交通信号控制理论基础

第六章交通信号控制理论基础经过调查统计发现，将城市道路相互连接起来构成道路交通网的城市道路平面交叉口，是造成车流中断、事故增多、延误严重的问题所在，是城市交通运输的瓶颈。一般而言，交叉口的通行能力要低于路段的通行能力，因此如何利用交通信号控制保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行效率引起了人们的高度关注。交通信号控制是指利用交通信号灯，对道路上运行的车辆和行人进行指挥。交通信号控制也可以描述为：以交通信号控制模型为基础，通过合理控制路口信号灯的灯色变化，以达到减少交通拥挤与堵塞、保证城市道路通畅和避免发生交通事故等目的。其中，交通信号控制模型是描述交通性能指标（延误时间、停车次数等）随交通信号控制参数（信号周期、绿信比和信号相位差），交通环境（车道饱和流量等），交通流状况（交通流量、车队离散性等）等因素变化的数学关系式，它是交通信号控制理论的研究对象，也是交通工程学科赖以生存和发展的基础。本章主要针对建立交通信号控制模型所涉及到的基本概念、基本理论与基本方法，对交通信号控制的理论基础进行较为全面深入的阐述。6．1交通信号控制的基本概念城市道路平面交叉口是道路的集结点、交通流的疏散点，是实施交通信号控制的主要场所。根据交叉口的分岔数平面交叉口可以分为三岔交叉口、四岔交叉口与多岔交叉口；根据交叉口的形状平面交叉口可以分为T型交叉口、Y型交叉口、十字型交叉口、X型交叉口、错位交叉口、以及环形交叉口等。6．1．1交通信号与交通信号灯交通信号是指在道路上向车辆和行人发出通行或停止的具有法律效力的灯色信息，主要分为指挥灯信号、车道灯信号和人行横道灯信号。交通信号灯则是指由红色、黄色、绿色的灯色按顺序排列组合而成的显示交通信号的装置。世界各国对交通信号灯各种灯色的含义都有明确规定，其规定基本相同。我国对交通信号灯的具体规定简述如下：对于指挥灯信号：1、绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行；2、黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行横道的行人，可以继续通行；3、红灯亮时，不准车辆、行人通行；4、绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行；5、黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。对于车道灯信号：1、绿色箭头灯亮时，本车道准许车辆通行；2、红色叉形灯亮时，本车道不准车辆通行。对于人行横道灯信号：1、绿灯亮时，准许行人通过人行横道；2、绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已进入人行横道的，可以继续通行；3、红灯亮时，不准行人进入人行横道。6．1．2信号相位与控制步伐在空间上无法实现分离的地方（主要是在平面交叉口上），为了避免不同方向交通流之间的相互冲突，可以通过在时间上给各个方向交通流分配相应的通行权。例如，为了放行东西向的直行车流且同时避免南北向的直行、左转车流与其发生冲突，可以通过启亮东西向的绿色直行箭头灯将路口的通行权赋予东西向直行车流，启亮南北向的红灯消除南北向直行、左转车流对东西向直行车流通行的影响。对于一组互不冲突的交通流同时获得通行权所对应的信号显示状态，我们将其称之为信号相位，简称为相位。可以看出，信号相位是根据交叉口通行权在一个周期内的更迭来划分的。一个交通信号控制方案在一个周期内有几个信号相位，则称该信号控制方案为几相位的信号控制。图6-1就是一个采用四相位信号控制的控制方案。一个路口采用几相位的信号控制应由该路口的实际交通流状况决定，十字路口通常采用2～4个信号相位。如果相位数设计得太少，则不能有效地分配好路口通行权，路口容易出现交通混乱，交通安全性下降；如果相位数设计得太多，虽然路口的交通次序与安全性得到了改善，但由于相位之间进行转换时都会损失一部分通行时间，过多的相位数会导致路口的通行能力下降，延长司机在路口的等待时间。第一相位第二相位第三相位第四相位图6-1四相位信号控制方案实例为了保证能够安全地从一个信号相位切换到另一个信号相位，通常需要在两个相邻的信号相位之间设置一段过渡过程，例如对于图6-1所示的信号控制方案而言，从第一信号相位切换到第二信号相位，中间可能需要设置东西向绿色直行箭头灯闪烁、东西向黄灯亮、路口所有方向红灯亮等过渡过程。对于某一时刻，路口各个方向各交通信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态组合，称为控制步伐，不同的灯色状态组合对应不同的控制步伐。因此一个信号相位通常包含有一个主要控制步伐和若干个过渡性控制步伐。控制步伐持续的时间称为步长，一般而言主要控制步伐的步长由放行方向的交通量决定，过渡性控制步伐的步长取值为2～3秒。6．1．3交通信号控制参数1.时间参数（1）信号周期信号周期是指信号灯色按设定的相位顺序显示一周所需的时间，即一个循环内各控制步伐的步长之和，用C表示。信号周期是决定交通信号控制效果优劣的关键控制参数。倘若信号周期取得太短，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，则会导致司机等待时间过长，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70秒左右；对于交通量较大、相位数较多的大型路口，信号周期取值则在180秒左右。（2）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。CtEG（6-1）式中，tEG表示有效绿灯时间。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所对应的绿灯时长。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）。BLYFLGBCFLGLYGEGttttttttttt（6-2）式中，tG表示绿灯时间；tY表示黄灯时间；tL表示部分损失时间；tFL表示前损失时间；tBC表示后补偿时间；tBL表示后损失时间。部分损失时间是指由于交通安全及车流运行特性等原因，在相位可以通行的时间段内没有交通流运行或未被充分利用的时间。部分损失时间由前损失时间和后损失时间两部分组成。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。在绿灯初期车流量由小变大，由零逐渐上升到最大放行车流率。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。后损失时间与后补偿时间之和等于黄灯时间，恰恰也正反映了黄灯的过渡性与“两面性”。在黄灯期间车流量由大变小，由最大放行车流率逐渐下降到零。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。某一信号相位的绿信比越大则越有利于该信号相位车辆的通行，但却不利于其它信号相位车辆的通行，这是因为所有信号相位的绿信比之和必须小于1。（3）最短绿灯显示时间最短绿灯显示时间是指对各信号相位规定的最低绿灯时间限值，用Gm表示。规定最短绿灯显示时间主要是为了保证车辆行车安全。如果绿灯信号持续时间过短，停车线后面已经起动并正在加速的车辆会来不及刹车或者使得驾驶员不得不在缺乏思想准备的情况下来个急刹车，这都是相当危险的，很容易酿成交通事故。在定时信号控制交叉口，需要根据历史交通量数据确定一个周期内可能到达的排队车辆数，从而决定最短绿灯显示时间的长短；在感应式信号控制交叉口，则需要根据停车线与车辆检测器之间可以容纳的车辆数确定最短绿灯显示时间的长短。（4）绿灯间隔时间绿灯间隔时间是指一个相位绿灯结束到下一相位绿灯开始的这中间一段时间间隔，用I表示。设置绿灯间隔时间主要是为了确保已通过停车线驶入路口的车辆，均能在下一相位的首车到达冲突点之前安全通过冲突点，驶出交叉口。绿灯间隔时间，即相位过渡时间，通常表现为黄灯时间或黄灯时间加上全红时间。全红是指路口所有方向均显示红色信号灯，全红时间是为了保证相位切换时不同方向行驶车辆不发生冲突、清除交叉口内剩余车辆所用时间。为了避免前一相位最后驶入路口的车辆与后一相位最先驶入路口的车辆在路口发生冲突，要求它们驶入路口的时刻之间必须存在一个末首车辆实际时间间隔，这个时间间隔由基本间隔时间和附加路口腾空时间两部分构成。其中，基本间隔时间是由车辆的差异性和运动特性决定的时间量，其大小一般取值为2～3秒；附加路口腾空时间则是由路口特性决定的时间量，其大小大体上可以根据两股冲突车流分别从各自停车线到达同一冲突点所需行驶时间差来确定。在定时控制中，绿灯间隔时间可取为末首车辆实际时间间隔；而在感应控制中，如果在停车线前埋设了检测线圈，则该线圈可以测量到前一相位最后车辆离开停车线与前一相位绿灯结束之间的时间差，从而可以得到绿灯间隔的可压缩时间，因此此时的绿灯间隔时间可取为末首车辆实际时间间隔与绿灯间隔可压缩时间之差，从而提高路口的通行能力。（5）损失时间损失时间是指由于交通安全及车流运行特性等原因，在整个相位时间段内没有交通流运行或未被充分利用的时间，用l表示。损失时间等于绿灯显示时间与绿灯间隔时间之和减去有效绿灯时间，等于绿灯间隔时间与后补偿时间之差加上前损失时间，也等于部分损失时间与全红时间之和。RLLYGGFLBCEGGtttttItttItItl（6-3）式中，tR表示全红时间。对于一个信号周期而言，总的损失时间是指所有关键车流在其信号相位中的损失时间之和，用L表示。而关键车流是指那些能够对整个交叉口的通行能力和信号配时设计起决定作用的车流，即在一个信号相位中交通需求最大的那股车流。交叉口总的绿信比是指所有关键车流的绿信比之和，即所有关键车流的有效绿灯时间总和与信号周期之比值，可以用公式（6-4）表示：CLCnkk1（6-4）利用图6-2可以直观地反映以上各时间参数及其相互关系。前损失时间后补偿时间后损失时间绿灯显示时间有效绿灯时间饱和流量时间放行车流率绿灯间隔时间损失时间t1t2t3t4t5t0图6-2获得通行权的车流在其相位期间通过交叉口的流量图示图中，t0对应绿灯启亮时刻，t2对应放行车流率达到饱和流量的时刻，t3对应黄灯启亮时刻，t5对应红灯启亮时刻。在t0至t2时间段，即放行车流率未达到饱和流量期间，放行车流率曲线与时间轴围成的面积等于该时间段内通过交叉口的车辆数，可以等效于以饱和流量放行时在t1至t2时间段内通过交叉口的车辆数，即等于以t1至t2为底、以饱和流量为高所构成的虚线框的面积，因此图中t0至t1的线段长为前损失时间。类似可以推知t3至t4的线段长为后补偿时间，t4至t5的线段长为后损失时间。2.交通流参数（6）交通流量交通流量是指单位时间内到达道路某一截面的车辆或行人数量，用q表示。到达交叉口的交通流量是指单位时间内到达停车线的车辆数，其主要取决于交叉口上游的驶入交通流量，以及车流在路段上行驶的离散特性。交通流量通常随时间随机变化，且变化规律比较复杂，既包括规律性的变化，也包括非规律性的变化，换而言之，交通流量在不同的时间段内将围绕某一平均值上下波动。（7）饱和流量饱和流量是指单位时间内车辆通过交叉口停车线的最大流量，即排队车辆加速到正常行驶速度时，单位时间内通过停车线的稳定车流量，用S表示。饱和流量取决于道路条件、车流状况以及配时方案，但与配时信号的长短基本无关。具体而言，影响道路饱和流量大小的道路条件主要有车道的宽度、车道的坡度，影响道路饱和流量大小的车流状况主要有大车混入率、转弯车流的比率、车道的功能，影响道路饱和流量大小的配时方案主要指信号相位的设置情况。饱和流量值应尽量通过现场实地观测求得，但在某些情况下，尤其是在设计一个新的交叉口时，由于无法使用实测的方法求得饱和流量值，此时可以使用一些公式或图表来近似求取道路的饱和流量值。常用的计算方法有韦伯斯特法、阿克塞立科法、折算系数法、停车线法、冲突点法等。（8）通行