城市路网交叉口信号配时的研究与应用（确定）

城市路网交叉口信号配时的研究与应用

中文摘要

随着城市地区私人小汽车保有量的迅速增加，道路交通拥堵日益严重，并受到广泛关注。作为城市道路的重要组成部分，交叉口通常也是整个城市道路交通系统的瓶颈点。提高交叉口运行效率的方法很多，其中，改善交叉口信号配时是最直接有效的方法之一。因此，研究城市道路交叉口信号配时方法具有重要的理论价值和实际意义。

然而道路设计工程师在设计交叉口时无论是车道功能划分、渠化方案还是路口改造必要性都较多的以经验为主，主观因素较强，缺少交通量相关资料和相关理论支持。

本课题以城市道路交叉口信号配时为研究对象，选择延误、饱和流量比、通行能力作为衡量配时方案的指标。建立了信号配时模型，并以实例演算了交叉口配时方法，从而为以上道路交叉口设计问题提供指导依据。

在既有研究成果基础上，课题主要进行了如下工作：

1.回顾了城市道路交叉口信号发展历史，介绍了信号控制的基本概念，对易引起混淆的信号相位和信号阶段这两个概念通过示例中的信号配时图进行说明。

2.明确绿灯间隔矩阵概念，确定其在信号配时流程中的重要作用，填补国内相关理论的空白。

3.选择延误、饱和流量比、通行能力作为交叉口信号控制的优化目标，分析交叉口信号配时的方法和评价体系。

关键词：信号交叉口；延误；饱和流量比；通行能力。

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城市路网交叉口信号配时的研究与应用

ABSTRACT

With private car ownership in urban areas, the rapid increase

in road traffic congestion is worsening, and attracted widespread attention. As an important component of urban roads,intersections usually the urban road traffic bottleneck in the system point. Improve the efficiency of the intersection of many ways in which to improve traffic signal timing is one of the most direct and effective way. Therefore, the study of urban road intersection signal timing method has important theoretical and practical significance.

However, the design engineers in the design of the intersection of the road when both lanes, function, junction or transformation of drainage of

the program need to have more experience-based, strong subjective factors, the lack of traffic and related theoretical support.

The topics to urban road intersection signal timing for the study, select the delay, saturation flow ratio, when the traffic capacity as a measure of the program with the target. The establishment of signal timing model, and example calculations of the intersection with

the time method, whichgives guidance on the issue based on these roads.

In both studies, based on the thesis work carried out as follows:

1. Reviewed the history of urban road intersection signal, introduced the basic concepts of signal control, easy to cause confusion on the signal phase and

signal phase of these two conceptsthrough examples of signal timing diagram shows.

2. Clear concept of the green interval matrix, determining the signal timing of its important role inthe process to fill the gaps in the domestic theory.

3. Select the delay, saturation flow ratio, signal control intersection traffic capacity as the optimization target, the intersection signal timing analysis methods and evaluation system.

Keywords: Signalized intersection; delay; saturation flow ratio; traffic capacity.

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目录

中文摘要................................................................................................................ I ABSTRACT .......................................................................................................... II 第一章 绪论.......................................................................................................... 1

1.1 课题的背景与研究意义......................................................................... 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................... 2

1.2.1 国外研究现状.............................................................................. 2 1.2.2 国内研究现状.............................................................................. 3

第二章 交叉口信号控制基本概念及典型控制系统.......................................... 6

2.1 信号控制基本概念................................................................................. 7

2.1.1 信号灯色...................................................................................... 7 2.1.2 信号相位、信号阶段.................................................................. 7 2.1.3 信号控制基本参数...................................................................... 8 2.1.4 实例.............................................................................................. 8 2.2 典型信号控制系统............................................................................... 10

2.2.1 TRANSYT系统 ......................................................................... 10 2.2.2 SCATS系统................................................................................ 11 2.2.3 SCOOT系统 .............................................................................. 12

第三章 绿灯间隔矩阵........................................................................................ 13 第四章 信号配时的方法.................................................................................... 15

4.1 确定各进口道各流向设计交通量....................................................... 15 4.2 饱和流量............................................................................................... 15

4.2.1 基本饱和流量............................................................................ 16 4.2.2 各类车道通用校正系数............................................................ 16 4.2.3 直行车道饱和流量.................................................................... 16 4.2.4 左转专用车道饱和流量............................................................ 17 4.2.5 右转专用车道饱和流量............................................................ 18 4.2.6 直左车道饱和流量.................................................................... 20 4.2.7 直右合用车道饱和流量............................................................ 20

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4.2.8 直左右合用车道饱和流量........................................................ 20 4.2.9 左右合用车道饱和流量（三岔交叉口）................................ 21 4.3 负荷度................................................................................................... 21 4.4 延误....................................................................................................... 22

4.4.1 配时参数.................................................................................... 22 4.4.2 通行能力与饱和度.................................................................... 24 4.4.3 服务水平评估............................................................................ 24

第五章 应用实例................................................................................................ 28 第六章 结论与展望............................................................................................ 29

6.1 主要工作总结....................................................................................... 29 6.2 展望....................................................................................................... 29

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第一章 绪论

1.1 课题的背景与研究意义

随着我院市场的不断扩大及项目设计深度的不断深化，交通组织问题也逐渐成为了制约我院技术发展的瓶颈。本课题旨在于研究城市道路交叉口信号控制的方案设计及其对路口渠化的指导作用。

目前城市交通工具尤其是私人小汽车保有量增长率远远高于新建道路的里程增长率，致使城市交通需求量与供给量严重不匹配。高峰时段，城市主要道路绝大部分都在高负荷运行，道路拥挤不堪，车辆行驶缓慢。据调查，北京市区部分主要干道高峰期间平均车速仅为12km/h左右，有些道路甚至低于7km/h，导致居民出行时间成本大幅上升，出行舒适度随之下降，车辆燃油消耗和尾气排放成倍增加，环境污染加剧。有数据表明：我国机动车尾气对氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物的贡献率分别为64%、92%、51%。如何有效解决城市交通的拥堵和环境污染等问题，成为摆在城市交通管理者和交通研究人员面前的重要课题当人们发现只靠新建城市交通基础设施，提高既有道路等级等方法仍不能解决城市交通问题时，转而开始借助城市交通管理和控制的手段来解决交通问题。

信号控制交叉口是城市道路交通的关键点，也是交通管理和控制的重要方式，据统计，美国几乎有一半以上的城市交通事故发生在交叉口，日本大城市中机动车在市中心有1/3的旅行时间被消耗在交叉口。可见，交叉口的通行效率已经严重制约了整个城市交通的运行效率，提高交叉口的通行效率是解决城市交通问题的关键所在。

在道路条件一定的情况下，交叉口信号配时方案直接影响着整个交叉口的通行效率。一般来讲，提高交叉口的通行效率措施之一是优化交叉口运行的相关指标，包括：通行能力，饱和度，延误，停车次数，停车率，燃油消耗，尾气排放噪声等，而这些指标都会受到信号配时的影响，各个指标值之间甚至还会存在相互矛盾的现象。例如：随着周期时间的延长，通行能力增大，但是车辆的平均延误、停车次数、燃油消耗也在增加。通常情况下，要根据交叉口的实际状况和设计者的偏好，给予某些指标较大的权重，另一些指标较小的权重，设计出合理的配时方案，达到综合效益的最优。

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基于上述原因，本课题对城市道路信号交叉口的配时方法进行了研究，对交叉口信号控制的三个主要目标：延误、停车次数、通行能力进行分析，然后根据合理信号配时确定车道功能，或提出改造渠化方案。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

国外学者对城市道路信号控制及配时方法研究起步较早，早在19世纪，英国就出现了交通信号灯，人们开始使用信号灯指挥交叉口车辆有序运行。1926年，英国人在wolverhampton设置了第一座自动交通信号灯。从上世纪50年代开始，随着通信技术和计算机技术的迅速发展，美国开始将计算机控制技术应用在交叉口信号控制上，从1952年到1961年短短十年间，美国建立了100多个使用计算机控制的交通信号系统。进入60年代，世界各国开始研究区域范围内的信号控制系统，各种信号控制系统层出不穷。近年来，交通领域的学者在城市交通管理控制方面进行了大量的研究工作，主要表现为以下几个方面：

(l)交通流理论方面

初期，研究人员主要借助数学中的概率论与数理统计方法描述交通流参数之间的关系，Kinzer首次提出将概率中的泊松分布应用于交通流领域的可能性，随后，Greenshields等人提出了线性速度—密度关系，并将泊松分布理论应用于实际的交叉口分析中。后来，人们将力学中的流体力学模型应用在交通流中，Lighthin和Witham提出了连续模型，并引入了流体力学中的连续方程，之后，Pipes等人提出了车辆跟驰理论。近年来，随着计算机技术在交通领域中的广泛应用，人们开始将计算机仿真技术和人工智能技术应用在交通流理论中，出现了元胞自动机模型和广义的气体动理论模型等。

(2)交叉口信号控制评价方面

信号交叉口的通行能力，延误，停车次数是评价交叉口信号控制的重要指标。国外对通行能力和延误的研究起步较早，并且做了大量的研究工作，韦伯斯特方法在计算通行能力和延误方面具有里程碑意义。在此基础上，澳大利亚学者引入了停车补偿系数，将车辆延误和停车次数结合在一起，用综合评价指标来评价信号控制效果，其是对韦伯斯特模型一次成功的修正，该思想也被后来的学者广泛

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采用。此外，美国道路通行能力手册中的关于延误和通行能力的方法也有重要意义，其仍是在韦伯斯特模型的基础上进行相应的改进的。

(3)交叉口信号控制系统与控制理论方面

交通控制系统由最初的定时式脱机控制系统(例如TRANSYT)，到后来的混合式控制系统(例如SCATS、SCOOT)，发展到如今的完全在线控制系统，其根据实时的交通状态，在线调整更新配时方案。目前，随着计算机技术和通信技术在交通领域中的广泛应用，信号控制系统也得到了长足的发展。

在控制理论方面，Pappis最早在交通控制领域引入模糊逻辑理论，其设计出模糊逻辑控制器并应用于交叉口控制，Nataksuji等将神经网络应用于交通控制中，通过优化绿信比和相位差达到最优控制效果，Park等通过使用遗传算法进行信号优化调整，得到最优的信号配时方案，Abdulhai，Wiering等使用再励学习的思想来设计交通信号控制系统，它可以准确的，实时的进行信号配时优化。

(4)仿真技术开发应用方面

计算机仿真技术在交通领域有着广泛的应用，早在上世纪50年代，国外己经开始了计算机仿真技术的研究，70年代，由美国研发的TRAF一NETSIM模型，可以模拟单个车辆的运动，属于微观仿真模型，该模型经过多次升级，功能日渐完善，在交通管理控制领域有着广泛的应用。80年代以来，各种交通仿真软件大量涌现，常见的有西班牙开发的AIMSUN，通过两种不同的仿真方式，模拟不同的交通控制交叉口，可以提供详细的数据输出；德国PTV公司开发的VISSIM，核心模型是心理一生理跟车模型；美国联邦公路署开发的CORSIM，可以用于城市道路和高速公路的仿真；英国研发的PARAMICS，其可以为出行信息提供预测，并模拟驾驶员对路径费用认知的变化。这些仿真软件在全球范围内获得了广泛的应用。近年来，随着相关学科理论的不断发展，交通仿真软件功能不断完善，仿真效果也越来越好，例如模糊理论的发展为研究交通行为中的不确定行为提供了理论基础。

1.2.2 国内研究现状

我国在交叉口信号控制方面的研究起步较晚，随着国民经济的快速发展，机动车保有量快速增长，交通问题日益严重，交通领域的研究人员进行了大量的研

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究，主要有：

徐冬玲等鉴于交叉口系统难以用精确的数学模型来描述，将模糊控制器应用于单个路口信号灯控制，并采用神经网络进行实现，所提出的方法是实时单点控制的方法，应用于实际交叉口控制中，取得了较好效果。

杨晓光等结合我国城市交通的特点，分析了交叉口车辆实际运行状态，在韦伯斯特延误算法的基础上，提出了不同车道功能组合、不同车种构成、不同排队顺序等条件下的欠饱和状态车辆延误摸拟算法。

顾怀中等对交叉口的延误、停车次数、通行能力等目标采用动态目标函数同时进行优化，并采用模拟退火优化方法进行模型的求解，与韦伯斯特方法进行对比，部分指标在优化后要好于传统的方法。

尹宏宾等针对交通流的不确定性和随机性，把专家系统和信号配时理论结合起来，提出了一种基于知识的信号配时方法，并通过相关软件进行实现，然后对交叉口配时进行优化。

杨煌普等着眼于信号控制的实时性和区域性，提出了将再励学习与遗传算法相结合的遗传再励学习方法，寻找合适的绿信比和周期，为交通信号控制提供了一种新的思路。

袁以武等提出了交叉口设置有左转专用信号灯的情况下的车辆延误计算方法，分析了车辆从排队处到达停车线以及驶过停车线的整个过程，得到与之相对应的车头时距分布函数。结果表明，在欠饱和状态下，左转车比例较高时，采用文章提出的计算方法得到的延误值更接近实际情况。

马万经等指出了HCM2000中的延误计算模型由于假设条件导致其在计算实时动态延误方面的不准确性，然后根据延误产生的机理，借助检测器建立了实时动态车辆延误计算模型，并对模型进行处理，通过使用VISSIM仿真，所得延误结果更能够反映真实的延误，随后分析了模型的适用条件。

葛亮研究了混合交通条件下的车辆延误的整个过程以及相位相序设计方案，采用层次分析法和矩阵迭代法构建信号交叉口交通评价体系，然后，采用数学方法并结合信号配时理论设计了信号配时的交通质量评价软件，并通过实际数据进行验证。

黄一峰以关联交叉口群为研究对象，以停车延误为优化目标，建立了交叉口

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信号协调控制模型体系；以车流的离散特性为出发点，在DI Robertson车流离散模型的基础上，以线控系统停车延误最小为目标，建立了城市干道线控协调控制模型；在交通流力学特性、时空延续性的基础上，得出了动态关联交叉口群的概念以及量化的条件。

减利林将混沌理论应用在短时交通流预测中，为交叉口信号控制提供准确的交通流信息；在考虑了行人和非机动车的基础上，通过优化绿信比和相位，提出了单交叉口信号模糊控制算法，增加了有效绿灯时间，降低了延误；然后将HCMZ000延误模型和Robertson车队离散模型相结合，以平均延误为优化目标，提出了交通子区域划分的信号优化配时模型。

李武胜等通过使用Petri网系统将信号交叉口的车辆运行系统和信号控制系统结合起来，然后对各交叉口车流运行控制系统使用交叉口车流的公共状态进行组合，得到区域车流运行控制系统，最后利用Petri网系统对建立的控制系统进行评价，并在评价指标的基础上得到区域交通优化方法。

从国内外研究成果看，目前对于城市道路信号交叉口的配时方法的研究较多从延误、停车次数、通行能力分别进行分析，较少有同时考虑上述三个目标的研究工作。部分虽有考虑多个目标的优化方法，但是对于各目标权重的取值，具有较大的主观性，使其适用性受到限制。

本课题将同时选择交叉口总延误、总停车次数、总通行能力作为衡量配时方案的指标并通过合理信号配时确定路口渠化方案及改造的必要性。

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第二章 交叉口信号控制基本概念及典型控

制系统

早在19世纪，英国伦敦首次使用交通信号灯，指挥车辆有序进出交叉口，其有红绿两种颜色，只有在夜间点燃为行人和车辆照明并安全通过路口。到1917年，美国出现了手动操纵的三色信号灯，随后，英国人研制出自动控制信号机，在美国和欧洲的大城市的交叉口获得了广泛的应用。

早期的交通信号灯对于交叉口车辆安全有序的运行起到了很好的作用，但是随着城市交通的发展，由于原始的信号灯只有一种固定的配时方案，无法适应交叉口不同时段交通量起伏变化的情况，造成车辆的延误增加和油耗的浪费。

后来，人们研制出一种新型信号机，其可以贮存不同的信号配时方案，这样可以适应一天中不同时段交通量起伏变化的特点，这种信号机是按照事先存储的时间表，在不同时段轮换执行不同的配时方案。显然，这种多段配时信号机比先前的单一配时信号机有了很大的进步，提升了交叉口的通行效率，即使在今天，这种类型的信号机也有着广泛的应用，然而这种固定方案的信号机也存在缺陷，即不能根据交叉口的实时交通量动态的进行信号灯配时方案的调整。

20世纪30年代，美国率先研制并使用了感应式信号机，其最大的优点是可以根据交叉口车辆的到达情况进行动态的信号灯配时方案的调整，但是，感应式信号灯也存在弊端，即当车辆到达量超过交叉口的通过能力时，感应控制方式失去灵活性。

自20世纪60年代以来，计算机技术和通信技术的发展，为交通信号控制的发展奠定了坚实的基础，各国相继开始研究可以进行大范围使用的信号联动协调控制系统，并在实际中取得了很好的效果。英国学者开发的TRANSYT作为第一代区域控制系统，因其高效的控制效果，获得了广泛的推广，并被各国采用，然而，第一代区域控制系统是经过计算机程序脱机运算得到固定配时方案，不能依据道路实际情况进行实时配时调整。

20世纪70年代，英国率先开展第二代区域控制系统的研究，并成功研制出SCOOT系统。随后，澳大利亚也推出了SCATS系统，新系统克服了原系统不能动态生成配时方案的缺点，通过数据反馈自控系统，根据路网实际交通情况，使

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用在线计算机程序调整配时参数，得到最佳控制方案。我国各大城市也几乎都建立了区域交通控制系统。

随着计算机信息技术的迅速发展，信号控制技术已经朝着智能化，信息化方向发展，形成了智能交通控制系统。

2.1 信号控制基本概念

2.1.1 信号灯色

(1)信号绿灯

信号绿灯表示允许车辆、行人通行，车辆和行人获得通行权，常用符号G(s)表示。

(2)信号红灯

信号红灯表示禁止车辆、行人通行，车辆和行人失去通行权，红灯启亮时，车辆禁止越过停车线，常用符号R(s)表示。

(3)信号黄灯

信号黄灯表示提醒驾驶员，信号灯色即将变更为红灯，己越过停车线的车辆可以继续行驶，其余车辆应该在停车线后依次排队等候，常用符号A(s)表示。黄灯的设置是考虑了交叉口交通安全的要求，一般黄灯时长为3一55。

(4)全红

全红是指交叉口所有信号灯色均为红灯，它是黄灯时间的延续，目的是使滞留在交叉口内部的车辆安全地驶离交叉口，常用符号r(s)表示。全红时间的取值与交叉口的几何条件和交通条件有关，可依据实际情况进行适当的调整。

2.1.2 信号相位、信号阶段

(1)信号相位

信号相位是指一股或者几股车流，在一个信号周期内，任何时刻都能获得相同的信号灯色，把获得的灯色的连续组合定义为信号相位。

(2)信号阶段

车流通行权的每一次转换就称为一个信号阶段。信号相位是根据车流获得的

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信号显示时序划分的，信号阶段是根据车流获得的通行权在一个周期内的轮换次数来划分的。

2.1.3 信号控制基本参数

(1)信号周期

信号灯色交替循环显示一个回合的时间，称为一个信号周期，常用符号C(s)表示。

(2)绿灯间隔时间

相邻两个相位的绿灯终止时刻和起始时刻的时间差，一般包括黄灯时间和全红时间，常用符号I(s)表示。

(3)有效绿灯时间

能够被有效利用的绿灯时间，等于绿灯时间减去损失时间。 (4)损失时间

由于车辆启动和停车需要相应的加速和减速时间，这些不能够被利用的时间称为损失时间。

(5)绿信比

有效绿灯时间与周期的比值称为绿信比。

2.1.4 实例

下面以一交叉口为例，如图2-1，对上述概念进行具体说明。 (1)信号条件：

该交叉口信号灯控制分为五个信号阶段，如图2-2，信号阶段i的起始点和终止点分别用Fi和Fi+I，(i=1，2，3，4)，信号阶段5的终止点即FI。

(2)各参数的计算方法: 以相位i为例：

有效绿灯时间为gi；损失时间为li=ai+bi，，其中ai表示启动损失，bi表示清尾损失；绿信比λ=gi/C。对于周期而言，各参数计算方法如下：

有效绿灯时间：

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损失时间：

(2-1)

绿信比：

(2-2)

(2-3)

图2-1 交叉口示意图

图2-2 交叉口信号阶段

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2.2 典型信号控制系统

2.2.1 TRANSYT系统

TRANSYT是用于路网信号协调配时设计的一种方法，最初由英国道路运输研究所提出，经过多年的改进，在世界范围内获得了广泛的应用，目前最新版本是11版。TRANSYT属于脱机操作的固定配时系统，主要由优选方法和交通模型组成如图2-3，对已知交通状况的交叉口，给出合适的配时方案。

TRANSYT把包含多个参数的运行指标(油耗、延误、停车次数等)作为优化目标函数，其可靠程度和预测准确度自然要高于仅以延误时间作为唯一目标函数的传统方法。

TRANSYT的交通模型在确定最优配时方案时，选择“爬山法”作为计算方法，充分反映了车流的运动特点和相互之间的影响。

TRANSYT方法中有如下几条基本假设：

(1)在路网上，所有交叉口均由信号灯控制(或由优先通行权控制)。 (2)在仿真的路网范围内，所有信号灯交叉口，均使用一个相同的信号周期长度；或者，某些交叉口采用相同周期长度的二分之一作为它的信号周期。每个交叉口信号阶段划分情况以及各信号阶段的最短时间是相同的。

图2-3 TRANSYT工作原理图

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2.2.2 SCATS系统

SCATS控制系统是一种实时自适应控制系统。该系统是自70年代开始研究，并于80年代初投入使用。最初应用于澳大利亚悉尼市，故而得此名。目前，我国的上海等城市采用了SCATS系统。这一系统是由澳大利亚新南威尔士干线道路局的西姆斯(A.Gsims)等人开发的，实际上也是一种实时配时方案选择系统。西姆斯等人为SCATS系统寻求一种能最大限度地减少路网上车辆的延误时间和停车次数的配时参数优化“算法”，用以对三项基本参数一信号周期、绿信比及相位差进行优选。诚然，在目前的SCATS系统中，并没有使用模拟实时交通的数学模型，但它却也有一套以实时交通数据为基础的“算法”，用于实时方案选择。按不太严格的归类方法，这种系统也可算作一种实时反馈控制系统。

SCATS为分层式三级控制结构，包括:中央监控中心，区域控制中心，信号控制器，如图2-4。

中央监控中心既需要集中监视整个系统的运行状况以及工作状态，又需要动态存储区域控制中心的数据和信号控制器的运行参数。

区域控制中心对信号控制器进行实时控制，把1一10个信号控制器作为子系统，依据实际交通情况，子系统既可以合并又可以分开，非常灵活。

图2-4 SCATS控制系统结构

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2.2.3 SCOOT系统

SCOOT控制系统也是一种实时自适应控制系统，由英国TRRL开发。该系统将车辆检测器安装在交叉口各进口道的最上游，将采集到的车辆到达信息，进行联机处理，形成控制方案，在线实时地调整信号参数(相位差、周期、绿信比)，得到最佳的配时方案，使之匹配于实际道路的交通状况，如图2-5。

此外，SCOOT还有专门的监测系统，既可以检测出故障，又可以将交叉口的实时的信号配时方案和车辆运行状态输出在终端设备上，提供给操作人员。

图2-5 SCOOT控制系统结构

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第三章 绿灯间隔矩阵

在之前介绍的信号控制基本参数里面，绿灯间隔时间是一个非常重要的参数，他直接关系的该信号配时系统的安全性。而在国内的一般做法中该参数的计算方法如下：

z I = + t s （3-1）

uaz —停车线到冲突点的距离，m；

ua—车辆在进口道上的行驶车速，m/s； ts —车辆的制动时间，s。

当计算绿灯间隔时间I<3s时，配以黄灯时间3s；I>3s时，其中3s配以黄灯，其余时间给红灯。

不难看出，该计算方法虽然正确，但是却并未明确以哪两个车流计算绿灯间隔时间，也不清楚那个绿灯间隔时间为该相位的绿灯间隔时间。而一般在实际配时计算中，均采用估算方法，即小交叉口绿灯间隔时间取3s，大交叉口绿灯间隔时间取5s。事实上这种估算不仅十分不准确，而且忽略了行人的安全性，因而德国首先提出了绿灯间隔矩阵概念，并应用到实际。其方法即计算任意两个灯组（即车流或行人流之间）的绿灯间隔时间，并排列成矩阵，待确定初始信号方案后即可在该矩阵中确定每两个相位之间的绿灯间隔时间。

图3-1 绿灯间隔矩阵

由图3-1可以看出，在确定交叉口几何条件后，应给所有灯组编号，例如图

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中的A、B、C、D分别代表交叉口西进口道的左转、直行、右转、东西向行人，然后通过公式3-1计算任意两灯组间的信号间隔时间并列于矩阵内。在确定初始信号方案后，即可知前后两相位的灯组组成，通过查找绿灯间隔矩阵并找到两相位灯组间绿灯间隔时间最大值即为该两相位间的绿灯间隔时间。

该方法虽然繁琐且计算得到的损失时间较大，但也正因如此才能充分的保证交叉口的安全性尤其是行人的安全。

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第四章 信号配时的方法

到目前为止，定时信号的配时方法在国际上主要有英国的TRRL法（也称Webster法）、澳大利亚的ARRB法以及美国的HCM法等。在我国有“停车线法”和“冲突点法”等方法。随着研究的不断深入，定时信号的配时方法也在进一步的改进之中。这里，在综合研究英国、澳大利亚和美国等国家以及我国现有的配时方法的基础上，结合我国城市交通的特点，讨论定时信号配时的基本方法(上海方法)。

4.1 确定各进口道各流向设计交通量

确定设计交通量时，应按交叉口每天交通量的时变规律，分为早高峰时段、下午高峰时段、晚高峰时段、早、晚低峰时段、中午低峰时段及一般平峰时段等各时段，然后确定相应的设计交通量。已选定时段的设计交通量，须按该时段内交叉口各进口道不同流向分别确定，其计算公式如式4-1。

q d mn = 4 × Q 15 （4-1） mnq式中： d mn — 配时时段中，进口道m、流向n的设计交通量pcu/h；

Q 15 mn — 配时时段中，进口道m、流向n的高峰小时中最高15min的

流率pcu/15min。

无最高15min流率的实测数据时，可按下式估算：

Qmn q ＝ (4-2) dmn(PHF)mn 式中：Q mn — 配时时段中，进口道m、流向n的高峰小时交通量pcu/h；

4.2 饱和流量

是在一次连续的绿灯信号时间内，进口道上一列连续车队能通过进口道停车线的最大流量，单位是pcu/绿灯小时。

饱和流量随交叉口几何因素、渠化方式及各流向交通冲突等情况而异，比较复杂。因此，应尽量采用实测数据，实在无法取得实测数据时，如新建交叉口设计时，才考虑用以下估算方法。

饱和流量用实测平均基本饱和流量乘以各影响因素校正系数的方法估算。

S bi ×f (F S f = i ) (4-3)

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式中：S bi —第i条进口车道基本饱和流量(pcu／h)； f (F —各类进口车道各类校正系数。 i)4.2.1 基本饱和流量

各类进口车道(3.0～3.5m)各有专用相位时的基本饱和流量如下。

表4-1 各类进口车道基本饱和流量表

左转车道 右转车道 1300～1800，平均1550 1550 车道 直行车道 各类进口道基本饱和流量Sbi（pcu/h） 1400～2000，平均1650 4.2.2 各类车道通用校正系数

(1)车道宽度校正

1w=3.03.5fw=0.4(w0.5)2.7≤w≤3.0 （4-4）

0.05(w+16.5)w>3.5式中：fw—车道宽度校正系数；

W—车道宽度（m）。 (2)坡度及大车校正

f=1-(G+HV) g （4-5）

fg — 坡度及大车校正系数；

G —道路纵坡，下坡时取0 ；

HV— 大车率，这里，HV不大于0.50。

4.2.3 直行车道饱和流量

直行车流受同相位绿灯初期左转自行车的影响时，直行车道设计饱和流量除

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须作通用校正外，尚须作自行车影响校正，自行车影响校正系数按下式计算：

1+bLfb=1- g e （4-6） f b — 自行车影响校正系数； b L — 绿初左转自行车数（辆/周期）。

b L 应用实测数据，无实测数据时，可用下式估算：

βLB(C-ge)b= L C （4-7） B — 自行车流量（辆/周期）。

? b— 自行车左转率；

C — 周期时长s，先用初试周期时长计算；

g e— 有效绿灯时长s，无信号配时数据时，按下式粗略确定：

G

ge=ej（4-8） 式中：j — 周期内的相位数。 直行车道饱和流量：

×××g S T = S bT f w f f b （4-9）

式中： S T — 直行车道饱和流量，pcu/h；

S bT — 直行车道基本饱和流量，pcu/h

4.2.4 左转专用车道饱和流量

A、有专用相位时

S L = S bL × f w × f g （4-10） 式中：S L — 有专用相位时左转专用车道饱和流量pcu/h； — 左转专用车道有专用相位时的基本饱和流量pcu/h； B、无专用相位时

S L ' bL × f W × f g × f L （4-11） = S 左转校正系数：

qTOf=exp0.001ξ l 0 .1 （4-12）

λ17

城市路网交叉口信号配时的研究与应用

'式中: S L — 无专用相位时左转车道饱和流量pcu/h;

ξ — 对向直行车道的影响系数，见表4－2; q to —对向直行车流量（pcu/h）；

λ —绿信比，缺信号配时数据时，按下式估算。

Geλ= （4-13）

jC表9-2 对向直行车道数的影响系数

影响系数 1.0 0.625 0.51 0.44 对向行驶车道数 1 2 3 4 4.2.5 右转专用车道饱和流量

A、有专用相位时

× S R = S bR × f w × fg f r （4-14） 式中： R －有专用相位时右转专用车道的饱和流量，pcu/h）； S S －有专用相位时右转专用车道的基本饱和流量， bR f r －转弯半径校正系数。按式（4－15）计算。

fr= 式中：r －转弯半径m。 B、无专用相位时

10.5+r30r>15r≤15 （4-15）

''S=S×f×f×f×f R bR w g r pb （4-16） ' S R－无专用相位时右转专用车道的饱和流量pcu/h；

fpb －行人或自行车影响的校正系数。 行人影响校正系数 f p ：

f , f p （4-17） pb = min f b 行人影响校正系数 f p ：

(1-pf)gp+(geR-gp) f p = （4-18）

Cpf－右转绿灯时间中，因过街行人干扰，右转车降低率； 式中：

18

[]城市路网交叉口信号配时的研究与应用

g p －过街行人消耗的绿灯时间，s； g eR －右转相位有效绿灯时间，s； C －信号周期时长，s；

按上式估算有困难时，建议按表9-3取。 自行车影响校正系数 f b ：

tTf=1 b g （4-19）

j式中：g j—该相位显示的绿灯时长，s；

t T —直行自行车绿灯初驶出停车线所占用的时间，s;

表9－3 行人影响系数表

行人少（<20人/周期） pf＝0.15 周 期 geR/C 0.4 60 90 120 0.88 0.87 0.87 0.5 0.88 0.87 0.86 0.6 0.87 0.86 0.86 geR/C 0.4 0.45 0.40 0.37 0.5 0.42 0.38 0.36 0.6 0.40 0.36 0.35 行人多（>20人/周期） pf ＝0.7

bbTSb3600bTDtT=(TS+TD)=+STSSTDWb(STSWb/3600)(STDWb/3600) （4-20）

b TS －红灯时间到达停在停车线前排队的直行自行车的交通量（辆/周 期）；

b TD －绿灯时间到达接在排队自行车队后直接连续驶出停车线的直行 自行车的交通量（辆/周期）；

S TS －红灯期到达排队自行车绿初驶出停车线的饱和流量，建议取3600辆/m.h；

S TD —绿灯期到达直接驶出停车线的饱和流量,建议取1600辆/m.h；

W b —自行车道宽度，m。

交通量应用实测数据，无实测数据时用简化方法估算：

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城市路网交叉口信号配时的研究与应用

3600 (1 ( 1 - λ ) b- λ )bTTtT== S TS W b S W b / 3600 （4-21） TS式中：； b T — 直行自行车每周期平均交通量（辆/周期）

4.2.6 直左车道饱和流量

S TL = S T × f TL （4-22） 直左合流校正系数：

= ( qT f TL + q L ) / q T （4-23）

'q+ q T = K T （4-24） TqL

' K L = L （4-25） S T / S S TL — 直左合用车道饱和流量（pcu/h）； fTL — 直左合流校正系数；

q T — 合用车道中的直行车交通量（pcu/h）； q L — 合用车道中左转车的交通量（pcu/h）；

' q T — 合用车道中直行车当量（pcu/h）；

' K L — 合用车道中的左转系数 。

4.2.7 直右合用车道饱和流量

STR=ST×fTR （4-26）

直右合流校正系数：

fTR=(qR+qT)/qT （4-27）

（4-28）

'qT=KRqR+qT''=S R （4-29） K R S T /4.2.8 直左右合用车道饱和流量

A、普通相位兼有行人影响 取(6) 、(7)条计算结果的较小值；

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城市路网交叉口信号配时的研究与应用

B、有单向左转相位或单向交通（无冲突） 参照第(3)条计算(直行车道饱和流量计算)

4.2.9 左右合用车道饱和流量（三岔交叉口）

S=SL×fLR LR （4-30） 左右合流校正系数：

'+ q R ) / q L fLR = (q L （4-31） 'q L （4-32） q L = K R q R + '/S K S L R =R （4-33）

式中：SLR —左右合用车道饱和流量（pcu/h）； fLR —左右合流校正系数；

qL —合用车道中左转车交通量（pcu/h）； qR —合用车道中右转车交通量（pcu/h）；

' q ； L —合用车道中左转车当量（pcu/h）

KR —合用车道中的右转系数。

4.3 负荷度

计算各相位中各车道的负荷度

QIiy=i S I （4-34）

iI计算相位负荷度

y I = max( y Ii ) （4-35） 计算交叉口总负荷度

y I ≤ Y = ∑ 0 .9 （4-36）

如若Y＞0.9其导致原因有如下几种：

（1）初始相位周期不合理，需调整重新迭代试算 （2）初始车道功能划分不合理，需重新划分再迭代试算

（3）若以上两次重新迭代都无法使得Y≤0.9，则说明现有道路条件无法满足交通需求，需要拓宽渠化提高服务等级，或调整路网结构降低改路口交通需求。

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城市路网交叉口信号配时的研究与应用

然而事实上，即使Y≤0.9，也不代表该路口就一定满足交通需求，在第二章所讲述的各个控制系统中阐述了评价交叉口服务等级的各种指标，其中尤以延误、饱和度、通行能力、停车次数和油耗最具代表性。在我国现行交叉口评价体系中，大多采用延误评价体系，即在初步计算交叉口信号配时成果基础上通过计算该交叉口平均延误来确定服务等级。

其中通行能力与延误是一对相互矛盾的概念，例如增大信号周期可提高通行能力，但是延误会随之增大，因而在迭代试算Y时会出现不合理的加大周期来减小Y。所以在初始信号配时迭代试算成功后仍需要计算服务等级来最终确定渠化改造方案。

4.4 延误

4.4.1 配时参数

在计算交叉口信控延误前，需要明确如下配时参数：

（1）信号损失时间：在一次信号周期内，任何方向都不能通行的时间，属于信号损失时间。

（2）有效绿灯时间：实际绿灯时间、黄灯时间中，除掉损失时间后，实际用于通车的时间即为有效绿灯时间。

g = g + A - l （4-37）

ege — 有效绿灯时间，s； g — 实际显示绿灯时间，s； A —黄灯时间，s； l —起动损失时间，s。 （3）信号总损失时间

)k L = ∑ ( L s + I - A （4-38）

k L s — 起动损失时间（绿初+黄末），应是实测，无实测数据时取3s； A — 黄灯时长，可定为3s； I — 绿灯间隔时间,s；

K — 一个周期内的绿灯间隔数(相位数)。 （4）信号周期

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城市路网交叉口信号配时的研究与应用

一、最短周期时长：

在一个周期内，到达交叉口的车辆恰好在一个周期内被放完，既没有停滞车辆，而信号周期时间也没有剩余——绿灯时间被充分利用。

CminLL=Y?Cmin=C1-Y min （4-39）

二、最佳周期时长：信号控制交叉口上，能使通车效益指标最佳(定时信号交叉口车辆延误最小)的交通信号周期时长。

1.5L+5 C 0 = ≈ 2 C min （4-40）

1Y三、最大周期时长：周期时长不是可以无限制增长的，否则会使交叉口信号时间的利用率明显降低，延误时间反而会增加。周期时长增大可提高通行能力，但周期达到一定程度后（约120s）,通行能力提高缓慢，但延误却增长很快，所以一般周期时长不宜超过120s。考虑到车辆安全通行及行人过街所需的最短绿灯时间要求，周期不宜过短，最小值可定义为40s。

（5）总有效绿灯时间：一个周期内实际用于通车的时间。

Ge=Co-L （4-41） （6）各相位有效绿灯时间

ygej=Gej Y （4-42）

（7）各相位绿信比

gλj=ej C o （4-43） （8）各相位显示绿灯时间

- Alj （4-44） g j = g ej j + lj—第j相位起动损失时间。 （9）最短绿灯时间

Lp g min = 7 + - I （4-45）

vp23

城市路网交叉口信号配时的研究与应用

4.4.2 通行能力与饱和度

（1）通行能力

道路交通通行能力表征道路交通设施能够处理交通的能力。其通用定义是：道路交通设施中，在要考察的地点或断面上，单位时间能够通过的的最多交通单元。是交通规划，交通工程设计与交通管理等交通工程有关个领域中必不可少的一个重要指标。

信号交叉口的通行能力分别按各条进口车道估算，一般以小车当量单位计；信号交叉口一条进口道的通行能力是此进口道上各条进口车道通行能力之和；一条进口车道的通行能力是该车道的饱和流量及所属信号的相位绿信比的乘积。

geCAp=∑CAP=Sλ=S(∑ii∑iC)iii （4-46） i i

CAP i — 第i条进口车道的通行能力pcu/h； S i — 第i条进口车道的饱和流量pcu/h； λ i — 第i条进口车道所属的信号相位的绿信比； g e — 该信号相位的有效绿灯时间s； C — 信号周期时长。 （2）饱和度

各条车道饱和度是各车道实际到达交通量与该车道通行能力之比。 x = q i （4-47）

iCAPi4.4.3 服务水平评估

信号交叉口设计与交通信号配时的服务水平，根据计算的平均信号控制延误确定。用作交叉口的服务水平评价的延误是15min分析期间的平均每辆车的信号控制延误（简称信控延误）。信号交叉口延误是反映车辆在交叉口上受阻，行驶时间损失的评价指标。能够综合反映交叉口的几何设计与信号配时优劣。

（1）延误估算

延误是一个影响因素十分复杂的指标。影响因素包括交叉口几何特征、相交道路的面层结构、交通量和行人对机动车的干扰程度，及其他的交通流特性，还

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城市路网交叉口信号配时的研究与应用

有交叉口的信号配时方案的选择等等，因此延误计算比较困难，能考虑进去的因素较少，所以理论计算所得结果难于精确符合实际情况。所以应采用现场观测的延误数值作为评价依据，特别是对原有交叉口进行评价分析或作改善效果的前后对比分析，有条件作现场分析，无法现场观测时，采用估算法。

首先分别进行估算各车道的每车平均信控延误；进口道每车的平均延误是进口道中各车道延误加权平均值；整个交叉口的每车平均延误是各进口道延误之加权平均值。

一、信号交叉口各车道延误估算

d 2 + d = d 1 + d 3 （4-48） d —各车道每车平均信控延误（s/pcu）;

d1—均匀延误，即车辆均匀到达所产生的延误（s/pcu）;

d2—随机附加延误，即车辆随机到达并引起超饱和周期所产生的附加延误（s/pcu）;

d3—初始附加延误，即在延误分析期初停有上一时段留下积余车辆的初始排队使后续车辆经受的附加延误（s/pcu）。

A、设计交叉口

对于设计交叉口，因要满足设计服务水平的要求，不应出现在分析期初留有初始排队的情况，即不应出现现有初始排队附加延误，则设计交叉口时各车道延误用下式估算：

d = d 1 （4-49） +d2

(1-λ)2d=0.5C 1 1 - min[ 1 , x ]λ （4-50） 8exd2=900T[(x-1)+(x-1)2+T] CAP （4-51） C —周期时长（s）;

λ —计算车道所在相位的绿信比； χ —所计算车道的饱和度；

CAP—所计算车道的通行能力（pcu/h）； T—分析时段的持续时长(h)，取0.25 h；

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城市路网交叉口信号配时的研究与应用

e—单个交叉口信号控制类型校正系数，定时信号取e=0.5；感应信号e随饱和度与绿灯延长时间而变，绿灯延长时间为2～5s时建议的平均值如下表。

表4-4 建议e值

χ ≤0.5 0.6 0.7 e 0.04～0.23 0.13 ～ 0.28 0.22 ～ 0.34 平均值 0.13 0.20 0.28 χ 0.8 0.9 >1.0 e 0.32 ～ 0.39 0.41 ～ 0.45 0.5 平均值 0.35 0.43 0.50 B、原有交叉口

对原有交叉口做延误评估时，应考虑初始排队的延误，如式（9-48）：

u （4-52） d = d t u + f d T - t 1sauTTds —饱和延误（s/pcu）；

) （4-53） d s = 0 .5 C (1 - λ

(1-λ)2du=0.5C 1 min[ 1, x ] λ （4-54） du—不饱和延误（s/pcu）；

Qbtu=min[T,] CAP min( 1 , x )] （4-55） [1tu—在T中积余车辆的持续时间（h）；

1—p f a = （4-56）

1—λQb—分析期初始积余车辆（辆），须实测； fa—绿灯期车流到达率校正系数；

P —绿灯期车流到达车辆占整周期到达量之比，可实地观测。

8exd2=900T[(x-1)+(x-1)2+T] （4-57） CAPQ3600b1800T[1min(1,x)]t=Tu= CAP d Q t （4-58） 3

tu

二、各进口道的平均信控延误

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城市路网交叉口信号配时的研究与应用

d iq d A = ∑ i / ∑ q i （4-59）

iidA —进口道A的平均信控延误（s/pcu）；

di —进口道A中第i车道的平均信控延误（s/pcu）； qi —进口道A中第i车道小时交通量换算为高峰15min的 交通流率（辆/15min ）。 三、整个交叉口的平均信控延误

/ ∑ d I = ∑ d Aq q A （4-60） A

A（2）服务水平

每车平均信控延误数值与信号交叉口服务水平的对应关系如下表：

表4-5 延误-服务水平

服务水平 A B C

每车信控延误(s) ≤10 11～20 21 ～ 35 服务水平 D E F 每车信控延误(s) 36～55 56 ～ 80 >80 27

城市路网交叉口信号配时的研究与应用

第五章 四相位十字交叉口应用实例

应用举例见附图

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城市路网交叉口信号配时的研究与应用

第六章 结论与展望

6.1 主要工作总结

本课题以城市道路交叉口信号配时为研究对象，以指导道路渠化改造为目标，以饱和流量比和延误为评价指标，分析了信号配时的具体方法及其指导意义。

本课题的主要工作总结如下：

（1）分析了国内外关于城市道路交叉口信号配时的相关理论，考虑到交叉口是城市道路的关键点，衡量其运行效率的指标颇多，本文提出选取其中最基本的三个量即车辆延误、饱和流量比、通行能力作为综合评价交叉口运行行为的基础。

（2）本文分析了信号控制的基本概念和基本参数，并通过示例对其进行说明，比较了信号相位和信号阶段两个概念的差异。

（3）分析了国内在绿灯间隔矩阵理论上的空白，阐述了该矩阵的制作方法、应用条件和必要性。

（4）分析了城市交叉口信号配时的方法、评价体系，反馈意见，并通过实例计算加以说明。

6.2 展望

城市道路交通系统是一个复杂的系统，信号交叉口只是其中的一个子系统，本文只是对其进行了一些初步的探索，还有很多地方有待进一步研究：

（1）关于延误、停车次数、通行能力权重的确定方法，本文采取定性和定量相结合的方法，而且得到的权重是定值，没有随着交通流量的变化而变化。

（2）文章只选取了延误、饱和流量比、通行能力三个衡量交叉口运行的基本量，没有考虑诸如油耗、尾气排放等对信号配时的影响，因此，后续研究可以把这些因素考虑在内。

（3）国内在信号配时上没有专用的软件，一般都是手工试算或借助仿真工具，将来考虑探索研发专门针对交叉口信号配时的软件。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/giw6.html