（交通运输规划与管理专业论文）错位交叉口信号控制优化及交通管理措施分析.pdf

摘要 错位交叉口是一种特殊的平面交叉口。要最大限度地利用现有的资源，实现城市错 位交叉口交通信号的合理控制，必须根据错位交叉口的地理位置、交通环境和交通流结 构等进行综合设置。本文从对城市平面道路交叉口的类型及控制方法的分析着手，探寻 错位交叉口的特征。首先对错位交叉口进行分类，重点研究其交通控制方式和信号设置 优化方法，然后通过对道路交通中行人和自行车交通的分析，提出适合错位交叉口的交 通控制管理方法。最后，在全面的对错位交叉口这种特殊形式的平面交叉口进行研究的 基础上，建立错位交叉口的通行服务综合体系和评价模型，为错位交叉1 ：3 的交通控制管 理工作提供依据。 关键词：错位交叉口；信号控制；行人；自行车；评价模型 a b s t r a c t t h eo f f s e ti n t e r s e c t i o ni sas p e c i a lt y p eo fi n t e r s e c t i o n m a k i n gf u l lu s eo ft h ee x i s t i n g r e s o u r c ea n dr e a l i z i n gt h er e a s o n a b l es i g n a lc o n t r o lo ft h eo f f s e ti n t e r s e c t i o nc o u l db e a c h i e v e dt h r o u g hc o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n ti nt h el i g h to ft h eg e o g r a p h i c a ls i t u a t i o n ，t h e t r a f f i ce n v i r o n m e n ta n dt h es t r u c t u r eo ft r a f f i cf l o w a c c o r d i n gt oa n a l y s i so ft h et y p e so f u r b a np l a n ei n t e r s e c t i o n sa n di t sc o n t r o lm e t h o d s ，t h ea r t i c l er e s e a r c h e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f o f f s e ti n t e r s e c t i o n f i r s t l y , c l a s s i f i e dt h eo f f s e ti n t e r s e c t i o n ，r e s e a r c h e di t st r a f f i cc o n t r o l m o d e sa n ds i g n a l s e t t i n gm e t h o d s ，is u p p o s e dt h e t r a f f i cc o n t r o l m a n a g e m e n ta n d o p t i m i z a t i o nm e t h o do fo f f s e ti n t e r s e c t i o na f t e rt h ea n a l y s i so nt h ep e d e s t r i a n sa n db i c y c l e t r a n s p o r t a t i o n a tl a s t ，b a s e do nt o t a lr e s e a r c ht ot h eo f f s e ti n t e r s e c t i o no fs p e c i a li n t e r s e c t i o n ， ie s t a b l i s h e dt h ec o m p r e h e n s i v es e r v i c es y s t e mo nt r a n s i ta n dt h ee v a l u a t i o nm o d e lo fo f f s e t i n t e r s e c t i o nt ot og i v et h et r a f f i cr e s e a r c h e r sar e f e r e n c e 。 k e yw o r d s ：o f f s e ti n t e r s e c t i o n ；s i g n a lc o n t r o l ；p e d e s t r i a n ；b i c y c l e s ；o p t i m i z a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名戡翻红 巷年j 月境 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝作者躲试匆缸 铷一俩 捌年乡月毯日 一巩占年f 月j 石日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国经济的高速增长，城市道路中的机动车数量不断增加，城市道路交通系 统也越来越难以适应机动车的增长，经常出现堵车等交通问剧1 1 ，这不仅增加了交通 出行时间，而且给城市环境带来巨大压力。针对交通堵塞这种现象，中外学者进行了 一系列研究，发现城市交通堵塞的原因一方面是由道路狭窄、通行能力不足造成的， 另一方面是受到道路交叉口通行能力的制约，机动车无法顺利地通过交叉路段所致。 面对着城市交通日益恶化的挑战，城市管理部门采取了增加城市道路长度、宽度、道 路网密度及改造交叉口、优化信号控制等措施以应对机动车出行和保有量的增长，改 善城市交通环境。在这个过程中，很多地方因历史或地质原因造成的许多错位交叉口 给城市道路交通改扩建过程带来问题，降低了交通整治的效果。 错位交叉口与普通平面交叉口最大的不同就是交通流通过交叉口方式的不同，机 动车需要连续地通过两个t 型交叉口，因而交通流难以快速地穿行交叉路段，降低了 交通通行效率。在国内道路混合交通大量存在的情况下，错位交叉口的交通控制十分 困难。交通规划管理者在错位交叉口的交通控制设计中，不仅要考虑各个方向机动车 通行的要求，还要关注大量的自行车和行人的通行要求，保证它们能够安全、快速、 顺利的通过错位路段，从而满足各个交通参与者的通行需要。 有别于普通的平面十字交叉口的是，国内外对于错位交叉口的研究较少，很多传 统的平面普通道路交叉口控制方法不能直接应用于错位交叉口，而不恰当的控制方式 使得堵塞的情况甚至比以前更加严重，并且由此带来一些新的交通与社会环境问题， 如汽车堵塞时发动机怠速空转所造成的噪声、氮氧化合物浓度超标等等，进一步的对 城市环境造成影响。 为了解决错位交叉口的交通问题，交通管理者提出了多种解决方案，一方面是从 根本上改造道路使错位交叉口变成平面十字交叉口，但这只能在一定程度上解决问题， 尤其是许多城市遇到了拆迁错位交叉口附近建筑物难度过大或地理条件不允许的情 况，因此这种方式无法广泛使用。除此之外还一个可采取的方案是优化错位交叉口的 交通控制方法，从各个方向道路的特点和交通流的具体情况，通过渠化路口、设置信 号灯、加装隔离设施、拓宽人行道等多种措施，制定合适的错位交叉口控制方案，尽 第一章绪论 量提高交通通行效率和保证交通安全。 为了改善错位交叉口交通通行情况，本文从汇总城市道路交叉口的类型开始，通 过当前城市交叉口信号灯的设置和控制方法，分析错位交叉口的类型与特点，提出错 位交叉口的交通控制方式及信号优化方案，然后结合我国城市道路交通的特点，对行 人和自行车交通进行分析考虑，最后给出错位交叉口的综合评价体系，为城市错位交 叉口的交通控制和信号优化提供一定的科学依据。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外的研究应用概况 国外学者最先从2 0 世纪6 0 年代开始了对交通信号优化控制技术的理论研究和探 索，w e b s t e r ( 1 9 5 8 ) 和m i l l e r ( 1 9 6 3 ) 分别针对普通平面交叉口固定周期的信号控制 建立了以车辆平均延误最小为目标的信号配时模型及计算方法，随着人工智能领域的 不断发展，模糊控制、遗传算法等技术也融入到了交通信号的控制中，前者的方法仍 是今天定时信号控制的基础，继而奠定了交叉口的控制基础。美国公共交通协会的 s t e v el e v y 和t h o m a sa i s l e s 在1 9 7 8 年交通规划中提出避免设置错位交叉1 2 1 和通过改 造，使到目前为止美国大城市的错位交叉i ：1 基本上已改造完毕，同时欧美国家对错位 交叉口研究较少。即使在一些至今尚未改造的地方，管理者在管理的过程中将错位交 叉口视为普通交叉口，通过优化信号灯的方式提高了机动车在错位交叉口通行效率， 从一定程度上解决了机动车在通行错位交叉口的交通问题。 国外对于错位交叉口的控制研究大多集中在自行车较多的情况下( 这里指的较多 是相对其他平面道路交叉口) ，美国波特兰运输办公室的r o g e rg e l l e 根据多年来的经 验，通过拓宽机动车道的方式，提出了在错位交叉口道路中央位置设置自行车道的方 式，供通行错位方向白行车通行使用。既保护了骑车人的安全又保证机动车能够顺利 通行，因而这种方式在美国多个城镇得到应用，见表1 1 。 2 长安大学碘学位论文 12 2 国内研究概况 我国许多城市由于种种原因存在犬量错位交叉口，由于过去机动车不多，错位交 叉口的交通问愿并不突出。但是近年来随着机动车的大量增加，错位交叉口的通行问 题逐步出现，国内许多学者逐渐重视错位交叉口的交通控制研究。虽然错位交叉口的 控制及优化控制是基于对平面道路交叉口的控制研究开始的，但是真正对错位交叉口 进行大量研究是在2 0 0 0 年以后城市交通改造过程中进行的。2 0 0 2 年东南大学马傻来 在结合昆山和常德两个城市交通管理规划项目的具体实践的基础上，提出错位交叉口 信号相位设计的线性控制法，证实了错位交叉口线性控制法的优越性口1 。2 0 0 3 年长 安大学陈涛对城市主干道错位交叉口的交通量、平均通行车速和行车延误等通行特性 进行了调查分析，针对城市错位交叉口存在的干道车辆延误丈、停驶率高、交叉1 3 通 行能力低等问题，研究了交通信号控制系统、交通管理、标志标线的设罨等方面内容， 提出错位交叉r l 交通控制与管理方案，完善了错位交义口的交通综合控制系统p 】。2 0 0 4 年，李建红根据城市道路交通规划设计规范扎在城市道路错位交叉口交通特征分析 第一章绪论 的基础上，提出了错位交叉路口工程措施和管理措施【4 】o 1 3 研究的内容、目的和意义 论文针对城市错位交叉口的交通展开研究，主要包括以下内容：城市平面交叉口 交通特性与控制设计、错位交叉口交通的控制及信号优化方法、行人与自行车的交通 管理分析、错位交叉口通行服务的评价方法等。 论文以改善和优化错位交叉口交通系统为目的，根据当前城市平面道路交叉口的 控制方法为基础，对错位交叉口的特点进行分析，提出错位交叉e l 交通控制和信号优 化方法。在分析现行道路交通流中行人与自行车交通管理的基础上，针对错位交叉口 机非混合行驶的控制难点，分别对行人和自行车交通进行优化设计与管理，以保障行 人和自行车的安全性和便利性，提高错位交叉口的运输效率。 论文拟通过这些内容，对错位交叉口交通的特性、需求、管理等各方面能有一个 细致的分析，并希望通过一些措施，为改善错位交叉口交通提供一定的方法，为促进 整个城市道路交通系统的高效运转提供一定的理论基础。 1 4 研究思路 在总结和分析国内外关于城市错位交叉口的交通研究成果的基础上，根据本文主 要内容和研究重点，论文的研究思路如图1 1 所示： 4 图1 1 论文的研究思路 5 第二章城市平面道路交叉口的类型及控制方法 2 1 城市交叉口概述 2 1 1 城市交叉口的类型 城市道路系统主要由道路组成，不平行的道路相交叉形成了城市道路交叉口。交 叉口根据道路是否在同一平面内相交分为平面交叉及立体交叉【5 1 ，在城市道路网中， 平面交叉口占整个交叉路口的绝大部分，同时平面交叉口的形式决定于道路系统规划、 交通量、交通性质、平面组织、交叉路口用地及其周围建筑的情况。常见的平面交叉 的形式主要有：十字形、x 形、t 形、y 形、复合形等几种，见表2 1 。 表2 1 平面交叉的类型与特点 类型 特点图例 十字形交叉的相交道路互相垂直或近于垂直。这种jl 十字形路口形式简单，交通组织方便，街角建筑易处理， 适用范围广，是最常见的交叉口形式。 厂 x 形交义是相交道路交角小于7 5 度的四路交叉。当 相交的锐角较小时，将形成菱形加长加宽的交通冲 奖 突带，一方面使车辆通过时间较长，另一方面使驾 x 形 驶员视线不畅，对交通极为不利，而且锐角街口的 建筑也难处理，所以设计时尽量使相交的锐角大一 些。 t 形交叉的相交道路是在道路交叉处互相垂直或近 于垂直的三路交叉。这种形式的交叉口视线良好， t 形 厂 行车安全，也是常见的交叉口形式，如北京的t 形 交叉口约占3 0 ，十字形交叉约占7 0 。 y 形交叉是相交道路交角小于7 5 度的三路交义。y v 形交叉与x 形交叉均为斜交路口，其交叉口夹角不 y 形宜过小，角度小于4 5 度时，视线受到限制，行车不 安全，所以，一般夹角宜大于6 0 度，适用于入城道 路。 6 长安大学硕十学位论文 多路交叉是由五条或五条以上道路相交而成的交叉 奖 口，又称为复合型交叉。在城市路网规划中，应尽 复合形 量避免或减少多路交叉，以免造成路网交通组织的 复杂化。 城市道路系统中立体交叉的形式很多，按照其通行方式立体交叉可分为分离式立 体交叉和互通式立体交叉两大类。按跨越方式可分为上跨式立体交叉和下穿式立体交 叉两种，立体交叉的分类见表2 2 。 表2 2 立体交叉的类型与特点 分类形式和特点 闲厂广砀 上跨式立体交叉的主要交叉构筑物高于地面交通设施。 按照通行方 式划分 即 vv 下穿式立体交叉的主要交叉构筑物低于地面交通设施。 ， 按照跨越方 式划分 、叮 一 7 l f 直行 匝造 7 第二章城市平面道路交叉口的类型及控制方法 2 1 2 平面交叉口的通行方向和冲突点 城市中平面交叉口在整个城市道路系统中占有重要地位，本文主要研究的内容是 基于平面交叉口的分析，因而下文中主要是对平面交叉口的通行特点进行研究。 典型的平面交叉口由两条交叉的城市道路所组成，组成了四个方向的入口和四个 方向的出口，在每一个入口道路均有3 个通行方向的，交通参与者在进入平面交叉口 的过程中需要按照行进方向选择合适的路线通行，在通过交叉口后从不同方向流入的 交通流汇合后流出交叉口路段，如下图2 1 所示。 一 - - i p - - ， j t 工 f 一 ， l i 图2 1 典型的道路平面交叉口交通流向 8 长安大学硕士学位论文 交通的不同流向导致了交叉口不同交通需求方向的产生，无论是哪一种平面交叉 口都需要解决不同每一个入口的交通需求，根据入口数的多少可以确定交叉口交通需 求方向的数量。 = 3 n q(21)l 3 n 5 l z ij q 22 n 其中：q l 交叉口需要解决的交通需求方向总量； ( 2 2 ) g ，交7 , t a 汇合的交通流； ，z 相交道路入口数。 由上式看出，在车辆到达、通过平面交叉口时，要产生分流与合流【6 1 。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。车 辆通过冲突点时，有相互挤、碰、撞的可能性，冲突点越多，对交通安全及通行能力 的影响就越大。按交通冲突方式分，冲突点可分为交叉冲突点、合流冲突点和分流冲 突点，后两种通称为交织冲突点，如下图2 2 所示。四路相交的交叉口其冲突点如图 2 3 所示。 b )c ) 图2 2 交通冲突的三种方式 a ) 交叉冲突点，b ) 合流冲突点，c ) 分流冲突点 9 一， 1 f 。- r 姜 | _ i 。 ，- 一 f三纛 图2 3 四路相交的交叉口冲突点 平面交叉1 2 1 交通冲突点的数量随着相交道路数量的增加而急剧增加，冲突点将严 重影响平面交叉口的交通顺畅性和安全性，因此城市道路平面交叉原则上不能有五条 道路以上相交叉。在无信号控制平面交叉路口，若不计入行人流、自行车流的各类冲 突点，则冲突点的数目随着相交道路数急剧增加，如表2 - 3 所示。 表2 3 无信号控制交叉口冲突点数目 交叉形式 交叉点合流点分流点共计 三路交叉 333 9 四路交叉 1 68 83 2 五路交叉 4 91 5 1 57 9 六路交叉1 2 42 42 41 7 2 根据交叉路数的不同，交叉点和合流、分流点的数目为： 0 = i 1 门2 ( ，z 一1 ) ( 刀一2 ) 1 = 2 = n ( n - 2 ) 其中：o 交叉冲突点总数； l 交叉口分流点总数： 1 0 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 111llfl上i itiiiiilli lo耷lllilli 。l 长安大学硕k - 学位论义 交叉1 3 合流点总数； 托相交道路数。 2 2 交叉口的交通t - 7 n 方法 2 2 1 交叉口控制的原则与方式 1 交叉1 3 控制的原则阿1 在我国在我国的城市交通中，这十大原则是交叉口科学交通管理的核心，对于搞 好交叉口的交通管理有着十分重要指导意义。 ( 1 ) 减少冲突点 为了平交路口的交通安全，减少在交叉口车辆运行轨迹的冲突点是根本。其方法 可采用单行线、禁止左转弯( h i 转弯交通量少时) 、在交通拥挤的交叉口排除左右转弯 等。如果是多枝路口，建议城建部门在可能的条件下进行改善。 ( 2 ) 控制相对速度 依照道路交通管理条例，严格控制车辆进入平交路口的速度，可采取在交叉口前 设限速标志或采取其他有关措施。对于右转弯或左转弯应严格控制其合流角，最好不 要超过3 0 度。 ( 3 ) 分离冲突点 当平交路口交通流的交叉运动路径太接近或者重叠时，对交通安全与交通顺畅是 十分不利的，应将冲突点分离，是行驶入员有充分时间来妥善处理。 ( 4 ) 减少冲突区域 平面路口的交叉区域过大也就意味着冲突区域过大，这种情况对交通安全很不利， 应设法减少冲突区域。比如对于过大的平交路口，在路口的某些部分划上禁止车辆进 入的标示线，以限定车辆的通行区域，这是减少冲突区域的有效方法；或在条件许可 的情况下设置一些隔离墩之类，以避免自行车随时猛拐而增大冲突区域。 ( 5 ) 重交通流和公共交通应优先 所谓重交通流就是指在此方向上交通流量较大。遇到这样的交叉口应采用重交通 流优先的原则。其方法可采用在轻交通流方向上设置让路标志的交通控制方式。若采 用交通信号，则在重交通流方向上的绿信号时间应尽量长些。对于公共交通也同样可 采用这样的优先控制方式。 ( 6 ) 转弯路径固定化 平交路口左右转弯车辆的运行路径一般容易发生变化，这时产生冲突的可能性将 增加。为了解决这个问题，最好在路口内施划左转弯和右转弯专用标示线；同时在道 路条件允许时，在路口的入口处设置左右转弯专用车道，使转弯路径固定化。 ( 7 ) 采用灵活的交叉方式 平交路口车辆的交叉运动大致可以用五种方式来完成：1 不用任何控制；2 由交通 民警进行人工控制；3 设置让路交通标志：4 用交通信号控制；5 设置环岛。应根据交 通流的大小来选择上列五种方式中的一种，比如交通量十分小，就可以采用第一种方 法，稍大一点可以采用第二种，依此类推。 ( 8 ) 应避免多种的和复合式的合流与分流运动 多种合流与分流不仅需要驾驶人员更加复杂的判断与决定，还会引起附加的冲突， 因此，应尽量避免。比如在平交邻接处( 一般指至停车线5 0 米的范围内) 设置公共电、 汽车站或允许停车就会造成许多合流与分流运动，因此应严加限制。 ( 9 ) 非均匀交通流的分离 对于机动车和自行车等非均匀交通流应设法进行分离，如划上机动车车道线和自 行车车道线。当横过较宽的街道( 超过1 5 米) 的行人较多时，应在道路中心线处设置 安全岛，使行人有一个安全的暂时停留地点。 ( 1 0 ) 采用最佳信号周期，提高信号灯利用率 在设置定周期自动交通信号机的平交路口，应经常调查路口各个方向的交通流， 根据交通量的大小求出最佳信号周期和绿信比，以提高绿灯利用率，减少车辆在交叉 口的阻滞。 2 交叉口的控制方式 ( 1 ) 让路控制 即不用交通信号而用让路标志和让路交通标示来控制。这是对于交通量十分小的 支路与交通量不太大的干路的交叉口。在这些交叉口，支路上的车辆必须让干路上的 车辆先行，而后再寻找适当的机会通过交叉口或与干路上的车辆合流。另外还要注意 改善交叉口的视距条件，使支路上的车辆在进入交叉口前能看清干路上的车辆队列， 根据干路上车辆队列中车辆之间的间隙大小来确定支路车辆通过交叉口的时间。这种 让路控制方法对自行车甚至行人同样适用。 ( 2 ) 停车让路控制 1 2 长安大学硕l ：学位论文 即不同交通信号而用让路交通标志和停车让路标示来控制。这是指对于交通量不 大的支路与交通量大的干路的交叉口。在这种交叉口，支路上的车辆必须停车让干路 上的车辆通行，而后再寻找适当的机会通过交叉口或与干路上的车辆合流。采用停车 让路控制的交叉口有三个独立的条件：一是支路上的交通量大大低于干路上的交通量： 二是从支路上的车辆来看，视距不是太充分，视野不是太好；三是干路上的交通流复 杂，或是车道多，或是转弯车辆多。满足上述任何一个条件的交叉口都可以采用停车 让路的控制方法。 ( 3 ) 交通信号控制 它适用于交通量大的两条相交道路的交叉口。孤立交叉口的信号控制可分为三类： 第一类是定周期控制，第二类是车辆感应式控制，第三类是人工控制。 ( 4 ) 信号加人工控制 即交通信号再加上交通民警辅助手势。这种控制方式适用于交通量很大而且交通 冲突较严重的交叉口，在这些交叉口往往左转弯车辆较多，交通流复杂，机动车流、 自行车流、行人常交织在一起，造成交叉口的阻塞。很显然，在这样的交叉口仅靠交 通信号机来控制是不够的，辅之于交通民警指挥将对排除路口内的冲突、保障交叉口 的通畅起到不容忽视的作用。在我国的城市中，由于国情所致，具有大量的自行车和 行人流量，交叉口内的冲突严重，也很混乱；加之人们遵守交通法规的自觉性还有待 提高等诸多因素，因此现在大多数交叉口还是在这种方式的控制下，尤其是在交通高 峰期内。 2 2 2 交通信号灯的设置依据 城市交通信号控制的目的有：减少交通事故，增加交通安全；缓和交通拥挤，提 高交通效益；提高公共效益，减少交通负荷；降低污染程度，节省能源消耗等。交通 控制的主要任务是通过对交通流的调节、警告和引导以达到改善人和货物的安全运输， 防止或缓和交通拥挤、减少能源消耗，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量， 更好地利用现有运输能力，及时为车辆上的有关人员及行人提供交通状况信息，实现 交通流的安全性、快速性和舒适性【8 】。 设置信号灯的目的是使交通能安全和畅通。但信号灯设置不当，反而会造成车辆 延误与交通事故的增加，因此有必要在装灯之前进行必要的论证。 1 日本设置信号灯的标准 1 3 第二章城市平面道路交叉口的类型及控制方法 ( 1 ) 以控制机动车为目的，在交叉口设置信号灯时，要求白天1 2 小时( 7 ：0 0 1 9 ： 0 0 ) 交叉口总交通量在9 0 0 0 辆以上，并且高峰小时交叉口总交通量在1 0 0 0 辆以上。 ( 2 ) 为保护行人，在非交叉口设置信号灯时，白天1 2 小时路上通过车辆的总数 在6 0 0 0 辆以上，并且高峰小时为6 5 0 辆以上；人行横道处行人流量高峰小时在2 0 0 人以上。 ( 3 ) 需同时考虑车辆和行人时，则要根据交通量、事故纪录等综合考虑后确定。 2 美国设置信号灯的标准 ( 1 ) 考虑交叉口上的冲突，当主要道路第八小时交通量( 就是一天2 4 个小时交 通量从大到小排在第八位的那个小时交通量) 达6 0 0 辆，且次要道路达到2 0 0 辆。 ( 2 ) 考虑主干道流量大，当主要道路第八小时交通量达9 0 0 辆，且次要道路达 1 0 0 辆时。 ( 3 ) 考虑行人需要，当主要道路第八小时交通量达6 0 0 辆，且次要道路达1 5 0 辆时。 ( 4 ) 考虑事故纪录，如年平均人身伤害事故在5 次以上，前述三指标的任一项达 8 0 时。 ( 5 ) 前三项指标中有两个达到8 0 时。 3 英国设置信号灯的标准 ( 1 ) 交叉口第四小时交通量达5 0 0 辆，且次要道路流量达1 5 0 辆时。 ( 2 ) 交叉口第四小时交通量达1 2 0 0 辆，且次要道路流量达1 0 0 辆时。 ( 3 ) p v 2 1 0 6 时，p 、v 分别为交叉口第四小时的行人和机动车数。 ( 4 ) 每年发生人身伤害事故5 次以上时。 ( 5 ) 上述任意两项指标同时达到8 0 时。 4 我国交通法规及信号灯设置标准 我国己于2 0 0 4 年开始实施中华人民共和国道路交通管理法，制定了对“人、 车、路、环境”四者的管理规则。它以法制的形式和正确应用法律的权威来维护基本 的交通秩序，保障交通安全、舒适和畅通。当前我国城市道路增长的有限性与车辆增 加近似无限这对矛盾导致城市交通拥挤的根本原因，为适应交通量猛增的趋势，缓解 道路拥挤状况，国内许多城市采取延长道路、加宽路面、建高架路( 立交桥) 等措施， 收效虽明显，但却是有限的。必须从供求两个方面采取措施来解决城市交通问题，不 仅要迸一步加强交通基础设施的建设，而且要最大限度的提高现有路网的利用效率， 1 4 长安大学硕r 上学位论文 同时加强对交通需求的管理，加强对城市道路网的智能管理与优化控制。 新颁布的中华人民共和国道路交通管理法规定如下： 指挥灯信号： 绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的 行人通行； 黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但己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： 红灯亮时，不准车辆、行人通行； 绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行； 黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行：右转弯的车辆和t 形路口 右边无横道的直行车辆，遇有前款项规定时，在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情 况下，可以通行。前两款规定亦适用于列队行走和赶、骑牲畜的人员。 对人行横道信号灯有如下规定： 绿灯亮时，准许行人通过人行横道； 绿灯闪烁时，不准行入进入人行横道，但己进入人行横道的，可以继续通行： 红灯亮时，不准行人进入人行横道。 各种信号灯的装置次序也有统一的规定，便于驾驶员分辨。次序安排的原则是重 要的灯色放在重要的位置，信号灯的次序安排分竖式和横式两种。 ( 1 ) 竖式 普通信号灯的次序：国际规定，自上而下为红、黄、绿灯； 带有箭头灯式，安排次序为：自上而下，一般为红、黄、绿、直行箭头、左转箭 头、右转箭头灯，中间可省掉不必要的箭头灯。当同时装有直、左、右三个箭头灯时， 可省掉普通绿灯。 ( 2 ) 横式 普通信号灯的次序，国际规定，自外向里为红、黄、绿灯； 带有箭头灯时，安排次序如下：自外向里，一般为红、黄、左箭头、直箭头、右 箭头灯：或红、黄、左箭头、绿灯；或红、黄、绿、右箭头灯。 5 交叉口信号控制系统的发展历程 在今天，各个道口上的信号灯已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段，但 这一技术在1 9 世纪就已出现了。 15 1 8 5 8 年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式 信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1 8 6 8 年，英国机械工程 师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气信号 灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1 8 6 9 年1 月2 日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1 9 1 4 年，电气启动的信号灯出 现在美国。这种信号灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5 号大街的一 座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。它们采用电力发光，与现代意义 上的交通灯已经相差无几了。这标志着道路交通控制技术发展的开始。1 9 1 8 年，又出 现了带控制的信号灯和红外线信号灯。带控制的信号灯，一种是把压力探测器安在地 下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动信号灯，司机遇红灯时按 一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线信号灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就 能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行， 以免发生交通事故【引。 信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力， 减少交通事故有明显效果。1 9 6 8 年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种 信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转 弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶 的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉 路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已 十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。此后，这一规定在全世界开始 通用。 在近百年的发展中，道路交通控制系统经历了手动控制到自动控制、无感应控制 到感应控制、单点控制到干线控制再到区域控制的过程。1 9 6 3 年，加拿大多伦多建立 了一套由i b m 6 5 0 型计算机控制的交通信号协调控制系统【9 1 ，这是道路交通控制技术 发展的里程碑。该系统第一次把计算机技术用于交通控制，大大提高了控制系统的性 能和水平。在此之后，美国、英国、澳大利亚、法国、日本等国家相继建成以计算机 为核心的区域交通控制系统。交通控制系统的发展过程可用表2 4 表示。 1 6 长安火学硕士学位论文 表2 4 交通控制系统的发展过程n 0 1 3 2 2 3 信号灯控制的基本内容 一般来说，在交通控制中至少有3 个基本参数是可以由信号机直接控制的，这就 是周期c 、绿信比五和相位差，除此之外，某些信号机还能对相位数进行控制，如 从2 相位变成4 相位或相反掣1 2 1 。 ( 1 ) 步与步长 考虑如图2 1 所示的灯孔路口。每个方向上最多有8 种灯色：红、黄、绿、左转 1 7 箭头、直行箭头、右转箭头、人行红、人行绿。当进行信号控制时，这些灯色中的某 些将被点亮。某一时刻，灯控路口各个方向各信号灯状态所组成的一组确定的灯色状 态称为步，不同的灯色状态控制不同的步。步持续的时间称为步长。一般来说，步长 的变化单位为 1 s ，因此，其最小值为1 s 。 ( 2 ) 信号相位 信号相位是指交通节点单元在某个方向上的交通流( 或几个方向上的交通流的组 合) 同时得到的通行权的时间带。对于一个节点单元，根据实际情况可以设计两相位、 三相位、四相位、五相位和八相位。 ( 3 ) 饱和度 饱和度也称流量比，是指在相位i 时，实际进入进口道，的交通流量钐与进口道_ ， 的饱和流量五，的比值称为该进道口的饱和度蛳。每一个相位f 所控制的交通节点各进 口车道饱和度的最大值为相位f 的饱和度船。而交通节点所有相位的饱和度x i 之和称 为该节点单元的饱和度x 。拗、x i 、x 的数学描述分别如下： x t i = 兄f(2xti q o 2 5 ) = 九fl ) j 肛m ，a x 砌) ( 2 6 ) x ：y x i( 2 7 ) j ，一 ( 4 ) 信号周期 对交通控制而言，信号灯从起始相位到终止相位所经历的时间称为一个信号周期。 用丁表示，通常用如下式子来表示： t ：y t i( 2 8 ) j r 一 式中，t i 表示第i 相位所分配的时间。 ( 5 ) 绿信比 对交通控制而言，绿信比是指一个相位的有效绿灯时长与周期之长的比值，用口 表示，表达式如下： ：一tigj ( 2 9 ) 2 一t ( 2 9 ) 式中符号意义同前。 ( 6 ) 相位差 1r 长安大学硕：卜学位论文 相位差是交通干线协调控制系统中的一个重要概念，用p 表示，相位差分为绝对 相位差和相对相位差两种。 在个交通干线协调控制系统中，干线上所有节点的信号周期相同，各节点规定 某一相位参加协调，称为协调相位。把干线上某一节点作为基准节点，其他各节点的 协调相位起始时刻滞后于基准节点的协调相位起始时刻的最小时间差，称为绝对相位 差：沿车辆行驶方向任意相邻节点的协调相位起始时刻的最小时间差，称为相对相位 差。 除了上述3 个控制参数外，还有一些与交通信号控制有关的概念： ( 1 ) 交通流量 交通流量是单位时间内通过某一位置的车辆数，用g 表示，单位为辆d , 时。一般 来说，交通流量是车辆和时间的函数，可表示为q ( v ，f ) 。 ( 2 ) 交通密度 交通密度为每车道单位长度道路上拥有的车辆数，用k 表示，单位是辆千米。一 般说来，交通密度是车辆和位置的函数，可表示为k ( v ，) 。 ( 3 ) 车流速度 车流速度指区间平均速度，即在某一瞬间行驶于道路某一特定长度内的全部车辆 的车速分布的平均值，用1 ，表示。在交通流理论中，交通流量g 、交通密度k 、行车速 度v 三者之间的基本关系为： q = k v ( 2 1 0 ) ( 4 ) 自由行车速度 自由行车速度是指车流密度趋于零时车辆可以畅行无阻的行驶的速度。 ( 5 ) 占有率( 车辆占有率) 占有率是指一路段车辆占用的道路长度的总和与路段长度之比。由于难以测量， 通常用时间占有率代之，即在一个周期时间内车辆通过车辆监测器而得到的脉冲信号 宽度的总和与周期时长之比用0 表示。 。= 莓鲁 ( 2 1 1 ) 其中，t ，为第f 辆车通过车辆检测器的脉冲宽带，c 为周期时长。 1 9 第二章城市i f 面道路交叉口的类型及控制方法 ( 6 ) 进口道饱和流量 进口道饱和流量是指在一次连续的绿灯时间内，交叉口进口车道上车队能够连续 通过停车线的折算为当量的最多车辆数，单位是p c u s ，用s 表示。 饱和流量随交叉口几何因素、渠化方式及各流向冲突等情况而异，比较复杂，因 此应尽量采用实测数据，实在无法取得实测数据时，如新建交叉口设计时，才根据经 验考虑估算方法。 ( 7 ) 流量比y 流量比又称饱和度，是进口道实际到达流量与饱和流量之比。车道流量比即为进 口道上各条车道的到达流量g 同该车道饱和流量s 之比。即： y = q s ( 2 1 2 ) ( 8 ) 信号控制交叉口的通行能力 在信号控制交叉口，车辆只能在有效绿灯时间内通过停车线，因此信号控制交叉 口一侧进口道上的通行能力c o , 为： c o , = s g c c = s 名 ( 2 1 3 ) 其中兄为绿信比，即有效时间与周期时长c 之比。 一般来说，交通信号控制的目的是要使单个交叉口或交通网络获得良好的交通效 益。评价交通效益的指标有：通行能力、排队长度、延误时间、停车次数、停车率、 油耗、行程时间等。目前，常用的交通效益指标是延误时间、排队长度、通行能力等。 交通信号控制的评价函数可以由设计者根据需要进行选择【1 3 】。 2 3 错位交叉口的类型及特征分析 2 3 1 错位交叉口的类型 城市错位交叉口是一种特殊的平面交叉口，它是由两个或三个有一定间距的t 型 交叉口组成的一种交叉口，在我国的城市道路交通规划中出于通一j 酏f j c 力的考虑不提倡 设置错位交叉口，城市道路交通规划设计规范( g b5 0 2 2 0 9 5 ) 第7 2 1 3 中规定：“应 避免设置错位的t 字形路口”，城市道路设计规范( c j j3 7 9 0 ) 第6 1 1 条规定：城市 道路相交时“不宜采用错位交叉”，但错位交叉口还是由于各种因素存在于我们的城市 2 0 长安大学硕- i j 学位论文 道路体系中，典型的错位交叉口有两种形式： ，j l 一j l 厂一 图2 4 右错位交叉口 1 图2 5 左错位交叉e l 目前，对错位交叉口的管理一般有两种方式：一是通过道路及交叉口的改造，使 之成为一个规则的十字交叉口；二是根据交叉口的几何情况及交通状况，对交叉口迸 行优化设计。交叉口的改善耗费大量人力、财力，且对道路空间的要求很大，一般难 于实施；信号优化设计简便易行，可最大限度地利用现有的资源，实现错位交叉口交 通信号的合理控制。如设计得当，能有效提高交叉口的通行能力和服务水平。 2 3 2 城市错位交叉口特征分析 同普通平面交叉口相比，错位交叉口的特点是一般由位于城市主干道上与两个不 相交的支路组成，主干道与支路形成两t 形交叉口，其间距在1 0 0 5 0 0 m 之间，干道 交通量大，且双向交通量基本均衡。由于城市中的干道通常具有沉重的交通负荷，若 对城市主干道上的错位交叉口进行道路系统改造，如修建立交，则因交叉口间距太短 而使立交间的交织段长度不能满足车辆行驶的要求，同时改造投资也较大，故难以实 施改造方案口。如何最大限度地利用现有的资源，对于实现城市错位交叉口交通信号 的合理控制和保障城市道路的交通畅通有着重要意义。 在错位交叉口的干道上，如果信号灯设置不合理则可能造成通过该区间车辆出现 较大停车延误。城市道路错位交叉口的两端分别为“t 形 交叉口，这两个独立的交 叉口自然符合三向相交道路的交通特征：每个进口道路的交通只有两个方向，出口交 通均为两个方向的汇合交通，各方向交通只需通过一个信号交叉v i 。因而错位交叉口 具有以下特征： ( 1 ) 道路特征 形成年代早，一部分错位交叉口是由于历史因素( 军事目的等) 而专门设置的， 另一部分则是因为在早先的城市道路建设中缺少统一的规划，由于城市土地开发时间 前后的差异、地块分割而形成的； 交叉口的工程改造耗费巨大，且对道路空间的要求很大，一般难于实施； 2 1 第= 章城市平面道路交叉u 的类型厦控制方法 一般由一个主路和两个次路交汇而成主路交通量大，且双向交通量基本均衡： 两端的两个交叉口为“t 形”形成两个“龙头”，交叉口之间的连接段，形成“咽 喉”。 ( 2 ) 断面结构特征 城市道路横断面有四种基本形式：一块板、两块板、三块板和四块板“】。在早期 城市道路规划设计的过程中，由于交通量较小和城市规划人员对先进交通政策、交通 方式的认识与贯彻缺乏一定的前瞻性”】，同时也源于t 型交叉1 2 的道路多为支路，因 此在对道路横断面设计中多采取一块板和两块板的横断面结构形式( 见图2 6 和图 27 ) 。这种设计方案容易造成机非混行现象出现从而加剧交通的堵塞，使改造道路工 作难以开展，在进行交通控制的过程中，设计人员不得不采取交通信号优化的方法改 善错位交叉口的交通通行能力。 图2 6 一块扳的道路横断面 图27 两块板的道路横断面 国内很多城市在实践中发现，交叉口采用渠化车道拓宽的横断面形式，道路通行 能力可以提高2 0 3 0 以上【i ”。在一块板和两块板道路条件限制下错位交叉口附近 道路普遍存在车道数不足、车道宽度狭窄、车道功能不合理等主要问题，囡此采取交 通控制信号优化工作以提高错位交叉口的通行能力成了当前急需解决的问题。本文在 后面的章节中也是主要针对这两种横断面结构的错位交叉口进行研究，对于那些少量 三块板甚至四块板结构横断面道路的错位交叉口，由于多数为保障主干道的交通通行 长安大学硕十学位论文 不再设置t 型交叉口的信号灯，本文在此没有对它们深入讨论。 ( 3 ) 交通特征 机动车决定路口交通组织：每个路口机动车的进出口方向只有两个，部分交通仍 然只需通过一个信号交叉口，但大部分转向交通通过一个路口在连接段汇合后又通过 另一个信号交叉口，且少部分转向交通在通过两个交叉口时均为左转。 两条相交道路的等级决定交通次序：若其一为城市主干道或次干道，另一个为城 市小支路，在交通组织时有侧重点，可采取主路优先的原则：若两条道路的等级均比 较重要，都为城市主干道或次干道，此时两条道路的通行权是相等的。 自行车和行人不易忽视：由于自行车和行人均为双侧设置，其过街速度较慢，如 正常情况下行人步行速度为6 0 - - - 8 0 m m i n ，较拥挤时就降到3 0 - 4 0 m m i n ，另外自 行车及行人目的地均不确定，在通过路口时处于“弱势 ，如处理不当，容易成为交通 事故的受害者。 “咽喉”部位的长短左右路口的交通管理：一般说来，若交点间距过短，车辆通 过两个路口的时间自然较短，连接段设置人行通道的条件不是很充分，增加了路口内 侧行人过街的绕行距离。 车流交织特性：次路进入交叉口的车辆若要再一次转弯就必须在交叉口之间的路 段进行交织，车流通过行车道变换完成交织运行，交织段长度限制驾驶员必须在一定 的时间和空间范围内完成车道变换。 2 3 3 错位交叉口的交通现状 错位交叉口同城市平面道路交叉口一样，每个入口均有3 个方向的交通通行需求， 但由于错位交叉现象的存在，出行者需要不同程度延长通行过程，尤其是在次路方向， 如图2 8 所示，虚线段为通行延长路线，这种现象增加了在交叉路段的行程，降低了 通行的速度。另外，交叉区域内受到地理和空间的限制，人行天桥和地下通道比较少， 因此，在转向延长路线中出行者容易受到其他车