单个交叉口定时信号控制的研究毕业论文

本科毕业论文单个交叉口定时信号控制的研究
引言
在城市道路中，交叉口是道路网络的节点所在, 相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集, 形成各类的冲突点, 国内外城市中交通堵塞主要发生在交叉口。

单点交叉口交通信号控制占城市交叉口的90%以上。

因此, 解决城市交通问题的关键在于如何合理、有效地组织好单点交叉口的交通问题。

本文针对单点交叉口定时信号配时优化进行了深入的研究。

1.研究背景及现状。

1.1研究背景
目前我国仅有的有关信号交叉口设计的国标是公安部颁发的《道路交通信号灯安装规范》( GB14886—94) 。

该标准主要规定了交通信号灯的安装依据、安装方法和要求, 对于信号灯的配时设计没有规定, 在实际中的参考意义不大。

而上海市颁布的《城市道路平面交叉口规划与设计规程》( DGJ08—96—2001) 仅是一部地方性规范, 对其他城市不具有约束力, 不能照抄照搬, 且有些方面没有将其细化和量化, 可操作性不强。

总的来说,国家和地方在信号交叉口设计方面的规范还基本处于空白状态。

1.2研究的目的与意义。

交叉口信号控制配时的最终目的是得到优化的信号配时参数: 信号相位及相序、信号周期时长和各相位信号绿信比等。

除此之外, 要使得信号控制方案在实际应用中能取得良好的效果, 还必须考虑各种实际条件的约束。

随着我国国民经济的高速发展，城市化进程的不断加快导致机动车保有量迅猛增长，交通需求尤其是道路的交通需求也随着急剧的增加。

为改善交通现状，满足日益增长的交通需求，近年来，通过不断加大城市交通基础设施建设投资及建设速度，交通状况也取得了长足的发展。

然而，交通拥堵、秩序混乱、事故频发、污染加剧等城市交通问题依然尖锐[1]。

通过研究我国城市的交通现状，发现造成交通拥堵的原因是多方面的，道路系统本身不够完善，或者交通管理和控制以及城市土地利用开发等缺少针对性。

与道路相比，平面交叉口的交通行为更为复杂，遭受到交通环境、人流、车流的
影响更大，并且因为其交通安全性差、通行能力低而成为影响城市道路通行能力的“瓶颈”。

根据统计资料，机动车在城市市区中的旅行时间很大一部分耗费在平面交叉口，而交通事故中的 60%是发生在平面交叉口及其周围的，并且随着城市机动车社会保有量和年增长幅度的提高而逐步提高。

因此平面交叉口作为转换交通流向的节点所面临的交通矛盾将日益突出，相应的交通治理在城市交通管理中也显得越来越重要。

一般来说，修建立体交通是比较直接可行的能够根除平面交叉口交通冲突的方法，但是经济、现有建筑物、用地面积和城市景观及环境等的限制，使得我们将所有的交叉口全部建成立体交叉是不太现实的。

既然在空间上消除路口交通冲突难以实现，那么人们就将重点放在时间这个要素上，期望从时间上解决路口的交通冲突，即利用信号配时的方法从时间上分离通过平面交叉口的车流，来减少平面交叉口交通冲突。

所以结合我国城市混合交通现状，在分析交叉口类型及交通特性的基础上，对交叉口的信号控制进行研究，对于改善城市道路交通拥堵状况、提高道路通行能力、减少交通事故具有十分重要的现实意义。

1.3国内外交通信号控制的现状
1.3.1国外研究状况：
用信号方式控制交通流的思想最早产生于 19 世纪初，1868 年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏特街口安装了一种红绿两色的信号灯，这是城市交通信号使用开始的标志。

1918 年，纽约的街口安装了一种手动的三色信号灯，首次出现真正意义上的信号灯。

1926 年，英国人在伍尔弗汉普顿安设了第一座自动交通信号机。

到上个世纪 60 年代，世界各国开始研究控制范围较大的信号联动协调控制系统，建立模拟各交叉口交通流状况的数学模型，以解决信号配时的优化问题。

1963 年，加拿大多伦多市建立了一套由 IB65O 型计算机控制的交通信号控制系统，这是道路交通控制技术发展的里程碑【2】。

20 世纪 80 年代初，先后出现了很多区域交通控制系统，如 TRANSYT(Traffic NetworkStudy Tool)、SCATS、SCOOT、RHDES，OPAC(Optimization Policies for Adaptive Control)，PRODYN。

第一个信号的发明产生了信号配时技术，交叉口信号控制理论在后期也逐步开始
研究，国外控制理论多种多样，但归结起来主要有两大类：阶段法和相位法、线道法。

1.3.2国内研究状况
我国在交通信号控制系统方面的工作起步较晚，解放前后很长一段时间，只有少数几座大城市有为数不多的单点定周期控制交叉口。

直到 20 世纪 70 年代，陆续试验了感应式、定周期信号控制。

1979 年北京前三门大街 4 个交叉口进行交通干道计算机（DJS-130 型计算机）协调控制试验成功。

到 1980 年单点定周期信号机在全国大中城市得到了较广泛的应用，北京、天津、上海等城市初步开始采用计算机进行干道协调控制和感应控制。

北京市在 20 世纪 80 年代末期引进了 TRANSYT 和 SCOOT 交通控制系统。

目前，天津、宁波、杭州等几个城市正在使用的是 SCATS 系统。

1990 年，由原来的西班牙圣科(SAINCOTRAFICO)公司开发研制成功了自适应交通信号控制系统 ITACA，国内己有长春、南宁、武汉、郑州等多个城市在应用【3】。

国内的单点信号交叉口的主要控制方法有很多种，两种典型方法为停车线法和冲突点法。

停车线法是由北京市政设计院提出的，以进口道的停车线作为控制面，车辆只要通过停车线断面就认为已通过交叉口。

冲突点法的基本思想是以冲突点为考察断面，分析整个相位实际交通运行情况，确定本向直行车和对向左转车通过冲突点所需要的各类时间，并使各类时间的总和小于或等于设计绿灯时长，来研究信号配时和通行能力的方法。

按照这样一种思想，车辆在进入交叉口前后的全过程中可能受到的阻滞均得到充分考虑，与车辆运行的实际状况相符。

交叉口的信号控制已取得较多的研究成果。

1998 年东南大学的顾怀中、王炜等针对我国城市道路交叉口的交通流特性，在考虑交叉口的延误、停车及通行能力的情况下，提出了交叉口交通信号配时的模拟退火全局优化算法，对交叉口的信号周期时长进行优化【25】。

1999 年，蒲琪、谭永朝、杨超在传统城市道路信号交叉口配时方法的基础上，根据车辆到达的和离去的离散特性，提出了离散条件下配时优化的延误模型【26】。

2001年，西北工业大学的黄辉先和史忠科提出了基于遗传算法的城市交叉口信号配时模型，该模型以交叉路口滞留车辆数最小为目标函数，其缺点是未考虑交叉口车辆在上一周期的时间延误【27】。

2003 年常云涛
提出了使用遗传算法以系统的总延误或停车次数最小为目标对干线协调控制方案进行优化的方法。

虽然可以得到很好的控制效果，但是遗传算法运行效率不高，不适合扩展至实时控制【28】。

2006 年高云峰提出按照概率思想求解相位参数的策略，优化目标为通过车流在主干道上的停车次数和停车延误最小。

2.交叉口信号的控制作用和性能指标
2.1 交通信号控制的作用和参数
交通信号控制的作用是将空间上相互冲突的交通流进行时间分离，使车辆能安全、迅速地通过交叉口。

交通信号控制参数分为时间参数和交通流参数，时间参数有信号周期、相位、绿信比，交通流参数有饱和流量、通行能力和饱和度。

2.1.1．步与步长
在一个信号交叉口，每个方向最多可以有红、黄、绿、左箭头、右箭头、人行红、人行绿。

当进行信号控制时，点亮某种颜色的灯分配通行权。

某一时刻，灯控路口各个方向信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态称为步，不同的灯色状态构成不同的步，步持续的时间称为步长。

2.1.2周期
用于指挥交通的红、绿、黄三种信号总是一步一步循环变化的，一个循环由有限个步构成，信号灯变化一个循环所用的时间称为信号周期。

信号周期即为一个循环内各步的步长之和，简称周期，用 C 表示。

若一个循环内有n步，各步步长分别为1t ，2t ，……，nt ，则
C = t + t + +t（2-1）
信号周期是决定交通信号控制效果优劣的关键控制参数，倘若信号周期取的太短，则难以保证各个方向的车辆顺利通过路口，导致车辆在路口频繁停车、路口的利用率下降；倘若信号周期取得太长，则会导致驾驶人等待时间过长，大大增加车辆的延误时间。

一般而言，对于交通量较小、相位数较少的小型路口，信号周期取值在 70s 左右。

最长周期时长一般不超过 120 秒，多相位控制时不超过 220 秒，否则会引起等待司机的烦躁和增加车辆延误时间。

适当的周期长度对交叉口交通流的疏散和减少车辆等待时间有重要意义。

信号周期长度的选取应根据某种优化性能指标
进行【33】。

2.1.3相位
在交通控制中，为了行车安全，避免平面交叉口上各个方向交通流之间的冲突，通常采用分时通行的方法，即在一个周期的某一个时间段，交叉口上某一支或几支交通流具有通行权（即该方向上的信号灯为绿色或绿箭头），而与之冲突的其它交通流不能通行（即该方向上的信号灯为红色）。

在一个周期的相同时段内，平面交叉口上某一支或几支车流所获得的通行权称为信号相位，简称相位。

一个周期内有几个信号相位，则称该信号系统为几相位系统。

显然，相位越多，交通的安全性越好，但交叉口的利用率越低，相位数增加不但会减少分配给各交通流的相位时间，同时由于相位交替次数增加而导致黄、全红的交叉口清空时间增加。

此外，相位数的增加也增加了绿灯信号开始时车辆启动引起的损失时间。

因此，从交通效率方面来看希望减少相位数。

对于一个交叉路口，根据实际情况可以设计为两相、三相、四相，六相甚至八相。

如图（2-1）为典型的四相位交叉口示意图【2】。

2.1.4．绿信比
绿信比是指一个信号周期内某信号相位的有效绿灯时间与信号周期的比值，用λ表示。

某信号相位的有效绿灯时间是指将一个信号周期内该信号相位能够利用的通行时间折算为被理想利用时对应的绿灯时长。

有效绿灯时间与最大放行车流率（饱和流量）的乘积应等于通行时间内最多可以通过的车辆数。

有效绿灯时间等于绿灯时间与黄灯时间之和减去部分损失时间，也等于绿灯时间与前损失时间之差再加上后补偿时间（后补偿时间等于黄灯时间减去后损失时间）。

其中，Gt 为绿灯时间，Yt 为黄灯时间，Lt 为部分损失时间，FLt 为前损失时间，BCt 为
后补偿时间，BLt 为后损失时间。

前损失时间是指绿灯初期，由于排队车辆需要起动加速、驶出率较低所造成的损失时间。

后损失时间是指绿灯时间结束时，黄灯期间停车线后的部分车辆已不允许越过停车线所造成的损失时间。

后补偿时间是指绿灯时间结束时，黄灯初期已越过停车线的车辆可以继续通行所带来的补偿时间。

绿信比是进行信号配时设计最关键的时间参数，它对于疏散交通流、减少车辆在交叉口的等待时间与停车次数都起着举足轻重的作用【34】。

在实际使用中，精确地确定损失时间是非常困难得，有时也是没有必要的，因此常常用某一相位的绿灯时间代替其有效绿灯时间，于是得到绿信比的近似计算公式：
2.2 交通信号控制的评价指标：
交通控制的评价指标，既是衡量和评估控制系统的控制效益的一些参数或物理量，也是制定控制策略、优化控制参数的目标函数。

一般的交通控制效益评价指标主要有：通行能力、延误、停车次数、行程时间、燃油消耗、废气排放等。

评价的目的是要客观地反映交通控制的实际效果，但由于有些评价指标之间存在着一定的关联性，因此，在实际评价时，通常选择其中的一项或几项作为实际的评价指标。

交通信号控制的目标是要寻求较大的通行能力、较低的饱和度，从而使得通过交叉口的全部车辆的总延误时间最短或停车次数最少。

2.2.1 通行能力
通行能力是指单位时间内连续通过车辆的能力，即是指在现有道路条件和交通管制下，车辆以能够接受的行车速度行驶时，单位时间内一条道路或道路某一截面所能通过的最大车辆数，用Q 表示。

其中，“现有道路条件”主要是指道路的饱和流量，“交通管制”主要是指交叉口的绿信比配置，而“能够接受的行车速度”对应于饱和流率。

通行能力与饱和流量、绿信比之间的关系可以用公式表示：
对于信号控制的交叉口，其通行能力分为相位通行能力和交叉口通行能力。

通行能力的大小与进口道饱和流量、信号配时等有直接关系。

相位通行能力是指一个相位关键车道在单位时间通过的车辆总数、或关键车道在整个信号周期时间所能提供的最大平均流量。

在道路条件一定的情况下，相位通行能力主要取决于相位的信号配时值与关键车道的饱和流量。

交叉口通行能力通常用相位关键车道通行能力（相位通行能力）的和表示。

其计算方法为：
式中，P 为交叉口通行能力，单位为辆/时(PCU/h)。

交叉口各方向入口道的通行能力是随其绿信比的变化而变化的，是一个可以调节的参量，具有十分重要的意义。

加大交叉口某信号相位的绿信比也就是加大该信号相位所对应的放行车道的通行能力，使其在单位时间内能够通过更多数量的车辆。

某一信号相位绿信比的增加势必造成其他信号相位绿信比的下降，从而导致其他信号相位所对应的放行车道的通行能力相应下降。

2.2.2 延误
延误是指车辆在受阻的情况下通过交叉口而损失的行驶时间。

由于单位时间段内到达交叉口的车辆数和车辆到达交叉口的时间间隔都是随机变化的，因此，在每个信号周期内，总有一部分车辆在到达交叉口停车线之前将受到红灯信号的阻滞，行驶速度降低或停车等待一段时间后起动加速通过交叉口。

根据延误产生的原因，可以分为：固定延误、停车延误、行驶延误、排队延误等【33】。

影响延误的因素很多，有些因素对延误的影响是随机的，有些则是相对固定的。

交叉口总的延误时间是指所有通过交叉口的车辆的延误时间之和，用 D 表示；交叉口的平均延误时间则是指通过交叉口的车辆的延误时间平均值，用 d 表示。

交叉口的平均延误时间是一个评价交叉口运行效果和衡量交叉口服务水平的重要指标，有十分重要的参考意义。

2.2.3 停车次数
车辆的停车次数（停车率）是指车辆在通过交叉路口时受信号控制影响而停车的次数，即车辆在受阻情况下的停车程度。

交叉口总的停车次数是指所有通过交叉口的车辆的停车次数之和，用H 表示；交叉口的平均停车次数则是指通过交叉口的车辆的停车次数平均值，用h 表示。

平均停车次数也是一个衡量信号控制效果好坏的重要性能指标。

减少停车次数可以减少燃油消耗、减小车辆轮胎和机械磨损、减轻汽车尾气污染、降低驾驶人和乘客的不舒适程度，同时确保交叉口的行车安全【34】。

对于一辆车，其延误时间越小，则停车次数也越小；而对于交叉口，总的延误
时间越小，总的停车次数未必越小。

因此交叉口的平均延误时间与交叉口的平均停车次数之间存在一定的关联性和差异性。

2.4 信号交叉口配时优化
2.4.1 相位方案设计原则
交叉口信号相位方案设计以分离交叉冲突车流、减少相互干扰、增强交叉口交通安全、提高路口的空间和时间利用率为主要目标。

综合考虑交通流运行效率、交叉口交通安全以及通参与者交通心理等因素后，应重点考虑如下基本原则[34]：（1）信号相位必须同进口道车道渠化（即车道功能划分）同时设计，当进口道较宽、左转车辆较多、需设左转专用相位时，应当设置左转专用车道；
（2）有左转专用车道且平均每个信号周期内有 3 辆以上的左转车辆到达时，宜设置左转专用相位；
（3）在同一信号相位中，各相关进口道左转车每周期平均到达量相近时，宜采用双向左转专用相位（对向左转车流一起放行），否则采用单向左转专用相位；（4）当信号相位中出现不均衡车流时，可以通过合理设置搭接车流（早断与滞后），最大程度的提高交叉口的运行效率。

2.4.2 周期时长
信号配时的主要设计参数有周期时长与各相位的绿信比。

其中，周期时长的选取是配时方案设计的关键所在，它决定了关键车流的判定，会影响到各相位绿信比的分配。

在正常情况下，适当增大信号周期时长，可以提高整个交叉口的通行能力、降低车辆平均停车次数，但却会使车辆平均延误时间有所增加。

1．最短信号周期时长
在理想情况下，当交叉口的信号周期运行最短信号周期时长时，一个周期内到达交叉口的车辆将恰好在一个周期内放完，既无停滞车辆，绿灯时间也无富余。

因此，最短信号周期Cm 应当恰好等于一个周期内全部关键车流总的绿灯损失时间加上全部到达车辆以饱和流量通过交叉口所需时间，即:
整理得：
式中，L为周期损失时间，为第i 个相位的最大流量比，Y 为全部相位的最大流量比之和。

2．最佳信号周期时长
采用最短信号周期时长作为控制周期是不可行的，如果采用最短信号周期时长作为交叉口信号控制周期，交叉口的饱和度将保持为1，随机平均延误时间将显著增加，控制效果很不理想；如果交叉口信号周期过长，均衡相位平均延误时间将会随之增长，控制效果也不尽如人意。

存在一个最佳信号周期时长，使得关键车流平均延误时间最小。

韦伯斯特最佳信号周期时长是以交叉口关键车流平均延误时间最小为目标的最佳信号周期时长计算公式。

经过反复近似计算，得到韦氏最佳信号周期时长的简化公式为：
2.4.3 相位绿灯时间
与信号周期的确定一样，相位绿灯时间的分配也是以平均车辆阻滞延误最小为原则，按照这个原则，各股关键车流的饱和度应大致相等，绿信比应该与相位的交通流比率成正比，即
进一步推理得到：
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