摘 要

目前而城市关键路段相邻交叉口的组合研究相对较少，在城市道路中，两个信号控制路口的距离较短或特殊原因致使两交叉口之间排队长度受到约束，从而易导致交通死锁（一个交叉口的排队导致上一个路口无法通行）现象。随着城市交通流量的日益增长，死锁现象交易发生，故合理研究此类相邻交叉口的渠化及信号方案组合设计对缓解城市交通拥堵具有重要意义。本文为描述相邻交叉口中的排队现象，基于二流理论，提出了将相邻交叉口之间路段的交通流的实际运行状态转换为二流运行状态的思想。在同一时间段内，由于相邻交叉口之间路段内任意的两个时刻交通流守恒，由此可以建立了单车道路段的排队长度计算模型，并在此基础上，推导出多车道路段平均排队长度模型。并结合干线交叉口信号协调控制的有关原理，提出了排队长度约束条件下的相邻交叉口的信号配时方案。然后，结合实例对方案进行验证，VISSIM仿真结果表明设计方案有效的避免了死锁现象的发生。本文的排队模型计算方法和信号配时方法简单，便于工程实践，可以为城市交通控制系统优化等提供帮助。

关键词: 交通控制；交叉口；排队长度约束；信号配时

Abstract

At present, there are relatively few researches on the combination of adjacent intersections in key road sections of cities. In urban roads, the distance between two signal control intersections is short or special causes the queue length between the two intersections to be constrained, which can easily lead to traffic death. The lock (the queuing of an intersection causes the previous intersection to fail). With the increasing of urban traffic flow, deadlock phenomenon occurs. Therefore, reasonable research on canalization and combination of signal schemes at such adjacent intersections is of great significance for alleviating urban traffic congestion. In this paper, in order to describe the queuing phenomenon in adjacent intersections, using the principle of two-flow theory, the idea of ​​changing the actual operation state of traffic flow to the second-stream operation state is proposed. Using the equation of conservation of flow, an equivalent queue length model for road sections of bicycles is established and used here. Based on this, an average queuing length model for multi-vehicle road segments was deduced. Combined with the relevant principles of signal coordination control at the main intersection, a signal timing plan for adjacent intersections under the constraint of queue length is proposed. Then, the scheme is verified with examples. The VISSIM simulation results show that the design scheme effectively avoids the occurrence of deadlock. The queuing model calculation method and signal timing method in this paper are simple, easy for engineering practice, and can provide help for the optimization of urban traffic control systems.

Keywords: traffic control; intersection; queue length constraint; signal timing

目录

第一章 绪论 5

1.1研究背景 5

1.2目的与意义 5

1.3研究现状 6

1.3.1国外研究现状 6

1.3.2国内研究现状 6

1.3.3文献总结 6

1.4 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 7

1.4.1 基本内容与方法 7

1.4.2 技术路线 7

1.4.3措施与目的 8

1.4.4 预期成果 8

第二章 基于信号控制排队分析 9

2.1 城市交叉口信号控制理论 9

2.2 饱和流率 9

2.3交叉口排队理论 10

2.3.1交叉口车辆排队长度的定义 10

2.3.2传统信号配时方案 10

2.4 小结 12

第三章 排队长度和信号配时 13

3.1建立相邻交叉口路段排队模型 13

3.1.1 信号周期的确定 13

3.1.2 路段车辆排队 14

3.1.3单车道路段排队长度计算模型 16

3.1.4多车道路段排队长度计算模型 17

3.2信号配时方案设计 18

3.2.1周期长度的确定 19

3.2.2 绿灯时长的确定 19

3.3 小结 20

第四章 黄浦大街路段信号配时 21

4.1选取目标交叉口 21

4.2调查方案 21

4.2.1目标交叉口基本信息 21

4.2.2调查计划 23

4.3 交通调查结果 24

4.3.1 现有信号配时 24

4.3.2高峰小时交通量 26

4.3.2交叉口延误 26

4.3.3 行人过街调查 27

4.3.4交叉口现状评价 27

4.4排队长度约束的信号配时 28

4.4.1渠化和相位设计 28

4.4.2交叉口渠化设计和相位方案设计 29

4.4.4排队长度约束验证 30

4.5 仿真模拟 31

4.6方案评价 32

4.6.1排队长度评价 32

4.6.2 延误评价 32

4.7小结 33

第五章 总结与展望 34

参考文献 35

致 谢 37

第一章 绪论

1.1研究背景

目前，我国机动车保有量保持快速增长的趋势，根据统计数据显示，截至到2017年底，全国机动车保有量已达3.10亿，其中3352万辆为2017年新注册登记的机动车，年注册量也成为历年最高^[1]。如此庞大的机动车数量规模和每年快速的增长率使我国很多城市的道路和交通设施已经难堪重负，以致很多大城市出现周期性的大面积交通堵塞^[2]，在如此严重的低效率的道路运行不仅降低城市的整体运转节奏，削弱了城市的竞争力，还会由于尾气排放加重对环境的污染^[3]。

城市交通拥堵的原因有很多，其中交叉口作为城市道路网的重要一环，交叉口是道路上的节点，设计好的交叉口能使车辆有序的通行，不合理的交叉口设计会加剧交通问题，比如：交叉口信号配时不符合实际各个进口道交通量之比；交叉口渠化不全面导致车辆之间相互妨碍行驶；交叉口设施不充足等。城市中拥堵发生的时间常常是上下班居民出行的密集时段，一般在过饱和交通状态下,交叉口进口道发生排队溢流,车流排队至上游交叉口，阻断了上游交叉口其他方向交通流的运行,使得交叉口的信号控制无法再指挥交通,导致交叉口拥堵，这种现象交通中称之为死锁现象。根据相邻交叉口之间车队的运行规律，不难发现，最大排队长度是交叉口排队是否溢出的有效判断指标,所以，解决交通中的死锁问题，应从车辆排对方面入手。

在以上的研究背景下，本文在探讨信号控制交叉口车流的到达释放规律以及单路段车辆排队研究的基础上，以防止交通流锁死现象的出现为目标，提出了以路段上车辆排队长度为约束条件的相邻交叉口的信号配时方案，并利用仿真软件进行了控制效果的评价。

1.2目的与意义

对于交叉口死锁现象，在城市交通中并不少见。随着汽车拥有量的日益增长，这种现象可能会日趋严重，解决基于排队长约束相邻交叉口信号方案设计对缓解城市交通拥堵具有重要意义。如果能够通过对交叉口的科学合理信号配时，相距较短的两个交叉口在实际交通量下能使车辆顺畅的通过，不发生锁死现象，甚至将延误降到最低，将对城市的经济发展、交通的拥堵问题、人们的出行时间和体验、减少污染等都有很大的帮助。

1.3研究现状

1.3.1国外研究现状

国外对于排队约束控制的研究成果主要体现在正在使用交通控制的理论体系中，最重要的就是TRANSYT和SCOOT系统。其中TRANSYT是1967年 D.I.罗伯逊提出的，后经不断的改进和完善。TRANSYT通过选取不同的参数并计算每一种配时方案均估算车辆排队可能出现的最大值，分析了几种排队队尾可能溢流到上游交叉口的情况^[4]。TRANSYT并未对排队发生死锁现象这样一个复杂的连锁过程做出确切的描述。SCOOT系统是英国道路与运输研究所1973年开发的交通协调控制系统，它的功能之一^[5]即是限值交通向敏感地区流动，以便防止发生车队溢流致使交叉口堵塞这种情况，这种方法称为闸门控制。SCOOT系统检测传感器的设置位置也充分考虑到了可能出现的最大排队长度位置，为了实现闸门控制，SCOOT能够修改交叉口的信号配时，这些路口可能离敏感地区很远甚至可能在另外的子区；Zou Ning应用排队论理论研究交通中的排队模型^[6]；Aboudolas K.等将过饱和区域信号控制转换为二次规划问题,以达到路段排队长度的目的^[7]；Wunderlich采用 VISSIM 仿真软件对道路信号交叉口进行模拟分析，估测车辆通行稳态最大队长，从而为道路信号配时优化提供数据支持^[8]。

1.3.2国内研究现状

杨晓光提出基于进出口匝道排队长度约束、主线通行能力约束以及行驶速度约束的运用线性规划方法城市快速道路流入交通的动态控制方法^[9]；河南工业大学的许伦辉等人以实现高效的高速公路管理为目的，探究了高速公路匝道排队过长时的影响以及相应的控制方法^[10]；代磊磊等提出了以预测流入交叉口的交通量来计算路段上排队长度的方法^[11]；姚荣涵等基于二流理论推导出了交叉口间路段上当量排队长度模型^[12]；樊宏哲利用交通波理论建立了实时排队计算模型，从需求的角度提出了排队约束控制的控制策略以及控制方法^[13]；王进、白玉、杨晓光通过分析路段长度、相位差、绿信比等参数对路口的最大排队长度的影响方式，运用交通波理论建立了最大排队长度计算模型并得出该模型能定量计算相邻信号交叉口不同时空参数下的最大排队长度值的结论^[14]；寇诗雅、杨娜基于动态信号相位的原理，以交叉口的排队数及下游路段的车辆容量来优化绿灯时长和相位差，利用遗传算法得出一种有效改善局部拥挤的方法 ^[15]；

1.3.3文献总结

对国内外文献的查阅，可以发现目前国内外对相邻交叉口的设计研究很多，运用各种不同的交通流理论建立的不同的排队模型。在信号控制方面，各学者提出了大量的信号配时优化模型。各种控制原理都有其适用的方面。也有缺陷。一般来说，交叉口控制设计都有相关的行业设计标准，相关研究一般都是建立模型与算法，比如遗传算法、模糊算法，借助VISSIM等仿真软件，进行优化设计。

1.4 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

1.4.1 基本内容与方法

本文以防止死锁现象提高平面交叉口运行效率为准则，建立一种普适性的交叉口处的排队长度计算模型，再基于排队长度约束条件下探讨出一种可行的信号配时设计方案，避免交叉口车辆排队溢流。然后通过选取距离较短的两相邻典型交叉口，分析该两相邻交叉口现状，调查交叉口道路条件及交通条件，对交叉口运行现状进行评价；然后分析两相邻交叉口是否存在交通溢流，致使交通死锁现象发生（或者何种情况下发生交通死锁现象）。对实际发生的（或者未来会发生的）死锁现象，提出交叉口渠化改造及两相邻交叉口信号控制方案，并采取交通仿真模拟方法对设计方案模拟；最后拟定评价指标，对设计方案的效果评估。

第1章 绪论。从我国城市道路交通拥挤的现状出发，阐述具有排队长度约束的相邻交叉口拥挤的现状和解决问题的意义，结合国内外研究现状，确定了本文的主要研究内容，并阐述了本文的研究思路及技术路线。

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