交通规划-西南交通大学课程与资源中心

交通工程学（5）交叉口信号配时设计西南交通大学交通运输学院杨飞（博士、讲师）本科课程交通运输学院主要内容信号周期（Cycle）和相位（Phase）；车流释放车头时距（DischargeHeadways）；饱和流率（SaturationFlowRate）；损失时间（LostTime）；有效绿灯时间（EffectiveGreenTime）；关键车道（CriticalLane）；关键车道最大流量总和；最合适周期长度（AppropriateCycleLength）；左转等效（Left-TurnEquivalency）。1基础概念与原理1.1信号周期组成（ComponentsofSignalCycle）（1）周期（Cycle）和周期长度周期是指红、绿、黄信号显示一个循环所；周期长度是指红、绿、黄信号显示一个循环所用的时间，单位为秒，通常用“C”表示。（2）绿灯时间（GreenInterval）在绿灯时间内，每个流向车流每个周期内都有一个绿灯时间，允许通行的车辆行驶，其它车辆禁行，通常用Gi表示。1基础概念与原理1.1信号周期组成（ComponentsofSignalCycle）（3）黄灯时间（YellowInterval）又称变化时间，由绿灯信号转变为红灯信号的过渡，目的是为了缓冲不能瞬间停车、保障安全停车，通常用yi表示。（4）红灯时间（RedInterval）在红灯时间内，每个流向车流每个周期内都有一个红灯时间禁行的车辆停止，其它车辆行驶通过交叉口，通常用Ri表示。1基础概念与原理1.1信号周期组成（ComponentsofSignalCycle）（5）清扫间隔时间（ClearanceInterval）即全红时间（allred），设置的目的是为了确保在黄灯时间内进入交叉口的车辆在冲突车流释放前安全离开交叉口，通常用ari表示。1基础概念与原理1.2相位（Phase）相位是按照路口车流获得信号显示的时序来划分，有多少种不同显示时序就有多少个信号相位。最基本的两相位：1基础概念与原理1.2相位（Phase）四相位1基础概念与原理1.3释放车头时距（DischargeHeadways）排队车流启动过程的车头时距分析：第1个：绿灯开始与第一辆车前轮越过停车线的时间差；第2个：第一辆车和第二辆车前轮越过停车线的时间差；第3，4，¨¨：以此类推计算思考车头时距在排队车辆启动过程中变化规律？1基础概念与原理1.2释放车头时距（DischargeHeadways）假设给定地点观察平均车头时距，将车辆位置与平均车头时距关系绘制如下图所示：……1234NStopline△i1基础概念与原理1.3释放车头时距（DischargeHeadways）特征1：第一个车头时距相对较长，因为排队车流第一位司机要经历感知反应过程（perception-reactionsequence）和加速启动过程；△i1基础概念与原理1.3释放车头时距（DischargeHeadways）特征2：第二个车头时距较第一个车头时距短，因为第二位司机可以重叠部分感知反应时间和加速过程；△i1基础概念与原理1.3释放车头时距（DischargeHeadways）特征3：接下来连续的车头时距都较前一个小，最终在第4、5辆车通过时趋于常值h，这时排队车辆完全加速状态通过停车线，队列稳定行驶。△i1基础概念与原理1.4饱和车头时距（SaturationHeadway）常值h称为饱和车头时距，单位为秒/车1.5饱和流率（SaturationFlowRate）假设1：每辆车都以h秒时间通过交叉口；假设2：交叉口一直处于绿灯时间状态。饱和流率为假设1、2条件下每小时内每条车道通过的车辆数S，单位为辆/小时/车道；表征交叉口最大理想通过能力。3600S=h1基础概念与原理1.5饱和流率（SaturationFlowRate）车道组（Lanegroup）饱和流率通过每车道饱和流率乘以单条车道饱和流率得到；事实上，交叉口信号灯不可能一直绿灯，因此需要采取一定的机理考虑周期性的启动和制动。1基础概念与原理1.6启动损失时间（Start-UpLostTime）1ii△i1基础概念与原理1.6启动损失时间（Start-UpLostTime）释放排队车流n所需的绿灯时间模型：此模型给出饱和车头时距和启动损失时间的关系绿灯时间内，车辆有（G-μ1）的时间能够通行引导出有效绿灯时间的概念n11Tnhnh为启动损失时间，秒/相位为排队车辆数为饱和车头时距n11Tnhnh为启动损失时间，秒/相位为排队车辆数为饱和车头时距1基础概念与原理1.7清扫损失时间（ClearanceLostTime）绿灯末停止交叉口车辆行驶时产生损失时间，μ2难以实地观测，要求排队车辆足够多，在一个绿灯时间内无法全部释放；定义：在上述前提下，排队车辆中最后一辆通过停车线的时间与下一个相位绿灯开始的时间差。总损失时间tL=μ1+μ21基础概念与原理1.8有效绿灯时间（EffectiveGreenTime）交通信号配时中本质上只有两种时间类型：有效绿灯时间：车辆处于移动状态的时间；有效红灯时间：车辆严格停止运行的时间。iiiLiiiiLigGYtgGYt为车辆运动的有效绿灯时间；为实际绿灯时间为黄等时间和全红时间的总和；为总损失时间。1基础概念与原理1.9交叉口进口车道/车道组通行能力饱和流率反应出假设一直处于绿灯时间条件下交叉口车道/车道组的通行能力；实际中，不可能全处于绿灯时间，有效绿灯时间占一定比例；绿信比：有效绿灯时间/信号周期总长度（gi/C）根据有效绿灯时间所占全周期的比例计算交叉口进口车道通行能力；1基础概念与原理1.9交叉口进口车道/车道组通行能力交叉口进口车道/车道组通行能力为：iiiiiigcSCc/SgC=()为交叉口进口车道车道组通行能力；交叉口进口车道/车道组饱和流率；有效绿灯时间；信号周期总长度。1基础概念与原理1.9交叉口进口车道/车道组通行能力[例题]：某信号控制交叉口具有如下特征：Cyclelength，C=60sGreentime，G=27sYellowplusall-redtime，Y=3sSaturationheadway，h=2.4s/vehStart-uplosttime，L1=2.0sClearancelosttime，L2=1.0s试计算该信号交叉口的单车道通行能力。1基础概念与原理1.9交叉口进口车道/车道组通行能力[例题]：用两种方法求解解法1：从通行能力概念出发，假设车辆能以饱和车头时距h行驶，找出一小时内该交叉口有多少时间可供车辆通行，则可计算得到通行能力：总时间1h：3600s，包含60个周期1h内红灯时间:（60-27-3）*（3600/60）=1800s1h内损失时间：（2+1）*（3600/60）=180s1h内剩余可供通行时间：3600-1800-180=1620s通行能力c=1620/h=1620/2.4=675veh/h/ln1基础概念与原理1.9交叉口进口车道/车道组通行能力[例题]：用两种方法求解解法2：按照公式求解饱和流率S=3600/h=3600/2.4=1500veh/h/ln有效绿灯时间g=G+Y-tL=27+3-3=27s通行能力c=S*(g/C)=1500*(27/60)=675veh/h/ln两种思路解法结果完全一样，加深对公式的理解。1基础概念与原理1.10关键车道（CriticalLane）[概念引例]：如下图所示简单两相位信号交叉口，某时段各进口道流量标注如图，假设：1）所有车辆均直行没有转弯车辆；2）每辆车通过该交叉口的时间耗费为3s；3）先释放东西向车流，放完为止，然后再释放南北向车流。试问完全释放完该交叉口车流需要多少时间？50103010WESN关键车道1基础概念与原理1.10关键车道（CriticalLane）信号配时必须要满足关键车道的交通总需求；注意：关键车道≠交通量最大车道！例如：直行100和直行50+40左转，由于交叉口左转车所耗时间较长，可导致绿灯时间需求增大；关键车道是交通需求强度最高的车道！时间预算分配（Time-Budget）：有效绿灯时间必须满足关键车道总交通需求，在此基础上按照各关键车道交通需求进行分配。1基础概念与原理1.10关键车道（CriticalLane）关键车道判定常用原则：（1）对于每一个独立的信号相位都存在相应的一个关键车道和关键车道流量；（2）除了损失时间，在一个周期内的有效绿灯时间存在且唯一存在一个关键车道车辆在移动运行。1基础概念与原理1.11关键车道最大流量总和从另一视角评估交叉口通行能力，与通行能力手册（HCM）中讲述不同，但是值得探索的方向；根据定义，每个相位都唯一存在一个关键车道，关键车道除了损失时间都处于运行状态，将一小时内的损失时间扣除，剩余的时间即为总有效绿灯时间，以此时间结合饱和车头时距计算关键车道最大流量总和。1基础概念与原理1.11关键车道最大流量总和GHL36003600L()T3600LCVc=hhh36003600Nt()ChGHTLNChL为每小时有效绿灯总时间；为每小时总损失时间；为周期内的相位数，为周期长度；为饱和车头时距；为每周期损失时间。1基础概念与原理1.11关键车道最大流量总和假设某信号交叉口有2相位，周期长度为60s，每相位损失时间为3s，饱和车头时距为2.4s/Veh，则该交叉口关键车道最大流量总和为：LG36003600Nt()TCVc=hh3600360023()601350veh/h2.41基础概念与原理1.11关键车道最大流量总和关键车道流量总和与周期长度、相位数关系图SumofCritical-LaneVolumesVcCycleLengthCN=2原因：单位小时内周期数减少、损失时间减少、有效绿灯时间增加，最终趋于常值；但通行能力增幅不大，还应结合其它措施如拓宽车道。周期增长，交叉口通行能力增加注意掌握各参数之间的关系，理解调整效果，在交叉口信号配时设计时可把握参数调整方向！1基础概念与原理1.11关键车道最大流量总和关键车道流量总和与周期长度、相位数关系图SumofCritical-LaneVolumesVcCycleLengthCN=2N=3N=4相位数增加，交叉口通行能力如何变化？原因？根据规律分析结果，两相位和长周期的配时方案将使得通行能力最大化，最好所有设计都采用？1基础概念与原理1.11关键车道最大流量总和周期长度最大化有没有必要？交叉口信号配时设计通常按照饱和度（v/c）在0.80~0.95之间确定周期长度，相应取得最佳延误道路设计根据通行能力确定车道数，通常按照较低的饱和度取值，思考原因？道路设计一经确定，在相当长时间内很难拓宽；而交叉口信号只需要简单地调整控制器重新进行信号配时即可。1基础概念与原理1.12确定最佳周期长度假设交叉口各进口道交通流量已知，相应找出关键车道流量Vc，那么最小周期长度如何确定？GHL36003600L()T3600LCVc=hhh36003600Nt()ChGHL36003600L()T3600LCVc=hhh36003600Nt()ChLNtCmin=Vc1-()3600/h[例题]：假设某交叉口关键车道流量Vc为1000veh/h，饱和车头时距为2.4s，共设两相位，每相位损失时间为3s，那么最小周期长度计算结果是多少？23Cmin=18s10001-()3600/2.41基础概念与原理1.12确定最佳周期长度以上例题计算结果意味着周期长度可以从先前的60s降低为20s；实际中高峰小时内各时段的车辆到达规律分布不均，因此需要考虑高峰小时系数（PHF）影响；用Vc/PHF作为高峰小时内最大交通流率；对于通行能力的考虑，按照80%~95%确定交叉口信号配时设计通行能力，预留部分通行能力、预防车流到达率的随机波动产生短期局部拥堵1基础概念与原理1.12确定最佳周期长度考虑高峰小时内交通