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        城市交通信號(hào)控制的新思路
        ——基于綜合待行區(qū)的交通控制方法研究

        2018-09-10 09:00:00付豐
        城市道橋與防洪 2018年7期
        關(guān)鍵詞:停車線交通信號(hào)信號(hào)燈

        付豐

        (上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海市 200031)

        0 引言

        隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展、城市化的不斷擴(kuò)張,機(jī)動(dòng)車輛日益增加,交通擁堵已成為城市生活的通病,尤其是特大城市,交通供需不平衡這一矛盾更為突出。該次研究就是在此背景下提出。

        國內(nèi)外針對(duì)城市交通信號(hào)控制已經(jīng)有了大量的研究。當(dāng)前的城市交通信號(hào)控制模式中,都是基于交叉口只有一條停車線來進(jìn)行交叉口交通渠化組織與交叉口交通信號(hào)控制。大多數(shù)研究側(cè)重于基于交通信息預(yù)測(cè)的交通信號(hào)控制優(yōu)化以及區(qū)域自適應(yīng)交通信號(hào)控制優(yōu)化。陸化普等人研究了實(shí)時(shí)自適應(yīng)交通信號(hào)控制優(yōu)化理論模型,其關(guān)鍵思路是把交通延誤和停車次數(shù)綜合為一個(gè)性能指標(biāo)對(duì)路網(wǎng)交通信號(hào)進(jìn)行整體優(yōu)化;楊兆升等人研究了交通信號(hào)控制與交通誘導(dǎo)的智能協(xié)作,建立了控制與誘導(dǎo)協(xié)同控制模型;Ding Zhongjun研究了T形交叉口基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的交通信號(hào)控制方案;Li Zhipeng面向城市干線交叉口信號(hào)控制,基于旅行時(shí)間短時(shí)預(yù)測(cè),提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)指數(shù)平滑模型;Md.Shabiu Islam等人通過建立交通模糊邏輯規(guī)則,基于交叉口動(dòng)態(tài)交通流進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì);Zheng Xing等人對(duì)交叉口實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制模型及控制算法進(jìn)行了研究。

        基于此,本文對(duì)基于設(shè)置雙停車線的交叉口綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制方法進(jìn)行了研究,重點(diǎn)論述了該方法實(shí)施的理論基礎(chǔ)、雙停車線設(shè)置原則和雙停車線交通信號(hào)控制策略,通過交通仿真模擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行數(shù)據(jù),結(jié)果表明該方法對(duì)改善交叉口通行能力具有顯著的作用。

        1 相關(guān)定義

        基于綜合待行區(qū)的交通控制是指在一個(gè)城市交叉口的各個(gè)進(jìn)口方向上,在原有的停車線后面加設(shè)一條停車線,使紅燈期間等待放行的車輛分別排在前后兩個(gè)排隊(duì)區(qū)域內(nèi),停在第一停車區(qū)的車輛在綠燈放行時(shí),能夠充分利用交叉口和此間路段的通行空間,最大效率地利用有效綠燈時(shí)間,提高交叉口的通行能力?!盎诰C合待行區(qū)的交通控制”運(yùn)用排隊(duì)論、流體力學(xué)模擬理論等理論方法并充分結(jié)合現(xiàn)有交通檢(監(jiān))測(cè)、定位、導(dǎo)航、誘導(dǎo)、智能控制ITS等技術(shù),建立了一整套能最大限度利用交叉口、路段的通行空間,在交叉口上游路段增設(shè)一組或多組信號(hào)誘導(dǎo)裝置,提前對(duì)分向車流進(jìn)行指示誘導(dǎo),有序進(jìn)入綜合待行區(qū)多車道預(yù)排隊(duì)再通行的交通控制的技術(shù)和裝置。綜合待行區(qū)域內(nèi)的車道方向不再固定,而是根據(jù)需要不同方向車流可以交替使用。設(shè)置綜合待行區(qū)的交叉口功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

        圖1 設(shè)置綜合待行區(qū)的交叉口功能結(jié)構(gòu)示意圖

        在圖1中,基于綜合待行區(qū)的交通控制方法為通過在進(jìn)口方向上的原有停車線后面加設(shè)一條停車線和車輛誘導(dǎo)信號(hào)燈,這樣原有的車輛排隊(duì)等待區(qū)就被重新劃分為等待區(qū)、導(dǎo)流區(qū)、綜合待行區(qū)三部分。車輛首先駛?cè)氲却齾^(qū),等待誘導(dǎo)信號(hào)燈的指示;當(dāng)誘導(dǎo)信號(hào)燈指示目標(biāo)方向的通行即將開始,可提前進(jìn)入排隊(duì)區(qū)域時(shí),車輛根據(jù)提示經(jīng)過導(dǎo)流區(qū)駛?cè)刖C合待行區(qū)相應(yīng)車道;當(dāng)通行信號(hào)燈指示目標(biāo)方向可通行時(shí),等待在綜合待行區(qū)的車輛駛離綜合待行區(qū),快速通過交叉口。

        2 方法特點(diǎn)

        基于綜合待行區(qū)的交通控制是采用雙停車線的新型交叉口交通控制技術(shù)。該控制技術(shù)的特點(diǎn)主要有以下五個(gè)方面:

        (1)實(shí)現(xiàn)了車輛的提前排隊(duì),減少延誤,提高了交叉口的通行能力。

        (2)交叉口信號(hào)燈相位組合更加靈活,每相位周期大幅縮短。

        (3)充分利用交叉口車道資源,道路功能得到更大程度的發(fā)揮。

        (4)投資小,適用范圍廣,效果突出,特別適用于已不能進(jìn)行大規(guī)模拓寬改造的道路和大流量擁堵城市。

        (5)減少了車輛停車次數(shù),減少車輛怠速油耗,減少尾氣污染、車輛磨損和交通出行時(shí)間,提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。

        3 雙停車線位置選取原則

        采用基于綜合待行區(qū)的交通控制,涉及第二停車線的位置選擇問題。如圖2所示,影響兩停車線間距D的主要因素有交叉口該方向的交通流量Q、兩交叉口間道路長(zhǎng)度L、是否設(shè)有公交站及其具體位置BL。

        交通流量的大小是決定第二停車線位置的重要因素。兩停車線間距與交通流量的關(guān)系可近似為圖3所示的非線性關(guān)系,即D=f(Q)。在一定范圍內(nèi),Q越大,第二停車線與第一停車線之間的D就要相應(yīng)地?cái)U(kuò)大,但兩停車線間的距離不能過大或者過小。另外,總長(zhǎng)度L小于200 m的道路是不適宜設(shè)置綜合待行區(qū)的。如果設(shè)有公交站的道路還應(yīng)該滿足BL≥D。

        圖2 停車線位置影響因素示意圖

        圖3 兩停車線間距與交通流量的關(guān)系示意圖

        4 相序研究

        基于綜合待行區(qū)的交通控制相序設(shè)計(jì)主要是指對(duì)通行指示燈和誘導(dǎo)指示燈相位順序的設(shè)計(jì)。通行指示燈的相序相對(duì)于原先的交通信號(hào)燈相序來講,組合方式更加靈活,相位配時(shí)大幅縮短。而對(duì)于誘導(dǎo)指示燈來說,其相序是超前于通行指示燈的。當(dāng)通行指示燈為直行通行時(shí),誘導(dǎo)指示燈為誘導(dǎo)左行填充狀態(tài),指引左行車輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待;當(dāng)通行指示燈為左行通行狀態(tài)時(shí),誘導(dǎo)指示燈為誘導(dǎo)右行填充狀態(tài),指引右行車輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待;當(dāng)通行指示燈為右行通行狀態(tài)時(shí),誘導(dǎo)指示燈為誘導(dǎo)直行填充狀態(tài),指引直行車輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待;當(dāng)通行指示燈為紅燈等待狀態(tài)時(shí),誘導(dǎo)指示燈為誘導(dǎo)左、右行填充狀態(tài),指引左、右行直行車輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待通過。

        交叉口車流量是用單位時(shí)間內(nèi)通過的車輛數(shù)來衡量的?;诰C合待行區(qū)的交通控制采用相序“疊加”的方式,對(duì)要經(jīng)過交叉口的車輛進(jìn)行提前誘導(dǎo)排隊(duì),縮短了傳統(tǒng)基于單停車線的控制方式中車輛換道排隊(duì)的時(shí)間,大幅提高了通行效率。圖4為多種交通信號(hào)控制方式下的交叉口車輛通行流量比較。

        圖4 多種交通控制方式信號(hào)相序比較

        由圖4可見,傳統(tǒng)控制方式中各個(gè)通行方向的信號(hào)配時(shí)包括了排隊(duì)與通行兩部分,在擁堵的交叉口,車輛不能及時(shí)排隊(duì),通過交叉口的速度非常緩慢,嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致多個(gè)交叉口間的連續(xù)擁堵。而基于綜合待行區(qū)的交通控制方式將車輛排隊(duì)提前,在當(dāng)前相序階段就有序地引導(dǎo)下一個(gè)相序階段可以通過的車輛進(jìn)行排隊(duì),這樣在下一個(gè)相序階段可以通過的車輛早已完成了排隊(duì),可以直接快速駛離交叉口。因此在圖中三種交通控制方式的比較中,基于綜合待行區(qū)的交通控制方式完成十字交叉口南北、東西兩向的車輛放行所需的時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)控制方式,即基于綜合待行區(qū)的交通控制的交通信號(hào)相序周期明顯縮短。

        5 仿真方案設(shè)計(jì)

        5.1 雙停車線位置選取

        假設(shè)某平面十字交叉口南進(jìn)口所在路段全長(zhǎng)500 m,南向北方向距上游交叉口200 m處設(shè)有公交站。北進(jìn)口所在路段全長(zhǎng)600 m,北向南方向距上游交叉口300 m處設(shè)有公交站,南北進(jìn)出口道均為三進(jìn)三出車道規(guī)模。

        南北方向距該交叉口50 m處設(shè)立了誘導(dǎo)信號(hào)燈,試進(jìn)行基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制。

        5.2 交通信號(hào)相位設(shè)計(jì)

        通行信號(hào)燈與誘導(dǎo)信號(hào)燈的相位圖如圖5所示。根據(jù)前文所述,誘導(dǎo)信號(hào)燈的時(shí)序總是超前于通行信號(hào)燈,當(dāng)通行信號(hào)燈為紅燈等待狀態(tài)時(shí),誘導(dǎo)信號(hào)燈為左、右行車輛誘導(dǎo)狀態(tài)(見圖5a、b);當(dāng)通行信號(hào)燈為直行通過狀態(tài)時(shí),誘導(dǎo)信號(hào)燈為左行車輛誘導(dǎo)狀態(tài)(見圖5c);當(dāng)通行信號(hào)燈為左行通過狀態(tài)時(shí),誘導(dǎo)信號(hào)燈為右、直行車輛誘導(dǎo)狀態(tài)(見圖5d);當(dāng)通行信號(hào)燈為右行通過狀態(tài)時(shí),誘導(dǎo)信號(hào)燈為直、左行車輛誘導(dǎo)狀態(tài)(見圖5e、f)。

        5.3 交通信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)

        圖5 基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制相位設(shè)計(jì)

        雙停車線法信號(hào)周期和各相位綠燈時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算是在經(jīng)典Webster法基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到的。以延誤做交通效益指標(biāo),用Webster定時(shí)信號(hào)交叉口延誤公式優(yōu)化,可得定時(shí)信號(hào)最佳周期時(shí)長(zhǎng):

        式中:L為信號(hào)總損失時(shí)間;Y為流量比總和。整個(gè)交叉口中,各個(gè)相位的y值的總和,即Y=∑y,y是流量與飽和流量的比值。

        信號(hào)總損失時(shí)間的計(jì)算:

        式中:Ls為啟動(dòng)損失時(shí)間;A為黃燈時(shí)間;I為綠燈間隔時(shí)間;k為一個(gè)周期內(nèi)的相位數(shù)。

        根據(jù)式(2)確定的最佳周期時(shí)長(zhǎng),可得每周期的有效綠燈時(shí)間:

        把Ge在所有信號(hào)行為之間按各相位的最大流量比值進(jìn)行分配,得各相位的有效綠燈時(shí)間,如

        由于采用雙停車線法進(jìn)行控制,第一停車區(qū)內(nèi)排隊(duì)的車輛放行時(shí)所用的時(shí)間比單停車線法控制時(shí)相同排隊(duì)車輛數(shù)所需的時(shí)間短,根據(jù)雙停車線法和單停車線法放行車道數(shù)的關(guān)系,修正后的有效綠燈時(shí)間為

        式中:t直為單停車線法到雙停車線法控制折算后的平均直行車排隊(duì)長(zhǎng)度放行所需的時(shí)間。

        該式計(jì)算的時(shí)間為直行相位所需的時(shí)間。同理,左轉(zhuǎn)相位所需的時(shí)間為

        將各相位的有效綠燈時(shí)間加起來,再加上信號(hào)總損失時(shí)間就是雙停車線法的最佳周期時(shí)間。然后再算得各相位的實(shí)際顯示綠燈時(shí)間:

        根據(jù)該交叉口的實(shí)際情況,本文設(shè)計(jì)了90 s的信號(hào)周期,如圖6所示即為該交叉口南北方向的信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)圖,其中在通行信號(hào)燈的直綠、左綠、右綠時(shí)序內(nèi)都包含了誘導(dǎo)信號(hào)燈的誘導(dǎo)時(shí)序。

        圖6 基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制配時(shí)設(shè)計(jì)

        6 對(duì)比分析

        目前僅在南北方向設(shè)計(jì)了綜合待行區(qū),試運(yùn)行基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制模式,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在提高交叉口通行能力方面,現(xiàn)有模式下,由于綜合待行區(qū)的存在,使車輛提前進(jìn)入準(zhǔn)備階段,從而提高了車輛通過交叉口的通行速度。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),現(xiàn)有模式下,南北向通行能力較傳統(tǒng)的信號(hào)控制方式可增加約100%,整個(gè)交叉口通行能力可增加約70%。

        在減少交叉口延誤方面,以北進(jìn)口為例,較傳統(tǒng)的信號(hào)控制方式,運(yùn)用排隊(duì)理論簡(jiǎn)易算法計(jì)算出的最大降低延誤約8倍,排隊(duì)長(zhǎng)度縮短約90%。

        7 結(jié)語

        綜上所述,基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制用于嚴(yán)重?fù)矶陆徊婵?,可以充分利用交叉口的通行空間,保證良好的交叉口行車秩序,有效提高車輛通過交叉口的效率,降低交叉口行車延誤,從而降低交叉口的交通排隊(duì)和擁堵現(xiàn)象。如果大量使用該控制模式,可以從整體上降低能耗和交叉口汽車尾氣污染,改善城市交通環(huán)境,特別是對(duì)于大流量的城市道路交通,應(yīng)用基于綜合待行區(qū)的交通控制系統(tǒng)將會(huì)有更明顯的使用效果。這為解決當(dāng)前城市道路交通問題開辟了新的解決思路,能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,相關(guān)方法可為城市交通設(shè)計(jì)及擁堵治理提供參考。

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