1、用交通流体运动动原理进行城市红绿灯连动时间设计摘要本文从宏观角度，用流体运动原理，变堵为疏的方法，解决一条交通线，乃至城市交通网的红绿灯连动设计。为使车辆行驶时间最短，车辆就要以基本匀速地行驶，排除红灯等待时间，以及加、减速过程，减少交通拥堵，减少车辆燃油消耗，节约时间和资源。通过实行该方案，在同等条件下，可总体增加城市交通流量 20%以上，局部路段行驶时间减少 30%以上，从而创造巨大的社会效益，经济效益和环保效益。 关键词：红绿灯；设计；连动 中图分类号：TU984 文献标识码：A 一、当前城市交通状况 据中国新型城市报告 2012主编牛中文介绍，全国百万人口以上的 50 个主要城市中，有
2、 80%路段和 90%的路口通行能力接近极限。居民平均单行上班时间为 39 分钟，而北京 52 分钟，广州 48 分钟居前两位。15 个大城市，因交通拥堵每天损失约 10 亿，交通问题已严重影响了城市人群的生活质量，也严重影响了社会的经济发展。 仅以成都市为例，至 2013 年 4 月 21 日，成都市汽车保有量达 233.5万辆，其中城市 114.18 万辆，在汽车相距 10m 的情况下，可排17720km，仅次于北京。全市驾驶员 374.18 万人，排副省级城市第一。 成都市城区人口 670 万，日均出行总量 1700 万人次。近几年道路平均增幅约 5%，已达 2431km，当量路网容量仅
3、 70 万辆。而当量小汽车，汽车年增长率 19.4%。按高峰期 65%，车辆使用率计算，车辆相距 2m，车身长 5m 计算，可排 5195.19km，比城市道路多一倍， 可见车辆已达到路网的饱和，造成高峰期严重堵车。非高峰期，由于红灯只顾本路口的微观设计，而没有按流体运动原理，实行红灯连动设计，造成汽车在行驶过程中第一个红灯等待，接着又是第二红灯等待，甚至多个红灯连续等待的情况，也是城市道路车辆行驶缓慢的主要原因。 二、城市道路行驶缓慢的原因 1、城市道路发展不足，车辆增长迅猛是主要原因； 2、等红灯，甚至连续多次红灯等候是浪费时间的主因； 3、等红灯时，车辆越聚越多，越聚越密，车队越排越长，
4、有时同一绿灯亮起 2-3 次也不能通过，是造成拥堵的主要原因； 4、绿灯亮起时，车队从零启动，然后加速，通过停止线时，车速仅为 10-20km，过停止线 5-8 秒才能达到 30-40km，过停止线车速过低是造成拥堵的原因之一。 5、左转弯汽车过多或转弯规划不合理是拥堵的主要原因。 我们在成都市武侯大道进行了实地交通实驾，该路从绕城高速出口，经三环立交到二环，全段 7.2km，该路段双向 6 车道，路中心有绿化隔离带，车辆限速 60km，全路段有红绿灯 16 个。 我们经过 10 次交通畅通实驾和 3 次高峰期通行实驾，结果如下： 实驾次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
5、 13 等红灯数(次) 7 8 7 9 6 8 5 7 8+3 7+3 9+9 8+10 7+8 等红灯时间(秒) 415 456 385 505 410 430 360 430 750 785 960 1020 860 加减速时间(秒) 70 96 76 105 65 75 58 75 188 192 620 720 580 正常行驶时间(秒) 605 625 610 630 590 610 560 605 615 625 860 945 840 合计用时(秒) 1090 1177 1071 1240 1065 1130 978 1200 1553 1602 2440 2685 2280 平
6、时时速 km/h 23.79 22.03 24.2 20.9 24.34 22.93 26.5 20.4 16.69 16.18 10.6 9.65 11.37 （注红灯数“+”为绿灯未通过再等红灯数） 从上表看出 1、红灯等待次数越多，则行驶时间越长； 2、红灯等待次数越多，平均时速越小； 3、拥堵路段，同一路口多次绿灯亮起未通过，严重影响汽车速度和行驶时间； 4、在交通畅通情况下，上下路口红灯之间无连动规则，造成不必要多等红灯 5-10 次，浪费时间 3-10 分钟，严重阻碍汽车的行驶速度，造成不必要的时间和燃油浪费。 三、交通流体运动的一般规律 我们用拉格朗日法，测量一个车道的微元流速
7、dqv=VdA qvc(净通量) V(流动速度) 由于一个车道的车辆运动是非均匀流，我们用模糊数学的方法解决这一问题。车辆在一个车道内以某一速度正常行驶时，我们把它看作均匀流。遇红灯停止为渐变流，绿灯亮时汽车启动，又看作渐变流。 我们只计算通过 dA 的单位时间的质量流出率，即一个车道坐标和时间变量的函数。 da=（密度） V（速度） 我们通过观察和测量，城市中轿车车身长为 3.55.5 米之间，我们取平均车身长 5 米计算。 汽车行驶速度不同，车间距也不同，车速越快车间距越大，我们用模糊数学区间法则计算出不同速度的最小车间距如下表 汽车速度 km/h 10 20 30 40 50 60 车间
8、距（m） 1-3 3-5 4-8 6-10 8-14 10-18 平均车距（m） 2 4 6 8 10 12 由此我们可以计算出 60 秒内，以不同速度通过一个车道的红灯停止线的最长车流，以及通过最大车辆数。 汽车速度 km/h 10 20 30 40 50 60 车流长（m） 166.6 333.3 500 666.7 833.3 1000 车辆数（m） 20 37 45 51 55 58 通过以上图表，我们可以得出以下结论 1、车流速度与通过车流长成正比，也与通过的车辆数成正比。 2、车流在红灯等待后启动，通过停止线时的车速仅 20 码左右，在多个红灯行等候的情况下，车流速度将变得很低，通
9、过率成几何倍数下降。等红灯后启动行驶通过的车辆仅为正常行驶通过的车辆数的约 50%。 3、实际通行情况，由于车辆变道，车速的不稳定，道路上复杂情况干扰，车辆通过数总是小于理论值。 为此我们要尽量减少红灯等候次数，尽量使车辆基本以匀速行驶，并且速度越高，通过率越高，交通流通量就越大。 四、红绿灯连动设计 我们根据红灯之间的距离和路况，以及道路限速，再据车量的大小来确定该段路最佳流速，来依次类推绿灯的亮熄时间。理想情况是一个车队在绿灯亮时起步，严格按该路段限速行驶到下一路口时，绿灯刚好亮起，车队通过完毕，绿灯刚好熄灭。车队到第三个路口时，绿灯刚好亮起，车队通过后绿灯熄灭。依此类推，直到把该大道走完
10、，没有特殊情况，不遇红灯。 我们从测量武候大道各路口间距，即从内向外延伸的数据如下，若用 50km/h 的平均速度行驶到各点的时间。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 两个路口距离 m 350 400 350 400 300 1200 250 500 700 450 450 350 350 300 350 500 该路口距起点距离 m 350 750 1100 1500 1800 3000 3250 3750 4450 4900 5350 5700 6050 6350 6700 7200 行驶到该路口时间 s 25 54 79 108 130 216
11、 234 270 320 353 385 410 436 457 482 518 两路口绿灯间隔时间 s 25 29 25 39 22 86 18 36 50 33 32 25 26 21 25 36 每条道路的路况及交通情况不同，速度亦不同，车流以不同的速度匀速过不同路段，应始终在该路段设计的速度主线上，绿灯亮的范围也在该线上，才是最佳的交通的设计行驶方式。如图： 若车流以假定 50km/h 速度行驶，遇特殊情况或交通拥堵等一个或多个红灯，它的行驶轨迹只是退后一个或多个红灯时间，行驶线与原线平行，绿灯亮的范围也平行，因此不会引起杂乱无序的情况，也利于交通的行驶。 如果车队严格按限速行驶，设计
12、不应出现前车到停止线时绿灯未亮的情况；如果车队某一些车以较低的速度行驶，它们在后面则通不过该次绿灯，只能等待下次绿灯。若遇某路口车流量较大时，要适当增加该路口绿灯时间，但必须在运动轨迹时间周围增加，不能影响运动主线，否则打乱总体规划。 五、方法及操作步骤： 1、测量好整条道路所有路口之间的距离（即从一个红灯停止线到下一个红灯停止线的距离） 。 2、实地调查了解各路口在畅通时和拥堵时的交通行驶情况，特别了解拥堵时段的拥堵原因及拥堵情况，并找出问题的解决方法。 3、根据道路限速情况，以及车流情况（充分利用智能交通流量统计）确定不同时段，不同流量的车流行驶速度。进而确定各路口不同距离情况下，两绿灯依
13、次亮熄时间，进而作出各坐标的总体规划。 4、安装智能流量统计。 5、根据坐标指示设置红绿灯依次亮熄时间。 6、拥堵路口左转弯汽车拥堵解决方法 据道路情况，左转弯拥堵路口实行暂不左转，直行到下一个不影响直行的地方调头，然后右转，从而有效遏至了左转汽车造成的拥堵。 汽车调头位置不与左转位置重叠，通过左转调头位置应退后 150 米以上，调头时间尽量延长，应在对面直行红灯时段调头。 六、效益分析 1、以成都市武侯大道这 7.2 公里为例，通过红绿灯连动设计后，畅通时行驶。时间在 600 秒以内，而以前最短时间在 980 秒，仅 7.3km，节约了 380 秒，节约 38.8%的时间。若成都市每天按 5
14、0%出车率计算，即有车 60 万辆，而每车行驶 30km，共节约 263887 小时，每小时按燃油 8 升计算，可节约燃油约 2000 吨，每人每小时按 10 元计算，每车按平均两人计算，可节约人 525 万元，合计每天节约 2000 余万元。 2、仅成都市区每天减少 2000 余吨的汽油消耗，减少空气污染，减少雾霾天气。 3、交通流量的增加 20%-38%，相当于成都市增加了 20%以上的城市道路，约 500 公里，城市道路的成本在 1 亿元/km 以上，又为城市节约了500 亿元的城市建设费用。 4、通过红绿灯连动设计，车流超速提前路口时永远是红灯，有效地限制了超速行为的发生。 5、该项目投入极少，仅为道路投资 1左右，是投资少、见效快的项目，具有较明显的经济效益、社会效益和环境效应。
