交通信号灯管理优化.docx

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交通信号灯管理优化

NANCHANGUNIVERSITY

学士学位论文

THESISOFBACHELOR

（2008—2012年）

题目交通路口信号灯管理的优化

学院：

理学院系物理系

专业班级：

应用物理082

学生姓名：

郭迪华学号：

5502208042

指导教师：

付方正职称：

教授

起讫日期：

2011年12月—2012年6月

南昌大学

学士学位论文原创性申明

本人郑重申明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于

不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

日期：

导师签名：

日期：

交通路口信号灯管理的优化

专业：

应用物理082学号：

5502208042

学生姓名：

郭迪华指导教师：

付方正教授

摘要

提高交通路口效率的问题，近年来一直是学术界研究的焦点。

对交通路口效率的衡量通常是以通行能力和与平均每辆车的延误时间为标准。

交通路口的通行能力，主要与信号配时、道路和交通设施的几何特征，以及路口的交通特性休戚相关。

本论文首先从分析了交通路口交通流特性，车辆的到达符合泊松分布；然后接着提出了交通路口的信号灯优化方案及其评价方法，为简单起见对模型做了简化：

车辆到达按泊松分布产生，假设交通路口各路口车辆到达概率相同，假设交通路口车辆的通行能力为均匀分布，取其平均值表示通行能力，主要根据车辆平均延误时间判断方案是否最优；最后通过C语言编程模拟车辆的产生及通过数据。

关键词：

交通路口;信号配时;通行能力；信号灯优化

Trafficcrossingtheoptimizationofthesignalmanagement

Abstract

Theproblemofsafetyandefficiencyforurbansignalintersectionhasbeenthefocusofacademicresearchinrecentyears.Themeasureoftheefficiencyoftrafficintersectionisusuallythetrafficcapacityandandaverageeverycardelaytimeforthestandard.Thecapacityofintersectionismainlyrelativewithsignaltiming,geometriccharacteristicsofroadandtransportfacilities,andtrafficcharacteristicsofintersection.

Thispaperfirstanalyzesthecrossingfromtrafficflowcharacteristics,thearrivalofthevehicleswithpoissiondistribution;Andthenputforwardthesignallightputforwardintersectionoptimizationschemeandtheevaluationmethodsforthesimplicityoftheproposedmodelsimplified:

vehiclesbypoissiondistributiontoproduce,assumingthecrossroadsjunctiontosameprobabilityvehicles,andthatintersectiontrafficcapacityofvehicletrafficforuniformdistribution,taketheaveragetrafficcapacitysays,,mainlybasedontheaveragevehicledelaytimesignaltimingformulajudgewhethertheoptimal;FinallytheCprogramminglanguagethroughsimulationofvehicleproductionandthroughthedata..

Keywords：

Trafficintersection;Signaltiming;Capacity;Lightsoptimization

第一章绪论

1.1研究背景

交通运输业是国民经济的基础产业，是社会生产、流通、分配、消费各个环节正常运转和协调发展的先决条件，对保障国民经济持续健康快速发展、人民生活的改善和促进国防现代化建设具有非常重要的作用。

随着社会、经济的发展，个人拥有汽车量急剧增加，而对应的交通基础设施增加缓慢，道路拥挤严重，交通成为城市发展的重要瓶颈问题。

道路交通路口是不同方向的车流、人流交叉汇合的地方，特别是随着汽车技术的发展和汽车数量的迅速增长，常发生拥挤、碰撞、秩序混乱，甚至造成交通事故据统计，城市整体交通中有约45％的交通事故发生在交通路口；14％的恶性交通事故发生在城市中央商务区，而其中2/3发生在交通路口[1]。

广泛的实践已经证明，提高交通路口的通行能力是提高城市交通安全与效率的有效方法。

充分利用现有的时空资源，有效管理交通路口加上智能化的信号控制系统，从很大程度上改善交通路口的运行状况。

本文正是从这一角度出发，来探讨提高城市交通路口通行能力的方法。

1.2国内外相关问题的研究

1.2.1国外对城市交通路口通行能力及其优化的研究

英国、美国等发达国家率先对此进行了研究，他们以连续的交通流为前提，提出了左、右转专用车道、渠化交通设施等方法，在交通管理方面采用信号控制与交通规则相结合的方法，如采用多相位控制、禁左或禁右等，来提高交通安全与通行能力。

在信号控制方面，主要集中在路口的信号配时、路口延误计算分析，路口的交通模拟等。

得克萨斯运输学院研究小组对路口也作了做了大量研究得出了临界车道法的概念，对每个入口的临界车道求出一个同通行能力行能力，那么，对于整个交通路口可以求出一个临界车道容量，得出临界车道通行能力与周期的关系，从关系式可以看出临界车道通行能力与周期成反比关系，同时表明周期相同的条件下，入口数越多临界车道通行能力也相应降低。

该研究成果在某种程度上有助于理解信号周期对交通路口通行能力的影响。

webster通过计算机和广泛的现场观测研究出一种确定最佳周期的公式，这个公式是以延误为最小作为目标．webster还推断当周期在（0．75～1．5）Co范围变动时，延误没有显著增加。

因此，在选择周期时，同时要考虑到路口的实际情况，还要考虑好交又口的通行能力，理论上的周期并不一定适合该交通路口。

澳大利亚学者阿克塞立科在webster研究的成果基础上，引入了“停车补偿系数”，并将它与车辆延误时间合在一起，用以评价信号配时方案的优化程度，可认为是对TRRL法的进一步修正和补充。

webster与阿克塞立科的计算方法统称为“停车线法”。

在交通路口优化研究方面，从几何设计角度给出道路与交通路口设计的指导角度，最具权威的是美国国家公路与运输协会（AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficialsAASHTO）的城市道路与高速公路几何设计策略APolicyontheGeometricDesignofStreetsandHighways，这份文件又称Greenbook，从几何设计角度，详细介绍了城市交通路口设计的策略。

此外美国联邦公路局FHWA也对此做了大量的专项调查和报告。

1.2.2国内对交通信号管理的研究

与国外研究成果相比，国内由于起步较晚，目前还不够系统。

国内许多学者对影响交通路口通行能力的因素方面做了很多实质性的探索，同济大学杨佩昆教授鉴于传统的停车线无法准确地描述路口内左转车对直行车的全部影响，提出了“冲突点法”；2001年，同济大学杨锦东和杨东媛，提出了周期时长的优化模型[2]；2005年，吉林大学硕士研究生王波，提出了拥挤条件下交通流诱导分流策略与交通路口拥挤疏导信号控制策略，并建立了交通路口拥挤疏导信号控制方案的实时选择模型[3]；北京工业大学硕士研究生李美玲，提出借鉴专家系统的思想开发信号交通路口交通组织优化专家辅助系统，以辅助进行信号交通路口的优化设计。

2005年，吉林大学硕士研究生姜景玲，建立了典型交通路口的周期时长优化模型[4]；尹宏宾等认为信号配时是影响信号交通路口通行能力的关键。

并在《基于知识的信号交通路口配时设计系统》一文中根据专家系统的有关理论和信号交通路口的配时设计原理，研究了一种基于知识的信号交通路口配时设计系统，研究该系统的主要出发点是基于交通流的随机性和不确定性较强，难以用精确的数学模型加以描述，但是可以根据经验进行适当的分析。

国内对于交通路口设计优化较为系统的研究主要集中在以下几个方面：

上海市2001年出版了工程建设规范《城市道路交通路口规划与设计规程》，对交通路口的规划和设计做出了规定和设计流程，以此来指导上海市交通路口的规划与设计。

同济大学杨晓光自2003年编著了《城市道路交通设计指南》一书，书中在

国内尚属首次的从交通设计层面对于交通路口的渠化设计、信号配时等总结了改善设计的方法和技术[5]。

北京工业大学马健明博士的博士论文中提出了一种集几何设计、渠化设计以及交通组织设计为一体的信号交通路口优化专家系统。

该专家系统确定的交通路口交通组织方案制定的方法是首先对交通路口进行系统调查，对交通路口现状进行分析，根据交通路口的道路条件，通过对现有交叉流的合理汇集与再分配以及交通仿真分析方法，制定出能对车流运动状态产生控制作用的、由多种多样的交通管理措施组成的实施方案。

总的来说，目前国内的通行能力研究成果的实际运用主要以公路为主。

而在城市，对道路通行能力指标或参数的运用，一般是参考或直接引用国外（主要是美国）的研究方法与指标体系。

1.3研究目的与意义

对于信号交通路口来讲，其通行能力与信号配时、道路和交通设施的几何特征，以及交通路口的交通特性休戚相关。

对交通路口的交通运行状况进行分析，找出交通路口拥挤堵塞的原因，正确地设计交通路口，并合理地组织交通，减少或消除冲突点，保证行车安全，并使延误尽可能地减少，提高交通路口的通行能力，保证行车畅通，从而提高整个城市路网通行能力，缓解交通堵塞，这在城市交通的设计与治理中具有很重要的意义。

1.4研究内容和方法

研究内容：

本文以交通流理论为基础，深刻分析了信号交通路口交通运行特征，并以此为优化依据，探讨如何优化交通路口优化设计，来增加交通路口的通行能力和安全性；探讨评价交通路口信号控制方案的方法。

最后利用本文提出的优化方法并结合C语言编写交通信号控制系统进行了模拟。

研究方法：

1）文献检索

根据所确定的研究方向和对象，阅读国内外与交通路口信号管理的优化相关的各类书籍、期刊、杂志，获取相关的理论成果及相关数据资料，为课题的深入奠定基础。

2）网络搜索

网络是一座没有围墙的图书馆，在网上有大量与本论文相关的资料，通过整理、分析、归纳得出规律和结论。

3）比较研究法

主要对国内外信号交通路口通行能力研究的理论和实践进行比较，通过分析国外成功的管理运作模式，从中吸取适应中国国情的成功经验。

第二章信号交通路口交通流特性分析

2.1模型分析

2.1.1泊松分布

基本公式：

（2.1）

式中：

P（k）---在计数间隔t内到达k辆车的概率

λ---车辆的平均到达率（辆/s）

t---计数间隔的时间长度（s）

令：

m=λt，为计数间隔t内平均到达的车辆数

则：

（2.2）

2、递推公式：

，

3、适用条件：

车辆密度不大，车辆间相互影响小，没有外界干扰因素的车流，即车流是随机的。

2.1.2排队论模型

排队论是研究服务系统因需求拥挤而产生等待行列（即排队）的现象，以及合理协调需求与服务关系的一种数学理论，是运筹学中以概率论为基础的一门重要分支，亦称“随机服务系统理论”，被广泛用于很多领域。

在交通工程中，排队论在研究车辆延误、通行能力、信号配时时以及停车场、公交停靠站、加油站、公路收费站等交通设施的设计与管理方面得到了广泛的应用。

1、排队与排队系统

“排队”：

指正在等待服务的车辆或人，不包括正在被服务的。

“排队系统”：

既包括等待服务的车或人，也包括正在被服务的。

2、排队系统的三个组成部分

<1>输入过程：

指车辆或人是按怎样的规律到达。

如：

定长输入（D）、泊松分布（M）、爱尔朗分布（Ek）等（是常用的）。

<2>排队规则：

指到达的车辆按什么样的次序接受服务。

（采用何种排队方式）有：

损失制、等待制、混合制。

<3>服务方式（输出过程）：

指有多少个服务台服务，为每个顾客服务的时间多长及具有怎样的分布规律。

3、排队系统的表达参数

<1>等待（排队）时间：

从到达起至接受服务时止的这段时间。

有系统消耗时间的概念。

<2>忙期：

服务台连续繁忙的时间长度，关系到服务台的工作强度。

常用系统中无车辆或人的概率表达。

<3>队长：

排队车辆数或系统中车辆数。

2.1.3跟驶模型

车辆跟驶特性

1、制约性

在后车有“紧随要求”的前提下，前车车速制约着后车车速和两车间距，后车运动状态随前车运动状态的改变而改变。

“紧随要求”、“车速条件”、“间距要求”构成了跟驶行驶的制约性。

2、传递性

车流中某一车辆运行状态的改变，会一辆接一辆的向后连续影响，即这种影响具有传递性。

3、延迟性（滞后性）

前、后车运行状态的改变不是同步的，后车总是在前车运行状态改变后，过一段时间（反应时间）才能作出相应的动作。

2.2信号交通路口交通流运动特性

信号交通路口车流的运行特性及其通行能力，直接取决于信号配时情况，当一个交通路口的相位安排确定之后，车流通过交通路口时的基本运动特性如图2.1所示。

图2.1绿灯期间车流通过交通路口的流量图示

当信号灯转为绿灯显示时，原先等候在停车线后面的车流便开始向前运动，车辆鱼贯地越过停车线，其流率由零很快增至一个稳定的数值，即饱和流量S。

此后，越过停车线的后续车流将保持与饱和流量S相等，直到停车线后面积存的车辆全部放行完毕，或者虽未放行完毕但绿灯时间已经截止。

从图2.1可以看到，在绿灯启亮的最初几秒，流率变化很快，车辆从原来的静止状态开始加速，速度逐步由零变为正常行驶速度。

在此期间，车辆通过交通路口（停车线）的车流量要比饱和流量低些。

同样的道理，在绿灯结束后的黄灯时间（许多国家的交通法规允许车辆在黄灯时间越过停车线）或者在绿灯开始闪烁后，由于部分车辆因采取制动措施而已经停止前进了，部分车辆虽未停止但也已经开始减速，因此通过交通路口（停车线）的流量便由原来保持的饱和流量水平逐渐地降下来[6]。

必须注意的是，只有当绿灯期间停车线后面始终保持有连续的车辆排队时，车流通过停车线的流率才能稳定在饱和流率的水平上。

2.3有效绿灯时间和损失时间

从图2.1中，可以求得饱和流率和有效绿灯时间。

为便于研究，用虚折线取代图2.1中实曲线所代表的实际流量过程线。

虚线与横坐标轴所包围的矩形面积与实曲线所包围的面积相等。

这样矩形的高就代表饱和流率s的值，而矩形的宽则代表有效绿灯时间强。

换句话说，矩形的面积％恰好等于一个平均周期内实际通过交通路口的车辆数。

从图2.1中可以看出，绿灯信号的实际显示时段与有效绿灯时段是错开的。

有效绿灯时间的起点滞后于绿灯实际起点。

我们将这一段滞后的时间差称为“绿灯前损失”。

同样，有效绿灯时间的终止点也滞后于绿灯实际结束点（这当然指黄灯期间允许车辆继续通行的情况），将这一段滞后时间差称作“绿灯后补偿”。

由此可得到有效绿灯时间的下述计算公式：

（2.2.1）

式中：

G——实际绿灯显示时间；

——绿灯后补偿时间，等于黄灯时间减去后损失时间；

——绿灯前损失时间。

有效绿灯的“起始迟滞”时间a等于该相位的绿灯间隔时间与绿灯的前损失时间之和，有效绿灯的“终止迟滞”时间b恰好等于绿灯的后补偿时间，用公式表示如下：

（2.2.2）

式中

，

，I的含义如图2.1所示。

根据起始迟滞和终止迟滞的概念，我们可以定义相位损失时间。

相位损失时间

就是起始迟滞与终止迟滞之差，即:

（2.2.3）

由式（2.2.3）有

（2.2.4）

如果假定绿灯的前损失时间恰好等于后补偿时间，那么相位损失时间便等于绿灯间隔时间，。

正是由于绿灯间隔时间包含于损失时间之内，信号交通路口的通行能力和配时问题就只与车流的运动特性有关了[7]。

根据绿灯损失时间的定义，可以得出实际绿灯显示时间G与相位有效绿灯时间g之间的如下关系：

（2.2.5）

信号周期时长c可以用有效绿灯时间和相位损失时间来表示：

（2.2.6）

信号交通路口的信号显示是周期性运行的，在一个信号周期内所有相位都要显示一次。

由于每个相位都有确定的损失时间，那么对于整个交通路口而言，每一信号周期中都包含一个总的损失时间L。

也就是说，在信号周期的这部分时间里，所有相位均为非绿灯显示，这一部分时间被“浪费”掉了。

这里的“浪费”并非是真正的浪费，因为周期损失时间并非真正无用，它对于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通路口（潜在冲突点）是必不可少的信号周期的总损失时间为各关键相位的损失时间之和：

（2.2.7）

2.4小结

本章在研究信号交通路口交通流数学模型的基础上，分析了交通流的特性，然后深入分析了交通路口信号控制中的有效绿灯时间和损失时间，

第三章信号交通路口控制优化设计

合理的交通路口控制措施能够很大程度地提高交通路口的运行效率，从而增加交通路口的通行能力，提高交通路口服务水平，此外对于交通路口车辆和行人的安全也有重要作用。

因此交通路口控制设计是交通路口设计的重要组成部分。

3.1.相位的确定

相位（Phase）――信号周期的一部分，分配给任意交通流组合，使其在一个或多个间隔（Interval）之中可同时具有行驶路权。

美国标准交通控制手册（ManualonUniformTrafficControlDevices,MUTCD）也有将信号相位定义为对路权的分配的相似论述。

信号相位设计是通过对在一个周期内各个单独的信号相位或其组合的排序，来限定不同方向的行人和车辆通过交通路口的组合和顺序。

传统的信号控制采取相交道路两个相位的控制方式（图3．1），如南北和东西相位，不存在相序问题，以机动车运行特性为主要依据。

图3.1传统十字型交通路口交通流流向分布示意图

由图3.l可以看出，传统十字型交通路口的机动车交通流流向有12个，非机动车交通流流向有12个，行人交通流流向有8个，整个交通路口交通流流向有32个。

因此，在传统两相位信号控制下，城市道路存在以下交通问题：

1）绿灯初期，同一相位中机动车与非机动车冲突严重，导致绿灯开始阶段机动车流损失时间过大；

2）绿灯中期，左转（包括对向的）非机动车穿越执行机动车流，导致机动车流通行能力的下降，同时难以保证安全性，成为机动车与非机动车之间交通事故的主要起因；

3）绿灯末期，进入交通路口的非机动车与相交道路绿灯初期驶出的非机动车形成极为混乱的集团，对相交道路上机动车流的运行干扰极大，严重影响交通路口的通行能力，容易引发交通事故；

4）行人处于自由行走状态，以“渗透”方式过街，对于机动车和非机动车运行非常不利；

5）交通秩序混乱，机动车在非机动车和行人的包围中运行，结果导致交通堵塞，甚至瘫痪；由以上分析，不难看出，两相位方案的不足主要体现在机非冲突上，对于非机动车与行人流量大的路口尤其是城市中心区，两相位方案是不可取的。

3.2交通信号控制

3.2.1信号控制的类型

信号控制设计首先要决定控制类型，信号控制包括预定配时控制和实时控制两种类型。

3.2.2信号配时

信号配时的原理就是把交通路口的时间资源按各流向交通流量的大小成比例地分配给各流向，所以信号配时的关键在于确定最佳周期长度。

根据相关研究表明信号周期过短，周期损失时间所占比例增加，通行能力下降，车辆延误增大；信号周期过长，通行能力提高不明显，车辆延误增大。

所以存在一个最佳周期，在此周期下，既保证一定的通行能力，又使车辆延误为最小。

图3.2所示：

图3.2通行能力、车辆延误与信号周期关系图

最佳周期不宜太短也不宜太长，一般在40秒和180秒之间，并且不推荐长周期，因为周期过长，不但不能明显提高通行能力，而且车辆延误会随之增加，出行者若停车等待的时间过长，会极大地增加出行者的烦躁感。

周期过长，实在是弊大于利。

根据具体交通路口的几何线形、交通流量、所在地区类型、交通路口范围内公共汽车站分布等具体条件，每一交通路口都有自己独有的最佳周期，且随着交通流量的改变而改变。

确定每一信号交通路口的最佳周期的关键所在[8]。

常用的单点固定配时方法韦伯斯特法的基本点是：

车辆通过交通路口时，以其受阻延误时间作为衡量指标，然后对信号配时方案进行优选[9]。

Webster根据长期的现场调查及仿真研究，提出了下列计算车辆平均延误的公式：

式中：

——每辆车的平均延误时间（s）；

q——进口道流入交通量；

x——交通路口饱和度；

y——相位最大流量比。

将此关系式对周期C求偏导使延误最小，得出信号最佳周期时间公式：

（3.1）

式中：

L——表示每个周期的各相位总损失时间，其计算式如下:

（3.2）

其中：

l——车辆启动损失时间，应实测，无时间数据可取3秒

I——绿灯间隔时间，即黄灯时间加全红灯清路口时间，一般黄灯为3秒

全红灯为2～4秒；

A——黄灯时间，一般为3秒；

n——所设相位数；

Y——组成周期全部相位的最大流量比之和，即:

（3.3）

其中：

——第i个相位的最大流量比，即

=

（3.4）

其中：

——第i相位实际到达流量

——第i相位流向的饱和流量。

一般流量比总和不应大于0.9，若大于0.9，则应重新确定渠化方案及信号相

位方案。

确定完最佳周期后，再计算总有效绿灯时间G。

：

（3.5）

各相位有效绿灯时间有下式确定：

（3.6）

在webster提出的延误公式中，当饱和度z趋近于1时，d趋近无穷大，即x越接近于1，算得的延误越不正确，更无法计算超饱和交通情况下的延误。

3.2信号配时的优化

传统的配时设计多采用Webster公式，