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交通管理与控制课程设计

天河北路（东段）交通信号协调控制方案设计

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摘 要

选取天河北路（东段）作为研究对象，通过现场实地调查各交叉口的信号控制情况，分析现行干道控制方案所存在的问题，利用绿波协调控制模型与算法，优化各信号交叉口的信号配时，完成绿波带宽最大的最佳协调控制配时方案设计。交通仿真结果表明实施双向绿波带对交通拥堵的缓解有很大的作用。

关键词：干道、绿波、协调控制

- I -
目 录

第1章 绪论 1
1.1 规划的背景及目的 1
1.2 绿波设计的必要性 1
第2章 现场数据采集 2
2.1 交叉口的选取及其交通流量 2
2.2 交叉口的相位图 2
2.2.1 龙口东路口 2
2.2.2 龙口西路口 3
2.2.3 天寿路口 3
2.2.4 体育东路口 3
2.3 计算关键车流交通流量比 3
第3章 绿波设计原则 4
3.1 交通量 4
3.2 允许车速 4
3.3 交叉口间距 5
第4章 关键车辆判定 5
4.1 进行关键车流判定的数据准备及处理 5
4.2 编制关键车流判定表 6
4.3 绘制信号相位与车流对应关系图 6
4.4 非搭接车流处理 6
4.5 搭接车流的处理 7
4.6 关键车流的确定 7
第5章 干道信号协调控制 8
5.1 确定公共信号周期 8
5.2 数解法计算干道信号协调控制最优方案 10
5.2.1 最佳挪移量的确定 10
5.2.2 相位差的确定 11
5.3 调整过后信号配时方案 12
5.4 绿波带宽分析与评价 12
第6章 Vissim仿真效果及评价
6.1 仿真现状和设计方案对比
6.2 6.1.2数解法方案和现状效果对比
第7章 小结

天河北路（东段）交通信号协调控制方案设计
第1章 绪论
1.1 规划的背景及目的
21世纪，广州市乃至全国的机动车保有量呈高速增长趋势。随着交通量的大幅增长，市中心的交通拥堵，不能满足市民的出行需求。而城市交通问题的日益突出也对经济发展造成一定程度的影响。早晚高峰时段，城市主干道的交通流量已经处于饱和或超饱和状态。所以，单点交叉口信号控制已经不足以解决实际问题。我们要根据干道的具体情况调整新号控制策略，设计尽可能宽的绿波带，使其方向行驶的车辆延误最小，进而缓解主干道的交通拥堵。
天河北路（东段）在早晚高峰期一直是塞车“黑点”，西起体育东路、东至五山路、全长约1.8公里的路，因位于天河繁华的CBD内，车流量非常大。相比珠江新城，天河北路已经属于全天候饱和甚至过饱和的路段。把天河北路东段的相邻交通信号连接起来，加以绿波协调控制，为沿干道行驶的车辆提供绿波带，保证干道上的车辆能够顺畅通过，减少延误和停车次数，线控对改善天河北路甚至整个城市的交通状况具有重要意义。

1.2 绿波设计的必要性
早在2012年3月，广州珠江新城多条核心主干道通过应用“绿波”技术，让车主感受“一路绿灯”。但仅有1.8公里的天河北路东段，双向路段的红绿灯总数达到了12个。根据估计，原先车主在通过天河北路时，来回停车总次数平均为4次。这意味着，车主几乎每隔1.5个红绿灯就要停车一次，在高峰期因排队的车龙过长，在灯位前甚至要等两个灯位。因此在天河北路通过“绿波”技术来缓解交通拥堵情况更有必要性。
如果道路上实行“绿波控制”，那么大部分车辆一路走来，都将会遇到绿灯，行车速度将明显增快。设计“绿波控制”后的路段平均停车次数将下降，路面行驶时间也将平均减少，路口车辆排队平均长度也将缩短，单程行驶速度估计平均提高50%。
第2章 现场数据采集
2.1 交叉口的选取及其交通流量

图2-1 选取路段基本情况
调查时间：2013 年1月9日
调查内容：对各个交叉口的交通流量进行分方向记录并统计如下。

东
南
西
北
左
直
右
左
直
右
左
直
右
左
直
右
龙口东
q
160
1510

0
0
0
0
1120
312
55
288
80
S
800
4800

3200
1600
1600
1600
1600
龙口西
q
0
1590
120
216
60
150
0
1640
0
0
0
0
S

4000
800
800
1600
800

4000

天寿路
q
0
1488
0
336
1284
0
0
1340
0
324
1221

S

4800

1600
4800

4800

1600
4800

体育东
q
608
992
0
333
780
0
303
1054
0
0
666
0
S
3200
3200

1600
3200

1600
4800

3200

表2-1 各交叉口的交通流量
2.2 交叉口的相位图
l 调查时间：2013 年1月10日
l 调查内容：对各个交叉口的信号灯相位顺序记录并作图如下。
2.2.1 龙口东路口

图2-2 龙口东相位分配现状
2.2.2 龙口西路口

图2-3 龙口西相位分配现状
2.2.3 天寿路口

图2-4 天寿路相位分配现状
2.2.4 体育东路口

图2-5 体育东路相位分配现状
2.3 计算关键车流交通流量比
l 调查时间：2012 年10月1日
l 调查对象：相关交叉口流量
l 调查目的：获取相关交叉口流量信息，为后续计算各个交叉口交通流量比、寻找关键车流等工作打好基础。
l 调查结果：获取到流量信息分析结果如表2-2所示。
根据所调查的数据进行关键车流的判定并计算关键车流的交通流量比。
体育东
东
南
Y
T

y
0.5
0.24
0.74
12

天寿路
东
南
Y
T

y
0.31
0.48
0.79
12

龙口西
南
西
Y
T

y
0.27
0.41
0.68
10

龙口东
东
西
北
Y
T
y
0.2
0.35
0.18
0.73
9
表2-2 各交叉口交通流量比
第3章 绿波设计原则
“绿波带”指的是在指定交通线路上，调整各路口的信号灯周期、相位差和绿信比，使各路口信号灯协调，规定好车速后，力求行驶在道路上的车辆可以不遇红灯或少遇红灯，形成绿波。
绿波带的设计是和实际交通状况、交通管理方式和道路条件是密切相关的。感到绿波设计的信号配时需要考虑一下因素。
3.1 交通量
在干道绿波协调控制当中，要达到良好的控制效果，就是希望交通流量维持在恒定值范围内，这样在绿波带内通过的车辆数才是最优的。另外，相邻交叉口之间的交通流量也是划分绿波协调子区的重要依据。
3.2 允许车速
设计绿波带通过速度应接近于干道的允许车速，保证车辆在绿波带时间内通过各信号交叉口。在交叉口间距基本相等时，整个路段应该采用相同的速度。天河北路限速40km/s，我组采用的绿波设计行驶速度为36km/s。我院徐建闽教授也在广州市中心城区绿波带设计中提到 “行车最好按照相关的速度指引，（时速）约40公里左右最好。随便超车和抢道加速不仅不会加快通行速度，反而会遇到一连串的红灯，增加等待时间。”
3.3 交叉口间距
干道绿波带设计的信号相位差取决于车速和交叉口间距。设计方案上的交叉口间距均在360m左右，比较适合做绿波带设计。
第4章 关键车辆判定
4.1 进行关键车流判定的数据准备及处理
现以天河北路与龙口东路为例，进行处理，列出该交叉口的基本信息（绿灯间隔、最短绿灯时间、损失时间、到达流率和饱和流量），绘制表格，如表4-1所示。

表4-1 龙口东各向车流的已知交通数据
车流编号
绿灯时间间隔I
最短绿灯显示时间Gm
损失时间l
到达流量q
饱和流量S
饱和度极限值
1
3
7
3
1510
4800
0.9
2
3
4
3
160
800
0.9
3
3
7
3
1120
3200
0.9
4
3
4
3
80
1600
0.9
5
3
4
3
288
1600
0.9
6
3
3
3
55
1600
0.9

因此，可以选取一个比91略大的数值作为初始信号周期，假设初始信号周期取100s。
4.2 编制关键车流判定表
表4-2 关键车流判定表
车流编号
y=q/s
λ=y/x
100λ+I
Gm+I
C=100s时的t
1
0.3146
0.3495
38
10
38
2
0.2000
0.2222
25
7
25
3
0.3500
0.3889
42
10
42
4
0.0500
0.0556
9
7
9
5
0.1800
0.2000
23
7
23
6
0.0344
0.0382
7
6
7

4.3 绘制信号相位与车流对应关系图

图 4-1 关系图
4.4 非搭接车流处理
由图4-1可以看到，车流4、车流5与车流6是出现在同一信号相位的两股非搭接车流，他们各自所需的必要通行时间分别为：t4= 9 s、 t5= 23 s 、t6=7 s，由于t5>t4>t6,故可以将车流4和车流6从图中去除,重绘一张信号相位与车流对应关系图。如图4-2所示。

图4-2
4.5 搭接车流的处理
此例中不存在具有相同通行时间区间的搭接车流，因此无需进行搭接车流的处理。
4.6 关键车流的确定
共存在两组车流组合）与，它们各自所需的总最短通行分别为

显然为所有总通行时间中最大的以个，可初步判定车流2、车流3与车流5为关键车流。
实用信号周期
阿氏最佳信号周期
根据车流2、车流3和车流5确定信号周期的适当取值55s以后，重新编制“关键车流校验表”进行关键车流校验。
表4-3关键车流校验表
车流编号
y=q/s
λ=y/x
55λ+I
Gm+I
C=55s时的t
1
0.3146
0.3495
22
10
22
2
0.2000
0.2222
15
7
15
3
0.3500
0.3889
24
10
24
4
0.0500
0.0556
6
7
7
5
0.1800
0.2000
14
7
14
6
0.0344
0.0382
5
6
6

经校验，车流2、车流3和车流5仍为关键车流。

第5章 干道信号协调控制
5.1 确定公共信号周期
根据线性控制的基本要求,公共周期由图5-1可得,为100s.

相位一

相位二

相位三
总量
周期
损失时间
3

3

3
9
68.51852
关键车流流量比
0.35

0.18

0.2
0.73

相位一

相位二

总量
周期
损失时间
3

7

10
62.5
关键车流流量比
0.41

0.27

0.68

相位一

相位二

相位三
总量
周期
损失时间
6

3

3
12
100
关键车流流量比
0.29

0.27

0.21
0.77

相位一

相位二

相位三
总量
周期
损失时间
3

3

6
12
88.46154
关键车流流量比
0.31

0.19

0.24
0.74
图5-1 各个交叉口的设计相位与周期

表5-1中各交叉口的周期是根据韦氏信号周期公式算得，其中最大的为天寿路天河北交叉口周期为100s，故取各交叉口公共信号周期时长(Cm)为100s。在百度地图上测量得，龙口东天河北交叉口与龙口西天河北交叉口间距大概为340米，龙口西天河北交叉口与天寿路天河北交叉口间距大概为440米，天寿路天河北交叉口与体育东天河北交叉口间距大概为450米。为计算方便，以10为单位取有效数字34、44、45。设计带速为36km/h即10m/s。
5.2 数解法计算干道信号协调控制最优方案
5.2.1 最佳挪移量的确定
理想信号相位间距：S=vC/2=10x50=500（取有效数字50）。考虑天河北路限速40km/h，以34~55作为理想信号位置间距可接受变动范围，填入a列，a列数字是假定理想信号位置。
计算出各交叉口与前一个理想信号位置的间隔填入表5-2中（紫色区域数字）。b列数字是每一行a列数字按从小到大排列后的差值（绿色区域数字）当中的最大值（黄色区域数字）。考虑使损失绿信比使Δλ最小，计算b/a的值，当a=41时，b=34时，b/a最大，即A~D各信号到理想信号相位相对挪移量最小。

间距a
　34
44
45　
b
A

B

C

D

A

0
0
0
10
10
11
21
13
34
34
34
10
21
13
0
8
8
10
18
16
34
1
35
35
34
8
18
16
0
6
6
9
15
19
34
2
36
36
34
6
15
19
0
4
4
8
12
22
34
3
37
37
34
4
12
22
0
2
2
7
9
25
34
4
38
38
34
2
9
25
0
0
0
6
6
28
34
5
39
39
34
0
6
28
0
3
3
31
34
4
38
2
40
40
34
38
3
31
0
0
0
34
34
3
37
4
41
41
34
37
0
34
0
34
34
2
36
3
39
3
42
42
34
36
39
34
0
34
34
1
35
2
37
6
43
43
34
35
37
34
0
34
34
0
34
1
35
9
44
44
34
34
35
34
0
33
33
0
33
1
34
11
45
45
34
33
33
33
0
31
31
1
32
2
34
12
46
46
34
32
31
31
0
29
29
2
31
3
34
13
47
47
34
31
29
29
0
27
27
3
30
4
34
14
48
48
34
30
27
27
0
25
25
4
29
5
34
15
49
49
34
29
25
25
0
23
23
5
28
6
34
16
50
50
34
28
23
23
0
21
21
6
27
7
34
17
51
51
34
27
21
21
0
19
19
7
26
8
34
18
52
52
34
26
19
19
0
17
17
8
25
9
34
19
53
53
34
25
17
19
0
15
15
9
24
10
34
20
54
54
34
24
15
20
55
34
23
13
21
表5-2 数解法确定信号相位差表

根据以上计算，确定理想信号相位间距取410米。由于天寿路、体育东（尤其是天寿路）这两个交叉口绿信比较小，故确定实际交叉口与理想信号位置间距时需同时考虑最大偏移绿信比最小原则，以及主干道方向瓶颈交叉口对通过带宽度的影响，以此作出理想信号位置与实际信号点相对位置图,如图5-3所示。

图5-3 理想信号位置与实际信号点相对位置图

5.2.2 相位差的确定
交叉路口
龙口东
龙口西
天寿路
体育东
理想信号位置编号
①
②
③
④
各信号位置
右
左
左
右
主干道方向绿信比（%）
49
60
35
40
偏移绿信比（%）
3.7
4.9
1.2
3.7
中心线上方绿信比（%）
20.8
34.9
18.7
16.3*
中心线下方绿信比（%）
28.2
25.1
16.3*
23.7
相位差（%）
75.5
20.0
82.5
30
通过带宽度（%）
16.3+16.3=32.6
表5-3 通过带宽、相位差计算表

根据干道交叉口的各自交通信息，利用单点配时方法确定各交叉口的周期时长，选择其中最大的最为公用周期。通过对各协调交叉口信号周期的计算，可以确定关键交叉口为天寿路交叉口。然后，确定线控系统中协调相位的最小绿灯时间、非关键交叉口非协调相位最小有效绿灯时间、确定非关键交叉口协调相位绿灯时间，进而可以计算出各交叉口各相位的绿灯显示时间及绿信比。
各交叉口信号配时计算所得主干道绿信比（以周期的%计），饱和度实用限制Xp=0.9，公用周期时长为100s。通过计算会由于实际交叉口位置偏离理想交叉口位置而造成的实际交叉口绿灯中心时刻点相对于理想交叉口绿灯中心时刻线的上下偏移量。因此 , 用“偏移绿信比”取代“损失绿信比”对通过带宽度的计算进行分析。通过计算及比较中心线上下方绿信比，找出各自最小者，均为16.3%，得出通过带宽为32.6s。
5.3 调整过后信号配时方案
经过以上对各交叉口各相位的绿灯显示时间的计算，可以得出干道协调交叉口的信号配时方案，具体方案如表5-4：

交叉口
相位1关键车流
相位1绿信比
相位2关键车流
相位2绿信比
相位3关键车流
相位3绿信比
总有效绿灯时间/s
损失时间/s
天寿路
东直
0.35
南直
0.30
南左
0.23
88
12
龙口东
西直
0.49
北直
0.20
东左
0.22
91
9
龙口西
西直
0.60
南左
0.30

90
10
体育东
东直
0.40
东左
0.21
南直
0.27
88
12
公用周期时长为100s,东西向为干道协调方向
表5-4 调整过后信号配时方案
5.4 绿波带宽分析与评价
以龙口东交叉口A为起始时间基准,横坐标为交叉口之间的距离纵坐标为时间.利用数学解析法,分别求出正反两个方向的绿波带的上,下线绿波直线，t1=k1+L/v t2=k2+L/v 如图所求。
k1=47.1,k2=14.5为截距,所以绿波宽度w1=min(k2)-min(k1)=32.6。同理可得反向绿波带宽。

图5-3相位差-时间距离图
第6章 Vissim仿真效果及评价
6.1 现交通状况仿真和设计方案仿真对比
6.1.1现交通状况仿真

图6-1 现交通状况仿真效果图
天河北路（东段）在早晚高峰期一直是塞车“黑点”，西起体育东路、东至五山路、全长约1.8公里的路，因位于天河繁华的CBD内，车流量非常大。相比珠江新城，天河北路已经属于全天候饱和甚至过饱和的路段。车辆在运行过程中，经常不间断停车，行驶完全程，时间较长。
6.1.2数解法方案和现状效果对比

图6-2 优化后交叉口图形
表6-1 总体运行效果对照表

未协调
绿波协调
平均停车次数
0.45
0.29
平均排队长度（m）
18
15
行程时间(s)
232
147
仿真结果表明： 各进口传统数解法协调控制方案， 能够有效地协调干道交叉口， 使车辆在各个交叉口上的延误时间大大地降低， 提高通行效率。减少了交叉口延误， 改善了交叉口服务水平。
第七章 小结
7.1小结
通过运用微观交通仿真软件Vissim 来分析天河北路（东段）在采用传统数解法协调控制的协调控制等信号控制下的各种交通信号控制指标， 仿真结果表明， 与不协调相比， 传统数解法协调控制控制适用于主次干道明显，交叉口间距相当的路段，能大大地降低车辆在各个交叉口的延误时间， 提高了通行效率， 改善了交叉口服务水平。
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