城市道路交叉口通行能力的建模分析与优化管理13309.docx

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1、 城市道路交叉口通行能力的建模分析与优化管理 摘 要 本文立足于于我国混混合交通通交叉口口的运行行规律与与特点，研研究混合合交通条条件下道道路信号号交叉口口通行能能力的基基础理论论与方法法。从研研究思路路、研究究方法等等方面，分分析并综综合利用用国内外外现有相相关研究究，建立立了量化化行人、非非机动车车对通行行能力影影响的解解析模型型，最后后着眼于于混合交交通交叉叉路口的的道路建建设和交交通管理理方面，建建立了基基于遗传传算法的的信号配配时优化化模型，对对信号交交叉口配配时方案案提出优优化方案案。 首先，在合合理抽象象和简化化的基础础上，描描述了某某一典型型混合交交通交叉叉路口的的自行车车、机

2、动动车、行行人的情情况，并并针对给给出的交交叉路口口，从信信号控制制、渠化化分离、安安全教育育三个方方面提出出了相应应的交通通管理方方案和建建议。 对于第二个个问题，本本文基于于间隙接接受的通通行能力力计算方方法，以以冲突区区为着眼眼点将通通行能力力的计算算分为以以下三个个方面详详细进行行讨论计计算： 针对机动车车与机动动车冲突突问题，考考虑在理理想状况况下采用用国内普普遍使用用的停车车线法，就就直行车车道、直直右车道道、直左左车道三三种类型型的车道道分别计计算其通通行能力力。并依依据进口口道设计计通行能能力为各各车道设设计通行行能力之之和的原原则，对对上述数数据进行行加总即即得机动动车与机机

3、动车冲冲突区的的道路通通行能力力。 针对行人与与机动车车冲突问问题，就就单向车车流与单单向人流流相交这这一简单单情形，建建立人车车冲突区区机动车车通行能能力的计计算模型型，依据据饱和流流与非饱饱和流的的计算，对对机动车车通行能能力进行行细化求求解。并并通过考考虑双向向人流，对对上述模模型进行行一定的的修正，使使计算结结果更符符合实际际。 针对非机动动车与机机动车冲冲突问题题，首先先针对机机动车右右转车情情形，将将非机动动车对机机动车的的影响分分为绿灯灯初期非非机动车车占用冲冲突区的的影响等等四类，求求出右转转车道上上的通行行能力。在在此基础础上，类类似的分分别计算算机动车车左转车车道和直直行车

4、道道上的通通行能力力。 最后在计算算所研究究的车流流上的各各个冲突突区(行人一一机动车车、非机机动车一一机动车车以及机机动车一一机动车车)通行能能力的基基础上，根根据“木桶理理论”的思路路，确定定车流通通行能力力瓶颈，进进而确定定车流通通行能力力。 对于第三个个问题，在在混合交交通条件件下，对对传统的的F.韦伯伯斯特B.柯布布理论进进行了改改进，并并结合第第一问典典型交叉叉路口的的相关数数据，进进行信号号配时方方案的优优化研究究。结合合我国混混合交通通状况的的实际，构构建了以以延误时时间最小小、停车车最少、通通行能力力最大为为目标函函数的优优化模型型，采用用遗传算算法，通通过Maatlaab编

5、程程实现交交叉口信信号配时时优化模模型的求求解。最最后与现现有配时时方案进进行对照照，对比比分析了了两种配配时方案案的效益益。 在模型建立立与求解解后，我我们对模模型的科科学性和和可靠性性进行评评述，讨讨论了模模型的优优缺点，并并提出所所建模型型的改进进与推广广方法。最最后，在在道路建建设、科科学交通通管理、整整顿交通通秩序、加加强政府府职能等等方面提提出混合合交通交交叉路口口管理的的方案与与建议。 关键词：混混合交通通 通行能能力 木桶原原理 信号配配时 遗传算算法 1. 问题题重述 近年来，随随着我国国国民经经济的发发展，城城市化进进程的加加快，城城市交通通系统得得到相当当大的改改善。但但

6、随着我我国机动动车拥有有量的增增多，交交通拥挤挤堵塞以以及由此此导致的的交通事事故的增增加、环环境污染染的加剧剧，已经经成为我我国城市市尤其是是大城市市面临的的极其严严重的“城市病病”之一，严严重制约约国民经经济的进进一步发发展和人人民生活活水品的的提高。交交通拥堵堵阻碍了了我国城城市社会会、经济济与环境境的健康康发展，成成为社会会和公众众关注的的热点问问题。 国内外许多多研究表表明，路路段上一一般不会会发生阻阻塞和拥拥挤现象象。路段段是不会会因为通通行能力力不足而而产生堵堵塞，于于是交通通拥挤现现象的症症结主要要在混合合交通路路口。混混合交通通指的是是汽车与与非机动动车或车车辆与行行人，在在

7、同一道道路上混混行的交交通。混混合交通通是一种种客观现现象，所所谓混合合交通在在不同国国家和不不同时代代其含意意是不同同的。在在经济发发达国家家，公路路上行驶驶的基本本是汽车车，混合合交通是是特指车车速较高高的小型型汽车与与车速较较低的大大型汽车车所组成成的交通通，即行行驶车辆辆之间存存在的“速度差差”；在我我国， 混合交交通所指指的是自自行车、机机动车、行行人组成成的混合合交通，这这种混合合交通引引发的交交通拥堵堵、交通通事故增增加、城城市环境境不断恶恶化、运运输效益益下降等等一系列列问题，严严重地影影响了道道路交通通秩序，降降低了道道路通行行能力，增增加了道道路交通通管理难难度。给给我过交

8、交通规划划、设计计、管理理、控制制及组织织提出了了更为严严峻的挑挑战。因因此，如如何从道道路建设设、科学学交通管管理、整整顿交通通秩序、加加强政府府职能等等措施来来减少混混合交通通相互之之间的干干扰，降降低交通通事故率率是当前前人们关关注的问问题。因因此本文文就以下下三个问问题进行行研究： 1. 就某某由一典典型混合合交通交交叉路口口的自行行车、机机动车、行行人的情情况，给给出该交交叉路口口的交通通管理方方案； 2. 在适适当假设设下，建建立描述述混合交交通交叉叉路口道道路通行行能力的的数学模模型，并并根据相相应分析析结果提提出改进进措施； 3. 为混混合交通通交叉路路口的道道路建设设和交通通

9、管理提提供优化化方案。 2. 模型型的假设设与符号号说明 2.1. 模型的的假设 1. 本文文所选的的混合交交叉路口口具有典典型性，可可以代表表一大类类交通路路况； 2. 混合合交通路路口处，机机动车、行行人以及及非机动动车都是是随机到到达，其其到达概概率服从从一定的的分布，行行人群到到达时距距服从移移位负指指数分布布，使用用泊松分分布描述述非机动动车的随随机到达达； 3. 机动动车、行行人以及及非机动动车的行行为特征征具有普普遍性，研研究中忽忽略特殊殊情况， 例如违章情况等。 2.2. 符号的的说明一条有直行行车道的的设计通通行能力力(pccu/hh)； 信号周期(s)； 信号周期的的绿灯时

10、时间(ss)； 信号周期期的红灯灯时间(s)； 信号交叉叉口右转转向机动动车行人冲冲突区通通行能力力； 信号交叉叉口右转转向机动动车行人冲冲突区左左转车道道通行能能力； 信号交叉叉口右转转车道机机动车非机动动车冲突突区通行行能力； 信号交叉口口左转车车道机动动车非机动动车冲突突区通行行能力； 信号交叉口口直行车车道机动动车非机动动车冲突突区通行行能力； 其他变量符符号在文文中使用用时给出出说明。 3. 问题题分析 问题一就某某一典型型混合交交叉路口口，在合合理假设设下，给给出了该该路口的的实际存存在的交交通管理理方案，由由于大部部分混合合交通路路口多为为信号交交叉路口口，因此此给出的的方案即即

11、为信号号灯的相相位配时时方案； 针对问题二二，分析析了通行行能力的的定义以以后，可可得一个个路口的的通行能能力可分分为： 机动车车与机动动车相互互影响下下道路的的通行能能力，行行人影响响下道路路机动车车的通行行能力， 非机动车影响下道路机动车的通行能力。计算通行能力的方法国内外不一。在国内，其中具有代表性的有：停车线法、中国城市道路设计规范推荐方法、冲突点法。国外主要使用以下方法：HCM 推荐的饱和流率折减系数计算方法，冲突技术方法通过计算信信号交叉叉口道路路通行能能力，可可以得到到各个相相位实际际存在的的通行能能力， 据此可可以给出出各个相相位配时时时长，即即可给出出问题一一中典型型交叉路路

12、口处交交通管理理方案的的改进措措施。 问题三简单单而言，就就是一个个非线性性优化问问题。面面对信号号交叉口口相位配配时问题题的优化化，本文文使用FF.韦伯伯斯特-B.柯柯布方法法对信号号配时方方案进行行优化，并并利用遗遗传算法法设计出出混合交交通条件件下的信信号配时时方案。沿沿用改进进的F.韦伯斯斯特-BB.柯布布公式计计算了一一些参数数，为遗遗传算法法服务。 4. 模型型的准备备 4.1. 相关术术语解释释 1. 信号号交叉口口：各种种城市道道路交通通流汇集集、交汇汇、混杂杂的瓶颈颈之处； 2. 信号号相位：在一个个信号周周期内分分配给一一股或多多股独立立交通流流的一组组绿、黄黄、红灯灯变化

13、的的信号时时序； 3. 通行行能力：饱和交交通条件件下重要要的交叉叉口交通通运行效效率指标标，是决决定交通通状态、表表征交通通供给的的最重要要的指标标之一1； 4. 信号号交叉口口机动车车通行能能力：在在一定道道路、交交通、环环境、控控制条件件下，一一段时间间内能够够通过交交叉口某某一车道道或车道道组的停停车线（或或冲突区区）的最最大车辆辆流率； 5. 交通通冲突：在交叉叉口安全全评价中中，交通通冲突是是在可观观测条件件下，两两个会两两个以上上道路使使用者在在同一时时间，空空间上相相互接近近，如果果其中一一方采用用非正常常交通行行为，想想转换方方向、改改变车速速、突然然停车、交交通违章章等，除

14、除非另一一方也采采用避险险行为，否否则，会会处于碰碰撞的境境地； 6. 冲突突区：导导致信号号交叉口口交通混混乱、事事故多发发的主要要根源，就就是交叉叉口处混混合交通通流产生生的大量量冲突点点。当两两股不同同流向的的交通流流同时通通过某空空间某点点时，就就会产生生交通冲冲突，该该点就称称为冲突突点，冲冲突点所所在区即即为冲突突区。 5. 问题题一 典型混混合交叉叉路口交交通管理理方案 以图 1所所示信号号交叉路路口作为为一典型型混合交交叉路口口，该交交叉口处处于普通通地区，各各个入口口的直左左、直右右机动车车道宽度度均为33m，坡坡度为00，基本本饱和流流量分别别为16650、15550vee

15、h/hh，各进进口人行行横道双双向行人人流量为为8000pedd/h。图 1典型型信号交交叉路口口示意图图 针对此信号号交叉路路口，交交叉口对对机动车车采用22相位信信号控制制，对行行人采取取只允许许行人随随本向直直行机动动车同时时通行的的控制方方式。根根据该交交叉路口口的机动动车、自自行车、行行人的情情况，给给出具体体交通管管理方案案如下： 1. 两两相位控控制，周周期时长长为755s，其其中南北北方向绿绿灯时间间25ss，东西西方向绿绿灯时间间40ss，黄灯灯时间33s，各各相全红红时间为为2s，红红灯期间间允许右右转，相相位图见见图 2； 2. 东西西南北进进口车道道均为22条，其其中直

16、左左合用车车道1条，直直右合用用车道11条，宽宽度均为为3m； 3. 东西西向与南南北向的的外侧均均设有44m宽的的供机动动车和行行人通行行的非机机动车道道和人行行道。 图 2交叉路路口相位位图除此之外，为为增加交交叉口通通行能力力，提供供了相关关改进建建议： 1. 信号号控制 通过信号灯灯的设置置，从时时间上分分离产生生交通冲冲突的车车流，可可采用： (1) 设设置自行行车专用用相位； (2) 两两次绿灯灯法，非非机动车车绿灯提提前启亮亮，使自自行车在在时间上上优先通通过信号号交叉口口。 2. 渠化化分离 通过渠化措措施，优优化交叉叉口，在在空间上上分离产产生交通通冲突的的车流，可可采用 (

17、1) 右右转弯专专用车道道； (2) 左左转弯专专用车道道； (3) 左左转自行行车二次次过街。 3. 安全全教育 通过安全教教育和安安全法规规制度来来规范行行人和驾驾驶员行行为，使使交叉路路口各行行进方向向的参与与者，能能遵守交交通规则则，使各各行进的的交通车车流能规规律有序序地通过过交叉口口。 6. 问题题二 混合交交通交叉叉路口道道路通行行能力模模型 我国城市道道路交通通中，机机动车时时道路交交通的主主要交通通工具，机机车与机机车之间间的相互互影响会会导致路路面交通通能力的的下降，当当机车数数过多，或或者大量量机车通通行某处处时，就就有可能能产生拥拥堵现象象；行人人作为交交通道路路上最有

18、有可能受受伤害的的主体，受受到极大大的保护护，机车车基于行行人优先先原则，对对行人多多以避让让，由此此道路通通行能力力受到阻阻碍；自自行车作作为主要要非机动动车交通通工具对对机动车车流的运运行影响响有较大大影响。从从自行车车的特性性分析，其其出行距距离近，出出行时间间短，人人均占用用道路面面积较大大，需要要配套的的停车空空间多，灵灵活性大大，这些些特性既既威胁道道路交通通安全，又又降低机机动车的的通行能能力，交交叉口处处存在机机动车与与非机动动车的交交叉交汇汇，机动动车受非非机动车车的影响响更为显显著。因因此，深深入研究究机动车车与机动动车相互互影响下下、行人人和非机机动车影影响下信信号交叉叉

19、口的通通行能力力是有必必要的，这这不仅为为信号交交叉路口口建设、管管理、控控制和评评价提供供有效的的理论依依据，而而且也为为解决混混合交通通交叉路路口的安安全问题题提供管管理方案案2,3。 6.1. 理想状状况下道道路通行行能力模模型 信号灯管制制十字形形交叉的的设计通通行能力力按停车车线法计计算，停停车线法法是国内内计算信信号交叉叉路口通通行能力力最常用用的方法法，停车车线法在在计算每每个周期期以第22种方式式通过的的左转车车的最大大车辆数数时，采采用如下下公式式中为每个个周期第第二种方方式可能能通过交交叉口的的左转车车辆数，为每条直行车道在一个周期内以饱和流率通过的车辆数；为每个周期内实际

20、到达的车辆数。 十字形交叉叉的设计计通行能能力为各各进口道道设计通通行能力力之和，进进口道设设计通行行能力为为各车道道设计通通行能力力之和。根根据相关关文献，下下面直接接列出在在不考虑虑行人和和非机动动车的情情况下直直行车道道、直右右车道及及直左车车道的通通行能力力。6.1.11. 直行行车道设设计通行行能力 (11)式中：变为为绿灯后后第一辆辆车启动动并通过过停止线线的时间间(s)，可采采用2.3s； 直行或右行行车辆通通过停止止线的平平均间隔隔时间(s/ppcu)； 直行车道通通行能力力折减系系数，可可采用00.9。 6.1.22. 直右右车道设设计通行行能力 (2) 式中 一一条有直直右

21、车道道的设计计通行能能力(ppcu/h)。6.1.33. 直左左车道设设计通行行能力 (33)式中 一一条有直直左车道道的设计计通行能能力(ppcu/h)； 直左车道中中左转车车所占比比例。6.2. 混合交交通条件件下道路路通行能能力模型型 上述理想模模型主要要着眼于于机动车车交通环环境，而而针对于于我国现现行道路路状况来来说， 混合交交通条件件下，行行人、非非机动车车与机动动车的冲冲突是导导致机动动车通行行能力下下降、延延误时间间增加以以及交通通安全系系数下降降的重要要原因。因因此，我我们分别别就行人人交通与与非机动动车交通通对信号号交叉口口通行能能力的影影响问题题建立模模型，进进行详细细的

22、讨论论。 6.2.11. 人车车冲突区区机动车车通行能能力模型型 行人-机动动车冲突突区是信信号交叉叉口的瓶瓶颈，是是计算行行人影响响下信号号交叉口口通行能能力的重重要依据据。虽然然在交通通信号控控制下，交交叉口内内一部分分行人-机动车车冲突区区可以去去除，但但由于信信号周期期长度和和相位数数的限制制，交叉叉口通常常仍然存存在行人人- 机动动车冲突突区。如如图 3 所示示，给出出了常见见的行人人-机动车车冲突区区。 图图 3 常见见行人-机动车车冲突区区6.2.11.1. 冲突突区道路路交叉口口通行能能力分析析 为了能清晰晰的说明明行人-机动车车冲突区区处通行行能力的的计算模模型，以以图 4

23、所示示的简单单情形所所示，即即一支单单向车流流V 与一一支单向向人流PP 相交交。图 4 单单向车流流与单向向人流通通过交叉叉口将车流V 与人流流P 各通通行一次次所需总总时间定定义为一一个“冲突周周期” 。在冲冲突周期期内包括括车流VV与人流流P的通行行时间、，则有有。+车流V 在在一个周周期内通通过冲突突区的数数量期望望值可以以分为饱饱和流部部分和非非饱和流流部分，分分别设为为和，则其其期望值值，相应应的通行行时间。当当饱和流流通过时时行人无无法通行行；而当当非饱和和流通过过时，若若出现可可接受空空隙行人人则会伺伺机截断断车流而而通过。同同样，人人流P 也可以以类似的的分为饱饱和流与与非饱

24、和和流，两两部分相相应通行行时间可可设为、。当行行人非饱饱和流部部分出现现机动车车可接受受空隙时时，等候候机动车车会阻断断人流获获得通行行。 结合模型一一所示的的信号交交叉口，其其允许机机动车红红灯右转转。因此此，假设设机动车车在绿灯灯放行行行人前取取得优先先权率先先到达冲冲突区，然然后行人人在机动动车流出出现足够够大的间间隙时占占据冲突突区，此此后，在在冲突区区无行人人需要到到达等候候，则机机动车以以饱和速速率通过过而不受受任何干干扰。据据以上分分析，设设周期内内有效绿绿灯时间间为和有有效红灯灯时间，而而在一个个有效绿绿灯周期期内可能能运行着着若干个个“冲突周周期”，对于于每个冲冲突周期期，

25、可以以和，而有效效绿灯时时间内无无行人到到达等候候的时间间为。综上上则可得得公式，其排队队状态如如图 5 所示示。图 5 冲冲突区排排队状况况图 6.2.11.1.1. 机动车车饱和流流部分 当机动车流流V 饱和和流部分分通过时时，车头头时距最最小为，设设车流饱饱和流部部分通过过冲突区区时的流流速为，车车流在信信号交叉叉口的机机动车到到达率为为。则在在饱和流流部分通通过机动动车数为为： (4)根据上述等等式可得得 6.2.11.1.2. 机动车车非饱和和流部分分 当机动车之之间出现现可接受受间隙即即车头时时距大于于或等于于行人群群临界间间隙时，行行人可截截断车流流获得通通行权。本论文假定定车队非非饱和流流部分车车头时距距服从负负指数分分布，则则的累积积概率分分布为：