冰雪路面信号灯最佳周期调整研究

岳志坤,何永明,丁柏群

(东北林业大学 交通学院,黑龙江 哈尔滨 150040)



冰雪路面信号灯最佳周期调整研究

岳志坤,何永明,丁柏群

(东北林业大学 交通学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

目前,我国大部分交通信号最佳周期是按照良好的路况条件计算得出的，不能满足冰雪条件交通需求，因此,当冰雪条件出现时，需要对信号灯最佳周期进行调整。在分析冰雪路面交通特性的基础上，对交通信号绿灯时间、损失时间和最佳周期的计算方法以及参数取值进行分析，结果表明：通过调整信号控制最佳周期不但可以提高信号交叉口通行能力，还能降低交通事故。

冰雪路面；最佳周期；交通特性；交通需求；交通安全

我国的东北、西北、华北的大部分地区都属于冬季积雪带，积雪期长达3～4个月[1]。冬季的降雪、积雪、结冰都会对交通系统的正常运行产生不良影响，导致车辆和行人的通行速度明显下降，从而延长通过交叉口的时间。

目前，我国大部分城市交叉口交通信号灯应用的最佳信号周期是在良好天气和路况条件下计算得出的，不能适应冰雪条件交通需求，因此，根据寒地城市道路冰雪路面的交通特性调整信号的最佳周期很有必要。

1　调整信号灯最佳周期的意义

1.1提高通行能力

冰雪条件下车辆通过交叉口速度慢，车头间距大，每个周期通过交叉口的车辆数量减少，通行能力大大降低。此外，由于地面附着系数低，车辆加速缓慢，制动时间加长，导致启动损失时间和清尾损失时间增多，通行能力降低。因此，需要调整信号控制最佳周期，以提高冰雪条件下信号交叉口通行能力[2]。

1.2降低交通事故

在冰雪路面上，汽车的制动性能明显下降，容易造成安全事故；行人在通过道路交叉口时，道路上的冰雪导致行人的通行速度下降，需要更长的绿灯时间。老年人行动缓慢，反应迟缓，在冰雪路面上行走时容易滑倒、摔跤；儿童贪玩注意力不够集中，不知道交通事故的严重性，跳动事故多。道路积雪条件下，老人和儿童在通过交叉口时需要更长的时间。如果调整最适合于寒地城市冰雪路面的交通信号周期，给行人留出更长的通行时间，则可以大大减少交通事故发生的几率。

2　冰雪路面交通特性分析

2.1冰雪路面车辆交通特性

车辆行驶在积雪路面上，轮胎的摩擦热会导致冰和雪的表面发生熔化，在路面上形成薄薄的一层水膜，水膜将路面原来的纹理覆盖，最终形成光滑表面，引起路面的性能发生变化，严重影响车辆的动力性能、制动性能和行驶稳定性[3]。

1)动力性能。

根据机动车行驶方程式，可得到

(1)

式中：Pt为牵引力，kN；Pw为空气阻力，kN；Pf为坡道阻力，kN；Pj为加速阻力，kN；W为汽车的重力，kN；f为滚动阻力系数；i为道路的纵向坡度，上坡时取“+”号，下坡时取“-”号；a为加速度，m/s2；δ为传动系统的回转质量换算系数；g为重力加速度,m/s2。

由于滚动阻力系数f显著下降，其他参数不变，由此得出，冰雪路面上汽车的动力性严重下降[4]。

2)制动性能。

(2)

式中：S为制动距离，m；v为初速度，km/h；u为末速度，km/h[4]。

冰雪路面上滚动阻力系数显著下降，导致制动跑偏、侧滑，使车辆失去控制，从而破坏其方向稳定性。经数据分析，冰雪路面导致制动距离增加，是普通路面制动距离的2～4倍[1]。

(3)稳定性。

车辆在冰雪路面上行驶过后，积雪路面逐渐被压实、磨光，路面的表面附着系数显著下降，附着力大大降低，汽车的驱动轮会出现打滑、空转的现象，尤其是在上坡、起动、停车时，还会出现向后溜车的现象。如果车辆在行驶过程中突然加速和减速，特别容易出现方向跑偏甚至侧滑，增加了汽车剐蹭、碰撞的概率[1]。

冰雪路面条件下，车辆的动力性、制动性、稳定性等性能都会严重下降，车辆应对突发紧急事件的能力也下降，更容易发生交通事故。

2.2冰雪路面条件下人的交通特性

人的交通特性包括驾驶员的交通特性、行人的交通特性以及乘客的交通特性。影响人的交通特性的因素有年龄、性别、文化素养、心境、街景等等。人是交通的使用者和决定者，冰雪路面会对人的交通特性产生很大的影响[4]。

1)驾驶员。

受冰雪路面的影响，路面上的行人通过速度慢，随时可能滑倒，驾驶员对路面上的行人随时保持着高度的警惕。因此，驾驶员一般开车比较谨慎，车辆行驶速度不高，车辆制动时容易溜车，一般会与前车保持较大的车头间距。

2)行人。

行人是交通流中的弱势群体，是交通事故中最大的受害者，行人在通过交叉口时，会不同程度地产生恐慌心理。

老人行走缓慢，反应迟钝，身体灵敏度低，在积雪路面上行走时容易滑倒。

儿童贪玩注意力不够集中，不在乎道路积雪结冰，在道路上行走随意，没有认识到交通事故的严重性。

成年人经验丰富，心理成熟，在冰雪路面上减缓速度，步履稳健，警惕性高，和老人、儿童相比，路面结冰对他们通行的影响不大[5]。

3)乘客。

乘客对交通的要求是安全、迅速、舒适。冰雪中行车会不同程度地延长行驶时间，乘车时间越长，越容易产生疲劳，乘客可能会产生烦躁情绪。

3　信号灯控制周期最佳时长的调整

3.1最佳信号周期时长

定时信号控制是各种控制方式中最基本的一种控制方式，也是我国现在采用最为广泛的一种方式，其配时参数计算如下：

1)单个交叉口最佳信号周期时长，计算公式为

(3)

式中：L为信号总损失时间，s；Y为各相各类车道设计流量比[3]。

3.2信号总损失时间

信号总损失时间，计算公式为

(4)

式中：Ls为起动损失时间，应实测，无实测数据时可取3 s；A为黄灯时长，可定为3 s；I为绿灯间隔时间，s；k为一个周期内的绿灯间隔数[5]。

3.3绿灯间隔时间

绿灯间隔时间，计算公式为

(5)

式中：z为停止线到冲突点距离，m；ua为车辆在进口道上的行驶速度，m/s；ts为车辆制动时间，s。

当计算绿灯间隔时间I<3 s时，配以黄灯时间3 s；I>3 s时，其中，3 s配以黄灯，其余时间配以红灯[5]。

由于冰雪路面的影响，导致Ls启动损失时间延长，ua车辆在进口道上的行驶速度减慢，ts车辆制动时间延长，其它参数不变。由此得出结论，单个信号周期最佳时长应相应地延长，才能确保车辆和行人的安全通行。

4　交通信号灯的调整措施

4.1自动控制

信息自动采集系统与信号控制机联动，控制非接触式冰冻检测器、路面积雪厚度检测器和交通信号控制机。在冰雪路面条件下，非接触式冰冻检测器和路面积雪厚度检测器采集到路况信息，并将信息传输至信号控制机，信号控制机由此调整出合适的交通信号周期，显示在信号灯上。

4.2人工设置

在冬季积雪期计算出合适的信号周期并人工设置，在路面积雪完全熔化后再调整回普通周期，但这种方法将消耗巨大的人力，同时可能会出现遗漏。倘若使用路面积雪厚度检测器和非接触式冰冻检测器与信号控制机联动控制，虽然前期研制配置成本高，但可以长期减免人工费用。

5　结束语

行人在冰雪路上行走时速度慢，容易滑倒、摔跤，与普通路况相比，需要更长的通行时间，特别是在早晚高峰期，人群数量大，比较拥挤，同时行人视线受阻，冰雪路面引发的问题显得更加突出。同时，车辆在冰雪路面上的制动性、动力性、稳定性等性能都严重下降，遭遇突发紧急事件时更容易发生交通事故。因此，冰雪路面条件下需要比普通路况下更长的绿灯时间。

通过将信号控制机与非接触式冰冻检测器、路面积雪厚度检测器联动控制得出冰雪路面上的最佳信号周期，并显示在信号灯上，将极大地减少发生交通事故的概率。

如果我国北方城市道路交叉口配备这种新型信号灯，非积雪期时运行普通信号周期，积雪期时运行调整后的信号周期，这样将会很好地保障车辆和行人的交通安全。

[1]邢恩辉,张明强,吴贵福,等.寒地城市快速路冰雪路面交通流特性研究[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2010(2):232-234.

[2]任园园.冰雪条件下城市道路交通流特性及管理对策研究[D].长春：吉林大学,2008.

[3]吴兵,李晔.交通管理与控制[M].4版.北京：人民交通出版社,2010.

[4]李江.交通工程学[M].北京：人民交通出版社,2014.

[5]岳志坤,何永明,丁柏群,等.步行方式交通特性及行人个体分析[J]. 黑龙江科技信息,2015,34:75-76.

[责任编辑：郝丽英]

Adjusting the best cycle of signal lamp in ice and snow condition

YUE Zhikun，HE Yongming，DING Baiqun

(School of Traffic,Northeast Forestry University,Harbin 150040，China)

At present，most of the traffic signal optimal cycles are calculated based on good road conditions, but they can’t meet the traffic demand in snow and ice conditions. Therefore, it is necessary to adjust the light optimal cycle in snow and ice conditions. Based on the analysis of traffic characteristics in the ice and snow conditions, the traffic signal of green time, loss of time and the best cycle calculation method and parameter selection are studied. The results show that adjusting the best cycle signal control can improve the signal intersection traffic capacity and reduce traffic accidents.

snow and ice condition; best cycle; traffic characteristics; traffic demand; traffic safety

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.04.007

2016-03-27

东北林业大学大学生创新训练项目(国家级)(201510225001)

岳志坤(1995-)，男，本科生，研究方向：交通工程设施设计.

U491.5+9

A

1671-4679(2016)04-0033-03