、次干道的通行时间分配比例为50:50时，双向绿波的带宽效率均为50%当交叉口主干道的通行时间多于次干道时，将产生多余的绿灯时间当交叉口主干道的通行时间少于次干道时，将消减绿波带宽6.3交互式控制北南LLLLL当交叉口主、次干道的通行时间分配比例为50:50时，双向绿波的带宽效率均为50%当交叉口主干道的通行时间多于次干道时，将产生多余的绿灯时间当交叉口主干道的通行时间少于次干道时，将消减绿波带宽6.3交互式控制6.4同步式控制当n为偶数：北南LL称为：同步式控制特点：交叉口在同一时刻，干线方向显示相同的灯色6.4同步式控制北南LL同步式控制容易导致车速过快当交叉口主、次干道的通行时间分配比例为50:50时，双向绿波的带宽效率为

其中，N为绿波系统中交叉口的数目6.5双重交互式控制北南LLLLL当相邻交叉口满足：称为：双重交互式控制北南LLLLL双重交互式控制系统的效率是25%；为交互式控制效率的一半6.5双重交互式控制当交叉口主干道的通行时间多于次干道时，将产生多余的绿灯时间当交叉口主干道的通行时间少于次干道时，将消减绿波带宽课后要求教材P310习题7。教材P310习题8。第十章干线交叉口信号协调控制7.双向绿波相位差确定的图解法交通管理与控制7.1图解法的思路以交互式控制和同步式控制为基本单元，构建双向绿波系统通过作图，寻找接近于理想控制模式的合适的控制形式现实中的主干道上交叉口的分布并非等间距的，并不符合理想的交互式控制或同步式控制的基本要求。如何进行双向绿波设计？7.2图解法的过程第一步：分析A与B的协调模式第二步：分析B与C的协调模式第三步：分析C与D的协调模式第四步：分析D与E的协调模式第五步：画出绿波第六步：调整绿波方案结论：绿波带速度过高。调整周期长度，延长为85～90秒。根据实际交通需求，调整绿信比：不移动图解法获得的红灯（或绿灯）的中心位置，只将红灯（或绿灯）按实际绿信比延长或缩短即可。7.3图解法的优点和缺陷优点：方法简单，易于理解，便于操作缺陷：（1）需要尝试不同的周期长度（2）求解不够精确，无法通过计算机程序实现课后要求思考在图解法中，当获得的绿波带速过快时，为什么要增大周期时间进行调整？第十章干线交叉口信号协调控制8.双向绿波设计的数解法交通管理与控制8.1数解法的思路对于理想的交互式控制或同步式控制模式：实际问题中，交叉口间距是固定的，且是不规则分布的，速度和周期是可调节的选择最佳的速度和周期，使得系统的协调效果最接近理想模式如何选择最佳的速度和周期？采用枚举法：在一定的范围内，对（vC/2）进行枚举实例：ABCDEFGH350400160540280280270周期80s，绿波带速暂定为11.1m/s8.2寻找优化方案理想的交叉口间距应为（vC/2）的整数倍在340m到540m的范围内，考察vC/2，选择最优的方案以vC/2=340m为例，若以A交叉口为参考点，则各交叉口偏离理想位置的距离如下：ABCDEFGH350400160540280280270将各交叉口与理想位置的偏离距离按照从小到大排序,以10m为单位：ABFCEDHGb=147124213ABFCEDHGABFCE以交叉口E为参考点EDHGABFCE以交叉口E为参考点b=1434-14=207132421ABCDEFGH350400160540280280270本质上是：Min{max(偏差)}，这就是数解法的优化目标。ABFC2421为与理想条件最为接近，应选取b值最大的方案求解过程回顾课后要求教材P310习题10。第十章干线交叉口信号协调控制9.干线信号协调控制数解法结果分析交通管理与控制9.1数解法的特点绝对相位差计算采用左侧参照系9.1数解法的特点相对相位差不随参照系变化50DE9.2数解法结果的分析ABCA的绿时损失？0.5*130/500=13%B的绿时损失？0.5*20/500=2%A的有效绿信比？50%-13%=37%B的有效绿信比？50%-2%=48%绿波速度？2*500/80=12.5m/s当绿信比不等于50%时，各交叉口的信号损失如何分析？系统的绿波带宽如何计算？ABC55%60%65%当绿信比不等于50%时，如何确定相位差？ABC当绿信比不等于50%时，调整交叉口的相位差，使红灯的中心与理想相位红灯的中心在时间上同步。ABCABC130205001、对于A交叉口，绿波的前锋需要后退，信号损失为2、对于B交叉口，绿波的后端需要提前，信号损失为当绿信比不等于50%时，调整交叉口的相位差，使红灯的中心与理想相位红灯的中心在时间上同步。ABC当绿信比不等于50%时，调整交叉口的相位差，使红灯的中心与理想相位红灯的中心在时间上同步。1、对于类似A的交叉口（vC/2的偶数倍），当交叉口位于理想位置右侧时，绿波的前锋需要后退：2、对于类似C的交叉口（vC/2的偶数倍），当交叉口位于理想位置左侧时，绿波的尾端需要提前：3、对于类似B的交叉口（vC/2的奇数倍），当交叉口位于理想位置左侧时，绿波的尾端需要提前：4、对于类似E的交叉口（vC/2的奇数倍），当交叉口位于理想位置右侧时，绿波的前锋需要后退：ABC1、对于交叉口位于理想位置右侧时，绿波的前锋需要后退：归纳：当实际交叉口与理想位置偏差为d时：2、对于交叉口位于理想位置左侧时，绿波的后端需要提前：找出所有位于右侧的交叉口，计算前锋后退值中最大值，在本例中为A交叉口，前锋须后退：找出所有位于左侧的交叉口，计算尾端提前值中最大值，在本例中为H交叉口，尾端须提前：实际绿波带宽为：绿波的带宽损失为：归纳：当实际交叉口与理想位置偏差为d时：(b/vC)越大，绿波的带宽损失越小，该结论可帮助我们改进数解法对最优协调方案的遴选，从选择最大的b变为选择最大的b/vC课后要求若上述例题中各交叉口的绿信比不相等，分别为λA=55%；λB=60%；λC=65%；λD=65%；λE=60%；λF=65%；λG=70%；λH=50%。试计算各交叉口的绿时损失、有效绿信比以及绿波带宽。第十章干线交叉口信号协调控制10.干线信号协调控制的设计流程交通管理与控制10.1信号协调控制的所需的基本数据在确定线控系统的配时方案之前，必须调查收集一批必要的道路交通数据交叉口间距：相邻交叉口停车线到停车线的距离街道及交叉口的布局：车道宽度、进口道宽度以及车道数交通量：交叉口交通流向、流量、交通量日变图交通管理规则：限速、限制转向、停车带等车速和延误：路段上的行驶车速以及当时所用控制方式下的延误（1）根据每个交叉口的平面布局和交通量，按照单点定时控制的配时方法，确定交叉口的周期和相位配时方案；（2）以周期长度最大的交叉口为关键交叉口，以此周期时长为整个干线信号协调系统的备选系统周期时长；（3）关键交叉口的主干道直行相位显示绿灯时间，是干线系统内各交叉口在干线直行方向必须保持的最小绿灯长度；（4）非关键交叉口，其次要道路方向的显示绿灯时间是该交叉口对次要道路方向所必须保持的最小绿灯时间；（5）非关键交叉口的周期小于系统周期时，将周期放大至系统周期，次要道路方向的绿灯只需维持最小绿灯时间，多余时间加给主路方向。10.2计算备用配时方案C1=60sC2=60sC3=80sG=35sR=22sY=3sG=33sR=25sY=2sG=45sR=32sY=3sC1=80sC2=80sC3=80sG=55sR=22sY=3sG=53sR=25sY=2sG=45sR=32sY=3s调整前调整后10.3确定周期长度和相位差（1）干线信号协调系统的周期长度需要通过试算进行确定，通常将系统备选周期时长作为试算起点，采用同步式与交互式控制模式，计算相位差和绿波速度、带宽，然后与实际测量的平均路段车速比较，通过在一定范围内调整系统周期获得与实际车速相接近的系统信号协调控制方案；（2）上述相位差和绿波速度、带宽的确定过程可采用图解法或数解法获得。10.4提高干线信号协调控制系统效益的辅助方法续进式协调控制允许各相邻交叉口之间采用不同的设计车速。前置信号10.4提高干线信号协调控制系统效益的辅助方法在主要交叉口前设置前置信号，使交通流在此处集中，而后不停车连续通过下游交叉口。可变车速指示10.4提高干线信号协调控制系统效益的辅助方法在交叉口前设置速度标志，指示驾驶人以标志速度行驶，通过交叉口。感应式线控10.4提高干线信号协调控制系统效益的辅助方法半感应线控系统（次干路检测）

当次要道路有车时，可得到不超过基本配时方案中的绿灯时间；当次要道路无车时，绿灯一直分配给主干线。全感应线控系统（上、下游协调）

当上游干线方向测得有车队存在时，通知下游交叉口将信号协换到主干线方向，保证干线车队到达下游交叉口时能顺利通过。关键交叉口线控系统（前、后向联接）

仅在关键交叉口使用感应式控制机，可与下游交叉口连接或与上游交叉口连接。课后要求思考双向绿波通行效益的影响因素有哪些。第十章干线交叉口信号协调控制11.MAXBAND干线绿波控制方法-1交通管理与控制Ring2Ring1相位Ⅳ相位Ⅰ相位Ⅱ相位Ⅲ相序图控制图Ring2Ring1相位Ⅳ相位Ⅰ相位Ⅱ相位Ⅲ时间位置交叉口A交叉口B交叉口C交叉口D含有早期迟断式相位控制的绿波系统东西西东可提供更灵活的相位差选择上行下行上行下行#1#211.1干线绿波设计的更一般形式相邻路段的车速不一定相等；双向绿波的带宽不一定相等；干线上的交叉口双向直行相位不一定同步考虑到不同的道路条件、不同方向的流量需求，以及早启迟断式的相位设计：我们需要更一般性的双向绿波设计方法11.2MAXBAND方法的基本思想由JohnD.C.Little等于1964年提出，并在上世纪七、八十年代逐步完善将绿波优化问题描述为一个数学规划中的最优化问题，建立绿波控制的优化目标（通常为绿波带宽最大），给出变量的约束条件，然后通过求解算法寻找最优解，获得绿波的最佳方案优点：理论严谨；求解精确；条件灵活上行方向下行方向11.3MAXBAND方法中变量的定义实线段：上行方向红灯；虚线段：下行方向红灯实线：上行方向绿波；虚线：下行方向绿波上行方向下行方向上行方向下行方向Sh：干线上的交叉口h；Si：干线上的交叉口i；上行方向下行方向Δh：交叉口h在干线方向上上行和下行方向直行红灯中间时刻的时差；Δi：类似的上行