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論文摘要：針對(duì)目前城市道路平面信號(hào)控制交叉口的交通擁擠問題，提出了交通組織與管理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，同時(shí)還建立了信控交叉口的通行能力和延誤計(jì)算模型。
論文關(guān)鍵詞：信控交叉口,優(yōu)化設(shè)計(jì),通行能力,延誤
　　1前言
　　通常，在一個(gè)城市道路網(wǎng)中，平面交叉口往往成為路網(wǎng)容量、通行能力和交通安全的卡口。日常的交通擁擠，大部分是由于平面交叉路口的通行能力不足造成的。因此，如何提高平交路口的通行能力和改善行車秩序就成為國(guó)內(nèi)外共同關(guān)注的熱點(diǎn)，同時(shí)也是緩解城市交通擁擠的一項(xiàng)非常重要的措施。
　　國(guó)內(nèi)外交通工程的理論和實(shí)踐均已證明，通過對(duì)城市道路交叉口采取適當(dāng)?shù)慕M織和管理以及一定的交通工程改造措施，能有效地增加交叉口的通行能力、降低延誤、并充分發(fā)揮交叉口的交通功能。另一方面，從路網(wǎng)層次上來看，交叉口通行能力的增加，無疑減少了車輛的時(shí)間和空間消耗，緩解了路網(wǎng)壓力，增加了路網(wǎng)容量，使城市道路資源得到了最充分的利用。本文主要針對(duì)信號(hào)燈控制的平面交叉口，探討其交通組織與管理方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提出相應(yīng)的方案實(shí)施效果的評(píng)價(jià)方法。
　　2信控交叉口方案優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　在交叉口綜合治理時(shí)，總希望獲得最好的效果。因此就需要對(duì)交叉口治理方案進(jìn)行充分比選，做到在方案實(shí)施前就知道方案實(shí)施后的效果。對(duì)治理方案進(jìn)行比選的過程實(shí)際上就是優(yōu)化的過程。通常選定的優(yōu)化目標(biāo)是交叉口的通行能力最大，車輛在交叉口的平均延誤最小。具體的優(yōu)化內(nèi)容有：信號(hào)配時(shí)的優(yōu)化、交通工程改造措施的優(yōu)化和交通管理措施的優(yōu)化。
　　3信控交叉口方案優(yōu)化的措施
　　如何來進(jìn)行交叉口的綜合設(shè)計(jì)呢？本文試圖從信號(hào)配時(shí)的基本參數(shù)、交叉口交通工程改造措施以及交通管理措施等方面來對(duì)信號(hào)交叉口的交通組織與管理進(jìn)行優(yōu)化。
　　3.1信號(hào)配時(shí)
　　交叉口信號(hào)配時(shí)的基本參數(shù)包括：周期時(shí)長(zhǎng)、信號(hào)相位和綠信比等。
　�。�1）周期時(shí)長(zhǎng)
　　周期時(shí)長(zhǎng)就是指信號(hào)完成一個(gè)周期所需要的總時(shí)間，或者是從某相位的綠燈開始到下次該相位綠燈開始的時(shí)間，一般多用秒來表示。當(dāng)周期過長(zhǎng)時(shí)，排隊(duì)等待的車輛駕駛員和行人將產(chǎn)生急躁情緒，等待的車隊(duì)也過長(zhǎng)，從而降低了交叉口的服務(wù)水平。當(dāng)周期過短時(shí)，信號(hào)變換頻繁，使損失時(shí)間增大，從而減少了交叉口的通行能力。又一般來說，人為的不合理的信號(hào)周期（過長(zhǎng)或過短）都會(huì)增加交叉口的延誤。
　�。�2）信號(hào)相位
　　信號(hào)機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)有幾個(gè)控制狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)稱為一個(gè)相位。相位組合的復(fù)雜程度和相位數(shù)目的多少通常隨平面交叉口的形狀和交通流方向的復(fù)雜程度而變化。相位的組合方式對(duì)信控交叉口的安全性和效率兩方面都有著決定性的影響。一般情況下，使用專用相位將相互交錯(cuò)的車流分離，可提高安全性，但增加相位數(shù)量的同時(shí)，有效利用時(shí)間減少，交叉口通行能力下降，易造成交通擁堵。
　�。�3）綠信比
　　綠信比是指有效綠燈時(shí)間和周期時(shí)長(zhǎng)之比。綠信比的選取是否合理決定著交叉口各入口引道是否運(yùn)行暢通。其實(shí)質(zhì)就是綠燈時(shí)間按各入口、各方向上的需求流量占整個(gè)交叉口總需求流量的比例分配，即按需分配。
　　3.2交通工程改造措施
　�。�1）交叉口交通渠化
　　交叉口交通渠化就是指在道路上用交通標(biāo)線及交通島等設(shè)施使不同類型的交通、不同方向及不同速度的車輛能象渠道內(nèi)水流那樣，順著一定方向，互不干擾地順利通過。通過交叉口渠化能改善交叉口的交通秩序，進(jìn)而可以提高交叉口的通行能力和安全水平。
　�。�2）拓寬交叉口
　　交叉口處的時(shí)空資源比路段少。如果相交道路的等級(jí)相同，車道數(shù)目相同，假定均為單向兩車道，設(shè)每條路的路段通行能力為1，則該方向道路的路口通行能力小于等于0.5。為了使路口、路段盡可能匹配，可將各進(jìn)口道拓寬，即增加進(jìn)口車道。
　　3.3交通管理措施
　　（1）交通管制
　　在時(shí)間和空間上限制某一類型（如貨車等）、某一方向的（如左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等）車輛通行，從而提高整個(gè)交叉口的通行能力和減少行車延誤。
　�。�2）非機(jī)動(dòng)車、行人分流
　　當(dāng)非機(jī)動(dòng)車、行人對(duì)機(jī)動(dòng)車輛的交通組織運(yùn)行產(chǎn)生不可調(diào)和的矛盾時(shí)，就需要考慮將非機(jī)動(dòng)車、行人分流，減少交叉口的運(yùn)行復(fù)雜性。這種情況多發(fā)生在交叉口機(jī)動(dòng)車輛交通組織本身就復(fù)雜，加之非機(jī)動(dòng)車、行人流量較大的情況下。
　�。�3）按照交通流流向渠化進(jìn)口車道功能
　　交叉口進(jìn)口道車道功能劃分主要是根據(jù)交通流流量、流向等參數(shù)將入口引道劃分為不同運(yùn)行方向?qū)Ｓ密嚨阑蚬灿密嚨�。入口引道處交通渠化的�?yōu)劣直接影響車輛在交叉口滯留時(shí)間的長(zhǎng)短。
　　4信控交叉口交通組織與管理方案的評(píng)價(jià)
　　4.1運(yùn)行效率
　　運(yùn)行效率主要體現(xiàn)在車輛的平均延誤和飽和度上。車輛平均延誤是指車輛在通過交叉口時(shí)由于交通信號(hào)裝置而產(chǎn)生的延誤除以總交通量，即得車輛的平均延誤。車輛平均延誤的大小直接影響著交叉口的服務(wù)水平。飽和度為交叉口實(shí)際交通量與通行能力的比值，該指標(biāo)反映了交叉口道路的時(shí)空利用率。
　　4.2運(yùn)行秩序
　　運(yùn)行秩序的優(yōu)劣直接影響著交叉口的安全水平，運(yùn)行秩序優(yōu)良可提高安全水平，反之亦然。評(píng)價(jià)運(yùn)行秩序優(yōu)良的指標(biāo)有：沖突點(diǎn)面密度、渠化狀況、行人過街設(shè)施等。
　　5信控交叉口通行能力和延誤的計(jì)算
　　在信號(hào)控制平面交叉口上可以利用半經(jīng)驗(yàn)的、數(shù)學(xué)的或仿真的幾種模型來預(yù)計(jì)交叉口的通行能力和行車延誤。
　　5.1信控交叉口通行能力的計(jì)算
　　在我國(guó)現(xiàn)行《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》以及交通工程參考書中，信號(hào)交叉口通行能力按進(jìn)口車道功能劃分根據(jù)停車線法原理進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算公式如下。
　�。�1）一條直行車道的設(shè)計(jì)通行能力
　　（1）
　　式中：為一條直行車道的設(shè)計(jì)通行能力；為信號(hào)燈的周期時(shí)長(zhǎng)；為一個(gè)周期中某個(gè)相位的綠燈時(shí)間；為損失的綠燈時(shí)間；為車輛與車輛之間的車頭時(shí)距，其大小與車輛的組成、車輛的性能及駕駛員條件有關(guān)；為路口綜合折減系數(shù)，多取為0.9。
　�。�2）一條直右車道的設(shè)計(jì)通行能力
　　（2）
　�。�3）一條直左車道的設(shè)計(jì)通行能力
　　（3）
　　式中：為直左車道中左轉(zhuǎn)車所占的比例。當(dāng)交叉口入口引道沒有設(shè)置右轉(zhuǎn)專用車道時(shí)，按式（4）來計(jì)算；當(dāng)交叉口入口引道設(shè)有右轉(zhuǎn)專用車道時(shí)，按式（5）來計(jì)算。
　　（4）
　　（5）
　　式中：為左轉(zhuǎn)車占本面進(jìn)口道交通量的比例；為右轉(zhuǎn)車占本面進(jìn)口道交通量的比例；為包含直行的車道總數(shù)（含直行專用車道、直左車道、直右車道和直左右車道）。
　�。�4）一條直左右車道的設(shè)計(jì)通行能力
　　（6）
　�。�5）交叉口進(jìn)口道設(shè)計(jì)通行能力
　　當(dāng)沒有設(shè)置專用車道時(shí)，交叉口進(jìn)口道的設(shè)計(jì)通行能力等于該進(jìn)口道各進(jìn)口車道的設(shè)計(jì)通行能力之和。
　　當(dāng)交叉口各進(jìn)口道設(shè)計(jì)有專用車道時(shí)，進(jìn)口道通行能力的計(jì)算應(yīng)單獨(dú)考慮。
　　當(dāng)進(jìn)口道處同時(shí)設(shè)置有左轉(zhuǎn)專用車道和右轉(zhuǎn)專用車道時(shí)，進(jìn)口道通行能力的計(jì)算可按式（7）來進(jìn)行。
　　（7）
　　當(dāng)進(jìn)口道處僅設(shè)置有左轉(zhuǎn)專用車道而無右轉(zhuǎn)專用車道時(shí)，進(jìn)口道通行能力的計(jì)算可按式（8）來進(jìn)行。
　　（8）
　　當(dāng)進(jìn)口道處僅設(shè)置有右轉(zhuǎn)專用車道而無左轉(zhuǎn)專用車道時(shí)，進(jìn)口道通行能力的計(jì)算可按式（9）來進(jìn)行。
　　（9）
　　其中：為本面進(jìn)口道的所有直行專用車道的設(shè)計(jì)通行能力之和。
　　（6）信號(hào)控制交叉口的設(shè)計(jì)通行能力
　　信號(hào)控制交叉口的設(shè)計(jì)通行能力為該交叉口各進(jìn)口道的設(shè)計(jì)通行能力之和。
　　5.2信號(hào)交叉口延誤的計(jì)算
　　對(duì)于信號(hào)控制交叉口延誤的計(jì)算模型較多，常用的計(jì)算模型有如下一些。
　�。�1）美國(guó)道路通行能力手冊(cè)（HCM）中給出的延誤計(jì)算方法，假定車輛是隨機(jī)到達(dá)的，則每輛車在信號(hào)交叉口進(jìn)口道上的平均停車延誤為：
　　（10）
　　（11）
　　（12）
　　其中：表示每輛車的平均延誤（s/輛）；為均勻延誤（s/輛）；為過飽和延誤（s/輛）；為信號(hào)燈周期時(shí)長(zhǎng)（s）；為進(jìn)口道的綠信比；為進(jìn)口道的飽和度。
　　進(jìn)口道的綠信比和進(jìn)口道的飽和度可根據(jù)公式（13）來進(jìn)行計(jì)算：
　　（13）
　　其中：為有效綠燈時(shí)間（s）；為進(jìn)口道的交通量（輛/h）；為進(jìn)口道的通行能力（輛/h）。
　　HCM方法的適用范圍為飽和度。
　�。�2）假定在進(jìn)口道車輛的到達(dá)率為常數(shù)，則車輛平均延誤時(shí)間為可按式（14）來計(jì)算：
　　（14）
　�。�3）假定在進(jìn)口道車輛的到達(dá)服從泊松分布，則車輛平均延誤時(shí)間可按式（15）來計(jì)算
　　（15）
　�。�4）一般而言，在交叉口進(jìn)口道，實(shí)際車流的到達(dá)規(guī)律比泊松分布的波動(dòng)性要小，但比均勻到達(dá)的波動(dòng)性要大，是介于二者之間的一種到達(dá)率，這可以利用式（14）和式（15）的任意一種組合來表示：
　　（16）
　　其中：、為組合系數(shù)。
　�。�5）基于交叉口進(jìn)口道車輛到達(dá)的隨機(jī)波動(dòng)性，Webster利用排隊(duì)論與數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方法，提出了如下式（17）所示的信號(hào)控制交叉口平均每輛車的延誤計(jì)算公式：
　　（17）
　　式（17）中的第一項(xiàng)表示車輛的到達(dá)率為恒定值時(shí)產(chǎn)生的正常相位延誤，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)則表示車輛的到達(dá)率隨機(jī)波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的附加延誤時(shí)間。當(dāng)飽和度較低時(shí)，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)所占的比例很小，但隨著飽和度的增加，第二、三項(xiàng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響就越來越大了。
　�。�6）在式（17）所示的延誤計(jì)算公式中，當(dāng)飽和度時(shí)，延誤，即越接近于1，算得的延誤越不準(zhǔn)確，通常式（17）僅適用于飽和度的車流。基于上述原因，Akcelik考慮了超飽和交通情況，把延誤公式改為：
　　（18）
　　其中：表示平均過飽和排隊(duì)車輛數(shù)（輛/h），按下式（19）和（20）來進(jìn)行計(jì)算：
　　（19）
　　（20）
　　其中：為飽和流量（輛/h）。
　　6結(jié)論
　　本文從信號(hào)配時(shí)、交通工程改造措施和交通管理措施等方面提出了信號(hào)控制交叉口交通組織與管理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并建立了相應(yīng)的方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。最后，本文給出了信控交叉口通行能力和延誤的計(jì)算模型，為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的合理評(píng)價(jià)提供了理論上的指導(dǎo)。
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