北京工业大学
硕士学位论文
信号交叉口交通组织优化方法研究
姓名：李美玲
申请学位级别：硕士
专业：交通运输规划与管理
指导教师：荣建
20040501
摘要
摘要
随着我国经济建设的快速发展，城市交通量迅速增长，交通出现了日趋紧张的局面，搠堵经常发生，整个城市的经济发展受到制约，缓解交通拥堵问题已迫在眉睫。对于城市道路而言，交叉口是城市交通的关键。在交叉口，相交道路上运行的不同交通流在此选择和变换运行方向，是交通流的集散点。在处理上有平面交叉和立体交叉两种形式，由于立体交叉存在占地面积大、造价高等问题而且也不可能完全解决平面交叉问题，所以平面交叉仍是我国城市交叉口的主要形式，因此，平面交叉的管理和组织方法仍是缓解城市交通拥堵的重要研究课题。
对于交通量大的平面交叉口，比较有效的交通管理控制方式就是采用信号控制。随着交通量的猛增，城市道路上的信号交叉口越来越多，截止到２０００年年底，北京市已有１０３６个信号控制的交叉口。交叉口的交通拥堵十分严重，从客观上讲，现有的道路资源没有充分利用，交通组织不够细致是一个重要原因。本论文选择信号交叉口作为研究对象，研究它的交通组织优化方法，以缓解交叉口的交通拥堵。
论文首先总结了目前信号交叉口交通组织优化的流程，然后根据流程对每一步骤的具体内容进行详细介绍。主要包括信号交叉口放行方法设计、渠化设计和信号优化设计。对于放行方法设计，由于我国存在自行车流，放行方法比较特殊，目前仅有交管部门的一些经验。论文首先对这些经验进行了总结和提炼，在此基础上提出了放行方法设计的一般流程。信号优化设计在国内外研究都较为成熟，文中仅做了一般性的总结。对于渠化设计，目前国内研究还很不成熟，文中借鉴国外经验，对渠化设计从基本概念、渠化措施及其适用性、与信号设计的结合等方面进行了详细论述，提出了渠化设计的流程，形成了渠化设计的方法体系。
介绍了信号交叉口交通组织优化的基本设计方法之后，论文根据优化设计的特点，提出借鉴专家系统的思想开发信号交叉口交通组织优化专家辅助系统，以辅助进行信号交叉口的优化设计。论文从专家系统的一般结构出发，根据专业领域知识进行了知识库和推理机的设计，在此基础上，编写程序代码，实现了专家辅助系统。为了验证专家辅助系统的可行性，论文选择北京和江西宜春的两个典型信号交叉口进行了系统验证，经检验论文设计的专家辅助系统总体上是可行的。
关键词信号交叉口；交通组织优化：渠化设计；专家系统
Ａｂｓｔｒａｃｔ
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独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名：签逊日期：．星竺堡：！：三乡
关于论文使用授权的说明
本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）
签名：盔囊硷导师签名：
第１章绪论
第１章绪论
１．１课题来源
为了更好的解决北京市的交通问题，北京市科委在“北京市ＩＴＳ规划及示范工程研究”项目中设置了“信号交叉口仿真优化设计系统”的研究课题。拟以北京市交叉ＶＩ交通特性为基础，深入研究信号交叉口中自行车和行人的交通特性，总结信号交叉口优化设计的理论和方法，开发混合交通流的信号交叉口仿真优化设计系统，为提高交通管理水平，实现智能交通管理系统提供科学、高效、实用的分析工具。
本课题即来自研究课题“信号交叉口仿真优化设计系统”，拟通过总结信号交叉口交通组织优化的理论和方法，为仿真优化设计系统提供优化设计方法支持。
１．２研究背景
随着我国经济建设的快速发展，城市化进程不断推进，城市交通量迅速增长，交通出现了日趋紧张的局面，拥堵经常发生，由此引发了一系列的问题：交通延误增加、行车时间加长、事故频发、环境污染严重，整个城市的经济发展受到制约，缓解交通拥堵问题已迫在眉睫。而对于城市道路而言，交叉口是城市交通的关键，大量事实也证明交叉口的拥挤现象最严重，它是整个城市道路的瓶颈地带。可以说交叉口的交通运行状态与整个城市的交通运行：状态密切相关，解决了交叉口的问题就解决了城市交通的关键。
道路与道路的交叉点就是交叉口，它的主要功能是供相交道路上运行的不同交通流选择和变换运行方向，是交通流的集散点。在处理上，可以是平面交叉，电可以是立体交叉。立体交叉虽可以解决因平面交叉而产生的问题，但是我们不可能将所有的交叉口全部改建成立交。
首先，立交工程浩大，修建费用高，占地面积大，修建工期长：其次，由于相交道路的性质、占地、工程投资等限制，还不可能全部修筑完全互通式立交，有时还需建造部分互通式立交，此类立交仍保留了部分平面交叉，平面交叉问题依然存在，不解决好平面交叉问题，立交也不能很好的发挥作用；再次，在城市内修建立交，还会带来分割城区、影响街区日照条件、干扰电波、妨碍视线、破坏景观、给行人带来不便等问题。【１１
因此，平面交叉仍是我国城市交叉口的主要形式，应当注重平面交叉的管
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理和组织问题，充分挖掘其潜力，使其更好地为城市交通服务。
平面交叉１５的交通管理控制方式有停车控制、让路控制和信号控制等几种方式，前两者适用于交通量不是太大的交叉口，后者适用于交通量大的交叉口，对于缓解交叉口的拥堵起到了很大的作用。随着交通量的猛增，城市道路上的信号交叉１３越来越多，截止到２０００年年底，北京市已有１０３６个信号控制的交叉口。
但尽管这样，交叉口的交通拥堵问题还是频繁发生，除了因为道路设施不完善以外，有很大一部分原因就是交通组织不够细致。对于信号控制交叉口，除了信号优化设计，还有与之配套的空间分离设计等等很多的优化设计内容。因此，本论文选择信号交叉口作为研究对象，研究它的交通组织优化方法，必然对于缓解交叉口的交通拥堵有重要的意义。
１．３研究意义
论文拟在国内外同类研究的基础上，参考北京市交叉口优化的成功案例，研究信号交叉口的交通组织优化方法，并为开发信号交叉口仿真优化设计专家系统做好方法支持。
论文的研究意义如下：
（１）论文总结提出的信号交叉口交通组织优化方法和设计流程能够为今后北京市的交叉口优化提供方法支持，还可作为国内其他城市的交叉口优化设计的参考。
（２）论文提出的信号交叉口放行方法设计的方法和流程可以指导今后交叉口的放行方法设计，解决好自行车和行人在交叉口的放行问题。
（３）论文形成的信号交叉口渠化设计方法理论不仅可以指导今后交叉口的渠化设计，更是可以弥补我国此方面研究的不足。
（４）论文开发的信号交叉口交通组织优化专家辅助系统可以很好的辅助信号交叉口的优化设计，提高交叉１２１的运行效率。
１．４研究内容与安排
论文选择平面信号交叉口作为研究对象，对其交通组织优化设计方法进行研究，按照章节，主要的研究内容如下：
第二章，信号交叉口交通组织优化研究综述，主要介绍交通组织优化的概念、原则、优化设计的内容和步骤；目前国内外的研究概况和评述。
第三章，信号交叉口放行方法研究，总结放行方法的分类及其适用性，提出设计流程，以及每一具体步骤的注意事项。
第１苹绪论
第四章，信号交叉口渠化设计研究，渠化的措施及其适用性、渠化设计方法、与信号设计的组合搭配、渠化设计流程等。
第五章，信号交叉口信号设计，介绍信号设计的内容和方法。
第六章，信号交叉口交通组织优化专家辅助系统研究，在基础知识总结的基础上，借鉴专家系统思想，设计开发信号交叉口交通组织优化专家辅助系统。
第七章，案例分析，将上面的理论和专家辅助系统应用于案例，进行检验。
最后是结论。
１．５研究成果
论文通过对平面信号交叉口交通组织优化设计方法的研究，取得了如下研究成果：
１、总结归纳了信号交叉口交通组织优化的方法和流程，明确了流程中各步骤的具体设计内容，为展开交通组织优化工作提供了科学的参考依
据。
２、对信号交叉口的放行方法进行了总结，首次系统的提出了放行方法设计的流程，对流程中每一步骤进行了详细介绍。
３、对信号交叉口的渠化设计进行了详细研究，首次系统地提出了信号交叉口渠化设计理论和方法，弥补了国内在此项研究上的不足。
４、将专家系统方法应用于信号交叉口交通组织优化，详细设计并开发了信号交叉口交通组织优化专家辅助系统，通过实际案例分析，证明该
系统是可行的，能为信号交叉口交通组织优化提供科学地分析工具。
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第２章信号交叉口交通组织优化研究综述２．１交通组织优化概述
２．１．１交通组织优化的概念
交通组织，简言之就是交通的流量组织、流速组织和流向组织。
道路交通组织优化，是在有限的道路空间上，科学合理地分时、分路、分车种、分流向使用道路，使道路交通始终处于有序、高效运行状态。ｆ２】随着科学技术的进步，现代交通组织优化一定要充分利用现有交通控制技术、监控技术、诱导技术、信息技术、通信技术，制定出科学的战略战术，进而使技术、业务、管理措施、警力达到高度统一，充分发挥出现代化管理的优势。
２．１．２交通组织优化的思想方法与原则
道路交通组织优化是对“交通工程”技术的具体运用，同时又是一种人为行为。所以它首先遵守“交通工程”技术原则，另外还有与之配套的思想方法原则，是由交通工程技术和交通组织思想方法这两大层面来组成。Ⅲｌ、交通工程技术原则
①交通分离原则
不同流向、不同种类的交通流应在交通空间、时间上分离，避免发生交通冲突。
从形式上讲有法规分离和物理分离两类。从内涵上讲，有时问分离和空间分离两种形式。空间分离一般靠交通标志、标线来实现，时间分离一般靠信号相位来完成。
②交通连续原则
交通连续原则即保证大多数人在交通活动过程中，在时间、空间、交通方式上不产生间断。
例如路段上的行车道要对应着路口直行导向车道，以保证直行车流不变换方向；路口进口导向车道要对应出口车道，以保证车流通过路口连续；信号灯实现绿波带，以保证车流通过整条道路时间上连续；公交站与地铁站建在一起，以保证换乘连续等等。
如果交通的连续性搞得好，则行人流量可以减少，车流行驶可以有序，这
弟２苹信号，爻叉口交通组织优化研究综述
是良好的交通秩序管理的基本保证。
③交通负荷均分原则
交通负荷均分是指通过对交通流进行科学的调节、疏导，达到路网各点交通压力逐步趋于大小一致，不至于由于某一点压力过于集中而造成交通搁堵，这也是交通优化所追求的目标。
通常可通过转移交通压力来实现这一目标，也就是把路网中拥堵路口的交通压力转移一部分给非拥堵路口。问题的关键是转移多少交通压力和转移到哪里去合适。不管怎样，总体上应把握交通流空间分布控密补稀，时间分布削峰填谷的原则，～般采用调配时、调车道、调流向、调禁限车种等手段，逐步实现。
④交通总量控制
当一个路网的总体交通负荷接近于饱和时，已经没有交通压力转移的余地，可以采取总体禁限部分车种行驶，来削减该路网的总流量。
⑤置右原则
按照车道分布，从左至右交通流速度依次降低来分配车道。这是按照交通流层流动态规律分配车道，层间行驶阻力最小，发生冲突的机会最少，并且层间速度差也最小。反之则易产生大量的并线变道，频繁的合流分流引起交通紊流，造成ｊ爿ｊ堵和事故。
⑥优先原则
优先是指对某一种给予特殊待遇，有车种及流向优先，如小轿车专用道、公交专用道（优先道），直行车流优先，主路（或环岛内）车流优先等等。
２、交通组织思想方法原则
①换位思维原则
交通组织调整方案的制定，需要换位思维，即站在用路者的角度考虑各种因素，以保证方案的可行性。特别是单行、禁左、禁限等重大措施的调整，在方案实施前，首先要站在禁限对象的角度查找是否有时空出路。如果有还要考虑该出路的承受能力以及有可能引发的问题：如果没有时空出路，就考虑另外的方案。这是进行交通组织最基本的思想方法。
②以人为本，方便出行原则
交通组织不应该以方便管理为出发点，而应该以方便大多数人出行为准则。
在相同的道路空间上，各种不同的交通流包括行人、非机动车和机动车混合行驶，它们都对通行条件提出需求，但这些需求是相互矛盾的。因此要按照
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它们通行时的不同特点来进行组织，不应该只考虑机动车交通组织，而忽略行人和非机动车的交通组织，应该三者都兼顾。通常情况下，应充分考虑弱势群体的安全，在尽可能照顾行人和非机动车使用者的前提下，进行混合交通的综合交通组织，方便大多数出行者的出行要求。
③通行能力资源配置原则
此原则源于管理学中的“木桶原理”，即长短不齐的木片箍成木桶，桶内盛水的多少取决于最短的木片。一条道路上不同路口的通行能力是不同的，可以将路口的通行能力形象的看作是长短木片，道路所能通过的最大流量看作是桶内盛水量，那么该条道路的最大通过流量将取决于通行能力最小的路口。
有此原则作基础，在进行道路交通组织时，要以该条道路上通行能力最小的路口为基准，其他路口通向该路口流向上的流量，不得超过该路口相关方向的最大通行能力，否则必将因积累快消散慢发生交通拥堵。
④路权分配原则
每个出行者都有使用道路的权力，称之为路权。道路交通管制将路权划分为了时间路权和空间路权。为了道路使用更加有序，就要进行合理的路权分配。时间路权分配…般通过信号控制来实现，空间路权分配通过道路设施如隔离装置、标志、标线等来划分。
路权分配的原则关键就是全面、简单清楚。全面就是所有的道路使用者都考虑到，都有路可走。简单清楚就是所有的道路使用者都能看懂各自的时问路权和空间路权。这是保障道路交通秩序的基础。
⑤动静态交通组织相结合原则
根据交通组织措施的不同，可以分为静态交通组织和动态交通组织。静态交通组织一般是对单点采取措施进行交通组织，这在交通量不是很大的情况下是很有效的。但随着社会的发展，交通量迅猛增长，交通拥堵经常发生，路网负荷几近饱和，这时仅靠静态交通组织已不能解决问题，需要同时进行动态交通组织。动态交通组织就是通过各种手段对整个路网进行动态调控，常用的措施有卸荷、截流、分流等。
⑥渐变原则
交通组织调整应按调整力度的大小循序渐进。例如在交叉口，调整措施的顺序最好依次为调信号配时、调渠化车道、调禁限流向、调禁限车种。对于禁限、单行等重大调整措施，在实施之前最好进行广泛的社会宣传和试运行机制，让广大的用路者有充分的时间接受措施的调整。
第２章信号交叉口交通组织优化研究综述
２．２信号交叉口交通组织优化
２．２．１信号交叉口交通特性分析
论文的研究对象是平面信号交叉１２１，它具有如下特点：【３Ｊ
（１）它是道路系统中通行能力的“瓶颈”，据统计，平面交叉１２１的通行能
力较路段下降４６％到５０％。
（２）它是交通事故的主要源发地。在我国所有的交通事故中，发生在交叉
１３的约占６４％。
（３）在我国的大部分城市，交叉口处各种机动车、自行车、行人甚至畜力
车、人力车交叉混合行驶，彼此之间相互干扰，形成我国特有的“平面混合交通”。
导致交叉口处交通混乱的根源是什么呢？
根源就是混合交通流之间产生的大量的冲突点，一个不加任何控制的平面十字形交叉口的冲突点示意图如图２－１所示。
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图２．１无控信号交叉口的冲突点不恿图
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性。
当两股不同流向的交通同时通过空间某点时，就会产生交通冲突，而该点就称为冲突点。按冲突的方式交通冲突有四种：交叉、合流、分流、穿插，如
图２．２所示。
图２－３典型渠化交叉口示意图
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图２－４两相位信号交叉口的冲突点示意图
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２．２．３交通组织优化内容与步骤
通常来说，在实际工作当中，优化的内容和步骤可以用如图２－５所示的流
程图来表示，简单介绍～下每一步骤的内容：
（１）交叉口交通调查
调查是进行交通组织的基础，调查一般包括交通量、饱和交通量、延误、排队长度等。
调查的目的是得到交叉口的基本信息，为下面的设计作基础。
（２）放行方法的确定
放行方法是指在交叉口自行车和行人的放行所采取的模式，不同类型的交叉口所采取的模式不同，但～个城市最好只选择一种，以免太多，用路者无法适应。此内容将在第三章中详细介绍。
（３）渠化设计
渠化设计是对交叉口进行空间分离，主要的设计有：交通
岛、导向车道设置、交通标志标线。此内容将在第四章中详细介绍。图２－５信号交叉口交通组织一般流程图Ｆｉｇｕｒｅ２—５Ａｇｅｎｅｒａｌｐｒｏｃｅｄｕｒｅｆｏｒｔｒａｆｆｉｃｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｔｓｉｇｎａｌｉｚｅｄｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｓ
（４）信号设计
根据放行方法和渠化设计的方案，再考察交通量的分布，进行信号设计：信号相位、信号相序、信号配时。此内容将在第五章中详细介绍。
（５）其他配套设计
主要包括标志标线和公交站点～体化的设计。
（６）综合优化设计
回顾前面的所有设计，进行综合考虑，制定出最后最优的设计方案。２．３国内外研究情况
对于国内外的研究情况，下面从放行方法设计、信号设计、渠化设计和综合优化设计四个方面分别论述。
２．３．１交叉口放行方法设计
对于放行方法设计，由于国外的交通流基础与国内不同，没有查阅到相关
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有使用。天津大学１９８９．１９９１年研究开发的城市交通控制系统ＴＩＣＳ（ＴｒａｍｃＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ）首次成功地把自学习智能原理应用于交通信号控制系统中，其产生电是受到人工智能和知识工程在其它领域成功应用的启发。１４］２．３．３交叉口渠化设计
国外的渠化设计研究较为成熟，一般都形成了规范或手册。如美国的ＭＵＴＣＤ，介绍了各种渠化措施以及设施的尺寸、颜色和使用时需注意的问题。日本的《平面交叉路口的规划与设计》中对交叉口的渠化作了很多的论述，认为渠化是很有效的措施。其中，渠化的定义为：“为了减轻、改善平面交叉路口处交通流的交错数量及性质，在正常交通流不利用的部分设置适当的‘岛（ｉｓｌａｎｄ）’，规定车辆的行驶位置，诱导车辆按正常方向行驶，为行人提供避车场所，以整顿交通流为目的，这就叫平面交叉路口的渠化。”一Ｊ
渠化的主要目的是规范车辆的行驶，减少车流的冲突，保护行人和自行车。国外所用的渠化手段一般有交通岛、导流设施、路障、中心圈等【６】。各种不同形式的交通岛如中间岛、安全岛可以有效的分隔车流、保护行人，如图２－６所示。导流设施可以使行驶车辆明确行驶路线，提高安全水平，如图２．７所示。路障的设置主要是阻隔禁止通行的车辆，让现有设施为特定的对象服务，如图２＿８所示有一方向是仅允许行人和自行车通行的交叉口，中间设置了相应的路障悼ｊ。
图２－６中间岛
Ｆｉｇｕｒｅ２—６Ｍｅｄｉａｎｉｓｌａｎｄｓ
图２．７导流设施
Ｆｉｇｕｒｅ２—７Ｇｕｉｄｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
－１２?
第２章信号交叉口交通组织优化研究综述
图２－８路障
Ｆｉｇｕｒｅ２?８Ｒｏａｄｏｂｓｔａｃｌｅ
国内，１９８６年，曾静康对深圳的平交路口进行了综合控制实验，在考察行人、机动车、自行车相互之间所有冲突的基础上，以每一交通流通过路口可能遇到的“冲突点串”为单位，提出了“综合模式”的控制方法，其关键是寻求渠化、相位和灯色三者的协调。１９９１年陈洪仁的“道路交叉设计”中，提出了交叉口渠化措施。２００１年，邹联赐和薛博在深圳市交通整治工程的基础上，总结了交叉Ｅｌ渠化的方法，包括增加进口道车道数目、完全释放右转、在进口道上留出公交专用道和禁止部分或全部机动车左转【５】。２００１年，上海市出版了工程建设规范《城市道路平面交叉口规划与设计规程》，对平面交叉口的规划与设计作了规定，规定平面交叉口应采用交通岛、路面标线及交通流向标志作渠化设计【１２Ｊ。
对于渠化的手段，我国的学者也作了不少的总结和研究，其中最为有效的是高出路面的各种交通岛，根据其功用及布置的地位，可分为分流岛（分隔带）、中心岛、方向岛和安全岛，许多岛可一岛多用，如图２－９所示。在交叉口，还经常进行路口拓宽，车道重新划分，非常有助于提高交叉口的通行能力，如图２—１０所示是拓宽后的交叉口。进行了车道设计和交通岛设计之后，还必须有一定的交通标志标线来引导车辆行驶，一般的交叉口常用的标志标线如图２—１１和２．１２所示。
图２－９分流岛和安全岛
ａｎｄｒｅｆｕｇｅｉｓｌａｎｄｓ
Ｆｉｇｕｒｅ２—９Ｓｅｐａｒａｔｅ
．１３．
北京工业大学工学硕士学位论文
图２—１０交叉口拓宽
Ｆｉｇｕｒｅ２?１０Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｗｉｄｅｎｉｎｇ
图２．１１交叉口常用的标线
Ｆｉｇｕｒｅ２一ｌｌＵｓｕａｌｍａｒｋａｔｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｓ
图２—１２交叉口指不标志的设置
Ｆｉｇｕｒｅ２－１２Ｌａｙｏｕｔｏｆｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｉｇｎａｔｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｓ
２．３．４交叉口综合优化设计
对交叉口进行综合优化设计之前，必须先对交叉口进行运行分析，这一过程是检验交叉口的运行状态，是否存在问题，哪里存在问题，从而针对问题找原因找解决的方法。对于运行分析，国外有一套较为系统的方法，下面以美国和日本为例进行介绍。
ｌ、美国对于信号交叉口的运行分析在ＨＣＭ２０００中有一整套的方法：通行能力运行分析，通过这一运行分析得到两个关键性的成果：