交通信号控制理论基础Word格式.doc
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对于车道灯信号：
1、绿色箭头灯亮时，本车道准许车辆通行；
2、红色叉形灯亮时，本车道不准车辆通行。
对于人行横道灯信号：
1、绿灯亮时，准许行人通过人行横道；
2、绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已进入人行横道的，可以继续通行；
3、红灯亮时，不准行人进入人行横道。
6．1．2信号相位与控制步伐
在空间上无法实现分离的地方（主要是在平面交叉口上），为了避免不同方向交通流之间的相互冲突，可以通过在时间上给各个方向交通流分配相应的通行权。
例如，为了放行东西向的直行车流且同时避免南北向的直行、左转车流与其发生冲突，可以通过启亮东西向的绿色直行箭头灯将路口的通行权赋予东西向直行车流，启亮南北向的红灯消除南北向直行、左转车流对东西向直行车流通行的影响。
对于一组互不冲突的交通流同时获得通行权所对应的信号显示状态，我们将其称之为信号相位，简称为相位。
可以看出，信号相位是根据交叉口通行权在一个周期的更迭来划分的。
一个交通信号控制方案在一个周期有几个信号相位，则称该信号控制方案为几相位的信号控制。
图6-1就是一个采用四相位信号控制的控制方案。
一个路口采用几相位的信号控制应由该路口的实际交通流状况决定，十字路口通常采用2～4个信号相位。
如果相位数设计得太少，则不能有效地分配好路口通行权，路口容易出现交通混乱，交通安全性下降；
如果相位数设计得太多，虽然路口的交通次序与安全性得到了改善，但由于相位之间进行转换时都会损失一部分通行时间，过多的相位数会导致路口的通行能力下降，延长司机在路口的等待时间。
图6-1四相位信号控制方案实例
为了保证能够安全地从一个信号相位切换到另一个信号相位，通常需要在两个相邻的信号相位之间设置一段过渡过程，例如对于图6-1所示的信号控制方案而言，从第一信号相位切换到第二信号相位，中间可能需要设置东西向绿色直行箭头灯闪烁、东西向黄灯亮、路口所有方向红灯亮等过渡过程。
对于某一时刻，路口各个方向各交通信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态组合，称为控制步伐，不同的灯色状态组合对应不同的控制步伐。
因此一个信号相位通常包含有一个主要控制步伐和若干个过渡性控制步伐。
控制步伐持续的时间称为步长，一般而言主要控制步伐的步长由放行方向的交通量决定，过渡性控制步伐的步长取值为2～3秒。
6．1．3交通信号控制参数
1.时间参数
（1）信号周期
信号周期是指信号灯色按设定的相位顺序显示一周所需的时间，即一个循环各控制步伐的步长之和，用C表示。
信号周期是决定交通信号控制效果优劣的关键控制参数。
倘若信号周期取得太短，则难以保证各个方向的车辆顺利通过路口，导致车辆在路口频繁停车、路口的利用率下降；
倘若信号周期取得太长，则会导致司机等待时间过长，大大增加车辆的延误时间。
一般而言，对于交通量较小、相位数较少的小型路口，信号周期取值在70秒左右；
对于交通量较大、相位数较多的大型路口，信号周期取值则在180秒左右。
（2）绿信比
绿信比是指一个信号周期某信号相位的有效绿灯时间与信号周期的比值，用λ表示。
（6-1）
式中，tEG表示有效绿灯时间。
某信号相位的有效绿灯时间是指将一个信号周期该信号相位能够利用的通行时间折算为被理想利用时所对应的绿灯时长。
有效绿灯时间与最大放行车流率（饱和流量）的乘积应等于通行时间最多可以通过的车辆数。
有效绿灯时间等于绿灯时间与黄灯时间之和减去部分损失时间，也等于绿灯时间与前损失时间之差再加上后补偿时间（后补偿时间等于黄灯时间减去后损失时间）。
（6-2）
式中，tG表示绿灯时间；
tY表示黄灯时间；
tL表示部分损失时间；
tFL表示前损失时间；
tBC表示后补偿时间；
tBL表示后损失时间。
部分损失时间是指由于交通安全及车流运行特性等原因，在相位可以通行的时间段没有交通流运行或未被充分利用的时间。
部分损失时间由前损失时间和后损失时间两部分组成。
前损失时间是指绿灯初期，由于排队车辆需要起动加速、驶出率较低所造成的损失时间。
在绿灯初期车流量由小变大，由零逐渐上升到最大放行车流率。
后损失时间是指绿灯时间结束时，黄灯期间停车线后的部分车辆已不许越过停车线所造成的损失时间。
后补偿时间是指绿灯时间结束时，黄灯初期已越过停车线的车辆可以继续通行所带来的补偿时间。
后损失时间与后补偿时间之和等于黄灯时间，恰恰也正反映了黄灯的过渡性与“两面性”。
在黄灯期间车流量由大变小，由最大放行车流率逐渐下降到零。
绿信比是进行信号配时设计最关键的时间参数，它对于疏散交通流、减少车辆在交叉口的等待时间与停车次数都起着举足轻重的作用。
某一信号相位的绿信比越大则越有利于该信号相位车辆的通行，但却不利于其它信号相位车辆的通行，这是因为所有信号相位的绿信比之和必须小于1。
（3）最短绿灯显示时间
最短绿灯显示时间是指对各信号相位规定的最低绿灯时间限值，用Gm表示。
规定最短绿灯显示时间主要是为了保证车辆行车安全。
如果绿灯信号持续时间过短，停车线后面已经起动并正在加速的车辆会来不及刹车或者使得驾驶员不得不在缺乏思想准备的情况下来个急刹车，这都是相当危险的，很容易酿成交通事故。
在定时信号控制交叉口，需要根据历史交通量数据确定一个周期可能到达的排队车辆数，从而决定最短绿灯显示时间的长短；
在感应式信号控制交叉口，则需要根据停车线与车辆检测器之间可以容纳的车辆数确定最短绿灯显示时间的长短。
（4）绿灯间隔时间
绿灯间隔时间是指一个相位绿灯结束到下一相位绿灯开始的这中间一段时间间隔，用I表示。
设置绿灯间隔时间主要是为了确保已通过停车线驶入路口的车辆，均能在下一相位的首车到达冲突点之前安全通过冲突点，驶出交叉口。
绿灯间隔时间，即相位过渡时间，通常表现为黄灯时间或黄灯时间加上全红时间。
全红是指路口所有方向均显示红色信号灯，全红时间是为了保证相位切换时不同方向行驶车辆不发生冲突、清除交叉口剩余车辆所用时间。
为了避免前一相位最后驶入路口的车辆与后一相位最先驶入路口的车辆在路口发生冲突，要求它们驶入路口的时刻之间必须存在一个末首车辆实际时间间隔，这个时间间隔由基本间隔时间和附加路口腾空时间两部分构成。
其中，基本间隔时间是由车辆的差异性和运动特性决定的时间量，其大小一般取值为2～3秒；
附加路口腾空时间则是由路口特性决定的时间量，其大小大体上可以根据两股冲突车流分别从各自停车线到达同一冲突点所需行驶时间差来确定。
在定时控制中，绿灯间隔时间可取为末首车辆实际时间间隔；
而在感应控制中，如果在停车线前埋设了检测线圈，则该线圈可以测量到前一相位最后车辆离开停车线与前一相位绿灯结束之间的时间差，从而可以得到绿灯间隔的可压缩时间，因此此时的绿灯间隔时间可取为末首车辆实际时间间隔与绿灯间隔可压缩时间之差，从而提高路口的通行能力。
（5）损失时间
损失时间是指由于交通安全及车流运行特性等原因，在整个相位时间段没有交通流运行或未被充分利用的时间，用l表示。
损失时间等于绿灯显示时间与绿灯间隔时间之和减去有效绿灯时间，等于绿灯间隔时间与后补偿时间之差加上前损失时间，也等于部分损失时间与全红时间之和。
（6-3）
式中，tR表示全红时间。
对于一个信号周期而言，总的损失时间是指所有关键车流在其信号相位中的损失时间之和，用L表示。
而关键车流是指那些能够对整个交叉口的通行能力和信号配时设计起决定作用的车流，即在一个信号相位通需求最大的那股车流。
交叉口总的绿信比是指所有关键车流的绿信比之和，即所有关键车流的有效绿灯时间总和与信号周期之比值，可以用公式（6-4）表示：
（6-4）
利用图6-2可以直观地反映以上各时间参数及其相互关系。
图6-2获得通行权的车流在其相位期间通过交叉口的流量图示
图中，t0对应绿灯启亮时刻，t2对应放行车流率达到饱和流量的时刻，t3对应黄灯启亮时刻，t5对应红灯启亮时刻。
在t0至t2时间段，即放行车流率未达到饱和流量期间，放行车流率曲线与时间轴围成的面积等于该时间段通过交叉口的车辆数，可以等效于以饱和流量放行时在t1至t2时间段通过交叉口的车辆数，即等于以t1至t2为底、以饱和流量为高所构成的虚线框的面积，因此图中t0至t1的线段长为前损失时间。
类似可以推知t3至t4的线段长为后补偿时间，t4至t5的线段长为后损失时间。
2.交通流参数
（6）交通流量
交通流量是指单位时间到达道路某一截面的车辆或行人数量，用q表示。
到达交叉口的交通流量是指单位时间到达停车线的车辆数，其主要取决于交叉口上游的驶入交通流量，以及车流在路段上行驶的离散特性。
交通流量通常随时间随机变化，且变化规律比较复杂，既包括规律性的变化，也包括非规律性的变化，换而言之，交通流量在不同的时间段将围绕某一平均值上下波动。
（7）饱和流量
饱和流量是指单位时间车辆通过交叉口停车线的最大流量，即排队车辆加速到正常行驶速度时，单位时间通过停车线的稳定车流量，用S表示。
饱和流量取决于道路条件、车流状况以及配时方案，但与配时信号的长短基本无关。
具体而言，影响道路饱和流量大小的道路条件主要有车道的宽度、车道的坡度，影响道路饱和流量大小的车流状况主要有大车混入率、转弯车流的比率、车道的功能，影响道路饱和流量大小的配时方案主要指信号相位的设置情况。
饱和流量值应尽量通过现场实地观测求得，但在某些情况下，尤其是在设计一个新的交叉口时，由于无法使用实测的方法求得饱和流量值，此时可以使用一些公式或图表来近似求取道路的饱和流量值。
常用的计算方法有韦伯斯特法、阿克塞立科法、折算系数法、停车线法、冲突点法等。
（8）通行能力
通行能力是指在现有道路条件和交通管制下，车辆以能够接受的行车速度行驶时，单位时间一条道路或道路某一截面所能通过的最大车辆数，用Q表示。
其中，“现有道路条件”主要是指道路的饱和流量，“交通管制”主要是指交叉口的绿信比配置，而“能够接受的行车速度”对应于饱和流率。
通行能力与饱和流量、绿信比之间的关系可以用公式（6-5）表示：
（6-5）
可以看出，交叉口各方向入口道的通行能力是随其绿信比的变化而变化的，是一个可以调节的参量，具有十分重要的实际意义。
加大交叉口某信号相位的绿信比也就是加大该信号相位所对应的放行车道的通行能力，使其在单位时间能够通过更多数量的车辆，然而值得注意的是，某一信号相位绿信比的增加势必造成其它信号相位绿信比的下降，从而导致其它信号相位所对应的放行车道的通行能力相应下降。
（9）车道交通流量比
车道交通流量比是指道路的实际流量与饱和流量之比，用y表示。
（6-6）
可以看出，车道交通流量比是一个几乎不随信号配时影响的交通参量，它在一定程度上反映了道路的拥挤状况，是进行信号配时设计的一个重要依据。
（10）临界车道组交通流量比
临界车道组交通流量比又称相位交通流量比，是指某信号相位中车道交通流量比的最大值，即关键车流的交通流量比。
将信号周期所有相位所对应的关键车流的交通流量比累加，即为交叉口的总交通流量比，用Y表示。
交叉口的总交通流量比与临界车道组交通流量比是影响信号配时设计的两个重要因素，前者将决定信号周期大小的选取，后者则决定各相位绿灯时间的合理分配。
（11）饱和度
道路的饱和度是指道路的实际流量与通行能力之比，用x表示。
（6-7）
从上式可以看出，①当道路具有足够的通行能力即时，其饱和度；
当道路不具有足够的通行能力即时，其饱和度。
兼顾到路口通行效率与绿灯时间利用率，通常在交叉口的实际设计工作中为各条道路设置相应的可以接受的最大饱和度限值，又称为饱和度实用限值，用xp表示。
饱和度实用限值一般设置在0.9左右。
实践表明，当饱和度保持在0.8~0.9之间时，交叉口可以获得较好的运行条件；
当交叉口的饱和度接近1时，交叉口的实际通行条件将迅速恶化。
②加大交叉口某信号相位的绿信比也就是降低该信号相位所对应的放行车道的饱和度。
当然，某一信号相位绿信比的增加势必造成其它信号相位绿信比的下降，从而将会导致其它信号相位所对应的放行车道的饱和度相应上升。
因此，研究整个交叉口的总饱和度很关键。
交叉口的总饱和度是指饱和程度最高的相位所达到的饱和度值，而并非各相位饱和度之和，用X表示。
对于某一确定的信号周期，当调节各个信号相位的绿信比使得各股关键车流具有相等的饱和度时，交叉口的总饱和度将达到最小值，此时公式（6-8）成立：
（6-8）
式中，x1、x2、…xn分别表示各关键车流的饱和度。
从交叉口总饱和度的定义可以推知，如果交叉口总的绿信比小于交叉口的总交通流量比，则说明该交叉口的总饱和度必将大于1，不具备足够的通行能力。
3.性能指标参数
（12）延误时间
车辆的延误时间是指车辆在受阻情况下通过交叉口所需时间与正常行驶同样距离所需时间之差。
由于单位时间段到达交叉口的车辆数和车辆到达交叉口的时间间隔是随机变化的，因此，在每个信号周期总有一部分车辆在到达交叉口停车线之前将受到红灯信号的阻滞，行驶速度降低，甚至被迫停车等待，并在等候一段时间后通过起动加速，逐渐穿过交叉口。
图6-3描述了车辆在到达停车线前由于受到红灯信号的影响，逐渐减速停车，并在等待一段时间后，加速起动通过交叉口的全过程。
图6-3交叉口受阻滞车辆的行驶时间－距离图示
图中，t1对应车辆受红灯信号影响开始减速的时刻，t2对应车辆若不受红灯信号影响正常行驶到停车位置的时刻，t3对应车辆经过减速实际行驶到停车位置的时刻，t4对应车辆起动加速的时刻，t6对应车辆加速到正常行驶速度的时刻。
可以看出，在t1至t3时间段，车辆处于减速运动过程，t1至t2线段长等于车辆以正常行驶速度从开始减速的位置行驶到停车位置所需的时间，t2至t3线段长即为车辆减速延误时间；
在t4至t6时间段，车辆处于加速运动过程，t5至t6线段长等于车辆以正常行驶速度从开始加速的位置行驶到车辆加速到正常行驶速度的位置所需的时间，t4至t5线段长即为车辆加速延误时间。
在t3至t4时间段，车辆处于停车等待状态，t3至t4线段长即为车辆停驶延误时间。
由车辆延误时间的定义可知，车辆通过交叉口的延误时间将由“减速延误时间”、“停驶延误时间”与“加速延误时间”三部分构成，可以用图中t2至t5的总线段长表示。
假设车辆的平均加速度为±
a，车辆的平均行驶速度为VC，那么在交叉路口受信号控制影响而被迫停车的车辆的平均减速延误时间与平均加速延误时间之和，也称之为平均车辆一次完全停车所对应的“减速—加速延误时间”。
交叉口总的延误时间是指所有通过交叉口的车辆的延误时间之和，用D表示；
交叉口的平均延误时间则是指通过交叉口的车辆的延误时间平均值，用d表示。
交叉口的平均延误时间是一个评价交叉口运行效果和衡量交叉口服务水平的重要指标，具有十分重要的参考意义。
服务水平是指司机和乘客对道路交通运行所要求达到的服务质量标准。
美国将服务水平划分为A、B、C、D、E、F共6个等级。
考察服务水平的因素主要有：
1）表征车辆行驶受阻情况的延误时间与停车次数；
2）车辆的行驶速度与行程速度；
3）车辆行驶的自由度；
4）行车的安全性；
5）行车的舒适性与方便性；
6）行车方面的经济性。
其叉口平均延误时间的大小与交叉口服务水平的高低关系最为密切。
美国给出了服务水平和平均延误时间的对照表，如表6-1所示。
服务水平与平均延误时间关系对照表表6-1
服务水平等级
平均延误时间（秒）
A
<
5.0
D
25.1~40.0
B
5.1~15.0
E
40.1~60
C
15.1~25.0
F
>
60
（13）停车次数
车辆的停车次数（停车率）是指车辆在通过交叉路口时受信号控制影响而停车的次数，即车辆在受阻情况下的停车程度，用h表示。
值得注意的是，并非所有受阻车辆受到交叉路口信号阻滞时都会完全停顿下来，有部分车辆可能在车速尚未降到0之前又加速至原正常行驶车速而驶离交叉路口。
因此根据车辆在受阻情况下的停车可分为完全停车与不完全停车两种。
图6-4表示了三种不同的车辆受阻行驶情况。
对于情况（A），车辆的行驶速度降为0后，车辆经过一段时间的停止等待，再加速通过路口；
对于情况（B），车辆的行驶速度刚降为0，又立即加速通过路口；
对于情况（C），车辆的行驶速度未降为0，就又加速通过路口。
我们把（A）、（B）两种情况称为一次完全停车，把情况（C）称为一次不完全停车。
图6-4完全停车与不完全停车
从图6-4我们可以看出，判断受阻车辆是否构成一次完全停车可以通过比较车辆的延误时间与平均车辆一次完全停车所对应的“减速—加速延误时间”的大小来确定，即只要满足d≥dh，受阻车辆就构成一次完全停车。
对于d＜dh的情况，虽然受阻车辆可能没有完全停顿下来，但由于车辆也受到了一定程度的阻滞，构成了一次不完全停车，故应将其折算为“一定程度”的停车，折算系数为d／dh。
因此车辆延误时间与停车次数之间的相关关系可以用公式（6-9）表示：
（6-9）
交叉口总的停车次数是指所有通过交叉口的车辆的停车次数之和，用H表示；
交叉口的平均停车次数则是指通过交叉口的车辆的停车次数平均值，用h表示。
平均停车次数也是一个衡量信号控制效果好坏的重要性能指标。
减少停车次数可以减少燃油消耗、减小车辆轮胎和机械磨损、减轻汽车尾气污染、降低司机和乘客的不舒适程度，同时确保交叉口的行车安全。
值得注意的是，对于一辆车而言，其延误时间越小，则停车次数也越小；
而对于一个交叉口而言，其总的延误时间越小，其总的停车次数未必越小。
这是完全由公式（6-9）所决定的。
因此交叉口的平均延误时间与交叉口的平均停车次数之间既存在一定的关联性，也存在一定的差异性，可以作为两个相对独立的性能指标来评价交通控制系统运行的优劣。
在交通信号控制所涉及到的基本概念当中，通行能力、饱和度、延误时间和停车次数是反映车辆通过交叉口时动态特性和进行交叉口信号配时设计的四个基本参数。
交通信号控制的目标就是要寻求较大的通行能力、较低的饱和度，从而使得通过交叉口的全部车辆总延误时间最短或停车次数最少。
6．2交通信号控制的设置依据
实际上，并非所有的平面交叉路口都需要安装交通信号灯、设置交通信号控制。
实践证明，在某些不宜设置交通信号控制的路口实施交通信号控制，反而会带来不良的控制效果。
因此，平面交叉路口采用何种控制方式是一个有必要仔细研究的问题，需要引起设计者的足够重视。
平面交叉路口采用的控制方式主要有以下四种：
停车让路控制、减速让路控制、信号控制、交通警察指挥控制。
停车让路控制与减速让路控制是利用特定的交通标志对通过路口的支路车辆进行通行控制；
信号控制是利用交通信号灯对通过路口的各个方向的车辆和行人进行通行控制；
交通警察指挥控制则是通过交通警察在路口的现场指挥对通过路口的各个方向的车辆和行人进行通行控制。
停车让路控制要求支路车辆驾驶员必须在停止线以外停车观望，确认安全后，才可以通行。
停车让路控制主要应用于以下一些情况：
（1）支路上的交通流量大大低于干道上的交通流量；
（2）从支路上的车辆来看，视距、视野不太良好；
（3）干道上的交通流复杂，车道多或是转弯车辆多。
在采用这种控制方式的路口处，支路进口应有明显的“停”的交通标志。
减速让路控制要求支路车辆驾驶员应减速让行，观察干道行车情况，在确保干道车辆优先的前提下，认为安全时方可续行。
减速让路控制主要应用在支路进口视线良好且主干道交通流量不大的交叉路口。
在采用这种控制方式的路口处，支路进口应有明显的“让”的交通标志。
交通警察指挥控制要求驶入交叉口的车辆按照交通警察的指挥手势依次通行。
与交通信号控制方式相比，交通警察指挥控制是一种较为原始的交通控制方式，但由于我国交叉口处的人车混行现象十分突出，城市居民的交通意识十分淡薄，许多驾驶员与行人在交叉口处（特别是在下述的一些特殊情况下）对信号灯和交通标志根本不予理睬，随意行驶与横穿马路，因此交通警察指挥控制仍是一种非常有效的控制方式。
交通警察指挥控制有利于对突发性事件的处理，对于暂时性交通流波动的出现具有很好的疏导作用，主要应用于以下一些特殊情况：
（1）交通信号系统发生故障；
（2）交叉口发生交通事故，出现严重交通堵塞；
（3）大型活动或道路施工期间。
6．2．1设置交通信号控制的利弊
停车让路控制与减速让路控制是保证主要道路车辆行驶通畅的两种主路优先控制方式；
交通信号控制则是保证所有道路车辆依次获得交叉口通行权的控制方式，主路车辆与次路车辆分时享有交叉口的通行权。
如果次要道路上的车辆较多，此时合理地将停车／减速让路控制设置为交通信号控制，便可以使得主要道路与次要道路上的车辆连续紧凑地通过交叉口，从而增大整个交叉口的通行能力、改善次要道路上的通车、减少次要道路上车辆的停车与延误。
如果次要道路上的车辆很少，此时不合理地将停车／减速让路控制设置为交通信号控制，则会因少量的次要道路车辆而给主要道路车辆增加许多不必要的红灯时间，从而大大增加主要道路上车辆的停车与延误、降低路口的利用率，甚至容易在交通量较低的交叉口上（或是交通量较低的时段）诱发交通事故，这是因为当主要道路上遇红灯而停车的驾驶员在相当长的时间并未看到次要道路上有车通行，就往往会引起故意或无意的闯红灯事件，从而诱发交
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