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适应展宽段设置的信号交叉口控制方案优化

郭伟伟  
【摘要】:信号交叉口是构成整个城市路网的基本元素之一,各个信号交叉口的运行情况直接决定了整个城市道路的交通效率,如何提高交叉口的通行效率进而改善整个城市路网交通状况成为交通管理与控制的难点。设置展宽段以增加车道数是提高交叉口通行能力的有效方法,尽管国内外关于展宽段的设计已经制定相应标准,但是由于城市道路空间的局限性、交通流的随机性与多变性,展宽段车辆溢出已成为常见的交通现象,那么如何使展宽段存储长度与信号配时方案之间相互适应成为一个重要问题。本文即以最为普遍的平面十字型信号交叉口的展宽段设置与信号控制方案设计及其相互协调关系为研究内容,着重研究二者的相互制约规律及信号配时参数的优化。根据上述内容,在以下四个方面展开研究。 (1)展宽段设置对交通流的影响分析 总结了常见的进口道渠化设计原则,从中归纳出国内外关于展宽段设置的思路与算法,对比分析了不同方法的特点及优劣性,发现了展宽段设置在实际应用中可能存在的问题,并以此作为进一步研究展宽段设置对交通流影响的背景。 选取了多个具有不同展宽段设置形式的交叉口进行高峰期的饱和流率调查研究,分析了展宽段车辆有无溢出两种状态下绿灯期间的饱和流率特性。由调研结果发现,在其他条件相似而只有展宽段设置形式不同时,饱和流率的变化规律呈现显著不同,以此实际观测规律作为理论上研究展宽段设置对交通流影响的依据。 针对展宽段车辆无溢出的交通状态,简要分析了绿灯期间流率特殊性。针对展宽段车辆溢出的交通状态,结合实际观测规律,应用交通流理论与随机数学原理,建立了下述模型:直行车流受左转车流阻碍的概率模型及受阻直行车的数学期望模型;左转专用车道上左转车流受直行车流阻碍的概率模型及受阻左转车的数学期望模型;直右共用车道上右转车受直行车阻碍的概率及受阻右转车的数学期望模型。最后由车流受阻规律得出了绿灯期间饱和流率的衰减规律,以此作为信号配时参数设置的参考依据。 (2)考虑展宽段设置的信号配时参数设置 研究了考虑展宽段设置形式的相位相序设计依据及周期绿信比的算法,此外对绿灯间隔时间的设置进行了详细的研究。主要内容如下: 总结了常见的十字形信号交叉口相位相序设计原则及方法,发现了在直左相序设计过程中,缺乏对展宽段存储长度因素的考虑,由此提出了在信号配时方案设计前预先根据流量流向等条件分析车流阻碍情况,并作为直左相序设置的依据之一。 概述了国内外关于绿灯间隔时间的定义和设置方法,针对其存在的不足提出了同时考虑困境区域、进入时间、清空时间的最小绿灯间隔时间设置思路并建立了数学计算模型,定量分析了“进入速度”、“限速”、“车型”、“交叉口几何空间”、“交通状态”等对绿灯间隔时间的影响,得出了交叉口必须设置绿灯间隔时间及非必要设置绿灯间隔时间的范围,最后以长春市某交叉口为例子验证了绿灯间隔时间计算模型的有效性。 在明确了相位相序设计原则及绿灯间隔时间算法后,对现有的周期及绿信比计算方法作出了改进,重点考虑展宽段长度设计对饱和流率的影响。 (3)考虑展宽段设置的交叉口运行效果评价 分析了国内外经典的延误计算方法的优缺点及适用性范围,选取能够考虑车辆到达顺序的延误计算方法做出了改进。针对展宽段车辆无溢出的交通状态,建立了直右共用车道右转车延误计算模型、直右共用车道总延误模型。针对展宽段车辆溢出的交通状态,建立了考虑车辆受到阻碍的左转车延误计算模型、考虑受阻车辆借助邻道通行的直行车延误计算模型,相对于已有方法既考虑了车辆到达顺序又考虑了展宽段车道数增加的现实情况。最后通过仿真的方法验证了延误计算模型的有效性。 以前述展宽段存储长度对饱和流率的影响规律为基础,对现有的通行能力计算方法做出了修正。 在上述考虑展宽段存储长度的延误计算模型和通行能力计算模型,建立了以延误和通行能力为目标函数的双目标信号配时参数优化模型,并采用仿真的方法对优化方案进行了验证。 (4)交叉口空间受限制的信号配时参数优化方法 当仅凭优化周期和绿信比无法协调交叉口空间供给与时间供给之间的矛盾时,提出了优化相位相序及改变渠化设计方案的解决思路。对于无条件改变渠化设计方案的情况,提出了通过单口释放或者一个周期多次放行的方式,消除展宽段上游车流间的干扰,并通过仿真的方法得出了该方法的适用特点及实施效果。对于有条件改变渠化设计方案的情况,提出了设置可变车道减少展宽段上游车流间干扰的解决思路。 最后总结了全文的研究进展及主要成果,并提出了研究过程中需要完善及进一步探索的内容及问题。


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