交叉口信号配时设计与分析

《交通工程》课程设计成绩：

交叉口信号配时设计与分析

专业年级：交通运输2014-02班

姓名：杨银江

学号：01140244

指导老师：顾正洪

日期：2017年1月2日

摘要

随着城市汽车数量的快速增长，城市道路拥堵问题也日益凸显，在解决道路拥堵问题上，除了不断改进现有道路交通设施设备外，设计交叉口良好的信号配时也是尤为重要的。交叉口的信号配时能很好的对来自不同方向的车辆进行分流，缓解交通拥堵，同时减少交通事故的发生。本文基于徐州市矿大老校区易初莲花交叉口交通量、交叉口几何尺寸以及现有信号配时的调查数据，分析了交叉口的运行状况和服务水平。针对现有信号控制方案存在的问题，本文进行了相关的信号配时设计。

关键词：平面交叉口；交通量；通行能力；信号配时；最佳周期

目录

1.交叉口现状 (4)

1.1道路状况 (4)

1.2交叉口现有信号配时方案 (5)

1.3设计意义 (6)

2.信号配时计算方法 (6)

2.1相同流量交叉路口信号配时 (6)

2.2不同交通流量交叉路口信号配时 (7)

2.3行人过街时间 (7)

3.交叉口运行状况的调查 (8)

3.1数据收集 (8)

3.2数据处理与分析 (9)

3.2.1交通量的计算 (9)

3.2.2通行能力的计算 (10)

3.2.3交叉口服务水平分析 (11)

3.3交叉口存在的问题 (12)

4.信号配时方案设计 (13)

4.1信号相位的确定 (13)

4.2最佳周期 的计算 (13)

4.3绿灯时间的分配 (14)

4.4行人过街时间 (14)

4.5信号配时方案 (15)

5.信号配时方案评价 (16)

5.1通行能力的计算 (16)

5.2交叉口服务水平 (17)

5.3设计信号配时方案总评 (18)

6.总结与心得 (18)

参考文献： (19)

1.交叉口现状

1.1道路状况

交叉口位于徐州市主要城区内，南向为中国矿业大学主要出口，两侧商店较多，人流量大，还是重要的公交枢纽站，公交车数目较多。同时南北方向是连接车市中心区域的重要通道，主要的进城方向的车流与公交车在此经过。车流量数据较大。东西向是三环南路的一部分，是徐州过境交通的主要通过节点，三环南路的畅通对过境交通的通行具有重要意义。此交叉路口是重要的徐州市重要交叉口之一，研究此路口的信号配时方案设计对提高交叉口的通行能力，缓解此处交通拥堵问题具有重要意义。

交叉口是典型的十字交叉口。北进口由两个直行，一个左转，一个直右，一个右转车道组成；南进口由两个直行两个左转，一个公交专用道，一个右转组成；东进口由三个直行，一个左转，一个右转组成；西进口由两个直行，两个左转，一个右转组成。详细的车道分布情况见图1。

图1交叉口交通环境CAD模拟草图

1.2交叉口现有信号配时方案

交叉口交通信号灯采用四相信号控制，分为东西直行、东西左转、南北直行和南北左转四个相位。黄灯时间为3s，平峰时段信号周期为137s,高峰时段信号周期为140s。同时晚高峰时段内的南北直行和南北相位之间设有6s的信号全红时间，用以清空交叉口内的车辆，便于下一相位车流的进入和通过。详细信号配时见图2和图3。

图2交叉口平峰时段相位图

图3交叉口高峰时段相位图

1.3设计意义

城市交叉口作为中断车流的重要节点，对整个的路段的通行能力、交叉区域的车流冲突情况具有重要意义。在现有交叉口道路宽度，车道数目一定的情况下，改进不同方向车道数目，以及调整信号周期配时，将对城市道路通行能力的提升具有重要作用，对于道路拥堵问题的解决具有一定帮助。

2.信号配时计算方法

周期时间就是红绿灯信号显示一个周期所需要的时间，为信号阶段的一个完整的系列。在交通信号控制系统中，周期时间又可具体分为最佳周期、最小周期与最大周期等，本文研究信号配时介绍最佳周期的计算。

最佳周期时间（ ）是使交叉路口各方向车辆通过路口的总延误最小的周期时间，亦即最优的周期时间，在周期运行时间内信号发挥最高的效率，车辆的总延误最小。

2.1相同流量交叉路口信号配时

对于一个独立、交通流量稳定，各进口流量相等，到达的时间为随机的路口，据英国TRRL的实验研究证明，使车辆延误最小的最佳周期时间可由下式计算：

晦? 砀? t h t t ?

式中：L———一个周期内总的延误时间（s），一般取黄灯总时长;

Y———路口各相位y值的总和，y是流量与饱和流量的比值，Y ∑y。

由于y值是按按平均流量算出的，而每个周期到达路口的流量是变化的，因此当周期时间稍大于最佳周期时，延误增长较小；当周期稍小于最佳周期时间，延误增长较大，故实际应用时的周期时间，应稍大于最佳周期时间。

得出最佳周期 后，按等饱和度原则分配绿灯时间：

t t t t t?

式中： t——各相位有效绿灯时间（s）;

tth ——各个相位的最大流量比。

2.2不同交通流量交叉路口信号配时

对于不同交通流量路口所需周期长度，可用下式计算周期长度：

于于于 通

于于于t t t于?

式中： ——信号周期时间长度；

P——信号灯的相位数；

——对每一相位中，交通流量负荷最大的单车道入口引道总的车流当量（辆/h），对于总流量中有公共车和货车辆数（H）,左转车辆数（L）的N条进口车道则应换算为等效车流量。

对于每个相位的不同方向：

V砀 晦?H砀 晦6L t t ?

即公共汽车与货车增加50%，左转车增加60%。每个相位取最大值max ,求和后得到 ,即下式：

j P th

t t??

计算得到最佳周期后，按每相位max 分配绿灯时间：

t th t t t6?

2.3行人过街时间

城市信号交叉路口的信号配时除了考虑车辆外，还需要考虑行人。信号各个相位的配时应和行人的过街时间相对应，也就是说，机动车通行的绿灯时间不能小于同时间开放的人行横道上行人能全部安全通过的时间。行人过街绿灯信号时间的计算如式2-7。

行 砀h砀t t t t??

——行人过街绿灯时间；

式中：

行

R———行人反应时间，一般取2~3s;

N———一个信号周期内在斑马线上的行人过街排数，N t 于6 ，C为行人交通量，T 为信号周期，d为行人肩宽，考虑行人间隔取0.6m，L为人行横道宽度；

W———人行横道宽度，即车行道的宽度。

按一般行人步行速度为1.2m/s,通过人行横道长度W，，所需时间为（W/1.2）s,为了安全起见，对走得慢的老人、小孩应乘上1.2的安全系数，故式中用W值。

3.交叉口运行状况的调查

3.1数据收集

为分析交叉口的运行状况，我们需要通过实地调查获取交叉口机动车和行人的交通量，其中机动车交通量的观测，我们将车流分为大型、中型和小型汽车分别进行统计，与行人交通量的观测同时进行，时间间隔都为5min。对应一个上午平峰（9：00-10；00）和一个晚高峰（17：00-18：00），我们调查了交叉口的交通量，同时记录交叉口现有的信号配时方案，对交叉口的几何尺寸也做了一定的测量，在交通量调查结束之后，我们对各个进口各个方向的车流进行了车头时距的调查，为后续交叉口通行能力的计算做数据准备。

对交叉口交通量的调查，我们对交叉口的进口位置以及人行横道进行了划分，进口分为东、西、南和北四个进口，人行横道分为金山东路东向、金山东路西向、解放南路南向和解放南路北向四条。具体地理划分见图4。

图4矿大老校区易初莲花交叉口地理分划图

3.2数据处理与分析

对调查得到的数据，我们按相应的计算方法进行了处理和分析。

3.2.1交通量的计算

机动车交通量的计算，对大中小三种车型取用的换算系数分别为2、1.5和1，汇总计算每个进口的交通量，最后计算整个交叉口的交通量，平峰和晚高峰的交通量大小见表1。

表1交叉口机动车交通量（pcu/h）

东进口西进口南进口北进口交叉口平峰58499816251288.54495.5

高峰8261148.51719.514825176由上表的交通量数值，绘制得到交叉口各个进口的交通量分布图，见图5和图6。

图5平峰交叉口各进口交通量分布

图6晚高峰交叉口各入口交通量分布

从交通量大小，都能看出南进口的交通量是最大的，南进口平峰和晚高峰交通量的占比都是最大的。交叉口的交通负担主要由南进口构成。而东进口的交通量数值和占比都最小，这主要还是因为交叉口的东向正在施工建设高架桥，主干路段不通，导致东进口的交通量减少。

其次是行人交通量的统计，统计结果见表2

表2交叉口行人交通量

金山东路东向金山东路西向解放南路南向解放南路北向平峰217104417141

高峰470211931215

3.2.2通行能力的计算

交叉口的通行能力为各个进口的通行能力之和，各个进口的通行能力又等于进口内各条车道的通行能力之和。

在计算交叉口能力的计算方法上面，目前主要有《城市道路设计规范》里的方法、饱和流率模型法、冲突点法以及停车线法等，在这里计算交叉口通行能力用到的方法是停车线法，

具体的计算公式此处不再赘述。表3各个进口通行能力计算值的汇总表。

表3各进口通行能力计算值（辆/h）

东进口西进口南进口北进口交叉口平峰21142072267724699332

高峰20902050256523879092根据通行能力计算值可以看出，晚高峰的通行能力是略小与平峰的通行能力的，这点主要是因为晚高峰车流量大，交叉口交通负荷也就很大，相应信号配时周期变长，同时出于安全和车辆放行通畅的考虑晚高峰还设置了6s的全红时间，增加了信号周期，同时相比平峰时段，晚高峰各相位绿灯时间除南北直行相位减少3s外，其他时间并无改变，信号绿信比减小，交叉口通行能力下降。

3.2.3交叉口服务水平分析

平面交叉口的交通服务水平受到交通控制，饱和度（V/C）、通过交叉口所需时间、延误时间、停车时间、停车次数和频率等影响。这里通过计算交叉口的饱和度值来分析交叉口的服务水平。表4交叉口服务水平等级划分。

表4交叉口服务水平等级

一二三四五

V/C<0.60.6-0.70.7-0.80.8-0.9>0.9首先是计算交叉口各入口的饱和度，饱和度计算结果见表5

表5交叉口各进口饱和度

东进口西进口南进口北进口交叉口平峰0.280.480.610.520.48

晚高峰0.400.560.670.620.57然后是交叉口左转和直行单车道的饱和度计算（因右转车流不受信号控制，行车通畅，车道饱和度分析以及信号相位配时不予考虑）。计算结果见表6。

表6交叉口各车道饱和度

进口车道平峰晚高峰

左转 1.06 1.06

东进口

直行0.280.56

左转0.600.69

西进口

直行0.530.69

左转0.580.98

南进口

直行0.800.83

左转0.420.35

北进口

直行0.750.84

注：单车道饱和度为进口内左转或直行方向的总交通量与其所有左转或直行车道总通行能力的比值。

3.3交叉口存在的问题

通过表4的结果可以发现，交叉口各进口的饱和度都小于0.7，说明每个进口的服务水平都处在一级或者二级的服务水平，交叉口各进口的通行能力也还有较大的富余。

但从表5的数据可以发现，单独计算出的每条车道的饱和度就并没有和各进口的饱和度对应了。晚高峰除东进口直行和北进口左转单车道饱和度小于0.6外，其他一些车道的饱和度值也都接近于0.7或者在0.7以上。同时晚高峰南进口左转车道的饱和度也在接近与其承载能力对应的饱和度值，特别是东进口的左转车道，无论高峰还是平峰，车道的饱和度值均大于1，说明东进口左转车道的交通量已经超过了其承载能力即通行能力。平峰时段其他饱和度值总体较为缓和。

在调查过程当中我们也发现，交叉口内人行横道上行人的通行时间严重不足，往往绿灯时间是不够行人通过人行横道的。

针对上述交叉口存在的问题，本文开始在不变动交叉口原有车道的基础上，变动相应的信号相位，再结合交叉口交通量行人以及交叉口几何尺寸等数据，对交叉口进行信号配时设计。

4.信号配时方案设计

4.1信号相位的确定

综合研究单车道交通负荷（每条直行或右转车道的平均交通量）后，现做以下信号相位的重新划分：

第一相位：东左北直（东进口左转、北进口直行通行，对应金山东路西向人行横道开放）第二相位：东直南左（东进口直行、南进口左转通行，对应解放南路北向人行横道开放）第三相位：西左南直（西进口左转、南进口直行通行，对应金山东路东向人行横道开放）第四相位：西直北左（西进口直行、北进口左转通行，对应解放南路南向人行横道开放）亦即按交叉口出口开放顺序确定信号相位。

4.2最佳周期 的计算

最佳周期本文采用式2-3进行计算，先是计算每个相位的 ，按式2-4计算结果见表7。

表7各相位 值（辆/h）

相位方向平峰晚高峰

东左291285

东左北直

北直264277

东直79157

东直南左

南左166278

西左170194

西左南直

南直286267

西直151183

西直北左

北左124102

对每个相位取出max ，结果值见表8。

表8每相位max 定值表（辆/h）

相位平峰晚高峰

东左北直291285

东直南左166278

西左南直286267

西直北左151183

按式2-5计算 ，最后带入式2-3计算最佳周期 ，结果见表9。

表9 与 计算值

平峰晚高峰

（辆/h）8941013

（s）121166

4.3绿灯时间的分配

取黄灯时间为3s,按式2-6分配绿灯时间，绿灯时间分配结果见表10

表10绿灯时间（s）

相位平峰晚高峰

东左北直3643

东直南左2042

西左南直3541

西直北左1828

黄灯总时长1212

周期121166

4.4行人过街时间

按式2-7计算每条人行横道的行人过街时间，结果见表10。

表10行人过街时间（s）

人行横道平峰高峰

金山东路西向2931

解放南路北向2930

金山东路东向3033

解放南路南向3138

4.5信号配时方案

将分配过后得到的每相位的绿灯时间对比同时间放行的人行横道的行人过街时间，在两者当中取最大值作为该相位的绿灯时间，最后汇总所有相位的绿灯时间，计算最终周期时间。汇总结果即新的信号配时方案见表11。

表11信号配时方案（s）

相位平峰高峰

东左北直3643

东直南左2942

西左南直3541

西直北左3138

黄灯时长1212

周期T143176

根据表11配时方案绘制得到平峰和高峰的信号配时相位图图7和图8。

图7平峰设计信号配时相位图

图8高峰设计信号配时相位图

5.信号配时方案评价

5.1通行能力的计算

根据设计的信号配时，沿用停车线法计算交叉口在设计配时方案下的通行能力，同现有

信号配时方案交叉口通行能力大小对比，结果见表12。

表12设计信号配时与现有信号配时通行能力对比（辆/h）

配时方案时段东进口西进口南进口北进口交叉口平峰21142072267724699332现有配时

高峰20902050256523879092

平峰21492221250023199189设计配时

高峰23082196258623479437设计配时方案与现有方案对比，平峰交叉口的总通行能力小于现有方案，但晚高峰时段，交叉口总通行能力比现有方案增加了。

5.2交叉口服务水平

以设计信号配时对交叉口各个进口和单车道（左转或直行）的饱和度计算，结果见表13和表14。

表13设计信号配时下各进口饱和度

东进口西进口南进口北进口交叉口平峰0.270.450.650.560.49

高峰0.360.520.660.630.55

表14设计信号配时下单车道饱和度

进口车道平峰晚高峰

左转0.780.79

东进口

直行0.300.49

左转0.470.56

西进口

直行0.540.67

左转0.560.80

南进口

直行0.960.94

左转0.380.32

北进口

直行0.880.90

由表13的结果可以看出，在设计信号配时基础上，各个进口均处于一级或者二级的服

务水平。在现有信号配时基础下，晚高峰南进口的饱和度值最大，但在设计信号配时下，晚高峰南进口的饱和度值就有了一定的减小。

由表14的结果可以发现，在设计信号配时基础上，东进口的左转车道，无论高峰还是平峰，车道的饱和度值均已经降到了1以下，除个别进口单车道饱和度值接近于1（但小于1）外，其他车道的饱和度值也都在比较合理的范围。

5.3设计信号配时方案总评

设计配时方案，与现有配时方案相比，其优化项主要体现在以下方面：

1按交叉口出口设计信号相位，通行来自不同方向的车流，减少车流冲突。

2考虑了行人过街时间，极大的保障行人通行的安全，同时，任何时间内都有相应的人行横道开放，交叉口整体对行人的放行更加流畅。

3高峰时段取消了交叉口信号灯全红的时间，因为信号周期变长，分配给各个相位的绿灯时间增加，相位绿灯时间过后滞留在交叉口内的车辆数会大大减少，就不需要设计全红时间用以清空未能及时驶出交叉口的车辆。

4对交叉口的运行状况能有所改善，交叉口总体的服务水平有所提高。

当然，设计配时方案不可避免还是存在一定的问题，比如，对南进口直行车道的影响，在设计信号配时基础下计算出的南进口直行车道的饱和度，无论是平峰还是高峰，都由现有信号配时不到0.9的饱和度值上升到了0.9以上，这就是设计信号配时方案给交叉口整体进行优化的同时对个别进口现状的一定程度上的恶化。但是，总的来说设计信号配时方案对交叉口运行现状还是能有所改善和优化的。

6.总结与心得

在这次课程实习当中，我们通过对交叉口实地调查的交通量数据以及现有信号配时和交叉口几何尺寸，分析了交叉口的运行状况和服务水平，以调查得到的数据为基础并针对交叉口运行存在的问题，我们对交叉口进行新的配时设计，并对设计方案做出一定的分析和评价。整个实习过程中，我们处理了大量的数据，也参考和查阅了许多相关书籍和资料，走过许多弯路也遇到过许多难题，但最后还是很好的解决了这些问题并设计出了自己的方案。课程设计真正地让我们把书上地理论知识用于实际的生活中，并在实践过程中不断发现问题和解决问题，最后更加理解和掌握知识，学会理解知识更要学会如何运用知识，这也是我觉得自己在这课程设计当作所收获到的最大的地方。

参考文献：

[1]徐吉谦，陈学武.交通工程总论[M].人民交通出版社股份有限公司，2015.

[2]陈宽民,严宝杰,任福田.道路通行能力分析[M].北京:人民交通出版社,2011.

[3]李瑞敏，章立辉.城市交通信号控制[M].北京：清华大学出版社，2015.