城市平面信号灯交叉口通行能力分析与优化设计

城市平面信号灯交叉口通行能力分析与优化设计

华中科技大学硕士学位论文城市平面信号灯交叉口通行能力分析与优化设计

摘要提高城市平面信号交叉口效率的问题，近年来一直是学术界研究的焦点。对交叉口效率的衡量通常是以通行能力和与之相应的服务水平为标准。城市信号交叉口的通行能力，主要与信号配时、道路和交通设施的几何特征，以及交叉口的交通特性休戚相关。论文力图通过分析这几个方面，透过交叉口错综复杂的交通流运动现象，使信号交叉口有较为清晰的面容，探讨提高信号交叉口通行能力、服务水平和安全性的有效措施。本文所追求的是可量化的、可操作的措施，而不仅仅是定性意义上的泛泛而谈。同时，摈弃过于学究气、令人生畏的分析公式，试图提供一些有助益的易于操作的策略。尽可能参考每一方向的权威著作的最新版本，在总结借鉴国内外相关经验的基础上，对交叉口的空间设计进行完整详细的分析，并为交叉口的信号配时方法、交叉口信号评价方法提出了系统而清晰的框架。首先，从空间设计角度深入探讨交叉口的渠化设计方法，详细介绍城市平面信号灯交叉口每一构成部分设计和改良的措施，给出了若干可操作的建议，引入目前国内还没有的一些有效增加通行能力和安全性的方法。譬如，利用路缘扩展缩短行人过街距离，将自行车道安置在右转机动车道的左边等等。其次，关于交叉口信号控制方面，从近些年国外信号控制的若干成果入手，系统且详细地介绍了交叉口信号控制的类型，选择何种控制方式的建议，信号配时的流程，以及相位设计的方法。鉴于左转车流是引起交叉口冲突的最重要原因，本文尤其注重对左转相位设计的探讨。文章对国外经验的介绍考虑了我国交叉口的实际交通状况，提出的建议具有可实施性。最后，当交叉口的信号控制方案确立以后，面临的问题是新的控制方案是否真的优于旧方案，若有多个备选方案，哪一个最具优势，因此对方案的选择和评价非常重要。本文系统探讨了交叉口信号控制方案的评价方法、评价层面，尤其详细介绍了目前世界上最为风行的美国道路通行能力手册评价分析方法。此外，对安全的考虑贯穿本文的始终，作者希望以此来表示交通设计者对生命敬畏的心情。

绪论1.1 研究背景世界上最繁忙的城市大多有着最拥堵的城市交通，而这些拥堵集中地体现在城市交叉口。城市交叉口是城市交通的瓶颈，平面信号灯交叉口在城市交叉口中占据着主导地位，其设计的优劣，极大地影响着着整个城市交通的效率与安全。存在潜在的交通流冲突是城市交叉口的固有特性。来自各个方向的车流集中在交叉口，且由多个方向的交通流汇入造成众多的冲突点，导致交叉口常常人车纠结，效率低下，并且往往是交通事故的多发地带。据统计，城市整体交通中有约45％的交通事故发生在交叉口；14％的恶性交通事故发生在城市中央商务区，而其中2/3发生在交叉口1 。对城市平面信号灯交叉口通行能力的研究，可以有效提高城市交通整体的效率。广泛的实践已经证明，通过合理的几何设计以及对交叉口的交通控制管理来分离交叉口冲突的交通流，提高交叉口的通行能力是提高城市交通安全与效率的有效方法。对于交叉口通行能力的挖掘，可以使时空资源得到有效利用，从很大程度上改善交叉口的运行状况。本文正是从这一角度出发，来探讨提高城市平面交叉口通行能力的方法。

1.2 国内外相关问题的研究进展1.

2.1 国外对城市平面交叉口通行能力及其优化的研究美国交通研究理事会（Transportation Research Board）的道路通行能力手册（Highway Capacity Manual）提供了一系列技术来评估交通设施的通行能力以及服务水平，这其中包括道路、交叉口以及为行人、自行车提供的交通设施等。在过去的50 余年中，HCM 为此作出了不懈的努力，在交通学界赢得了独一无二的倍受尊崇的地位。1 FHWA Course on Bicycle and Pedestrian Transportation FHWA Washington

D.C.2001 1 华中科技大学硕士学位论文HCM 最初的版本发表于1950 年，这是第一份提出量化交通设施通行能力概念的文件；接着，1965 年的版本首次提出了服务水平的概念，这在以后成为了制定交通规划、交通设计，以及交通控制的基本依据；HCM1985 年版，以及之后的升级版94和97 版，成为应用最为广泛的版本，被译成数十种语言在世界范围内流传，（其中HCM85 中文版的译者为任福田，1989 年出版）并且渐渐成为交通界评价服务水平以及通行能力的标准参考书，被世界各地的

交通分析学者们所依赖。HCM2000 是美国道路通行能力手册的最新版本，也是目前这一领域的最权威著作。先前的版本侧重于对高速公路通行能力的研究，但是后来研究的力度则越来越侧重于对复杂状况下的交通设施的通行能力的分析。这本卷帙浩繁的HCM2000 共有一千余页（而HCM1950 仅仅150 余页），31 个章节，被组织在相对独立的5 卷中。它显示了多个机构集中交互的努力，包括美国交通研究理事会（TransportationResearch Board）、美国联邦公路局（the Federal Highway Administration），美国高速公路与交通官方联合会（the American Association of Highway and TransportationOfficials），以及其他的一些组织。在交叉口优化研究方面，从几何设计角度给出道路与交叉口设计的指导角度，最具权威的是美国国家公路与运输协会（American Association of State Highway andTransportation Officials AASHTO ）的城市道路与高速公路几何设计策略 A Policy onthe Geometric Design of Streets and Highways，这份文件又称Green book，从几何设计角度，详细介绍了城市平面交叉口设计的策略。此外美国联邦公路局FHWA 也对此做了大量的专项调查和报告，例如：Study Tour for Pedestrian and Bicyclist Safety inEngland Germany and The Netherlands，1994；Course on Bicycle and PedestrianTransportation，2001；Geometric Design Practices for European Roads，2001；DesigningSidewalks and Trails for Access，1999；等等。从平面交叉口信号控制方面，美国联邦公路局的Manual on Uniform TrafficControl Devices MUTCD 提供了道路交通控制的详细标准，也是这一方面的权威著作；明尼苏达州交通部Minnesota Department of Transportation（MnDOT）的交通信号控制协调手册Traffic Signal Timing and Coordination Manual，则对交通信号的控制与协调做以详尽的介绍。美国联邦公路局2001 年的信号配时过程最终研究报告Signal Timing Process Final Report，以及2005 年的以极少资金信号配时Signal Timing 2 华中科技大学硕士学位论文

on a Shoestring，侧重于对信号配时的步骤和流程的电气学方面的研究；SignalizedIntersections: Informational Guide 则对信号灯交叉口设计做了全面的指引和建议。除此之外还有，俄勒冈州交通部Oregon Department of Transportation 的交通信号策略指导方针Traffic Signal Policy and Guidelines；Agent K.R. N. Stamatiadis 与 B. Dyer.合著的左转相位安装指导方针Guidelines for the Installation of Left-Turn Phasing.等等。西方许多发达国家继美国之后，如英国、法国、德国、瑞典、澳大利亚、加拿大等，也根据本国的实际情况，组织研究人员开展过道路通行能力方面的研究，在美国HCM 基础上，采用借鉴或改进的办法，编制了适合本国国情的有关道路交叉口通行能力方面的工具手册。德国在无信号交叉口的通行能力的研究中作出了突出的成就，他们在道路与交叉口的通行能力研究中发表了相当数量的学术论文，取得了较为深入的研究成果，这些成果中许多被《美国道路通行能力手册》直接引用。同时，德国的通行能力手册亦直接采用了他们的研究成果。德国巫宁博士1998提出了一种可以更精确地计算不同优先等级车流的通行能力影响的理论方法，在共享车道和有限停车位情况下，巫宁博士也提出了一种理论方法。这些成果，就目前交叉口通行能力研究的进展来看，处于国际先进水平，但理论成果实际应用还需要验证。日本1958 年第一次制定了公路技术标准，其关于通行能力的思路是引用美国《道路通行能力手册》的研究方法。1970 年日本对公路技术标准进行了修改，在“公路技术标准解说与应用”中，加进了通行能力新的计算方法，反映了第二版美国《道路通行能力手册》和日本当时的研究成果。1985 年日本发布了《道路通行能力》一书。印度尼西亚是发展中国家，交通中混有高比例的摩托车和非机动车，交叉口交通流状况与发达国家存在很大的差异。为了避免交通分析中的错误，从1982 年开始由万隆工业学院的学生和研究人员一起研究道路通行能力，通过对本国情况与西方国家的差异分析，在大量交通调查的基础上，于1983 年和1984 年分别编写出版了反映印度尼西亚交通流特征的第一版和第二版《印度尼西亚公路通行能力手册》。随着信息技术的发展，以计算机为辅助工具，利用可重复性可延续性模拟交通运输状况进行道路交叉口通行能力的研究也在各国进行着。目前世界上较为流行的四套模拟软件分别是：美国的HCM 系统，与美国的HCM 手册相配套，用于各种交通 3 华中科技大学硕士学位论文设施下的交通运行分析；澳大利亚ARRB 开发的SIDRA 系统，主要适用于各类交叉口的运行分析；瑞典公路局的CAPCAL 系统和荷兰公路局的PTDESIGN 软件，分别为交叉口和环岛的交通模拟模型。