（道路与铁道工程专业论文）两相位信号交叉口半感应控制算法研究.pdf

独创性声明 幽j 删 y 1 | 7 u 1 1 8 lilll8j i l f l 8 i l f l l15iiii1 1 4 i i l u l 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：五! ! ：堇：z r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名：二蒸蝉日期：2 竺巫 摘要 摘要 在国内许多中小城市的两相位信号交叉口，尤其是主次路相交路口，机动车 到达波动性比较大，而行人自行车量比较大，如果采用定时信号控制，会对部分 绿灯时间造成浪费，降低了整个交叉口的绿灯利用效率；如果采用半感应控制， 大量行人自行车对左转弯车辆的影响非常严重，部分左转车不能在绿灯时间内正 常通过交叉口。而当前的感应控制算法已不能适应当前的需求，因此，结合行人 自行车对左转车的影响，研究半感应控制算法非常具有必要性。 本文在对国内外半感应控制及可接受间隙理论方面的研究成果进行总结的 基础上，确定了本论文研究的内容。结合当前国内交叉口的现状，利用摄像法和 人工观测法，对两相位信号交叉口的数据进行采集，通过分析左转车与行人自行 车群的冲突特性，提出了行人自行车群以及左转车穿越行人自行车群的临界间隙 定义，对间隙的类型进行分类，并提出了投影间隙理论方法，制定了间隙观测的 标准。并利用s i m i 视频分析软件，按照制定的观测标准进行统计，获取拒绝间 隙与可接受间隙，利用r a f f 图解法求解i f ； i 界间隙，通过对统计的可接受间隙数 据计算得出平均可接受间隙值。 根据左转车的到达与离去平衡的基本原理，结合h c m 中的初始绿灯时间服 务模型思路，对半感应控制算法中的初始绿灯时间模型进行建模。利用怀柔区富 乐大街与迎宾路为试验路口进行间隙数据分析，用该模型计算感应信号配时方 案，进行现场试验，并以信号交叉口信号控制延误与相应交叉口服务水平为评价 指标，对提出的初始绿灯时间模型进行验证分析。 关键词两相位；信号交叉口；半感应：控制算法 北京工q p 大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt w o p h a s es i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n so fm a n yd o m e s t i cm e d i a nc i t i e s ，e s p e c i a l l y i nm a j o rr o a d & m i n o rr o a di n t e r s e c t i o n s ，t h ea r r i v a l so fv e h i c l e sa r eu n s t a b l e ，a n d m a n yp e d e s t r i a n - b i c y c l eg r o u p se x i s t i ft h ep r e t i m e ds i g n a lc o n t r o lm o d ei ss e l e c t e d ， p a r t l yg r e e nt i m ew i l lb ew a s t e d ，a n dg r e e nt i m ee f f i c i e n c yo fw h o l ei n t e r s e c t i o nw i l l d e c r e a s eal o ta l s o i fa c t u a t e ds i g n a lc o n t r o lm o d ei ss e l e c t e d ，l e f t t u r nv e h i c l e sa r e a f f e c t e dh e a v i l yb yt h ep e d e s t r i a n b i c y c l eg r o u p sw h e nc r o s s i n gt h ec r o s s w a l k , e v e n p a r tl e f t - t u r nv e h i c l e sc a nn o tp a s st h r o u g ht h ei n t e r s e c t i o nn o r m a l l y c u r r e n ta c t u a t e d c o n t r o la l g o r i t h mi sn o tf i tt ot h es i g n a lc o n t r o ld e m a n d ，s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e s e m i a c t u a t e ds i g n a lc o n t r o la l g o r i t h m t h i sp a p e rd e t e r m i n e st h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e r , b a s e do nt h es u m m a r y o ft h er e s e a r c hf r u i ta b o u ta c t u a t e ds i g n a lc o n t r o la n dg a p a c c e p t a n c et h e o r y t h e n c o n s i d e r i n g t h ec u r r e n tc o n d i t i o n ，d a t ai sc o l l e c t e di n t w o - p h a s es i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n sb yu s i n gt h ev i d e oa n da r t i f i c i a lo b s e r v a t i o nm e t h o d ，t h ed e f i n i t i o n so f “p e d e s t r i a n b i c y c l eg r o u p a n d “l e f t t u mc r i t i c a lg a pt oc r o s sp e d e s t r i a n b i c y c l e g r o u p ”a r ed e f i n e d ，t h ec o n f l i c t c h a r a c t e r i s t i co fl e f t - t u r nv e h i c l e w i t h p e d e s t r i a n - b i c y c l eg r o u p i s a n a l y z e d ，t h eg a pt y p e sa r ec l a s s i f i e d ，t h e “g a p - p r o j e c t i o nt h e o r y ”m e t h o di sp r o p o s e d ，a n dg a po b s e r v a t i o ns t a n d a r di sd e t e r m i n e d r e j e c t e dg a pa n da c c e p t e dg a pa r eo b t a i n e db yu s i n gt h es i m iv i d e os o f t w a r eu n d e r t h ed e t e r m i n e dg a po b s e r v a t i o ns t a n d a r d ，a v e r a g ea c c e p t e dg a pa n dc r i t i c a lg a pi s c o m p u t e dw i t hr a f fm e t h o d a c c o r d i n gt ot h eb a l a n c ep r i n c i p l eo ft h el e f t - t u r nv e h i c l e sa r r i v i n ga n dd e p a r t i n g ， t h en e wm i n i m u m g r e e ni n t e r v a la l g o r i t h mm o d e li sb u i l tb yc o m b i n i n gw i t ht h ei d e a s o fq u e u es e r v i c et i m em o d e lw h i c hm e n t i o n e di nh c m 2 0 0 0 t h i sp a p e rd o e s g a p - a c c e p t a n c es t u d yw i t hc o l l e c t e dd a t ai nf u l es t r e e t & y i n g b i nr o a do fh u a k o u d i s t r i c ti n b e i j i n g ，s e m i a c t u a t e ds i g n a lt i m i n gp l a ni sc o m p u t e dw i t ht h en e w a l g o r i t h mm o d e l ，a n di sv a l i d a t e dw i t hi n d e xo ft h ec o n t r o ld e l a ya n dl e v e lo fs e r v i c e ( l o s ) i ni n t e r s e c t i o n k e y w o r d st w o - p h a s e ；s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ；s e m i - a c t u a t e d ；s i g n a la l g o r i t h m 一 几录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第1 章绪论1 1 1 研究背景l 1 3 研究思路和技术路线3 1 4 国内外研究现状5 1 4 1 国内研究现状5 1 4 2 国外研究现状6 1 4 3 现状研究存在问题9 1 5 研究内容和结论9 第2 章感应信号控制基础1 l 2 1 感应控制工作原理l l 2 2 感应控制的基本参数1 2 2 3 1 初始绿灯时间，1 2 2 3 2 单位绿灯延长时间1 3 2 3 3 最大绿灯时间1 4 2 3 车辆检测器1 5 2 3 1 环形线圈检测器1 5 2 3 2 超声波检测器1 6 2 3 3 视频图像检测器1 6 2 3 4 地磁检测器1 7 2 3 5 微波雷达检测器1 7 2 3 6 光辐射车辆检测器1 7 2 4 感应控制类型与特点1 7 2 4 1 感应控制类型1 7 2 4 2 感应控制特点1 9 2 5 本论文控制算法流程2 2 2 6 本章小结2 3 第3 章行人自行车与左转车冲突特性及间隙分析2 5 3 1 数据采集2 5 3 1 1 调查设备2 5 3 1 2 调查时间与地点2 5 3 1 3 调查内容2 6 3 1 4 调查方法2 6 3 1 5 调查实施步骤2 7 3 1 6 调查注意事项2 7 3 2 行人自行车与左转车的过街特性分析2 8 3 2 1 行人自行车的过街行为特性2 8 3 2 2 左转车过街行为特性分析3 0 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 3 行人自行车与左转车冲突特性分析3 l 3 3 基于行人自行车群的间隙定义与分类3 5 3 3 1 间隙定义3 5 3 3 2 间隙分类3 6 3 4 投影间隙理论方法3 7 3 5 间隙观测标准3 9 3 6r a f f 方法4 6 3 7 间隙数据分析4 7 3 7 1 怀柔区青春路一府前街4 8 3 7 2 朝阳区武圣路一松榆北路4 9 3 7 3 朝阳区潘家园路与劲松中街5 0 3 7 4 间隙小结5 0 3 8 本章小结5 l 第4 章基于间隙理论的半感应初始绿灯时间模型5 3 4 1 模型研究限定条件5 3 4 2 建模思路与原理5 3 4 3 模型建立5 4 4 4 模型评价指标5 6 4 4 1 信号控制延误5 6 4 4 2 服务水平5 8 4 5 模型验证5 8 4 5 1 数据采集5 8 4 5 2 现场优化试验方案6 0 4 5 3 仿真试验方案6 6 4 5 4 试验小结6 9 4 6 本章小结7 0 结论7 l 1 主要研究成果7 l 2 论文展望7 l 参考文献7 3 附录7 5 攻读硕士学位期间发表学术论文7 7 致谢7 8 j 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 交通信号控制对维持正常的交通秩序，保障交通安全和提高通行效率能够起 到重要作用。目前，国内的一些大城市的交通控制系统已经发展到一定水平，交 通问题也得到了一定程度上的改善，但是许多中小城市的交通仍然存在亟待解决 的严重问题。 对于国内许多r f l 小城市信号交叉口，尤其是主次路交叉口，次干路的车辆到 达波动性比较大，采用定时信号控制对部分绿灯时间造成浪费，降低了整个交叉 口的绿灯利用效率。因此，可以选择采用半感应控制来取代定时信号控制，以改 善部分绿灯时间浪费的问题，提高交叉口的控制效率。但是，我国的具有特色的 行人白行车混合流对机动车的影响，是实施半感应控制的一大难题。 庞大的行人自行车流组成了具有中国特色的非机动车道混合交通流。混合交 通条件下的信号交叉口是不同流向的机动车流、臼行车流和行人流的交汇点，行 人臼行车混合流通过信号交叉口的特征非常明显【l 】。根据中华人民共和国道路 交通安全法第4 7 条规定：“机动车行经人行横道时，应当减速行驶：遇行人正 在通过人行横道时，应当停车让行。机动车行经没有交通信号的道路时，遇行人 横过道路，应当避让” 2 1 ，信号交叉口的机动车尤其是转弯机动车要避让行人自 行车群通过。对于国内的两相位控制的信号交叉口来说，机非干扰严重影响交叉 口的交通运行，造成交叉口秩序混乱，给车辆的运行造成很大延误，国外以机动 车为主的交通控制系统不能完全适应我国的交通状况。在两相位控制下的信号交 叉口中，无论是十字型交叉口还是t 型交叉口，左转车都会受到与其同相位放行 的行人自行车群的横向干扰，尤其是t 型交叉口特别明显。如在十字型交叉口， 左转车是许可型左转，在等待对向直行车之后，还要与同相位放行的行人自行车 群发生冲突，而t 型交叉口，则是左转车直接与行人自行车群发生冲突，如图 l 1 a ，1 1 b 所示。由于过街的行人白行车流量较大，两相位下的左转车冈让行过 街的行人自行车群而浪费了一部分绿灯时间，以至于不能在有效的绿灯时间内通 过交叉口。这使得信号配时方案不能满足左转车通过交叉口的需求而降低了控制 效率。因此，对于机动车波动性大而行人自行车混合流较大的交叉口而言，要使 用感应控制对交叉口进行控制时，迫切需要对已有的感应算法结合行人自行车混 合流的横向干扰进行研究，使感应控制系统更能适应并满足当前的交通需求。 圜 露 园 争 对 l 豳自匡 。如 豳 薹 “ 国国 ：二萤 圆圆 =、 圆圆皇 c = = 曲 苣 幽 ， l 行横道 露 园 园 争 次路 a 十字型交叉口 af o u rl a g si n t e r s e c t i o n 行人自行车群 主路 红芦牛 岛 一三r 一 一一罩鼠 国圆 回国孽 圆圆 圆圆巨 曲e曲 。行横道 露 圆f1r 囡 圆 争 直行车 次路 bt 型交叉口 ， bt h r e el a g si n t e r s e c t i o n 图1 - 1 信号交叉口左转车穿越行人白行车群 f i g u r e ! - 1l e f tv e h i c l e sc r o s sp e d e s t r i a n b i c y c l eg r o u p si ns i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n 本论文依托北京市教委科技创新平台一城市区域智能交通控制系统和北 京新城( 怀柔) 智能交通管理示范工程，通过对两相位信号控制交叉口的数据 采集分析，对穿越行人自行车群的左转车的临界间隙以及半感应控制初始绿灯时 间的计算方法进行研究。 1 2 研究目的和意义 本文在借鉴国外半感应控制算法研究成果的基础上，针对国内中小城市两相 位信号交叉口行人白行车混合流及左转车的交通特点，结合同相位放行的行人白 第l 章绪论 行车混合流对左转车的影响，对同相位放行的行人自行车提供给左转车的临界穿 越间隙进行研究。结合左转车的临界间隙成果，根据进口道左转排队车辆的疏散 情况对半感应控制算法的初始绿灯时间的计算方法进行研究。从而使半感应控制 算法更符合国内交通的特点，提高交叉口的运行效率，改善交叉口的交通状况， 以达到新算法对交叉口控制效率提高的r 的。 同前在国内外感应控制算法研究中，尚未结合行人自行车对左转车的影响对 半感应控制算法进行研究。当前国内两相位信号控制条件下，左转车与同相位过 街行人自行车混合流发生的冲突关系。冈此，对于两相位控制交叉口，实行半感 应控制算法研究时，若不考虑同相位行人自行车群对左转车影响，势必会造成半 感应控制算法与实际情况相脱节，增加机动车延误，影响交叉口的运行效率，甚 至在计算的初始绿灯时间内不能保证所有的排队左转车辆完全通过交叉口，因此 研究左转车对半感应控制算法影响具有必要性。通过结合行人自行车群对左转车 的横向干扰影响对半感应控制算法进行研究，更能适应国内受行人白行车混合特 性影响的两相位信号交叉口的半感应控制的特点。从而为两相位信号交叉口实施 半感应控制提供行之有效的信号配时算法，为提高两相位交叉口的控制效率提供 可靠依据。 l - 3 研究思路和技术路线 本论文通过对中小城市信号交叉口行人白行车混合流、左转车过街特性分 析，以及行人臼行车混合流对左转车的干扰影响分析，在美国h c m 2 0 0 0 中感应 控制的排队服务时间模型的思想基础上，结合与左转车同相位放行的行人白行车 混合流对左转车的横向干扰影响，从行人自行车提供给左转车的临界穿越间隙研 究的角度出发，研究受行人自行车干扰因素影响的半感应控制算法，以适应国内 受行人自行车混合特性影响的两相位信号交叉口的半感应控制的特点。 首先，根据论文数据的需要，制定缜密的数据的采集方案。确定采集时间、 采集内容、采集方法、采集的人员安排等。数据采集内容要包括左转车与人行横 道上行人自行车群冲突特性数据、交叉口的路口几何尺寸、车头时距、流量、延 误等。 其次，结合采集的数据，采用数理统计的方法进行分析处理，对行人自行车、 左转车过街特性以及行人自行车混合流提供给左转车的可穿插问隙进行研究，结 合r a f f 方法获取左转车平均可接受间隙值与左转车临界间隙值。 第三，在美国h c mr f l 的感应控制绿灯排队服务时间模型的思想基础上，结 合国内尤为突出的行人自行车对左转车的显著影响特点，从行人自行车群提供给 左转车的i 界间隙的角度，研究两相位交叉口中与左转车同相位的行人自行车群 北京工业大学工学硕士掌位论文 对左转车影响下的半感应控制算法。以t 型交叉口为标准，根据进口道排队左转 车辆数的到达与离去平衡原理，把同相位的行人和自行车对左转车的影响考虑到 配时中去，对初始绿灯时间计算方法进行建模，以保证半感应控制下在初始绿灯 时间内能使红灯期间排队的左转车辆全部通过交叉口。 最后，利用初始绿灯时问计算方法，结合单位绿灯延长时问、最大绿灯时问， 制定半感应控制信号配时方案，然后将配时方案下发到交叉口进行现场试验，同 时调查交叉口的延误、流量等，对新算法进行验证，并同现状的定周期控制方案、 h c m 方法的半感应控制方案进行对比分析。 研究方法具体如下： ( 1 ) 采用视频的方法进行数据采集； ( 2 ) 乖j j 用数理统计分析的方法对数据进行处理： ( 3 ) f | = f j 用理论推导的方法建立关系模型； ( 4 ) 采用现场调试与仿真的方法进行验证。 冒 国 圈 l 一j 图1 - 2 研究技术路线图 f i g u r el 2t e c h n o l o g yr o a d m a p 第l 章绪论 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国内研究现状 1 9 9 7 年中国人民警察大学翟润平等提出了利用绿灯有效利用率来调节绿灯 时问长短的感应控制方式【3 1 。 1 9 9 8 年巾国人民公安大学翟润平又对感应控制的配时设计方法进行研列钔。 1 9 9 9 年长沙铁道学院邹毅峰等运用跟驰理论和流体力学模拟理论，提出了车 辆感应嚣道口的信号机最短绿灯时间的计算方法【5 】o 2 0 0 1 年中国人民公安大学周彤梅对感应控制进行优化设计研究【6 】。 2 0 0 1 年北京交通大学李新建等对混合交通影响下的通行能力进行研究n 2 0 0 2 年中南大学袁春华等通过对交叉口冲突点交通运行状况分析，利用可接 受间隙理论，提出了信号周期的计算方法，更符合实时变化的特点，为交叉口交 通信号感应式控制的配时奠定基础【引。 2 0 0 2 年五邑大学刘焕成等结合车辆感应控制的原理和应用特点，设计及研制 了一种新型实用的车辆感应式交通控制系统，并对系统的软、硬件技术作了详细 的讨论l 圳。 2 0 0 3 年同济大学杨晓光等运用穿越理论推导在行人通行时，穿越行人的转弯 车辆通行能力模型和行人延误模型【l 。 2 0 0 3 年刘智勇等对城市交通信号控制系统的发展情况进行综述，重点介绍 s c o o t ( 英国) 、s c a t s ( 澳大利亚) 、u t o p i a ( 意大利) 、r h o d e s ( 美国) 、 o p a c ( 美国) 和p r o d y n ( 法国) 系统的现状和进展，分析其特点和不足【l l 】。 2 0 0 4 年东南大学徐良杰等针对四相位信号交叉口，分析了行人、非机动车 的运行特征，研究得出了计算行人和非机动车通行能力公式【1 2 1 。 2 0 0 4 年北京交通大学郭谨一等在对北京市某一典型十字信控交叉口进行大 量实际观测调查的基础上，运用s y n c h r o 系统对交叉1 ：3 现状和采用感应信号控 制后的运行状况进行了仿真模拟对比分析【l 引。 2 0 0 4 年吉林大学曲昭伟等利用数理统计的方法分析了信号交叉口自行车及 行人到达释放规律，提出行人白行车到达服从负二项分布，并给出到达分布模型 1 4 1 o 2 0 0 4 年孙智勇等对行人在信号交叉口选择左转车可接受间隙过街行为进行 研究，从信号交叉口处行人和机动车的冲突类型入手，利用l o g i t 模型来描述行 人选择间隙的行为。利用t r a c k 系统采集数据，标定车头时距、行人等待时间以 及行人数量对行人选择间隙行为的影响系数 1 5 1 。 2 0 0 4 年吉林大学栗红强在博士论文中在分析城市交通问题及其解决办法的 北京工业大学工学硕士学位论文 基础上，回顾了城市交通控制系统发展的历程及其在城市交通中所起的作用，并 选择了其核心技术和理论信号配时参数优化作为研究内容进行深入细致的 研究。首次提出了可变单位绿灯延长时间的优化模型1 1 6 1 。 2 0 0 5 年东南大学徐良杰等应用交通流冲突理论、间隙接受理论，推导了行人 穿越机动车道的人数及等待通行人数，应用统计学方法，建立了行人过街时问模 型。对分析交叉口处左转及右转机动车对行人过街交通的干扰和影响，合理控制 交叉口行人过街信号提供了参考依据【n 】。 2 0 0 6 年李水友等对城市感应控制综述进行研究，描述了各种感应控制类型 的工作原理与方法。 2 0 0 7 吉林大学王殿海等对无信号交叉口的可插车间隙理论模型进行了改进， 建立了具有部分优先权的可插车间隙理论模型，以解决传统的左转车通行能力计 算方法中存在的问题【1 9 】。 2 0 0 7 年华东交通大学邵峰等对利用仿真的方法对单位绿灯延长时间进行研 究【2 0 1 。 2 0 0 7 年北京交通大学邵春福等对行人定时信号控制研究的方法、技术和主 要成果，给出行人信号配时设计步骤，在此基础上，展望行人信号控制研究发展动 向【2 l 】。 2 0 0 7 年北京交通大学蒋海峰在博士论文中对信号交叉口机非混合交通流的 干扰机理进行了深入细致的研究，分析了信号交叉口内机非混合交通流的干扰机 理及其特性，提出了干扰区和干扰程度的概念，为机非干扰问题的定性和定量分 析提供了理论依据。研究了交通流混沌现象产生机理及其动态变化规律，基于混 沌时问序列分析理论，提出了种快速计算短时交通流时间序列最大l y a p u n o v 指数的小数据量方法，提出了信号交叉口混合交通流微观仿真系统框架，通过计 算机仿真再现了信号交叉口混合交通流的微观动态行为特性【2 2 t 。 2 0 0 7 年同济大学倪颖等分析行人与右转机动车冲突类型的基础上，运用 v i s s i m 仿真手段确定采用信号控制分离两者冲突的临界流量条件，提出在信号交 叉口设置机动车有转专用道及有转专用相位条件下，设置合理的信号相位相序或 早启行人相位，设置辅助标志的方法解决原本同相位放行的行人与右转机动车的 冲突【2 3 】。 2 0 0 8 年陆斯文等对行人穿越机动车流的平均临界间隙方法进行研究【2 4 】。 1 4 2 国外研究现状 1 9 7 5 年美国德州a & m 大学d b f a m b r o 等通过对穿越间隙观测对许可型 左转通行能力进行研究。录制了左转车最大的拒绝间隙和最小的接受间隙。从这 第l 章绪论 些数据中得出交叉口拒绝间隙和可接受间隙的累计图，得到了近似临界间隙的 值。选择4 5 s 作为合理的临界间隙应用到左转通行能力计算公式中。通过测量 连续车辆通过同一间隙完成左转的时间得出了车辆的左转车头时距。得出，有左 转车道的车头时距为2 5 s ，无左转车道的车头时距为2 6 s 更适用于计算左转通行 能力的公式。并提出了左转车先于对向直行车的抢行情况以及在黄灯和全红时问 左转的情况，但是没有对具体观测问隙的标准进行说明【2 5 】。 1 9 9 9 年b r i l o n ，k o e n i n g ，t r o u t b e c k 等对临界间隙方法进行研究1 2 6 】。 2 0 0 1 年美国阿克伦大学易平等对检测器可变位置进行研列2 7 1 。 2 0 0 4 年中英i t s 联合研究中心吴建平等利用视频采集技术和数据分析技术 进行数据收集和分析，对北京市信号交叉口的自行车和行人在混合交通流中的微 观行为进行研究分析，提出了信号交又口自行车和行人的各种微观行为特征和基 础行为模型，这些结果有助于理解信号交叉口混合交通流的行为【2 8 1 。 2 0 0 5 年美国加州大学c - yc h a n 等对左转车与对向直行车的穿越间隙进 行研究。采用多普勒雷达检测左转车的到达，利用两台摄像机分别对有左转车和 对向直行车进行录制，可以通过视频的回放查找左转车的转弯情况，分析了左转 车到达时间前后对向亢行车的运行状态，提出了左转车不同的转弯类型，包括有 行人跨越人行横道的情况、没有经过停车亢接通过的情况、排队通过的情况、黄 灯和全红时间通过的情况等1 2 圳。 2 0 0 6 年美国德州a & m 大学m ab r e w e r 等对行人过街的可接受间隙进行 研究。利用视频分析方法进行数据采集，通过视频同放观测行人与机动车过街特 性。对机动车的停车行为进行分类：停车、减速、应该减速而继续穿越等，并且 定义了车辆与车辆之问的问隙为车头时距。并且提出当车辆流量较高时会出现一 种“r o l l i n gg a p ”1 3 0 1 。 h c m 2 0 0 0r 卜感应控制算法 3 1 - 3 2 ： 绿灯时间的估计模型 g 。2 石而q r r ( 1 - 1 ) 式中服务车队时间，s ； 五一一车辆排队长度的修正系数，说明车辆到达随机性的影响， = 1 0 8 一o 1 宰( 实际绿灯时哆垒大绿灯时间) 2 ； q ，g g 分别为红灯时问内车辆到达率和绿灯时问内车辆到达率，辆s ： ，有效红灯时间，s ； s 饱和流率，辆s ； 北京工业大学工学硕士学位论文 p 2 ( 岛+ ，o a ) 1 2 i 一万9 q 亢 ( 1 - 2 ) 式中绿灯延长时问，s ； g 整个周期内车辆到达率，辆s ； 设置的单位延长时问，s ； ，o 车辆通行占据检测器的时间，s ； + 一0 6 8 ( l a + 三矿) f o2 p o a ( 1 3 ) 式中厶车辆长度，假设为5 5 m ： 乙检测长度d l ，m ； 邑车辆在进口的速度，k m h ； 伊自有行驶的车辆所占比例； 到达车辆最小车头时距，s ； 五参数，感应相位控制的所有车道组每秒钟通过的车辆数，辆s 。 可由下式计算： 五：上l l 一g ( 1 - 4 ) t p = e 一 ( 1 - 5 ) 表卜1 参数推荐值表【3 z - 3 2 1 t a b l e i 一1r e c o m m e n d p a r a m e n t e rv a l u e s 6 单车道 1 50 6 多车道 2 车道o 5 o 5 3 条或更多车道 0 50 8 一 第1 章绪论 1 4 3 现状研究存在问题 上述国内外研究现状r f l ，在行人自行车混合流方面，国内的研究成果比较多， 但都是对通行能力方面的影响研究，缺乏对信号配时算法的影响方面的研究；可 穿插间隙方面，国内外都有研究，但都是涉及左转车穿越对向直行车，行人穿越 转弯车辆的研究，缺少对左转车穿越行人自行车群方面的研究；在感应控制方面， h c m 2 0 0 0 有所研究，但由于国外行人自行车比较少，h c m 2 0 0 0 中绿灯估计模型， 尚未考虑大量行人自行车对左转车的影响。而国内交叉口行人自行车特别多，国 外的感应控制算法不能很好地适应国内的交通状况。因此，结合国内行人白行车 对左转车的影响特点，对两相位信号交叉口的半感应控制算法进行研究具有重要 意义。 1 5 研究内容和结论 第一部分主要对本论文的研究背景意义、研究思路与框架、国内外发展现 状以及研究成果进行简要介绍。 第二部分主要对感应信号控制基础方面进行简要介绍，包括感应控制的基 本工作原理、感应控制的基本参数、感应控制的形式、感应控制的优缺点以及本 论文研究的控制算法流程等。 第三部分主要对数据采集方面的知识内容进行描述，结合采集的数据，对 行人自行车与左转车冲突特性及间隙分析方面内容进行研究，包括行人自行车过 街特性分析、基于行人自行车群的间隙定义与分类、间隙的观测标准、投影间隙 理论方法等。 第四部分主要对基于间隙理论的算法模型和算法验证进行分析研究，算法 模型部分具体包括模型适用条件分析、边界条件的假设、建模思路与原理、算法 建模。算法模型验证部分具体包括现场试验方案与仿真试验方案的计算、现场试 验数据采集、算法模型验证结果分析等。 第五部分主要对本论文研究结论进行介绍，并对该论文在未来的研究方向 提出建议。 1 0 - 一 第2 章感应信号控制基础 第2 章感应信号控制基础 定周期信号控制是根据观测到的历史交通数据，按照预先设定的周期和绿信 比进行控制。因此，它总是按照预定的程序变化信号灯色，即使把定周期信号控 制的时段划分得再多，也无法应付交流随机或突发性变化。这种控制方式在实际 运用中不可避免地存在着“无车亮绿灯”的情况，造成有效绿灯时间的损失，同 时出现“有车亮红灯”的情况，造成车辆等待，给到达交叉口的车辆带来较多的 延误，这不仅大大降低了交叉口通行能力和信号控制效率，而且也是一种对道路 资源的浪费和对环境的污染。 而本研究涉及到的交通感应信号控制方式，可以从一定程度上克服定周期控 制的上述弊病。它是信号灯色的变化不再依赖过去观测到的交通状况，而是根据 现场检测的实际交通状况，以实时检测的交通数据为依据来确定信号灯色时间， 因而能适应交通流的随机变化，对于交通流量变化大而无规律的路口，这种控制 方式特别有效。 2 1 感应控制工作原理 为了使信号控制能够根据交叉口实际交通状况作出反应，出现了感应信号控 制。感应控制是根据车辆检测器检测到的路口车辆到达状况，使路口各个方向的 信号显示时间适应于交通需求的控制方式。感应控制对车辆随机到达的适应性较 大，可使车辆在停车线前尽可能少地停车，从而达到交通畅通的效果。 f “： 图2 1感应式信号控制流程图 f i g u r e2 - 1a c t u a t e ds i g n a lc o n t r o lf l o wd i a g r a m 感应信号控制是一个反馈控制的过程，如图2 1 所示。从理论上讲，这种控 制应取得良好的控制效果。 北京工业大学- 1 - 学硕士学位论文 感应信号控制器内设定一个“初始绿灯时间”( g m j n ) ，作为一相位的起始绿灯， 这段时间内，该方向处于开放通行状态。到初始绿灯结束时，如在一个预置的“单 位绿灯延长时间”c g o ) 间隔内，无后续车辆到达，即可更换相位；如检测器检 测到有后续车辆到达，则绿灯延长一个预置的“单位绿灯延长时间”。也就是说， 只要在这个预置的时间间隔内，车辆中断，即切换相位；有连续来车，则绿灯时 间延长。绿灯一直延长到一个预置的“最大绿灯时间”( g 一) 时，即绿灯延长 时间达到设定的最长上限时，则中断这个相位的通车权。随后到达= 停车线的车 辆需要停车排队，等待下次通行时间。实际绿灯时间大于或者等于初始绿灯时间 ( g m i 。) 而小于或等于最大绿灯延长时间( g 一) 。t 3 3 - 3 7 j 女i 2 2 所示。 图2 - 2 感应信号工作原理图 f i g u r e2 - 2a c t u a t e ds i g n a lc o n t r o lf u n c t i o n a ld i a g r a m 2 2 感应控制的基本参数 2 3 1 初始绿灯时间 初始绿灯时间是一个相位初期预先设置的一段固定显示的绿灯时间。它是该 相位必须保持的基本通行时间。对于“点式检测器”，该绿灯时间的长短，取决 于检测器的位置以及检测器到停车线之间可停放的车辆数。设置初始绿灯时应该 考虑以下几个因素l j 副： ( 1 ) 保证在检测器和停车线之间排队等待的车辆全部驶出停车线所需的最 短时间长度。初始绿灯时间应等于这段最短绿灯时间减去一段单位绿灯时间； ( 2 ) 保证行人安全过街所需的时间； 第2 章感应信号控制基础 ( 3 ) 保证非机动车安全过街所需的时间。 关于系列检测器位置与初始绿灯时长之间的关系，美国的研究成果如表2 1 所示【3 5 1 。 表2 一l 检测器位置与初始绿灯时问变化关系 t a l b e2 1d e t e c t o rl o c a t i o nr e l a t i o nt ot h ei n i t i a lt i m e 检测器与停车线间距 初始绿灯时问( s ) 检测器与停车线间距 初始绿灯时问( s ) ( m )( m ) 0 1 2 8 2 5 3 01 4 1 3 1 81 03 1 3 61 6 1 9 2 41 2 从表2 1 中可以看出：当距离每增力l ：1 6 m ，初始绿灯时问增加2 s ；当距离为0 1 2 m 时，初始绿灯时间取8 s ，这是因为车辆启动时需要人、机反应时间和车辆加速时 间。这些数据是以下面两个假设为依据的： ( 1 ) 车辆通过交叉口的平均车头间距为6 m ； ( 2 ) 车辆间的车头时间为2 s 。 对一个实际交叉口，只要能够测出停车线到检测器之间的排队车辆数，则应 根据实际情况来确定初始绿灯时间的长度。 另外，不同类型的检测器对初始绿灯时间也有影响，例如使用长环形线圈检 测器或系列连续布置的小环形检测器时，所需的初始绿灯时间有所不同。如检 测器终端就在停车线上，可以取初始绿灯时间为零秒，若环形线圈终端与停车线 间还有一段距离，则可用此距离来计算初始绿灯时间，计算公式如下： ， = 型+ 5 ， ( 2 - 1 ) 式中枷初始绿灯时间( s ) ； “检测器到停车线间距离( m ) ： 1 ，车辆通过交叉口的平均车速( m s ) 。 2 3 2 单位绿灯延长时间 单位绿灯延长时间是指初始绿灯时间结束后，在一定时间间隔内，测得有后 续车辆到达时所延长的绿灯时问。作为各相位绿灯延长时问的最小单位，单位绿 灯延长时间是判断车辆是否中断的一个参数，对于感应信号控制的效率起决定性 作用。确定单位绿灯延长时间时，应考虑以下几个因素m j ： 。 ( 1 ) 单位绿灯延长时间与车辆检测器到停车线间的距离有关，其长短必须 能使车辆从检测器驶出并通过停车线，尤其是使用“点式”检测器并且其位置离 停车线较远的情况下。当车辆检测器与停车线间距离较大时，相邻车辆到达检测 器时间间隔小于车辆从检测器正常行驶到停车线所需的时间，则取车辆从检测器 北京工业大学工学坝十学位论文 行驶到停车线所需的时间作为单位绿灯延长时间，当检测器与停车线间的距离很 小时，车辆从检测器行驶到停车线所需时间过短，无法满足后续相邻车辆到达检 测器的时间问隔，这时为了保证交通流的畅通、减少延误，取后续到达车辆中的 最大车头时距为单位绿灯延长时间。 ( 2 ) 单位绿灯延长时间应取恰当长度，保证尽可能不产生绿灯时间损失。 由于只要检测到的车辆间隔短于这个绿灯延长时间，信号将总显示为绿灯，而后 续车辆并不紧跟，数量很少时，其他相位的车辆延误大增，通行受到很大影响。 因此为了提高通行效益，单位绿灯延长时间应该按照时间需要定得尽可能的短， 使单位绿灯延长时间尽可能满足整个交叉口实际交通所需的长度，不以牺牲其他 相位通行时间来等待不紧跟的车辆通过。合理的单位绿灯延长时间可以消除为等 待少数车辆而浪费的绿灯时问，协调优化各相位通行时问，从而可提高通行能力， 降低延误。 ( 3 ) 在确定单位绿灯延长时间时，必须注意被检测的车道数。由于在同一 个相位上的所有单个检测器通常都是连在一起的，不同车道上的车辆相继通过检 测器会造成控制机所接收到的车辆间隔比实际的车辆间隔要小得多。这种情况下 得到的单位绿灯延长时间难以保证后续车辆的连续通过，反而会增大延误。 ( 4 ) 单位绿灯延长时间可根据交通调查进行统计分析来确定。从理论上讲， 单位绿灯延长时间应尽可能短，只需使已经到达交叉口的车辆刚好通过停车线即 可，这样可使车辆的延误最小。但从安全角度来看，单位绿灯延长时间不宜太短， 否则已经越过车辆检测器的车辆在安全速度下可能无法穿过停车线，凶而不得不 紧急制动，容易酿成交通事故。通常情况下，单