第六章交通信号控制理论基础
经过调查统计发现，将城市道路相互连接起来构成道路交通网的城市道路平面交叉口，是造成车流中断、事故增多、延误严重的问题所在，是城市交通运输的瓶颈。一般而言，交叉口的通行能力要低于路段的通行能力，因此如何利用交通信号控制保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行效率引起了人们的高度关注。
交通信号控制是指利用交通信号灯，对道路上运行的车辆和行人进行指挥。交通信号控制也可以描述为：以交通信号控制模型为基础，通过合理控制路口信号灯的灯色变化，以达到减少交通拥挤与堵塞、保证城市道路通畅和避免发生交通事故等目的。其中，交通信号控制模型是描述交通性能指标（延误时间、停车次数等）随交通信号控制参数（信号周期、绿信比和信号相位差），交通环境（车道饱和流量等），交通流状况（交通流量、车队离散性等）等因素变化的数学关系式，它是交通信号控制理论的研究对象，也是交通工程学科赖以生存和发展的基础。
本章主要针对建立交通信号控制模型所涉及到的基本概念、基本理论与基本方法，对交通信号控制的理论基础进行较为全面深入的阐述。
6．1交通信号控制的基本概念
城市道路平面交叉口是道路的集结点、交通流的疏散点，是实施交通信号控制的主要场所。根据交叉口的分岔数平面交叉口可以分为三岔交叉口、四岔交叉口与多岔交叉口；根据交叉口的形状平面交叉口可以分为T型交叉口、Y型交叉口、十字型交叉口、X型交叉口、错位交叉口、以及环形交叉口等。
6．1．1交通信号与交通信号灯
交通信号是指在道路上向车辆和行人发出通行或停止的具有法律效力的灯色信息，主要分为指挥灯信号、车道灯信号和人行横道灯信号。交通信号灯则是指由红色、黄色、绿色的灯色按顺序排列组合而成的显示交通信号的装置。世界各国对交通信号灯各种灯色的含义都有明确规定，其规定基本相同。我国对交通信号灯的具体规定简述如下：对于指挥灯信号：
1、绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行；
2、黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行横道的行人，可以继续通行；
3、红灯亮时，不准车辆、行人通行；
4、绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行；
5、黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。
对于车道灯信号：
1、绿色箭头灯亮时，本车道准许车辆通行；
2、红色叉形灯亮时，本车道不准车辆通行。
对于人行横道灯信号：
1、绿灯亮时，准许行人通过人行横道；
2、绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已进入人行横道的，可以继续通行；
3、红灯亮时，不准行人进入人行横道。
6．1．2信号相位与控制步伐
在空间上无法实现分离的地方（主要是在平面交叉口上），为了避免不同方向交通流之间的相互冲突，可以通过在时间上给各个方向交通流分配相应的通行权。例如，为了放行东西向的直行车流且同时避免南北向的直行、左转车流与其发生冲突，可以通过启亮东西向的绿色直行箭头灯将路口的通行权赋予东西向直行车流，启亮南北向的红灯消除南北向直行、左转车流对东西向直行车流通行的影响。
对于一组互不冲突的交通流同时获得通行权所对应的信号显示状态，我们将其称之为信号相位，简称为相位。可以看出，信号相位是根据交叉口通行权在一个周期内的更迭来划分的。一个交通信号控制方案在一个周期内有几个信号相位，则称该信号控制方案为几相位的信号控制。图6-1就是一个采用四相位信号控制的控制方案。一个路口采用几相位的信号控制应由该路口的实际交通流状况决定，十字路口通常采用2～4个信号相位。如果相位数设计得太少，则不能有效地分配好路口通行权，路口容易出现交通混乱，交通安全性下降；如果相位数设计得太多，虽然路口的交通次序与安全性得到了改善，但由于相位之间进行转换时都会损失一部分通行时间，过多的相位数会导致路口的通行能力下降，延长司机在路口的等待时间。
第一相位第二相位第三相位第四相位
图6-1 四相位信号控制方案实例
为了保证能够安全地从一个信号相位切换到另一个信号相位，通常需要在两个相邻的信号相位之间设置一段过渡过程，例如对于图6-1所示的信号控制方案而言，从第一信号相位切换到第二信号相位，中间可能需要设置东西向绿色直行箭头灯闪烁、东西向黄灯亮、路口所有方向红灯亮等过渡过程。对于某一时刻，路口各个方向各交通信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态组合，称为控制步伐，不同的灯色状态组合对应不同的控制步伐。因此一个信号相位通常包含有一个主要控制步伐和若干个过渡性控制步伐。控制步伐持续的时间称为步长，一般而言主要控制步伐的步长由放行方向的交通量决定，过渡性控制步伐的步长取值为2～3秒。
6．1．3交通信号控制参数
1. 时间参数
（1）信号周期
信号周期是指信号灯色按设定的相位顺序显示一周所需的时间，即一个循环内各控制步伐的步长之和，用C 表示。信号周期是决定交通信号控制效果优劣的关键控制参数。倘若信号周期取得太短，则难以保证各个方向的车辆顺利通过路口，导致车辆在路口频繁停车、路口的利用率下降；倘若信号周期取得太长，则会导致司机等待时间过长，大大增加车辆的延误时间。一般而言，对于交通量较小、相位数较少的小型路口，信号周期取值在70秒左右；对于交通量较大、相位数较多的大型路口，信号周期取值则在180秒左右。
（2）绿信比
绿信比是指一个信号周期内某信号相位的有效绿灯时间与信号周期的比值，用λ表示。
C
t EG =
λ （6-1） 式中，t EG 表示有效绿灯时间。 某信号相位的有效绿灯时间是指将一个信号周期内该信号相位能够利用的通行时间折算为被理想利用时所对应的绿灯时长。有效绿灯时间与最大放行车流率（饱和流量）的乘积应等于通行时间内最多可以通过的车辆数。有效绿灯时间等于绿灯时间与黄灯时间之和减去部分损失时间，也等于绿灯时间与前损失时间之差再加上后补偿时间（后补偿时间等于黄灯时间减去后损失时间）。
BL Y FL G BC FL G L Y G EG t t t t t t t t t t t -+-=+-=-+= （6-2）
式中，t G 表示绿灯时间；t Y 表示黄灯时间；t L 表示部分损失时间；t FL 表示前损失时间；t BC 表示后补偿时间；t BL 表示后损失时间。
