1、交通工程学（5） 交叉口信号配时设计,西南交通大学交通运输学院杨 飞 （博士、讲师）,本科课程,交通运输学院,主要内容,信号周期（Cycle）和相位（Phase）；车流释放车头时距（Discharge Headways）；饱和流率（Saturation Flow Rate）；损失时间（Lost Time）；有效绿灯时间（Effective Green Time）；关键车道（Critical Lane）；关键车道最大流量总和；最合适周期长度（Appropriate Cycle Length）；左转等效（Left-Turn Equivalency）。,1 基础概念与原理,1.1 信号周期组成（Co
2、mponents of Signal Cycle）（1）周期（Cycle）和周期长度周期是指红、绿、黄信号显示一个循环所；周期长度是指红、绿、黄信号显示一个循环所用的时间，单位为秒，通常用“C”表示。（2）绿灯时间（Green Interval）在绿灯时间内，每个流向车流每个周期内都有一个绿灯时间，允许通行的车辆行驶，其它车辆禁行，通常用Gi表示。,1 基础概念与原理,1.1 信号周期组成（Components of Signal Cycle）（3）黄灯时间（Yellow Interval）又称变化时间，由绿灯信号转变为红灯信号的过渡，目的是为了缓冲不能瞬间停车、保障安全停车，通常用yi表示。
3、（4）红灯时间（Red Interval）在红灯时间内，每个流向车流每个周期内都有一个红灯时间禁行的车辆停止，其它车辆行驶通过交叉口，通常用Ri表示。,1 基础概念与原理,1.1 信号周期组成（Components of Signal Cycle）（5）清扫间隔时间（Clearance Interval）即全红时间（all red），设置的目的是为了确保在黄灯时间内进入交叉口的车辆在冲突车流释放前安全离开交叉口，通常用ari表示。,1 基础概念与原理,1.2 相位（Phase）相位是按照路口车流获得信号显示的时序来划分，有多少种不同显示时序就有多少个信号相位。最基本的两相位：,1 基础概念与原
4、理,1.2 相位（Phase）四相位,1 基础概念与原理,1.3 释放车头时距（Discharge Headways）排队车流启动过程的车头时距分析：第1个：绿灯开始与第一辆车前轮越过停车线的时间差；第2个：第一辆车和第二辆车前轮越过停车线的时间差；第3，4，：以此类推计算思考车头时距在排队车辆启动过程中变化规律？,1 基础概念与原理,1.2 释放车头时距（Discharge Headways）假设给定地点观察平均车头时距，将车辆位置与平均车头时距关系绘制如下图所示：,i,1 基础概念与原理,1.3 释放车头时距（Discharge Headways）特征1：第一个车头时距相对较长，因为排队车
5、流第一位司机要经历感知反应过程（perception-reaction sequence）和加速启动过程；,i,1 基础概念与原理,1.3 释放车头时距（Discharge Headways）特征2：第二个车头时距较第一个车头时距短，因为第二位司机可以重叠部分感知反应时间和加速过程；,i,1 基础概念与原理,1.3 释放车头时距（Discharge Headways）特征3：接下来连续的车头时距都较前一个小，最终在第4、5辆车通过时趋于常值h，这时排队车辆完全加速状态通过停车线，队列稳定行驶。,i,1 基础概念与原理,1.4 饱和车头时距（Saturation Headway）常值h称为饱和车
6、头时距，单位为秒/车1.5 饱和流率（Saturation Flow Rate）假设1：每辆车都以h秒时间通过交叉口；假设2：交叉口一直处于绿灯时间状态。饱和流率为假设1、2条件下每小时内每条车道通过的车辆数S，单位为辆/小时/车道；表征交叉口最大理想通过能力。,1 基础概念与原理,1.5 饱和流率（Saturation Flow Rate）车道组（Lane group）饱和流率通过每车道饱和流率乘以单条车道饱和流率得到；事实上，交叉口信号灯不可能一直绿灯，因此需要采取一定的机理考虑周期性的启动和制动。,1 基础概念与原理,1.6 启动损失时间（Start-Up Lost Time）,i,1
7、基础概念与原理,1.6 启动损失时间（Start-Up Lost Time）释放排队车流n所需的绿灯时间模型：此模型给出饱和车头时距和启动损失时间的关系绿灯时间内，车辆有（G-1）的时间能够通行引导出有效绿灯时间的概念,1 基础概念与原理,1.7 清扫损失时间（Clearance Lost Time）绿灯末停止交叉口车辆行驶时产生损失时间，2难以实地观测，要求排队车辆足够多，在一个绿灯时间内无法全部释放；定义：在上述前提下，排队车辆中最后一辆通过停车线的时间与下一个相位绿灯开始的时间差。总损失时间tL= 1 + 2,1 基础概念与原理,1.8 有效绿灯时间（Effective Green Ti
8、me）交通信号配时中本质上只有两种时间类型：有效绿灯时间：车辆处于移动状态的时间；有效红灯时间：车辆严格停止运行的时间。,1 基础概念与原理,1.9 交叉口进口车道/车道组通行能力饱和流率反应出假设一直处于绿灯时间条件下交叉口车道/车道组的通行能力；实际中，不可能全处于绿灯时间，有效绿灯时间占一定比例；绿信比：有效绿灯时间/信号周期总长度（gi/C）根据有效绿灯时间所占全周期的比例计算交叉口进口车道通行能力；,1 基础概念与原理,1.9 交叉口进口车道/车道组通行能力交叉口进口车道/车道组通行能力为：,1 基础概念与原理,1.9 交叉口进口车道/车道组通行能力例题：某信号控制交叉口具有如下特征
9、：Cycle length，C=60sGreen time，G=27sYellow plus all-red time，Y=3sSaturation headway，h=2.4s/vehStart-up lost time，L1=2.0sClearance lost time，L2=1.0s试计算该信号交叉口的单车道通行能力。,1 基础概念与原理,1.9 交叉口进口车道/车道组通行能力例题：用两种方法求解解法1：从通行能力概念出发，假设车辆能以饱和车头时距h行驶，找出一小时内该交叉口有多少时间可供车辆通行，则可计算得到通行能力：总时间1h：3600s，包含60个周期1h内红灯时间:（60-27
10、-3）*（3600/60）=1800s1h内损失时间：（2+1）*（3600/60）=180s1h内剩余可供通行时间：3600-1800-180=1620s通行能力c=1620/h=1620/2.4=675veh/h/ln,1 基础概念与原理,1.9 交叉口进口车道/车道组通行能力例题：用两种方法求解解法2：按照公式求解饱和流率S=3600/h=3600/2.4=1500veh/h/ln有效绿灯时间g=G+Y-tL=27+3-3=27s通行能力c=S*(g/C)=1500*(27/60)=675veh/h/ln两种思路解法结果完全一样，加深对公式的理解。,1 基础概念与原理,1.10 关键车道
11、（Critical Lane）概念引例：如下图所示简单两相位信号交叉口，某时段各进口道流量标注如图，假设：1）所有车辆均直行没有转弯车辆；2）每辆车通过该交叉口的时间耗费为3s；3）先释放东西向车流，放完为止，然后再释放南北向车流。试问完全释放完该交叉口车流需要多少时间？,1 基础概念与原理,1.10 关键车道（Critical Lane）信号配时必须要满足关键车道的交通总需求；注意：关键车道交通量最大车道！例如：直行100和直行50+40左转，由于交叉口左转车所耗时间较长，可导致绿灯时间需求增大；关键车道是交通需求强度最高的车道！时间预算分配（Time-Budget）：有效绿灯时间必须满足关
12、键车道总交通需求，在此基础上按照各关键车道交通需求进行分配。,1 基础概念与原理,1.10 关键车道（Critical Lane）关键车道判定常用原则：（1）对于每一个独立的信号相位都存在相应的一个关键车道和关键车道流量；（2）除了损失时间，在一个周期内的有效绿灯时间存在且唯一存在一个关键车道车辆在移动运行。,1 基础概念与原理,1.11 关键车道最大流量总和从另一视角评估交叉口通行能力，与通行能力手册（HCM）中讲述不同，但是值得探索的方向；根据定义，每个相位都唯一存在一个关键车道，关键车道除了损失时间都处于运行状态，将一小时内的损失时间扣除，剩余的时间即为总有效绿灯时间，以此时间结合饱和车
13、头时距计算关键车道最大流量总和。,1 基础概念与原理,1.11 关键车道最大流量总和,1 基础概念与原理,1.11 关键车道最大流量总和假设某信号交叉口有2相位，周期长度为60s，每相位损失时间为3s，饱和车头时距为2.4s/Veh，则该交叉口关键车道最大流量总和为：,1 基础概念与原理,1.11 关键车道最大流量总和关键车道流量总和与周期长度、相位数关系图,Sum of Critical-Lane VolumesVc,Cycle Length C,原因：单位小时内周期数减少、损失时间减少、有效绿灯时间增加，最终趋于常值；但通行能力增幅不大，还应结合其它措施如拓宽车道。,周期增长，交叉口通行能
14、力增加,注意掌握各参数之间的关系，理解调整效果，在交叉口信号配时设计时可把握参数调整方向！,1 基础概念与原理,1.11 关键车道最大流量总和关键车道流量总和与周期长度、相位数关系图,Sum of Critical-Lane VolumesVc,Cycle Length C,相位数增加，交叉口通行能力如何变化？原因？根据规律分析结果，两相位和长周期的配时方案将使得通行能力最大化，最好所有设计都采用？,1 基础概念与原理,1.11 关键车道最大流量总和周期长度最大化有没有必要？交叉口信号配时设计通常按照饱和度（v/c）在0.800.95之间确定周期长度，相应取得最佳延误道路设计根据通行能力确定车
15、道数，通常按照较低的饱和度取值，思考原因？道路设计一经确定，在相当长时间内很难拓宽；而交叉口信号只需要简单地调整控制器重新进行信号配时即可。,1 基础概念与原理,1.12 确定最佳周期长度假设交叉口各进口道交通流量已知，相应找出关键车道流量Vc，那么最小周期长度如何确定？,例题：假设某交叉口关键车道流量Vc为1000veh/h，饱和车头时距为2.4s，共设两相位，每相位损失时间为3s，那么最小周期长度计算结果是多少？,1 基础概念与原理,1.12 确定最佳周期长度以上例题计算结果意味着周期长度可以从先前的60s降低为20s；实际中高峰小时内各时段的车辆到达规律分布不均，因此需要考虑高峰小时系数
16、（PHF）影响；用Vc/PHF作为高峰小时内最大交通流率；对于通行能力的考虑，按照80%95%确定交叉口信号配时设计通行能力，预留部分通行能力、预防车流到达率的随机波动产生短期局部拥堵,1 基础概念与原理,1.12 确定最佳周期长度考虑高峰小时内交通流的随机波动以及预留通行能力因素，修正后的最佳周期长度计算公式为：,例题：假设某交叉口关键车道流量Vc为1000veh/h，饱和车头时距为2.4s，共设两相位，每相位损失时间为3s，PHF为0.95，按照通行能力95%取设计值，最佳周期长度计算结果是多少？,1 基础概念与原理,1.12 确定最佳周期长度关键车道流量总合与最佳周期长度的关系（假设相位
17、数、饱和车头时距、损失时间等确定）,Sum of Critical-Lane Volumes, Vc,Desirable Cycle LengthCdes,最佳周期对v/c比取值非常敏感,1 基础概念与原理,1.12 确定最佳周期长度例题：一个三相位的信号配时交叉口，假设每相位损失时间tL=4 s/phase，饱和车头时距为2.2s/veh高峰小时系数PHF为0.90，关键车道流量总和Vc为1200 veh/h。分别计算在给定饱和度v/c在1.00、0.95、0.90、0.85下的最佳周期长度，并给出推荐周期取值。,1 基础概念与原理,1.12 确定最佳周期长度例题：解答,1 基础概念与原理,
18、1.12 确定最佳周期长度例题：解答负值如何解释？最终推荐周期？,1 基础概念与原理,综合设计例题：如图所示交叉口，采用两相位信号控制，南北、东西向关键方向流量标注如图，假设信号周期长度C=60s，每相位损失时间tL=4 s/phase，高峰小时系数PHF=0.95，v/c=0.90，饱和车头时距2.3s/veh。（1）试运用关键车道分析方法，确定关键方向的合理车道数；（2）根据1的结果确定最佳周期，以对原有的60s周期长度进行优化。,1 基础概念与原理,综合设计例题：解答假设给定的周期长度60s是合理的，结合其它条件确定关键车道最大流量总和为：,1 基础概念与原理,综合设计例题：解答如果关键
19、方向都仅设一个车道，那么关键车道流量总和为3000 veh/h，超过最大流量1357veh/h，因此关键方向必须设置2条及以上的车道；具体合适的车道数通过组合试算得到，不同的车道组合与关键车道流量需求的情况如图所示。,1 基础概念与原理,综合设计例题：解答,1 基础概念与原理,综合设计例题：解答,1 基础概念与原理,综合设计例题：解答最佳周期计算结果为：,设计结果为：车道设计方案为23，最终推荐周期长度80s（长于初始60s）。小结：这个综合设计例题例证了车道数和信号周期长度的关系；道路拓宽仅通过路段交通拥挤状态判断是否足够？这个例题的实际意义思考？,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（L
20、eft-Turn Equivalency）（1）交叉口进口道左转两种设置方式专用左转车道（exclusive-lane）与直行车共享车道（share-lane）（2）信号控制方式相应地包含三种允许左转控制（permitted left turn）保护左转控制（protected left turn）组合式左转控制,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）（3）左转车对交叉口运行的影响左转车比常规直行车耗费更多的有效绿灯时间；当采用允许左转控制时情况更为复杂，左转车只有等到对向车流出现可接受空隙才能完成左转；当左转车和直行车共享车道时，可能发生左转车等
21、待阻碍直行车的情况，以致一些直行车改变车道通过交叉口，而另一些车辆只能等到左转车行驶过后通过。,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）（4）左转等效换算思路和方法由于左转车对交叉口运行的影响不同于直行车，在设计信号交叉口时，需要将左转车按照一定标准换算成相当的直行车，然后统一进行分析；左转等效：一辆左转车通过交叉口耗费的有效绿灯时间内，能够有多少直行车辆通过，即一辆左转车相当于多少辆直行车通过交叉口的时间。,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）（4）左转等效换算思路和方法：一个简单模型相同时间内，车道
22、1通过11辆直行车，车道2通过5辆直行车，2辆左转车，如何确定左转系数ELT？,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）（4）左转等效换算思路和方法上述简单模型没有考虑左转控制形式（允许、保护、组合）、对向车流数量、对向车道数等；假设在允许左转控制方式下，左转等效系数与对象车流数量V0、对向车道数N0的关系如图所示：,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）（4）左转等效换算思路和方法,ELT随着对向车流量增加而增大；在给定对向车流量情况下，随着对向车道数的增多而减小,1 基础概念与原理,1.13 左转等效
23、（Left-Turn Equivalency）（5）左转等效的应用方法例题：某信号控制交叉口采用允许左转控制方式，各进口道左转车流比例为10%，左转等效系数为5.0，直行车辆的饱和车头时距为2.0s/veh，试确定进口道车辆的平均饱和车头时距及等效饱和流率。,解答1：根据左转等效系数的含义，左转车辆消耗有效绿灯时间是直行车辆的5倍，因此，总车流中有10%车辆的饱和车头时距是2.05.0=10.0s/veh，另外90%直行车辆的饱和车头时距为2.0s/veh，按照加权平均思想求平均饱和车头时距；,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）（5）左转等效的
24、应用方法例题：解答1,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）（5）左转等效的应用方法例题：解答2用HCM（Highway Capacity Manual）的方法，采用调整系数（adjustment factor）将理想）的饱和车头时距（ideal）转化为当前实际的饱和车头时距（prevailing）。,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）（5）左转等效的应用方法例题：解答2,1 基础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）（5）左转等效的应用方法例题：解答2,1 基
25、础概念与原理,1.13 左转等效（Left-Turn Equivalency）小结：左转等效的概念非常重要，其本质是左转车辆和直行车辆消耗有效绿灯时间的关系；其它类型的等效概念和分析方法类似，例如不同车型车辆间的换算、右转等效。,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）交叉口作为一个点，其运行质量的有效评估与高速公路有所不同；速度指标对高速公路运行评价较为重要，而对于交叉口意义不大； 交叉口常用的运行评价指标：延误、停滞（Stops）排队长度（Queuing），三者相互关联：延误：通过交叉口的时间，到达交叉口的时间和离开交叉口的时间差（Arrival Time、Departure Ti
26、me）；排队长度指红灯期间停留等待通过交叉口的车辆数；停滞指在交叉口停留的车辆比例。,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（1）延误的类型交叉口最常用的评价指标，实际中测量难度较大，不同的观测方式得到不同的结果；定量定义延误包含多种类型：停滞延误（Stopped-time delay）方式延误？（Approach delay）排队延误（Time-in-queue delay）行程延误（Travel time delay）控制延误（Control delay）,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（1）延误的类型交叉口时间距离关系图,Distance,Time,D1,D2
27、,D3,D1= Stopped-time delay,D2= Approach delay,D3=Travel time delay,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（1）延误的类型停滞延误：指在由于红灯而排队停留交叉口停车线前等待通过路口的时间；平均停滞延误指在特定的时间段内所有车辆停滞延误的平均值。,D1= Stopped-time delay,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（1）延误的类型方式延误：包含停滞延误时间加上由于制动停止和重新启动达到之前平稳车速的损失时间平均方式延误是指在特定时间段内所有车辆的方式延误平均值,Distance,1 基础概念与原
28、理,1.14 延误（Delay）（1）延误的类型行程时间延误：更为理想化和概念化指司机所按照期望速度行驶的行程时间和实际时间的时间差鉴于较难确定司机通过交叉口的期望车速模型，实际很少使用,Distance,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（1）延误的类型排队延误：指车辆加入交叉口排队到车辆启动释放通过停车线的时间差；,Time,D4= Time-in-queue delay,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（1）延误的类型控制延误：1994年HCM手册中提出，HCM2000也采纳，指由于控制设备引起的延误，例如信号灯控制其或者停车指示牌。大致等于队列延误加上加速
29、、减速的损失时间。,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（1）延误的类型小结：停滞延误：仅包括由于信号灯引起的延误，从车辆在交叉口完全停止到车辆开始加速；方式延误：相比停滞延误还包含加减速损失时间，假设无信号灯通过延伸车辆到达车速及重新完全加速后确定；队列延误：建立在车队形成的基础上，无法通过一辆车有效描述。,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（1）延误的类型小结：延误针对一辆车而言，也能够集合（Aggregate）集合后单位为vehicle-seconds、vehicle-minutes等,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型几
30、乎所有的延误计算模型都是从分析交叉口累计到达与离开的车辆点绘（plot）与时间关系开始；纵轴为累计到达或离开车辆点绘，时间轴按照有效红灯和有效绿灯时间划分；假设车辆以均匀流率v到达，在绿灯时间内没有滞留车辆排队车辆全部清空，红灯时间内车辆继续到达停留没有车辆穿红灯行驶，绿灯时间内车辆能够以饱和车头时距h穿过停车线。,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型,CumulativeVehicles,gi,gi,Ri,Time t,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型,Veh i,W(i),W(i)为任何给定车辆i在队列中的等待
31、时间,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型,CumulativeVehicles,gi,gi,Ri,Time,t,Q(t),Q(t)为时刻t排队车辆总和，是纵坐标到达车辆和离开车辆的数值差,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型集合总延误（Aggregate delay，Vehicles time）如何计算？ 计算的延误属于哪种类型？,CumulativeVehicles,gi,gi,Ri,Time,Time-in-queue delay！,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型两个假
32、设的思考：均匀到达率假设：简化考虑，但在实际中，即使一个完全独立的交叉口的到达率也是随机变化的建模中考虑了在随机到达率条件下的影响排队特性假设：不考虑车辆队列中的相互影响，例如队列后传播的影响。这是许多延误模型中没有解决的问题。,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型,CumulativeVehicles,arrival function, a(t),departure function, d(t),Time,Stable FlowNo Cycle Fails,总延误如何计算？,最理想状态，每个绿灯时间内排队车辆全部释放，没有堆积转移到下一个绿灯内的车辆；,
33、标准延误Uniform delay,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型,CumulativeVehicles,arrival function, a(t),capacity function, c(t),Time,Within Stable PeriodSome Phases fail,departure function, d(t),整个时间段内通行能力能够满足这段时间的交通需求，但某些相位失效，离开率最后才能赶上到达率；,总延误如何计算？,溢出延误Overflow delay,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型
34、,CumulativeVehicles,arrival function, a(t),capacity function, c(t),Time,The Worst CaseEvery Green Phase fails,departure function, d(t),最差的运行状态，每个绿灯相位都失效、都有车辆排队堆积转移到下一个绿灯内，排队越来越长，溢出延误随时间不断增加；,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型延误的三个组成部分：标准延误（Uniform delay）：在假设均匀到达、车流稳定运行及没有相位实效的前提下的延误；随机延误（Random d
35、elay）：由于车辆随机到达产生的额外延误，大于标准延误；溢出延误（Overflow delay）：由于某一个相位或连续几个相位的通行能力小于车辆到达的交通需求产生的额外延误。,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型Webster标准延误计算模型,CumulativeVehicles,g,Arrival Rate v,g,R,Departure Rate S,Time,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型Webster标准延误计算模型V为红灯期间到达等待的车辆数加上绿灯开始后到达并通过交叉口的车辆总数思考如何通过到达车辆
36、和释放车辆的平衡关系建立模型,Time,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型Webster标准延误计算模型,Time,CumulativeVehicles,g,Arrival Rate v,g,R,tc,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型Webster标准延误计算模型,Time,CumulativeVehicles,g,Arrival Rate v,g,R,tc,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型Webster标准延误计算模型,Time,CumulativeVehicles,g,Arrival Rate v,g,R,tc,1 基础概念与原理,1.14 延误（Delay）（2）延误计算基础理论模型Webster标准延误计算模型,Time,CumulativeVehicles,g,Arrival Rate v,g,R,tc,谢 谢！,交通运输学院,
