交通规划-西南交通大学课程与资源中心

交通工程学〔5〕

穿插口信号配时设计西南交通大学交通运输学院杨飞〔博士、讲师〕

本科课程交通运输学院主要内容信号周期〔Cycle〕和相位〔Phase〕；车流释放车头时距〔DischargeHeadways〕；饱和流率〔SaturationFlowRate〕；损失时间〔LostTime〕；有效绿灯时间〔EffectiveGreenTime〕；关键车道〔CriticalLane〕；关键车道最大流量总和；最适宜周期长度〔AppropriateCycleLength〕；左转等效〔Left-TurnEquivalency〕。1根底概念与原理1.1信号周期组成〔ComponentsofSignalCycle〕〔1〕周期〔Cycle〕和周期长度 周期是指红、绿、黄信号显示一个循环所； 周期长度是指红、绿、黄信号显示一个循环所用的时间，单位为秒，通常用“C”表示。〔2〕绿灯时间〔GreenInterval〕 在绿灯时间内，每个流向车流每个周期内都有一个绿灯时间，允许通行的车辆行驶，其它车辆禁行，通常用Gi表示。1根底概念与原理1.1信号周期组成〔ComponentsofSignalCycle〕〔3〕黄灯时间〔YellowInterval〕 又称变化时间，由绿灯信号转变为红灯信号的过渡，目的是为了缓冲不能瞬间停车、保障安全停车，通常用yi表示。〔4〕红灯时间〔RedInterval〕 在红灯时间内，每个流向车流每个周期内都有一个红灯时间禁行的车辆停顿，其它车辆行驶通过穿插口，通常用Ri表示。1根底概念与原理1.1信号周期组成〔ComponentsofSignalCycle〕〔5〕清扫间隔时间〔ClearanceInterval〕 即全红时间〔allred〕，设置的目的是为了确保在黄灯时间内进入穿插口的车辆在冲突车流释放前安全离开穿插口，通常用ari表示。1根底概念与原理1.2相位〔Phase〕 相位是依据路口车流获得信号显示的时序来划分，有多少种不同显示时序就有多少个信号相位。 最根本的两相位：1根底概念与原理1.2相位〔Phase〕 四相位1根底概念与原理1.3释放车头时距〔DischargeHeadways〕 排队车流启动过程的车头时距分析： 第1个：绿灯开头与第一辆车前轮越过停车线的时间差； 第2个：第一辆车和其次辆车前轮越过停车线的时间差； 第3，4，¨¨：以此类推计算 思考车头时距在排队车辆启动过程中变化规律？1根底概念与原理1.2释放车头时距〔DischargeHeadways〕 假设给定地点观看平均车头时距，将车辆位置与平均车头时距关系绘制如以下图所示：△i1根底概念与原理1.3释放车头时距〔DischargeHeadways〕 特征1：第一个车头时距相对较长，由于排队车流第一位司机要经受感知反响过程〔perception-reactionsequence〕和加速启动过程；△i1根底概念与原理1.3释放车头时距〔DischargeHeadways〕 特征2：其次个车头时距较第一个车头时距短，由于其次位司机可以重叠局部感知反响时间和加速过程；△i1根底概念与原理1.3释放车头时距〔DischargeHeadways〕 特征3：接下来连续的车头时距都较前一个小，最终在第4、5辆车通过时趋于常值h，这时排队车辆完全加速状态通过停车线，队列稳定行驶。△i1根底概念与原理1.4饱和车头时距〔SaturationHeadway〕 常值h称为饱和车头时距，单位为秒/车1.5饱和流率〔SaturationFlowRate〕 假设1：每辆车都以h秒时间通过穿插口； 假设2：穿插口始终处于绿灯时间状态。 饱和流率为假设1、2条件下每小时内每条车道通过的车辆数S，单位为辆/小时/车道；表征穿插口最大抱负通过力量。1根底概念与原理1.5饱和流率〔SaturationFlowRate〕 车道组〔Lanegroup〕饱和流率通过每车道饱和流率乘以单条车道饱和流率得到； 事实上，穿插口信号灯不行能始终绿灯，因此需要实行肯定的机理考虑周期性的启动和制动。1根底概念与原理1.6启动损失时间〔Start-UpLostTime〕

△i1根底概念与原理1.6启动损失时间〔Start-UpLostTime〕 释放排队车流n所需的绿灯时间模型： 此模型给出饱和车头时距和启动损失时间的关系 绿灯时间内，车辆有〔G-μ1〕的时间能够通行 引导出有效绿灯时间的概念1根底概念与原理1.7清扫损失时间〔ClearanceLostTime〕 绿灯末停顿穿插口车辆行驶时产生损失时间，μ2 难以实地观测，要求排队车辆足够多，在一个绿灯时间内无法全部释放； 定义：在上述前提下，排队车辆中最终一辆通过停车线的时间与下一个相位绿灯开头的时间差。 总损失时间tL=μ1+μ21根底概念与原理1.8有效绿灯时间〔EffectiveGreenTime〕 交通信号配时中本质上只有两种时间类型： 有效绿灯时间：车辆处于移动状态的时间； 有效红灯时间：车辆严格停顿运行的时间。1根底概念与原理1.9穿插口进口车道/车道组通行力量 饱和流率反响出假设始终处于绿灯时间条件下穿插口车道/车道组的通行力量； 实际中，不行能全处于绿灯时间，有效绿灯时间占肯定比例； 绿信比：有效绿灯时间/信号周期总长度〔gi/C〕 依据有效绿灯时间所占全周期的比例计算穿插口进口车道通行力量；1根底概念与原理1.9穿插口进口车道/车道组通行力量 穿插口进口车道/车道组通行力量为：1根底概念与原理1.9穿插口进口车道/车道组通行力量 [例题]：某信号掌握穿插口具有如下特征： Cyclelength，C=60s Greentime，G=27s Yellowplusall-redtime，Y=3s Saturationheadway，h=2.4s/veh Start-uplosttime，L1=2.0s Clearancelosttime，L2=1.0s 试计算该信号穿插口的单车道通行力量。1根底概念与原理1.9穿插口进口车道/车道组通行力量 [例题]：用两种方法求解 解法1：从通行力量概念动身，假设车辆能以饱和车头时距h行驶，找出一小时内该穿插口有多少时间可供车辆通行，则可计算得到通行力量： 总时间1h：3600s，包含60个周期 1h内红灯时间:〔60-27-3〕*〔3600/60〕=1800s 1h内损失时间：〔2+1〕*〔3600/60〕=180s 1h内剩余可供通行时间：3600-1800-180=1620s 通行力量c=1620/h=1620/2.4=675veh/h/ln1根底概念与原理1.9穿插口进口车道/车道组通行力量 [例题]：用两种方法求解 解法2：依据公式求解 饱和流率S=3600/h=3600/2.4=1500veh/h/ln 有效绿灯时间g=G+Y-tL=27+3-3=27s 通行力量c=S*(g/C)=1500*(27/60)=675veh/h/ln 两种思路解法结果完全一样，加深对公式的理解。1根底概念与原理1.10关键车道〔CriticalLane〕 [概念引例]：如以下图所示简洁两相位信号穿插口，某时段各进口道流量标注如图，假设：1〕全部车辆均直行没有转弯车辆；2〕每辆车通过该穿插口的时间消耗为3s；3〕先释放东西向车流，放完为止，然后再释放南北向车流。试问完全释放完该穿插口车流需要多少时间？关键车道1根底概念与原理1.10关键车道〔CriticalLane〕 信号配时必需要满足关键车道的交通总需求； 留意：关键车道≠交通量最大车道！ 例如：直行100和直行50+40左转，由于穿插口左转车所耗时间较长，可导致绿灯时间需求增大； 关键车道是交通需求强度最高的车道！ 时间预算安排〔Time-Budget〕：有效绿灯时间必需满足关键车道总交通需求，在此根底上依据各关键车道交通需求进展安排。1根底概念与原理1.10关键车道〔CriticalLane〕 关键车道判定常用原则：〔1〕对于每一个独立的信号相位都存在相应的一个关键车道和关键车道流量；〔2〕除了损失时间，在一个周期内的有效绿灯时间存在且唯一存在一个关键车道车辆在移动运行。1根底概念与原理1.11关键车道最大流量总和 从另一视角评估穿插口通行力量，与通行力量手册〔HCM〕中表达不同，但是值得探究的方向； 依据定义，每个相位都唯一存在一个关键车道，关键车道除了损失时间都处于运行状态，将一小时内的损失时间扣除，剩余的时间即为总有效绿灯时间，以此时间结合饱和车头时距计算关键车道最大流量总和。

1根底概念与原理1.11

关键车道最大流量总和

1根底概念与原理1.11关键车道最大流量总和 假设某信号穿插口有2相位，周期长度为60s，每相位损失时间为3s，饱和车头时距为2.4s/Veh，则该穿插口关键车道最大流量总和为：1根底概念与原理1.11

关键车道最大流量总和 关键车道流量总和与周期长度、相位数关系图SumofCritical-LaneVolumesVcCycleLengthCN=2 缘由：单位小时内周期数削减、损失时间削减、有效绿灯时间增加，最终趋于常值；但通行力量增幅不大，还应结合其它措施如拓宽车道。 周期增长，穿插口通行力量增加 留意把握各参数之间的关系，理解调整效果，在穿插口信号配时设计时可把握参数调整方向！1根底概念与原理1.11

关键车道最大流量总和 关键车道流量总和与周期长度、相位数关系图SumofCritical-LaneVolumesVcCycleLengthCN=2N=3N=4 相位数增加，穿插口通行力量如何变化？缘由？ 依据规律分析结果，两相位和长周期的配时方案将使得通行力量最大化，最好全部设计都承受？1根底概念与原理1.11关键车道最大流量总和 周期长度最大化有没有必要？ 穿插口信号配时设计通常依据饱和度〔v/c〕在0.80~0.95之间确定周期长度，相应取得最正确延误 道路设计依据通行力量确定车道数，通常依据较低的饱和度取值，思考缘由？ 道路设计一经确定，在相当长时间内很难拓宽；而穿插口信号只需要简洁地调整掌握器重新进展信号配时即可。1根底概念与原理1.12确定最正确周期长度 假设穿插口各进口道交通流量，相应找出关键车道流量Vc，那么最小周期长度如何确定？ [例题]：假设某穿插口关键车道流量Vc为1000veh/h，饱和车头时距为2.4s，共设两相位，每相位损失时间为3s，那么最小周期长度计算结果是多少？1根底概念与原理1.12确定最正确周期长度 以上例题计算结果意味着周期长度可以从从前的60s降低为20s； 实际中顶峰小时内各时段的车辆到达规律分布不均，因此需要考虑顶峰小时系数〔PHF〕影响； 用Vc/PHF作为顶峰小时内最大交通流率； 对于通行力量的考虑，依据80%~95%确定穿插口信号配时设计通行力量，预留局部通行力量、预防车流到达率的随机波动产生短期局部拥堵1根底概念与原理1.12确定最正确周期长度 考虑顶峰小时内交通流的随机波动以及预留通行力量因素，修正后的最正确周期长度计算公式为： [例题]：假设某穿插口关键车道流量Vc为1000veh/h，饱和车头时距为2.4s，共设两相位，每相位损失时间为3s，PHF为0.95，依据通行力量95%取设计值，最正确周期长度计算结果是多少？1根底概念与原理1.12确定最正确周期长度 关键车道流量总合与最正确周期长度的关系〔假设相位数、饱和车头时距、损失时间等确定〕SumofCritical-LaneVolumes,VcDesirableCycleLengthCdesv/c=0.800.850.900.951.00最正确周期对v/c比取值特别敏感1根底概念与原理1.12确定最正确周期长度 [例题]：一个三相位的信号配时穿插口，假设每相位损失时间tL=4s/phase，饱和车头时距为2.2s/veh 顶峰小时系数PHF为0.90，关键车道流量总和Vc为1200veh/h。分别计算在给定饱和度v/c在1.00、0.95、0.90、0.85下的最正确周期长度，并给出推举周期取值。1根底概念与原理1.12确定最正确周期长度 [例题]：解答1根底概念与原理1.12确定最正确周期长度 [例题]：解答——负值如何解释？最终推举周期？1根底概念与原理 [综合设计例题]： 如下图穿插口，承受两相位信号掌握，南北、东西向关键方向流量标注如图，假设信号周期长度C=60s，每相位损失时间tL=4s/phase，顶峰小时系数PHF=0.95，v/c=0.90，饱和车头时距2.3s/veh。〔1〕试运用关键车道分析方法，确定关键方向的合理车道数；〔2〕依据1的结果确定最正确周期，以对原有的60s周期长度进展优化。ESN1200veh/h1800veh/h1根底概念与原理 [综合设计例题]：解答 假设给定的周期长度60s是合理的，结合其它条件确定关键车道最大流量总和为：

1根底概念与原理 [综合设计例题]：解答 假设关键方向都仅设一个车道，那么关键车道流量总和为3000veh/h，超过最大流量1357veh/h，因此关键方向必需设置2条及以上的车道； 具体适宜的车道数通过组合试算得到，不同的车道组合与关键车道流量需求的状况如下图。1根底概念与原理 [综合设计例题]：解答

1200180012009009001根底概念与原理[综合设计例题]：解答6006009009006006006006006001根底概念与原理[综合设计例题]：解答 最正确周期计算结果为： 设计结果为：车道设计方案为2×3，最终推举周期长度80s〔长于初始60s〕。 小结：这个综合设计例题例证了车道数和信号周期长度的关系；道路拓宽仅通过路段交通拥挤状态推断是否足够？这个例题的实际意义思考？1根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔1〕穿插口进口道左转两种设置方式 专用左转车道〔exclusive-lane〕 与直行车共享车道〔share-lane〕〔2〕信号掌握方式相应地包含三种 允许左转掌握〔permittedleftturn〕 爱护左转掌握〔protectedleftturn〕 组合式左转掌握1根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔3〕左转车对穿插口运行的影响 左转车比常规直行车消耗更多的有效绿灯时间； 当承受允许左转掌握时状况更为简单，左转车只有等到对向车流消失可承受空隙才能完成左转； 当左转车和直行车共享车道时，可能发生左转车等待阻碍直行车的状况，以致一些直行车转变车道通过穿插口，而另一些车辆只能等到左转车行驶过后通过。1根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔4〕左转等效换算思路和方法 由于左转车对穿插口运行的影响不同于直行车，在设计信号穿插口时，需要将左转车依据肯定标准换算成相当的直行车，然后统一进展分析； 左转等效：一辆左转车通过穿插口消耗的有效绿灯时间内，能够有多少直行车辆通过，即一辆左转车相当于多少辆直行车通过穿插口的时间。1根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔4〕左转等效换算思路和方法：一个简洁模型 一样时间内，车道1通过11辆直行车，车道2通过5辆直行车，2辆左转车，如何确定左转系数ELT？Lane1Lane2LeftTurnVehThroughVeh1根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔4〕左转等效换算思路和方法 上述简洁模型没有考虑左转掌握形式〔允许、爱护、组合〕、对向车流数量、对向车道数等； 假设在允许左转掌握方式下，左转等效系数与对象车流数量V0、对向车道数N0的关系如下图：1根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔4〕左转等效换算思路和方法 ELT随着对向车流量增加而增大； 在给定对向车流量状况下，随着对向车道数的增多而减小ELTOpposingFlow，V0N0=1231根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔5〕左转等效的应用方法 [例题]：某信号掌握穿插口承受允许左转掌握方式，各进口道左转车流比例为10%，左转等效系数为5.0，直行车辆的饱和车头时距为2.0s/veh，试确定进口道车辆的平均饱和车头时距及等效饱和流率。 解答1：依据左转等效系数的含义，左转车辆消耗有效绿灯时间是直行车辆的5倍，因此，总车流中有10%车辆的饱和车头时距是2.0×5.0=10.0s/veh，另外90%直行车辆的饱和车头时距为2.0s/veh，依据加权平均思想求平均饱和车头时距；1根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔5〕左转等效的应用方法 [例题]：解答11根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔5〕左转等效的应用方法 [例题]：解答2 用HCM〔HighwayCapacityManual〕的方法，承受调整系数〔adjustmentfactor〕将抱负〕的饱和车头时距〔ideal〕转化为当前实际的饱和车头时距〔prevailing〕。1根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔5〕左转等效的应用方法 [例题]：解答21根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕〔5〕左转等效的应用方法 [例题]：解答21根底概念与原理1.13左转等效〔Left-TurnEquivalency〕 小结： 左转等效的概念特别重要，其本质是左转车辆和直行车辆消耗有效绿灯时间的关系； 其它类型的等效概念和分析方法类似，例如不同车型车辆间的换算、右转等效。1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕 穿插口作为一个点，其运行质量的有效评估与高速大路有所不同； 速度指标对高速大路运行评价较为重要，而对于穿插口意义不大； 穿插口常用的运行评价指标：延误、停滞〔Stops〕排队长度〔Queuing〕，三者相互关联： 延误：通过穿插口的时间，到达穿插口的时间和离开穿插口的时间差〔ArrivalTime、DepartureTime〕；排队长度指红灯期间停留等待通过穿插口的车辆数；停滞指在穿插口停留的车辆比例。1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔1〕延误的类型 穿插口最常用的评价指标，实际中测量难度较大，不同的观测方式得到不同的结果；定量定义延误包含多种类型： 停滞延误〔Stopped-timedelay〕 方式延误？〔Approachdelay〕 排队延误〔Time-in-queuedelay〕 行程延误〔Traveltimedelay〕 掌握延误〔Controldelay〕1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔1〕延误的类型 穿插口时间—距离关系图DistanceTimeD1D2D3ActualPathDesiredPathD1=Stopped-timedelayD2=ApproachdelayD3=Traveltimedelay1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔1〕延误的类型 停滞延误：指在由于红灯而排队停留穿插口停车线前等待通过路口的时间；平均停滞延误指在特定的时间段内全部车辆停滞延误的平均值。DistanceTimeD1ActualPathDesiredPathD1=Stopped-timedelay1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔1〕延误的类型 方式延误：包含停滞延误时间加上由于制动停顿和重新启动到达之前平稳车速的损失时间 平均方式延误是指在特定时间段内全部车辆的方式延误平均值DistanceTimeD2ActualPathDesiredPathD2=Approachdelayt1t21根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔1〕延误的类型 行程时间延误： 更为抱负化和概念化 指司机所依据期望速度行驶的行程时间和实际时间的时间差 鉴于较难确定司机通过穿插口的期望车速模型，实际很少使用DistanceTimeD3ActualPathDesiredPathD3=Traveltimedelayt0t31根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔1〕延误的类型 排队延误：指车辆参加穿插口排队到车辆启动释放通过停车线的时间差；

TimeD4=Time-in-queuedelayDistanceActualPathDesiredPathD41根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔1〕延误的类型 掌握延误：1994年HCM手册中提出，HCM2023也承受，指由于掌握设备引起的延误，例如信号灯掌握其或者停车指示牌。大致等于队列延误加上加速、减速的损失时间。1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔1〕延误的类型 [小结]： 停滞延误：仅包括由于信号灯引起的延误，从车辆在穿插口完全停顿到车辆开头加速； 方式延误：相比停滞延误还包含加减速损失时间，假设无信号灯通过延长车辆到达车速及重新完全加速后确定； 队列延误：建立在车队形成的根底上，无法通过一辆车有效描述。1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔1〕延误的类型 [小结]： 延误针对一辆车而言，也能够集合〔Aggregate〕 集合后单位为vehicle-seconds、vehicle-minutes等1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔2〕延误计算根底理论模型 几乎全部的延误计算模型都是从分析穿插口累计到达与离开的车辆点绘〔plot〕与时间关系开头； 纵轴为累计到达或离开车辆点绘，时间轴依据有效红灯和有效绿灯时间划分； 假设车辆以均匀流率v到达，在绿灯时间内没有滞留车辆排队车辆全部清空，红灯时间内车辆连续到达停留没有车辆穿红灯行驶，绿灯时间内车辆能够以饱和车头时距h穿过停车线。1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔2〕延误计算根底理论模型

CumulativeVehiclesgiArrivalRateVgiRiDepartureRateSTimet1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔2〕延误计算根底理论模型CumulativeVehiclesgiArrivalRateVgiRiDepartureRateSTimeVehiW(i)

W(i)为任何给定车辆i在队列中的等待时间1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔2〕延误计算根底理论模型CumulativeVehiclesgiArrivalRateVgiRiDepartureRateSTimetQ(t)

Q(t)为时刻t排队车辆总和，是纵坐标到达车辆和离开车辆的数值差1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔2〕延误计算根底理论模型 集合总延误〔Aggregatedelay，Vehicles×time〕如何计算？计算的延误属于哪种类型？CumulativeVehiclesgiArrivalRateVgiRiDepartureRateSTimeTime-in-queuedelay！1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔2〕延误计算根底理论模型 两个假设的思考： 均匀到达率假设：简化考虑，但在实际中，即使一个完全独立的穿插口的到达率也是随机变化的 建模中考虑了在随机到达率条件下的影响 排队特性假设：不考虑车辆队列中的相互影响，例如队列后传播的影响。这是很多延误模型中没有解决的问题。1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔2〕延误计算根底理论模型CumulativeVehiclesarrivalfunction,a(t)departurefunction,d(t)TimeStableFlowNoCycleFails总延误如何计算？ 最抱负状态，每个绿灯时间内排队车辆全部释放，没有积存转移到下一个绿灯内的车辆；标准延误Uniformdelay1根底概念与原理1.14延误〔Delay〕〔2〕延误计算根底理论模型

CumulativeVehiclesarrivalfunction,a(t)capacityfunction,c(t)TimeWithinStablePeriodSomePhasesfaildeparturefunction,d(t) 整个时间段内通行力量能够满足这段时间的交通需求，但某些相位失效，离开率最终才能赶上到达率；总延误如何计