信号交叉口交通组织与管理方案优化分析系统设计

Vol 18 No 5公 路 交 通 科 技2001年10月JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESE ARCH AND DE VELOPMENT
文章编号:1002 0268(2001)05 0087 03
信号交叉口交通组织与
管理方案优化分析系统设计
马建明1,张海涛2,任福田1,荣 建1
(1 北京工业大学,北京 100022;2 交通部公路科学研究所,北京 100088)
摘要:针对目前城市道路平面信号控制交叉口的交通拥挤问题,提出一种基于仿真手段的交通组织优化方法,为进一步研究交叉口的通行能力和运行延误提供了思路。

关键词:信号交叉口;相位;周期;绿信比;仿真
中图分类号:U491 2 文献标识码:A
Stu dy on Optimizing Traffic Operation of Sign alized Intersection
MA Jian min g1,Z HANG Hai tao2,REN Fu tian1,RONG Jian1
(1 Beijing Polytechnic University,Beijing 100022,China;2 Highway Research Institu te of MOC,Beijing 100088,China)
Abstract:A new method based on simulation to op timize traffic operation on signalized intersection is developed.The method provides a new way for studying capacity and delay of isolated si gnalized intersecti on,then evaluating traffic operation of the intersection.
Key words:Signalized intersection;Phase;Circle;g i/C;Simulation
在一个城市道路网中,平面交叉口成为路网容量和通行能力的瓶颈。

日常交通拥挤,大部分是由于平面交叉路口的通行能力不足造成的。

如何提高平交路口的通行能力和改善路口行车秩序是国内外共同关注的问题。

特别是在国内的一些古城,原有道路布局和基础设施因规划、资金等原因所限,不能像新建城市的道路那样可以按照交通需求的发展趋势进行道路的规划设计,尤其是进行交叉口的规划设计;另一方面,完全靠道路拓宽和修建立体交通网络等途径来解决交通拥挤问题也是不现实的。

在这种情况下,最大限度地发挥原有平交路口的通行能力、减少延误成为解决城市道路平面信号交叉口交通瓶劲问题的一个有效途径。

1 信号交叉口方案优化系统结构
在治理交叉口时,希望得到最好效果。

需要对交叉口治理方案进行充分比选,做到在方案实施前就知道方案实施后的效果,以免留有遗憾。

比选治理方案,就是优化。

我们选定的优化目标是交叉口的通行能力最大,车辆通过交叉口的平均延误最小。

优化内容是信号配时、交通工程措施和交通管理措施,优化的方法是计算机仿真,即通过改变上述内容用计算机仿真的方法优选交叉口治理方案。

2 信号交叉口方案优化措施
如何进行交叉口的综合设计呢?本文试图从信号配时的基本参数、交叉口交通工程措施以及交通管理措施等方面来对交叉口的交通组织进行优化。

2 1 信号配时
交通信号基本时间参数包括:相位、周期长度、绿信比等[1]。

1 相位 信号机在一个周期内有几个控制状态,每一个状态称为一个相位。

相位组合的复杂程度和相位数目的多少,都随着平面交叉口的形状和交通流方向的复杂程度而变化。

相位的组合方式对信号的安全
性和效率两方面都有决定性的影响。

一般情况是用专用相位将相互交错的车流分离,可提高安全性,但增加相位数量的同时,有效利用时间减少,通行能力下降,易造成交通阻塞。

2 周期长度 周期长度就是信号完成一个周期所需的总时间,或者是从某主要相位的绿灯开始到下次该相位绿灯开始的时间,一般多用秒表示。

周期过长时,等待的人将产生急噪情绪,等待的车队也过长,从而降低服务水平。

周期过短时,信号变换频繁,将使损失时间增大,从而减少通行能力。

周期长度用C 表示。

3 绿信比 绿信比就是有效绿灯时间与周期长之比。

绿信比的选取是否合理决定着交叉口内各入口是否运行畅通。

实质上就是绿灯时间应按各入口、各方向上的需求流量占整个交叉口总需求流量的比例分配,即按需分配。

符号用gi/C(对于i 相位)。

2 2 交通工程措施
(1)交叉口交通渠化
交叉口交通渠化就是在道路上用交通标线及交通岛等设施使不同类型的交通、不同方向及不同速度的车辆能象渠道内水流那样,顺着一定方向,互不干扰地顺畅通过,这样就改善了交叉口交通秩序,进而提高了交叉口的通行能力和安全水平。

图1以北京市常见的上跨式平面交叉口为例,给出了东西向左转车的运行及各入口非机动车运行的渠化线路。

(2)拓宽交叉口
交叉口处的时空资源比路段少。

如果相交道路的等级相同,车道数相同,假设为单向2车道,设每条路的路段通行能力为1,则该方向道路的路口通行能力小于等于0 5。

为了使路口、路段尽可能匹配,可将各进口拓宽,增加进口车道,见图2。

图1 交叉口交通渠化 图2 拓宽进口
2 3 交通管理措施
(1)交通管制 在时间和空间上限制某一类型(货车等)、方向的(左转、右转等)车辆通行,从而提高整个交叉口的通行能力和减少行车延误[2]。

(2)非机动车、行人分流 当非机动车、行人对机动车辆的交通组织运行产生不可调和的矛盾时,就需要考虑将非机动车、行人分流,减少交叉口的运行复杂性。

这种情况多发生在交叉口机动车辆交通组织本身
就复杂,加之非机动车、行人流量较大的情况下。

(3)按交通流流向渠化进口车道功能 交叉口进口车道功能划分主要是根据交通流流量、流向等参数将入口划分为不同运行方向的专用车道或共用车道,其划分形式如图3所示。

入口处的交通渠化的优劣直
接影响着车辆在交叉口滞留时间的长短。

图3 车道功能划分
3 信号交叉口交通组织与管理方案评价
信号交叉口运行评价从以下几方面进行。

(1)运行效率 运行效率主要体现在车辆平均延误与饱和度上。

车辆平均延误是指车辆在通过交叉口时由于交通信号装置而产生的延误总和除以总交通量,即得车辆的平均延误。

车辆平均延误的大小直接影响着交叉口的服务水平。

饱和度为交叉口实际交通量与通行能力的比值,该指标反映了交叉口道路的时空利用率。

(2)运行秩序 运行秩序的优劣直接影响着交叉口的安全水平,运行秩序优良可提高安全水平,反之亦然。

评价运行秩序优良的指标有:冲突点面密度、渠化状况、行人过街设施等4 信号交叉口方案优化手段4 1 优化手段的选取
在平面信号交叉口上可利用半经验的、数学的或仿真的几种模型来预计交叉口的通行能力和行车延误。

这些模型的变量,通常是车辆的平均延误时间,它
是衡量一个允许相遇车流汇合或穿过交叉口的效率的度量。

一个交叉口功能如何,其几何设计方案如何,就从车辆到交叉口后的平均延误时间多少来判断和评价的。

所谓半经验模型,乃是根据过去的观测资料、理论
公路交通科技 2001年 第5期
计算和人为因素判定道路通行能力的一种方法,这种方法最为人所熟悉的美国 道路通行能力手册 中规定的道路通行能力的数值,就是根据美国道路上的交通调查数据,参照理论分析,人为确定的。

还有一些研究者也曾研究过许多信号交叉口上的车流,是用回归分析法得出平均延误时间和车流量两者之间的关系。

目前在信号交叉口上估算车辆的平均延误普遍采用韦伯斯特公式[3]。

韦氏公式只适用V/C小于0 67的车流。

美国 道路通行能力手册 对车辆在路口延误给出计算公式,公式适用范围为V/C 1。

在应用上,数学的或半经验的模型都有其局限性。

在交叉口上车流的运行特性相当复杂,就是最繁复的数学模型也不得不采用宏观的方法,将所有车辆和驾驶员一般化而使其有相同的特征。

一个半经验模型需要相当大量的数据来修正它,而要得到符合精度要求的数据,无论从量上来说,或从要求的各级交通量来说,平常都很困难。

所要的交通量,即使找到,也常常不大可能在时间上持续得足够满足观测的要求。

虽然一个仿真模型的推导或验证,也是一个很复杂的过程,不过它没有像经验和数学模型法那么多的不利条件。

车流交叉仿真模型,可有很大的适应性来概括相当大范围的道路条件和交通条件[4]。

对仿真模型的输入,可随意使用特定的分布,交通控制方式,以及驾驶员的特征且可加以变动,此外,仿真时间也可以随意长短。

在仿真过程中一些有意义的数据,还可以输出。

4 2 仿真方法的确定
一个仿真模型开发需要先建立模型体系,使它能代表所要研究的现场的真实情况。

在研究道路车流中,常应用两种仿真形式,即类比仿真和数字仿真。

前者介乎现实世界和类比物理体系之间,而类比物理体系的各个部分的相互影响与真实情况应彼此相似;后者是将仿真体系的状况用数字方式加以存储,并按照存储的指令或模型规则,将仿真体系的状况随事态发展更新。

而体系更新可用两种方式,即定时扫描(Reg ular time scanning)或事件扫描(Event scanning)[5]。

应用定时扫描方式,是按等段扫描时间来考察车流体系的状态,及时计算出一个时段所有车辆的动态属性,并依据车流情况扫描模型的各个部分,然后,等到下一个扫描时段,再重复这样的过程。

选择扫描时段的长短,会影响模型的精度。

它的长短只要能概括所有车辆有意义的动作就够了。

但如扫描的时段选得太短,将增加计算机的运转时间。

因
此,扫描时段的选择,将决定于所用计算机的性能、仿真程序的目的以及车头时距形成的方法。

在应用事件扫描时,用来建立程序的事件要在程序运用中具有重要性的事件。

下一次有意义事件发生的时间,将由程序以及将事件调整到最新的车流情况来决定。

4 3 仿真模型的建立
建立信号交叉口仿真模型的目的,是为了研究交叉口的通行能力及运行延误。

该模型的基本结构如图4所示[6]。

图4 仿真模型结构示意图
由图4可以看出,交叉口仿真模型主要由道路模块、人 车单元模块和仿真模块组成。

道路模块是仿真模型中的基础单元,它描述了交叉口的道路纵坡、车道宽度、路面划线以及交通信号等组成部分,这些构成了交通仿真的静态外部环境,它还将和人 车单元模块建立的动态外部环境一起构成完整的交通仿真环境。

仿真模块定义了车辆的运行规则,其中包括发车模型与跟驰模型。

5 结束语
本文从信号配时、交通工程措施以及交通管理措施等方面提出了信号交叉口方案优化的研究框架,为分析交叉口通行能力及延误建立了仿真研究的思路,并对交叉口的交通组织的优化提供了方法和手段。

参考文献:
[1] 任福田,徐吉谦,朱长仁 交通工程学导论 北京:中国建筑
工业出版社,1987
[2] 全永 城市交通控制 北京:人民出版社,1989
[3] 任福田等译 道路通行能力手册 中国建筑工业出版社,1991
[4] Juan Zhi cai,Chen Ling,Zhang Jie A Simulation Model for Mixi ng
Traffic Flo w at an Inters ec tion Journal of Sys te ms Engineering and Elec
tronics,1996,7(3)
[5] 杨肇夏 计算机仿真及其应用 北京:北方交通大学,1997
[6] 荣建 高速公路基本路段通行能力研究 博士学位论文,北京:
北京工业大学,1999
信号交叉口交通组织与管理方案优化分析系统设计 马建明等。