信号交叉口公交优先信号配时方法研究

黑龙江工程学院本科生毕业论文1第1章绪论1.1研究背景随着经济和社会的发展，我国城市化进程迅速推进，城市人口急剧增长，城市范围不断扩展，而城市交通基础设施的建设却跟不上城市交通快速发展的步伐。城市人多地少、车多路少、设施集中、用地紧张、活动频繁的特点决定城市可用于交通的土地资源极其有限，于是，城市交通需求与供给之间日益突出的矛盾导致城市“乘车行车难”的局面加剧，交通阻塞也由点及线、由线及面的扩张。同时，由交通问题所引发的环境问题也严重影响着城市居民的正常生活以及社会经济的健康快速发展。即使一些大中城市的交通基础设施现状能够满足交通需求，但由于经济的快速发展，汽车工业的发展，城市交通机动化趋势越发明显，这些城市也同样存在着交通隐患，在城市化和机动化的双重压力下，城市交通问题亟待解决。城市交通问题已成为全球各大城市关注的中心，“公交优先”尤其是交叉口的公交优先措施被奉为解决城市拥挤问题的有力手段。然而目前公共交通在运行中存在如下问题：运行速度低，行程时间长，缺乏公交专用的快速通道，且准时性差，服务质量不高等，其中公交车辆延误严重，与其他社会车辆相互影响较大的现象尤其普遍。这些都导致人们不愿意选择公交出行，因此有必要在不同城市因地制宜的实行适当的公交优先通行措施。公交优先的实质就是改变当前城市交通系统资源分配的不合理状况，减少出行者在路上的延误时间，以体现交通资源利用的经济合理性。城市交通中车辆的延误包括路段延误和交叉口延误两部分，在整个城市交通结构中，交叉口是路网结构中重要的节点，也是事故多发，交通拥挤以及交通延误等交通问题最严重的地点。根据理论计算和调查分析可知，交叉口延误所占比例要远远大于路段延误，处理和解决好交叉口公交优先通行的问题，对于城市路网结构调整，更加合理实现公交优先有着重要的意义。设计研究出对车辆影响较小的交叉口公共交通优先通行方案对实现公交优先能起到很重要的作用。1.2研究目的及意义本文的研究目的在于，通过对信号交叉口公交优先信号配时优化方法的研黑龙江工程学院本科生毕业论文2究，提出一种最优化的信号配时方法，以提高公交优先的效率，达到公交优先的目的。公交优先信号配时的目的是减少公交车辆在信号交叉口的延误。交叉口信号配时的主要设计参数是信号周期和绿信比，传统的交叉口信号配时方法中周期时长是以车总延误最小为目标来确定的，而绿信比是按照相位车辆流量比分配的。也就是说，传统的信号配时方法将公交车辆与其他社会车辆同等对待。由于公交车单车载客量明显大于社会车辆的单车载客量，这对于交通流量中公交车辆比例较大的相位来说是不公平的，不能体现“以人为本”的思想。为此,本文提出了两种能体现公交优先的信号配时优化方法,以达到减少公交车辆通过交叉口的延误。1.3国内外研究状况1.3.1国外研究状况法国最早在1960年提出“公交优先”的概念，之后，许多专家和学者在这方面进行了研究。公交优先从技术上讲，包括时间上的优先和空间上的优先。本文就从时间上的优先来进行着重研究。公交车“时间优先”体现在公交优先信号控制上。在控制策略上包括：公交车感应信号、调整信号周期、增加公交车通行次数和公交车放行专用信号灯。而本文则是从调整信号周期、增加公交车通行次数上来进行研究的。目前，一般交叉口信号配时方法有很多种，具有代表性的英国的TRRL方法、澳大利亚的ARRB方法。下面将这两种方法做一个简单介绍。这两种方法都存在共同的前提假设，先假设如下：设某交叉口的相位方案共包含n个相位，相位总损失时间为L（在信号周期的这部分时间里，所有的相位均为非绿灯显示，对与信号显示的安全更迭确保绿灯阶段通过停车线的尾车真正通过交叉口是必不可少的），相位中第几相位用i(i=1，2，…n)表示，第i相位有m条车道，且相应的绿信比（i相位饱和流量所能获得的有效绿灯时间与周期时长的比值）为i第几车道用j(j=1，2，...m)表示；则第i相位第j车道的车辆到达率为ijq（pcu/h）。1.TRRL方法在所有假设的基础上，TRRL方法是采用了韦伯斯特（Webster）提出的交叉口车均延误公式为基础的。实际交叉口中，车辆的到达率在不同周期之间是会随机波动的，尽管在整个时间段内总平均饱和度（车辆到达率与交叉口通行能力之黑龙江工程学院本科生毕业论文3比）未超过1，但却不排除在个别周期内由于车辆到达率的随机波动而导致暂时的过饱和情况。韦伯斯特（Webster）用模拟方法给出了这种情况下的车均延误公式：1223(25)2(1)0.652(1)2(1)cgcxcdxqSqxq(2-1)式中，d——每辆车的平均延误；c——周期时长（s）；g——有效绿灯时间（s）；x——饱和度；q——到达率（pcu/h）；S——饱和流率（pcu/h）。式（2-1）中，第一项为车辆到达率恒定时的正常相位延误，第二、三项表示车辆到达率随机波动时产生的附加延误。当饱和度较低时，第二、三项所占的比重很小，但随着饱和度的增加，第二、三项对结果的影响会增大。基于韦伯斯特的延误公式，便可以进行下一步的交叉口信号配时设计。由于原韦伯斯特公式的二、三项当饱和度较低时对结果影响较小，当饱和度很高的时候影响较大，且有前人指出第三项对计算结果的影响大概在5%~15%之间，同时从便于介绍和分析的角度，取消第三项，这样，仍然可以保留第二项因随机波动时产生的附加延误而不至于太影响结果。于是得到韦伯斯特的调整公式，即第i相位第j车道车均延误为：22(1)2(1)2(1)ijiijijijijijxcdqSqx（2-2）计算信号配时的基础，首先要以该延误公式得出交叉口所有车辆的总延误时间和车均延误时间。总延误时间D如式（2-3）：11nmijijijDdq（2-3）代入式（2-2），得到式（2-4）：2211(1)2(1)2()nmijiijijijijiiijcyyDqSy（2-4）车均延误D，即用总延误时间除以各进口道车流量总数，得到式（2-5）：黑龙江工程学院本科生毕业论文411nmijijDDq（2-5）在得到所有的延误公式基础上，可以进行周期时长和绿灯时间的确定了，TRRL确定周期时长和绿灯时间的思想简单，即以交叉口车总延误为唯一衡量指标来进行配时方案的优化。在计算求解时，以该指标最少为最终目标，因而以（2-4）式为目标函数，取其最小值所对应的最佳周期时长oc如式（2-6）01(1.55)1nijicLy（2-6）在求解过程中，由于绿信比是根据该相位车流量通过交叉口所需要的绿灯时间来确定的，因而它跟该相位的车流量最大的车道通过的车流量大致成正比关系，如式（2-7）：1iriniriycLcy（2-7）上两式中，iry为关键车道即第i相位车流量最大的车道r的车流量比。根据（2-7）可得出各相位的绿信比，从而确定绿灯时间，进一步确定最终的信号配时设计方案。2.ARRB方法在同样的前提假设基础上，学者们对于交叉口交通流的研究，米勒（Miller）和阿赛立科（Akcelik）都提出了类似于韦伯斯特（Webster）的车辆延误公式，ARRB方法是在阿赛立科（Akcelik）提出的延误公式的基础上提出的能更好反应车辆在交通拥挤条件下延误特征的方法。阿赛立科（Akcelik）的延误公式用到了平均饱和排队车辆数0Q的概念，即在整个计算时间内由于个别周期过饱和以致绿灯结束时仍然滞留在停车线后的车辆数。阿赛立科（Akcelik）的车均延误公式和车总延误公式如下：20(1)2(1)QxcgcdqSq（2-8）20(1)2(1)qcgcDQxqS（2-9）黑龙江工程学院本科生毕业论文5其中：00001.5(),10,xxxxQxxx（2-10）其中，0x为一个阈值，即饱和度大于0x时，则出现平均饱和排队车辆数，0x按下式计算：00.67600Sgx（2-11）与TRRL方法确定交叉口所有车辆的总延误时间、车均延误时间、人总延误时间和人均延误时间一样，ARRB方法也按公式（2-4）、（2-5）、（2-6）、（2-7）确定，不同就是ijd替换为公式（2-8）。但是，在确定周期时长和绿灯时间的过程中，ARRB方法并不只是单单考虑车总延误这个唯一的目标函数，其还增加了对停车率和油耗的控制，进而得到其最佳周期时长0c为：01(1.4)61nirifLcy（2-12）其中，f为停车损失系数，按不同优化取之不同，油耗最小时，f=0.4，延误和时间损失最小时，f=0.2，只考虑延误最小时，f=0。最后绿灯时间的确定还是同之前一样，绿信比根据各方向的实际车流量确定，从而得到各相位的绿灯时间。1.3.2国内研究状况我国对城市公共交通优先通行技术的研究起步较晚，到目前为止，对于公交优先通行的研究大多处于理论阶段，宏观的阐述公交优先对城市发展的重要性，将理论结合实际应用的不多。目前的一般交叉口信号配时方法有很多种，包括我国学者根据我国交通流特性提出“的停车线法”和“冲突点法”。用“冲突点法”法分析单点定时信号的配时和通行能力，更接近车辆通过道路交叉口的实际运行状态，用这种方法分析得到的定时信号周期时长、绿灯时长、黄灯时长、通行能力能够有效的对通过交叉口的交通进行控制管理，提高交通设施的效率，使道路畅通，减少各种交通公害，促进经济发展。但是它计算比较复黑龙江工程学院本科生毕业论文6杂，而且对于停车线断面的数据要求较高，不易采集。上海在综合交通规划时所提出的信号配时方法充分考虑了行人的通行状况，但实际配时比较繁琐，对于开始配时的工作多采用的方法为尝试，因此经常造成配时失败，需多次大量进行配时，而且往往算出的结果还不尽如人意。对于韦伯斯特算法是其它算法的基本，它从延误最小为出发点，考察断面是停车线，所以此方法中的计算参数都以停车线断面为准，且现在实际各交叉口大多采用这种计算方法，它是其他各种算法的基础，且对于饱和流量的计算比较简单。郑长江,陈绍宽（2005）,曹成海（2006）等人对混合交通条件下基本车道饱和流量的各影响因素进行了分析,对比基本车道饱和流量影响因素修正方法,给出了基本车道饱和流量及各类车道通用校正系数常用计算方法。分析了公交车在连线上的运行特性,基于单点定时式公交优先信号配时模型,以人均延误最小为目标,建立了定时式两相邻交叉口公交优先信号协调配时模型；基于以人总延误最小为目标建立了定周期两相邻交叉口公交优先信号协调配时模型。利用实际调查数据,采用仿真分析方法验证本文提出的混合交通条件下定时式两相邻交叉口公交优先信号协调配时模型的正确性。陈学武（2001），吉林大学杨兆升，杨庆芳（2006）等人提出了基于自动车辆监控的公交优先技术：基于公交车辆自动监控系统的公交优先措施可选择公交优先车道和交叉口处公交信号主动优先两种技术。公交车辆自动监控系统就是利用GPS、GIS等高新技术,通过先进的检测技术、先进的通信技术和传感技术等,对公交车实行实时监控。根据对公交车位置的判断,参照公交车运行时刻表判断站点处各个公交车是否发生延误,并计算出该路段公交车上人的总延误为多少,若大于预先设定的阈值D0,则判断该路段发生延误的公交车数量为多少,如果大于阈值K0（该阈值由路段上运行的公交车数量和满载率来设定）,则请求公交车道优先（可用可变信息板发布临时公交车道优先信息）和交叉口处公交优先信号。如果发生延误的公交车辆数很少,并没有超过预先设定的阈值K0，则仅考虑交叉口处信号优先。1.3.3国内外研究现状分析目前国外针对公交优先技术的研究大部分还是在如何具体、实时的实现空间上公交专用道的公交优先和时间上交叉口的信号公交优先，国外学者在公交优先信号配时方面稍有研究；但在国内，涉及到关于公交优先信号配时方法上的研究相对较少。本文则主要从公交优先信号配时优化方法上，结合国内公交车运行的实际情况，对具体交叉口的公交信号优先做一定的研究。黑龙江工程学院本科生毕业论文71.4论文主要内容及技术路线本文主要以条件公交优先思想理