交通需求的动态性和不确定性是城市交叉口交通现象的最重要特征,这种特性直接表现为车辆在交叉口排队形成和消散过程的随机性。论文以交叉口信号控制下的一般交通运动(如直行运动),复杂运动(如左转运动),以及复杂信号控制下的新型交叉口交通运动为研究对象,针对交通需求的随机性特征和各类型交通运动排队过程的本质特点,以车辆排队队长的动态转移概率分析为基础,建立了交叉口信号控制下交通流随机排队模型,最终实现对交叉口信号控制下车辆排队特征的定量分析和描述。论文的关键创新在于克服了以往研究对信号控制下交叉口交通性能评估对平均指标(如平均队长,平均延误)的依赖,实现了对车辆排队形成和消散过程随信号周期状态变化的定量分析描述,并在此基础上确立了一个更完善的交叉口信号控制交通流排队分析框架。交通流随机排队模型能够为解释交叉口车辆排队队列的形成和消散提供理论方法和依据,在工程实践中,车辆排队特征量化分析框架的建立可以为交叉口信号配时的优化,交通控制策略的确立,以及车道的合理设计奠定理论分析基础,并为交叉口的有效管理提供理论分析工具和量化依据,最终实现城市交通拥堵的有效缓解。论文主要工作和创新点如下:1.针对交叉口车辆排队的动态性和不确定性特征,构建了信号控制下一般直行交通流在交叉口的多车道休假排队模型。特别地,在车辆批量到达模式下,该模型明确考虑了交叉口在信号控制下周期不可用时车辆排队队长的动态转移过程。并且,推导得到了车辆在多车道上一个信号周期内随着时间变化的稳态队长分布,该指标可准确捕获信号控制下车辆在交叉口的排队形成和消散过程。此外,数值模拟实验进一步阐明了车辆到达模式、交通需求、信号配时等因素对信号控制下交叉口车辆排队队长演化过程的影响。2.针对不同相位(即左转保护相位,许可相位,以及保护/许可相位)下左转交通流排队的动态性和不确定性内在机制,建立了一个具有不确定二次休假的左转交通排队模型来分析左转交通流在不同相位下的交通性能。对不同类型左转相位,该模型能够明确描述具有不同休假特征的左转车辆排队队长概率转移过程。并且,获得了一个信号周期内任意给定时刻左转车辆排队队长的稳态分布。特别是,对于交叉口信号控制下的复杂左转运动,构建了三组交通性能评价指标:基本排队指标,燃料消耗量(或排放量)相关指标,以及安全相关指标。基于这些性能评价指标,可以确立一个更完整的左转交通分析评估框架,从而为评价和改进左转相位的使用提供了更准确、更详细的量化分析依据。3.对交叉口交通控制方式进行非常规操作的双停车线待行区设计,给出了车辆排队队长转移的公式化描述,并在此基础上建立了具有限制型进入的随机休假排队模型,并获得了车辆排队队长随信号周期状态变化的稳态概率分布等关键排队性能指标。这些指标能明确描述具有双停车线交叉口车辆的排队过程,特别是可以捕获一个信号周期内车辆排队形成和消散的动态行为,并能够实现对一个周期内最大排队队长形成过程的准确估计。此外,在不同交通条件下,利用数值模拟方法进一步考察了不同待行区对车辆排队队长演化过程的影响。4.针对左转专用相位导致的交叉口入口道在绿灯时间内欠充分利用问题,借助预信号对不同类型交通运动在分类组织区进行重组,从而实现交叉口通行能力的提升。为了全面量化和表征具有预信号控制策略的交叉口交通性能,建立了复杂双信号控制下交叉口车辆排队模型,获得了车辆排队队长依赖信号周期状态变化的稳态分布,该指标可以准确捕获双信号控制下交叉口车辆排队的形成和消散过程。此外,本文得到了两个级别的交通性能评价指标:基本交通性能指标和辅助交通性能指标。上述两组指标确立了一个清晰的分析评估框架,能够实现对预信号控制策略的更全面的量化评估,这将有助于进一步改进该策略的应用。模型验证表明,本文模型可以为不同条件下相位交换分类组织策略的使用提供可靠的性能分析。特别地,数值实验结果证实了预信号的使用适合交通流过饱和情形,当交通需求量较低时,则会带来负面影响。