论文摘要：针对目前城市道路平面信号控制交叉口的交通拥挤问题，提出了交通组织与管理的优化设计方法及相应的评价方法，同时还建立了信控交叉口的通行能力和延误计算模型。
论文关键词：信控交叉口,优化设计,通行能力,延误
　　1前言
　　通常，在一个城市道路网中，平面交叉口往往成为路网容量、通行能力和交通安全的卡口。日常的交通拥挤，大部分是由于平面交叉路口的通行能力不足造成的。因此，如何提高平交路口的通行能力和改善行车秩序就成为国内外共同关注的热点，同时也是缓解城市交通拥挤的一项非常重要的措施。
　　国内外交通工程的理论和实践均已证明，通过对城市道路交叉口采取适当的组织和管理以及一定的交通工程改造措施，能有效地增加交叉口的通行能力、降低延误、并充分发挥交叉口的交通功能。另一方面，从路网层次上来看，交叉口通行能力的增加，无疑减少了车辆的时间和空间消耗，缓解了路网压力，增加了路网容量，使城市道路资源得到了最充分的利用。本文主要针对信号灯控制的平面交叉口，探讨其交通组织与管理方案的优化设计，并提出相应的方案实施效果的评价方法。
　　2信控交叉口方案优化系统结构
　　在交叉口综合治理时，总希望获得最好的效果。因此就需要对交叉口治理方案进行充分比选，做到在方案实施前就知道方案实施后的效果。对治理方案进行比选的过程实际上就是优化的过程。通常选定的优化目标是交叉口的通行能力最大，车辆在交叉口的平均延误最小。具体的优化内容有：信号配时的优化、交通工程改造措施的优化和交通管理措施的优化。
　　3信控交叉口方案优化的措施
　　如何来进行交叉口的综合设计呢？本文试图从信号配时的基本参数、交叉口交通工程改造措施以及交通管理措施等方面来对信号交叉口的交通组织与管理进行优化。
　　3.1信号配时
　　交叉口信号配时的基本参数包括：周期时长、信号相位和绿信比等。
　　（1）周期时长
　　周期时长就是指信号完成一个周期所需要的总时间，或者是从某相位的绿灯开始到下次该相位绿灯开始的时间，一般多用秒来表示。当周期过长时，排队等待的车辆驾驶员和行人将产生急躁情绪，等待的车队也过长，从而降低了交叉口的服务水平。当周期过短时，信号变换频繁，使损失时间增大，从而减少了交叉口的通行能力。又一般来说，人为的不合理的信号周期（过长或过短）都会增加交叉口的延误。
　　（2）信号相位
　　信号机在一个周期内有几个控制状态，每一个状态称为一个相位。相位组合的复杂程度和相位数目的多少通常随平面交叉口的形状和交通流方向的复杂程度而变化。相位的组合方式对信控交叉口的安全性和效率两方面都有着决定性的影响。一般情况下，使用专用相位将相互交错的车流分离，可提高安全性，但增加相位数量的同时，有效利用时间减少，交叉口通行能力下降，易造成交通拥堵。
　　（3）绿信比
　　绿信比是指有效绿灯时间和周期时长之比。绿信比的选取是否合理决定着交叉口各入口引道是否运行畅通。其实质就是绿灯时间按各入口、各方向上的需求流量占整个交叉口总需求流量的比例分配，即按需分配。
　　3.2交通工程改造措施
　　（1）交叉口交通渠化
　　交叉口交通渠化就是指在道路上用交通标线及交通岛等设施使不同类型的交通、不同方向及不同速度的车辆能象渠道内水流那样，顺着一定方向，互不干扰地顺利通过。通过交叉口渠化能改善交叉口的交通秩序，进而可以提高交叉口的通行能力和安全水平。
　　（2）拓宽交叉口
　　交叉口处的时空资源比路段少。如果相交道路的等级相同，车道数目相同，假定均为单向两车道，设每条路的路段通行能力为1，则该方向道路的路口通行能力小于等于0.5。为了使路口、路段尽可能匹配，可将各进口道拓宽，即增加进口车道。
　　3.3交通管理措施
　　（1）交通管制
　　在时间和空间上限制某一类型（如货车等）、某一方向的（如左转、右转等）车辆通行，从而提高整个交叉口的通行能力和减少行车延误。
　　（2）非机动车、行人分流
　　当非机动车、行人对机动车辆的交通组织运行产生不可调和的矛盾时，就需要考虑将非机动车、行人分流，减少交叉口的运行复杂性。这种情况多发生在交叉口机动车辆交通组织本身就复杂，加之非机动车、行人流量较大的情况下。
　　（3）按照交通流流向渠化进口车道功能
　　交叉口进口道车道功能划分主要是根据交通流流量、流向等参数将入口引道划分为不同运行方向专用车道或共用车道。入口引道处交通渠化的优劣直接影响车辆在交叉口滞留时间的长短。
　　4信控交叉口交通组织与管理方案的评价
　　4.1运行效率
　　运行效率主要体现在车辆的平均延误和饱和度上。车辆平均延误是指车辆在通过交叉口时由于交通信号装置而产生的延误除以总交通量，即得车辆的平均延误。车辆平均延误的大小直接影响着交叉口的服务水平。饱和度为交叉口实际交通量与通行能力的比值，该指标反映了交叉口道路的时空利用率。
　　4.2运行秩序
　　运行秩序的优劣直接影响着交叉口的安全水平，运行秩序优良可提高安全水平，反之亦然。评价运行秩序优良的指标有：冲突点面密度、渠化状况、行人过街设施等。
　　5信控交叉口通行能力和延误的计算
　　在信号控制平面交叉口上可以利用半经验的、数学的或仿真的几种模型来预计交叉口的通行能力和行车延误。
　　5.1信控交叉口通行能力的计算
　　在我国现行《城市道路设计规范》以及交通工程参考书中，信号交叉口通行能力按进口车道功能划分根据停车线法原理进行计算，具体计算公式如下。
　　（1）一条直行车道的设计通行能力
　　（1）
　　式中：为一条直行车道的设计通行能力；为信号灯的周期时长；为一个周期中某个相位的绿灯时间；为损失的绿灯时间；为车辆与车辆之间的车头时距，其大小与车辆的组成、车辆的性能及驾驶员条件有关；为路口综合折减系数，多取为0.9。
　　（2）一条直右车道的设计通行能力
　　（2）
　　（3）一条直左车道的设计通行能力
　　（3）
　　式中：为直左车道中左转车所占的比例。当交叉口入口引道没有设置右转专用车道时，按式（4）来计算；当交叉口入口引道设有右转专用车道时，按式（5）来计算。
　　（4）
　　（5）
　　式中：为左转车占本面进口道交通量的比例；为右转车占本面进口道交通量的比例；为包含直行的车道总数（含直行专用车道、直左车道、直右车道和直左右车道）。
　　（4）一条直左右车道的设计通行能力
　　（6）
　　（5）交叉口进口道设计通行能力
　　当没有设置专用车道时，交叉口进口道的设计通行能力等于该进口道各进口车道的设计通行能力之和。
　　当交叉口各进口道设计有专用车道时，进口道通行能力的计算应单独考虑。
　　当进口道处同时设置有左转专用车道和右转专用车道时，进口道通行能力的计算可按式（7）来进行。
　　（7）
　　当进口道处仅设置有左转专用车道而无右转专用车道时，进口道通行能力的计算可按式（8）来进行。
　　（8）
　　当进口道处仅设置有右转专用车道而无左转专用车道时，进口道通行能力的计算可按式（9）来进行。
　　（9）
　　其中：为本面进口道的所有直行专用车道的设计通行能力之和。
　　（6）信号控制交叉口的设计通行能力
　　信号控制交叉口的设计通行能力为该交叉口各进口道的设计通行能力之和。
　　5.2信号交叉口延误的计算
　　对于信号控制交叉口延误的计算模型较多，常用的计算模型有如下一些。
　　（1）美国道路通行能力手册（HCM）中给出的延误计算方法，假定车辆是随机到达的，则每辆车在信号交叉口进口道上的平均停车延误为：
　　（10）
　　（11）
　　（12）
　　其中：表示每辆车的平均延误（s/辆）；为均匀延误（s/辆）；为过饱和延误（s/辆）；为信号灯周期时长（s）；为进口道的绿信比；为进口道的饱和度。
　　进口道的绿信比和进口道的饱和度可根据公式（13）来进行计算：
　　（13）
　　其中：为有效绿灯时间（s）；为进口道的交通量（辆/h）；为进口道的通行能力（辆/h）。
　　HCM方法的适用范围为饱和度。
　　（2）假定在进口道车辆的到达率为常数，则车辆平均延误时间为可按式（14）来计算：
　　（14）
　　（3）假定在进口道车辆的到达服从泊松分布，则车辆平均延误时间可按式（15）来计算
　　（15）
　　（4）一般而言，在交叉口进口道，实际车流的到达规律比泊松分布的波动性要小，但比均匀到达的波动性要大，是介于二者之间的一种到达率，这可以利用式（14）和式（15）的任意一种组合来表示：
　　（16）
　　其中：、为组合系数。
　　（5）基于交叉口进口道车辆到达的随机波动性，Webster利用排队论与数字计算机模拟相结合的方法，提出了如下式（17）所示的信号控制交叉口平均每辆车的延误计算公式：
　　（17）
　　式（17）中的第一项表示车辆的到达率为恒定值时产生的正常相位延误，第二项和第三项则表示车辆的到达率随机波动时产生的附加延误时间。当饱和度较低时，第二项和第三项所占的比例很小，但随着饱和度的增加，第二、三项对计算结果的影响就越来越大了。
　　（6）在式（17）所示的延误计算公式中，当饱和度时，延误，即越接近于1，算得的延误越不准确，通常式（17）仅适用于饱和度的车流。基于上述原因，Akcelik考虑了超饱和交通情况，把延误公式改为：
　　（18）
　　其中：表示平均过饱和排队车辆数（辆/h），按下式（19）和（20）来进行计算：
　　（19）
　　（20）
　　其中：为饱和流量（辆/h）。
　　6结论
　　本文从信号配时、交通工程改造措施和交通管理措施等方面提出了信号控制交叉口交通组织与管理的优化设计方法，并建立了相应的方案评价指标体系。最后，本文给出了信控交叉口通行能力和延误的计算模型，为优化设计方案的合理评价提供了理论上的指导。
参考文献
1 王炜,过秀成.交通工程学[M].南京:东南大学出版社,2000年.
2 美国交通工程师协会编.道路通行能力手册[M].任福田等译.北京:中国建筑工业出版社,1991年.
3 王殿海.交通流理论[M].北京:人民交通出版社,2002年.
4 张云颜,李文权.信号交叉口通行能力扩展的研究[J].山东交通学院学报,2004,12(3):13-16.
5 方欢.提高平面信号交叉口通行能力与安全的若干措施[J].福建公安高等专科学校学报,2002,16(2):60-62.