可具有负系统损失时间的动态信号控制系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种采用计算机程序的单个交叉口动态交通信号控制系统的控制方法，步骤为设置有黄灯倒计时显示装置；采用确定最小绿灯时间、与车流同向行人绿闪时间以及框架车流最短绿灯间隔时间的程序，以王式链族的系统损失时间均值更小为指标，筛选渠化方案和王式链族；动态配时方案调整从最小可能周期开始，在所选王式链族中逐步搜索，把选择关键车流链、基本相位结构和关键车流绿灯配时工作同时完成；方案改变时无基本相位顺序结构跳变，不需过渡方案；且信号控制系统具有负系统损失时间。

说明书

(一)所属领域：

本申请涉及交通信息工程及控制领域的一种采用计算机程序的单个交叉口动态交通信号控制系统的控制方法，以及最短绿灯间隔时间和最小绿灯时间的确定方法。

(二)技术背景：

1、定义01-1：自然规律就是自然界事物(包括人)在发展、运动、变化过程中所显示的固有的、本质的真实客观联系；这种联系可以比较准确地用叙述句来描述，或用图式、公式表达，不以任何人的意志为转移，可以重复性地检验，表现为某种条件下的不变性。■|

自然规律1-1：任何参与交通的人和物，包括机动车、非机动车、行人，都具有一定的质量和体积，都占据一定的物理空间；任何参与交通的人和物，如果试图在同一时间占据空间中的同一位置点，就会产生交通冲突；潜在发生冲突的地点就是潜在冲突点。■|

自然规律1-2：平面交叉口的道路渠化，分道行驶，可以使潜在冲突点的位置比较固定地分布在各渠化路面上，便于驾驶员集中注意力，但并未彻底隔离各种交通流。■|

自然规律1-3：在灯控交叉口，通过信号机周期性控制不同信号变化，让不同流向交通参与者分不同时间顺序通过，从而可以分离交通流，防止在潜在冲突点发生交通冲突。■|

正是遵循上述这3个自然规律，才有如下传统的平面交叉路口信号控制方法：利用交通标线进行道路渠化，引导交通流沿确定的轨迹空间行走；在各进口处设置停止线，在红灯信号工作时，所控交通流必须在停止线后面，为其它交通流让行；在绿灯信号工作时，所控交通流越过停止线，通过路口；从而从空间和时间上分离了交通流和交通流的交通冲突。

根据GA47-2002《道路交通信号机》(中华人民共和国公安部，中国公共安全行业标准)，可知：

定义1-2：道路交通信号机，是一种能够改变道路交通信号顺序、调节配时并能控制道路交通信号灯运行的装置，具有对交通信号的控制能力和安排信号相位和相位顺序的参数设置程序：通过参数的设置，可以把在同时工作的绿灯定义为同一个相位结构；相位结构各绿灯同时都工作的时间阶段称为相位阶段，允许相位结构有的绿灯具有早亮或迟灭阶段，甚至跨接相位阶段；如果一个周期的相位阶段数超过2个，则称为多相位控制；为了避免交通冲突，相邻接的冲突绿灯之间设置有绿灯间隔时间，相邻接的冲突相位阶段之间设置有相位间隔时间，且相位间隔时间大于等于所包含的绿灯间隔时间；各个相位阶段的先后工作顺序称为相位顺序结构，相位顺序结构也可以通过内部参数的设置来确定。■|

在机动车流量进入极度饱和的今天，必须根据各股车流的流量需求，充分发掘、利用交叉口的时空资源，以提高交叉口的直行和左转机动车(简称框架车流)的通行能力为设计理念，寸土必夺，分秒必争，用精细化的科学精神改进交通信号控制系统的设计。即使国际上开发的TRANSYT、SCOOT、SCATS等经典信号控制系统也存在许多可改进、可突破之处。

本发明提出的黄灯倒计时显示装置、车流链的最短链长及系统损失时间、王式链族、王式道路渠化和具有负系统损失时间的信号控制系统等，都是自主创新的事物。本发明公开的一种具有负系统损失时间的动态信号控制系统设计、运行、配时方法，就可为交叉口发掘大量的难能可贵的时间资源。本发明提出的各框架车流的最短绿灯间隔时间以及最小绿灯时间、与直行车流同向的行人绿闪时间的新确定方法，则较传统方法更科学、更准确了。

2、定义2-1：绿灯间隔时间是从绿灯A结束到与A有冲突的绿灯B启亮所需要设置的安全时间间隔长度，其最小值称为A-B最短绿灯间隔时间。■|

自然规律2-1(最短绿灯间隔时间定理)：如果绿灯A、B控制的机动车有冲突，则A-B最短绿灯间隔时间应该包含：从结束绿灯A放行的最后一辆车越过停止线时刻到开始绿灯B放行的第一辆车进入停止线时刻所需要的最小时间间隔(简称为A-B间隔损失时间)，以及从绿灯A结束时刻到绿灯A放行的最后一辆车越过停止线时刻的时间，即黄灯时间。■|

最短绿灯间隔时间是信号控制方案设计的基本约束条件。传统信号控制方案设计却存在许多主观“规定”：

比如，著名的交通规划研究大师全永燊先生1989年出版的经典文献著作《城市交通控制》(北京：人民交通出版社，9页)虽提出设置绿灯间隔时间的方法，但又引用了国际上通行的不科学硬性统一规定了绿灯间隔时间最低限值的论述：

“绿灯间隔时间实质上是在一个信号阶段结束后，为了腾清路口所安排的一段时间，通常它也有一个最低限值。在国外目前采用4s为最短绿灯间隔时间”。

再比如，在2007年，著名的交通流研究大师王殿海先生在其获得的专利ZL200710055390.2的说明书12页说：“根据交通控制理论研究结论：交叉口信号周期长度应该在30秒-200秒之间，相位损失时间取为3秒。”也采用了把间隔损失时间当作相位损失时间，进行笼统规定的做法。

这些硬性统一规定绿灯间隔时间的最低限值4s或3s的做法必须废除：一因此做法忽略了最短绿灯间隔时间的区别因素，禁锢了人们对缩小绿灯间隔时间的改进创新欲望；二因不科学的最短绿灯间隔时间，必然较实际需要或过长、或过短。如时间过短，则势必危害安全；如时间过长，则浪费已十分紧张的时间资源，导致交叉口通行能力更低。最短绿灯间隔时间必须按科学规律合理地设置。

定义2-2：结束绿灯A放行的框架车流称为清空车流，清空特指由清空车流的尾车腾出交叉口冲突路面的运动；开始绿灯B放行的框架车流称为进入车流，进入特指由进入车流的首车进入交叉口冲突路面的运动；在清空车流与进入车流所有可能发生冲突的区域中，距离清空车流停止线的最远点，距离进入车流停止线最近点，就是最危险的关键冲突点；清空距离s_A为从清空车流停止线到越过关键冲突点的运动迹线长度；清空车流走完清空距离的时间即清空时间t_A；进入距离s_B为从进入车流停止线到达关键冲突点的运动迹线长度；进入车流走完进入距离的时间即进入时间t_B。■|

请注意2-1：到达与越过关键冲突点之间的差别是差一个车身的长度。■|

自然规律2-2：因允许车辆外缘可擦车道边缘行驶，故关键冲突点位于相交车道的边缘，清空车流的尾车的尾部侧面，进入车流首车的前端侧面。■|

自然规律2-3：A-B最短绿灯间隔时间可以由下式确定，即：

I＝A+Max{t_A}-Min{t_B}    (1)

式中：I——冲突最短绿灯间隔时间，(s)；

A——黄灯时间，(s)；

t_A——信号灯A清空车流的清空时间，(s)；

t_B——信号灯B进入车流的进入时间，(s)。■|

自然规律2-4(清空车流的匀速运动模型)：清空运动一般可以简化为匀速运动，结合路面的坡度情况，具有不同计算速度条件参数：平均清空速度v_A，清空时间t_A＝s_A/v_A。■|

机动车合法行经交叉口或人行横道时，由于可能突然出现违法的行人和非机动车，为保交通安全，机动车必须提高注意力，并适当减速行驶。如上海市工程建设规范《城市道路平面交叉口规划与设计规程》(DGJ08-96-2001，上海，2001)3.0.3款就规定：“平面交叉口计算车速应视车流行驶方向而定，直行车在进口道部分的计算车速一般宜取路段车速的0.7倍，左右转车辆的计算车速宜取路段车速的0.5倍。”但实际上，具体减速数值应该视交叉口实际情况测定。

自然规律2-5(进入车流的运动模型)：进入运动一般为初始速度为0的变加速运动，可近似为有速度上限的匀加速运动，计算速度条件参数为平均加速度a_B，和进入速度上限v_B；在速度上限内，瞬时速度v＝a_Bt，走过路程s＝a_Bt²/2，则进入时间t_B按如下方法计算：

进入车流达到速度上限的时间为t₀＝v_B/a_B；

达到速度上限时走过的路程为s₀＝a_Bt₀²/2；

如果进入距离s_B＜s₀，则进入时间t_B＝[(s_B)/2]^1/2；

如果进入距离s_B≥s₀，则进入时间t_B＝t₀+(s_B-s₀)/v_B。■|

注：这种进入车流的初始速度为0的变加速运动也可以有不同的近似模型，比如也可以视为匀速运动：运动速度即为平均进入速度v_B，则进入时间t_B＝s_B/v_B。有人甚至取平均进入速度v_B＝平均清空速度v_A，使计算更加简化。当然，计算越简化，结果也就可能会越不精确。

当然，自然规律2-6的简化模型也并不是最精确的，随着技术的进步，运动模型和计算方法也与时俱进，有可能对这种进入车流的初始速度为0的变加速运动给出更精确的模型。

交叉口区域不同的车道宽度、上下坡度、道路线形、环境条件、气候条件、路面摩擦力都会对不同流向的车辆速度产生影响。这些计算速度条件参数的取得，都需要设计人员到实地考查。对于新构建的交叉口，在交通信号控制方案实施之前，如无法考查，就只能参考经验和邻近交叉口的统计情况给出假定参数，先根据假定参数进行最短绿灯间隔时间计算，设计交通信号控制系统，等系统实际运行后，再根据实际运行情况，及时进行核对、修正。

自然规律2-7：如果结束绿灯A要停止路权的框架车流不止一种i，或开始绿灯B放行的框架车流不止一种j，则对所有有关的清空车流i与进入车流j，有

A-B最短绿灯间隔时间≥Max{Min I_ij}    (2)■|

3、自然规律2-1中，把黄灯结束时刻当作信号A放行的最后一辆车越过停止线时刻，是因为：

自然规律3-1：黄灯表示警示，表示禁止通行的红灯信号将亮(见《中华人民共和国道路交通安全法》第26条)。使守法车辆能够不闯红灯充分必要条件是，所有在黄灯初亮时看到信号的车辆，或能够在停止线外安全停车，或能够在红灯信号出现前顺利越过停止线。■|

自然规律3-2：有生理特性的车辆驾驶员，从看到信号发生变化到做出刹车反应动作需要有感知反应时间t_f，感知反应时间t_f内该车辆可能走过的距离记为L_反；具有质量和速度的机动车辆从开始制动到完全停止需要车辆制动时间t_s，在制动时间t_s内车辆行驶的距离称为刹车距离S_制。L_反和S_制与路口的最高限速有关，由机动车性能和路面状况决定。■|

定义3-1：所谓最大安全停车距离S_停就是最大感知反应时间内其所驾驶的车辆可能走过的最大距离L_反与最大刹车距离S_制之和(见图3)。■|

自然规律3-3：在黄灯出现时与停止线的距离小于最大安全停车距离S_停的一般汽车，不可能安全停止在停止线外，属于已靠近停止线来不及停车的车辆，可越过停止线进入交叉口继续行驶；但如前车正在停下来，则后车不能超越正在停下来的前车越过停止线。■|

“来不及停车”是一个动态行驶瞬间，外人难于监督、判断、取证，若化为方便遵守和执行、并易于大家监督的法律语言，应是：

自然规律3-4：黄灯期间，允许车辆越过停止线；但如果前车正在停下来，则后车不能超越正在停下来的前车而越过停止线。■|

请注意3-1：自然规律3-4的观点与目前许多新闻舆论观点不一样。但新闻舆论和法律制定也必须服从科学自然规律。

自然规律3-5(最短黄灯时间定理)：这些来不及在停止线外停车的车辆，到达、越过停止线的也需要时间，在此期间，不应出现红灯，故应有一个最短黄灯时间。最短黄灯时间，作为条件信号，应该大于等于驾驶员最大的感觉反应时间与车辆最大制动时间之和。■|

自然规律3-6：为了信号简单，对于同一交叉口的所有交通流，黄灯时间一般都统一取同一值，并不区别对待，更不进行细致划分。■|

交通控制研究大师李克平先生于2006年5月翻译出版的《交通信号控制指南——德国现行规范(RiLSA)》，([德]道路与交通工程研究学会编，中国建筑工业出版社)，在14页也特别注明：

“过渡的黄灯时间由进口道容许的最高速度决定。”

“对应于50公里/小时容许最高速度，过渡的黄灯时间取3秒。

对应于60公里/小时容许最高速度，过渡的黄灯时间取4秒。

对应于70公里/小时容许最高速度，过渡的黄灯时间取5秒。”■|

依据上述自然规律，故在自然规律2-1中，把黄灯熄灭时刻当作信号A放行的尾车越过停止线时刻。

还需要特别说明的是：交通控制研究大师李克平先生于2006年5月翻译出版的《交通信号控制指南——德国现行规范(RiLSA)》在21页也介绍了一个与本发明的(1)相近却完全不同的计算最短绿灯间隔时间的公式，即：

最短绿灯间隔时间＝通过时间+清空时间-进入时间    (3)

(3)式与(1)式的不同在于(3)式的“通过时间”：该资料没有详细说明(3)式中的通过时间的具体含义，只分别列举了直行车辆、转弯车辆、在交叉口前不停车的有轨电车和公共汽车、在交叉口须停车的有轨电车和公共汽车、自行车等机动车和非机动车的通过时间有不同的取值。根据这些机动车和非机动车的通过时间可有不同取值，可以明确确认，(3)式中的“通过时间”确实与(1)式中“对于同一交叉口的所有交通流，都统一取同一值”的“黄灯时间”，不属于同一个科学技术概念。因此，(3)式与(1)式是不同的。

4、自然规律4-1：因严禁闯红灯，故在黄灯结束前，越过停止线的车流已非饱和流量，损失的通行时间，简称黄后损失时间；在绿灯开始时，车流难以饱和流量进入，损失的通行时间，简称绿前损失时间；绿前、黄后损失时间，统一简称启动损失时间。(见图4)■|

启动损失时间是单个车流自身的一种非饱和损失时间，与保障2个冲突车流安全的间隔损失时间既无关也属完全不同的概念。

据科学统计，机动车流的启动损失时间约为1.5秒(《交通工程手册》，北京：人民交通出版社，1998年，1184页)。

也正因为“黄灯期间，允许车辆越过停止线”，才可能有如下定义：

定义4-1：某框架车流的有效绿灯时间就是一周期内允许以饱和流量放行的时间，即：

Ge＝G+A-l    (4)

式中：Ge——该框架车流的有效绿灯时间，(s)；

G——该交通流的绿灯时间，(s)；

A——黄灯时间，(s)；

l——启动损失时间，(s)。■|

定义4-2：为了描述框架车流在交叉口的拥挤程度，特定义车流饱和度：q＝Q_j/V_jN_jQ_sj。

式中q——框架车流j的饱和度；

V_j——框架车流j的绿信比(有效绿灯时间与周期时间之比)；

Q_j——框架车流j的实际流量，(pcu/h)；

N_j——框架车流j的车道数；

Q_sj——框架车流j的单车道饱和流量，(pcu/h)。■|

自然规律4-2：当车流饱和度小于等于0.9时不拥挤，故框架车流配时的绿信比一般满足：

V_j≥Q_j/qN_jQ_sj    (q＝0.9)    (5)■|

5、在传统的二相位方案的相位结构中还没有完全消除交通冲突，还存在冲突框架车流，即左转弯车流与对面方向直行车流的冲突。也正是为了消除这种有冲突的框架车流混合放行(简称无车流冲突)，才出现多相位控制方案设置。

自然规律5-1：在交叉口，设置多相位控制，严格禁止框架车流混合放行冲突，要比允许有冲突的框架车流混合放行的秩序更好、更安全。■|

自然规律5-2：只要满足各自最短绿灯间隔时间约束，组成同一相位阶段的绿灯不必同时起亮或关断；比相位阶段结束时刻还晚断的延续绿灯信号所在的时间开区间简称为迟断阶段，比相位阶段开始时刻还早亮的前延绿灯信号所在的时间开区间简称为早亮阶段。通过设置迟断阶段和/或早亮阶段可把各最短绿灯间隔时间的约束条件都用到极值，增加交通时间资源。■|

自然规律5-3：在十字交叉口，每个无车流冲突放行的相位阶段至多可整幅放行2个框架车流；若要把8个框架车流都轮番放行一遍，一个周期至少4个相位阶段；具有这样特性的4个相位阶段称为多相位控制方案的基本相位阶段；以基本相位阶段为基础，因有框架车流绿灯存在早起、迟断或搭接而形成的其它类型的相位阶段称为衍生相位阶段。■|

定义5-1：如果把各个清空车流按顺序纵向排列，把各个进入车流按顺序横向排列；把各个清空车流i与进入车流j之间的最短绿灯间隔时间I_ij对应填入对应表格，则形成的矩阵表格称为框架车流最短绿灯间隔时间矩阵表。■|

自然规律5-4：框架车流最短绿灯间隔时间矩阵表中空格、非空格呈斜对称分布。■|

自然规律5-5：最短绿灯间隔时间大小具有绿灯顺序性：A-B与B-A的最短绿灯间隔时间并不一定相等。可通过比较最短绿灯间隔时间大小来筛选框架车流的绿灯顺序。■|

6、定义6-1：在相位配时工作中对各个绿灯工作时间起决定性作用的那些框架车流，被称为关键车流。由车流绿灯和绿灯间隔前后有序衔接组成的可以成为周期路线的车流绿灯链称为车流链。由关键车流组成的车流链称为关键车流链。除绿灯时间等于最小绿灯时间者外，关键车流的饱和度较大。■|

这个定义排除了研究那些不可以成为周期路线的车流绿灯序列。

但不应排除车流链本身具有如下固有属性：

定义6-2：车流链各绿灯时间与最短绿灯间隔时间之和称为车流链最短链长：

C_L＝∑(G+I)    (6)

式中：C_L——车流链最短链长，(s)；

G——各车流绿灯时间，(s)；

I——各车流的最短绿灯间隔时间，(s)。■|

传统资料把车流链定义为运行路线，定义关键车流链为关键路线。最初的关键路线法是美国杜邦公司1957车研究成功的。用于在网络模型上直观地分析大型工程项目所需时间和费用的关系，找到缩短工程日期和节约费用的关键所在。

显然，在控制方案中，所有车流链的长度都等于周期时间。而本发明则更强调车流链的最短链长。之所以能研究此固有属性，是因为存在如下自然规律：

自然规律6-1：通过设置某些框架车流绿灯早起、迟断或搭接阶段，可使关键车流链的所有关键车流的绿灯间隔时间都等于各自的最短绿灯间隔时间。■|

自然规律6-2：关键车流链具有最大的最短链长，且等于周期时间。■|

这个特性非常重要，它使本发明把寻找关键车流链的任务转化为寻找具有最大的最短链长的车流链，并借关键车流链的最短链长找到方案的最短周期时间。

定义6-3：系统损失时间为关键车流链有效绿灯时间总和与周期之差。■|

自然规律6-3：存在如下计算关系式：

L＝∑I-(A-l)×n    (7)

式中：L——系统损失时间，(s)；

I——关键车流链的各个最短绿灯间隔时间，(s)；

A——黄灯时间，(s)；

l——启动损失时间，(s)；

n——间隔数量。■|

自然规律6-4：系统损失时间可以脱离系统配时而提前计算、比较，故系统损失时间并非由关键车流链专属；系统损失时间大小是各车流链自身的一种固有属性，任何车流链都可以计算其系统损失时间，数值大小与最短链长无关。■|

这个自然规律非常重要，它使本发明可以脱离系统配时而提前计算、比较各车流链的系统损失时间，从而通过优选车流链实现优选相位结构方案。

定义6-4：称具有相同的基本相位阶段相位结构、相同的基本相位阶段顺序的2个车流链具有相通关系，具有相通关系的车流链可以划分在同一种相通车流链族中。为了简单，把相通车流链族简称链族。■|

定义6-6：在链族中，把因某个框架车流最小绿灯时间与其前后2个最短绿灯间隔时间之总和小于其前后2个框架车流之间的最短绿灯间隔时间所形成的车流链简称为跨阶段车流链。■|

自然规律6-5：在十字交叉口，按基本相位阶段相位结构和基本相位阶段顺序，可把除跨阶段车流链外的全部113个车流链划分为9个有车流冲突的链族和12个无车流冲突的链族；无车流冲突的链族图具有双列结构，各自首尾衔接，形成循环。■|

自然规律6-6：由于首尾衔接，形成循环，链族图只关注顺序，并不关心由哪个车流起始。■|

相位设计是信号控制交叉口进行配时设计时需要首先解决的问题，直接决定着控制方案的效果。而当前使用的相位设计主要依赖经验判断或并不完全的穷举来确定，范围不足，并不能保证方案确实最优。

本发明的按基本相位阶段相位结构和基本相位阶段顺序把除跨阶段车流链外的全部113个车流链都划分为9个有车流冲突链族和12个无车流冲突链族的方法，为在所有的相位阶段和相位顺序结构中进行优选提供了研究渠道和可能。

定义6-7：在双列结构的链族图中，可以把各个最短绿灯间隔时间约束用带有数字的有向箭头表示，称为弧(Arc)，而把各个框架车流的绿灯时间称为节点(Node)，则每个链族图都可以构成一种网络拓扑图，每一条从始节点通往终节点的弧-节点链图部可以构成一条车流链。在链族图中，从始节点通往终节点，存在有限个可以成为周期路线的车流链。■|

这里的链族图，不同于一般的网络拓扑图，其特殊性就在于其各个节点并不仅只是一个个点，而是一个个具有绿灯时间的框架车流放行过程，而且这些过程的时间有可能比各个弧的时间都长。

显然，这里的链族图，也不同于传统教材《交通管理与控制》(徐建闽主编，杨兆升主审，北京：人民交通出版社，2007.11，106页)中的“信号相位与车流对应关系图”，因为，传统教材中的“信号相位与车流对应关系图”只能用来寻找、判断其所谓的关键车流。

该传统教材(106页)把本发明的关键框架车流定义为关键车流。该传统教材在108页指出：对关键车流的判断过程常常需要经过如下步骤：

1)编制“关键车流判定表”；

2)绘制“信号相位(阶段)与车流对应关系图”；

3)进行非搭接车流处理；

4)进行搭接车流处理；

5)关键车流的确定。

该传统教材在108页指出：需要特别说明的是，由于交叉口的信号配时需要事先确定好关键车流，根据关键车流的基本数据进行；而关键车流的确定又与信号周期的大小有关，因此关键车流的确定与信号配时关系密切，需要同步进行。通常的思路是：先假设一个初始信号周期，试探性地确定好关键车流，再按关键车流进行信号配时，并重新校核关键车流。初始信号周期的大小既可以通过经验估计，也可以通过实用信号周期公式估算。

由此可见，在传统教材中，对关键车流的判断过程确实很复杂，而且需要反复多次。

而本发明对关键车流的判断过程是通过链族图本身的一些独特特点进行的：

自然规律6-7：链族图的双列结构之间，除直线箭头最短绿灯间隔时间约束弧外，还存在侧向斜线最短绿灯间隔时间约束弧关系；在存在侧向斜线最短绿灯间隔时间约束弧关系的相位间隔内，如果4个约束弧的矢量和为0，则称对应的4个绿灯间隔时间相容。对于不相容的4个最短绿灯间隔时间，可以通过适当增加某些绿灯间隔时间，使不相容的4个绿灯间隔时间变为相容，其中必然存在使使4个绿灯间隔时间总和增加最少的相容方案，简称为最小相容方案，而且存在多种最小相容方案。■|

最小相容方案存在的设计自由度，可以允许设计者自己规定一些选择原则。

自然规律6-8：任何可实施控制方案皆属于绿灯间隔时间的相容方案。■|

自然规律6-9：在多种最小相容方案中，存在使其2个直向间隔时间之和等于2个斜向间隔时间之和的方案。■|

自然规律6-10：在多种最小相容方案中，存在使其中任意1个最短绿灯间隔时间约束弧所对应的绿灯间隔时间不再扩大的方案。■|

这个自然规律与自然规律6-1是等同的。

定义6-8：在多种最小相容方案中，任何绿灯间隔时间部存在上限。可以称该绿灯间隔时间的上限为该绿灯间隔时间的最大相容绿灯间隔时间。■|

对绿灯间隔时间进行的相容设计还应该包括如下内容：

自然规律6-11：任何框架车流的最小绿灯时间加上其前后最大相容绿灯间隔时间的总和不应小于其前后2个框架车流之间的最短绿灯间隔时间。■|

这个性质非常重要，实质上构成了框架车流最小绿灯时间的一种必须遵守的约束条件，且是不可或缺的一种新的必须遵守的约束条件。其不可或缺性可见实施例。

自然规律6-12：存在跨阶段车流链是高水平道路渠化的自然产物。■|

因此，可以告慰的是，传统道路渠化不存在跨阶段车流链，所以传统控制理论未发现、未提出自然规律6-11类最小绿灯时间约束条件是完全可以理解的。

而由自然规律6-11得到的最小绿灯时间，完全有可能使该框架车流的最小绿灯时间加上其前后最短绿灯间隔时间的总和小于其前后2个框架车流之间的最短绿灯间隔时间。

为遵守自然规律6-11，需要绘制附有各种跨阶段车流链的链族图，如图10。

自然规律6-13：如果出现某个框架车流的绿灯时间加上其前后绿灯间隔时间的总和等于其前后2个框架车流之间的最短绿灯间隔时间的情况，则说明该框架车流的有效绿灯时间完全是利用其前后2个框架车流之间的最短绿灯间隔时间的空挡进行放行的，设置该相位阶段并不比不设置该相位阶段多占用任何时间。■|

此自然规律说明，对于以跨阶段车流链为关键车流链的交叉口完全可以增加左转相位阶段，只要阶段时间适度，并不比不设置该相位阶段多占用任何时间。

自然规律6-14：在多相位方案的调整中，如只改变周期长和绿灯配时，不改变基本相位阶段相位结构和基本相位阶段顺序，则只会在同一链族中引起关键车流链的变换和相应系统损失时间的变更，从而在方案改变时无结构跳变，不需要过渡方案，容易让所有的交通参与者适应，故更应关注在同一链族中进行的方案调整和同一链族的系统损失时间均值。■|

自然规律6-15：如果关键车流链为跨阶段车流链，则因其跨阶段绿灯间隔时间已经被所跨阶段的车流有效利用，不能计算为整体系统损失时间，为简单、清晰、可比，故不计算跨阶段车流链的系统损失时间。■|

自然规律6-16：统计计算链族系统损失时间均值，一般把同一链族各车流链的系统损失时间相加，除以此链族的车流链数量，即可得到。而为简单、清晰、可比，统计计算链族系统损失时间均值时，并不计算那些可能存在的跨阶段车流链的系统损失时间。此省略、简化并不会影响链族的分类与筛选。■|

定义6-9：在所有无车流冲突的链族中，把系统损失时间均值最小的链族简称为王式链族。■|

7、自然规律7-1：改变交叉口道路渠化，可以改变某些关键冲突点的位置，乃至清空距离和进入距离，从而改变最短绿灯间隔时间和王式链族的系统损失时间均值。■|

自然规律7-2：对于占地面积较大的交叉口，存在这样一种王式道路渠化：

1)主要由环形道路(可以是类环形，如直通桥下路口)与穿越环形道的道路构成；

2)按照交叉口占地面积空间，因地制宜，使环形道路外缘尽可能大；

3)环形道路主供直行车、非机动车行驶；环形道路内部中心区域为直行车禁驶区；

4)穿越环形道和中心区域的道路供左转弯车行驶，与直行机动车环形路面形成平面交叉，所存在的潜在冲突点远离交叉口中心。

5)按照交叉口的允许占地面积空间，尽可能扩大各进、出口车道数量，并按不同流向的年流量需求比例分配左、直、右车道数，如非整数，则对直行车道数量舍去小数部分，对左转车道数量则将小数部分进位，右转车道数量四舍五入，至少为1；为避免合流冲突和出口拥挤，需使进口车道数≤交叉口内车道数≤出口车道数。■|

自然规律7-3：王式道路渠化较传统那些使冲突点相对集中在路口中心的道路渠化，其王式链族的系统损失时间均值具有绝对值较大的负值。■|

自然规律7-4：在关键车流有效绿灯时间比例基本满足流量比例的条件下，负系统损失时间的绝对值越大，和/或，信号周期长度越短，交叉口增加的这种“负系统损失时间”的附加时间资源就占比例越大，并且交叉口的通行能力和效率就越大。■|

故应该努力利用这些自然规律，发掘这种“负系统损失时间”的附加时间资源。尽管存在因“可能存在跨阶段车流链”带来的烦琐工作。

自然规律7-5：王式道路渠化和王式链族的控制方案适宜于为交通流设置王式半幅待行区，进行半幅路权控制。■|

8、自然规律8-1：黄灯信号不仅是警示的信号和条件信号，而且是计算最短绿灯间隔时间中的一种调节信号，可以通过调节黄灯时间长度使所有最短绿灯间隔时间皆非负值。■|

要求所有最短绿灯间隔时间皆非负值由《道路交通信号控制机》标准3.9款和5.5.2.1款规定。绿冲突故障是“规定不允许同时放行的信号组的绿色信号灯同时点亮”。“发生以下严重故障，信号机应立即进入黄闪或关灯状态：a)本标准3.9定义的绿冲突故障；...。”

因为信号机露天安装在交叉口，身处风、雪、雷、电、尘、酷暑、严寒的环境，而又长期不间断地工作，非常可能在某不确定的时刻出现某不可预知的故障。不能让这些偶发故障危害安全，安全保护各种交通流，需使信号机具有“绿冲突”自动检测功能。

但另一方面，负最短绿灯间隔时间又的确是一种提高通行能力附加的时间，要鼓励尽可能造成绝对值更大的负最短绿灯间隔时间；要协调这个矛盾，保留“绿冲突”自动检测功能，就需要遵循、利用自然规律8-1，适度延长黄灯时间，从而使所有框架车流之间不会出现负最短绿灯间隔时间。

牵一发而动全身。把黄灯信号的时间长度延长到9s，将涉及如下3个问题：

问题1：弱化了黄灯的警示作用；

问题2：将会对最小绿灯时间约束产生影响；

问题3：可能导致原来小于5s的绿灯无法显示。

把黄灯的时间长度有限延长，肯定会弱化黄灯的警示作用，必须消除这个弊端，才能确保方案的有效实施。本发明提出，可以通过安装黄灯倒计时显示装置来强化黄灯的警示作用。

在交通信息工程与控制的历史上，曾经出现过绿灯倒计时显示装置和红灯倒计时显示装置，惟独没有单独出现过黄灯倒计时显示装置。

但绿灯和红灯倒计时显示装置没有大面积推广，且因为实时动态控制，需要随时能够调整绿灯和红灯信号的工作时间。因此，大有要取消已安装的绿灯和红灯倒计时显示装置之势。

但实时动态控制，并不需调整固定不变的黄灯时间，故黄灯时间与实时动态控制互不影响。

通过黄灯倒计时显示装置的信息来强化黄灯的警示作用，还具有克服“一刀切”的弊病、“还政于民”的好处。让驾驶员根据自身车辆载重量、速度情况和路面摩擦力，以及车辆与停止线的距离，自行决定应该何时开始刹车或加速通过停止线。

因黄灯时间是有效绿灯时间的一部分，在有效绿灯时间不变的条件下，延长增加黄灯时间，就必然要相应缩短绿灯时间，包括缩短各种最小绿灯时间约束。

自然规律8-2：确定各框架车流的最小绿灯时间需要保证4个条件：

a)任何框架车流的最小绿灯时间加上其前后最大相容绿灯间隔时间的总和不应小于其前后2个框架车流之间的最短绿灯间隔时间；

b)框架车流的最小绿灯时间+黄灯时间，应保证行人安全地通过人行横道；

c)框架车流的最小绿灯时间+黄灯时间，应保证见到绿灯启动的车辆能够安全停车；

d)框架车流的最小绿灯时间+黄灯时间，应保证在上周期停留在检测器与停止线之间的车辆在本次放行期间能够通过停止线。■|

注：如果把黄灯时间延长，可能导致原来较小的绿灯无法显示。但原来一般并不会出现小于5s的绿灯。即使有，在把黄灯时间延长到9s后，这种框架车流最小绿灯时间，可取为1s。不必担心绿灯时间太短驾驶员看不到，因为“红、绿、黄”信号显示顺序固定，只要在红灯后面见到黄灯，就必可以认定，是绿灯已经显示过了，后面还有9s的黄灯时间，允许机动车通过。■|

9、行人的交通路权是交通信号控制系统必须保证的。

研究统计表明，行人的步行速度受性别、年龄及身体状况的制约，我国行人步行速度通常变化范围为0.7-1.7m/s，单人步行速度平均为1.29m/s，结伴步行速度为1.17m/s，学生的步行速度较快一些，平均为1.6m/s。

行人速度的差别很大，各种速度的人群都有权安全过街，必须分别考虑，区别对待，统筹兼顾，不应采用唯一的平均速度简单处理。故应该遵照统计规律，定义不同速度的人群：

定义9-1：过街速度只有0.7m/s左右的需要照顾的人群称为“慢速人”，过街速度超过1.5m/s的人群称为“快速人”，速度在1.0m/s左右的人群称为“一般人”。■|

自然规律9-1：行人过街时间由三部分组成：行人绿灯时间、行人绿闪时间和行人清空时间；在此时间内，皆不允许与该行人有冲突的交通流通过人行横道。行人绿灯为通行信号，儿童、老人或需要照顾的残疾“慢速人”，都只在绿灯初亮时进入人行横道；而“一般人”，都只应在绿灯时期进入人行黄道；行人绿闪为警示信号，表示红灯即将起亮，只允许“快速人”在绿闪信号阶段进入人行横道，(参见图4)；出现红灯后，绝对禁止任何人再进入人行横道；所有已进入人行横道的行人不得停留，应尽可能快速通过冲突区域，进入前方的安全区域；冲突车辆要停车为已进入人行横道的行人让行。■|

在信号灯绿灯时间中，最基本的是行人最小绿灯时间G_行min，不得低于3秒。符合广州报道规定，“行人灯绿灯时间随车流多少的变化而变化，但最低不得低于3秒”。因“慢速人”不是每次都有，其的过路安全主要依靠车辆让路，而非依靠扩大行人最小绿灯时间的长度。

请注意，在自然规律9-1中，提到了一个机动车信号中没有的信号，那就是行人绿闪信号。

行人绿闪信号的法律含义应类似于机动车的黄灯信号的法律含义，但又有所不同。由于不同行人过人行横道的速度不同，所以关于行人绿闪信号的法律含义也要对“快速人”和“慢速人”区别对待、统筹兼顾。

表1行人绿闪信号与机动车的黄灯信号的异同

注意，GA47-2002《道路交通信号机》标准虽规定：“行人绿闪信号的持续时间应根据路口实际情况设置。”但没有提及行人绿闪持续时间的确定原则和方法。

由于绿闪时间既不应包括清空时间，也不应被包含在行人绿灯与冲突绿灯之间的绿灯间隔时间之内，行人绿闪时间应属于一个非常特殊的部分。按照本发明自然规律9-1，存在有：

自然规律9-2：因为“一般人”在绿闪时间开始时就已经禁止进路，就对“一般人”实际上已经开始清空，故行人绿闪信号持续时间加行人绿闪信号后的清空时间，应确保绿灯时进入人行横道的“一般人”能安全到达人行横道的另一端；行人绿闪信号后的清空时间，应能确保绿闪信号结束时进入人行横道的“快速人”能安全到达人行横道的另一端；故有

行人绿闪时间(s)＝“一般人”清空时间(s)-“快速人”清空时间(s)    (8)如“快速人”速度为1.5m/s，“一般人”速度为1.0m/s，则从数值上有关系式：

行人绿闪时间(s)≥人行横道的长度(m)/3(m/s)   (9)■|

计算行人绿闪时间的式(9)非常简单、易记、易计算，方便大家遵守、执行、设置。

定义9-1：设置在往返车道间，供行人横穿道路临时停留的交通岛，称为安全岛。■|

这类交通岛的最小宽度为1.5米。一般设置在道路较宽，行人较集中的地方。

自然规律9-3：设置行人二次过街交通岛，可缩短直行车信号灯的最小绿灯时间。■|

同理可有行人、非机动车与机动车之间最短绿灯间隔时间的计算方法(略)。

在允许行人过街的交叉路口，构成直行车流的最小绿灯时间的有关因素如图5所示，有：

与人行横道平行的直行车流信号灯A₁与同向行人信号灯A₂的绿灯受制于同样的冲突框架车流，即受制于相同的前冲突框架车流绿灯B₁的停止时刻T₁及后冲突框架车流绿灯B₂的开始时刻T₂，只是因为冲突点位置存在的差异，导致各自与同一冲突框架车流绿灯B₁有不同的最短绿灯间隔I₁₁、I₁₂，与同一冲突框架车流绿灯B₂有不同的最短绿灯间隔I₂₁、I₂₂。

自然规律9-4：可以确保同向行人绿灯时间≥G_行min的充要条件是，与人行横道平行的直行车流最小绿灯时间G_机min满足如下关系式：

G_机min≥G_行min+G_行闪+(I₂₁+I₂₂)-(I₁₁+I₁₂)    (9)

式中：G_行min——同向行人最小绿灯时间，(s)；

      G_行闪——同向行人绿闪时间，(s)；

(I₂₁+I₂₂)——同向行人与前、后冲突框架车流间最大最短绿灯间隔时间的和，(s)；

(I₁₁+I₁₂)——与人行横道平行的直行车流与前、后冲突框架车流间最短绿灯间隔时间的和，(s)；■|

(三)发明内容

遵循上述自然规律，本申请公开了一种单个交叉口交通信号的控制方法，以及各种可能道路渠化的筛选方法，清空车流i和进入车流j的最短绿灯间隔时间I_ij的确定方法等。

1、一种采用计算机程序的单个交叉口交通信号的控制方法，该方法包括有下列步骤：安装检测器、信号显示装置、信号控制机，并用光缆、无线和电线把它们连接起来，其特征在于所述的单个交叉口交通信号的控制方法还采用下列步骤：

I、静态设置部分与参数计算

1)以使王式链族的系统损失时间均值更小为指标，对各种可能道路渠化进行筛选，确定最优道路渠化，以及对应的王式链族和框架车流最短绿灯间隔时间矩阵表{I_ij}；

2)分别确定各框架车流的车道数{N_j}，单车道饱和流量{Q_sj}；饱和度要求q；并确定最短黄灯时间A₀＝最大感知反应时间+最大车辆制动时间；

3)在框架车流最短绿灯间隔时间集合{I_ij}中，如果存在具有负值的最短绿灯间隔时间I_ij，则针对Min{I_ij}＜0，重新取黄灯时间A＝A₀-Min{I_ij}，并重新确定各最短绿灯间隔时间矩阵表；并且在黄灯近旁设置黄灯倒计时显示装置；否则，继续；

4)计算并制作行人、非机动车与框架车流、右转车最短绿灯间隔时间矩阵表；

5)确定行人最小绿灯时间、行人绿闪时间，如果存在跨阶段车流链，绘制附有各种跨阶段车流链的链族图，确定各框架车流的最小绿灯时间{D_j}；

II、动态在线配时设计部分与参数计算

6)定期、定时在线按各车流的实测流量，按一定模型预测下一阶段的设计流量集合{Q_j}，确定各框架车流绿信比要求V_j＝Q_j/qN_jQ_sj；

7)把框架车流最小可能绿灯时间集合{D_i}，即各流向皆使用最小绿灯时间只代入王式链族的各车流链，包括可能存在的跨阶段车流链，取各车流链中最大的最短链长为可能最小周期时间C₀；

8)对所有框架车流，把C₀按各自的绿信比要求V_j分各自的整数绿灯时间：G_j＝Max{C₀V_j-A+l，D_j}；

9)把此组整数绿灯时间集合{G_j}，代入王式链族各车流链，包括可能存在的跨阶段车流链，取各车流链中最大的最短链长为周期时间C₁；

10)如果周期时间C₁≤C₀，则合格，就以此组最大的最短链长涉及的整数绿灯时间集合{G_j}作为绿灯时间框架，确定绿灯间隔时间的最小相容方案；并以非关键框架车流、行人、非机动车、右转车与框架车流最短绿灯间隔时间为约束，为其它交通流配置绿灯时间，配时数据投入运行；否则，继续；

11)取可能最小周期时间C₀＝C₁，返回8)；

III、运行后整体校核部分

12)在根据最短绿灯间隔时间设计的信号控制系统运行后，定期根据实际情况进行校核，如最短绿灯间隔时间有误差，则调整计算速度条件参数，返回静态设置部分。

2、一种按照权利要求1所述的单个交叉口交通信号控制方法，其特征在于所述的控制方法可将全部可能的各车流实测流量集合{Q_j}离线计算出对应配时方案，列成表格，使动态在线配时设计只需要查表，根据各车流实测流量集合{Q_j}，找到对应配时方案的配时数据，投入运行。

3、一种按照权利要求2所述的单个交叉口交通信号的控制方法，其特征在于把一天分成分几种时段，根据各时段预定设计流量集合{Q_j}，对应设计定时控制配时方案，无须在线配时；并且，因为不存在随机动态变换方案的可能，对应配时方案并不一定要属于王式链族，也可以属于系统损失时间更小的某些确定车流链。

4、一种按照权利要求1、2或3的单个交叉口交通信号的控制方法所述的以王式链族的系统损失时间均值更小为指标对各种可能道路渠化的筛选方法，其特征在于包括下述步骤：

1)对各种可能道路渠化，分别把所有框架车流分别当作清空车流i，把所有与清空车流i有冲突的框架车流分别当作进入车流j：计算清空车流i和进入车流j的最短绿灯间隔时间I_ij；

2)制作框架车流最短绿灯间隔时间矩阵表：把各清空车流纵向排列，把各进入车流横向排列；把各清空车流i与进入车流j的最短绿灯间隔时间集合{I_ij}填入对应表格；

3)按照框架车流基本相位阶段相位结构、基本相位阶段顺序，把所有车流链划分为不同链族；利用最短绿灯间隔时间矩阵表的数据，除可能存在的跨阶段车流链外，分别计算各车流链的系统损失时间：

L＝∑I-(A-1)×n

式中：L——系统损失时间，(s)；

I——车流链的各个最短绿灯间隔时间，(s)；

A——黄灯时间，(s)；

l——启动损失时间，(s)；

n——间隔数量；

继而，把同一链族各车流链的系统损失时间相加，除以此链族的车流链数量，得到此链族的系统损失时间均值；比较、选择系统损失时间均值最小的链族为王式链族；

4)比较、选择可以使王式链族的系统损失时间均值更小的道路渠化，及对应的王式链族和框架车流最短绿灯间隔时间矩阵表{I_ij}。

5、一种按照权利要求1、2、3或4的单个交叉口交通信号控制方法所述的参与筛选的各种可能道路渠化，按照交叉口的允许占地面积，尽可能扩大各进、出口车道数量，按不同流向的年流量需求比例分配各进口道左、直、右车道数，如非整数，则对直行车道数量舍去小数部分，对左转车道数量则将小数部分进位，右转车道数量四舍五入，至少为1，为避免合流冲突和出口拥挤，需使进口车道数≤交叉口内车道数≤出口车道数，其特征在于还包括如下王式道路渠化：

1)主要由环形道路(可以是类环形，如直通桥下路口)与穿越环形道的道路构成；

2)按照交叉口占地面积空间，因地制宜，使环形道路外缘尽可能大；

3)环形道路主供直行车、非机动车行驶；环形道路内部中心区域为直行车禁驶区；

4)穿越环形道和中心区域的道路供左转弯车行驶，与直行机动车环形路面形成平面交叉，所存在的潜在冲突点远离交叉口中心。

6、一种按照权利要求1、2、3、4或5的单个交叉口交通信号的控制方法，其特征在于省略所述的对各种道路渠化进行的筛选过程，而根据经验或过去筛选的结果，直接对王式道路渠化方案进行设计，确定对应王式链族，并计算对应的框架车流最短绿灯间隔时间矩阵表。

7、一种按照权利要求1、2、3、4、5、6或7的单个交叉口交通信号的控制方法所述的清空车流i和进入车流j的最短绿灯间隔时间I_ij的确定方法，其特征在于包括下述步骤：

1)测量清空车流i的最大清空距离s_i(m)，即从清空车流i的交叉口停止线到其越过关键冲突点的长度；测量进入车流j的最小进入距离s_j(m)，即从进入车流j的交叉口停止线到越过关键冲突点长度；

2)确定计算速度条件参数：清空车流i的最小平均清空速度v_i(m/s)和进入车流j的最大平均加速度a_j(m²/s)，进入速度的上限v_j(m/s)；

3)数值计算最长清空时间，t_i＝s_i/v_i(s)，精确到秒，四舍五入，保留2位小数；

4)数值计算最短进入时间，精确到秒，四舍五入，保留2位小数：

i、进入车流达到速度上限的时间为t_0j＝v_j/a_j(s)；

ii、进入车流达到速度上限时走过的路程为s_0j＝a_jt_0j²/2(m)；

iii、如果进入距离s_j＜s_0j，则进入时间t_j＝[s_j/2]^1/2(s)；

iv、如果进入距离s_j≥s_0j，则进入时间t_j＝t_0j+(s_j-s_0j)/v_j(s)；

5)计算清空车流i和进入车流j的最短绿灯间隔时间I_ij＝A+t_i-t_j，如有小数，则整数加一；

6)校核，如最短绿灯间隔时间有误，则调整速度条件参数：最小平均清空速度v_i(m/s)和进入车流j的最大平均加速度a_j(m²/s)，进入速度的上限v_j(m/s)，返回3)。

8、一种按照权利要求1、2、3、4、5、6或7的单个交叉口交通信号的控制方法所述的各框架车流的最小绿灯时间集合{D_j}的确定方法，其特征在于各框架车流的最小绿灯时间D_j应该根据调整后的实际黄灯时间和最短绿灯间隔，取如下4个值中最大的一个：

1)任何框架车流的最小绿灯时间加上其前后最大相容绿灯间隔时间的总和不应小于其前后2个框架车流之间的最短绿灯间隔时间；

2)与人行横道平行的直行车流的最小绿灯时间：

G_机min＝G_行min+G_行闪+(I₂₁+I₂₂)-(I₁₁+I₁₂)(s)

式中：G_行min——同向行人最小绿灯时间，(s)；

G_行闪——同向行人绿闪时间，(s)；

(I₂₁+I₂₂)——同向行人与前、后冲突框架车流间最大最短绿灯间隔时间的和，(s)；

(I₁₁+I₁₂)——与人行横道平行的直行车流与前、后冲突框架车流间最短绿灯间隔时间的和，(s)；

3)框架车流的最小绿灯时间+黄灯时间，应保证在上周期停留在检测器与停止线之间的车辆在本次放行期间能通过停止线；

4)框架车流的最小绿灯时间+黄灯时间，应保证见到绿灯后启动了的车辆能安全停车。

9、一种按照权利要求8的单个交叉口交通信号控制方法所述的确定行人绿闪时间G_行闪的方法，其特征在于与直行车流同向行人的G_行闪＝“一般人”清空时间-“快速人”清空时间。

10、一种按照权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的单个交叉口交通信号的控制方法所述的在黄灯近旁设置的倒计时显示装置，具有外壳部分、电源部分、计时部分、显示部分，可以从初始显示数字开始，逐秒倒计时显示距离灭灯时刻所剩余的时间信息，其特征在于：

所述的外壳部分使其易于安装、固定在黄灯近旁；

所述的电源部分提供适配的电压和功率，并有线路与黄灯相连，与黄灯同时接通电源、同时断掉电源；

所述的计时部分还具有初始显示的数字设定部分，由之可以提前离线设定初始显示数字，每次都为固定的黄灯时间，不随动态方案的调整而变化；其不需要接收信号机的通讯信息，也不需要能够与信号机通讯的接收装置；

所述的显示部分只显示与黄灯相同的颜色；且如果黄灯时间总小于等于9s，所述的显示部分就只具有一位数字，否则所述的显示部分就只具有2位数字，且十位数字最大是1；

更关键的是，倒计时显示装置显示的信息能够加强黄灯的警示作用，在黄灯时间大于4s的交叉口必须配置安装。

上述最短绿灯间隔时间、最大相容绿灯间隔时间、车流链系统损失时间、跨阶段车流链系统损失时间、链族系统损失时间均值、王式链族、行人绿闪时间与人行横道平行的直行车流的最小绿灯时间等计算方法和道路渠化的筛选方法，乃至黄灯倒计时显示装置都是有别于传统方法或产品的王式自主创新的新方法或新产品。

上述配时方案从最小可能周期开始，只在王式链族中逐步搜索，把选择关键车流链、基本相位结构和关键车流绿灯配时工作同时完成；简化了系统配时流程和动态在线配时速度，且方案改变时无基本相位顺序结构跳变，不需过渡方案，易让所有的交通参与者适应，且信号控制系统具有负系统损失时间；更是有别于传统方法的王式自主创新的新方法。

(四)附图说明

图1一个王式道路渠化方案及冲突点位置图；

图2最大安全停车距离的相关因素；

图3绿初损失时间和黄末损失时间示意图；

图4自然规律8-1的行人过街信号示意图；

图5因行人过街构成的直行机动车最小绿灯时间的有关因素之间的关系示意图；

图6单个交叉口交通信号的控制方法的静态离线设计部分示意图；

图7筛选各种可能道路渠化和链族的示意图；

图8单个交叉口交通信号的控制方法的动态在线设计部分示意图；

图9确定清空车流i和进入车流j的最短绿灯间隔时间I_ij的示意图；

图10附带有跨阶段车流链的链族图与最小绿灯时间；

图11交叉口图1的对应框架车流信号控制方案的相容车流链；

图12交叉口图1的具有负系统损失时间的信号灯组-相位阶段图；

图13一个直通立交桥下交叉口的王式道路渠化方案。

(五)具体实施方式

1、作为实施例，一个十字交叉口的与传统交叉口不同的王式道路渠化方案，如图1所示。

2、明确如图1所示王式道路渠化方案的各个框架车流关键冲突点位置1-10。并按比例分别测算各个框架车流的最大清空距离集合{S_i}和最小进入距离集合{S_j}，对应列于表2中。

3、给出此实施例一组比较合理的计算速度条件参数：

假定各进口路段框架车流最高限速同样为60km/h，交叉口路面平整，各流向参数一致。

因所有车道都存在转弯部分，取计算速度条件参数为：清空车速v_i＝12m/s，进入车的平均加速度a_j＝4m/s²，最高进入车速v_j＝10m/s计算，黄灯时间＝4s。

按此计算速度条件参数，进入车经过t_0j＝2.5s就可以达到进入车速的最高速度v_j，而此时走过的距离是s_0j＝12.5m。如果进入距离s_j≥s_0j，则进入时间t_j(s)可以按下式计算：

t_j＝2.5+(s_j-12.5)/10＝1.25+s_j/10(s)    (10)

如果进入距离s_j＜s_0j，则进入时间t_j可以按下式计算：

t_j＝[s_j/2]^1/2(s)    (11)

计算结果列于表2。

表2计算速度条件参数下王式渠化方案最短绿灯间隔时间有关参数

(清空车速v_i＝12m/s，进入车的加速度a_i＝4m/s²，最高进入车速v_i＝10m/s，黄灯时间＝4s)

  序号  结束绿灯信号灯  绿灯开始信号灯  最大清空距离s_i(m)  最小进入距离s_j(m)  清空时间t_i(s)  进入时间t_j(s)  最短绿灯间隔时间(s)  1  东直8  西左  78  96  6.50  10.85  0

  序号  结束绿灯信号灯  绿灯开始信号灯  最大清空距离s_i(m)  最小进入距离s_j(m)  清空时间t_i(s)  进入时间t_j(s)  最短绿灯间隔时间(s)  2  东直6  南直  33  90  2.75  10.25  -3  3  东直9  南左  166  109  13.83  12.15  6  4  东直5  北直  96  15  8.00  2.75  10  5  东直7  北左  92  15  7.67  2.75  9  6  东左2  西直  112  72  9.33  8.45  5  7  东左4  南直  33  84  2.75  9.65  -2  8  东左1  南左  81  50  6.75  6.25  5  9  东左3  北左  63  71  5.25  8.35  1  10  东左10  北直  126  144  10.50  15.65  -1  11  西直8  东左  73  94  6.08  10.65  0  12  西直6  北直  33  96  2.75  10.85  -4  13  西直9  北左  150  122  12.50  13.45  4  14  西直5  南直  91  15  7.58  2.75  9  15  西直7  南左  87  15  7.25  2.75  9  16  西左2  东直  114  68  9.50  8.05  6  17  西左4  北直  33  90  2.75  10.25  -3  18  西左1  北左  83  50  6.92  6.25  5  19  西左3  南左  67  68  5.58  8.05  2  20  西左10  南直  128  145  10.67  15.75  -1  21  南直8  北左  78  92  6.50  10.45  1  22  南直6  西直  33  85  2.75  9.75  -3

  序号  结束绿灯信号灯  绿灯开始信号灯  最大清空距离s_i(m)  最小进入距离s_j(m)  清空时间t_i(s)  进入时间t_j(s)  最短绿灯间隔时间(s)  23  南直9  西左  154  122  12.82  13.45  4  24  南直5  东直  96  15  8.00  2.75  10  25  南直7  东左  92  15  7.67  2.75  9  26  南左2  北直  103  76  8.58  8.85  4  27  南左4  西直  33  79  2.75  9.15  -2  28  南左1  西左  66  50  5.50  6.25  4  29  南左3  东左  50  74  4.18  8.65  0  30  南左10  东直  115  160  9.58  17.25  -3  31  北直8  南左  84  86  7.00  9.85  2  32  北直6  东直  33  90  2.75  10.25  -3  33  北直9  东左  160  120  13.33  13.25  5  34  北直5  西直  102  15  8.50  2.75  10  35  北直7  西左  98  15  8.17  2.75  10  36  北左2  南直  116  70  9.67  8.25  6  37  北左4  东直  33  84  2.75  9.65  -238北左1东左79506.586.255  39  北左3  西左  63  74  5.25  8.65  1  40  北左10  西直  128  147  10.67  15.95  -1

4、把各个清空车流按顺序纵向排列，把各个进入车流按顺序横向排列；把各个清空车流i与进入车流j之间的最短绿灯间隔时间I_ij对应填入对应表格，制作框架车流最短绿灯间隔时间矩阵表表3：

表3计算速度条件参数下图1交叉口最短绿灯间隔时间矩阵(s)

5、请注意，在表2和表3中确实出现了负值的最短绿灯间隔时间。遵循自然规律7-1，把黄灯时间长度延长到9s，已不会出现负值的最短绿灯间隔时间。调整后见表4。

表4黄灯时间加上偏移量5s后图1交叉口最短绿灯间隔时间矩阵(s)

6、给出王式渠化方案的链族分类，据表4计算各车流链系统损失时间，结果列于表5。

表5、王式渠化方案各链族的各种车流链的系统损失时间与链族的系统损失时间均值

注1：表5中各框架车流后面的数字如果只有一个，则表示的就是以该框架车流为结束绿灯的最短绿灯间隔时间；各框架车流后面的数字如果有2个，则分别表示的就是以该框架车流为结束绿灯、以后面2个框架车流为开始绿灯的2个最短绿灯间隔时间，其中前一个数字对应上面的框架车流，后一个数字对应下面的框架车流；在结束绿灯的框架车流不止一种或开始绿灯的框架车流不止一种的情况下(如前9个顺序结构的混合车流)，对所有可能的i、j，冲突绿灯之间的最短绿灯间隔时间I＝Max{I_ij}。

注2：表5中列出了所有链族；附在序号下面的数字是系统损失时间的均值。

注3：因为这里的计算速度条件参数都是针对各种无车流冲突信号控制方案选取的，限于篇幅，对于有车流冲突的混合放行方案并未计算，按理速度应该更慢一些，从而有关冲突绿灯之间的最短绿灯间隔时间要比表5中的数值可能更大一些。因此，在这里并不推荐，仅仅是为了进行定性地比较而列出。■|

从表5的比较中可以看到，系统损失时间最小的车流链是链族18给出的东、南、西、北单放的一个框架车流顺序结构。但链族18的系统损失时间均值为-5.5秒，比较小，但不是最小的。如出现有3个以上的左转车流是关键车流所形成的关键车流链，就会出现系统损失时间为正值的情况。当然，对于不存在方案动态调整的分时段定时控制可以考虑选择此链族中系统损失时间较小的各个车流链，如果各时段预定设计流量{Q_j}恰好需要的话。

而链族11的系统损失时间均值为-12秒，是最小的。其4种车流链的系统损失时间分别为-14、-11、-11、-12秒，比较相近，而且都是接近最好的负值，均方差为0.75，也是4相位阶段方案中最小的。故应优先选择这种链族为王式链族。最小者比多种车流混合放行的2相位阶段方案的缩小了计算速度条件参数的系统损失时间15秒还小近29秒，而且交通秩序却更好、更安全，通行速度也更快。

在非机动车速＝4m/s/h，快速行人速度＝1.5m/s的附加计算速度条件参数下，同样可以计算并制作行人、非机动车与框架车流、右转车最短绿灯间隔时间矩阵表(具体表格略)。

7、为王式渠化方案设计具有绝对值较大的负系统损失时间的交通信号控制系统：

车道数量分别记为东直N₁＝2、西左N₂＝1、北直N₃＝2、南左N₄＝1、西直N₅＝2、东左N₆＝1、南直N₇＝2、北左N₈＝1；单车道饱和流率皆为Q_si＝1600辆/h，i∈8；

针对设计流量分别是：东直Q₁＝998辆/h、西左Q₂＝302辆/h、北直Q₃＝893辆/h、南左Q₄＝294辆/h、西直Q₅＝886辆/h、东左Q₆＝198辆/h、南直Q₇＝665辆/h、北左Q₈＝318辆/h；

各流向黄灯时间一致，皆为A＝9s；各流向损失时间一致，皆为l＝1.5s；

最大饱和度要求q，则按传统经验，一般取q＝0.9；

根据流量比和饱和度要求，可以确定，各流向的绿信比要求为：

V₁＝Q₁/qN₁Q_s1＝0.347；V₂＝0.210；V₃＝0.310；V₄＝0.204；V₅＝0.308；V₆＝0.138；V₇＝0.231；V₈＝0.221。各最短绿灯间隔时间分别为I₁＝5s、I₂＝4s、I_{2`</sub>＝2s、I<sub>3</sub>＝7s、I<sub>4</sub>＝2s、I<sub>4`}＝3s、I₅＝5s、I₆＝4s、I_{6`</sub>＝3s、I<sub>7</sub>＝6s、I<sub>8</sub>＝4s、I<sub>8`}＝3s、I_1、3＝15s、I_5、7＝14s、I_7、1＝15s、I_3、5＝15s。

因路面宽度为36m，中间有8m见方的安全岛，故可只考虑半个路面宽度14m，考虑行人最小绿灯3s和一般人速度＝1.0m/s、机动车黄灯时间A＝9s后，可以确定行人绿闪4s及各框架车流最小绿灯时间分别为D₁＝13s、D₂＝1s、D₃＝12s、D₄＝1s、D₅＝13s、D₆＝1s、D₇＝12s、D₈＝1s。

然而，这里确实存在的跨阶段车流链，为了遵守自然规律6-11，根据王式链族的跨阶段车流链图10可以确认，各框架车流最小绿灯时间应分别为D₁＝13s、D₂＝5s、D₃＝12s、D₄＝5s、D₅＝13s、D₆＝3s、D₇＝12s、D₈＝6s。

注意：也只有遵守自然规律6-11，才有可能导出D₄＝5s、D₈＝6s。

由此事实可以突显出，本发明提出由自然规律6-11作为最小绿灯时间的一种必须遵守的约束条件的重要性，和不可或缺性。否则程序难以实施。

只寻找王式链族中的车流链：即把框架车流最小可能绿灯时间只代入王式链族各车流链，包括可能存在的跨阶段车流链，取各车流链中最大的最短链长为可能最小周期时间C₀，即

C₀＝Max{∑_i＝1⁴(D_i+I_i)，∑_i＝5⁸(D_i+I_i)，D₁+I₁+D₂+I_{2`</sub>+D<sub>7</sub>+I<sub>7</sub>+D<sub>8</sub>+I<sub>8`}，D₅+I₅+D₆+I_{6`</sub>+D<sub>3</sub>+I<sub>3</sub>+D<sub>4</sub>+I<sub>4`}，D₁+I_1、3+D₃+I₃+D₄+I₄，D₅+I_5、7+D₇+I₇+D₈+I₈，

          D₁+I₁+D₂+I_{2`</sub>+D<sub>7</sub>+I<sub>7、1</sub>，D<sub>5</sub>+I<sub>5</sub>+D<sub>6</sub>+I<sub>6`}+D₃+I_3、5}

    ＝Max{51，52，54，52，54，55，54，52}＝55

按各流向的绿信比要求V_j分配整数绿灯时间：

G₁＝Max{C₀V₁-A+l，D₁}＝13，G₂＝5，G₃＝12，G₄＝5，G₅＝13，G₆＝3，G₇＝12，G₈＝6

把此组{G_i}，代入王式链族各车流链，包括可能存在的跨阶段车流链，取各车流链中最大的最短链长为周期时间C₁，即

C₁＝Max{∑_i＝1⁴(G_i+I_i)，∑_i＝5⁸(G_i+I_i)，G₁+I₁+G₂+I₂₇+G₇+I₇+G₈+I₈₁，

G₅+I₅+G₆+I_{6`</sub>+G<sub>3</sub>+I<sub>3</sub>+G<sub>4</sub>+I<sub>4`}，G₁+I_1、3+G₃+I₃+G₄+I₄，G₅+I_5、7+G₇+I₇+G₈+I₈，

          G₁+I₁+G₂+I_{2`</sub>+G<sub>7</sub>+I<sub>7、1</sub>，G<sub>5</sub>+I<sub>5</sub>+G<sub>6</sub>+I<sub>6`}+G₃+I_3、5}

    ＝Max{51，52，54，52，54，55，54，52}＝55＝C₀

确实匹配。

故以此组最大的最短链长涉及的整数绿灯时间{G_i}作为绿灯时间框架，进行绿灯间隔时间的最小相容方案设计，比如使I₆＝6，如图11所示。

并扩张各G_i充满车流链：G₁＝14s，G₂＝8s，G₃＝12s，G₄＝5s，G₅＝13s，G₆＝3s，G₇＝12s，G₈＝6s。

继而，以非关键车流、行人、非机动车、右转车与框架车流最短绿灯间隔时间、及各最小绿灯时间为约束条件，很容易地推导出其它各种交通流的绿灯时间(具体推导计算过程略)，绘制信号灯组-相位阶段图，如图12所示。

图12的控制方案是一个4相位阶段方案，没有搭接相位阶段，各相位阶段时间分别是：13、3、11、4s，相位间隔时间分别是：5、7、8、4s，东直、南直、北左分别早亮1、1、2s，西左、北直、南左分别迟断5、1、1s，周期为55秒。关键车流链为跨阶段车流链：西直15、南直6、北左4，其西直与南直的绿灯间隔时间已经被东左和西左有效利用，不能计算为系统损失时间。不得以求其次关键车流链为：西直5、东左4`、北直7、南左3`，系统损失时间为-11秒。

如果传统控制系统具有也为55秒的同样周期，按大师王殿海先生所说的相位损失时间平均3秒计算，可合理假设传统控制系统的系统损失时间为12秒，当然，这只是假设，则一天24小时只能通行大约19.76小时；而本发明每周期实际发掘了11秒的时间资源，一天能通行大约28.8小时。这控制系统的系统损失时间的正、负之间，竟然在一天24小时之内存在9个多小时的巨大的通行时间的反差！故本发明的具有负系统损失时间的控制系统确有大力推广的价值。

此实施例省略了道路渠化的筛选，既因要节约篇幅，也因众所周知，传统道路渠化的信号控制系统尚未发现具有负值的系统损失时间，故必然会在筛选中被筛选掉，从而筛选出此实施例的王式渠化方案。

此实施例也说明，本发明各项筛选、计算的计算量极大，必须采用计算机程序才有可能在线运行，及时处理各种数据。

此实施例不仅足以说明，本发明各项技术方案切实可行，具有极大的技术优势；而且与传统交叉口的方案相比，具有极大的效益优势。更是突破了许多传统习惯、理念、规范。

本发明的以使王式链族的系统损失时间均值更小为指标，筛选的王式渠化方案，完全不同于传统各种城市道路平面交叉口规划与设计规程的推荐方案。

对于本发明的系统损失时间为负值的王式信号控制系统，那些在系统损失时间为正值时的成立的“相位阶段越多系统损失时间越大”、“交叉口渠化最好使机动车冲突点尽可能集中在路口中心”、“周期时间越长通行能力越大”等传统习惯、理念、规范就完全被突破了，需要重新认识。更是废除了“硬性统一规定绿灯间隔时间的最低限值4s或3s”等不科学做法。

本发明最新揭示的许多自然规律，都是客观存在的，可重复性地检验。