摘要
随着国家的发展、人民生活水平的提高与人均可支配收入的增加，汽车已经走入了家家户户，一个家庭有几辆小汽车已经是常事。由于家用小汽车的增加，道路上的汽车也越来越多，道路资源增长跟不上汽车数量的增长，所以道路压力也就越来越大。行车问题很大一部分发生在信号控制交叉口，而过饱和流量的交叉口往往问题更多，所以过饱和流量交叉口的优化是道路优化的一个重要组成部分。
本文拟通过对过饱和流量下交叉口服务水平的提升来对目前的交通状况进行改善。本文选取的交叉口经过验证后得出的确是过饱和流量的交叉口，接着通过信号配时优化设计与干线协调控制对交叉口进行服务水平的优化提升，并最终利用vissim仿真模拟得出优化方案的可行与否。在最后还提出了一些本文未经验证的服务水平提升方案与建议给广大读者参考，如果有兴趣的读者可以自行研究并验证是否可行。
关键词：交叉口;服务水平;信号控制;干线协调;vissim模拟仿真。
Abstract
With the development of the country, the improvement of people’s living standard and increase in disposable income per capita, cars have entered every family, it is common for a family to have several cars. So there are more and more motor vehicles in big cities in our country, but the growth of road resources and parking resources lags behind seriously, inevitably leads to the driving difficult, the vehicle difficult, the parking difficult contradiction is increasingly prominent. A large part of the traffic problem occurs at signal-controlled intersections, the intersection with supersaturated flow is often more problematic, so the optimization of supersaturated flow intersection is an important part of road optimization.
This paper intends to improve the current traffic situation by improving the service level at the intersection under the condition of supersaturated flow. The intersection selected in this paper is proved to be an intersection with supersaturated flow, then the service level of the intersection is optimized and improved by the signal timing optimization design and the coordinated control of the trunk line, finally, the optimization scheme is obtained by using vissim simulation. Finally, some unverified service level improvement schemes and suggestions are put forward for readers’ reference, if you’re interested, you can do your own research and see if it works.
Key words : Intersection; the service level; signal control; arterial coordination; vissim simulation.
绪论
（一）研究背景
随着国家的发展、人民生活水平的提高与人均可支配收入的增加，汽车已经走入了家家户户，一个家庭有几辆小汽车已经是常事。由于家用小汽车的增加，道路上的汽车也越来越多，道路资源增长跟不上汽车数量的增长，所以道路压力也就越来越大，城市交通拥堵这一问题在一定程度上制约了城市经济的发展[1]。交通拥堵已经成为了全球性的问题，没有一个国家能在发展的路上忽视交通拥堵这一问题。交通拥堵问题的出现是历史发展的一个必然阶段。我国现在正在向全面小康迈进，社会发展速度飞快，开始经历迈向发达国家必经的交通拥堵阶段了。而我国的北京、上海等大城市的发展比其他地方要快不少，所以这些城市首先遇到了这个问题。车辆增长速度大大超过了交通供给速度，表现在交通上就是秩序乱点、交通堵点和事故黑点的数目大幅度上升，交通拥堵的成因已逐步由秩序混乱造成通行能力下降转向车多路少导致通行能力不足[2]。
而国内外大多数研究表明，交通拥堵除了交通事故等不可控因素外，一般不会发生在道路路段上。所以道路发生交通拥堵的发生地大多都是在城市道路信号控制交叉口。由于要控制延误，所以信号控制交叉口的相位不能过多，这也导致了在一个相位内必然会有人与车辆的冲突，交叉口也是交通规则主要的约束地。由于行人，非机动车与机动车的交汇，使交叉口成为交通事故发生的重灾区，同时也是交通拥堵的重灾区。资料表明：85%以上的交通延误发生在道路信号控制交叉口，且交叉口内的通行能力仅为一般路段的50%[3]。造成交叉口问题出现的原因主要有以下几个：第一，我国汽车数量飞速增长。第二，城市道路资源不足、规划不合理，交通供不应求。第三，信号控制交叉口信号配时方案不合理[4]。对过饱和交叉口优化则是对交叉口优化的重点，在社会还不十分发达的现在，无法将所有交叉口都进行特定的优化，如果要以最少的成本获得最大的效益，对过饱和交叉口进行优化就是最好的选择。所以本文将着重对过饱和流量下交叉口在国家相关规范下进行优化提升，以更好地提升通行能力，顺应国家的发展升级改造。
（二）研究目的与意义
交叉口通行能力在很大程度上影响着道路的通行能力，由于行人，非机动车与机动车的交汇，使交叉口成为交通事故发生的重灾区，同时也是交通拥堵的重灾区。将交叉口通行能力提升就能较好地提升道路通行能力。而交叉口服务水平与交叉口通行能力息息相关，服务等级可以从自由运行、高速、舒适、方便、安全满意的最高等级直到拥挤、受阻、停停开开、难以忍受的最低水平[5]。服务水平的提高可以使人们的幸福感增加，提升交通水平。本文主要研究的目的是通过减少行车时间、提高行车速度、减少行车受阻、减少延误来提升过饱和流量下交叉口的服务水平。通过提升交叉口服务水平能使秩序乱点、交通堵点和事故黑点等交通问题得到一定程度上的缓解，减少人们在路上等待的时间，提高行车安全性，提高道路运输能力。更好地适应我国飞速发展的潮流。
（三）国内外研究现状分析
1.国内研究现状分析
至20世纪末，我国交通量增长速度大大超过了道路资源增加的速度，交通问题就显现了出来。并且随着城市化进程的加快，人口大量向城市聚集，小汽车大量进入普通老百姓家庭，城市交通问题已经从“通行不畅”变成了“严重拥堵”，并且在向“整体瘫痪”发展演变，国内交通问题十分严峻。
根据对比研究，我国目前的交通状况如同上个世纪高速发展的美国，汽车数量快速增长，公路建设不够完善，现有的通行能力不能满足现有交通量的通行。低等级公路仍占大部分，而对已建高速公路的交通管理技术落后，不能适应公路的等级，运输效率还有待提升。为了解决我国交通发展相对落后的局面，我国发起了“畅通工程”，该工程主要有以下工作重点，第一：改善道路条件，保障资金投入，尽可能提高道路交通系统的供给能力。第二：优化交通结构，强化交通需求宏观控制，合理配置交通构成，减少道路交通出行需求。第三：强化科学管理，保障道路交通管理资金投入，合理引导几交通流，提高现有道路交通系统的通行效率。第四：规范交通行为，加强交通法规和交通安全知识的普及教育，营造井然有序的交通运行环境[6]。在高等人才培养方面，各大高校也相继开始招收、培养交通工程专业的研究生。在专业文献方面，各大出版社也推出了许多与交通有关的报刊等，在报刊的要求上结合了我国交通组成的特点，形成了具有中国特色的理论体系，出版了各种交通工程相关刊物以及出台了相关规范。我国交通问题正在逐步向好。
2.国外研究现状分析
1930年，交通工程师学会在美国成立，并标志着交通工程学科的诞生。美国为了加强国防能力和东西岸可达性，加快建设了全国公路网。并在道路建设中发现了许多交通相关的问题，便开始了提升道路通行能力的研究，力求公路能在科学的指导下进行规划建设与管理。1950年美国交通工程师协会编写出版了《道路通行能力手册》（HCM）第一版，并顺应时代的发展不断更新换代，增加新的内容，对不同时代的道路情况进行了观测，推出符合当代的新的规范内容。随着交通的发展，道路通行能力的标准也在不断变化，而该手册的内容也在不断地更新换代。
其他国家在美国的启示下也根据本国国情派出专家对道路进行了实地调研，并制定出相关标准与规范。其中广为流传的就是英国的TRRL方法，由韦伯斯特（Webster）建立了一套完整的体系。提出了信号配时与通行能力计算方法。1954年，浮动车法被人所提出，此法可同时获得某一路段的交通量、行驶时间和行驶车速。
而日本关于道路通行能力计算的是以1982年将其研究成果编入日本的《道路通行能力手册》当中作为起点的。其对信号交叉口通行能力的计算也是以美国的HCM为基础，并结合日本的实际进行改良得出的一套方法理论。近年来，日本在智能运输系统的研究上颇有收获，早在1973年，日本国际贸易和工业省就发起了全面的车辆交通控制系统的研究。目前，日本正在实施智能道路计划，目的是创造综合ITS技术的高效、安全的通行环境[7]。
（四）方法研究内容与具体实践内容
本文信号控制优化方案主要通过现有的信号配时计算方法对交叉口信号配时进行优化计算。对交叉口进行单点信号配时，通过对实地考察得出的真实数据进行处理，得出该交叉口的全红时间、各相位的总损失时间、各相位的流量比、信号配时最佳周期、黄灯时间、有效绿灯时间与绿灯显示时间这些单点信号配时要素，并替代原信号配时方案，使用经计算后得出的最佳信号配时方案，从而提升交叉口通行能力与服务水平。
对待优化交叉口进行干线协调控制，根据实际情况确定关键交叉口与协调相位，对关键交叉口与其下游进行设置绿波带，使该饱和车流能够快速消散，在干线协调控制道路上，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，尽量使在规定速度内行驶的车辆能少遇红灯或不遇红灯，形成绿波。从而减少路段交通灯等待时长，提升路段车速，提高交叉口服务水平。
最后利用vissim构建路网，对待优化交叉口进行仿真模拟，并对仿真结果进行处理，与现有服务水平参数进行对比，得出优化前后交叉口服务水平的变化情况，验证优化的可行性。
（五）研究技术硬件与软件支持
1.硬件支持
2.软件支持
（六）研究与实践的关系
研究与实践不是特定的一个研究得出的理论只能为一个实践提供理论基础，而是一个理论能为许多实践提供指导。是一对多的关系，也是互相验证的关系。一个理论研究结果必然需要实践来进行验证其科学性，不然只能是空谈。而实践可以得出理论所需的基础数据，为理论提供数据支撑。一个好的理论必然要经得住多次实践的考验，而一个好的实践需要多个理论为其提供方案，所以研究与实践是互相依存，互相验证的。
（七）本章小结
本章对文章背景进行了叙述，接着通过叙述让读者了解目前国内外的交通研究情况。再对文章的研究内容进行了简介，根据研究内容确定了研究所需的硬件与软件，最终提出了理论与实践相结合的重要性。
二、过饱和流量下交叉口服务水平基本理论
（一）信号交叉口饱和流量的定义与测定方法
1.饱和流量
饱和流量指的是在一次绿灯时间内，进口道或冲突点上连续车队能通过停车线或冲突点的最大流量[8]。
2.观测地点要求
选择的信号交叉口进口道需要大于等于二车道，而且交通流量大，车道功能都有明确分工的交叉口进口道。
3.调查方法
主要调查红灯期间到达或绿灯初期到达而排队随后连续地通过停车线或冲突点的车辆。
通过测量饱和车流各车辆经过进口道停车线的时间与车辆车型，以及各相位长度来求饱和流量。整理以每周期第四辆车以后的车流进行计算，用每种车型平均车头时距乘以车型比重再平均，得出饱和混合车流的平均车头时距。最后用3600秒除以饱和混合车流的平均车头时距即可得出饱和流量。
（二）交叉口通行能力分析
1.通行能力基本概念
通行能力分为三种：基本通行能力、可能通行能力与设计通行能力。它们的区别在于由于环境条件与运行条件的不同而拥有不同的通行能力数值，其中通行能力最大的一般为基本通行能力。
道路通行能力与交通量有所差别，交通量均小于道路通行能力的数值。而且道路通行能力会随着交通量的变化而变化，所以道路通行能力在实际道路上一直是一个变数。
2.信号交叉口通行能力
交叉口通行能力分为无信号交叉口通行能力与信号交叉口通行能力，本文主要讨论信号交叉口的通行能力与服务水平。
信号交叉口通行能力具体表现在信号交叉口的进口道。信号交叉口通行能力的约束条件有三个：一是几何条件；二是交通条件；三是信号设计条件。在一定约束条件下，某一进口道单位时间内能通过的最大交通量即为信号交叉口通行能力。而交叉口拥堵一般不会全部交叉口都堵，大多都是某一进口道拥堵，所以容易拥堵的进口道的通行能力设计往往是某个交叉口通行能力设计的重点。
下面将对国内外的不同方法进行介绍：
- 国外信号交叉口通行能力计算方法
- 美国的HCM方法
- 饱和流率模型
饱和流率是以某一进口道在全绿灯条件下，所能通过的最大流量。在实际计算中，由于实际道路情况的不同，还要根据道路实际情况对饱和流率进行修正，其修正公式如下：
式中S——车道组的饱和流率，通常条件下，是车道组中所有车道，veh/h
——每车道理想条件下的饱和流率，一般取1900veh/（h·ln）；
N——车道数；
——车道宽度修正系数
——交通流中的重型车辆修正系数
——进口坡度修正系数
——车道组停车与停车次数修正系数
——公共汽车停在交叉口范围内影响作用修正系数
——地区类型修正系数
——车道利用修正系数
——车道组中右转车辆的修正系数
——车道组中左转车辆的修正系数
——对于左转流向的行人与自行车修正系数
——对于右转流向的行人与自行车修正系数
- 修正系数
各修正系数都有专门的公式进行计算，这里就不一一列出。
- 通行能力分析模型
在美国的HCM方法中，计算信号交叉口的通行能力之前要先根据饱和流率及其修正公式算出某一进口道的通行能力，再对交叉口所有进口道的通行能力进行求和才能得出整个交叉口的通行能力。
其中一个进口道车道组的通行能力按下式计算：
式中——车道组i或引道i的通行能力，veh/h;
——车道组i或引道i的绿信比（有效绿灯时间/周期时间）
——车道组i或引道i的饱和流率，veh/h。
交叉口的实际通行能力等于每个进口道通行能力之和：
式中 ——整个交叉口的通行能力，veh/h;
n——整个交叉口所有进口道的数量之和。
- 英国TRRL方法
（1）饱和流量的计算
TRRL通过实地调研与数据分析得出最适合英国本土的禁停路段进口道饱和流量计算公式为：
S=525W（pcu/h） W≧5.5m （式2.5）
式中 W——进口道宽度。
- 通行能力的计算
根据交叉口通行规则得出以下的公式：
- 澳大利亚ARRB方法
由于韦伯斯特延误公式在饱和度越趋近于1的时候计算得出的延误误差越大，更无法计算过饱和流量下的延误，所以为了更好地适应实际道路条件，公式被更改为：
式中D——总延误，s；
——平均溢流排队车辆数，veh;
——绿信比；
q——进口道实际到达的交通流量，pcu/s；
——周期时间，s
其通行能力计算公式与英国TRRL方法一样。
- 国内信号交叉口通行能力计算方法
1、根据车道功能的不同，利用停车线断面法得出下列不同公式：
（1）一条右转车道的通行能力
式中——一条右转车道的通行能力，pcu/h
——连续两辆右转车辆平均车头时距，s。
（2）一条左转弯车道的通行能力（需要设有左转弯专用信号）
当某个交叉口左转车辆较多时，为了交叉口能够稳定运行，需要专门设置仅用于左转弯的交通信号。只有在交叉口拥有左转专用信号时本公式才适用，此时一条左转车道通行能力计算公式如下：
式中——左转车道的通行能力，pcu/h;
——信号周期长度，s;
——一个信号周期内左转弯信号时长，s；
——左转弯车辆通过交叉口时的速度，m/s；
——左转弯车辆连续通过交叉口的平均车头时距，s，且一般取2.5s；
a——左转弯车辆启动时的平均加速度，。
- 一条直行车道的通行能力
式中——一条直行车道的通行能力，pcu/h;
——在一个周期内开放绿灯的时间，s；
——直行车辆通过交叉口的速度，m/s；
——直行车辆连续通过交叉口的平均车头时距，s，且一般取2.5s。
交叉口某一进口的通行能力是左转、右转与直行车道的通行能力之和。而整个交叉口的通行能力则是所有进口通行能力之和[9]。
- 冲突点法
该法相对于停车线断面法有所改进，在只有两个相位的信号控制交叉口使用冲突点法计算通行能力比停车线断面法要更符合实际情况。
- 《城市道路设计规范》CJJ 37——2012推荐方法
该推荐方法主要适用于十字形信号控制交叉口。
其中，直行车道的设计通行能力计算方法如下：
式中——一条直行车道的设计通行能力，pcu/h;
——信号灯周期长度，s；
——每个信号周期内的绿灯时长，s；
——绿灯亮后，第一辆车通过停车线的时长，可采用2.3s；
——直行车辆通过停车线的平均时间，s/pcu;
——折减系数，可采用0.9。
（三）交叉口服务水平分析
1.服务水平基本概念
服务水平是交通流中车辆运行及驾驶员和乘客所感受的质量量度，也就是道路在特定交通条件下所提供运行服务的质量水平[10]。
2.中国与美国服务水平划分的异同点
相同点：中国与美国都将服务水平划分为了六个不同的等级，它们都是以交通量的大小作为服务水平的起始依据，并根据车流量大小将车流划分为自由流、稳定流、不稳定流与强制流四个状态。根据服务水平的不同对车辆行车速度的高低进行了判断，行车自由度也是两国服务水平所共同考虑的因素，最后还有最重要的行车舒适性与便利性。
不同点：中国的服务水平划分相较于美国多了对事故路段处理能力的高低与事故路段的运行状况，与我国人多车多的现实情况相符合，更有利于我国交通行业人员对路段服务水平的综合研判。
3.信号交叉口服务水平的确定
效率度量——指的是为了评价每种设施服务水平而选择的参数，表示能最好地描述该类设施运行质量的度量[11]。
对于信号控制交叉口，最适合的效率度量有三个，分别是：平均控制延误（s/veh）、负荷度、排队长度（m）。
（四）如何区分一般交叉口与过饱和流量下交叉口
每一个信号控制交叉口都有其对应的饱和流量，信号控制交叉口的定义与饱和流量的测量方法如本文2.1所示，观测者可以根据饱和流量计算方法实地考察得出相应的基础数据，将数据进行处理后即可得到被考察信号控制交叉口的饱和流量。再在该信号控制交叉口进行交通量调查，将调查得出的交通量与饱和流量进行比较，根据比较结果就可以知道被调查信号控制交叉口是否为过饱和流量下的交叉口。
（五）本章小结
本章对过饱和流量下交叉口服务水平的相关概念与理论知识进行了简述，并对本文是如何进行区别一般交叉口与过饱和流量下交叉口的方法进行了描述。
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