公路交通技术 2006年10月 第5期 TechnologyofHighwayandTransport Oct.2006 No.5
信号交叉口通行能力计算方法的比较分析
袁晶矜,袁振洲
(北京交通大学交通运输学院,北京 100044)
摘 要:详细介绍目前国内外常用的4种计算信号交叉口通行能力的方法(饱和流率模型、城市道路设计规范、停车线法、冲突点法),以一个典型十字型信号交叉口为例,计算该交叉口的通行能力,并将结果与实测通行能力进行比较,探讨最适合我国交通条件和混合交通流特性的通行能力计算方法。初步评价各种方法的优缺点及适用范围,旨在使国内有关信号交叉口通行能力的计算有一个统一的标准。
关键词:信号交叉口;通行能力;饱和流率模型;城市道路设计规范;停车线法;冲突点法文章编号:1009-6477(2006)05-0123-07 中图分类号:U491.2+3 :A
ComparisonAnalysisof,YuanZhenzhou
Abstract:adetailintroductionto4popularsignaljunctiontrafficcapacitycalculationmethods(saturationvolumeratemodel,urbanroaddesigncriterion,stoplinemethod,conflictpointmethod),atypicalcrosssignaljunctionistakenasexampletocalculatethetrafficcapacityofthisjunction,andthecalculatedresultsarecomparedwithactualmeasuredtrafficcapacity,sotoexplorethetrafficcapacitycalculationmethodthatismostsuitablefortrafficconditionsinChinaandthemixedtrafficfeatures.Itpaysabasicevaluationtoadvantages,disadvantagesandapplicationrangeofallcalculationmethods,sotosetupaunifiedstandardforsignaljunctiontrafficcapacityinChina.
Keywords:signaljunction;trafficcapacity;saturationvolumeratemodel;urbanroaddesigncriterion;stoplinemethod;conflictpointmethod
信号相位方案等;交通条件,即交叉口交通流的各项
1 信号交叉口通行能力概念
特性,包括每条引道的交通量,流向分布,每一流向内的车型分布,在交叉口范围内公共汽车停靠的位置行人过街流量,交叉口范围内停车等情况。
目前
,国内计算信号交叉口通行能力的方法有很多,考虑到我国是自行车大国,混合交通流是我国交通流的重要特点,研究哪一种通行能力计算方法最适合我国交通流特点,研究各种方法的适用条件以便能更符合实际地计算信号交叉口的通行能力是一项迫切的任务。本文通过对北京成府路与学院路交叉口的研究,对常用的4种计算信号交叉口通行能力的方法进行分析和比较,并归纳出各种方法的适用范围,以期能找到一种更适合我国混合交通流特性的计算方法,以便在实际工作中更加准确地计算信号交叉口的通行能力。
平面交叉路口是2条或者2条以上的道路在同一平面交叉所形成的区域,其功能是把道路相互连接起来构成道路网络,使不同方向交通流在该区域集结、交织和分流。当交通量发展到超过交叉口自组织所能处理的能力时,通过设置外在的交通信号加以指挥,利用交通信号在时间上分配给各路段不同方向车流通行权,此时,可能通过此交叉口的最大车流量就是信号交叉口的通行能力,它是所有入口断面的通行能力之和。
影响信号交叉口通行能力的主要因素有车行道条件、交通信号设计条件和交通条件。车行道条件,包括交叉口形式、车道数、车道宽度、坡度和车道功能划分;交通信号设计条件,即信号灯配时的各项参数,如周期、间隔、损失时间、有效绿灯时间、绿信比、
收稿日期:2006-02-27
公 路 交 通 技 术 2006年124
2.2 城市道路设计规范
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。先介绍进口道各车道功能划分,如表1所示。
2 信号交叉口通行能力计算方法
国外的通行能力计算方法大多是根据本国交通流特点研究出来的,所考虑的方面和所依托的原理大不相同,应用最为广泛的是美国的饱和流率模型。根据我国交通流特性、交叉口基础设施、信号设计条件及车行道条件,国内学者提出许多计算信号交叉口通行能力的方法,较为普遍应用的方法主要有3种《城市道路设计规范》:中介绍的方法(简称城市道路设计规范)、停车线法、冲突点法。 2.1 饱和流率模型
交叉口的通行能力由每个车道组确定。
它是根据交叉口的几何形状、,(),其道组成。
信号交叉口的通行能力是以饱和流量或饱和流率为基础而进行的。饱和流率是假定某车道组在全绿灯条件下,所能通过的最大车流量,其单位是辆Π有效绿灯时间。
在计算每个车道组的饱和流率过程中,首先要选用理想的饱和流率(一般直行车道取1650辆Π绿灯hΠ车道,左转车道取1550辆Π绿灯hΠ车道,右转车道取1
[1]
550辆Π绿灯hΠ车道),然后对该值做各种修正。
[2]
其修正计算公式如下:
S=S0×N×fw×fHV×fg×fp×fbb×fa×
fRT×fLT
具体计算方法如下:
(1)1:
=
[3]
tg-t()i
(2)
:1,辆Πh;Tc是信tg;t0是绿灯亮后,第一辆起动,通过停车线的时间,可采用2.3s;ti是直行车或右转车辆通过停车线的平均时间(平均
车头时距);φ是折减系数,可用0.9。平均车头时距ti与车辆组成、车辆性能、驾驶员条件有关,计算时可采用本地区调查数据。如无调查数据,直行车队可参考下列数值去用:小型车组成的车队,ti=2.5s;大型车组成的车队,ti=3.5s;拖挂车组成的车队,
ti=7.5s;混合车队组成的车队,按表2
[4]
选用。为
计算方便,将拖挂车划归大型车。
表2 混合车队的ti
大∶小
ti
2∶82.65
3∶72.96
4∶63.12
5∶53.26
6∶43.30
7∶33.34
8∶23.42
(1)(2)直右车道通行能力计算公式:
Csr=Cs
式中:S为车道组的饱和流率;S0为车道组在理想条件下的饱和流率;N为该车道组中车道数;fw为车道宽度校正系数;fHV为重型车辆校正系数;fg为引道坡度校正系数;fp为临近车道停车情况及该车道停车次数校正系数;fbb为公共汽车停在交叉口范围内阻塞影响作用校正系数;fa为地区类型校正系数;
fRT为车道组中右转车校正系数;fLT为车道组中左
(3)(4)
(3)直左车道通行能力计算公式:
Csl=Cs(1-β′2)lΠ
其中,β′l是直左车道中左转车所占的比例。
(4)直左右车道通行能力计算公式:
Cslr=Csl
(5)
(5)进口设有专用左转与专用右转车道时,进
转车校正系数。
先计算各个车道组的通行能力,通过对进口各单车道组通行能力求和获得交叉口总通行力。每一个车道组通行能力依据其车道功能不同按下式计算:Ci=Sλii,其中:Ci是车道组i的通行能力,单位为辆Πh;Si是车道组i的饱和流率;λi是绿信比,计算公式为λTc)i,其中:g是绿灯时间,Tc为i=(gΠ信号周期。整个交叉口的通行能力为C=ΣCi
。
i
口道设计通行能力按下式计算:
(1-βCelr=ΣCsΠl-βr)
(6)
β式中:ΣCs是本面直行车道通行能力之和;βl、r分别为左、右转车占本面进口道车辆的比例。专用左转
β车道的通行能力为:Cl=Celrl;专用右转车道的通β行能力为:Cr=Celrr。
(6)进口道设有专用左转车道而未设有专用右
转车道时,进口道的通行能力按下式计算:
2006年 第5期 袁晶矜,袁振洲:信号交叉口通行能力计算方法的比较分析 125
ΣCs+Csr)Π(1-βCel=(l)(7)(2)1条右转车道的通行能力计算公式:
Cr=
式中:Cel是设有专用左转车道而未设有专用右转车道时,本面进口道的通行能力;ΣCs是本面直行车道通行能力之和;Csr是本面直右车道通行能力。专用β左转车道的通行能力为:Cl=Cell。
(7)进口道设有专用右转车道而未设有专用左
tr
(10)
式中:Cr是1条右转车道的通行能力;tr是前后2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,在没有过街行人和自行车阻滞情况下一条右转车道的通行能力达1000～1200辆Πh,实际上由于过街行人和自行车的影响变
转车道时,进口道的通行能力按下式计算:
ΣCs+Csl)Π(1-βCer=(r)
(8)
式中:Cer是设有专用右转车道而未设有专用左转车道时,本面进口道的通行能力;ΣCs是本面直行车道通行能力之和;Csl是本面直左车道通行能力。专用β右转车道的通行能力为:Cr=Cerr1内,,车道(、、直左右车道)的通行能力。设C′le是对面进口道左转车的通行能力;C′le是不折减本面各种直行车道通行能力的对面左转车数,当交叉口小时为3n,大时为4n,n为每h信号周期数。当Cle>C′le时,本面进口道折减后的通行能力为:C′式中:C′e=Ce-ns(Cle-C′le)。e是折减后本面进口道的通行能力;Ce是本面进口的通行能力;ns是本面各种直行车道数;Coe是对面进口的通行能力;βol是对面进口道左转车所占其进口道车辆β的比例,有Cle=Coeol。
2.3 停车线法
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,其计算方法如下:
(1)1条直行车道的通行能力计算公式:
Cs=
[3]
化很大,1:
,为,一般需要设置左转专用信号显示,此时1条左转车道通行能力为:
Cl=
vl
Tc
tl-
t0
(11)
式中:Cl是1条左转专用车道的通行能力;tl是1个信号周期内左转显示的时间;vl左转车辆通过交叉口的行车速度;t0是左转车辆连续通过交叉口的平均车头时距。
②不设专用信号时1条左转车道的通行能力,根据我国交通规则,绿灯时允许车辆直行或右转,不妨碍直行车行驶的条件下准许车辆左转。黄灯亮时就不允许车辆左转、掉头或右转,但已越过停车线的车辆可以继续前进。因此实现左转有3种可能:
a.利用初绿时间通过。
左转车超前驶过与直行车冲突的地点,其条件为左转车至冲突点处较对向直行车到冲突点处为近,使左转车有可能超前通过该点而不致碰撞,如每
Tc
损
ti
(9)
周期内利用时间通过n1辆车,则每h可通过左转车为n1
Tc
式中:Cs是1条直行车道的通行能力;Tc是信号灯周期;tg是信号周期内的绿灯时间;t损是1个周期内的绿灯损失时间,包括起动、加速时间,通常在绿灯前的黄灯时间已经做好准备,待绿灯一亮即可开动,故一般只计算是加速时间损失。而加速时间损失可用t加=
计算,平均取2.3s;v是直行车辆通过交2a
2
辆。
b.利用对向直行车的可插车间隙通过。
在对向直行车交通量不大的情况下,左转车利用其可插车间隙通过,其允许通过的车辆数视对向直行车可提供的插车间隙数。如每周期可通过n2辆。n2按下列方法确定,根据实测,左转车穿越直行车所需的可插车间隙为8s左右,直行车头时距约为3.5～4s,故可插车的间隙为直行车车头时距的2
叉口的平均车速,一般取13～15kmΠh;a是平均起动加速度,mΠs,其中小车为0.6～0.7,中型车0.5～0.6,大型车0.4～0.5;ti是前后2车辆通过停
倍,则每个周期可能通过的左转车辆n2最多等于一条直行车道1个周期的直行通行能力C′s减去每个
车线的平均时间(平均车头时距),其值参见表2。
公 路 交 通 技 术 2006年126
周期实际到达的直行车C′=s并除以2,即n2
Cs-C′s
G=tlh+(nl0-1)h1+τ2+Σ(ns-1)h1+
g+1
2
。
Σ(n1-1)+g・τ-tst
式中:ns、nl分别为紧接运行通过冲突点的直行车、左转车数;nl0是绿灯初期通过的左转车数;tlh、tst分别为左转头车、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为一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,,则1,,=τ1+τ2,是直行车流中能“可穿越空档”的时间长,一般取值
τ4.5～10s左右,τ1为前档,2为后档;G是绿灯时长。g是直行车流中,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。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,空挡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。对向进口道有专用左转车道时,车辆通过一个冲突点的通行能
[3]
力按下式计算:
G-g(τ-2h)+2h-τ-tlh+tst
nN=
h1
g
c.利用黄灯时间通过。
左转车辆在冲突点前排队等候,待黄灯出现,左转车迅速起动,则每周期可能通过的左转车由下式确定:
n3=
损
t0
(12)
式中:t损=vΠ2a;ty是1个周期内的黄灯时间;t0是左转车辆连续通过交叉口的车头时距;a是机动车平均起动加速度。
综合以上,:
Cl=
c
1n3(4)1[5]:
对于同1条车道上有直、左混行时,因去向各异相互干扰,甚引起停车。因此,应乘以适当的折减系数k,同时由于左转车通过时间约为直行车通过时间的1.75倍,则
Csl=Cs(1-
)k4l
(14)
式中:βl为该车道中左转车比例;k为折减系数,取0.7～0.9。
(5)1条直右车道的通行能力计算公式[5]:
由于右转车所占时间一般为直行车的1.5倍,则
Csr=Cs(1-
βr
)k2
(15)
式中:βr为该车道中右转车比例;k为折减系数,取0.7～0.9。
(6)1条直左右车道通行能力计算公式:
Cslr=Csl
设τ2=h1,则上式可近似简化为:
(16)
nN=
G-g(τ-2h1)-(tlh-tst)
+1
h1
(17)
交叉口某一个入口的通行能力,应是左转、右转和直行车道的通行能力之和,它必须大于交通量的需求。整个交叉口的通行能力则为各个入口通行能力的总和。 2.4 冲突点法
我国学者根据对车辆通过信号交叉口的实际运行状态的分析,提出了以冲突点为控制点,计算车辆通过冲突点的信号交叉口通行能力的方法,即为冲突点法。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
[3]
时间的总和为:
对向进口道没有专用左转车道时,各向车辆通过交叉口一个冲突点的各类间隔时间总和变为:τ-tstG=tsh+Σ(ns-1)h1+Σ(n1-1)h1+g・式中:tst是直行车从停车线驶到冲突点所需时间(包括驾驶员的反应时间)。
对向进口道没有专用车右转车道时,车辆通过一个冲突点的通过能力计算公式:
G-g(τ-2h)-(t-t)
(18)nS=+1
h1
σ
σ
进口道有2条直行车道时,停车线上就有2条并
2006年 第5期 袁晶矜,袁振洲:信号交叉口通行能力计算方法的比较分析 127
排的直行车流驶出,对向左转穿越两条直行车流所需时距更长。设在2条直行车流中能穿越左转车的穿越时距,相当于在一条直行车流中穿越时距的2倍,则此时车辆通过交叉口一个冲突点的通行能力为:
对向进口车道有专用左转车道时:
(τ)()nW=+2(19)
h2
(1)该交叉口的平面布局如图1。
对向进口车道没有专用左转车道时:
G-g(2τ-3h)-(tsh-tst)nE=+2(20)
h2
式中:h2是由2条并排直行车流时,相当于1条车流的等价车头时距。
上述几式,n=+]
1(2(17:00～18:00),各车道车
:
(21)
3。
位于南面的直右车道,高峰h内该车道直行车为286辆,右转车为323辆;位于东面的直左车道,高峰h内该车道直行车为16辆,
左转车为119辆。
(3)信号配时:该交叉口采用固定周期式信号控制方式,采用三相位信号控制方案,如图2所示。
式中:m是进口道直行车道的条数;αm由穿越空档所致的损失时间,一条直行车道时,αm=α1=g(τ-2h1),2条直行车道时,ατ-3h2);m=α2=g(2
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=tlh-tst,无专用车道时,β=tsh-tst。当相对的2条道路交通情况均相近时,nN=nS,nE=
nW;当相对的2条道路交通情况各异时,则需分别计
算出通过各冲突点的通行能力,然后计算整个交叉口的一个周期的通行能力。在未设有左转专用车道的进口道上,左转车混在直行车中占据了该车流中直行车的位置,用式(20)算得通过冲突点的直行车通过能力中,尚应扣除这部分左转车的实际到达数。在右转专用车道的进口道上,用上述公式算得直行车及左转车的通行能力,尚应加计该部分右转车的实际到达数。整个交叉口一个周期的通行能力:
Σn=nN+nS+nE+nW+Σn右式中:Σn右是通过右转专用车道的右转车实际到达数。整个交叉口1h的通行能力为:
C=
图2 交叉口相位分析
南北方向为主路方向,左转车流多,故配有左转
信号相位,时长为56s,周期时长为200s,其中绿灯116s,红灯80s,黄灯2s。东西方向为支路方向,左转
Tc
n(22)
式中:Tc为周期长。3 实例分析
车流少,不配有左转信号相位,周期时长为200s,其中绿灯40s,红灯154s,黄灯3s。
(4)车头时距:由观测可知,该交叉口的大小车比例远小于2∶8,故可近似认为交叉口各方向车流由小型车组成,取平均车头时距为2.5s。由于该路口是三相位,有冲突点的相位是东西方向开放准行,因此只需求出东西方向上关于冲突点法的有关数据。东西方向上,1条车流紧接运行通过冲突点时的安全车头时距为hl
,当以小汽车折算单位计算其流
本文以位于北京市海淀区地质大学附近学院路与成府路的交叉口为例,计算该信号交叉口的通行
能力,并将结果与实测通行能力进行比较。根据观测,得到以下数据:
公 路 交 通 技 术 2006年128
表3 晚高峰时段交叉口各车道交通量
(辆Π折算成小客车后的高峰h交通量Πh)
从南向北直行
1822
从北向南
右转
323
从东向西
右转
137
从西向东
右转
279
左转
5112656
直行
1935
左转
1462218
直行
249
左转
119647
直行
216
左转
103854
右转
535
表4 各车头、尾从停车线到冲突点的运行时间时间Πs
直行车
tshtst
东
6.85.4
西
7.25.2
时间Πs
左转车
tlhtlt
东
8.47.2
西
7.05.3
表5 各种方法与实测值(方法
(辆Π通行能力Πh)饱和流率模型753.3
6214-
6375-
量时,则hl,所以,hl=2.5s。h2是由2条并排直行车流时,相当于一条车流
的交通量相差很大,这主要是由于我国和美国的交
通条件有很大的区别。我国作为一个非机动车大国,机动车与非机动车之间存在严重的混合交通,在自行车流量较大条件下,饱和流率模型可能对行人和自行车的影响折减不够,因为美国的混合交通现象不严重。另外,饱和流率模型中的折减系数及理想饱和流量都是根据美国国内具体情况计算或根据经验总结的值,由于中国国内交通设施及驾驶员心理等与美国有较大差异,也会造成计算结果与实际不符。所以,现行美国《道路通行能力手册》方法严重地高估了我国道路平面交叉口的通行能力,因此在一般情况下,我们不建议采用饱和流率模型计算
信号交叉口的通行能力,但它关于延误的计算方法在评价道路的服务水平中起着关键性作用。
停车线法计算出来的结果与实测的交通量相差也较大,经初步分析,可能是停车线法以停车线为控制断面,凡通过停车线的都认为通过了交叉口,事实上,这些车辆有可能在冲突点前受阻滞而未能通过交叉口,造成其他车辆延误,降低了信号交叉口的通行能力。所以,停车线法比实际的通行能力偏高。
冲突点法以冲突点为控制点来计算通行能力。根据信号交叉口实际交通运行状态的分析,可以发现,对信号交叉口通行能力真正起作用的地点是在交叉口的冲突点上,特别是在两相位信号控制的交叉口上,基于此,冲突点法应该是一种比较精确的方法。但是由于冲突点法一般应用在车流量小的两相位交叉口,所以直接套用它的公式和原理应用在车流量较大且相位不是处处存在冲突点的交叉口上,
(下转第132页)
的等价车头时距,根据实测,h2=1.8s。
(5)可穿越空档数及可穿越空档的时长:据观
测东西方向上,直行车流中,一个绿灯时长内出现的可穿越空档数次数g=1,τ是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,据观测τ=6s。
(6)东西方向直行车头车、尾车与左转车头车、尾车从停车线到达冲突点的运行时间见表4。
(7)由于东西方向不设左转相位,因此需观测该方向上利用初绿时间通过的左转车数,大约36辆,平均每周期2辆。
(8)其他数据:根据观测,入口坡度为0°,公交车站台距离交叉口大于200m。该地段属于繁忙区域,非机动车道与机动车道是物体隔离。南北向车道宽度为3.75m,东西向车道宽度为3.65m。车辆在交叉口的行驶速度一般为13～15kmΠh,该交叉口车辆行驶速度取13kmΠh。
运用第二部分所介绍的4种方法分别计算该交叉口的通行能力,计算结果见表5。
由表5可知,除了冲突点法算出来的结果不合实际以外(比实测结果小,鉴于通行能力应比实际交通量大,所以首先予以排除),城市道路设计规范计算出来的结果与实测结果最为接近,其他方法计算的结果都偏大。4 方法比较及应用范围
美国饱和流率模型方法计算出来的结果与实测
公 路 交 通 技 术 2006年132
JDBC的方法进行数据库连接,为确保数据访问尽可
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(3)用户界面层通过HTML和JavaServerlet为用户提供Web方式的用户界面。用户通过HTTP协议向WebServer递交表单,Java,通过Socket,,统的操作。4 结语
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(上接第128页)
并不太适合。因此,在车流量小的两相位交叉口,可以优先选用冲突点法计算交叉口的通行能力。
城市道路设计规范中的方法大量采用了现有路况的车流比例和车种组成等实测数据,所以,如果该交叉口趋于饱和,则计算出来的结果最为接近实测值。经计算,实例分析中的路口饱和度已达0.91。因此,在计算趋于饱和的信号交叉口时,可优先考虑这种方法。随着城市道路的交通负荷日益加重,特别是在中大城市的拥堵地段,大多数交叉口已趋于饱和,这种方法多被采用。5 结语
因素,不断地探讨适合本国的通行能力计算方法,我国也在不断地提出新的计算方法,找出哪一种方法最适合我国国情是本文所要讨论的问题。本文总结了目前最普遍应用的4种方法,通过对成学路交叉口的案例分析,初步评价了各种方法的优缺点并归纳出各种方法的适用范围,以便能够根据实际条件更加准确地计算信号交叉口的通行能力。
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信号交叉口通行能力计算方法的比较分析
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(北京交通大学交通运输学院,北京 100044)
摘 要:详细介绍目前国内外常用的4种计算信号交叉口通行能力的方法(饱和流率模型、城市道路设计规范、停车线法、冲突点法),以一个典型十字型信号交叉口为例,计算该交叉口的通行能力,并将结果与实测通行能力进行比较,探讨最适合我国交通条件和混合交通流特性的通行能力计算方法。初步评价各种方法的优缺点及适用范围,旨在使国内有关信号交叉口通行能力的计算有一个统一的标准。
关键词:信号交叉口;通行能力;饱和流率模型;城市道路设计规范;停车线法;冲突点法文章编号:1009-6477(2006)05-0123-07 中图分类号:U491.2+3 :A
ComparisonAnalysisof,YuanZhenzhou
Abstract:adetailintroductionto4popularsignaljunctiontrafficcapacitycalculationmethods(saturationvolumeratemodel,urbanroaddesigncriterion,stoplinemethod,conflictpointmethod),atypicalcrosssignaljunctionistakenasexampletocalculatethetrafficcapacityofthisjunction,andthecalculatedresultsarecomparedwithactualmeasuredtrafficcapacity,sotoexplorethetrafficcapacitycalculationmethodthatismostsuitablefortrafficconditionsinChinaandthemixedtrafficfeatures.Itpaysabasicevaluationtoadvantages,disadvantagesandapplicationrangeofallcalculationmethods,sotosetupaunifiedstandardforsignaljunctiontrafficcapacityinChina.
Keywords:signaljunction;trafficcapacity;saturationvolumeratemodel;urbanroaddesigncriterion;stoplinemethod;conflictpointmethod
信号相位方案等;交通条件,即交叉口交通流的各项
1 信号交叉口通行能力概念
特性,包括每条引道的交通量,流向分布,每一流向内的车型分布,在交叉口范围内公共汽车停靠的位置行人过街流量,交叉口范围内停车等情况。
目前
,国内计算信号交叉口通行能力的方法有很多,考虑到我国是自行车大国,混合交通流是我国交通流的重要特点,研究哪一种通行能力计算方法最适合我国交通流特点,研究各种方法的适用条件以便能更符合实际地计算信号交叉口的通行能力是一项迫切的任务。本文通过对北京成府路与学院路交叉口的研究,对常用的4种计算信号交叉口通行能力的方法进行分析和比较,并归纳出各种方法的适用范围,以期能找到一种更适合我国混合交通流特性的计算方法,以便在实际工作中更加准确地计算信号交叉口的通行能力。
平面交叉路口是2条或者2条以上的道路在同一平面交叉所形成的区域,其功能是把道路相互连接起来构成道路网络,使不同方向交通流在该区域集结、交织和分流。当交通量发展到超过交叉口自组织所能处理的能力时,通过设置外在的交通信号加以指挥,利用交通信号在时间上分配给各路段不同方向车流通行权,此时,可能通过此交叉口的最大车流量就是信号交叉口的通行能力,它是所有入口断面的通行能力之和。
影响信号交叉口通行能力的主要因素有车行道条件、交通信号设计条件和交通条件。车行道条件,包括交叉口形式、车道数、车道宽度、坡度和车道功能划分;交通信号设计条件,即信号灯配时的各项参数,如周期、间隔、损失时间、有效绿灯时间、绿信比、
收稿日期:2006-02-27
公 路 交 通 技 术 2006年124
2.2 城市道路设计规范
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。先介绍进口道各车道功能划分,如表1所示。
2 信号交叉口通行能力计算方法
国外的通行能力计算方法大多是根据本国交通流特点研究出来的,所考虑的方面和所依托的原理大不相同,应用最为广泛的是美国的饱和流率模型。根据我国交通流特性、交叉口基础设施、信号设计条件及车行道条件,国内学者提出许多计算信号交叉口通行能力的方法,较为普遍应用的方法主要有3种《城市道路设计规范》:中介绍的方法(简称城市道路设计规范)、停车线法、冲突点法。 2.1 饱和流率模型
交叉口的通行能力由每个车道组确定。
它是根据交叉口的几何形状、,(),其道组成。
信号交叉口的通行能力是以饱和流量或饱和流率为基础而进行的。饱和流率是假定某车道组在全绿灯条件下,所能通过的最大车流量,其单位是辆Π有效绿灯时间。
在计算每个车道组的饱和流率过程中,首先要选用理想的饱和流率(一般直行车道取1650辆Π绿灯hΠ车道,左转车道取1550辆Π绿灯hΠ车道,右转车道取1
[1]
550辆Π绿灯hΠ车道),然后对该值做各种修正。
[2]
其修正计算公式如下:
S=S0×N×fw×fHV×fg×fp×fbb×fa×
fRT×fLT
具体计算方法如下:
(1)1:
=
[3]
tg-t()i
(2)
:1,辆Πh;Tc是信tg;t0是绿灯亮后,第一辆起动,通过停车线的时间,可采用2.3s;ti是直行车或右转车辆通过停车线的平均时间(平均
车头时距);φ是折减系数,可用0.9。平均车头时距ti与车辆组成、车辆性能、驾驶员条件有关,计算时可采用本地区调查数据。如无调查数据,直行车队可参考下列数值去用:小型车组成的车队,ti=2.5s;大型车组成的车队,ti=3.5s;拖挂车组成的车队,
ti=7.5s;混合车队组成的车队,按表2
[4]
选用。为
计算方便,将拖挂车划归大型车。
表2 混合车队的ti
大∶小
ti
2∶82.65
3∶72.96
4∶63.12
5∶53.26
6∶43.30
7∶33.34
8∶23.42
(1)(2)直右车道通行能力计算公式:
Csr=Cs
式中:S为车道组的饱和流率;S0为车道组在理想条件下的饱和流率;N为该车道组中车道数;fw为车道宽度校正系数;fHV为重型车辆校正系数;fg为引道坡度校正系数;fp为临近车道停车情况及该车道停车次数校正系数;fbb为公共汽车停在交叉口范围内阻塞影响作用校正系数;fa为地区类型校正系数;
fRT为车道组中右转车校正系数;fLT为车道组中左
(3)(4)
(3)直左车道通行能力计算公式:
Csl=Cs(1-β′2)lΠ
其中,β′l是直左车道中左转车所占的比例。
(4)直左右车道通行能力计算公式:
Cslr=Csl
(5)
(5)进口设有专用左转与专用右转车道时,进
转车校正系数。
先计算各个车道组的通行能力,通过对进口各单车道组通行能力求和获得交叉口总通行力。每一个车道组通行能力依据其车道功能不同按下式计算:Ci=Sλii,其中:Ci是车道组i的通行能力,单位为辆Πh;Si是车道组i的饱和流率;λi是绿信比,计算公式为λTc)i,其中:g是绿灯时间,Tc为i=(gΠ信号周期。整个交叉口的通行能力为C=ΣCi
。
i
口道设计通行能力按下式计算:
(1-βCelr=ΣCsΠl-βr)
(6)
β式中:ΣCs是本面直行车道通行能力之和;βl、r分别为左、右转车占本面进口道车辆的比例。专用左转
β车道的通行能力为:Cl=Celrl;专用右转车道的通β行能力为:Cr=Celrr。
(6)进口道设有专用左转车道而未设有专用右
转车道时,进口道的通行能力按下式计算:
2006年 第5期 袁晶矜,袁振洲:信号交叉口通行能力计算方法的比较分析 125
ΣCs+Csr)Π(1-βCel=(l)(7)(2)1条右转车道的通行能力计算公式:
Cr=
式中:Cel是设有专用左转车道而未设有专用右转车道时,本面进口道的通行能力;ΣCs是本面直行车道通行能力之和;Csr是本面直右车道通行能力。专用β左转车道的通行能力为:Cl=Cell。
(7)进口道设有专用右转车道而未设有专用左
tr
(10)
式中:Cr是1条右转车道的通行能力;tr是前后2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,在没有过街行人和自行车阻滞情况下一条右转车道的通行能力达1000～1200辆Πh,实际上由于过街行人和自行车的影响变
转车道时,进口道的通行能力按下式计算:
ΣCs+Csl)Π(1-βCer=(r)
(8)
式中:Cer是设有专用右转车道而未设有专用左转车道时,本面进口道的通行能力;ΣCs是本面直行车道通行能力之和;Csl是本面直左车道通行能力。专用β右转车道的通行能力为:Cr=Cerr1内,,车道(、、直左右车道)的通行能力。设C′le是对面进口道左转车的通行能力;C′le是不折减本面各种直行车道通行能力的对面左转车数,当交叉口小时为3n,大时为4n,n为每h信号周期数。当Cle>C′le时,本面进口道折减后的通行能力为:C′式中:C′e=Ce-ns(Cle-C′le)。e是折减后本面进口道的通行能力;Ce是本面进口的通行能力;ns是本面各种直行车道数;Coe是对面进口的通行能力;βol是对面进口道左转车所占其进口道车辆β的比例,有Cle=Coeol。
2.3 停车线法
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,其计算方法如下:
(1)1条直行车道的通行能力计算公式:
Cs=
[3]
化很大,1:
,为,一般需要设置左转专用信号显示,此时1条左转车道通行能力为:
Cl=
vl
Tc
tl-
t0
(11)
式中:Cl是1条左转专用车道的通行能力;tl是1个信号周期内左转显示的时间;vl左转车辆通过交叉口的行车速度;t0是左转车辆连续通过交叉口的平均车头时距。
②不设专用信号时1条左转车道的通行能力,根据我国交通规则,绿灯时允许车辆直行或右转,不妨碍直行车行驶的条件下准许车辆左转。黄灯亮时就不允许车辆左转、掉头或右转,但已越过停车线的车辆可以继续前进。因此实现左转有3种可能:
a.利用初绿时间通过。
左转车超前驶过与直行车冲突的地点,其条件为左转车至冲突点处较对向直行车到冲突点处为近,使左转车有可能超前通过该点而不致碰撞,如每
Tc
损
ti
(9)
周期内利用时间通过n1辆车,则每h可通过左转车为n1
Tc
式中:Cs是1条直行车道的通行能力;Tc是信号灯周期;tg是信号周期内的绿灯时间;t损是1个周期内的绿灯损失时间,包括起动、加速时间,通常在绿灯前的黄灯时间已经做好准备,待绿灯一亮即可开动,故一般只计算是加速时间损失。而加速时间损失可用t加=
计算,平均取2.3s;v是直行车辆通过交2a
2
辆。
b.利用对向直行车的可插车间隙通过。
在对向直行车交通量不大的情况下,左转车利用其可插车间隙通过,其允许通过的车辆数视对向直行车可提供的插车间隙数。如每周期可通过n2辆。n2按下列方法确定,根据实测,左转车穿越直行车所需的可插车间隙为8s左右,直行车头时距约为3.5～4s,故可插车的间隙为直行车车头时距的2
叉口的平均车速,一般取13～15kmΠh;a是平均起动加速度,mΠs,其中小车为0.6～0.7,中型车0.5～0.6,大型车0.4～0.5;ti是前后2车辆通过停
倍,则每个周期可能通过的左转车辆n2最多等于一条直行车道1个周期的直行通行能力C′s减去每个
车线的平均时间(平均车头时距),其值参见表2。
公 路 交 通 技 术 2006年126
周期实际到达的直行车C′=s并除以2,即n2
Cs-C′s
G=tlh+(nl0-1)h1+τ2+Σ(ns-1)h1+
g+1
2
。
Σ(n1-1)+g・τ-tst
式中:ns、nl分别为紧接运行通过冲突点的直行车、左转车数;nl0是绿灯初期通过的左转车数;tlh、tst分别为左转头车、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为一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,,则1,,=τ1+τ2,是直行车流中能“可穿越空档”的时间长,一般取值
τ4.5～10s左右,τ1为前档,2为后档;G是绿灯时长。g是直行车流中,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。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,空挡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。对向进口道有专用左转车道时,车辆通过一个冲突点的通行能
[3]
力按下式计算:
G-g(τ-2h)+2h-τ-tlh+tst
nN=
h1
g
c.利用黄灯时间通过。
左转车辆在冲突点前排队等候,待黄灯出现,左转车迅速起动,则每周期可能通过的左转车由下式确定:
n3=
损
t0
(12)
式中:t损=vΠ2a;ty是1个周期内的黄灯时间;t0是左转车辆连续通过交叉口的车头时距;a是机动车平均起动加速度。
综合以上,:
Cl=
c
1n3(4)1[5]:
对于同1条车道上有直、左混行时,因去向各异相互干扰,甚引起停车。因此,应乘以适当的折减系数k,同时由于左转车通过时间约为直行车通过时间的1.75倍,则
Csl=Cs(1-
)k4l
(14)
式中:βl为该车道中左转车比例;k为折减系数,取0.7～0.9。
(5)1条直右车道的通行能力计算公式[5]:
由于右转车所占时间一般为直行车的1.5倍,则
Csr=Cs(1-
βr
)k2
(15)
式中:βr为该车道中右转车比例;k为折减系数,取0.7～0.9。
(6)1条直左右车道通行能力计算公式:
Cslr=Csl
设τ2=h1,则上式可近似简化为:
(16)
nN=
G-g(τ-2h1)-(tlh-tst)
+1
h1
(17)
交叉口某一个入口的通行能力,应是左转、右转和直行车道的通行能力之和,它必须大于交通量的需求。整个交叉口的通行能力则为各个入口通行能力的总和。 2.4 冲突点法
我国学者根据对车辆通过信号交叉口的实际运行状态的分析,提出了以冲突点为控制点,计算车辆通过冲突点的信号交叉口通行能力的方法,即为冲突点法。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
[3]
时间的总和为:
对向进口道没有专用左转车道时,各向车辆通过交叉口一个冲突点的各类间隔时间总和变为:τ-tstG=tsh+Σ(ns-1)h1+Σ(n1-1)h1+g・式中:tst是直行车从停车线驶到冲突点所需时间(包括驾驶员的反应时间)。
对向进口道没有专用车右转车道时,车辆通过一个冲突点的通过能力计算公式:
G-g(τ-2h)-(t-t)
(18)nS=+1
h1
σ
σ
进口道有2条直行车道时,停车线上就有2条并
2006年 第5期 袁晶矜,袁振洲:信号交叉口通行能力计算方法的比较分析 127
排的直行车流驶出,对向左转穿越两条直行车流所需时距更长。设在2条直行车流中能穿越左转车的穿越时距,相当于在一条直行车流中穿越时距的2倍,则此时车辆通过交叉口一个冲突点的通行能力为:
对向进口车道有专用左转车道时:
(τ)()nW=+2(19)
h2
(1)该交叉口的平面布局如图1。
对向进口车道没有专用左转车道时:
G-g(2τ-3h)-(tsh-tst)nE=+2(20)
h2
式中:h2是由2条并排直行车流时,相当于1条车流的等价车头时距。
上述几式,n=+]
1(2(17:00～18:00),各车道车
:
(21)
3。
位于南面的直右车道,高峰h内该车道直行车为286辆,右转车为323辆;位于东面的直左车道,高峰h内该车道直行车为16辆,
左转车为119辆。
(3)信号配时:该交叉口采用固定周期式信号控制方式,采用三相位信号控制方案,如图2所示。
式中:m是进口道直行车道的条数;αm由穿越空档所致的损失时间,一条直行车道时,αm=α1=g(τ-2h1),2条直行车道时,ατ-3h2);m=α2=g(2
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=tlh-tst,无专用车道时,β=tsh-tst。当相对的2条道路交通情况均相近时,nN=nS,nE=
nW;当相对的2条道路交通情况各异时,则需分别计
算出通过各冲突点的通行能力,然后计算整个交叉口的一个周期的通行能力。在未设有左转专用车道的进口道上,左转车混在直行车中占据了该车流中直行车的位置,用式(20)算得通过冲突点的直行车通过能力中,尚应扣除这部分左转车的实际到达数。在右转专用车道的进口道上,用上述公式算得直行车及左转车的通行能力,尚应加计该部分右转车的实际到达数。整个交叉口一个周期的通行能力:
Σn=nN+nS+nE+nW+Σn右式中:Σn右是通过右转专用车道的右转车实际到达数。整个交叉口1h的通行能力为:
C=
图2 交叉口相位分析
南北方向为主路方向,左转车流多,故配有左转
信号相位,时长为56s,周期时长为200s,其中绿灯116s,红灯80s,黄灯2s。东西方向为支路方向,左转
Tc
n(22)
式中:Tc为周期长。3 实例分析
车流少,不配有左转信号相位,周期时长为200s,其中绿灯40s,红灯154s,黄灯3s。
(4)车头时距:由观测可知,该交叉口的大小车比例远小于2∶8,故可近似认为交叉口各方向车流由小型车组成,取平均车头时距为2.5s。由于该路口是三相位,有冲突点的相位是东西方向开放准行,因此只需求出东西方向上关于冲突点法的有关数据。东西方向上,1条车流紧接运行通过冲突点时的安全车头时距为hl
,当以小汽车折算单位计算其流
本文以位于北京市海淀区地质大学附近学院路与成府路的交叉口为例,计算该信号交叉口的通行
能力,并将结果与实测通行能力进行比较。根据观测,得到以下数据:
公 路 交 通 技 术 2006年128
表3 晚高峰时段交叉口各车道交通量
(辆Π折算成小客车后的高峰h交通量Πh)
从南向北直行
1822
从北向南
右转
323
从东向西
右转
137
从西向东
右转
279
左转
5112656
直行
1935
左转
1462218
直行
249
左转
119647
直行
216
左转
103854
右转
535
表4 各车头、尾从停车线到冲突点的运行时间时间Πs
直行车
tshtst
东
6.85.4
西
7.25.2
时间Πs
左转车
tlhtlt
东
8.47.2
西
7.05.3
表5 各种方法与实测值(方法
(辆Π通行能力Πh)饱和流率模型753.3
6214-
6375-
量时,则hl,所以,hl=2.5s。h2是由2条并排直行车流时,相当于一条车流
的交通量相差很大,这主要是由于我国和美国的交
通条件有很大的区别。我国作为一个非机动车大国,机动车与非机动车之间存在严重的混合交通,在自行车流量较大条件下,饱和流率模型可能对行人和自行车的影响折减不够,因为美国的混合交通现象不严重。另外,饱和流率模型中的折减系数及理想饱和流量都是根据美国国内具体情况计算或根据经验总结的值,由于中国国内交通设施及驾驶员心理等与美国有较大差异,也会造成计算结果与实际不符。所以,现行美国《道路通行能力手册》方法严重地高估了我国道路平面交叉口的通行能力,因此在一般情况下,我们不建议采用饱和流率模型计算
信号交叉口的通行能力,但它关于延误的计算方法在评价道路的服务水平中起着关键性作用。
停车线法计算出来的结果与实测的交通量相差也较大,经初步分析,可能是停车线法以停车线为控制断面,凡通过停车线的都认为通过了交叉口,事实上,这些车辆有可能在冲突点前受阻滞而未能通过交叉口,造成其他车辆延误,降低了信号交叉口的通行能力。所以,停车线法比实际的通行能力偏高。
冲突点法以冲突点为控制点来计算通行能力。根据信号交叉口实际交通运行状态的分析,可以发现,对信号交叉口通行能力真正起作用的地点是在交叉口的冲突点上,特别是在两相位信号控制的交叉口上,基于此,冲突点法应该是一种比较精确的方法。但是由于冲突点法一般应用在车流量小的两相位交叉口,所以直接套用它的公式和原理应用在车流量较大且相位不是处处存在冲突点的交叉口上,
(下转第132页)
的等价车头时距,根据实测,h2=1.8s。
(5)可穿越空档数及可穿越空档的时长:据观
测东西方向上,直行车流中,一个绿灯时长内出现的可穿越空档数次数g=1,τ是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,据观测τ=6s。
(6)东西方向直行车头车、尾车与左转车头车、尾车从停车线到达冲突点的运行时间见表4。
(7)由于东西方向不设左转相位,因此需观测该方向上利用初绿时间通过的左转车数,大约36辆,平均每周期2辆。
(8)其他数据:根据观测,入口坡度为0°,公交车站台距离交叉口大于200m。该地段属于繁忙区域,非机动车道与机动车道是物体隔离。南北向车道宽度为3.75m,东西向车道宽度为3.65m。车辆在交叉口的行驶速度一般为13～15kmΠh,该交叉口车辆行驶速度取13kmΠh。
运用第二部分所介绍的4种方法分别计算该交叉口的通行能力,计算结果见表5。
由表5可知,除了冲突点法算出来的结果不合实际以外(比实测结果小,鉴于通行能力应比实际交通量大,所以首先予以排除),城市道路设计规范计算出来的结果与实测结果最为接近,其他方法计算的结果都偏大。4 方法比较及应用范围
美国饱和流率模型方法计算出来的结果与实测
公 路 交 通 技 术 2006年132
JDBC的方法进行数据库连接,为确保数据访问尽可
通过在浙江省高速公路的实际应用,数字视频信息管理系统被证明不但可有效解决视频的远距传输和各高速公路路段多协议矩阵的级联,而且还可充分有效地利用已建成的高速公路宽带通信网的网络资源。
随着需求的不断发展,视频监控系统的复杂性迅速增加,视频信息的管理也越来越复杂。数字视频信息管理系统将会作为一个重要的系统方案,得到更为广泛的应用。
],标准及其应用[M].北
能的快,将在内存中建立虚拟的数据表,程序在读取数据时,直接从虚拟表中读取,以保证数据读取的实时性。其中,设备访问接口与控制模块负责与各分控中心的设备控制器通信,它是应用逻辑模块与各分控中心的设备控制器之间的桥梁;外部设备接口模块负责视频信息系统与外部系统的接口,包括与交通监控应用软件、通信网络管理软件以及其它应用软件协调工作;用户操作界面接口模块负责提供与用户操作有关的接口。
(3)用户界面层通过HTML和JavaServerlet为用户提供Web方式的用户界面。用户通过HTTP协议向WebServer递交表单,Java,通过Socket,,统的操作。4 结语
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(上接第128页)
并不太适合。因此,在车流量小的两相位交叉口,可以优先选用冲突点法计算交叉口的通行能力。
城市道路设计规范中的方法大量采用了现有路况的车流比例和车种组成等实测数据,所以,如果该交叉口趋于饱和,则计算出来的结果最为接近实测值。经计算,实例分析中的路口饱和度已达0.91。因此,在计算趋于饱和的信号交叉口时,可优先考虑这种方法。随着城市道路的交通负荷日益加重,特别是在中大城市的拥堵地段,大多数交叉口已趋于饱和,这种方法多被采用。5 结语
因素,不断地探讨适合本国的通行能力计算方法,我国也在不断地提出新的计算方法,找出哪一种方法最适合我国国情是本文所要讨论的问题。本文总结了目前最普遍应用的4种方法,通过对成学路交叉口的案例分析,初步评价了各种方法的优缺点并归纳出各种方法的适用范围,以便能够根据实际条件更加准确地计算信号交叉口的通行能力。
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