基于停车线法和冲突点法的交叉口通行能力计算毕业设计.docx
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基于停车线法和冲突点法的交叉口通行能力计算毕业设计
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基于停车线法和冲突点法的交叉口通行能力计算
摘要：
通过实地调查大慧寺路与高粱桥斜街丁字交叉口，分析信号周期、车流构成、冲突点及交叉口实测通行能力等情况，利用停车线法和冲突点法计算交叉口通行能力，经过与实测数据对比可知冲突点法更适合计算此交叉口通行能力。
通过分析，发现交叉口存在问题并给出优化建议。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
关键词：
交叉口通行能力停车线法冲突点法
一、概述
1.1交叉口通行能力的基本概念
在美国道路通行能力手册HCM2000中，对于通行能力的定义为：
在某一特定时期内，在给定的道路几何条件、交通条件、环境条件以及控制条件下，通过道路上某一点或某一截面的车辆和行人的最大流率。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
当两条或者两条以上的道路在同一平面相交称为平面交叉，平面路口在单位时间内相交道路可以通过最大的交通流就是平面交叉口的通行能力。
对于城市信号交叉口来讲，其通行能力主要与道路和交通设置设施的几何特征、信号配时，以及交叉口的交通特性相关。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
几何特征是交通设施的固定特性，从某种意义上讲是没有弹性的。
当车辆逐渐增多，可通行的交通量会稳定在某一个值，也就是我们通常意义上讲的通行能力。
若此时的交通控制处于良好的配时状态的话，显著地增加通行能力的办法只能是增加新的道路和交通设施。
但是，并不是说一味地增加交通设施就可以解决所有的交通问题，道路的铺设会吸引潜在的交通量。
而且，就同一条道路来讲，当单向车道增加到4条以上的时候，最外围的车道会因转向车辆的横向干扰而显著降低单条车道的通行能力，此时即使增加更多的车道数，对整体通行能力的提高作用也不大了。
与路段的通行能力有所不同，在信号灯交叉口，有关信号配时控制的方面被加入了对通行能力的分析之中。
交通信号控制从本质上来讲是为了分离在同一时间同一地点可能产生冲突的交通流，给不同的交通流以明确的路权分配。
交叉口的信号配时的方式会使交叉口的通行能力产生显著的影响。
若配时不合理，则有可能使交通量远未到达饱和流量便遭受严重的延迟。
因此，正确合理的信号配时对于交叉口的通行能力至关重要。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
分析信号交叉口的通行能力的基本单元是车道组。
车道组是一条或者多条到达交叉口的车道的组合，对交叉口通行能力的研究便基于对此的研究。
HCM2000认为，信号交叉口整体通行能力的概念毫无意义，因为由于信号分配的缘故，几乎不可能出现交叉口所有方向的车流同时达到饱和。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
1.2信号交叉口通行能力影响因素
如上所述，信号交叉口通行能力是指在正常的交通条件、道路条件、信号设计条件下所能通过交叉口的最大小时流量。
信号交叉口的通行能力首先是对每一引道规定的，它是在一定的交通、车行道和信号设计条件下，某一指定入口引道单位时间内通过的最大流量。
我们在计算交叉口的通行能力时，要注意规划设计阶段，考虑的整个交叉口的通行能力，以使其能够满足所有流向的车辆能够满足直行和转换方向的要求。
因为，交叉口的通行能力是基于各个引道通行能力之和，各个引道的通行能力也不尽相同，因此在计算中要注意。
由此看出,影响信号交叉口通行能力的因素包括:
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
（1）路口的道路条件，包括车道的数量;车道宽度;路肩宽度;侧向系宽;设计车速;平面线型;纵面线型。
（2）路口的交通条件，包括车型分布;交通量的大小;车流在不同车道上的分布。
（3）信号条件:
信号相位、信号配时、控制类型等。
（4）摩阻，包括道路两侧的商业活动;道路两侧的停车;道路两侧的行人活动。
（5）周边交通环境，包括相邻路口间距;相邻路口的交通控制方式;相邻路口的交通条件和道路条件;相邻路口的摩阻。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
（6）其他因素，包括路口交通管理方式;路口的控制方式;交通参与者的交通意识;交通参与者的法律意识;交通流在路口内通行时的冲突程度;天气状况;路口环境的愉悦性;交通参与者参与交通的公平性辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
1.3交叉口通行能力计算方法介绍
1.3.1停车线法
停车线法是由北京市政设计院提出的。
它以进口处车道的停车线作为基准面,认为凡是通过该面的车辆就已通过交叉口,所以称为停车线法。
停车线法不同于与某一具体的信号配时方法结合在一起的方法（这些配时方法在各自的适用范围内,优化的控制参数能使得信号交叉口取得较好的交通效益,相应地信号交叉口通行能力也较采用其他控制参数时要高一些。
这实际上是计算不同交通状态下的最佳实际运行通行能力）,它所关心的是信号交叉口在既定的几何条件和信号控制条件下（控制参数先确定,但不论该控制参数设置是否合理）所能达到的通行能力峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
1.3.2冲突点法
由于停车线法是以停车线断面为考虑的出发点,研究信号交叉口通行能力的估算。
根据对现有信号控制交叉口实际交通运行状态的分析发现,对信号交叉口通行能力真正起作用的地点是在交叉口中的冲突点上,而不是在停车线上。
基于此,我国学者根据对车辆通过信号交叉口实际运行状态的分析,提出了计算车辆通过冲突点的信号交叉口通行能力分析方法———冲突点法。
冲突点法中一个重要的方面就是确定“可穿越空挡”的次数。
一般的计算方法是根据直行车流量按空挡的概率分布算得的。
由于我国城市道路的车流离散系数较大,车流呈现的无规律性强,而影响我国城市道路车流离散规律的因素又很多,很难用简单的模型来描述车流的运动规律,因此,用概率分布求得的“可穿越空挡”次数只是一个近似值,并不能精确反映实际交通状况。
但这种方法对于我国混合交通环境下的信号交叉口通行能力计算还是十分有效的。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
二、大慧寺路与高粱桥斜街丁字交叉口基本情况
2.1大慧寺路与高粱桥斜街丁字交叉口位置
该交叉口位于北京市海淀区北二环至北三环西路之间，是大慧寺路，大柳树路，高粱桥斜街三路的交汇点，属于典型的T型信号控制交叉口。
此交叉口西临中关村南大街，北接学院南路，南至高粱桥斜街。
周围分布着许多重要的企事业单位，如交叉口东南边的北京交通大学，西北边的富海大厦和东边的铁道科学研究院，西南边的钢铁研究院等。
这些单位是交叉口重要的交通发生和吸引源。
通过此交叉口的车辆分为机动车和非机动车辆。
通过的机动车又可大致划分为三种，小型机动车、中型机动车和大型机动车（主要指公交车）。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
图1大慧寺路与高粱桥斜街丁字交叉口地图
2.2大慧寺路与高粱桥斜街丁字交叉口车流基本情况
此交叉口为丁字交叉，三条进口道的行车方式为：
南进口道有六条机动车道，一条左转调头车道，一条左转车道，四条直行车道；北进口道有四条机动车道，一条直行同左调头车道，两条直行车道，一条右转车道；西进口有一条右转车道。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
图2交叉口进口道车流结构图
交叉口南北方向为主路，东西向为支路。
交叉口南侧的主路为高粱桥斜街，由高粱桥斜街进入交叉口的车辆分为调头、直行和左转三种，其中大部分车辆为直行。
交叉口北侧为大柳树路，车辆分为直行，右转和调头，调头地点距离交叉口距离在50米左右，可以看作调头车辆并未进入交叉口，但通过实地调查发现调头车辆会占用高粱桥斜街由南向北直行车道，因此调头车辆仍然对交叉口通行能力有一定影响。
交叉口西侧为支路，支路由东向西方向为机动车单车道和非机动车车道，由西向东方向为机动车和非机动车混行双车道，交通状况较为复杂。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
2.3大慧寺路与高粱桥斜街丁字交叉口信号灯配时情况
2.3.1信号周期实测方法
经初步观察，信号灯周期为三相位，见图3。
图3信号灯相位图
实测信号周期由小组内两人完成，连续测五个周期，一人负责观察相位变化，一人负责记录对应时间。
最后绘成的相位周期变化图如下：
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
图4信号周期图
因此信号灯周期为138s。
三、交叉口实测通行能力
由于交叉口的通行能力等于各进口道通行能力之和，而进口道的通行能力等于各车道通行能力之和。
进口道各车道功能划分如下表：
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
表3.1进口道各车道功能划分
3.1实地观测
3.1.1观测时间
2013年11月7日16:
30-18：
00
3.1.2观测方法
交叉口进口道有南进口道、北进口道和西进口道三个进口道，小组每两人观测一个进口道，剩余一人观测各冲突点形成原因及对冲突地点摄像。
观测进口道时，小组分大中小车型分别记录车流量，分左转、左调头、直行和右转分别记录车流量。
其中，以信号灯周期为记数周期，右转车记数周期同直行车。
实测数据见附件1。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
3.2交叉口各方向车流结构
不同的车型需要换算成pcu（当量交通量）
表3.2车型换算系数表
编号
车辆类型
换算系数
1
小型车
1.0
2
中型车
2.0
3
大型车
3.0
实测数据经过车型换算，得各方向车流结构如下，
表3.3南进口道车流结构
南进口道17:
00-18:
00（pcu/h）
左转
大型车
30
中型车
28
小型车
139
左调
大型车
0
中型车
0
小型车
11
直行
大型车
75
中型车
88
小型车
1069
画出车流结构的饼状图，如图4。
图5南进口道车流结构图
由上图可以看出，按行车方向来看，南进口道车流以直行车为主，有少数左转车和左转调头车；从车型来看，主要以小型车为主，少数中型车和大型车。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
表3.4北进口道车流结构
北进口道17:
00-18:
00（pcu/h）
右转
大型车
60
中型车
26
小型车
208
直行
大型车
99
中型车
110
小型车
1397
左调
大型车
12
中型车
32
小型车
184
图6北进口道车流结构图
由上图可以看出，按行车方向来看，北进口道车流以直行车为主，占比75%，有少数左转车和左转调头车；从车型来看，主要以小型车为主，占比93%，少数中型车和大型车。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
表3.5西进口道车流结构
西进口道17:
00-18:
00（pcu/h）
右转
大型车
33
中型车
20
小型车
289
左转
大型车
45
中型车
14
小型车
199
图7西进口道车流结构图
同南北进口道车流结构不同，按行车方向来看，西进口道车流左右转各占一半；从车型来看，主要以小型车为主，占比92%，少数中型车和大型车。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
那么，各进口道通行能力如表6.
表3.6交叉口各进口道通行能力
进口方向
通行能力（pcu/h）
南进口
1440
北进口
2128
西进口
600
合计
4168
综上所述，实测大慧寺路与高粱桥斜街丁字交叉口通行能力为4168pcu/h。
3.3交叉口安全服务水平评价
影响公路信号平面交叉口安全服务水平的因素有主观因素和客观因素。
主观因素主要指与人有关的因素，如驾驶行为、交通安全意识等。
客观因素主要指交叉口几何特征、道路状况、交通控制、交通环境等有关因素，如信号灯、交通标志、交通量等。
由于主观因素变化大，故本文评价方案仅考虑客观因素。
根据已建立的道路交叉口服务水平分析模型，对信号交叉口安全服务水平影响因素分类，在确定信号交叉口安全服务水平方案时，着重考虑交通冲突点和交通量。
首先假设次要影响因素为理想状况时，从冲突点的个数、冲突点的类型、冲突点的恶性程度，以及交通量等方面建立信号交叉口安全服务水平的主模型。
其次考虑次要影响因素对信号交叉口安全可能造成的影响，建立次要影响因素的修正模型，然后根据主模型与修正模型建立信号交叉口安全服务水平的总模型。
最后通过具体数据计算得实际状况下的安全服务水平。
具体分析情况如图8呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
信号交叉口安全服务水平评价
安全服务水平影响因素
主要影响因素
交通量
次要影响因素
机动车与非机动车冲突点
机动车与机动车冲突点
机动车与行人冲突点
建立交通量影响模型
信号灯
照明
路面
交通标线
交通标志
几何特征
建立次要影响因素修正模型
从冲突点个数、冲突点类型、恶性程度等建立安全服务水平主模型
实际状况下的安全服务水平
安全服务水平总模型
图8信号交叉口安全服务水平分析流程
计算公式如下：
式中，R为机动车与机动车冲突点造成的交叉口潜在危险度，r为信号相位；g为r相位的绿灯时间，y为r相位的黄灯时间，T为信号周期，i为机动车与机动车冲突点中冲突点的种类；n为i种类冲突点的个数，s为i种冲突点的恶性程度，k为机动车交通量影响系数。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
其中，v为交叉口入口机动车交通量；C为交叉口机动车通行能力。
S的取值根据下表：
表3.7冲突点种类与恶性程度关系
冲突点种类
恶性程度
分流冲突点
1.0
合流冲突点
1.5
交叉冲突点
3.0
右转机动车与自行车冲突点
1.0
左转机动车与自行车冲突点
1.5
直行机动车与自行车冲突点
3.0
右转机动车与行人冲突点
1.25
左转机动车与行人冲突点
1.25
直行机动车与行人冲突点
3.0
本次测量交叉口，情况较为简单，将K取值为2，不考虑相位，其他条件相同，根据之前分析的道路冲突点，计算得出最后该道路的潜在危险度为7.2。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
该模型的计算结果对应分析程度如下表所示：
表3.7安全服务水平
安全服务水平
交叉口危险度
感觉
A
B
C
D
E
F
≤7
≤14
≤21
≤28
≤35
>35
非常安全
安全
比较安全
较不安全
不安全
危险
因此该交叉口的通行能力情况正常，安全水平为安全。
四、交叉口交叉干扰分析
由于信号灯为三相位，经过实测，得出各相位交叉干扰图如下。
图9第一相位交叉干扰图
第一相位有两个冲突点，冲突点2为由西向南右转车与由北向南直行车冲突，冲突点3由北向北左转调头与由南向北直行冲突。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
图10第二相位交叉干扰图
第二相位有两个冲突点，冲突点4为由南向南左转调头车与由西向南右转车冲突，冲突点5由北向南右转车与由南向西左转车冲突。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
图11第三相位交叉干扰图
第三相位有一个冲突点1，为由西向北左转车与由西向南右转车分流冲突点。
五、停车线法计算交叉口通行能力
5.1理论方法
停车线法以进口处车道的停车线为基准面,认为凡是通过该面的车辆就已通过交叉口,针对此交叉口的计算方法如下：
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
5.1.1一条直行车道的通行能力
计算公式：
Cs是一条直行车道的通行能力；
Tc信号灯的周期；tg是信号周期内的绿灯时间；
ts是1个信号周期内的绿灯损失时间，包括启动、加速时间，通常在绿前的黄灯时间已经做好准备,待绿灯一亮即可开动,故一般只计算加速时间损失。
在小汽车车流占绝对比例的城市道路中，加速时间损失通常取2.3s。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
ti是前后2车辆通过停车线的平均时间，即平均车头时距，其值参见表9
表5.1混合车队的ti
大：
小
2:
8
3:
7
4:
6
5：
5
6:
4
7:
3
8:
2
ti
2.65
2.96
3.12
3.26
3.30
3.34
3.42
对于单纯的小汽车车流ti平均为2.5s,大型车平均为3.5s,通道车平均为7.5s
5.1.21条右转车道的通行能力
计算公式：
Cr是1条右转车道的通行能力；
tr是前后2辆右转车辆连续驶过停车线断面的间隔时间,根据观测,大、小车各占一半时,平均值均为4.5s,单纯为小汽车时其均值为3-3.6s。
但是此处的计算必须考虑过街行人与自行车对道路通行能力的影响。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
5.1.31条左转车道的通行能力
计算公式:
当设左转车辆专用信号时1条左转专用车道的通行能力如上式,式中:
Cl是1条左转专用车道的通行能力；
t是1个信号周期内左转显示的时间；
to是左转车辆连续通过交叉口的平均车头时距。
5.1.41条直左车道的通行能力
计算公式:
为该车道中左转车比例
k为折减系数,取0.7-0.9
5.2交叉口实际通行能力
5.2.1交叉口南进口通行能力
（1）直行车道通行能力
由于1条直行车道的通行能力
信号周期Tc为138s,
南进口绿灯时间tg为65s，
通常取2.3s，
由于通过直行车道的车辆中大型车：
小型车近似为0,所以将车流看成单纯的小汽车车流，ti取2.5s。
带入得：
则可知南进口四条直行车道通行能力为
（2）左转车道的通行能力
t是1个信号周期内左转绿灯显示的时间，为25s；
t0是左转车辆连续通过交叉口的平均车头时距，一般为2.5s
237pcu/h
（3）左转调头车道通行能力
左调车道实测值为：
11pcu/h
5.2.2交叉口北进口通行能力
（1）直行车道通行能力
由于北进口左调头车辆极少，所以将其算进直行车道中。
北进口绿灯时间tg为65s，ti取2.5s
同南进口计算方法，
则可知北进口三条直行车道通行能力为
（2）右转车道的通行能力
tr取3s
Cr=
pcu/h
5.2.3交叉口西进口通行能力
西进口只有一条左右车道，将其看成直左车道。
k取0.7，tg为39s，
取2.3s，ti取2.5s
182pcu/h
综上所述，使用停车线法算出交叉口通行能力为
C=2616+237+11+1962+1000+182=6008pcu/h
六、冲突点法计算交叉口通行能力
6.1冲突点法算法
6.1.1车辆通过交叉口一个冲突点的各类间隔时间的总和
在定时式信号灯的灯色时间都已配定的情况下,各向车辆通过交叉口一个冲突点的各类间隔时间的总和为:
式中:
ns—紧接运行通过冲突点的直行车
nl—紧接运行通过冲突点的左转车数
nl0—绿灯初期通过的左转车数
tlh—左转头车从停车线行驶到冲突点所需时间（包括驾驶员反应时间）
tst—直行尾车从停车线行驶到冲突点所需时间（包括驾驶员反应时间）
h1—条车流紧接运行通过冲突点时的安全车头时距（混合交通的情况下,如用小汽车折算单位计算其流量时,则h1取小汽车的安全车头时距,如直接用混合交通的流量,则h1取混合交通的计算车头时距,此时需假设左转车同直行车在组成比例上相近,左转车车头时距同直行车车头时距相等）趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
—直行车流中能穿越左转车的可穿越空档的时间长,一般取值4.5~10s左右,1为前档,2为后档，本文中取经验值6s。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
G—绿灯时长
g—直行车流中,一个绿灯时长内出现的可穿越空档数次数（可穿越空档数g,可根据直行车的流量,按空档的概率分布算得）视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
由于绿灯初期驶出的直行车辆,均系红灯时到达。
停积在停车线上的待行车辆,这批车辆必以最小安全车头时距通过冲突点,基本属于定长分布,所以可穿越空档必须以绿灯期间到达的车流中求得。
因此,应先根据直行车流量,算出绿灯期间到达的车辆数,然后再按空档分布从中计算可穿越空档数。
到达属泊松分布时,空档分布按负指数分布计算;到达分布属二项分布或广义泊松分布时,空挡分布按爱尔朗分布计算。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
6.1.2计算车辆通过一个冲突点的通行能力
式中:
m是进口道直行车道的条数;
am由穿越空档所致的损失时间,一条直行车道时,am=g（τ-2h1）；2条直行车道时,am=g（2τ-3h1）緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
β为有无专用左转车道时的得、失时间,无专用左转车道时,β=Tsh-Tst
有专用车道时,β=Tlh-Tst。
6.1.3整个交叉口一个周期的通行能力
式中:
是通过右转专用车道的右转车实际到达数
6.1.4计算整个路口的通行能力
整个路口的通行能力为
Tc为信号周期时长
6.2大柳树北站交叉口能力计算
6.2.1确定各个冲突点的计算参数
6.2.1.1确定车头时距hm
（1）各冲突点大、小、中型车的比例如下表：
表6.1各冲突点大小中型车的比例
冲突点
1
2
3
4
5
大
0.034
0.025
0.032
0.009
0.074
中
0.031
0.038
0.038
0.039
0.067
小
0.935
0.937
0.930
0.952
0.859
（2）利用车头时距的计算公式
经过计算得到各个冲突点的车头时距为分别为：
表6.2各冲突点的车头时距
冲突点
1
2
3
4
5
车头时距（s）
2.5652
2.5458
2.5696
2.493
2.7588
6.2.1.2各个冲突点的计算参数
各个冲突点的计算参数见下表。
表6.3各个冲突点的计算参数表
冲突
1
2
3
4
5
G
39
65
65
25
25
G
2
1
1
2
1
τ
6
6
6
6
6
Tsh
0
9.2
9.2
7.9
7.9
Tst
0
25.9
25.9
25.9
25.9
Tlh
--
--
--
--
7.9
hm
2.5652
2.5458
2.5696
2.493
2.7588
M
1
2
4
1
1
0
-16.7
-16.7
-18
-18
6.2.2各个冲突点的每个周期的通过能力计算
将各个计算参数带入公式
式中:
m是进口道直行车道的条数;
am由穿越空档所致的损失时间,一条直行车道时,am=g（τ-2h1）
2条直行车道时,am=g（2τ-3h1）
β为有无专用左转车道时的得、失时间,有专用左转车道时,β=Tsh-Tst
无专用车道时,β=Tlh-Tst。
经过计算得到各个冲突点每个周期的通过能力为：
表6.4各个冲突点每个周期的通过能力
冲突点
1
2
3
4
5
通过能力（pcu/周期）
21
33
35
17
16
6.2.3实测交叉口右转交通量
实测北进口和西进口每个周期右转车的到达数目为
=24（pcu/h）
6.2.4交叉口通过能力
由公式
由实测周期时间可知，Tc=138s
利用公式
C=
=
得到
C=3991pcu/h
七、两种方法与实测结果对比分析
表7.1交叉口实际通过能力
方法
实测
停车线法
冲突点法
通行能力（pcu/h）
4168
6008
3991
停车线法计算出来的结果与实测的交通量相差较大,经初步分析,可能是停车线法以停车线为控
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