整理版14城市道路交叉口通行能力的建模分析與優(yōu)化管理(word生成)-7

40/40城市道路交叉口通行能力的建模分析與優(yōu)化管理；摘要；本文立足于我國混合交通交叉口的運行規(guī)律與特點,研;對于第二個問題，本文基于間隙接受的通行能力計算方;針對機動車與機動車沖突問題，考慮在理想狀況下采用;針對行人與機動車沖突問題,就單向車流與單向人流相;針對非機動車與機動車沖突問題,首先針對機動車右轉；最后在計算所研究的車流上的各個沖突區(qū)（行人一機動;對于第三個城市道路交叉口通行能力的建模分析與優(yōu)化管理摘要本文立足于我國混合交通交叉口的運行規(guī)律與特點,研究混合交通條件下道路信號交叉口通行能力的基礎理論與方法。從研究思路、研究方法等方面，分析并綜合利用國內外現(xiàn)有相關研究，建立了量化行人、非機動車對通行能力影響的解析模型，最后著眼于混合交通交叉路口的道路建設和交通管理方面,建立了基于遺傳算法的信號配時優(yōu)化模型，對信號交叉口配時方案提出優(yōu)化方案。首先，在合理抽象和簡化的基礎上，描述了某一典型混合交通交叉路口的自行車、機動車、行人的情況，并針對給出的交叉路口，從信號控制、渠化分離、安全教育三個方面提出了相應的交通管理方案和建議。對于第二個問題,本文基于間隙接受的通行能力計算方法,以沖突區(qū)為著眼點將通行能力的計算分為以下三個方面詳細進行討論計算：針對機動車與機動車沖突問題，考慮在理想狀況下采用國內普遍使用的停車線法,就直行車道、直右車道、直左車道三種類型的車道分別計算其通行能力。并依據(jù)進口道設計通行能力為各車道設計通行能力之和的原則，對上述數(shù)據(jù)進行加總即得機動車與機動車沖突區(qū)的道路通行能力。針對行人與機動車沖突問題，就單向車流與單向人流相交這一簡單情形，建立人車沖突區(qū)機動車通行能力的計算模型，依據(jù)飽和流與非飽和流的計算，對機動車通行能力進行細化求解。并通過考慮雙向人流，對上述模型進行一定的修正,使計算結果更符合實際.針對非機動車與機動車沖突問題，首先針對機動車右轉車情形,將非機動車對機動車的影響分為綠燈初期非機動車占用沖突區(qū)的影響等四類，求出右轉車道上的通行能力。在此基礎上，類似的分別計算機動車左轉車道和直行車道上的通行能力。最后在計算所研究的車流上的各個沖突區(qū)(行人一機動車、非機動車一機動車以及機動車一機動車)通行能力的基礎上，根據(jù)“木桶理論"的思路,確定車流通行能力瓶頸，進而確定車流通行能力。對于第三個問題,在混合交通條件下,對傳統(tǒng)的F.韋伯斯特—B?？虏祭碚撨M行了改進，并結合第一問典型交叉路口的相關數(shù)據(jù),進行信號配時方案的優(yōu)化研究。結合我國混合交通狀況的實際，構建了以延誤時間最小、停車最少、通行能力最大為目標函數(shù)的優(yōu)化模型，采用遺傳算法，通過Matlab編程實現(xiàn)交叉口信號配時優(yōu)化模型的求解。最后與現(xiàn)有配時方案進行對照,對比分析了兩種配時方案的效益。在模型建立與求解后，我們對模型的科學性和可靠性進行評述，討論了模型的優(yōu)缺點，并提出所建模型的改進與推廣方法。最后,在道路建設、科學交通管理、整頓交通秩序、加強政府職能等方面提出混合交通交叉路口管理的方案與建議.關鍵詞：混合交通通行能力木桶原理信號配時遺傳算法1.問題重述近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程的加快,城市交通系統(tǒng)得到相當大的改善。但隨著我國機動車擁有量的增多,交通擁擠堵塞以及由此導致的交通事故的增加、環(huán)境污染的加劇，已經(jīng)成為我國城市尤其是大城市面臨的極其嚴重的“城市病”之一,嚴重制約國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展和人民生活水品的提高。交通擁堵阻礙了我國城市社會、經(jīng)濟與環(huán)境的健康發(fā)展,成為社會和公眾關注的熱點問題。國內外許多研究表明，路段上一般不會發(fā)生阻塞和擁擠現(xiàn)象。路段是不會因為通行能力不足而產(chǎn)生堵塞，于是交通擁擠現(xiàn)象的癥結主要在混合交通路口.混合交通指的是汽車與非機動車或車輛與行人,在同一道路上混行的交通.混合交通是一種客觀現(xiàn)象，所謂混合交通在不同國家和不同時代其含意是不同的。在經(jīng)濟發(fā)達國家，公路上行駛的基本是汽車，混合交通是特指車速較高的小型汽車與車速較低的大型汽車所組成的交通,即行駛車輛之間存在的“速度差”；在我國，混合交通所指的是自行車、機動車、行人組成的混合交通，這種混合交通引發(fā)的交通擁堵、交通事故增加、城市環(huán)境不斷惡化、運輸效益下降等一系列問題，嚴重地影響了道路交通秩序，降低了道路通行能力,增加了道路交通管理難度。給我過交通規(guī)劃、設計、管理、控制及組織提出了更為嚴峻的挑戰(zhàn).因此，如何從道路建設、科學交通管理、整頓交通秩序、加強政府職能等措施來減少混合交通相互之間的干擾,降低交通事故率是當前人們關注的問題.因此本文就以下三個問題進行研究：1．就某由一典型混合交通交叉路口的自行車、機動車、行人的情況,給出該交叉路口的交通管理方案；2．在適當假設下，建立描述混合交通交叉路口道路通行能力的數(shù)學模型,并根據(jù)相應分析結果提出改進措施;3。為混合交通交叉路口的道路建設和交通管理提供優(yōu)化方案。2．模型的假設與符號說明２。1.模型的假設1.本文所選的混合交叉路口具有典型性,可以代表一大類交通路況；2?；旌辖煌房谔帲瑱C動車、行人以及非機動車都是隨機到達,其到達概率服從一定的分布，行人群到達時距服從移位負指數(shù)分布，使用泊松分布描述非機動車的隨機到達;3.機動車、行人以及非機動車的行為特征具有普遍性，研究中忽略特殊情況，例如違章情況等。2．2.符號的說明Ｎs一條有直行車道的設計通行能力（pｃu/ｈ)；tc信號周期（s）；tg信號周期的綠燈時間（s);ｔｒ信號周期的紅燈時間(s）;信號交叉口右轉向機動車—行人沖突區(qū)通行能力；CapＬ信號交叉口右轉向機動車-行人沖突區(qū)左轉車道通行能力；V信號交叉口右轉車道機動車—非機動車沖突區(qū)通行能力;VapBＬ信號交叉口左轉車道機動車—非機動車沖突區(qū)通行能力；VapBＴ信號交叉口直行車道機動車—非機動車沖突區(qū)通行能力;其他變量符號在文中使用時給出說明。Cａpｐr3．問題分析問題一就某一典型混合交叉路口,在合理假設下，給出了該路口的實際存在的交通管理方案，由于大部分混合交通路口多為信號交叉路口,因此給出的方案即為信號燈的相位配時方案；針對問題二，分析了通行能力的定義以后,可得一個路口的通行能力可分為：機動車與機動車相互影響下道路的通行能力,行人影響下道路機動車的通行能力，非機動車影響下道路機動車的通行能力。計算通行能力的方法國內外不一。在國內，其中具有代表性的有:停車線法、中國《城市道路設計規(guī)范》推薦方法、沖突點法。國外主要使用以下方法：ＨCM推薦的飽和流率折減系數(shù)計算方法,沖突技術方法??通過計算信號交叉口道路通行能力,可以得到各個相位實際存在的通行能力,據(jù)此可以給出各個相位配時時長，即可給出問題一中典型交叉路口處交通管理方案的改進措施。問題三簡單而言，就是一個非線性優(yōu)化問題.面對信號交叉口相位配時問題的優(yōu)化,本文使用Ｆ。韋伯斯特—Ｂ.柯布方法對信號配時方案進行優(yōu)化，并利用遺傳算法設計出混合交通條件下的信號配時方案。沿用改進的F.韋伯斯特－B．柯布公式計算了一些參數(shù),為遺傳算法服務。4。模型的準備４.1.相關術語解釋1.信號交叉口：各種城市道路交通流匯集、交匯、混雜的瓶頸之處；2。信號相位：在一個信號周期內分配給一股或多股獨立交通流的一組綠、黃、紅燈變化的信號時序；3。通行能力：飽和交通條件下重要的交叉口交通運行效率指標,是決定交通狀態(tài)、表征交通供給的最重要的指標之一［１];4．信號交叉口機動車通行能力：在一定道路、交通、環(huán)境、控制條件下，一段時間內能夠通過交叉口某一車道或車道組的停車線（或沖突區(qū)）的最大車輛流率；5。交通沖突:在交叉口安全評價中，交通沖突是在可觀測條件下，兩個會兩個以上道路使用者在同一時間，空間上相互接近,如果其中一方采用非正常交通行為，想轉換方向、改變車速、突然停車、交通違章等，除非另一方也采用避險行為，否則，會處于碰撞的境地；6。沖突區(qū)：導致信號交叉口交通混亂、事故多發(fā)的主要根源，就是交叉口處混合交通流產(chǎn)生的大量沖突點。當兩股不同流向的交通流同時通過某空間某點時，就會產(chǎn)生交通沖突，該點就稱為沖突點,沖突點所在區(qū)即為沖突區(qū)。5．問題一典型混合交叉路口交通管理方案以圖1所示信號交叉路口作為一典型混合交叉路口，該交叉口處于普通地區(qū)，各個入口的直左、直右機動車道寬度均為３m,坡度為０,基本飽和流量分別為1650、15５０vｅh/h,各進口人行橫道雙向行人流量為８0０ped／h。圖１典型信號交叉路口示意圖針對此信號交叉路口，交叉口對機動車采用2相位信號控制，對行人采取只允許行人隨本向直行機動車同時通行的控制方式。根據(jù)該交叉路口的機動車、自行車、行人的情況，給出具體交通管理方案如下:1。兩相位控制,周期時長為7５s，其中南北方向綠燈時間2５s，東西方向綠燈時間40s，黃燈時間3s,各相全紅時間為２s,紅燈期間允許右轉，相位圖見圖2；2。東西南北進口車道均為2條，其中直左合用車道1條,直右合用車道1條，寬度均為３m；3。東西向與南北向的外側均設有４m寬的供機動車和行人通行的非機動車道和人行道。圖２交叉路口相位圖除此之外,為增加交叉口通行能力，提供了相關改進建議:1。信號控制通過信號燈的設置，從時間上分離產(chǎn)生交通沖突的車流，可采用：（１）設置自行車專用相位；(2）兩次綠燈法，非機動車綠燈提前啟亮,使自行車在時間上優(yōu)先通過信號交叉口。２.渠化分離通過渠化措施，優(yōu)化交叉口，在空間上分離產(chǎn)生交通沖突的車流，可采用(1）右轉彎專用車道;(2）左轉彎專用車道；（3)左轉自行車二次過街。３.安全教育通過安全教育和安全法規(guī)制度來規(guī)范行人和駕駛員行為，使交叉路口各行進方向的參與者，能遵守交通規(guī)則，使各行進的交通車流能規(guī)律有序地通過交叉口。６.問題二混合交通交叉路口道路通行能力模型我國城市道路交通中，機動車時道路交通的主要交通工具,機車與機車之間的相互影響會導致路面交通能力的下降，當機車數(shù)過多，或者大量機車通行某處時，就有可能產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象；行人作為交通道路上最有可能受傷害的主體，受到極大的保護，機車基于行人優(yōu)先原則,對行人多以避讓，由此道路通行能力受到阻礙；自行車作為主要非機動車交通工具對機動車流的運行影響有較大影響。從自行車的特性分析，其出行距離近,出行時間短，人均占用道路面積較大,需要配套的停車空間多，靈活性大，這些特性既威脅道路交通安全，又降低機動車的通行能力，交叉口處存在機動車與非機動車的交叉交匯,機動車受非機動車的影響更為顯著。因此，深入研究機動車與機動車相互影響下、行人和非機動車影響下信號交叉口的通行能力是有必要的，這不僅為信號交叉路口建設、管理、控制和評價提供有效的理論依據(jù),而且也為解決混合交通交叉路口的安全問題提供管理方案［2，3]。6。1．理想狀況下道路通行能力模型信號燈管制十字形交叉的設計通行能力按停車線法計算，停車線法是國內計算信號交叉路口通行能力最常用的方法,停車線法在計算每個周期以第2種方式通過的左轉車的最大車輛數(shù)時,采用如下公式Cs？Ｃｓ＇ｎ？2;Ｃs為每條直行式中ｎ為每個周期第二種方式可能通過；車道在一個周期內以飽和流率通過的車輛數(shù);Cs’為；數(shù);十字形交叉的設計通行能力為各進口道設計通行能力之；６．１．1。直行車道設計通行能力;Ｎs？3６００?s(tg?ｔ1）/（ｔis？1）；tｉs直行或右行車輛通過停止線的平均間隔時間（s；？s直行車道通行能力折減系數(shù)，可采用０。9;6．1．Cs？Cｓ＇ｎ？２Cs為每條直行式中n為每個周期第二種方式可能通過交叉口的左轉車輛數(shù)，車道在一個周期內以飽和流率通過的車輛數(shù);Ｃs'為每個周期內實際到達的車輛數(shù)。十字形交叉的設計通行能力為各進口道設計通行能力之和,進口道設計通行能力為各車道設計通行能力之和.根據(jù)相關文獻，下面直接列出在不考慮行人和非機動車的情況下直行車道、直右車道及直左車道的通行能力.6.1.１．直行車道設計通行能力Ｎs?3600?s（tｇ？ｔ1)/（tis？1)/tc（1)式中：t１變?yōu)榫G燈后第一輛車啟動并通過停止線的時間（s），可采用2。3s；tis直行或右行車輛通過停止線的平均間隔時間(s/pcu)；？s直行車道通行能力折減系數(shù)，可采用0。9。6。1.2。直右車道設計通行能力式中6.1.3。直左車道設計通行能力式中Nｓr？NsNsr一條有直右車道的設計通行能力(pcｕ／h）。（2)Nsl？Ns（１？?＇/２)（3）Nsl一條有直左車道的設計通行能力(pcu／h)；？’直左車道中左轉車所占比例。6.２.混合交通條件下道路通行能力模型上述理想模型主要著眼于機動車交通環(huán)境,而針對于我國現(xiàn)行道路狀況來說，混合交通條件下，行人、非機動車與機動車的沖突是導致機動車通行能力下降、延誤時間增加以及交通安全系數(shù)下降的重要原因。因此,我們分別就行人交通與非機動車交通對信號交叉口通行能力的影響問題建立模型,進行詳細的討論。6．2.１.人車沖突區(qū)機動車通行能力模型行人-機動車沖突區(qū)是信號交叉口的瓶頸，是計算行人影響下信號交叉口通行能力的重要依據(jù)。雖然在交通信號控制下,交叉口內一部分行人-機動車沖突區(qū)可以去除,但由于信號周期長度和相位數(shù)的限制,交叉口通常仍然存在行人—機動車沖突區(qū)。如圖3所示，給出了常見的行人-機動車沖突區(qū)。圖3常見行人—機動車沖突區(qū)6.2.1．１.沖突區(qū)道路交叉口通行能力分析為了能清晰的說明行人-機動車沖突區(qū)處通行能力的計算模型，以圖4所示的簡單情形所示，即一支單向車流V與一支單向人流P相交。圖4單向車流與單向人流通過交叉口將車流Ｖ與人流P各通行一次所需總時間定義為一個“沖突周期”C。在沖突周期內包括車流V與人流P的通行時間TV、TP，則有C?ＴV？ＴP。車流Ｖ在一個周期內通過沖突區(qū)的數(shù)量期望值可以分為飽和流部分和非飽和流部分,分別設為NSＶ和NUV,則其期望值NV?NSV?NUV，相應的通行時間TV？ＴSV?TUV。當飽和流通過時行人無法通行;而當非飽和流通過時，若出現(xiàn)可接受空隙行人則會伺機截斷車流而通過。同樣，人流P也可以類似的分為飽和流與非飽和流,兩部分相應通行時間可設為TSP、TUＰ。當行人非飽和流部分出現(xiàn)機動車可接受空隙時，等候機動車會阻斷人流獲得通行。結合模型一所示的信號交叉口，其允許機動車紅燈右轉。因此,假設機動車在綠燈放行行人前取得優(yōu)先權率先到達沖突區(qū)，然后行人在機動車流出現(xiàn)足夠大的間隙時占據(jù)沖突區(qū)，此后，在沖突區(qū)無行人需要到達等候，則機動車以飽和速率通過而不受任何干擾。據(jù)以上分析，設周期內有效綠燈時間為tＧ和有效紅燈時間tR，而在一個有效綠燈周期內可能運行著若干個“沖突周期”，對于每個沖突周期i，可以Ci？TVi？ＴPi和NVi？NＳVi？ＮＵVｉ，而有效綠燈時間內無行人到達等候的時間為tfree。綜上則可得公式tG?？Cｉ？ｔfree??(TVi？TPＩ)?tfree,其排隊狀態(tài)如圖5所示。iinn圖５沖突區(qū)排隊狀況圖6.2.1。1.１．機動車飽和流部分當機動車流Ｖ飽和流部分通過時，車頭時距最小為tmｉn,設車流飽和流部分通過沖突區(qū)時的流速為SV，車流V在信號交叉口的機動車到達率為？V。則在飽和流部分通過機動車數(shù)為：NＳＶ？TＳＶSV／３60０?(TP？TSV）?V/360０根據(jù)上述等式可得TSV？ＴP?VSV?？V（4）6.2.1.1.2.機動車非飽和流部分當機動車之間出現(xiàn)可接受間隙即車頭時距h大于或等于行人群臨界間隙ｔcP時,行人可截斷車流獲得通行權。本論文假定車隊非飽和流部分車頭時距h服從負指數(shù)分布，則ｈ的累積概率分布為：P(h?t）?1?e？?(ｔ?tmiｎ）1??tmｉn令XV？e??Ｖ（ｔcＰ？tmin)1？？VtminnP(ｈ?tcＰ)?１?XＶ,，則P（ｈ?tcP）？XV，故Pn？1（?XV)XV。非飽和流通行機動車數(shù)為：NＵV??nPn？n？1?1？1XV（5)因為車流出現(xiàn)間隙大于或等于tcP時車流會被截斷，所以車隊非飽和流部分車頭時距的變化范圍是[tｍin,tcＰ],又因為h服從移位負指數(shù)分布,可得到車隊非飽和流部分車頭時距的均值HUV？1（ｔｃP？tmin）XV1?XＶ？Ｖ？則機動車非飽和流部分通行時間為ＴUV?NUVHＵV。6．2。1。1.3。行人飽和流部分根據(jù)論文中已有分析，在形成行人飽和流前會有一段較長的等待時間，并且行人飽和流是緊接著機動車非飽和流而出現(xiàn)。通常，等待行人中某個行人會率先接受較小的間隙而打斷車流,其他行人就會隨之穿越?jīng)_突區(qū)?？芍獩_突區(qū)等待時間和等待人數(shù)是行人個體臨界間隙的主要影響因素，可設行人等待人數(shù)為QP，行人個體的臨界間隙為tｃＰ，等待時間為d。參考相關文獻可知沖突區(qū)內，等待人數(shù)QP和d之間存在強相關關系,于是行人臨界間距可表示為d的函數(shù)tcP?f（ｄ,QP)?g(ｄ）設行人飽和流P中，行人身體占據(jù)范圍直徑為?Ｐ，與行人流沖突的機動車平均寬度為l，行人隊列長為lq，車隊靜止時機動車間距l(xiāng)s，單向行人飽和流平均行人行進速度為vP1.其參數(shù)間存在如下關系：2lＱP？ＰＴＳP？?vP1vP１lｓ再設行人平均到達率為qＰ，且累積到達時間為d？ＴSＰ，則有QP?qp(d？TSＰ）。結合上述兩式，可得行人飽和流部分通行時間：ｌ?Pqp？ｄvP1vP1lsTSP?2？PqP1?vP1lｓ２6.２．1。１。4．行人非飽和流部分為方便觀測和計算，假設如果到達人行橫道處的行人的時間距離在1s內則將他們視為同一行人群。易知平均每群中的人數(shù)與行人的流量應該是相關的，行人流量越大則平均每群中人數(shù)越多，可通過回歸分析，當行人流量為p時，平均每群中的人數(shù)N為：N??0？？1p（Ｎ？1)則平均達到時距為HP？36０0Ｎ/p與車隊非飽和流部分相似，行人流P的非飽和流部分通過時，行人在沖突區(qū)不受延誤。車流V在行人流出現(xiàn)可接受間隙，即行人群到達時距大于機動車臨界間隙tcP時，阻斷行人流獲得通行權。利用計算機動車非飽和流部分的分析方法,可得到Pn?（1？ＸP)nXp,其中？(tｃV？1）HP？1XP?e.?n?1通過沖突區(qū)的行人群數(shù)的期望值為NUＰ？？nPn？部分車頭時距的均值HUP?1？（ｔcＶ？１)Xp1?Ｘp１？1，行人群非飽和流XＰ。則可求出非飽和流行人通行時間為：TUP？NUＰHUP6。２.1.1．5．沖突時段內通行的機動車數(shù)結合前四節(jié)對沖突時段內各時間段的分析,對于某一沖突周期ｉ，均可根據(jù)上述方程聯(lián)立方程組求解出TSＶi，ＴUVi,ｔcＰｉ,ＮUＶi，HＵVi,ＴＳＰi和di的值,則車流V與人流P在行人—機動車沖突時段內通行的機動車數(shù)與行人數(shù)分別為NV？？NViNP？?NＮPiii6.2.1。2．信號交叉口典型人車沖突區(qū)通行能力6.２．1。２．1.考慮雙向行人交通流的修正模型通常，信號交叉口人車沖突區(qū)處的行人交通流為雙向行人交通流,雙向行人條件下通行能力的計算與前述方法基本相同，只是在以下兩方面做出修改：相關研究表明，在行人密度較大時雙向行人的平均行進速度（記為vP2）通常明顯低于單向行人的行進速度[４］，同時行人的到達率也應該改為雙向行人到達率之和；將兩個流向行人當作整體研究時，行人群的最小時距為0，則行人群數(shù)據(jù)服從負指數(shù)分布,即p(hp？ｔ)？1?e?tHP?１6.2。１．2.2．行人交通影響下機動車在信號交叉口的通行能力結合修正模型可得出信號交叉口右轉向機動車一行人沖突區(qū)通行能力為ＣaｐＰR？3600(NV？SVtfｒee）Cs(6）對于機動車左轉情況,考慮到在可利用的通行時間內，左轉機動車須穿越隨機到達的對向直行機動車流和非機動車流,因此,行人影響下的左轉車道通行能力為CaｐＬ？min(CａｐPL，CａpML）（７）其中，CaｐＭL為左轉機動車與在與對向直行機動車的沖突區(qū)的通行能力。同時,根據(jù)理想狀況下道路通行能力模型可求出機動車直行通行能力CapBT.６.２．1。３.模型的分析驗證從實際情況出發(fā)，沖突車流的通行能力很大程度上取決于有效綠燈時間內沖突區(qū)人車沖突的平均次數(shù)?？梢韵胂?，當沖刺次數(shù)越多，行人占用沖突區(qū)的時間就越長，而且因通行權轉換造成的機動車啟動停止的損失時間就越長。而通過運行程序計算，可以發(fā)現(xiàn)隨人流量的增加會導致車流通行能力大大降低（如圖6所示）,同時沖突區(qū)人車沖突增多（如圖7所示），即模型正確的反映了這一現(xiàn)象，也驗證了模型的正確性。圖６車流通行能力隨人流量變化的趨勢圖7平均沖突次數(shù)對行人流量的靈敏度6．２.2.非機動車交通對信號交叉口通行能力的影響在混合交通交叉路口，機動車與非機動車的相互作用過程較為復雜。在城市道路運行的機動車流、非機動車流及人流各自運行的速度、特性和目標各不相同,從而造成混合交通流中一個流體對其他流體的影響和干擾。自行車數(shù)量較大，交叉路口紅燈信號轉綠燈信號時，由于自行車具有體積小,啟動快,而且啟動速度慢于機動車速度等原因，在綠燈信號初期,往往出現(xiàn)自行車流位于機動車流的前面，其速度又低于機動車流啟動后的速度，影響和干擾了機動車的正常運行。本文主要將非機動車對機動車的影響歸為４類：1.綠燈初期非機動車占用沖突區(qū)影響。非機動車靈活,易于啟動加速,綠燈初期非機動車搶先密集通過沖突區(qū),造成機動車可利用通行時間的損失；２．等候穿越的非機動車影響。非機動車在沖突前等候穿越時，機動車主為保證安全通常采取減速措施,此時沖突區(qū)車流的平均速度明顯低于非沖突區(qū)或無非機動車等候穿越時的平均速度；３。非機動車穿越?jīng)_突區(qū)造成的影響。非機動車開始穿越?jīng)_突區(qū)時，即將到達沖突區(qū)的機動車會進一步減速以避免碰撞,此時對沖突區(qū)車流的平均速度下降。由于非機動車穿越造成的車流速度的波動數(shù)使機動車飽和流率下降；4。交叉口內滯留非機動車占道影響。在沖突區(qū)前等候的非機動車，一部分在出現(xiàn)可接受間隙時穿越，另一部分滯留在沖突區(qū)前的等候區(qū)域.當滯留的非機動車數(shù)量超過等候區(qū)域的存儲容量時,就會占用臨近時車道，臨近車道上的機動車速度會因此發(fā)生突發(fā)性下降.除上述4種直接影響外，在交叉口存在大量非機動車交通的情況下，為確保其在相位切換時安全通過沖突區(qū)，綠燈間隔時間有必要有所延長[5],這也將導致機動車可通行時間的損失。6。２.2.1.右轉車道機動車—非機動車沖突區(qū)通行能力6。2.2.1．１.綠燈初期非機動車占用沖突區(qū)時間設非機動車在綠燈初期搶先密集通過沖突區(qū)所需時間為TGＢ,這些車輛是由紅燈時間tR和ＴGB時間內累積的，于是滿足公式：(tR？TGB)？B?Nｔ（B?0.５)TGB即得ＴGＢ？?ＢtRＮt(B?0。5)??B其中，?B為非機動車到達率,Nt為非機動車通道斷面飽和流率,建議為0.6１3bic/ｓ?m[6],Ｂ為沖突區(qū)非機動車通道寬度.在TGB時段內，機動車無法前行，只能等該批非機動車通過后才可通行。6.2．２.1．２．無非機動車影響的通行能力假設非機動車隨機到達,并用泊松分布描述該特征,則在時段之內,沖突區(qū)前無非機動車到達概率為P0？P（X?0）?e？?B?.其中，X為時段？內到達的非機動車數(shù)。則沖突區(qū)前無非機動車等候的時間近似為P0（tG?tGB)。設在該段時間內，沖突車流以速度v0沖過沖突區(qū)，對應流率為ｑ0（ｖeh／h)，可得各個周期內,沖突車流在無非機動車等候期間的車輛數(shù)為:Ｖnｏn?q0p0（ｔG？tGB）(８）6．2。2。１。３.非機動車穿越影響期間的通行能力設非機動車處于等候時,沖突區(qū)車流以速度ｖ1，流率q1(veh/h）通過沖突區(qū).當非機動車開始穿越?jīng)_突區(qū)時，車流平均速度由v1降到v2，沖突車流由于非機動車穿越，而由原來狀態(tài)(ｖ１,ｑ1）變化成低速高密度狀態(tài)？ｖ２,q２?,這種狀態(tài)變化過程持續(xù)的時間恰為非機動車通行沖突區(qū)的時間TB，經(jīng)TＢ時間后，隊列內的車輛數(shù)為(q1？q2）TB。當機動車穿越完畢,沖突車流開始加速通過沖突區(qū)，交通流由低速高密度（v２，q2)狀態(tài)恢復到原狀態(tài)（v１，q1）也經(jīng)過時間ＴＢ.在該段時間內,車流流速是不斷變化的，其均值可表示為q１2?？v1ｖ２q（v)dvv1？v2其中，q（v）在機動車流量關于機動車流速度v的函數(shù)。因此,非機動車一次穿越時間內，通過機動車車輛數(shù)為:ｎ?2q１２ＴB沖突區(qū)有非機動車穿越的概率Ppｔ應為有非機動車到達且機動車流中出現(xiàn)可接受間隙的概率，假設機動車、非機動車的到達是相互獨立的，則Ppt？P（X?0）P（t?tcＢ）？(1?P(X？0))Ｐ(t?ｔcB）其中，t為右轉機動車流動到達時間,tcB為非機動車臨界間隙值。右轉沖突車流到達時距t服從移位負指數(shù)分布.可得到分析時段內，?？Ppｔ?(1?e？?B？）??e??ｖ（t?tm）ｄttcB其中,？v為右轉機動車平均到達率;tm為機動車流最小隨車時距。時段？內平均機動車穿越次數(shù)為：Ｎpt?(1?e？?Ｂ?)？e？？ｖ(ｔｃＢ？ｔm)？(？v??1）由Npt可得到機動車可利用的通行時間內非機動車平均穿越次數(shù)Npt。則機動車流在非機動車穿越影響時段內通過車輛數(shù)為:Vpt？N？pt？ｎ？3600?(9）6．2。2.1．4.等候穿越的非機動車影響期間的通行能力在時段?內，沖突區(qū)前有非機動車的概率應為:？?B?P1？P(x？0）？(1？Ｐ（x？0））？1？e則在機動車可利用通行時間內,沖突區(qū)前有非機動車到達的時間近似為P1？（ｔg？TGB)。故得非機動車到達但無法通過而等候的時間為：？P1?（ｔg?TGＢ）?2？TB？Nｐt則沖突車流在非機動車等候穿越時間通過的車輛數(shù)為：？Vat？ｑ１?（P1（tg？TGB)?2？TB？Npt）(１0）6．2.2.1.5.右轉車道機動車—非機動車沖突區(qū)通行能力計算在一個信號周期內，綠燈期間能夠通過的右轉機動車輛數(shù)為：V?Vnon？Ｖｐt？Vat則右轉車道的機非沖突區(qū)通行能力為V？（Vnon？Vｐt?Vat）/Ｃs其中Cs是信號周期時長.（１1）６。2.2。2.左轉車道機動車－非機動車通信能力左轉車道通行能力（記作VapBL)計算，基本上與上文所述右轉車道機非沖突區(qū)通行能力計算方法相同。若不考慮行人干擾，信號交叉口左轉機動車流在通行時可能與對向直行機動車和非機動車發(fā)生沖突.在非專用相位內，左轉車輛常須讓行與直行機動車。在綠燈放行初期，對向直行交通以飽和流通過,左轉車輛只能在待行區(qū)等候.左轉機動車實際可利用的通行時間為ｍax［tG？max（TSBTＯ，TSMTO），０]，其中TSMTO,TSＢＴO分別為對向直行機動車，非機動車以飽和流率通行的時間。在可利用通行時間內，左轉機動車須穿越隨機到達的對向直行機動車流和非機動車流。因此,非機動車影響下的左轉車道通行能力為：VaｐＢＬ?miｎ（ＶaｐＢL，VapＭL）（１2）其中，VapＭＬ為左轉機動車在與對面直行機動車的沖突區(qū)的通行能力.此外,除了在可利用的綠燈時間穿越?jīng)_突車流通過交叉口，左轉車輛還可能迅速起動,從而可能利用黃燈一時間通過交叉口,黃燈期間的通行能力計算可參照文獻[7］。6.2.２。3。非機動車影響下的直行通行能力執(zhí)行機動車在通行時可能受到兩種形式的非機動車干擾：一種是本向和對向左轉非機動車在信號放行初期搶先通行的影響；另一種是滯留在交叉口內的上一個相位直行或本相位左轉非機動車的影響。6。2．2．3.1。綠燈初期非機動車占用沖突區(qū)時間直行機動車在信號放行初期主要受到本向和對向左轉非機動車搶先通行的影響。設ｔw為左轉非機動車在與同向、反向直行機動車的沖突區(qū)之間的行駛時間，TＳBL，ＴSＢＬD分別為本向、對向直行機動車飽和流部分通過時間.對于本向直行機動車與左轉非機動車的沖突區(qū),當TSＢL?TＳBLD？tw時，直行機動車流被阻斷的時間tL？TSBL;當TＳBL?ｗt時,本向左轉非機動車通行后,對向左轉非機動車尚未到達,于是機動車阻斷非機動車流并以飽和流率通過,直行機動車被阻斷的時間ｔL？tSBLD?tw.6．2．２．3.２.交叉口內滯留非機動車占道影響模型當滯留非機動車的數(shù)量以超過等候區(qū)域的存儲容量ｎA時,滯留非機動車就會占用臨近直行車道，直行機動車流速度會因此下降[８］，交叉口處車流速度的下降，造成飽和流量的降低。交叉口一個信號周期內滯留的非機動車數(shù)，等于一個周期內到達的非機動車數(shù)減去通過的非機動車數(shù)。滯留非機動車阻滯機動車的時間tｓｕ約為：tsu?int［（ns?nA）/ktcB］tcB/（？e？？V(t？tｍiｎ)ｄt）?？cB其中，kt為一個接受間隙所能穿越的非機動車數(shù)目，inｔ(）為取整函數(shù)。cＢ６。2．2.3.3.非機動車影響下的直行車通行能力非機動車影響下的直行車通行能力為VapBT?（（tG?tＬ?ｔｓｕ）q0ｔ?ｔsuq4)/Ｃs(１３）其中，q0T為無非機動車干擾時直行機動車道的飽和流率,q4為滯留非機動車阻滯影響下的機動車飽和流率.6.２.2．4。模型的分析驗證利用本模型計算非機動車影響下的機動車右轉通行能力如圖8所示。圖8非機動車影響下右轉車通行能力６．3。集計行人、非機動車對通行能力的影響“木桶原理”來源于古典經(jīng)濟學,其內容主要是:由長短不一的幾塊木板制成的一個木桶,它的最大蓄水量是由幾塊木板中最短的那塊木板決定的。也就是說,任何事物的發(fā)展總是受到一定的因素制約，即事物發(fā)展的瓶頸。同樣，在確定混合交叉路口車道通行能力的計算中，本文考慮到了機動車本身、行人和非機動車等因素。援引上述“木桶原理”可以得出道路的通行能力大小同樣存在瓶頸.故合理確定車道通行能力瓶頸,有效的應用“木桶原理"，是解決這一難題的一個行之有效的方法.為得出混合交通路口的幾何、交通、信號控制等因素互相影響下的通行能力,以HCM（20０0）［９］為代表的折減系數(shù)方法通過連乘各種折減系數(shù)，疊加各個因素的影響。對于機動車、行人和非機動車三者對通行能力的疊加影響，HCＭ方法考慮到了行人流和非機動車流可能存在相互遮擋的現(xiàn)象,提出了相關占有率的概念,由此計算出行人-非機動車聯(lián)合折減系數(shù)，合成行人和非機動車對通行能力的影響。該計算方法的流程圖見圖９。圖9行人、非機動車影響集計方法基于流程圖中的計算方法，通常從沖突區(qū)著眼，提取出分析的影響因素,再計算所研究的車流量在各個沖突區(qū)上的通行能力,依據(jù)“木桶原理”確定車流量通行能力瓶頸,進而確定那個車道通行能力,從而得到各種沖突情況下合成的通行能力。圖10參照木桶原理得出的機動車、行人與非機動車影響下的道路通行能力實際上，車流在各種沖突情況下的運行狀態(tài)是相互影響的,這種影響十分復雜。一種情況下，沖突交通流之間可能存在相互遮擋;另一情況下,車流上游影響車輛下游的運行狀況和到達規(guī)律。因此，無論是以某種沖突情況所得通行能力作為該處通行能力，還是使用各種情況下的最小值作為最終結果，都存在一定的局限性。因此,如何更好的給出道路的通行能力,還可以進行更為深入的研究。7.問題三混合交通條件下交叉口配時優(yōu)化研究7。１?；旌辖煌l件下的F?！f伯斯特-B.柯布方法7。1。1。F。-韋伯斯特-Ｂ?？虏祭碚摳攀鯢。-韋伯斯特—Ｂ.柯布理論的基本出發(fā)點是:車輛通過交叉口時,以其受阻延誤時間作為唯一的衡量指標,然后對信號配時方案進行優(yōu)選。利用Ｆ.-韋伯斯特—Ｂ.柯布理論對路口進行信號配時時,主要決定的兩個因素是信號周期和綠燈時間。1．信號周期設計（1)最短信號周期Cm：等于一個周期內損失時間之和加上全部到達車輛以飽和流量通過交叉口所需時間，即：Ｃm?L？V１VCm？２Cm？S1S2？VnＣmSn(１4）Cｍ？L１？?yi1n?L1？Y其中，Ｌ為周期損失時間；（２)最佳信號周期C０式中,?一般取1。5［１0]Ｖi為相位的最大流量比SｉC0?2Ｃｍ?2L?L?5？1？Y1？Y（15）7．1．2。F。-韋伯斯特-B．柯布公式的改進由于傳統(tǒng)的計算公式只是考慮交叉口機動車輛的情況,沒有考慮非機動車輛對路口信號配時的影響。而在我國,由于受到本國實際情況的影響,非機動車輛多是我國交通的一個很顯著的特點。特別是上下班高峰期，非機動車輛在有的路口成了主要車流，有時路口非機動車輛的擁擠卻成了交叉口擁擠的原因。因此，把非機動車折合成機動車流，然后把折合后的車流量和機動車的車流量相加，即有如下計算公式：Vn？？VnｎoｎＶ1??V１ｎｏnV2??V2nonCｍ？Cm??Cm最短信號周期Cｍ？L？S1S２Sｎ?Ｌ?5最佳信號周期C0'?1？Y'Vi為相位的非機動車流量，？為折算系數(shù)。7。１。3.基于混合交通條件下的信號配時設計1．最佳周期時長：信號控制交叉口上,能使通車效益指標最佳的交通信號周期時長。１。5L?５Ｃ０?1？Y2．最小周期時長:應根據(jù)行人過街所需最短時間進行確定。gｍｉn?7?lｐｖｐ?Ｉ3。信號損失總時間L?？？l？I？A?i?1n４．各相位的實際顯示綠燈時間x’?xi?A?l５.平均延誤c？1??？di？２1？ｙi26.第ｉ相位的通行能力Qi？sｉ？xiC１。０??i１.０？ｙi7.第i相位的車輛平均停車次數(shù)hｉ?0。97.1.4.信號交叉口配時設計的參數(shù)計算７.1。４．1.信號交叉口交通量的設計下面根據(jù)問題一設計的典型交叉路口對以上信號配時公式進行驗證，首先設計交叉路口的交通量為：表1交叉路口交通量７.1．4.2.各類進口車道飽和流量校正系數(shù)表表2各車道飽和流量校正表7.1。4.3?；居嬎憬Y果表3各方向交通流量7．１．5．配時參數(shù)計算[12］7.1．5.１.信號周期和綠燈時間1.信號總損失時間:L？２*?5?3？3？？１０？s？2。最佳信號周期時長為:Ｃ０？？L?51?Y?1。5?1０？5？５0？ｓ?１？０.322?0．２７83.總有效綠燈時間：Ge?C0?Ｌ?40？s?４.各相位有效綠燈時間：ｙ１0.３2２C？Ｌ？？4０?２1？s?？0？Ｙ０.6y０.278g2？2？C0?L？？?40?1９?ｓ？Y0．65.各相位實際顯示綠燈時間：第１相位實際顯示綠燈時間21？3？3？21？ｓ？ｇ1？第２相位實際顯示綠燈時間19？3？3？19?ｓ?7。1。５.2.延誤與通行能力1.平均延誤c?1？?1？東西相位（第1相位)平均延誤ｄ１?？13。18？s？2１？y１ｃ？1？？2？南北相位（第２相位)平均延誤d2？？28．96？s?2１？y222２.通行能力s1？x１7６1０.７9？21？？2１３1．0２?s？Ｃ7５s？ｘ5５２7。55？19第２相位的通行能力Q２？２2??1400。３１?ｓ？C753．平均停車次數(shù)1．0?？11?０。2８第1相位的平均停車次數(shù)h１？0．9?０.9？0．96？次？1。０?y11？0.32２1．０??２1?0。2５第2相位的平均停車次數(shù)h2？０。9？0.9？０。93？次?1.0?y２1?0。27８第1相位的通行能力Q1?７。1．5。３．優(yōu)化前后的各交通流參數(shù)比較表４改進的Ｗebｂer方法優(yōu)化后各參數(shù)比較7。２．基于遺傳算法的信號配時優(yōu)化模型７。2.１。遺傳算法概述遺傳算法,簡稱GＡ,是一種基于生物自然選擇和基因遺傳學原理的優(yōu)化搜索算法.遺傳算法的具體步驟：第1步隨機產(chǎn)生初始群種，每個個體表示為染色體的基因編碼；第2步計算個體的適應度，并判斷是否符合優(yōu)化原則,若符合,輸出最優(yōu)解，并結束計算，否則轉第3步;第3步依據(jù)適應度選擇再生個體，適應度高的個體被選擇的概率高，適應度低的個體可能被淘汰;第4步按照一定的交叉概率和交叉方法，生成新的個體;第5步按照一定的變異概率和變異方法，生成新的個體;第６步由交叉和變異產(chǎn)生新一代的種群，返回到第2步.圖11遺傳算法流程圖7．２.2．信號交叉口實時配時優(yōu)化模型根據(jù)交通狀況的實際需求，以延誤時間最短，停車數(shù)量最少，通行能力最大為目標函數(shù)，利用可以隨交通需求變化的加權系數(shù)把這3個目標結合為單目標的函數(shù),其優(yōu)化模型如下［１3］:minｆ（x)？？Ｋi1Di?Ki2Hi?Ki３Qii？1n？？ｘi?ai？０,１？ｉ？n；？n?（ｘi？lｉ)?b;?？i?1？？yｉc０.7５??0.95，1？i？ｎ；?xi？式中：ai第i相位最小有效綠燈時間li第i相位損失時間ｂ最大周期時間xi第ｉ相位有效綠燈時間yi第i相位的交通強，即交通流量與飽和流量之比Ｃ信號周期７。２.3。遺傳算法的Ｍaｔlab實現(xiàn)7．2。3。1．參數(shù)初始化采用Ｍａｔlab語言編制程序,對目標函數(shù)進行仿真計算,仿真過程中的一些具體參數(shù)為:種群數(shù)目為80，最大遺傳代數(shù)為1０00,染色體編碼長度為15，交叉概率為0．75,變異概率為０．０0１。代入數(shù)值，得到目標函數(shù)表達式為：Mｉｎｆ？x？？2。１２？x２?10？2/?x1？x2?10？?2。1２？ｘ2？10？/？x1?x2？1０？？2.5４x1?1。90?？ｘ1?10?？2/？x１?ｘ2？1０?？1。90?x1?10?/？ｘ１？x2?10？？2.54x２？０.42８x1?０．32２ｘ2?３．22？0．62８x1？0．472x？０．2７8x？2．７8?0。67２x?１21易知目標函數(shù)圖形如下：圖１2目標函數(shù)f(x）其優(yōu)化過程是用MATLAB7.0編程實現(xiàn)(主程序見附錄)，限于篇幅關系,給出其部分優(yōu)化過程如下：圖１３每次迭代過程中所產(chǎn)生最大最小及均值圖１4每次迭代過程產(chǎn)生的最佳函數(shù)值與均值對比7.２．３．２.Mａｔlab求解結果計算結果表明，第一相位東西方向的綠燈時間為2１.4６１，,第一相位南北方向的綠燈時間為18．527。由此得到優(yōu)化結果圖和優(yōu)化前后的各交通流參數(shù)比較表。表５優(yōu)化前后各交通參數(shù)對比表8.模型的優(yōu)缺點8.1。理想狀況下道路通行能力模型優(yōu)點：該模型是在排除了道路上存在的行人以及非機動車的基礎上，計算出混合交通路口出,直行、左轉、右轉車道的通行能力，使用計算方程簡單易懂，所需參數(shù)也可容易取得;缺點:該模型是在假設道路上通行的全部都是機動車的條件下給出,不具有普遍性，計算所得數(shù)據(jù)可靠性也較低。8。2。人車沖突區(qū)機動車通行能力模型優(yōu)點：行人—機動車沖突區(qū)是信號交叉口的瓶頸,是計算行人影響下信號交叉口通行能力的重要依據(jù)。交叉口處車輛的轉向有左轉、右轉和直行，因此分別給出了這三種情況下各自的通行能力計算公式。同時在交叉口行進中，行人是雙向運動的,基于這一基本現(xiàn)象給出了考慮雙向行人交通流的修正模型，考慮得更為周到；缺點：阻礙道路通行能力的因素相當多，此處暫且不考慮非機動車的干擾，僅考慮行人自然不夠合理，因此該模型還有待提高。8.3?；旌辖煌ń徊媛房跈C非沖突區(qū)道路通