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1、信号交叉口设计及优化信号交叉口时空资源综合优化 聂建强 信号交叉口时空资源综合优化就是对信号交叉口的时空资源进行整合得到最优的设计方案。 信号交叉口时空资源综合优化的互动关系： 1）提出城市单点信号交叉口时空资源互动优化理念，构建信号交叉口时空资源综合优化设计的新框架和系统流程； 信号控制交叉口系统： 交叉口空间界定和进口 信号交叉口系统：信号交叉口空间系统和信号控制系统； 交叉口空间：交通运行状态发生变化的断面所围成的区域，即交叉口进口道展宽起始位置以内的整个区域。 交叉口通行区域：交叉口外围通行区域、交叉口内部通行区域。 交叉口的矩阵表示 交叉口信号控制系统 按控制方式分：定周期信号控制、
2、感应式信号控制； 按控制范围分类：单个交叉口的交通信号控制、干道交通信号联动控制、区域交通信号控制。 交叉口信号控制的特点 通行能力、安全性、效率和舒适性 信号交叉口交通设计： 信号交叉口时空资源优化设计方法： 2）交叉口信号控制的设置依据： 交通量和延误是考查交叉口该用什么控制方式的主要可定量分析的工具。 设置交通控制信号虽有理论分析的依据，但尚未成为公认的有效的方法，加上世界各国的交通条件各有差异，所以各国制定的依据的具体数字不尽相同，但原则上根据上述理论分析的思路，考虑各自的交通实际情况制定出各自的依据。 美国统一交通控制设施手册制定的依据较为详细，下面主要介绍这个手册定的依据； 设置交
3、通信号灯必须做得调查工作？ 车辆与行人的交通流量 进口道上的行驶速度 交叉口的平面布置图 交通事故及冲突记录图 可穿越临界空档 延误 为什么要设置信号灯？ 什么时候设置？ 信号交叉口空间优化设计： 空间设计阶段：初步方案产生阶段和时空综合优化调整阶段。 设计交通量 城市道路交叉口进行交通设计时，应采用日高峰小时流率作为设计交通量。 城市交叉口设计交通量的确定方法： 在每个调查时段，以适当的时间间隔，对上、下行两个方向分别进行分流向的交通流量记录； 对记录结果进行统计分析，分别获得不同时段高峰小时交通量、高峰小时系数及高峰小时流率，然后找出各高峰小时的重交通方向及对应的高峰小时流率，将这两个流率
4、作为两个方向进口道渠化设计的依据。 左转车道的设置 为什么要设置左转车道？ 无信号交叉口左转车道的设置准则： 信号交叉口左转车道的设置准则： 左转车道的存储长度： 存储长度的置信度：根据实际经验，存储段长度一般是高峰小时内每周期到达的左转车辆的1.5-2.0倍。在理论计算时，用概率P来表征K的大小，P称作存储段的置信度，及存储段长度满足左转排队长度而不至于溢出的概率。 信号交叉口相位和相序优化设计： 相位方案： 相位设计的基本原则： 信号交叉口配时初始方案制定方法： 基本概念：饱和流量、通行能力、流量比、饱和度 信号配时的主要优化策略和目标：平衡各关键车道的饱和度v/c；所有通过交叉口车辆的总
5、延误最小；平衡各关键车道的服务水平LOS 基于全日交通流变化的时段划分： 单点信号交叉口的控制方式和策略：当路口交通量低时，采用感应控制；当饱和度超过0.8时，采用定时控制； 时段划分： 信号配时主要参数的确定：行人相位时间； 信号交叉口时空资源的综合利用： 研究成果应用： 交通流量调查结果 车道宽度： 车道宽度是车辆宽度与行驶时的侧向余宽之和。合理的车道宽度对发挥交叉口的最大通行能力、保证安全、高效运行至关重要。如果车道宽度过宽，车道内将会平行行驶2台车，造成交通流不稳定；如果过窄，相邻车道间的车辆将相互影响而难以行走。因此，车道宽度的确定需要从车辆运行的要求和交叉口的实际状况两个方面来确定
6、。 1）进口车道宽度： 在平面交叉口，车辆速度降低，容易按车道行驶，因此车道宽度可以较正常路段缩窄些，对于转弯附加车道可以更窄，直行车道可以较路段宽度缩窄25cm，附加转弯车道可以较路段缩窄25-50cm。这样就可以增加车道数量，提高疏导交通的能力，并可以避免过多加宽，节省投资。 根据设计车辆和道路等级可以决定一定的车道宽度。道路等级用行车速度来表征，在选用标准小汽车为设计车辆时，对直行车道宽度的一般建议值如下表： 转弯专用车道一般为3.00m，一般情况下可以降到2.75m，在大型车很少的情况下，最小可以缩小到2.5m。当大型车辆较多时，应根据车辆宽度适当加大车道宽度。 因此，结合各进口大型车
7、混入率和运行车速初步确定各功能车道的宽度。其中大型车混入率时影响车道宽度的重要因素。在大型车混入率低，且宽度受到几何条件限制的情况下，转弯车道宽度可取2.5m，在大型车混入较多时，车道宽度最小取2.75m。 2）出口道车道宽度： 车辆进入出口道时一个加速、汇入的过程。影响下游出口的临界宽度的一个关键因素是设计车辆由圆形到切线运行转换的轨迹。设计车辆完成转弯的轨迹大体上是螺旋形，因此交叉口内的清除区域需要根据设计车辆的转弯特性进行加宽。交叉口出口道的车道宽度应与正常路段保持一致，不宜小于3.25m。在条件允许的情况下，出口车道可尽量宽一些，这样有利于车辆的汇入。特别是直行与交叉口方向的右转同时放
8、行且公用出口车道时，为了有利于两股车流的汇合，减少冲突，建议出口道外侧车道适当加宽。 主要几何要素： 此部分主要确定左转车道和右转车道的长度及偏移宽度。车道长度又包括存储长度和渐变长度。所有进口车道数的增加都是通过偏移中心线和缩窄车道宽度来实现的，而没有采取拓宽交叉口的方式。同一进口的左转车道和右转车道采用相同的存储长度，即取用其中的大者。 1）左转存储长度的计算方法： 设计小时交通量： 通过K、D将双向ADDT转换成单向设计交通量 我国原则上规定，采用第30位最高小时作为设计小时，为了不至于时全年产生太多的交通堵塞现象，调整范围宜控制在第20位最高小时和第40位最高小时之间。我国公路部门近年
9、来对交通量的初步统计，第30位小时交通量的K值为0.11至0.15，平均为0.133，城市道路相对低些，市区道路约为0.1-0.12。 D相对比较多变。在我国，一般上下班路线D=0.6-0.7，郊区主要方向来往方向变化不大。据北京，上海，南京等地的调查，机动车D=0.52-0.56，非机动车D=0.54-0.59。我国城市道路设计规范规定，在没有调查数据时，K值取0.11，D值采用0.6。 在城市道路交叉口设计中，不到万不得已，不用上式进行计算设计小时交通流量。 高峰小时系数： 在进行交通分析时，是将高峰小时划分成较短的时段以显示各个时段交通量的变化特征。交通量在一个小时内的变化用高峰小时系数
10、表示，PHF是指高峰小时交通量与最小时间间隔的最大流率的比值。即： DDHV=ADDT*K*DPHF反映了交通量变化的特性，在一定的交通流状况下，它可以作为一个常数，当PHF已知时，可以将高峰小时交通量转变为高峰小时流率。 采用多长的时间作为观测的最小时间间隔t并没有统一的标准。研究证明，根据流率在统计上的稳定性，在进行交叉口交通流量分析时，一般选取15min作为研究的最小间隔，美国的研究表明，PHF15一般为0.750.95，如果在缺少调查的情况下，交通拥挤的城市道路一般取0.92，乡村公路一般取0.88。本研究建议用高峰小时流率来进行分析，并通过调查来确定PHF15。 城市信号交叉口设计交
11、通量的确定： 建议城市道路交叉口在进行交通设计时，采用日高峰小时流率作为设计交通量。 选择有代表性的工作日对交叉口进行分流向的交通量调查，上行和下行两个方向的交通量分别统计。如果是为了交叉口渠化设计，则只要进行各高峰小时交通量调查即可，如果进行配时设计则应进行12h、16h甚至24h交通量调查，这要视交通流的特性和配时要求来确定。以高峰小时为例，具体的调查步骤和数据处理如下： 在每个调查时段，以适当的时间间隔，对上、下行两个方向分别进行分流向的交通量纪录； 对纪录结果进行统计分析，分别获得不同时段高峰小时交通量、高峰小时系数及高峰小时流率，然后找出各高峰小时重交通方向和对应的高峰小时流率，将这
12、两个流率作为两个方向的进口道的渠化设计的依据。需要特别说明的一点，高峰小时是任意连续的60分钟，而不一定按整点计时。 每个小时内的周期数量，随着周期长度的不同而变化，如果在不知周期时长的情况下，采用的默认值为N=30。 存储长度的置信度：实际上，K值的大小反应了左转车道存储段的可靠性。K值大，则排队溢出的概率小；K值小，则排队溢出的概率大。在理论计算时，用概率Pc来表征K的大小，将Pc称作存储段长度的置信度，即存储段长度满足左转排队长度而不至于溢出的概率。 队列中车头间距的取值随着车型组成的不同而变化，如果不含卡车，以标准小汽车为设计车型，l取默认值为7.6m，大概相当于是标准小汽车身长的1.
13、5倍。如果卡车含量超过1%，对于典型的卡车含量，建议l取如下的默认值： 对于其他卡车含量可以采用简单的处理方法，通过卡车校正系数，对存储车道长度进行校正： 实际的应用效果表明，在一定范围内的周期时长，建议采用方法2作为估算信号交叉口所需排队长度的简单方法，不需要查看图表和应用复杂的公式，应用起来非常简单。 2）右转车道长度： 停车视距： 右转车辆不能全部时间放行，即有的相位禁止右转： 右转车辆全时段放行：只要满足停车视距即可。 多条右转专用车道的长度： 先按一条右转车道的情况计算所需的存储长度Ls，然后用Ls乘以表3-8中的重交通利用系数，即可得到多条右转车道的存储长度。 右转车道长度：右转车
14、道的长度即为存储段长度与减速段长度之和，并满足停车视距的要求。 3）偏移宽度：确定了路段和路口各车道宽度后，而者做差就得到了偏移宽度。 初始相位方案设计 左转相位设计： 右转相位设置： 配时方案 行人相位时间：行人绿灯时间与行人闪时间之和； 行人绿灯时间： 行人闪时间： 在选择步行速度时需要考虑给定的人群、行人交通量、交叉口的位置和几何条件，以及整个信号的运行。步行速度一般取15%位行人速度，根据ITE的研究，一般取1.2m/s,在特殊的情况下需取用较低的行走速度，可取为1.0m/s。 行人信号配时操作规程建议： 无中央分隔带和中央分隔带宽度小于2m的道路：这种情况在道路两边设置行人信号灯，行
15、人相位应当提供足够的时间使行人一次性穿越人行横道。在有条件的情况下，行人信号绿灯时间和行人闪时间按照上面提供的公式进行计算。在不知道所需参数的情况下，可取walk=7s，如果有必要刻意减少道4s，一般来说，fdw不应该少于walk，如果受其他因素影响，周期时长受到限制，可在相位间隔时间内清空行人。 中央分隔带宽度大于2.0m:宽的中央分隔带能够给行人提供安全的庇护，所以，在这种情况下行人信号配时可以采用两种处理方法： 使行人两次通过； 使行人一次通过； 绿灯间隔时间和损失时间：绿灯间隔时间I为黄灯时间Y和全红时间AR之和。 相位损失时间： 启动损失时间: 清空损失时间：lc=I-td 相位损失时间： 关键车流和关键相位： 先确定关键车流和关键相位，进而求得一条关键车道交通量总和。关键车道交通量的计算是将左转和右转交通量换算为等效的直行交通量，然后比较。 周期时长：确定了损失时间和关键车道交通量总和后，要计算周期时长，还要计算关键相位流量比总和v/c。要用到一个关键参数，即一条车道的实际饱和流量，在默认的情况下，可取S=1600vph。饱和度实用限值取为0.9，根据式子 绿信比和绿灯时间分配： 方案优化设计： 周期时长优化区间：右转相位设置：
