CN101339698A - 信号交叉口自行车对转弯车辆饱和流率影响修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明是信号交叉口自行车对转弯车辆饱和流率影响修正方法，可以用来计算交叉口信号控制的配时。本发明通过研究自行车通过交叉口时不同的状态，划定冲突区域，把自行车和转弯机动车的冲突分为两种阶段，第一阶段是红灯期间聚集等待的自行车，以高密度、低自由度的自行车群方式通过，此阶段利用自行车对冲突区的时间占有率的方法进行分析。第二阶段为随机到达的自行车，以低密度、高自由度的随机形式通过，这个阶段利用可穿越间隙理论进行分析，计算出自行车对转弯车辆饱和流率的影响系数。利用本方法计算得到的交叉口配时应用于实践中，可以缓解交叉口的机非冲突，提高交叉口的通行能力以及降低机动车在交叉口的延误。

Description

信号交叉口自行车对转弯车辆饱和流率影响修正方法

技术领域

本发明是一种信号交叉口自行车对转弯车辆饱和流率影响修正方法，可以用来计算交叉口信号控制的配时，属于交通控制领域。

背景技术

中国是自行车的大国，混合交通是中国交通的基本特点，长期以来，交叉口的混合交通一直是我国城市交通管理的一大难点，且容易造成交叉口秩序混乱，引发交通事故，非机动车和机动车之间的交通冲突也常常是降低交叉口通行能力的重要因素。自行车对交叉口转弯车辆的影响主要体现在对转弯车辆饱和流率影响，且交叉口机动车饱和流率的准确性会直接影响到信号灯配时的效率。

美国《公路通行能力手册》(HCM2000)通过分析自行车在冲突区的占有率，得到了自行车对右转机动车饱和流率的修正系数

f_Rpb＝1.0-P_RT(1-A_pbT)(1-P_RTA)

其中：

P_RT：车道组右转机动车的比例

P_RTA：利用保护相位的右转机动车的比例

A_pbT：许可相位自行车和行人对右转机动车影响系数

如果N_rec＝N_turn，A_pbT＝1-OCC_r

如果N_rec＞N_turn，A_pbT＝1-0.6(OCC_r)

N_rec：接受车道数量

N_turn：转弯车道数量

OCC_r：相关占有率

OCC_r＝OCC_pedg+OCC_bicg-(OCC_pedg)(OCC_bicg)

OCC_bicg：自行车对冲突区占有率

OCC_pedg：行人对冲突区占有率

国外的交通环境与中国交通环境有很大的差别，HCM2000的研究基于国外自行车流量较小的情况进行研究，并没有考虑左转机动车与对向直行自行车的冲突，因此利用HCM的方法计算得到的中国交叉口受自行车影响的机动车的饱和流率会与中国的实际不符，按此饱和流率计算的信号配时会造成交叉口通行效率的降低，并且造成延误的增加。

美国加利福尼亚州的D.Patrick Allen等也对自行车对交叉口通行能力的影响进行了一些定量的研究，他的研究方法是通过计算自行车对冲突区的时间占有率确定直行自行车对转弯机动车通行能力的影响，并且通过回归，找到通过冲突区的自行车流量-时间占有率的关系，建立了交叉口机非冲突的计算模型，得到了时间占用率的回归公式，然后利用美国HCM2000给出的受自行车干扰影响的转弯机动车饱和流率修正系数的公式，得到具体的折减系数。

在国内的对非机动车对机动车的影响研究中，以HCM2000的方法为基础的比较得多，例如吉林大学的景春光等人对自行车对机动车饱和流率的影响同样是基于美国HCM中自行车对冲突区的时间占有率的方法来分析自行车对转弯机动车的干扰。

国内外的一些研究虽然都对自行车和转弯车辆的冲突进行了分析，但由于国外自行车交通量很少，且自行车在交叉口的交通特征也与中国存在很大的差别。因此国外的研究研究成果不适合于我国大量的自行车流交通。而国内的研究目前大都基于HCM2000对自行车的研究方法，也就是通过研究自行车在冲突区时间占有率来分析自行车对转弯车辆的干扰，且已有的研究成果都没有考虑我国信号交叉口自行车行驶的特性。因此，有必要从中国交叉口自行车的交通特征入手，对自行车对交叉口转弯机动车的影响进行分析，为交叉口信号配时以及通行能力的计算提供一定的依据。

发明内容

作为城市交通的瓶颈，混合交通环境下机非冲突是城市交通管理的难题，也是降低交叉口通行能力的主要因素，国外一些控制算法等虽然经过多年的应用已经在国外发展的比较完善，但是它们并没有考虑中国自身混合交通的特点，我国具有研究混合交通的最佳试验环境和最佳应用环境，通过研究自行车在交叉口的交通特性对自行车与转弯车辆冲突进行分析，得到自行车对转弯车辆饱和流率的影响系数，可以更准确的计算受自行车影响的交叉口车道组的饱和流率，为机非混行条件下交叉口的信号配时方案设计以及改进国外算法提供了依据。

本发明通过研究自行车通过交叉口时不同的状态，划定冲突区域(冲突区的长度为标准小汽车的长度加上一段0.5～0.8米安全距离)，把自行车和转弯机动车的冲突分为两种阶段，第一阶段是红灯期间聚集等待的自行车，以高密度、低自由度的自行车群方式通过，具体定义为：绿灯初期，平均占有道路面积小于3m²的一系列自行车组成的一个自行车群，即自行车群中每辆自行车平均占有的道路面积小于3m²，此阶段利用自行车对冲突区的时间占有率的方法进行分析。第二阶段为随机到达的自行车，以低密度、高自由度的随机形式通过，此阶段自行车的到达符合泊松分布。这个阶段利用可穿越间隙理论进行分析，计算出自行车对转弯车辆饱和流率的影响系数。

一、自行车对右转机动车饱和流率修正方法

第一阶段自行车对右转机动车饱和流率修正利用冲突区时间占有率方法来计算修正系数。时间占有率方法就是划定一定大小的冲突区域，并假设当自行车占有该冲突区域时，机动车无法通过该冲突区，通过研究自行车在冲突区的时间占有率来分析自行车对右转机动车饱和流率的影响。自行车的时间占有率就是一个时间段内，释放自行车从车头进入冲突区到车尾驶出冲突区的累计时间在这段时间段内所占的比例。

步骤1：利用交叉口视频检测系统采集交叉口的相关参数，包括自行车交通量Q_bic、自行车群的长度L、自行车群平均速度v、自行车第一阶段时间t和第二阶段的时间、右转机动车比例P_RT、右转机动车所能穿越自行车的可接受间隙t_R0和随车时距t_Rf。所述的自行车交通量即为每小时通过交叉口的自行车的数量，自行车群的长度为平均占有道路面积小于3m²的一系列自行车从第一辆车的车头到最后一辆车的车尾的长度。自行车第一阶段时间为绿灯开始到第二阶段第一辆随机到达自行车到达冲突区的时间，自行车第二阶段时间为第二阶段第一辆随机到达的自行车到达冲突区到绿灯结束的时间。

步骤2：计算第一阶段自行车群对右转机动车饱和流率修正系数

定义：第一阶段自行车群的第一辆车的车头进入冲突区到最后一辆车的车尾离开冲突区的时间为t₁，则

$t_1=\frac{L+l}{v}---\left(1\right)$

其中：L：自行车群的长度(米)

l：冲突区长度，冲突区的长度为标准小汽车的长度5米加上一段0.5米～0.8米安全距离

v：自行车群平均速度(米/秒)

那么自行车在冲突区的时间占有率就是

${\mathrm{OCC}}_{\mathrm{bic}}=\frac{t_1}{t}---\left(2\right)$

t：自行车第一阶段时间(秒)

同样考虑车道组右转机动车所占比例，则第一阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数是：

f_Rb1＝1-P_RTOCC_bic    (3)

其中：P_RT是车道组中右转机动车比例

步骤3：计算第二阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数

第二阶段自行车对右转机动车饱和流率的修正利用可接受间隙法进行分析，经过对北京5个交叉口采集自行车数据进行假设检验，均接受泊松分布的假设，即第二阶段自行车到达符合泊松分布，且自行车之间随车时距分布符合负指数分布。按照转弯让直行的原则，右转机动车需要穿越直行自行车的可接受间隙通过交叉口。因此第二阶段采用可接受间隙方法来计算。

能穿越自行车可接受间隙的右转机动车的交通量为

$Q_R^{\′}=\frac{{Q_{\mathrm{bic}}e}^{{-\mathrm{\λt}}_{R0}}}{{1-e}^{{-\mathrm{\λt}}_{\mathrm{Rf}}}}---\left(4\right)$

参数的意义为：

t_R0：右转机动车所能穿越自行车的可接受间隙(秒)；

t_Rf：右转机动车的随车时距(秒)；

λ：自行车到达率 $\mathrm{\λ}=\frac{Q_{\mathrm{bic}}}{3600};$

Q_bic：自行车交通量(辆/小时)；

Q_R′：右转机动车可能穿越自行车可接受间隙通过的交通量(辆/小时)；

e：为常数，e＝2.718；

1)对于右转专用车道：

s_R＝min(S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_RTf_Rp，Q_R′)    (5)

参数的意义为：

s_R：右转机动车饱和流率，(辆/小时)

s₀：基本饱和流率，取1900辆/小时/车道

N：车道组的车道数

f_w：车道宽度修正系数

f_HV：重车修正系数

f_g：进口坡度修正系数

f_p：停车修正系数

F_bb：公交车影响修正系数

f_a：地区类型修正系数

f_LU：车道利用率修正系数

F_RT：右转车修正系数

f_Rp：行人对右转机动车修正系数

如果Q_R′≥S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_RTf_Rp，

则s_R＝S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_RTf_Rp，说明在第二阶段，自行车不会影响右转机动车的饱和流率，此时第二阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数f_Rb2＝1

如果Q_R′＜S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_RTf_Rp

则s_R＝Q_R′，说明在第二阶段，自行车会影响右转机动车的饱和流率，此时第二阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数 $f_{\mathrm{Rb}2}=\frac{Q_R^{\′}}{S_0{\mathrm{Nf}}_w{f}_{\mathrm{HV}}{f}_g{f}_p{f}_{\mathrm{bb}}{f}_a{f}_{\mathrm{LU}}{f}_{\mathrm{RT}}{f}_{\mathrm{Rp}}}$

2)对于共用右转车道：

s_R＝min(S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_RT，Q_R′)    (6)

f_LT：左转车修正系数

f_Lp：行人对左转机动车修正系数

P_RT：车道组右转机动车比例

如果Q_R′≥S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_RT

则s_R＝S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_RT，说明在第二阶段，自行车不会影响右转混行车道中右转机动车的饱和流率，此时第二阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数f_Rb2＝1

如果Q_R′＜S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_RT，

则s_R＝Q_R′，说明在第二阶段，自行车会影响右转混行车道中右转机动车的饱和流率，此时 $f_{\mathrm{Rb}2}=\frac{Q_R^{\′}}{S_0{\mathrm{Nf}}_w{f}_{\mathrm{HV}}{f}_g{f}_p{f}_{\mathrm{bb}}{f}_a{f}_{\mathrm{LU}}{f}_{\mathrm{LT}}{f}_{\mathrm{Lp}}{f}_{\mathrm{RT}}{f}_{\mathrm{Rp}}{P}_{\mathrm{RT}}}$

步骤4：计算整个绿灯期间自行车对右转机动车饱和流率修正系数

通过分析两个阶段自行车和右转机动车的冲突，分别得到两个阶段自行车对右转机动车饱和流量的修正系数f_Rpb1和f_Rpb2。两个阶段的饱和流率修正系数对绿灯期间两个阶段时间的加权平均就是整个绿灯期间自行车对右转机动车饱和流率的影响系数，即自行车对右转机动车饱和流率的修正系数表达式就是：

f_Rb＝f_Rb1P₁+f_Rb2P₂    (7)

其中：

P₁：自行车第一阶段的时间占绿灯时间的比例

P₂：自行车的第二阶段的时间占绿灯时间的比例

自行车对右转机动车饱和流率影响系数计算流程图如图1。

二、自行车对左转机动车饱和流率修正方法

在交叉口划定冲突区域，把自行车和转弯机动车的冲突分为两种阶段：

第一阶段是红灯期间聚集等待的自行车，以高密度、低自由度的自行车群方式通过，具体定义为：绿灯初期，平均占有道路面积小于3m²的一系列自行车组成的一个自行车群；

第二阶段为随机到达的自行车，以低密度、高自由度的随机形式通过，此阶段自行车的到达符合泊松分布；

冲突区域的长度为标准小汽车的长度加上一段0.5～0.8米安全距离

左转机动车与自行车冲突与右转机动车与同向自行车冲突不同，它有自身的特点。左转机动车与自行车冲突表现在左转机动车与对向行驶的自行车的冲突上，且左转机动车需要等待对向直行机动车队通过，并且穿越对向直行机动车流后，才能与对向自行车相冲突。自行车对左转机动车的冲突表现在对向直行自行车与本向左转机动车的冲突，冲突区如图2左上角阴影所示。

步骤1：利用交叉口视频检测技术采集交叉口的相关参数，包括对向自行车的等待线到左转机动车冲突区的距离h，对向自行车群从等待线到左转冲突区的时间t_h，左转机动车在没有对向直行机动车干扰的情况下从左转待转线到冲突区的时间t_H，对向直行机动车队从绿灯开始到离开交叉口的清空时间为g_q，对向自行车交通量，对向第一阶段自行车群长度，对向自行车群速度，对向自行车第一阶段和第二阶段的时间，车道组左转机动车所占比例P_LT，对向直行机动车交通量Q_o，左转机动车随车时距t_Lf，左转机动车可接受间隙t_L0。对向自行车第一阶段时间为绿灯开始到第二阶段第一辆随机到达自行车到达冲突区的时间，对向自行车第二阶段时间为第二阶段第一辆随机到达的自行车到达冲突区到绿灯结束的时间。

步骤2：判断左转机动车与对向自行车冲突情况

左转机动车与对向自行车冲突有三种情况，一种是左转机动车在对向直行机动车队到达前就利用信号灯黄灯或全红时间提前完成左转，但由于饱和流率的测量是根据进入交叉口的车辆数而不是离开的车辆数，因此此种情况在此不作考虑；第二种情况是左转机动车等待对向直行机动车队清空后再利用可接受间隙穿越对向直行机动车后与处于第一阶段的自行车群冲突，第三种情况是左转机动车等待对向直行机动车队通过后再利用可接受间隙穿越对向直行机动车后，第一阶段的自行车群已经通过，这时左转车与处于第二阶段的随机到达的自行车冲突。设t₁为第一阶段自行车群的第一辆车的车头进入冲突区到最后一辆车的车尾离开冲突区的时间；则冲突分为以下两种情况：

(1)g_q+t_H≤t₁+t_h的情况

当g_q+t_H≤t₁+t_h，即左转机动车等待直行机动车队清空后到达冲突区的时间小于等于第一阶段自行车群从等待线出发到全部离开左转冲突区的时间。这样，左转机动车会与两个阶段释放的自行车相冲突，设自行车的第一阶段的时间占绿灯时间比例是P₁，自行车第二阶段的时间占绿灯时间的比例是P₂；

1)计算第一阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数

当绿灯亮时，处于第一阶段的自行车群开始向冲突区运动，左转机动车在等待直行机动车队清空后也开始向冲突区运动。一般来说，左转机动车等待对向直行机动车队清空后到达冲突区的时间一般都大于自行车群从等待线到达冲突区的时间，即g_q+t_H＞t_h，因此g_q+t_H-t_h是左转机动车到达冲突区后自行车群占有冲突区的时间。由于之前左转机动车还没有到达冲突区与自行车冲突，因此计算自行车对冲突区的占有率不计算这一段时间。

自行车在冲突区的时间占有率是：

${\mathrm{OCC}}_{\mathrm{bico}}=\frac{t_1-(q_g+t_H-t_h)}{t-(g_q+t_H-t_h)}---\left(8\right)$

上式中：OCC_bico：对向自行车在冲突区占有率

t：自行车第一阶段时间(秒)

对向直行机动车队通过后，对向直行机动车的间隙可以供左转机动车通过的概率为

其中t_L0为左转机动车可接受的间隙(秒)，Q_o是对向直行机动车交通量(辆/小时)。

则第一阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数是：

$f_{\mathrm{Lpb}1}={1-P_{\mathrm{LT}}{\mathrm{OCC}}_{\mathrm{bico}}e}^{-(T_{L0}{Q}_o/3600)}---\left(9\right)$

其中：P_LT是车道组左转机动车比例

2)计算第二阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数

左转机动车需要穿越对向第二阶段自行车的可接受间隙才能通过交叉口。假设此时自行车到达符合泊松分布、自行车车头时距符合负指数分布，能穿越自行车可接受间隙的左转机动车的交通量为：

${Q_L}^{\′}=\frac{{Q_{\mathrm{bico}}e}^{{-\mathrm{\λt}}_{L0}}}{{1-e}^{{-\mathrm{\λt}}_{\mathrm{Lf}}}}---\left(10\right)$

上式中：t_L0：左转机动车所能穿越的可接受间隙(秒)

t_Lf：左转机动车的随车时距(秒)

λ：自行车到达率 $\mathrm{\λ}=\frac{Q_{\mathrm{bic}}}{3600}$

Q_bic：自行车交通量(辆/小时)；

Q_bico：对向自行车的交通量(辆/小时)

Q_L′：左转机动车可能穿越对向自行车通过交叉口的交通量(辆/小时)

i)对于不设左转保护相位的左转专用车道的情况

s_L＝min(S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lp，Q_L′)    (11)

s_L：左转机动车饱和流率，(辆/小时)

如果Q_L′≥S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lp，

则s_L＝S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lp，说明在第二阶段，自行车不会影响左转机动车的饱和流率，此时第二阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数f_Lb2＝1

如果Q_L′＜S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lp

则S_L＝Q_L′，说明在第二阶段，自行车会影响左转机动车的饱和流率，此时第二阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数 $f_{\mathrm{Lb}2}=\frac{Q_L^{\′}}{S_0{\mathrm{Nf}}_w{f}_{\mathrm{HV}}{f}_g{f}_p{f}_{\mathrm{bb}}{f}_a{f}_{\mathrm{LU}}{f}_{\mathrm{LT}}{f}_{\mathrm{Lp}}}$

ii)对于共用左转车道的情况

S_L＝min(S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_LT，Q_L′)    (12)

P_LT：车道组左转机动车比例

如果Q_L′≥S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_LT

则s_L＝S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_LT，说明在第二阶段，自行车不会影响左转混行车道中左转机动车的饱和流率，此时f_Lb2＝1

如果Q_L′＜S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_LT，

则s_L＝Q_L′，说明在第二阶段，自行车会影响左转混行车道中左转机动车的饱和流率，此时 $f_{\mathrm{Lb}2}=\frac{{Q_L}^{\′}}{S_0{\mathrm{Nf}}_w{f}_{\mathrm{HV}}{f}_g{f}_p{f}_{\mathrm{bb}}{f}_a{f}_{\mathrm{LU}}{f}_{\mathrm{LT}}{f}_{\mathrm{Lp}}{f}_{\mathrm{RT}}{f}_{\mathrm{Rp}}{P}_{\mathrm{LT}}}$

3)计算整个绿灯时间自行车对左转机动车饱和流率修正系数

通过分析g_q+t_H≤t₁+t_h情况下两个阶段自行车和左转机动车的冲突，分别得到两个阶段自行车对左转机动车饱和流量的修正系数f_Lpb1和f_Lpb2。两个阶段的饱和流率修正系数对绿灯期间两个阶段时间的加权平均就是整个绿灯期间自行车对左转机动车饱和流率的影响系数，即自行车对左转机动车饱和流率的修正系数表达式就是：

f_Lb＝f_Lb1P₁′+P_Lb2P₂′    (13)

P₁′是左转机动车与第一阶段自行车冲突时间与左转机动车与两个阶段自行车冲突时间和的比值

$P_1^{\′}=\frac{t-(g_q+t_H-t_h)}{G-(g_q+t_H-t_h)}---\left(14\right)$

其中：G是绿灯时间(秒)

P₂′是左转机动车与第二阶段冲突时间与左转机动车与两个阶段自行车冲突时间的比值

P₂′＝1-P₁′    (15)

(2)g_q+t_H＞t₁+t_h的情况

对于这种情况，左转机动车穿越对向直行机动车后，第一阶段的自行车群已经通过冲突区，左转机动车不会再与第一阶段自行车群冲突，此时左转机动车只与第二阶段的自行车冲突，对向自行车对左转机动车饱和流率的影响系数与步骤(1)中的2)部分相同。

g_q+t_H＞t₁+t_h情况下，由于左转车只与第二阶段的自行车冲突，因此自行车对左转机动车饱和流率的修正系数为f_Lpb＝f_Lpb2。

自行车对左转车饱和流率修正系数计算流程图如图3所示

本发明研究了一种更准确的计算自行车对转弯车辆饱和流率修正系数的方法，它比利用国外算法计算得到的机动车饱和流率更加贴近实际，为机非混行条件下交叉口的信号配时方案设计提供了依据。利用本方法计算得到的交叉口配时应用于实践中，可以缓解交叉口的机非冲突，提高交叉口的通行能力以及降低机动车在交叉口的延误。

附图说明

图1自行车对右转机动车饱和流率修正系数计算流程图

图2自行车与左转机动车冲突区示意图

图3自行车对左转车饱和流率修正系数计算流程图

图中：1、自行车道，2、自行车等待线，3、自行车与左转机动车冲突区。

具体实施方式

实施例一：

北京朝阳区平乐园路口晚高峰时段，交叉口为四相位控制，南北方有左转保护相位，因此不用考虑左转机动车与对向直行自行车的冲突，北进口有一条专用右转车道，计算自行车对右转饱和流率的影响系数。采用视频的方法收集了机动车流、自行车流的录像资料，借助于simi软件得到交叉口交通参数如下：

北进口

东西方向绿灯时间G＝42秒

右转机动车随车时距t_Rf＝2.0秒

右转机动车可接受间隙t_R0＝3.5秒

自行车与右转机动车冲突区长度l＝5.6米

自行车流量Q_bic＝572辆/小时

自行车第一阶段平均时间t＝17秒

第一阶段自行车群平均长度L＝9.6米

第一阶段自行车平均速度v＝2米/秒

计算自行车对右转饱和流率的影响系数

步骤1：计算第一阶段自行车群对右转机动车饱和流率的影响系数。运用公式(1)、(2)、(3)计算得到f_Rb1＝0.521。

步骤2：计算第二阶段自行车对右转机动车饱和流率的影响系数。对于专用右转车道的情况利用公式(4)得到Q_R′＝1204辆/小时，根据交叉口的相关几何和交通参数，得到f_w＝1，f_HV＝0.921，f_g＝1，f_p＝1，f_bb＝1，f_a＝1，f_LU＝1，f_RT＝0.85，f_Rp＝0.980，s₀取1900辆/小时/车道，N＝1，计算得到S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_RTf_Rp＝1457辆/小时，根据公式(5)得到s_R＝1204辆/小时，因此f_Rb2＝0.817

步骤3：计算整个绿灯时间内，自行车对右转机动车饱和流率的影响系数。确定自行车两个阶段时间占的比例P₁＝0.376 P₂＝0.624

利用公式(7)计算得到f_Rb＝0.706

把计算出来的自行车对右转机动车饱和流率影响系数f_Rpb带入交叉口车道组饱和流率计算公式，结合交叉口其他相关参数，利用HCM控制算法计算得到交叉口信号配时为东西向直行相位绿灯时间54秒，东西向左转相位绿灯时间28秒；南北向直行绿灯时间50秒，南北向左转相位绿灯时间31秒，通过利用仿真软件对交叉口进行仿真，在此配时下，交叉口的延误下降9％。

实施例二：

石家庄红旗大街与裕华路交叉口晚高峰时段，交叉口为两相位信号控制，西进口有两条专用左转车道，计算西进口自行车对左转饱和流率的影响系数。采用视频的方法收集了机动车流、自行车流的录像资料，借助于simi软件得到交叉口交通参数如下：

西进口

东西方向绿灯时间G＝40秒

左转机动车随车时距t_Lf＝2.5秒

左转机动车可接受间隙t_L0＝4.0秒

对向直行机动车流量＝681辆/小时

对向自行车流量＝546辆/小时

自行车第一阶段平均时间t＝15秒

第一阶段自行车群平均长度L＝8.2米

第一阶段自行车平均速度v＝2米/秒

t_H＝2.0秒

g_p＝17.4秒

t_h＝3.4秒

自行车与左转机动车冲突区长度L＝5.6米

计算自行车对左转机动车饱和流率影响系数

步骤1：利用公式(1)计算得到t₁＝6.9秒比较g_q+t_H与t₁+t_h

因为g_q+t_H＞t₁+t_h

所以左转机动车只会与第二阶段的自行车相冲突

步骤2：计算第二阶段对向自行车对左转机动车饱和流率的影响系数。对于专用左转车道的情况，利用公式(10)计算Q_L′＝953辆/小时，根据交叉口的相关几何和交通参数，得到f_w＝0.983，f_HV＝0.930，f_g＝1，f_p＝1，f_bb＝1，f_a＝1，f_LU＝0.950，f_LT＝0.391，f_Lp＝0.995，S₀取1900辆/小时/车道，N＝2计算得到S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lp＝1272辆/小时，根据公式(11)得到s_L＝953辆/小时，因此f_Lb＝f_Lb2＝0.749

把计算得到自行车对左转机动车饱和流率影响系数f_Lb带入交叉口车道组饱和流率计算公式，结合交叉口其他相关参数，利用HCM控制算法计算得到交叉口信号配时为南北相位绿灯时间30秒，东西向相位绿灯时间50秒，通过利用仿真软件对交叉口进行仿真，在此配时下，交叉口的延误下降15％。

实施例三：

北京朝阳区武圣路口晚高峰时段，交叉口为两相位信号控制，南进口为两车道，左侧车道为直左混行车道，右侧车道为直右混行车道，计算南进口自行车对右转机动车和左转机动车饱和流率的影响系数。采用视频的方法收集了机动车流、自行车流的录像资料，借助于simi软件得到交叉口交通参数如下：

南进口

南北方向绿灯时间＝35秒

车道组流量＝891辆/小时

车道组中右转机动车比例＝0.121

车道组中左转机动车比例＝0.709

右转机动车随车时距t_Rf＝2.0秒

右转机动车可接受间隙t_R0＝3.5秒

自行车与右转机动车冲突区长度l＝5.6米

自行车流量＝451辆/小时

自行车第一阶段平均时间t＝15秒

第一阶段自行车群平均长度L＝7.4米

第一阶段自行车平均速度v＝2米/秒

北进口

车道组直行机动车流量＝285辆/小时

t_H＝1.8秒

g_p＝9.0秒

t_h＝3.2秒

左转机动车随车时距＝2.5秒

左转机动车可接受间隙＝4.0秒

自行车与右转机动车冲突区长度＝5.6米

自行车流量＝648辆/小时

自行车第一阶段平均时间＝18秒

第一阶段自行车群平均长度＝13.3米

第一阶段自行车平均速度＝2米/秒

计算自行车对右转机动车饱和流率影响系数

步骤1：计算第一阶段自行车群对右转机动车饱和流率的影响系数。运用公式(1)、(2)、(3)计算得到f_Rb1＝0.948

步骤2：计算第二阶段自行车对右转机动车饱和流率的影响系数。对于共用右转车道的情况，利用公式(4)得到Q_R′＝1310辆/小时，根据交叉口的相关几何和交通参数，得到f_w＝0.938，f_HV＝0.980，f_g＝1，f_p＝1，f_bb＝1，f_a＝1，f_LU＝0.90，f_LT＝0.601，f_Lp＝0.950，f_RT＝0.982，f_Rp＝0.990，P_RT＝0.121，s₀取1900辆/小时/车道，N＝1，计算得到S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_RT＝211辆/小时根据公式(5)得到s_R＝211辆/小时，因此f_Rb2＝1

步骤3：计算整个绿灯时间内，自行车对右转机动车饱和流率的影响系数。

确定自行车两个阶段时间占的比例P₁＝0.428  P₂＝0.571

利用公式(7)计算得到f_Rb＝0.976。

计算自行车对左转机动车饱和流率影响系数

步骤1：利用公式(1)计算得到t₁＝945秒，比较g_q+t_H与t₁+t_h

因为g_q+t_H≤t₁+t_h

所以左转机动车会与两个阶段的自行车相冲突

步骤2：计算第一阶段对向自行车群对左转机动车饱和流率的影响系数。利用公式(8)、(9)计算得到f_Lpb1＝0.908。

步骤3：计算第二阶段对向自行车对左转机动车饱和流率的影响系数为共用左转车道的情况，利用公式(10)计算Q_L′＝871辆/小时，根据交叉口的相关几何和交通参数，得到f_w＝0.93 8，f_HV＝0.980，f_g＝1，f_p＝1，f_bb＝1，f_a＝1，f_LU＝0.90，f_LT＝0.601，f_Lp＝0.950，f_RT＝0.982，f_Rp＝0.990，P_LT＝0.709 S₀取1900辆/小时/车道，N＝2，计算得到S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_LT＝1238辆/小时，根据公式(12)得到s_L＝871辆/小时，因此f_Lb2＝0.703

步骤4：计算整个绿灯时间自行车对左转机动车饱和流率修正系数

根据公式(14)(15)得到P₁′＝0.379，P₂′＝0.621

那么f_Lb＝0.780

把计算出来的自行车对右转和左转机动车饱和流率影响系数f_Rpbf_Lpb带入交叉口车道组饱和流率计算公式，结合交叉口其他相关参数，利用HCM控制算法计算得到交叉口信号配时为东西绿灯时间37秒；南北绿灯时间45秒，通过利用仿真软件对交叉口进行仿真，在此配时下，交叉口的延误下降7％。

Claims (2)

1、信号交叉口自行车对右转车辆饱和流率影响修正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在交叉口划定冲突区域，把自行车和转弯机动车的冲突分为两个阶段：

第一阶段是红灯期间聚集等待的自行车，以高密度、低自由度的自行车群方式通过，具体定义为：绿灯初期，平均占有道路面积小于3m²的一系列自行车组成的一个自行车群；

第二阶段为随机到达的自行车，以低密度、高自由度的随机形式通过，此阶段自行车的到达符合泊松分布；这个阶段利用可穿越间隙理论进行分析，计算出自行车对转弯车辆饱和流率的影响系数；

自行车与右转机动车冲突区域的长度为标准小汽车的长度加上一段0.5～0.8米的安全距离，

具体步骤如下：

步骤1：利用交叉口视频检测系统采集交叉口的相关参数，包括自行车交通量Q_bic、自行车群的长度L、自行车群平均速度v、自行车第一阶段时间t和第二阶段的时间、右转机动车比例P_RT、右转机动车所能穿越自行车的可接受间隙t_R0和随车时距t_Rf；

所述的自行车交通量即为每小时通过交叉口的自行车的数量；

所述的自行车群的长度为平均占有道路面积小于3m²的一系列自行车从第一辆车的车头到最后一辆车的车尾的长度；

所述的自行车第一阶段时间为绿灯开始到第二阶段第一辆随机到达自行车到达冲突区的时间，自行车第二阶段时间为第二阶段第一辆随机到达的自行车到达冲突区到绿灯结束的时间；

步骤2：计算第一阶段自行车群对右转机动车饱和流率修正系数

第一阶段自行车对右转机动车饱和流率修正利用冲突区时间占有率方法来计算修正系数；时间占有率方法就是划定一定大小的冲突区域，并假设当自行车占有该冲突区域时，机动车无法通过该冲突区，通过研究自行车在冲突区的时间占有率来分析自行车对右转机动车饱和流率的影响；自行车的时间占有率就是一个时间段内，释放自行车从车头进入冲突区到车尾驶出冲突区的累计时间在这段时间段内所占的比例；

定义：第一阶段自行车群的第一辆车的车头进入冲突区到最后一辆车的车尾离开冲突区的时间为t₁，则

$t_1=\frac{L+l}{v}---\left(1\right)$

其中：L：自行车群的长度(米)

l：冲突区长度，即冲突区的长度为标准小汽车的长度加上一段0.5～0.8米的安全距离

v：自行车群平均速度(米/秒)

那么自行车在冲突区的时间占有率OCC_bic为

${\mathrm{OCC}}_{\mathrm{bit}}=\frac{t_1}{t}---\left(2\right)$

t：自行车第一阶段时间(秒)

同样考虑车道组右转机动车所占比例，则第一阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数是：

f_Rb1＝1-P_RTOCC_bic    (3)

其中：P_RT是车道组中右转机动车比例；

步骤3：计算第二阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数

第二阶段自行车对右转机动车饱和流率的修正利用可接受间隙法进行分析，假设第二阶段自行车到达符合泊松分布，且自行车之间随车时距分布符合负指数分布，按照转弯让直行的原则，右转机动车需要穿越直行自行车的可接受间隙通过交叉口；

能穿越自行车可接受间隙的右转机动车的交通量为

${Q_R}^{\′}=\frac{Q_{\mathrm{bic}}{e}^{-\mathrm{\λ}{t}_{R0}}}{1-e^{-\mathrm{\λ}{t}_{\mathrm{Rf}}}}---\left(4\right)$

上式中：

t_R0：右转机动车所能穿越自行车的可接受间隙(秒)；

t_Rf：右转机动车的随车时距(秒)；

λ：自行车到达率 $\mathrm{\λ}=\frac{Q_{\mathrm{bic}}}{3600};$

Q_bic：自行车交通量(辆/小时)；

Q_R′：右转机动车可能穿越自行车可接受间隙通过的交通量(辆/小时)；

e：为常数，e＝2.718；

1)对于右转专用车道：

S_R＝min(S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_RTf_Rp，Q_R′)    (5)

S_R：右转机动车饱和流率，(辆/小时)

S₀：基本饱和流率

N：车道组的车道数

f_w：车道宽度修正系数

f_HV：重车修正系数

f_g：进口坡度修正系数

f_p：停车修正系数

f_bb：公交车影响修正系数

f_a：地区类型修正系数

f_LU：车道利用率修正系数

f_RT：右转车修正系数

f_Rp：行人对右转机动车修正系数

如果Q_R′≥S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_RTf_Rp，

则S_R＝S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_RTf_Rp，此时第二阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数f_Rb2＝1

如果Q_R′＜S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_RTf_Rp

则S_R＝Q_R′，此时第二阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数 $f_{\mathrm{Rb}2}=\frac{{Q_R}^{\′}}{S_{0}N{f}_w{f}_{\mathrm{HV}}{f}_g{f}_p{f}_{\mathrm{bb}}{f}_a{f}_{\mathrm{LU}}{f}_{\mathrm{RT}}{f}_{\mathrm{Rp}}}$

2)对于右转混行车道

S_R＝min(S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_RT，Q_R′)    (6)

f_LT：左转车修正系数

f_Lp：行人对左转机动车修正系数

P_RT：车道组右转机动车比例

如果Q_R′≥S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_RT

则S_R＝S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_RT，此时第二阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数f_Rb2＝1

如果Q_R′＜S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_RT，

则S_R＝Q_R′，此时第二阶段自行车对右转机动车饱和流率修正系数 $f_{\mathrm{Rb}2}=\frac{{Q_R}^{\′}}{S_{0}N{f}_w{f}_{\mathrm{HV}}{f}_g{f}_p{f}_{\mathrm{bb}}{f}_a{f}_{\mathrm{LU}}{f}_{\mathrm{LT}}{f}_{\mathrm{Lp}}{f}_{\mathrm{RT}}{f}_{\mathrm{Rp}}{P}_{\mathrm{RT}}}$

步骤4：计算整个绿灯期间自行车对右转机动车饱和流率修正系数

通过分析两个阶段自行车和右转机动车的冲突，分别得到两个阶段自行车对右转机动车饱和流量的修正系数f_Rb1和f_Rb2；两个阶段的饱和流率修正系数对绿灯期间两个阶段时间的加权平均就是整个绿灯期间自行车对右转机动车饱和流率的影响系数，即自行车对右转机动车饱和流率的修正系数表达式就是：

f_Rb＝f_Rb1P₁+f_Rb2P₂    (7)

其中：

P₁：自行车第一阶段的时间占绿灯时间的比例

P₂：自行车的第二阶段的时间占绿灯时间的比例。

2、信号交叉口自行车对左转车辆饱和流率影响修正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在交叉口划定冲突区域，把自行车和转弯机动车的冲突分为两种阶段：

第一阶段是红灯期间聚集等待的自行车，以高密度、低自由度的自行车群方式通过，具体定义为：绿灯初期，平均占有道路面积小于3m²的一系列自行车组成的一个自行车群；

第二阶段为随机到达的自行车，以低密度、高自由度的随机形式通过，此阶段自行车的到达符合泊松分布；

自行车和左转机动车冲突区域的长度为标准小汽车的长度加上一段0.5～0.8米米安全距离；

步骤1：利用交叉口视频检测系统采集交叉口的相关参数，包括对向自行车群从等待线到左转冲突区的时间t_h，左转机动车在没有对向直行机动车干扰的情况下从左转待转线到冲突区的时间t_H，对向直行机动车队从绿灯开始到离开交叉口的清空时间为g_q，对向自行车交通量Q_bico，对向自行车第一阶段和第二阶段的时间，车道组左转机动车所占比例P_LT，对向直行机动车交通量Q_o，左转机动车随车时距t_Lf，左转机动车所能穿越的可接受间隙t_L0；对向自行车第一阶段时间t为绿灯开始到第二阶段第一辆随机到达自行车到达冲突区的时间，对向自行车第二阶段时间为第二阶段第一辆随机到达的自行车到达冲突区到绿灯结束的时间；

步骤2：判断左转机动车与对向自行车冲突情况

左转机动车与对向自行车冲突有三种情况，一种是左转机动车在对向直行机动车队到达前就利用信号灯黄灯或全红时间提前完成左转，但由于饱和流率的测量是根据进入交叉口的车辆数而不是离开的车辆数，因此此种情况在此不作考虑；第二种情况是左转机动车等待对向直行机动车队清空后再利用可接受间隙穿越对向直行机动车后与处于第一阶段的自行车群冲突，第三种情况是左转机动车等待对向直行机动车队通过后再利用可接受间隙穿越对向直行机动车后，第一阶段的自行车群已经通过，这时左转车与处于第二阶段的随机到达的自行车冲突；设t₁为第一阶段自行车群的第一辆车的车头进入冲突区到最后一辆车的车尾离开冲突区的时间为t₁；则冲突分为以下两种情况：

(1)g_q+t_H≤t₁+t_h的情况

当g_q+t_H≤t₁+t_h，即左转机动车等待直行机动车队清空后到达冲突区的时间小于等于第一阶段自行车群从等待线出发到全部离开左转冲突区的时间；这样，左转机动车会与两个阶段释放的自行车相冲突，设自行车的第一阶段的时间占绿灯时间比例是P₁，自行车第二阶段的时间占绿灯时间的比例是P₂；

1)计算第一阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数

当绿灯亮时，处于第一阶段的自行车群开始向冲突区运动，左转机动车在等待直行机动车队清空后也开始向冲突区运动；自行车在冲突区的时间占有率是：

${\mathrm{OCC}}_{\mathrm{bico}}=\frac{t_1-(g_q+t_H-t_h)}{t-(g_q+t_H-t_h)}---\left(8\right)$

上式中：OCC_bico：对向自行车在冲突区占有率

t：自行车第一阶段时间

对向直行机动车队通过后，对向直行机动车的间隙可以供左转机动车通过的概率为

其中t_L0为左转机动车可接受的间隙(秒)，Q_o是对向直行机动车交通量(辆/小时)；

则第一阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数是：

$f_{\mathrm{Lpb}1}=1-P_{\mathrm{LT}}{\mathrm{OCC}}_{\mathrm{bico}}{e}^{-(t_{L0}{Q}_o/3600)}---\left(9\right)$

其中：P_LT是车道组左转机动车比例

2)计算第二阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数

左转机动车需要穿越对向第二阶段自行车的可接受间隙才能通过交叉口；假设此时自行车到达符合泊松分布、自行车车头时距符合负指数分布，能穿越自行车可接受间隙的左转机动车的交通量为：

${Q_L}^{\′}=\frac{Q_{\mathrm{bico}}{e}^{-\mathrm{\λ}{t}_{L0}}}{1-e^{-\mathrm{\λ}{t}_{\mathrm{Lf}}}}---\left(10\right)$

上式中：t_L0：左转机动车所能穿越的可接受间隙(秒)

t_Lf：左转机动车的随车时距(秒)

λ：自行车到达率 $\mathrm{\λ}=\frac{Q_{\mathrm{bic}}}{3600}$

Q_bico：对向自行车的交通量(辆/小时)

Q_L′：左转机动车可能穿越对向自行车通过交叉口的交通量(辆/小时)

i)对于不设左转保护相位的左转专用车道：

S_L＝min(S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lp，Q_L′)    (11)

S_L：左转机动车饱和流率，(辆/小时)

如果Q_L′≥S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lp，

则S_L＝S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lp，此时第二阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数f_Lb2＝1

如果Q_L′＜S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lp

则S_L＝Q_L′，此时第二阶段自行车对左转机动车饱和流率修正系数 $f_{\mathrm{Lb}2}=\frac{{Q_L}^{\′}}{S_0{\mathrm{Nf}}_w{f}_{\mathrm{HV}}{f}_g{f}_p{f}_{\mathrm{bb}}{f}_a{f}_{\mathrm{LU}}{f}_{\mathrm{LT}}{f}_{\mathrm{Lp}}}$

ii)对于左转混行车道

S_L＝min(S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_LT，Q_L′)    (12)

P_LT：车道组左转机动车比例

如果Q_L′≥S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_LT

则S_L＝S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_LT，此时f_Lb2＝1

如果Q_L′＜S₀Nf_wf_HVf_gf_pf_bbf_af_LUf_LTf_Lpf_RTf_RpP_LT，

则S_L＝Q_L′，此时 $f_{\mathrm{Lb}2}=\frac{{Q_L}^{\′}}{S_0{\mathrm{Nf}}_w{f}_{\mathrm{HV}}{f}_g{f}_p{f}_{\mathrm{bb}}{f}_a{f}_{\mathrm{LU}}{f}_{\mathrm{LT}}{f}_{\mathrm{Lp}}{f}_{\mathrm{RT}}{f}_{\mathrm{Rp}}{P}_{\mathrm{LT}}}$

3)计算整个绿灯时间自行车对左转机动车饱和流率修正系数

两个阶段的饱和流率修正系数对绿灯期间两个阶段时间的加权平均就是整个绿灯期间自行车对左转机动车饱和流率的影响系数，即自行车对左转机动车饱和流率的修正系数表达式就是：

f_Lb＝f_Lb1P₁′+f_Lb2P₂′    (13)

式中：P₁′是左转机动车与第一阶段自行车冲突时间与左转机动车与两个阶段自行车冲突时间和的比值，即

${P_1}^{\′}=\frac{t-(g_q+t_H-t_h)}{G-(g_q+t_H-t_h)}---\left(14\right)$

其中：G是绿灯时间(秒)

P₂′是左转机动车与第二阶段冲突时间与左转机动车与两个阶段自行车冲突时间的比值，即

P₂′＝1-P₁′    (15)

(2)g_q+t_H＞t₁+t_h的情况

对于这种情况，左转机动车穿越对向直行机动车后，第一阶段的自行车群已经通过冲突区，左转机动车不会再与第一阶段自行车群冲突，此时左转机动车只与第二阶段的自行车冲突，对向自行车对左转机动车饱和流率的影响系数与步骤(1)中的2)部分相同；

g_q+t_H＞t₁+t_h情况下，由于左转车只与第二阶段的自行车冲突，因此自行车对左转机动车饱和流率的修正系数f_Lb＝f_Lb2。

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