摘 要

时至今日，人们的各种活动都离不开城市交通，其中，交叉口作为连接各方向城市道路的交叉点，是将城市各道路连接起来的枢纽，交叉口相当于城市道路的“心脏”，对于城市道路网络来说起着关键性作用。交叉口的堵塞会造成局部道路路网的堵塞，而局部道路路网的堵塞则会导致整个城市路网的行车效率和通行能力，因此，对交叉口现状提出优化措施，以提高城市道路车辆行车效率、缓解交通拥堵情况十分重要。

本文研究的内容是分析某交叉口的车辆通行能力以及对其进行优化设计，行文上采用基本理论到设计相关内容，最后是交叉口实际案例分析优化，如此的基本框架来构建本篇论文。首先第二章是对交叉口的车辆的交通流特性进行分析，其中包括对交叉口机动车辆通过交叉口的基本运动特性、交叉口机动车的交通特征点、以及交叉口的服务水平进行分析介绍。紧接着第三章以及第四章是通过分析影响交叉口通行能力的空间因素以及时间因素来进行论文的撰写，空间上是对交叉口渠化设计的相关注意事项以及车道的渠化方法进行分析，时间上则是通过Webster信号配时方法进行交叉口的信号配时。最后是结合本文所选的交叉口进行实地调研，收集相关数据，通过CAD软件进行交叉口平面图的绘制，再根据各进口道车流量对交叉口进行渠化设计以及信号配时，最终通过VISSIM仿真，输出现状交叉口和优化后交叉口各评价指标进行比对，验证优化方案的效果及可行性。

关键词：信号交叉口；渠化设计；信号配时；行车效率

Abstract

Up to now, all kinds of activities cannot be separated from urban traffic. Among them, intersections, as the intersections connecting urban roads in all directions, are the hubs connecting urban roads. Intersections are the "heart" of urban roads and play a key role in urban road network. The blocking of intersections will cause the blocking of local road network, while the blocking of local road network will lead to the driving efficiency and capacity of the whole urban road network. Therefore, it is very important to put forward optimization measures for the current situation of intersections to improve the driving efficiency of urban road vehicles and alleviate traffic congestion.

The research content of this paper is to analyze the vehicle capacity of an intersection and optimize its design. It adopts the basic theory to design related content, and finally analyzes and optimizes the actual case of an intersection, so as to construct the basic framework of this paper. Firstly, the second chapter analyzes the traffic flow characteristics of vehicles at intersections, including the basic motion characteristics of vehicles passing through intersections, the traffic characteristic points of vehicles at intersections, and the service level of intersections. Followed by chapter iii and chapter iv is based on the analysis of factors influencing the spatial factors of intersection traffic capacity and time for the writer of the paper, on the space is related to the design of intersection highly channelizing considerations and lane highly channelizing method were analyzed, and the time by Webster signal timing method of intersection signal timing. Finally, combined with field investigation, this paper selected the intersection of collecting relevant data, through the floor plan of the CAD software for intersection, according to the import way to channelized intersection traffic design and signal timing, ultimately through VISSIM simulation, the output status of intersection and compare each index, the optimized intersection to verify effectiveness and feasibility of optimized scheme.

Keywords:Signal intersection; Channelized design; Signal timing; The driving efficiency

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状： 1

1.2.2 国内研究现状： 2

1.3 研究内容和技术路线 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术路线 3

第二章 交叉口设计规划相关基本理论 5

2.1 交叉口设计的重要性 5

2.2 平面交叉口机动车交通流分析 5

2.2.1 车流在信号控制下的流动分析 5

2.2.2 平面交叉口的交通特征点分析 6

2.3 交叉口渠化设计 8

2.3.1 交叉口渠化时注意事项 8

2.3.2 机动车道渠化方法 9

2.4 交叉口道路服务水平 12

第三章 现状交叉口所存在问题分析 13

3.1 交叉口现状分析 13

3.2 交通流分析 14

3.3现状交叉口的交通特征点分析 15

第四章 交叉口优化方案 19

4.1 渠化方案 19

4.2 信号配时方案 20

4.3 VISSIM仿真 23

第五章 结论与不足 26

5.1 结论 26

5.2 不足 26

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

在今天，人们不管是学习、生活还是工作，都不能仅仅在同一地方进行，要进行空间上的移动，而这一切都与城市交通紧密相关，城市交通是整个城市中所有活动进行的纽带，离开城市交通，人们的生活将寸步难行。在城市交通建设中，交叉口是城市道路建设的重点，交叉口是连接城市各路、将各路紧密连接一起的重要枢纽。交叉口车辆通行问题是整个城市交通问题的瓶颈点，交叉口车辆通行是否顺畅直接关乎到整个城市交通路网车辆通行的顺畅程度，交叉口车辆通行的高效运行，是城市交通路网得以顺畅运行的重要保证。

目前，我国经济正处于高速发展阶段，人民生活质量不断提高，城市居民对于机动车的需求也不断上升，以至于城市机动车数量呈一个高速发展的趋势，基本上家家户户都拥有机动车辆或者是非机动车辆，其总数量是以往所不能比拟的。虽然我国城市交通建设也在不断发展，但其发展速度与机动车数量增长速度相比起来还是远远不足，即使有些城市已经推行车辆限号、摩托车禁止在市区内行驶等政策，但也始终无法有效的解决当前我国重要交通点拥堵的情况。目前，有很多的交叉口和城市道路的交通能力以及无法满足当前以高速增长的交通流量通行的需求。其中的原因包括有原有交叉口、城市道路设计的不足、以往的信号配时不合理或者已无法满足当前车流量等原因，导致交叉口车辆通行在高峰期时甚至不是高峰期时拥堵不堪，而交叉口的拥堵则会导致局部交通路网拥堵，乃至于整个城市交通路网的拥堵。同时，交通路网的堵塞，不仅仅是大量车辆延误增大，并且车辆停滞在道路上，所消耗的燃料都比行驶时消耗的多，不仅造成了时间的延误也造成了能源的损失减少。此外，从环境的角度讲，如此下来，车辆延误增加，车辆在道路上的停留时间加长会造成更多的车辆废气的排出，污染环境。因此，对现状交叉口进行研究，分析当前交叉口车辆通行能力、通行效率，对交叉口进行机动车道、非机动车道以及人行通道进行渠化优化设计、对信号配时做出更加合理的设计，以提高城市道路车辆行车效率、缓解交通拥堵情况，就显得十分重要。

本文将基于交叉口车流量实际调研数据，从机动车道、非机动车道以及人行通道的渠化设计和信号配时控制两方面对交叉口通行能力进行优化设计，并基于交通仿真软件VISSIM对所设计的方案与现状方案进行比较评价。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状：

（1）交叉口渠化设计方面

时至今日，国外对于交叉口渠化设计方面的研究已经相当成熟，其中最为著名的有美国的MUCTD（Manual on Uniform Traffic Control Devices）手册，该手册对交叉口渠化方案进行了详细的介绍分析^[1]。日本的《平面交叉路口的规划与设计》中介绍了交叉口渠化的相关方法，并且对于交叉口优化设计对于提高交叉口车辆通行效率以及通行能力等有显著地作用^[2]。Mark和Karen通过分析交叉口交通特征点，以减少交通冲突为目的，研究了有无左转向相位这两种情况对左转车道车辆交通冲突的影响，分析设置左转专用车道对交叉口通行能力和通行效率以及交叉口安全的影响。

（2）交叉口信号配时方面

国外早期的信号控制采用的是单点定时控制方法，大多采用的是Webster信号配时方法，这一方法是以Webster对交叉口车辆延误的估计为基础，以车辆停车平均延误时间最短为唯一优化目标建立优化模型，通过对信号最佳周期时长的计算，确定一系列相应的参数，其中包括有车辆的平均延误、交叉口每周期的总损失时间、每相位的有效绿灯时间以及总绿灯时间等，进行信号配时方案的确定^[3]。Wenbin Hu等人为解决当前现有信号控制方法不能满足实时、动态控制的要求，提出了一种新型Multi-Intersection模型（MIM），有效缓解城市交通网络中的每个路口的交通压力^[4]。Henrikas Pranevičius提出了一种基于专家知识的孤立信号交叉口交通信号控制方法，能够根据交通条件的变化调整信号定时^[5]。Gang Tong以在交叉口最大通行能力和最小延误车辆的基础上得到最优解为优化目标，提出了交叉口交通事件优化分配的数学模型，并利用遗传算法对模型进行优化^[6]。Teo,K.T.K对交通流控制优化问题进行研究，引入遗传算法对交通流控制进行优化，使其能够在自我调整过程中找到最优解，输出最优的交叉口绿灯时间^[7]。近年来，模糊控制理论在交通信号控制领域得到了广泛的应用。1977年，Pappis等人将模糊逻辑应用于城市交叉口信号控制。从那时起，许多学者开始了这一领域的研究。Niittymaki等人采用模糊推理方法对单交叉口进行控制，通过仿真验证了模糊控制的有效性。Gao等人对四相交叉口模糊控制进行了研究。Favilla等人提出了一种基于自适应策略的城市交通模糊控制器。Chou等人^[8]根据同步控制和异步控制讨论了多车道、多交叉口的条件。Iisakki^[9]提出了一种基于实时仿真、多智能体控制和模糊干扰的控制系统。随着智能交通系统的快速发展，一些智能优化算法被应用于城市交通的协调控制中，以确定信号的定时和隶属函数^[10]。

1.2.2 国内研究现状：

（1）交叉口渠化设计方面

自从交通工程引进我国开始，我国已经有大量的学者对交叉口设计方面进行了研究，其中主要是对交叉口渠化设计以及信号配时控制这两方面的研究。其中，1991年建设部组织编写的《城市道路设计规范》就对我国城市交通建设做出了一系列的规定^[11]。随后，我国制定的《道路交通标志与标线》，针对我国实际，对我国城市交通道路的交通标志与标线进行规划，提出相关方法以及相关标准^[12]。99年，郑志坚通过对我国交通道路渠化的研究，介绍了多相位控制技术在渠化交通中的实际运用，以及将渠化与美化相结合运用到城市交通渠化设计当中。2003年杨晓光所编著的《城市道路交通设计指南》，书中对交叉口优化设计的相关方法做了详细的介绍，该书是从城市道路渠化和信号配时控制两方面对交叉口优化进行设计^[13]。蔡成彪对拓宽式交叉口进行研究，并介绍了拓宽式交叉口通行能力的计算方法以及渠化改造方法^[14]。邹联赐以深圳市交通整治工程为例，研究介绍了信号交叉口拓宽渠化的相关方法，以及用实际的案例表明交叉口渠化拓宽对于提高交叉口通行能力和行车效率的实用性以及可行性^[15]。李胜科对不规则交叉口进行研究，提出了对不规则交叉口的渠化设计方案^[16]。张水潮针对畸形交叉口，提出了畸形交叉口渠化设计的方案，介绍了畸形交叉口渠化的基本思路和实施步骤，并且通过VISSIM仿真软件对优化结果进行仿真^[17]。

（2）交叉口信号配时方面

1998顾怀中针对我国城市道路交叉口的交通流特性，通过比对传统Webster法并不适用于车流量过大的交叉口，与Webster算法不同，顾不仅选择延误时间还选择了停车次数以及通行能力作为优化模型的优化目标函数的指标，提出了基于模拟退火算法的信号配时优化算法，更加适用于我国交叉口的实际交通特性^[18]。薛清川从模型结构以及构建模型的方法上，对将神经控制应用到交通信号控制系统的可能性进行了探讨，神经网络对交通实况的预测能力能够使交通信号控制更快的响应并且做到实时控制交通信号^[19]。曹阳对交叉口自适应信号控制进行了研究，提出了通过神经网络对各流向路口的车流量进行预测，然后再基于模拟退火算法进行交通信号的实时动态配时，介绍了自适应配时模型以及算法步骤，最后基于VISSIM仿真软件证实了该方法的优越性^[20]。李硕对交叉口左转待转区的信号配时控制进行了研究，提出了一种基于遗传算法的信号配时方法，建立了左转待转区信号配时的优化模型，通过MATLAB寻求优化模型的最优解，最后再VISSIM仿真验证了该配时方法的合理性和可行性^[21]。

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

本文将研究分析交叉口车辆通行能力，基于交叉口实际调研数据，从交叉口车道渠化设计和信号配时控制两方面对交叉口车辆通行进行优化设计。再根据交叉口实际调研数据和优化后的方案，基于交通仿真软件对所设计的方案的车辆通行能力与原先的进行比较评价，以提高交叉口通行效率和车辆通行能力。

1.3.2 技术路线

图1-1 技术路线

第二章 交叉口设计规划相关基本理论

2.1 交叉口设计的重要性

城市交通网络中，城市路网的通行效率、通行能力、维护费用以及交通服务水平等，在很大程度上都与交叉口是否合理设计规划以及及时根据城市交通变化作出优化设计有着不可分割的关系。交叉口设计老化不合理会导致局部交通路网的拥堵，从而导致整个城市交通路网拥堵，因此，交叉口车辆行人交通问题处理的结果会决定整个城市交通路网的顺畅程度。不单单是我国，交叉口交通问题是全世界交通路网问题的“瓶颈”问题，是整个交通路网的重要纽带，交叉口的合理设计规划对于提高城市道路系统通行效率和通行能力有着举足轻重的意义。

2.2 平面交叉口机动车交通流分析

2.2.1 车流在信号控制下的流动分析

主要交通路网中的交叉口大多数都是由红绿灯进行信号配时控制车辆交通流动，交叉口是由两条或两条以上的道路相交的区域，有大量不同流向的车辆汇集在交叉口，由于红绿灯信号控制的作用，大量的车辆在交叉口停留、行驶，每条流向的车辆都有相应的行驶时间，交叉口车辆流动特性直接由信号配时控制所决定，信号配时确定后，车辆通过交叉口的交通流也相应确定下来。

当某一流向的绿灯亮起时，车辆前进，然而，车辆从静止状态到加速启动状态期间必然会有一个过程，因此会有延迟时间，称之为起始迟滞，进而会有一个损失时间，当后续车辆都达到行驶速度时，则是有效的绿灯时间。当黄灯亮起则同样会导致车辆减速从而使该流向的车辆交通流动的停止，则会产生终止迟滞即会有后损失时间。车流在信号控制下的车流流率如图2-1所示

图2-1 交叉口车流通过停车线的基本运动特性

以上的分析可以看出，信号配时在信号交叉口中对于车辆车流流动有着决定性作用，信号配时对于提高交叉口车辆流动效率以及车流量的控制有很大的作用，合理的信号配时可以减缓交通压力，减少车辆拥堵在交叉口中、降低局部交通路网的拥堵情况从而优化整个城市交通路网的交通情况。

2.2.2 平面交叉口的交通特征点分析

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