城市交通控制理论与实践

交通控制中的实际对策举例,一、城市交通控制策略 二、环岛交通控制 三、混合交通问题及解决对策 四、感应配时的灵活应用 五、信号周期确定方法的改进,一、城市交通控制策略,1、交通特征分析 1）混合交通 混合交通是我国城市交通的显著特点，机动车、非机动车、行人相互干扰严重。尤其是在交叉口，混合交通是造成交叉口通行秩序混乱的主要原因。混合交通的存在，致使交叉口饱和流量和通行能力降低，现有信号配时理论部分甚至全部失效，这也是国内外现有系统不适应性的根本原因之一。,2）交通流内在规律 尽管混合交通现象在我国普遍存在，但是经研究发现， 城市道路上的交通流仍然具有明显的规律性，具体表现在三 个方面：时间性、系统性和相关性。,（1）时间性 交通流一天中的变化具有很强的时间分布规律，要经历高 峰、平峰和低峰三个阶段，而且呈周期性变化，如图3-1所 示，图中数据点来源为长春市人民大街与解放大路交叉口某天 24小时流量数据，数据统计间隔为15分钟。,（2）系统性 交通流的生成具有很强的聚集特征，其聚集过程为：街巷 支路 干路，表现出显著的系统性，城市中所有的交通流是一个统一体。 （3）相关性 交通流的相关性主要表现在三个方面：时间相关性、空间相关性和事件相关性。,2. 路网特征分析,总体来看，城市路网由四类道路类型构成：快速路、主 干路、次干路和支路，划分的技术指标如下表3-1所示。就我 国大多数城市而言，快速路系统建设不是很多，大多数城市具 备的是主干路、次干路和支路，这些道路彼此相交形成城市路 网，如图3-2所示。,表3-1 城市路网类型划分指标,3. 交叉口类型划分,城市路网的结构直接决定了交叉口的类型。依据ABC管理 学原理，可将城市交叉口定义为三类：战略交叉口、战术交 叉口和一般交叉口。 1) 战略交叉口 战略交叉口是指交通强度大且能反映区域交通特点的主要 交叉口。这类交叉口一般应是主干道和主干道相交的节点以及 部分复杂交叉口，如图32中的交叉口1和2。战略交叉口能够 代表城市交通的特点，是城市交通状况的晴雨表，对交通控制 效果起着关键性的作用。 战略交叉口占信号交叉口（包括应该采用信号控制的交叉 口）总数的比例约为510。,2) 战术交叉口 战术交叉口是指交通强度较大且在协调控制中起重要作用的交叉口。这类交叉口一般应是主干道和次干道相交的节点以及部分复杂交叉口，如图32中的交叉口3、4、5、6、7、8、9。战术交叉口的地位比较重要，对交通控制效果有着明显的影响。 战术交叉口占信号交叉口（包括应该采用信号控制的交叉口）总数的比例约为3040。,3）一般交叉口 支路和主干路或次干路相交、采用或应采用信号控制的交叉口，如图32中的交叉口1126。这类交叉口一般来说地位不重要，处于从属地位。 一般交叉口占信号交叉口（包括应该采用信号控制的交叉口）总数的比例约为5060。 4）敏感交叉口 与短连线相连且该连线易发生交通拥堵的交叉口，如图32中的交叉口10，此类交叉口归为战术交叉口。,4. 交通系统控制策略 根据我国大部分城市的投资能力，交通控制系统必须充分 考虑三个问题： 保证系统的控制效果； 降低系统的工程成本； 系统灵活性好，便于扩充和升级。,为此，自适应交通控制系统设计应采用以下设计理念。 （1）直接面向混合交通 （2）面控制兼容线控制和点控制 （3）合理缩减检测器数量 检测器的布设原则为： 战略交叉口布设战略检测器和感应检测器； 战术交叉口布设战术检测器和感应检测器； 一般交叉口布设虚拟检测器，某些一般交叉口可以布设感应检测器（布设在主路上或支路上），实行半感应控制； 自行车检测器根据需要布设。,（4）灵活设计信号机类型 为了实现“小主机大控制”的设计思想：将上级控制机的控 制功能部分下移，加大信号机的控制功能和数据处理功能，同 时也为了配合检测器布设策略和满足不同控制方式的需要，系 统的末端设备信号机应具备三种类型： 多时段定时式信号机 感应式信号机 集中协调式信号机,（5）数据处理分级进行 “小主机大控制”的设计思想还要求系统采取数据分级处理的策略。 中央控制中心 主要负责交叉口交通状态预测和交通状况分析，将微观预测的数据下载给区域控制中心。 区域控制中心 根据中央控制中心微观交通状态预测的结果，优化控制方案，将最终优化方案下载给信号机；区域控制中心将控制区域内所有信号机上载的交通信息汇集完整以后，集中上载给中央控制中心。,信号机 主要指感应式信号机，负责处理检测器数据，并将数据上载给区域控制中心；感应式信号机根据需要，执行单点优化控制或单点感应式控制；执行单点优化控制的信号机还要实时优化控制方案。,（6）通信方式因地制宜 系统不应局限于有线通信，应因地制宜地采用无线通信和有线通信相结合的方式。在城市经济条件允许或者现有通信系统比较完善的情况下，要优先考虑有线通信。如果有线通信条件不成熟，可以采用无线通信。 （7）方案实时生成与实时选择相结合 为了充分体现系统的统一性，保证控制方案的稳定性和灵活性，系统应采用方案实时生成与实时选择相结合的策略，集中方案生成和方案选择各自的优点。,二、环岛交通控制,三、环岛交通控制 1. 基本概念 环形交叉是在交叉口中央设置中心岛组织渠化交通的一 种交叉形式。其交通特点是进入交叉口的不同方向交通流,均 按照同一方向绕中心岛作单向行驶,并以较低的速度连续进行 合流与交织,直至要去的路口分流驶出,一般无信号控制。,2. 基本理论 环交同一般平交相比,车辆行驶过程一般分为合流、交 织、分流，避免了车辆的交叉行驶。提高了车辆行驶的安全 性，另一方面,进入环道的车辆可以不用信号管制,以一定速 度连续通过环道,这样避免了一般交叉口内信号控制产生的周 期性交通阻滞,因而提高了交叉口的运行效率。,但由于受中心岛环形车道上交织段和环形交叉口通行能 力的限制,当各进口道的流入量较低时,环形交叉口的通行效 率尚可维持较好水平；而当各进口道的流量接近或超过环交 的通行能力时,进入环道交织段的车辆数过大,就会造成环道 上交通拥挤和阻塞,使得车流无法连续通过环道,这种情形的 最终结果就是:环道上车辆排放困难,进口道车辆停车延误过 长与车流阻塞严重,交叉口通行效率严重降低。此时就需要对 环形交叉口加以信号控制，以改善其交通状况。,3. 环岛交通控制实践 针对环岛交通存在的问题，本课题组在长春市一个典型 的环岛交叉口应用了以上理论，如图3-4所示，新民广场为 一五支环岛交叉口。环岛内有两条5米宽的机动车道，早高 峰期行人和非机动车流量较大。,改善前存在的问题,1）环岛内车道渠化不合理； 2）环岛周边的人行横道的铺设不能满足人行舒适性的要求； 3）早高峰期，交通阻塞严重； 4）交通量过大，传统的环岛交织通行一方面不能满足其 通行需求，另一方面通行安全性得不到保障； 5）机非冲突严重。,采取的改善措施,针对交叉口现存的问题及环岛各进口道上游交叉口的交 通状况和配时情况，从以下两方面采取改善措施： 道路渠化 信号控制,新民广场示意图及各口进环和出环交通量如图34所示：,1）环岛周围的人行道以安全、舒适为标准设置。 2）环岛内现有两条5米宽的机动车道，交织段宽度约为 20米，因此有足够的空间再另设一条机动车道及一条 非机动车道。可在环岛内渠划出3条4米宽的机动车 道、一条非机动车道。,调查数据 新民广场各进口上游交叉口的周期及各交叉口入环方向 的绿灯时间如表3-1所示： 表3-1 各交叉口信号现有配时方案,由表3-1可以看出，除了同志街工农大路南交叉口的 周期时长较短外，其余交叉口的周期时长在130(s)左右，因 此可利用广场各进口上游交叉口的信号灯协调控制。 周期相同是进行线控的必要条件，因此定130(s)为这五 个交叉口的公用周期时长。利用绿灯时间与周期时长的等比 例关系，调整各进口道的绿灯时间，结果如表32所示：,表32 各交叉口信号修正后的配时方案,根据实际调查得到早高峰的各进口流量和各进口车辆 的平均行程时间如表33、34所示： 表33 各进口道的流量（15min）和相位差统计表,表34 车辆从上游交叉口到环岛进口行驶距离及平均行驶时间,方案设计原则,环岛交叉口是在几条街道相交的交叉口中央，设置圆岛或 带圆弧形状的岛，使进入交叉口的所有车辆均沿同一方向行 驶，因此不可避免存在车流的交织，这是影响环岛通行力的 主要原因。因此该方案的设计原则如下： 1）由延安大街驶入的车流与工农大路南进口汇入的车流在 工农大路南进口与自由大路之间交织最为严重，因此必须保 证工农大路与延安大街驶入的车流分开。,2）由于新民大街与工农大路北口相距较近，且新民大街 驶入的车流与工农大路北口汇入的车流交织也较严 重，因此应保证工农大路北口与新民大街的驶入的车 流分开。 3）在环岛设计中，应保证环导内交通流的均衡性。 4）环岛的通行能力主要受交织区的影响，因此要尽可能减 少环岛内的车流的交织。 5）因为要利用各进口上游交叉口的信号灯控制，因此必须 考虑与上游交叉口的协调。 6）节省投资。,依据上述原则绘制进口车流灯色图，如图 35所示：,根据车辆从上游交叉口到环岛进口的行驶时间，倒推各交 叉口信号灯的灯色图，结果如图36所示：,三、混合交通问题及解决对策,混合交通是指各种交通工具或各种交通工具与行人共 用同一单幅道路的交通现象，分为三种情况： 不同种类机动车的混合交通 机动车和非机动车的混合交通 机动车、非机动车与行人的混合交通 通常我们所说的混合交通是指后两种情况。,混合交通是我国城市交通的主要特征，尤其是机动车 与自行车在交叉口的混合通行状况更是各城市交通管理的一 大难点，主要表现在机动车与自行车在交叉口的冲突所带来 的问题，如通行能力下降、交通事故增加等。由于混合交通 现象的存在使得我国绝大部分城市的交通控制系统的效能没 有得到充分发挥，甚至效率低下。,针对自行车与机动车在交叉口的冲突，本项目组主要研 究了两类典型交叉口的机非冲突问题及其解决方案。 两相位交叉口机非冲突及解决方案 四相位交叉口机非冲突及解决方案,1. 两相位交叉口机非冲突及解决方案 图37以某一交叉口的南进口为例描述了两相位交叉口 机非冲突的情况。,两相位交叉口机非冲突的解决方案 实际交通调查表明：与直行机动车冲突的左转自行车是 引起交叉口冲突的主要因素，在左转自行车流量较大时，从 提高通行能力和增加行车安全性的角度考虑，可以设置一个 左转自行车相位来消除这种冲突（直行自行车与对向左转机 动车冲突的处理与此类似）。 当设置左转自行车相位时，有以下几种相位组织方案： （1）图38为有专用左转自行车道时的相位组织方案 （2）图39为无专用左转自行车道时的相位组织方案,若左转自行车流量达不到设置左转自行车相位的要求，可以 通过道路渠化的方式解决机非冲突的问题。解决方案包括： （1）左转自行车二次过街,左转自行车二次过街设计方法的优点： 减少了左转自行车与机动车之间的干扰，可以提高自行车 及机动车通过交叉口的运行速度与通行能力且有利于交通安全。 缺点：增加了左转自行车的绕行距离。 （2）双停车线设计 由于自行车起动快，可以将自行车停车线划在前面，机动 车停车线划在后面，如图311所示。,2. 四相位交叉口机非冲突及解决方案 四相位交叉口的机非冲突情况如图312（以南进口为 例）所示。由于机动车和自行车、行人的速度差异而产生的 机非冲突经常导致部分自行车和行人无法在一个周期内顺利 通过交叉口。为消除这种冲突，可对自行车和行人提前截 止。截止时间取决于机动车、自行车和行人到达冲突区的时 间差，表35是四相位交叉口机非冲突的一些解决方案。,表35 四相位交叉口机非冲突解决方案,四、感应控制的应用,1. 感应控制的工作原理,感应控制是根据车辆检测器检测到的车流信息，配时方案可随流量变化而改变的实时控制方式。某一相位启亮绿灯时，感应信号控制器预设有最小绿灯时间。最小绿灯时间结束前，如在一个预设置的时间间隔内，无后续车辆到达，即更换相位，若检测器测到有后续车辆到达，则每检测一辆车到达，绿灯延长一个单位绿灯延长时间，绿灯一直延续到最大绿灯时间，即使检测到有后续车辆，也要中断该相位的通行权，更换相位。原理如图313所示：,相位A 需求,相位B 需求,2. 感应控制基本参数,1) 待定阶段 由实时交通流量大小决定取舍的信号阶段。,2) 弹性阶段 绿灯时间能够根据实时交通流量的变化而增减的相位。下例中阶段3为弹性相位。,3) 最小绿灯时间,最小绿灯时间的确定主要考虑以下因素： 保证停在检测器和停车线之间的车辆，全部驶出停车线所需 的时间。 保证行人安全过街所需的时间。,4）最大绿灯延长时间,最大绿灯时间指道路上绿灯时间的最大限度，当交叉口各个相位以最大绿灯时间释放交通流量时，此时的感应控制相当于定时控制。最大绿灯时间根据实际交通量，利用恰当的模型计算各相位绿灯时间，即为各相位的最大绿灯时间。,5）可变单位绿灯时间,传统的感应控制方式采用固定式单位绿灯延长时间，即等待后续车辆的时间间隔相同。采用如下公式： 在充分考虑城市路段车流到达规律和驾驶员心理特性情况下，建立了可变单位绿灯延长时间模型。模型结构如下：,3. 实验例证,1) 参数标定 本文对长春市的两相位固定配时的百汇街与明德路交叉口 进行实地调查。明德路是单车道，百汇街是双车道。实际交叉 口配时状况如表3-6,其中黄灯时间为2s。,表3-6 百汇街与明德路交叉口配时,由于百汇街与明德路的流量相差较大，因此本文采用支路半感应控制 根据前面公式确定支路的最小绿灯时间 K值根据支路（明德路）实际的车头时距而定，这里是通过实际流量统计各个车头时距范围所占比例来确定。实例统计结果如表3-7。 假设检测器铺设在距停车线30m，通过车速调查获得平均车速9.6m/s，单位绿灯延长时间的最小值为3s，这里采用5s作为单位绿灯延长时间初值,表3-7 明德路车辆的车头时距统计表,2. 评价指标及方法 这里以停车次数和车辆延误作为评价指标，如表38所示。,表3-8 控制方式比较,3. 结果分析 从表38可得到如下结论：原始的控制方案效果最差。传统感应控制和可变单位绿灯延长时间的感应控制的平均延误基本相同，但是后者的停车次数小于传统感应控制的停车次数，配时效果最好。在相同的控制时间内，感应控制的循环周期个数远远大于固定控制方式,增加了车辆的通行权。利用可变单位绿灯时间模型计算的支路车辆的延误小于固定控制和传统的感应控制方式，体现了主路优先兼顾支路优先的理念的交通理念，模拟效果较为满意。,五、信号周期确定方法的改进 交通强度方法,1、以往周期配时方法,（1）英国的TRRL法； （2）澳大利亚的ARRB法； （3）美国的HCM法； （4）中国的停车线法； （5）中国的冲突点法。 其中前两种方法在国际上使用最为广泛 。,2、以往周期配时方法存在的问题,（1）只考虑交通流三参数中的流量参数，当出现高密度、低流量交通流时，计算得到的周期值明显偏小； （2）以最小延误等作为优化目标，不适合高峰时段使用（应以最大通行能力为目标），而且各进口道流量比之和接近1时，周期时长趋近于无穷大，即公式在“准饱和”状态失去意义。,3、交通强度模型结构,1）相位交通强度模型结构,关键相位 对应的关键车道饱和流量释放时车道 的时间占有率，通常为常数；,占有率；,对应的关键车道的时间,关键相位,量，为常数（,对应关键车道的饱和流,关键相位,的流量（,对应的感应检测器检测,关键相位,模型参数；,度；,一关键,式中：,i,O,i,O,i,S,i,q,i,I,Si,i,i,i,i,);,pcu/h);,的相位交通,强,相位,关位关键,某,a,pcu/h,2）交叉口交通强度模型结构,4、交通强度与流量的关系 根据时间占有率与流量的关系和伊迪模型得到交通强度与流量的关系，以图316表示：,协调控制区,5、模型验证,通过摄像法对长春市不同关键相位数的交叉口分时段（低峰、平峰、高峰）进行交通调查，验证周期时长优化模型。本文以4相位交叉口（人民大街自由大路）高峰时段（7：20-8：20）和平峰时段（11:20-12:20）为例，交通数据采集间隔为15min一次。该交叉口相位相序方案如图3-17所示。该交叉口信号配时利用TRANSYT-7F优化，并经实际检验调整后使用，高峰时段周期时长为140 s，平峰时段周期时长为94 s。表3-9为调查数据，表3-10为验证结果 。,人民大街,6 5 4 3 2 1,1）道路几何条件,2）调查数据,表39 长春市人民大街自由大路交叉口各相 位关键车道饱和流量及饱和时间占有率表,3）验证结果,6、交通强度法（IC）的主要特点,1）交通强度法由相位交通强度和交叉口交通强度组成，相 位交通强度考虑路段上车辆的状态，考虑流量和速度的关 系。区分路段上大流量低速度和大流量高速度车辆状况。 图318为流量和速度的关系图。,2）以不同的目标函数优化不同交通状况下的交叉口周期时长 （1）交通强度在0，0.47 间选择感应控制，此时目标函数 为停车次数； （2）交通强度在0.47-0.67）之间以车辆延误最小为周期 优化目标函数； （3）交通强度在0.67-）之间以最大通行能力为周期优 化目标函数。,