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1、长安大学硕士学位论文城市道路交叉口的交通流仿真研究姓名：白立岗申请学位级别：硕士专业：交通信息工程及控制指导教师：苏诗琳20040101摘要做为研究智能交通系统(I T S)的重要组成部分，对交通流理论的研究，有着非常重要的意义，而建立交通流模型和进行交通流仿真都是此项研究工作的主要方法。对交通流的研究而言，模型是仿真的基础，仿真是模型的实现。本文正是以交通流的建模与仿真为主要内容，做力所能及的探索和研究。研究结果，可用于评价信号交叉口当前的交通服务水平，也可对多种交通改善措施在其实施前进行方案比选。文中，首先通过分析交叉口的实际情况和交通特征，建立了交叉口布局、信号控制、交通流生成及运行等数
2、学模型。然后，以这些模型为基础，给出城市道路交叉口交通流仿真系统的程序设计框架和实现方法。最后，通过实例对仿真模型和系统软件进行验证，并进而说明该系统的实用功能。关键词：信号交叉口配时交通流仿真模型A b s t r a c tA st h em a i np a r to fr e s e a r c hi n t oI n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m，i ti sm e a n i n g f u l l yi m p o r t a n tt os t u d yT r a f f i cF l o wt
3、 h e o r y B o t hm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gt h et r a f f i cf l o wa r ep r i n c i p a lm e t h o d s F o rt h er e s e a r c ho ft r a f f i cf l o w,m o d e l sa r eb a s i so fs i m u l a t i o n，m e a n w h i l e，s i m u l a t i o nc a r r i e so u tt h er e a l i z a t i o no fm
4、 o d e l s T h e ya r em a j o ro b j e c t i v e so ft h i sr e s e a r c h T h ea c h i e v e m e n t sC a l lb eu s e dt oe v a l u a t et h ep r e s e n ts e r v i c eo ft r a f f i cs y s t e mi nt h es i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n，a n da tt h es a m et i m e，t os e l e c ta m o n g
5、s e v e r a ls c h e m e sf u rt h eb e s tb e f o r et h e i rb e i n gp u ti n t oe f f e c t I n t h i sa r t i c l e，If i r s t l ye s t a b l i s ht h em o d e l so fi n t e r s e c t i o n，s i g n a lc o n t r o la n dt r a f f i cf l o w,e t c，b yt h ea n a l y s i so f t h ea c t u a ls i t
6、u a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n T h e n，Ig i v et h ep r o g r a m m i n go fs o f t w a r ew h i c hi so nt h eb a s i so ft h e s em o d e l sd e s c r i b e d L a s t l y,t h em o d e l sa r ee x a m i n e da n ds o f t w a r ei si l l u
7、 s t r a t e db ye x a m p l e sf o re x p l a n a t i o no f i t sa c t u a lu s e K e yW o r d s：S i g n a l i z e da t g r a d eI n t e r s e c t i o nS i g n a lT i m i n gT r a f f i cF l o wS i m u l a t i o nM o d e l第一章绪论1 1 城市交通现状及交通问题的解决交通是人类生存和社会发展所必须进行的活动，与社会经济的发展有着密切的联系。交通是国民经济的大动脉，交通的发
8、展可以促进国民经济的发展，而交通问题本质上是个经济问题。改革开放以来，我国的国民经济处于高速发展中，城市化进程加快。同时，城市机动车拥有量和交通量都急剧增长。相对城市交通需求的变化，城市交通供给严重不足，供求矛盾激化，导致城市交通运营状况恶化，事故率上升，车速度下降。以北京市为例：据有关资料，1 9 8 0 年北京机动车保有量为1 3 2 万辆，而现在己突破2 0 0 万辆。目前，北京城市道路年增长速度是3，而车辆增长速度为1 5，车流量年增长速度己达1 8。北京的快速环路=环路、三环路自建成至今，流量不仅已超过了设计能力，甚至有些地方已超过了设计能力一倍有余。1 9 8 0年，二环路上各个路
9、口的机动车平均流量为1 3 3 4 v e h h；现在连接各主干道的二环路高峰小时机动车交通量已达l1 0 0 0 v e h h，己接近或超过其设计通行能力。目前，高峰时间内北京中心区路网的平均负荷度已达9 0，市区道路平均车速不足2 0k m h。三环路以内1 1 0 条主干道路，有8 0 多条道路交通流量达到饱和或超饱和状态。而在全国范围内，大部分大中城市的交通状况还不如北京。随之而来，交通问题引起的损失，无疑是巨大的。目前，我国国内百万人口以上的大城市每年由交通拥塞造成的直接、间接经济损失约计1 6 0 0 亿元，相当于国内生产总值的3 2，至于给社会带来的其它负面影响更是难以估量。
10、种种迹象表明，城市交通这一城市发展的生命线显然不具备足够的生命力，交通问题能否解决将直接影响城市经济和整个城市的发展。为了解决城市交通问题，各种措施相继出台。针对我国城市城区道路面积增长慢，路网密度过小，路网系统不完善的特点，我们加速城市道路建设，调整路网结构，完善道路配套设施；针对存在大量单位内部车辆、小型车辆，但承担交通运输的比重小，而大容量、便捷的公共交通却发展缓慢的情况，我们制定政策限制私人小汽车的发展，鼓励公交发展和公交优先，在某些大城市发展轨道交通，实现最佳的综合社会效益。但是，这些都是以大量的资金投入为前提的，比如近些年北京市政府每年要拿出3 p _ 4 0 亿元用于城市道路建设
11、，高速路、立交桥连连竣工，但并不能很好地解决问题。而且，城市布局一经形成就很难改变，尤其对于我国的众多历史名城而言，更要兼顾保护文化古迹和保持城市特色，要挤出一部分价格昂贵的土地用于道路建设也是不现实的。另外，对私人小汽车等的限制也只能是限制其增长速度，新建轨道交通更是动辄需要几十亿、上百亿的资金，对于我们这样一个发展中国家而言，无疑是经济现状所不能承受的。这样一来，我们迫切需要一种更适合我国国情，投资更小，见效更快，同时兼顾长远发展的新途径来改善城市交通。而充分利用先进技术大力加强和改善交通管理与控制就是很好的一个方法。交通管理，是一门学科，更是一种战略性很强的组织措施，是按照既定的交通法规
12、，运用各种手段、方法和工具合理地限制和科学地组织、指挥交通；交通控制是运用现代化的信号装置、通信设施、遥控、遥测电脑设备及各种软件对行驶的车辆准确地调度，使其安全通畅地运行。交通管理与控制的目的在于认识并遵循道路交通固有的客观规律，不断提高管理的效益，争取最少的延误、最短的运行时间、最大的通行能力和最低的营运费用，从而取得良好的经济效益、社会效益和环境效益。国内外大量实践已证明，采用先进的道路交通管理与控制系统对改善城市交通现状是效果显著、投资最小的一种方法。例如美国交通部1 9 9 4一1 9 9 9 年之间的统计数据表明：采用自适应交通信号控制系统，能够大大减少交通事故，保证行车安全，停车
13、时间减少2 0 以上，路程耗费时间节省8，卜_ 2 0 6，交叉路口处撞车事故减少2 0 4 3；且随着交通流速度加快，大大减少了尾气排放，有助于环境保护。在美国、欧洲、日本等发达国家和地区，与其经济实力相应的是大量的机动车和交通量。在发展中国家机动车数量远少于发达国家，但城市交通却更为无序，其原因就在于发展中国家普遍忽视了交通管理与控制在改善城市交通中的重要作用。所以，要发展和改善我国盼城市道路交通，仅靠“先修路”这样的指导思想是不科学的，也是行不通的，我们还要从交通管理与控制上入手。在交通管理上我们要制定更完备的交通法规、交通工程技术措施，普及交通安全教育，这是静态管理；在交通控制上我们从
14、交通控制设备的软硬件入手，使得现有交通网络的通行潜力得到充分的发挥，最大程度上使交通流做到有序流动。然而，对于交通控制而言，也涉及到投入成本和预期效益的矛盾，都面临在实际运行中的效果到底如何的问题。这样，我们有必要先进行交通仿真，根据仿真结果，决定是否采用某套控制方案，或对其进行优化，以达到更好的控制效果。1 2 1 仿真技术1 2 仿真技术和交通仿真仿真是指对真实事物的模仿。“仿真”一词另外一个常见的提法是“模拟”。根据“国际标准化组织(I S O)标准”中数据处理词汇的部分名词解释，“模拟(S i m u l a t i o n)”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表
15、示它们的过程；“仿真(E m u l a t i o n)”即用另一数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分地模仿某一个数据处理系统，以至于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。鉴于目前实际上已将上述两者所含的内容都统归于“仿真”的范畴，而且都用英文“S i m u l a t i o n”一词来表达，因此，本文所讨论的仿真概念也就这样泛指。仿真研究的目的在于对现有系统或未来系统的行为进行再现或预先把握。当人们需要了解某一系统在特定条件或环境下的运行状态时，将系统置于该特定条件或环境下，对系统本身作完整的实际运行，当然可以得到系统的运行特性和主要参数，但是
16、，这往往需要付出昂贵的代价。而对于某些正在设计中的系统，如规划的道路网络系统、社会经济系统或具有灾难性后果的系统(如道路交通事故的再现等)，甚至根本无法进行系统的实际运行。所以，对系统进行仿真研究，在不需要现有系统参与或未来系统存在的情况下，利用仿真模型进行仿真实验，通过对仿真输出结果的分析、对比和评估来获得系统的行为表现，无疑是一种经济可行的方法，并已引起人们的广泛关注。从学科领域上划分，系统仿真是运筹学的个重要分支，它与线性规划和网络技术并称为运筹学的三大支柱。在求解复杂系统的应用中，仿真具有如下优点：1、许多复杂的系统，由于受多种随机因素影响，往往很难用数学模型进行精确的描述，或者既使建
17、立了相应的数学模型，也无法求解。系统仿真则可以根据系统内部的逻辑关系和数学关系，面向系统的实际过程和系统行为来构造模型，从而得到复杂随机系统的解。这是仿真技术得以广泛应用的最基本原因。2、系统仿真具有直接面向问题的特点，从而使仿真模型与实际过程在形式上和内容上有着对应性和直观性，避免了建立抽象数学模型的困难，大大简化了建模过程，使仿真研究的注意力可以集中在所讨论问题或过程本身。由于这一特点，使广大的非计算机专业的人员都能成为仿真技术的直接使用者。3、应用仿真技术，可以直接控制实验条件或输入参数，得到系统的不同结果或考察系统的极限状态和特殊行为。当有多个备选方案时，还可以从中进行选择。因此，系统
18、仿真为系统分析和决策人员提供了一种有效的实验环境。仿真是近半个世纪以来发展起来的一门新兴技术学科，它与各门技术学科、管理学科、经济学科以及社会学科都有着紧密的联系，这正是系统仿真得到日益广泛应用的原因。它在航天、航空、军事、科研、工业生产、环境保护、生态平衡、医学、交通工程、经济规划、商业经营、金融流通等各个方面都获得了成功的应用，取得了显著的经济效益。其在国外发展的统计资料表明，运筹学各个分支在管理科学中的应用，以系统仿真的应用项目最多，约占全部应用项目的i 3。我国自2 0 世纪8 0 年代初以来，也在管理领域中开始推广系统仿真技术，在高技术项目的论证、大型工程项目的研制进度和预算、造船计
19、划安排、机械制造企业计划和排序、城市交通管理、医院管理、商业管理、技术政策制定等方面都曾利用仿真技术进行预报预测、政策分析、计划安排、经济分析和调度配置等，为领导和管理部门提供了决策依据，并取得了较好的经济效益1 2 。1 2 2 交通仿真所谓交通仿真，是应用仿真技术来研究和解决交通问题，对交通流随时间和空间的变化进行跟踪描述。从交通仿真采用的技术手段及其具有的特征来看，交通仿真是-I 1 在计算机上进行交通实验的技术，它含有随机性，可以是微观的，也可以是宏观的，并涉及到交通运输系统在一定期间内实时运动的数学模型。通过交通仿真，可以得到交通流的状态变量随时间、空间的变化、分布规律及其与交通控制
20、变量间的关系，并通过这些关系进而分析交通问题。因此，交通仿真在道路运输系统及其各个组成部分的分析和评价，以及相关技术的研究中发挥着重要的作用。另外，交通仿真与其它交通分析技术，如交通需求分析、通行能力分析、交通流模型、排队理论等结合在一起，可以用来对多种因素相互作用的交通设施或交通系统进行分析和评估。这些交通设施或交通系统可以是单个的信号灯控制或无信号控制的交叉口，也可以是密集的道路网、线控或面控的交通信号系统、某条高速公路或高速公路网等等。而且，交通系统仿真还可以用来分析和评价交通集散地，如停车场、中转站、机场等的规划设计及运行状况。相对于其它交通分析技术，交通系统仿真技术具有如下优点：1、
21、不需要真实系统的参与，即全部过程都在计算机中完成。因此具有经济方便的优点，特别适用于对尚不存在的交通系统进行研究i2、通过交通仿真，能清楚地了解交通流中各种变量的重要程度，以及它们是如何相互作用的。对于在交通运行中调整各变量并充分发挥它们的作用，和系统优化有很大的帮助。3、系统动态模型的时间标尺可以与实际系统的时间标尺不同，因此既可进行实时仿真，也可以进行欠时仿真或超时仿真。所以，可以根据仿真研究的要求，人为设置时间标尺。4、对于交通系统中的某些危险情况或灾难性后果，系统仿真是很有效的研究手段。如道路交通事故，不可能被人为地制造出来以供研究，但对其进行仿真则容易实现。5、对于需要重复多次的实验
22、，交通仿真系统能提供完全相同的道路交通条件，从而可以对不同的规划设计方案进行公正的比选。而实际的多次实验中，不易具备完全相同的实验条件。6、可以不断改变系统运行条件，从而预测道路交通系统在各种情况下的行为。如在不同的交通量下，可以仿真得出不同的交通流运行状况。而在实际系统中，在同一路段上，不可能在短期内出现各种交通量。1 3国内外交通仿真的发展与研究现状一、国外交通仿真的发展与研究现状根本上说，交通仿真技术是随着电子计算机和仿真技术的发展而发展起来的，是这两项技术的融合。在国外，交通仿真大体上经历了三个发展阶段：第一阶段，2 0 世纪4 0 年代末至6 0 年代初，为诞生期。最早的交通仿真工作
23、是英国道路研究实验室(R o a dR e s e a r c hL a b o r a t o r y)于1 9 5 1 年完成的交叉口交通仿真。但直到1 9 6 0 年，用仿真技术研究交通流状态的可能性和可行性才得到普遍承认，并且开始开发一些交通系统仿真软件。第二阶段，2 0 世纪6 0 年代初至8 0 年代初，为发展期。这一期间，发表了大量关于交通仿真的论文和专著，大量的交通仿真软件也被开发出来。其中6 0年代束以前以宏观交通仿真模型为基础的软件居多，如S I G O P、C A P C A L、S P A N、M A X B A N D、S S T O P、D A S S E R、T
24、R A N S Y T 等；6 0 年代末以后，基于微观仿真模型的软件开始迅速发展起来，如N E T S I M、T E X A S、S I G S I M、I N T R A S、M I S S I S 等。第三阶段，2 0 世纪8 0 年代初至今，为成熟期。这一时期，交通系统建模开始突破微观模型与宏观模型的界限，出现了混合模型。并且，仿真软件开始向大型化、综合性方向发展。例如，由H u b s c h n e i d e r从1 9 8 3 年开始研制的M I S S I O N 软件，既可以用于高速公路，又可以用于城市道路：既可用于一般的交通流仿真，又可用于公共交通系统的仿真实验。这个软
25、件在1 9 8 9 1 9 9 1 年间还被成功地运用于欧盟D R I V E 计划的研究中。另外，由英国O u a d s t o n e 公司从1 9 9 2 年开始开发的P A R A M I C S，能够支持1 0 0 万个结点，4 0 0万个路段，3 2 0 0 0 个区域的路网。同时，本阶段内的研究重点从软件开发逐渐转向了系统模型的改进，包括模型的精炼，如加入优化子模型和有效性测定、仿真模型集成、向个人计算机移植等。于是，已开发的软件不断推出新的版本。新的计算机也开始用于交通系统仿6真，主要表现在仿真界面更加友好，人机交互更加方便。另夕，计算机图形技术的应用使得仿真过程更加透明和直
26、观。其中一个典型的例子是德国卡尔斯鲁厄交通运输与规划公司(P T V)于2 0 世纪8 0 年代末开始研制并于9 0 年代逐渐改进的系列软件，这套软件采用了人机交互的图形化界面，特别是1 9 9 4 年7 月推出的Y I S S I M2 0 0 版本，在W i n d o w s3 1 环境下运行，可以同时观察多个交叉口的交通状态。目前，众多仿真软件都采用图形化界面，性能也日臻完善。二、国内交通仿真的发展与研究现状在我国，用仿真技术进行道路交通的仿真实验开始于2 0 世纪8 0 年代，并且主要集中在高等院校等科研机构，如长安大学、北京工业大学、同济大学、东南大学、交通部公路科学研究所等。目前
27、，已有应用仿真软件进行交通仿真实验，并利用仿真结果评价城市交通治理的成功尝试，如利用微观交通流仿真系统分别对交通改造前后的深圳市上海宾馆交叉口的交通状态进行的微观仿真研究。仿真结果表明：改造前，该交叉口高峰小时交通流量为5 6 0 0 辆，西向进口平均延误为1 5 2 秒，而左转车流的延误高达2 0 5 秒，宣行车流和右转车流的平均延误分别为1 1 4 和1 1 7 秒；北入口的直行车流和左转车流的平均延误分别为6 9 和4 6 秒；东入口的车流平均延误为3 6 秒。改造后，通过流量增加了2 9 0 0 辆，即增加了5 2；西向进口的交通流平均延误降为2 7 秒，左转车流转为南入口的直行车流，
28、平均延误为4 6 秒；北向入口左转车流的平均延误为4 1 秒；东入口交通流的平均延误为2 5 秒q。通过这一微观交通流仿真的有益尝试，看出交通仿真系统可以评估和验证城市的交通管理和控制措施对城市交通状态的影响，并进一步为解决城市交通网络(关键交叉口)拥挤问题提供决策依据，成为提高通行能力、缓解城市交通堵塞非常有效、直接、经济的技术支持工具。但总的来说，交通仿真技术在我国的应用还远远没有被广泛接受，并且从已经做过的工作来看，基本上都是探索性的，迄今为止还没有开发出一个被普遍认可或能用来解决实际问题的交通系统仿真软件。虽然也有人试图用国外的软件来对我国的交通进行仿真并利用仿真技术改善交通现状，但由
29、于国情的不同，而没有得到满意的结果。因此可以说，交通仿真在我国起步晚，并且发展缓慢。造成这种状况的原因是多方面的：交通工程技术人员计算机水平不高，计算机专业人员又缺乏交通工程学的知识，混合交通使系统仿真建模变得十分困难，交通基础资料短缺等。要改变我国交通系统仿真技术应用的落后状况，尚需交通工程技术人员和计算机专业人员的合作，并要付出长期艰苦的努力。1 4 课题研究的价值与意义对城市道路交叉口的交通流仿真研究，是解决交叉口交通问题的有效方法之一。它简单、经济、实用，具有其它交通分析技术不能实现的优越性。简单，是因为进行交通仿真不需要真实系统的参与，尤其是许多在实际系统中无法完成的实验，而只是利用
30、计算机技术进行模拟；随之而来，节省了大量的资源和资金，体现出经济的特点；而实用，在于通过交通仿真，常常能解决一些实际的交通问题：或者对交通改善提供切实有效的指导，或者对交通规划提出可行的预见性方案。对交叉置进行交通研究是交通问题整体研究中的重要组成部分。解决好交通问题，无疑将促进经济建设和科技进步，并最终对社会发展产生很大的影响。1 5 本文的主要内容一、理论基础交通流理论概率论与数理统计学信号配时的计算方法计算机仿真理论二、论文结构本文的主要内容包括：第二章，对城市道路平面交叉口的交通控制及其控制参数、评价指标加以介绍，并在此基础上引出单交叉口的定时信号控制，然后说明优化配时的几种方法。第三
31、章，对仿真中用到的模型进行详细说明，包括交叉口布局模型、交通流生成模型、车辆行驶模型、车辆运行轨迹模型和交叉口延误模型。其中，车辆行驶模型为仿真中的重点，所以将其细化为多个分支模型。第四章，在仿真模型的基础上，介绍模型的实现和软件的设计方法，并说明软件的编写工具、运行环境、功能组成以及输出结果等。第五章，通过实例对仿真模型和系统性能进行验证，并进一步说明系统实现的功能。第六章，总结全文和研究成果，指出不足，并提出未来的发展方向。9第二章城市道路平面交叉口的交通控制对交通流运行而言，交通控制信号是影响车辆行驶的主要因素之一。而对于信号交叉口的交通流仿真，给各种控制策略进行有效的评价也是其研究的主
32、要目的。总之，交通信号控制模型在整个仿真过程中占有很重要的地位。因此，本章对城市道路平面交叉口的交通控制加以详细说明。2 1 平面交叉口交通控制城市道路上，平面交叉口在各类型交叉口中占很大比例，它们犹如瓶口成为道路的咽喉要道，并时刻关系到车流的速度和畅通问题。人们对平面交叉口的要求是既安全又通畅，因此采用从时间上分开交叉口交通冲突的办法，按不同道路性质、等级与交通情况采取不同的措施对交叉口的交通进行管理，即交通信号控制。交通信号控制按控制范围的不同可分为三种基本类型：l、单个交叉口的交通控制：每个交叉口的交通控制信号只按该交叉口的交通情况独立运行，不与其相邻交叉口的控制信号有任何联系，即“点控
33、制”。这是交叉口交通信号控制的最基本形式。2、干道交叉口信号协调控制：把干道上若干连续交叉口的交通信号通过定的方式联系起来，同时对各交叉口设计一种相互协调的配时方案，各交叉口的信号灯按此协调方案联合运行，使车辆通过这些交叉口时尽量少地遇到红灯，也叫“绿波”信号控制或者“线控制”。3、区域交通信号控制系统：把某个区域内所有交叉口的控制信号灯联系起来进行协调控制，即“面控制”。控制区域内各交通信号都受中心控制室的集中控制。对范围较大的区域还可以实行分区分级控制，其结果往往使面控制成为个由几条线控制组成的分级集中控制系统，甚至成为一个点、线、面控制的综合性分级控制系统。交通信号控制按控制方法分类，可
34、分为：l、定时控制：交叉口信号控制机按设定的配时方案运行。2、感应控制：在进口车道设置车辆检测器，信号灯配时方案随着检测器检测到的车流信息而改变。2 2 信号控制的参数及其评价指标2 2 1 控制参数及其计算参数损失时问损失时间饱和流量驶f，、出塞红|一揪l 绿灯时间一绿黄红V I l l i1 I L I A实际绿灯时间一I 黄灯时闸图2 1 部分控制参数间关系信号控制的相关参数有：周期时间、绿信比、绿灯间隔时间、有效绿灯时间、损失时间、饱和流量、车流量系数等，图2-1 中反映出部分参数之间的关系。以下是对它们的简单介绍：l、周期长度：是信号灯各灯色轮流显示一次所需的时间，即各种灯色显示时间
35、之和，在该期间各个交通流将顺序得到通行权。通常用C 表示，单位为秒。2、绿信比：是在一个周期内，各阶段的绿灯时间与周期时间的比值五：墨(2 1)C式中：五一绿信比；可一绿灯时间：C 一周期时间。3、绿灯间隔时间：失去通行权的相位对应的绿灯结束后，到得到通行权的相位对应的绿灯开始之前，有一段间隔时间，这就是绿灯间隔时间。4、有效绿灯时间：即某一相位的绿灯时间与黄灯时间之和减去损失时间，实际上就是被有效利用了的绿灯时间，它也等于绿灯时间减去启动延迟时间再加上结束滞后时间。5、损失时间：即在周期时间内，由于安全因素和车流运行特性等原因，某段没有交通流运行而未得到充分利用的时间。整个周期的总损失时间为
36、各个阶段内关键相位的损失时间之和加上各个绿灯间隔时间：=I+R(2 2)损失时间与周期时问的关系为：c=(g+，)+月=g+三(2 3)式中：C 一周期时间；F 一关键相位的有效绿灯时间；卜关键相位的损失时间；上一整个周期的总损失时间；R 一绿灯间隔时间。6、饱和流量：绿灯时间的前后几秒内，车流驶出停车线的释放率处于变化中，忽略掉这些时间外的某绿灯时间段内，车流基本可以以一个大致稳定的流率通过停车线，此时车流通过停车线的平均流率就是饱和流量。一条进口直行车道的正常饱和流量为墨=2 0 8 0 p c u h。对于专用的转弯车道，其饱和流量还和转弯半径有关，计算公式为：。=南(2 _ 4)式中：
37、墨一专用转弯车道的饱和流量；墨一直行车道的饱和流量；r 转弯半径。7、车流量系数：即某进口引道的实际车流量与其饱和流量的比值，它由下式得出：J，=詈(2-5)式中：y 一车流量系数：g 车流量；S 饱和流量。当在某个相位中有多个车流同时运行时，该相位的车流量系数为各车流中最大的Y 值。整个交叉口的车流量系数为各个相位对应车流量系数之和。2 2 2 评价指标在一个平面交叉口进行交通信号控制，控制效果如何，以及对交通运行产生了什么样的影响便是其交通效益。具体的评价指标有：通行能力、饱和度、行驶时间、延误、停车次数、停车率、排队长度、燃油消耗、环境污染等。需要说明的主要有以下几方面：l、排队长度一条
38、车道的最大排队长度一般是指该车道在对应相位由红灯变为绿灯时的车辆排队长度。2、平均停车次数平均停车次数是指所有车辆在行驶过程中由于控制信号或前方车辆影响而停车的平均次数。3、通行能力信号控制交叉口进口车道上的通行能力为：N：墼：2 S(2 6)C式中：一交叉口某个进1 3 车道的通行能力；S 一该进口车道的饱和流量；一有效绿灯时间C 一周期时间；A 一有效绿灯时间与周期时间的比值。整个交叉口的通行能力为各个进口车道通行能力的总和。4、饱和度某个交叉口进口的车流量与可从该进口通过交叉口的最大流量的比值，即实际到达交通量与通行能力之比，就是该进口的饱和度。计算公式为：x：旦(2 7)五S式中：g
39、进口的车流量；五一相应相位有效绿灯时间与周期时间的比值；S 进口的饱和流量。5、延误交通延误是运行车辆不能以期望速度行驶而产生的时间损失。W e b s t e r 根据理论研究和数值模拟的方法，最早建立了信号控制交叉口车辆延误的近似模型，并被广泛应用，其计算模型为：d=三篇+X 2 2 1 1(g c)x2 q(1 写X 堋(霸q2 州咖)(2 _ 8)一】一)。式中：d 一单车的平均延误，j；c 信号周期时间，J：g 一有效绿灯时间，Jix 饱和率；q 一车流量，v e h h。该延误公式的前两项为理论公式，第一项是车辆均匀到达造成的延误，第二项是车辆随机到达造成的延误；第三项是修正项，它
40、从仿真实验中得到，并且其数值大小一般为前两项之和的1 0。利用W e b s t e r 公式计算出来的单车延误与实际延误之间的误差般在5 以内0 9 。可以说，各评价指标之间以及它们与控制方案之间都有着密切的联系。比如：通行能力受控制信号周期长度的影响，在一定条件下，周期越长则通行能力越大，但车辆延误、耗油以及随之带来的环境污染都相应增加；当饱和度很小时，说明通行能力远远大于实际的交通需求，这时就要适当缩短控制信号周期，在满足行车需求的情况下尽可能减少车辆延误等。2 3 单交叉口的定时信号控制信号控制的交叉路口是城市交通控制系统的基本单元，无论是哪种系统和控制方案，其控制策略和配时方案都要最
41、终落实于单一的交叉口。因此，尽管现代交通控制信号类型多种多样，但单个交叉口的定时信号控制仍为最基本的控制方式。单点定时控制方式在使用上，投资少、设备简单、易于维护；在技术上，其基本原理是其他控制方式的基础，所以目前仍被广泛采用。单交叉口定时信号控制的控制对象是孤立平面交叉路口的交通系统。这种控制方式对任何相船的其它交叉路口的交通状况均不予考虑，它关心的是本交叉口的交通安全、车辆延误、通行能力等控制指标。其中，“定时”是指固定配时确定控制方案，即信号周期、绿信比等信号配时参数是事先给定的，且在某段时间的运行中是固定不变的。该控制方式的相关参数及指标在前文中已做介绍，下一节就配时计算方法加以说明。
42、2 4 定时控制的配时优化2 4 1 韦伯斯特(W e b s t e r)法韦伯斯特法是以车辆延误时间取最小值为评价标准的一种信号配时计算方法。其最佳周期计算公式为：c o=等(2 _ 9)式中：c o 一最佳周期长度，s；1 5工一总损失时间，s：y 一交叉口的交通流量比。周期长度确定后，各信号相位的绿灯时问应按各相位临界车道交通量进行正比例分配。其中，提供分配的是净绿灯时间，其计算公式为：q=C o 一4 一上(2 一l o)式中：6 净绿灯时间；c 0 一最佳周期长度；三一周期总损失时间；4 各相位的黄灯时间总和。需要说明的是，临界车道是指某一信号相位上交通量最大的车道。另外，考虑到行
43、车安全，信号周期不宜设置地过短，通常规定最短信号周期的极限值为4 0 秒同时，考虑到信号周期增加到某取值后，通行能力的增长趋于停滞，而车辆延误却迅速增加，因此也规定信号周期的上限值，通常该值为2 0 0 t 1”秒。2 4 2 临界车道法韦伯斯特法一般用于普通的交叉口配时，而对于具有车道中央隔离区、专用转弯车道的交叉口，则用临界车道法更为适合。当交叉口内所有的交通冲突都被控制信号隔离开时，对于其一个临界入口车道，假设停车线前的排队车辆在绿灯信号启动后，除前两辆车外的其余车辆具有相同车头时距的情况下，绿灯时间内从该车道通过交叉口的车辆数为：郎一G f-。t o+2式中：绿灯时间内由该车道通过交叉
44、口的车辆数：G 一绿灯时间，s：屯一前两辆车的车头时距，s；(2 1 1)一除前两辆车外其余车辆的车头时距，s。而-4,时R 由该临界车道通过交叉口的车辆数，即该车道的通行能力为：靠=酆。了3 6 0 0(2-1 2)式中，1 3 6 _ 0 0 即为每小时包含的信号周期数。则整个交叉口各临界车道的总通行能力E 为：E=(2-1 3)公式2-1 1、2-1 2、2-1 3 给出了信号交叉口临界车道的总通行能力与信号周期长度、相位数的关系。根据选定的相位数和需要的通行能力，便可得到周期长度。需要注意的是，本方法中提及的交叉口临界车道总通行能力与交叉口总通行能力是不同概念：此外，只有当左转交通量很
45、大，超过入口交通量的2 0 时，才考虑采用多相位信号。笫三章信号交叉口的交通仿真模型3 1 仿真模型简介模型是仿真的基础，它在利用计算机进行仿真的过程中占有特殊且重要的地位。所谓模型，就是以某种形式来近似地描述或反映研究对象的特征。模型大体上可分为三类：具体模型、图形模型和数学模型。其中，数学模型是用数学表达式来描述所研究对象的规律。按系统本身的性质来划分，数学模型又有多种分类方式，分别可划分为确定模型和随机模型、微观模型和宏观模型、线性模型和非线性模型、连续模型和离散模型、定常模型和时变模型等。本文中用到或建立的模型主要有交叉口布局模型、交通信号控制模型、交通流生成模型、车辆行驶模型、交通流
46、运行轨迹模型、交叉口延误模型等，这些模型都包含于上面提到的各模型类型中。其中，交通信号控制模型已在第二章中说明，以下几节中，将陆续对仿真系统中的其它主要模型加以详细介绍。3 2 交叉口布局模型交叉口布局模型主要用来确定城市道路平面交叉口的几何特性和相关参数。做为静态模型，它是整个可视化仿真过程的运行背景。信号灯位置要对应于其所属的进口车道，而车辆要受车道界限和整个交叉口范围的约束，车辆的运动也要以交叉口道路做为参照物。在该模型中，应包括尽可能多和详细的参数，以便更真实地描述实际情况。不可避免地，要人工输入许多参数；但从使用者的角度出发，又希望尽量少的操作。所以在程序设计中，应正确处理这一矛盾。
47、该模型中主要考虑的因素有：路口名称、路1 3 类型、车道数、车道宽度、车道功能划分、隔离带宽度、进口车道长度、停车线距离等。其中，路口类型是指十字路1 3、T 型路1 3 等：车道功能是指在该车道上车辆能够行驶的方向，可能是直行、左转、右转中的一种，也可能是同时具有两个或三个功能。根据交通工程学有关知识，道路宽度一定的情况下，功能划分对车道的饱和流量、车辆的实际行驶速度及其加减速都有影响，进而影响交叉口的通行能力和交通服务水平。所以，在交通仿真系统中可以适当更改车道功能的划分，并通过仿真来分析其对交通运行的影响，从而对交通改善起到一定的指导作用。3。3 交通流生成模型要研究交通流问题，首先考虑
48、的是交通流的生成。交通流生成模型是整个交通仿真系统的基本模型，它研究的是交通流的产生规律。交通流生成是广义的概念，所谓“生成”既包括车辆的随机到达数量，也包括到达车辆的相关特性如目的地、车型、速度、加减速性能、司机类型、颜色等。这些车辆参数都是随机产生的，同时又分别与某些交通流参数有关系，而具有相对的确定性，主要表现在：1、车辆的到达具有随机性，即在一定的时间段内到达某断面的车辆数是随机产生的，但与交叉口进口的交通量和仿真间隔时间有关。2、车辆的目的地是随机的，但与该进口的车辆转向比例有关。3、车辆的车型、颜色、司机类型是随机的，但与各自的比例有关。4、车辆的速度、加减速性能是随机的，但与路段
49、行驶速度以及车辆本身性能、司机类型有关。、车辆到达分布对于车辆到达的随机性分布，我们用概率论中描述可数事件统计特性的离散型分布做为工具，考察在一段固定长度的时间内到达的交通量波动。常用的有以下三种分布：1、泊松(P o i s s o n)分布：(1)表达公式：P(x)：她#，x：o，l 2 2(3-1)式中：以x)一在计数周期t 内到达x 辆车的概率；9 一单位时间的车辆平均到达率；t 一每个计数周期的间隔时间；e 一自然对数的底，取值2 7 1 8 2 8。若令m=A t，肌为在计数周期f 内平均到达的车辆数，则式(3-1)可写为(2)递推公式P(x)：m X e _-m，x：0，1，2(
50、3 2)X!P(0 1=e“P(x+1)=雨mP(x)2、二项(b i n o m i a l)分布：(1)表达公式：P(曲=c：p。(1 一p)”。，x=0，1，2(3 3)(3 4)(3 5)式中：月、P 称为分布参数。P=A t n，是莱一辆车出现的概率，且0 P l；n 为正整数，是仿真间隔时间t 内可到达的最大车辆数量。其它符号意义同前。(2)递推公式：尸(0)=(1 一p)”(3 6)P(x+1)=辨(x)(3-7)X+ll 一口3、负二项(n e g a t i v e b i n o m i a l)分布：(1)表达公式：P(曲=c 2 一，矿(1-p)。，x=O，1，2(3