CN101650877A - 交叉口自适应可变车道设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用计算机程序的交叉口自适应可变车道设置方法。旨在克服单左转车道过饱和而两条左转车道又有剩余的问题。该方法首先是安装1号触发检测器、2号触发检测器、主信号灯、预信号灯和利用现有其它硬件设备，该方法还采用下列步骤：1)判别可变车道的属性：通过不等式N≥N^*是否成立判别可变车道的属性，其中N为1号/2号触发检测器的时间占有率大于临界值的连续周期数，N^*为触发可变车道控制的临界值；2)信号机对可变车道信号配时方案优化的控制：(1)信号周期时长不可变时可变车道的控制，(2)信号周期时长可变时可变车道的控制；3)设置可变车道预信号：(1)可变车道属性由直行变为左转，(2)可变车道属性由左转变为直行。

Description

交叉口自适应可变车道设置方法

技术领域

本发明涉及一种用于城市智能交通控制领域的方法，更具体地说，本发明涉及一种交叉口自适应可变车道的设置方法。

背景技术

平面交叉口的左转车流是影响交叉口运行质量的重要因素，对左转交通流的组织是交通管理的难点和重点。目前，对于左转交通流的组织，主要是在时间和空间上将其与其它交通流进行分离，传统的做法是设置左转专用车道、左转专用相位以及左弯待转区等。在设有左转专用相位和左弯待转区的交叉口，随着左转交通量的不断增加，设置一条左转专用车道可能不能满足左转交通流的需求，但若渠化成两条左转专用车道又会严重影响直行车道的通行能力，致使整个交叉口的通行能力降低。针对这种左转车流在单左转车道过饱和、两条左转车道又有剩余的情况，为了保证左转车流能安全、高效的通过交叉口，充分利用交叉口有限的时空资源，解决由于车道不足、流量不均而引起的交通拥堵，需要适时变换与左转车道相邻的直行车道功能，也即设置可变车道。

随着城市交通拥挤问题的日益加剧，可变车道技术得以推广应用，上海、北京等大城市已陆续实施可变车道，但目前主要是依靠人工遥控信号标志牌的方式实现。深入研究自适应可变车道的设置方法，对于促进交通流的有序运行，提高交叉口的运行效率是十分必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的主要依靠人工遥控信号标志牌的方式实现设置可变车道的问题，采用自编的计算机程序，提供了一种交叉口自适应可变车道设置方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：采用计算机程序的交叉口自适应可变车道设置方法包括安装硬件、判别可变车道的属性、信号机对可变车道信号配时方案优化的控制和设置可变车道预信号的步骤。

所述的判别可变车道的属性包括以下步骤：

1.1号触发检测器和2号触发检测器检测左转车道和可变车道的交通流数据。

2.通过不等式N≥N^*是否成立判别可变车道的属性。

式中：N-1号触发检测器或2号触发检测器的时间占有率大于临界值的连续周期数。

N^*-为触发可变车道控制的临界值，当1号触发检测器或2号触发检测器连续N^*个周期的时间占有率均大于等于临界值则触发可变车道控制。N^*的取值由下式标定：

$N^{*}=\left[\frac{(L_1+L_2)\·K_j}{{\mathrm{Cq}}_i-g_i{S}_i}\right]$

式中：L₁-渠化区内不可变段车道长度，单位.m。

L₂-渠化区内过渡段车道长度，单位.m。

K_j-阻塞密度，单位.veh/s。

C-信号周期时长，单位.s。

q_i-可变车道的车辆到达率，单位.veh/s。

g_i-可变车道所在相位的绿灯时长，单位.s。

S_i-可变车道所在相位的饱和流率，单位.veh/s。

所述的设置可变车道预信号包括以下步骤：

1.可变车道属性由直行变为左转

为了消散在左转绿灯启亮之前主信号灯与预信号灯之间的那部分直行车辆，需要在预信号灯的直行绿灯与左转绿灯之间插入一段红灯时间t₁：

t₁＝l₁/v+τ

式中：l₁-为主、预信号停车线之间的距离，单位.m。

v-为车均速度，单位.m/s。

τ-为安全时间。

2.可变车道属性由左转变为直行

在可变车道属性变化之前，为清空车道内所有的左转车辆，预信号左转绿灯时间应比主信号绿灯时间提前截止t₃：

t₃＝G_L-q_L×C/S_L

式中：G_L-主信号灯左转绿灯时长，单位.s。

q_L-左转车辆到达率，单位.veh/h。

S_L-左转车道的饱和流率，单位.veh/h。

技术方案中所述的通过不等式N≥N^*是否成立判别可变车道属性包括以下步骤：

1.若1号触发检测器的时间占有率大于其临界值的连续周期数大于或等于临界值，即不等式N₄≥N^*成立，而2号触发检测器的时间占有率大于其临界值的连续周期数小于临界值，即不等式N₅＜N^*成立，可变车道属性应为左转车道。

2.若2号触发检测器的时间占有率大于其临界值的连续周期数大于或等于临界值，即不等式N₅≥N^*成立，而1号触发检测器的时间占有率大于其临界值的连续周期数小于临界值，即不等式N₄＜N^*成立，可变车道属性应为直行车道。

3.若1号触发检测器和2号触发检测器的时间占有率大于临界值连续周期数均大于或等于其临界值，说明左转车道交通流与直行车道交通流均发生溢出，此时设置可变车道并不能有效改善交叉口的拥堵状况，此种状况不在本发明的适用范围之内。

4.若1号触发检测器和2号触发检测器的时间占有率大于或等于临界值的连续周期数均小于其临界值，说明此时左转车道交通流与直行车道交通流的车流运行均比较顺畅，可变车道保持属性不变；所述的安装硬件是指：

1.在主信号停车线上游40m处分车道埋设用于检测车辆到达、统计进口道车流量的设计规格为2×2m的1号感应检测器、2号感应检测器与3号感应检测器，对应于不分流向段左侧的两条车道，在距过渡段末端0.5-1.0m处分别埋设用于检测左转车道和可变车道的交通车流量的设计规格为2×2m的1号触发检测器和2号触发检测器。

2.利用现有的信号机、服务器，并用电线和/或光缆将1号感应检测器、2号感应检测器、3号感应检测器、1号触发检测器与2号触发检测器和信号机连接起来，再将信号机与服务器用电线和/或光缆连接起来。

3.安装主信号灯并在不可变段与过渡段分界处设置预信号灯，用电线和/或光缆将主信号灯与预信号灯和信号机连接起来。主信号灯采用一组箭头信号灯，具备左、直/左、直与右四个箭头信号，其中左/直箭头信号对应于可变车道。预信号灯应采用具备直/左箭头信号灯，位于可变车道上方，显示与可变车道属性相匹配的直行或左转的箭头信号；所述的信号机对可变车道信号配时方案优化的控制包括以下步骤：

1.信号周期时长不可变时可变车道的控制

1)若可变车道属性由直行变成左转，优化后的各相位绿灯时长为：

$g_{T(T-L)}^{\′}=g_T+g_L-\frac{y_{L(T-L)}^{\′}C}{x_p},$ $g_{L(T-L)}^{\′}=\frac{y_{L(T-L)}^{\′}C}{x_p};$

式中：g′_T(T-L)-可变车道属性由直行变成左转后直行相位绿灯时长，单位.s。

g′_L(T-L)-可变车道属性由直行变成左转后左转相位绿灯时长，单位.s。

y′_L(T-L)-可变车道属性由直行变成左转后左转车流流量比，单位.s。

g_T-原配时方案直行相位绿灯时长，单位.s。

g_L-原配时方案左转相位绿灯时长，单位.s。

C-原配时方案周期时长，单位.s。

x_P-临界饱和度(建议取为0.9)。

2)若可变车道属性由左转变成直行，优化后的各相位绿灯时长为：

$g_{L(L-T)}^{\′}=g_L+g_T-\frac{y_{T(L-T)}^{\′}C}{x_p},$ $g_{T(L-T)}^{\′}=\frac{y_{T(L-T)}^{\′}C}{x_p};$

式中：g′_L(L-T)-可变车道属性由左转变成直行后左转相位绿灯时长，单位.s。

g′_T(L-T)-可变车道属性由左转变成直行后直行相位绿灯时长，单位.s。

y′_T(L-T)-可变车道属性由左转变成直行后直行车流流量比，单位.s。

g_T-原配时方案直行相位绿灯时长，单位.s。

g_L-原配时方案左转相位绿灯时长，单位.s。

C-原配时方案周期时长，单位.s。

x_P-临界饱和度。

2.信号周期时长可变时可变车道的控制

1)可变车道属性由直行变成左转，优化后的周期时长和各相位绿灯时长为：

$C_{T-L}^{\′}=\frac{1.5L+5}{1-Y+\frac{a}{a+n}{y}_L-\frac{b}{b-n}{y}_T},$ $g_{L(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{L(T-L)}^{\′}}{Y_{T-L}^{\′}},$

$g_{T(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{T(T-L)}^{\′}}{{Y^{\′}}_{T-L}},$ $g_{i(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_i}{{Y^{\′}}_{T-L}};$

式中：C′_T-L-车道属性由直行变成左转后的信号周期时长，单位.s。

g″_L(T-L)-车道属性由直行变成左转后左转相位绿灯时间，单位.s。

g″_T(T-L)-车道属性由直行变成左转后直行相位绿灯时间，单位.s。

g″_i(T-L)-车道属性由直行变成左转后其它相位绿灯时间，单位.s。

Y′_T-L-车道属性由直行变成左转后交叉口总流量比。

y′_L(T-L)-车道属性由直行变成左转后左转车流流量比。

y′_T(T-L)-车道属性由直行变成左转后直行车流流量比。

L-信号损失时间，单位.s。

Y-原信号配时方案总流量比。

y_L-原信号配时方案左转相位流量比。

y_T-原信号配时方案直行相位流量比。

y_i-原信号配时方案其它相位流量比。

a-原始渠化方案的左转车道数。

b-原始渠化方案的直行车道数。

n-改变车道属性的可变车道条数。

2)可变车道属性由左转变成直行，优化后的周期时长和各相位绿灯时长为：

$C_{L-T}^{\′}=\frac{1.5L+5}{1-Y+\frac{b}{b+n}{y}_T-\frac{a}{a-n}{y}_L},$ $g_{L(L-T)}^{\′\′}=(C_{L-T}^{\′}-L)\frac{y_{L(L-T)}^{\′}}{Y_{L-T}^{\′}},$

$g_{T(L-T)}^{\′\′}=(C_{L-T}^{\′}-L)\frac{y_{T(L-T)}^{\′}}{Y_{L-T}^{\′}},$ $g_{i(L-T)}^{\′\′}=(C_{L-T}^{\′}-L)\frac{y_i}{Y_{L-T}^{\′}};$

式中：C′_L-T-车道属性由左转变成直行后的信号周期时长，单位.s。

g″_L(L-T)-车道属性由左转变成直行后左转相位绿灯时间，单位.s。

g″_T(L-T)-车道属性由左转变成直行后直行相位绿灯时间，单位.s。

g″_i(L-T)-车道属性由左转变成直行后其它相位绿灯时间，单位.s。

Y′_L-T-车道属性由左转变成直行后交叉口总流量比。

y′_L(L-T)-车道属性由左转变成直行后左转车流流量比。

y′_T(L-T)-车道属性由左转变成直行后直行车流流量比。

L-信号损失时间，单位.s。

Y-原信号配时方案总流量比。

y_L-原信号配时方案左转相位流量比。

y_T-原信号配时方案直行相位流量比；

y_i-原信号配时方案其它相位流量比。

a-原始渠化方案的左转车道数。

b-原始渠化方案的直行车道数。

n-改变车道属性的可变车道条数。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的交叉口自适应可变车道设置方法，根据可变车道的不同属性和车道交通流的溢出情况，因地制宜地设计了各种情况下的设置方法，确保了方法的实用性和可行性，从而解决了交通流时间上波动较大时，交叉口的固定渠化方案不适应交通流实际需求的问题。

2.本发明给出了在不同的交通流条件下，可变车道属性的确定方法。该方法同以往常用的人工观测相比，提高了方法的智能化和便利性，为实现交叉口的最优控制奠定了基础。

3.本发明给出了6种信号配时优化方法。该方法针对左转和直行交通流的溢出情况，尽量降低车道数较少的相位饱和度，避免因车道属性改变而导致的一个相位车流过饱和。

4.本发明给出了两种预信号灯设置方法。该方法分别针对可变车道属性由直行变左转和由左转变直行，在可变车道属性变化前清空主信号灯与预信号灯之间车辆，并及时向可变车道释放车辆，不仅避免了因车辆驶入错误的车道而导致交叉口拥堵现象的发生，而且充分利用了交叉口有限的时空资源。

5.本发明中的预信号灯的设置，可以避免车道属性突变而造成驾驶员不适应新环境的现象，提高了交叉口的安全性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的交叉口自适应可变车道设置方法中检测器布设位置的平面结构示意框图；

图2是本发明所述的交叉口自适应可变车道设置方法中预信号灯布设位置的平面结构示意框图；

图3是本发明所述的交叉口自适应可变车道设置方法中可变车道属性由直行变为左转时主信号灯与预信号灯之间关系的示意框图；

图4是本发明所述的交叉口自适应可变车道设置方法中可变车道属性由左转变为直行时主信号灯与预信号灯之间关系的示意框图；

图5是描述本发明所述的交叉口自适应可变车道设置方法技术方案的详细工作流程示意框图；

图6是描述本发明所述的交叉口自适应可变车道设置方法的功能结构示意框图。

图中：1.1号感应检测器，2.2号感应检测器，3.3号感应检测器，4.1号触发检测器，5.2号触发检测器，6.不可变段(长度为L₁)，7.过渡段(长度为L₂)，8.不分流向段(长度为L₃)，9.双黄线(相对方向道路分割线)，10.主信号停车线位置，11.预信号停车线位置，I.渠化段(长度为l₁)，III.主信号灯，IV.预信号灯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的交叉口自适应可变车道设置方法是在设置左转专用相位和左弯待转区的基础上，提出的一种新型左转交通流的控制方法。该方法能解决由于车道不足、流量不均而引起的交通拥堵，为城市交通信号控制达到最优效果发挥重要作用。

参阅图5，本发明根据左转交通流与直行交通流的流量变化，提供了交叉口自适应可变车道设置方法，交叉口自适应可变车道设置方法是由硬件和软件两部分组成，其既有数据采集设备、信号机及服务器等硬件部分，也有完成可变车道属性判别和信号配时方案优化的计算机程序部分。交叉口自适应可变车道设置方法是在现有控制方式的基础上，通过设置预信号灯、铺设预信号检测器并应用自编的计算机程序而实现的，完整的说其包括如下步骤：预信号检测器数据的采集、可变车道属性的判定、车道属性变化后信号配时方案优化、预信号设置方法的确定。现按时间顺序对交叉口自适应可变车道的设置方法作详细的描述：

1.安装硬件

参阅图1，实现自适应可变车道需安装以下硬件设备：

1)在主信号停车线上游40m处分车道埋设设计规格为2×2m的1号感应检测器1、2号感应检测器2与3号感应检测器3，用于检测车辆到达、统计进口道车流量；对应于图中不分流向段左侧的两条车道，在距过渡段末端0.5-1.0m处分别埋设设计规格为2×2m的1号触发检测器4和2号触发检测器5，用于检测左转车道和可变车道的交通车流量。

2)利用现有的信号机、服务器，并用电线和/或光缆将1号感应检测器、2号感应检测器、3号感应检测器、1号触发检测器与2号触发检测器和信号机连接起来，再将信号机与服务器用电线和/或光缆连接起来。

3)安装主信号灯并在不可变段与过渡段分界处设置预信号灯，用电线和/或光缆将主、预信号灯与信号机连接起来；主信号灯采用一组箭头信号灯，具备左、直/左、直、右四个箭头信号，其中左/直箭头信号对应于可变车道；预信号灯应采用具备直/左箭头信号灯，位于可变车道上方，显示与可变车道属性相匹配的直行或左转的箭头信号。

2.判别可变车道的属性

参阅图1，实施可变车道需要检测器提供交通流数据的支持，其布设情况如图中所示。根据检测器提供的时间占有率来分析交叉口左转交通流与直行交通流的运行情况，进而判别可变车道属性，分如下四种状况：

1)若1号触发检测器4的时间占有率大于其临界值，说明左转车道的交通流发生溢出，1号触发检测器4在红灯期间被车辆占据，若连续被占据的周期数N₄大于或等于临界值N^*，即不等式N₄≥N^*成立，而2号触发检测器5的时间占有率大于其临界值的连续周期数N₅小于临界值N^*，即不等式N₅＜N^*成立，可变车道属性应为左转车道。

2)若2号触发检测器5的时间占有率大于其临界值，说明直行车道的交通流发生溢出，2号触发检测器5在红灯期间被车辆占据，若连续被占据的周期数N₅大于或等于临界值N^*，即不等式N₅＞N^*成立，而1号触发检测器4的时间占有率大于其临界值的连续周期数N₄小于临界值N^*，即不等式N₄＜N^*成立，可变车道属性应为直行车道。

3)若1号触发检测器4和2号触发检测器5的时间占有率均大于其临界值，说明左转车道交通流与直行车道交通流均发生溢出，若连续被占据的周期数均大于或等于其临界值，此时设置可变车道并不能有效改善交叉口的拥堵状况，此种状况不在本发明的适用范围之内。

4)若1号触发检测器4和2号触发检测器5被占据的连续周期数均小于其临界值，说明此时左转车道交通流与直行车道交通流的车流运行均比较顺畅，可变车道保持属性不变。

其中：N-1号触发检测器或2号触发检测器的时间占有率大于或等于临界值的连续周期数。若1号触发检测器或2号触发检测器在某一周期内的时间占有率大于临界值则N值加1，否则N值清零，下周期重新判断1号触发检测器或2号触发检测器的时间占有率是否大于或等于其临界值；

N^*-为触发可变车道控制的临界值，当1号触发检测器或2号触发检测器连续N^*个周期的时间占有率均大于或等于临界值则触发可变车道控制。N^*的取值由下式标定：

$N^{*}=\left[\frac{(L_1+L_2)\·K_j}{C{q}_i-g_i{S}_i}\right]$

式中：L₁-渠化区内不可变段车道长度(m)；

L₂-渠化区内过渡段车道长度(m)；

K_j-阻塞密度(veh/s)；

C-信号周期时长(s)；

q_i-可变车道的车辆到达率(veh/s)；

g_i-可变车道所在相位的绿灯时长(s)；

S_i-可变车道所在相位的饱和流率(veh/s)。

3.信号机对可变车道信号配时方案优化的控制

在确定可变车道属性后，根据信号配时方案中周期时长的可变性，可变车道的控制可分为以下两种状况考虑：信号周期时长不可变时可变车道的控制、信号周期时长可变时可变车道的控制。

1)信号周期时长不可变时可变车道的控制

可变车道属性改变后，车道数减少的相位饱和度可能会出现过饱和，此时应在保证车道数增加的相位满足临界饱和度的前提下，进行信号配时优化以降低车道数减少相位的饱和度，具体可分如下两种状况考虑。

(1)若可变车道属性由直行变成左转，优化后的各相位绿灯时长为：

$g_{T(T-L)}^{\′}=g_T+g_L-\frac{y_{L(T-L)}^{\′}C}{x_p},$ $g_{L(T-L)}^{\′}=\frac{y_{L(T-L)}^{\′}C}{x_p};$

式中：g′_T(T-L)-可变车道属性由直行变成左转后直行相位绿灯时长(s)；

g′_L(T-L)-可变车道属性由直行变成左转后左转相位绿灯时长(s)；

y′_L(T-L)-可变车道属性由直行变成左转后左转车流流量比；

g_T-原配时方案直行相位绿灯时长(s)；

g_L-原配时方案左转相位绿灯时长(s)；

C-原配时方案周期时长(s)；

x_P-临界饱和度(建议取为0.9)。

(2)若可变车道属性由左转变成直行，优化后的各相位绿灯时长为：

$g_{L(L-T)}^{\′}=g_L+g_T-\frac{y_{T(L-T)}^{\′}C}{x_p},$ $g_{T(L-T)}^{\′}=\frac{y_{T(L-T)}^{\′}C}{x_p};$

式中：g′_L(L-T)-可变车道属性由左转变成直行后左转相位绿灯时长(s)；

g′_T(L-T)-可变车道属性由左转变成直行后直行相位绿灯时长(s)；

y′_T(L-T)-可变车道属性由左转变成直行后直行车流流量比；

g_T-原配时方案直行相位绿灯时长(s)；

g_L-原配时方案左转相位绿灯时长(s)；

C-原配时方案周期时长(s)；

x_P-临界饱和度(建议取为0.9)。

2)信号周期时长可变时可变车道的控制

可变车道属性的变化必然导致直行和左转相位的流量比发生变化，变周期下优化配时方案的信号周期时长和各相位有效绿灯时间分为如下两种状况：

(1)可变车道属性由直行变成左转，优化后的周期时长和各相位绿灯时长为：

$C_{T-L}^{\′}=\frac{1.5L+5}{1-Y+\frac{a}{a+n}{y}_L-\frac{b}{b-n}{y}_T},$ $g_{L(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{L(T-L)}^{\′}}{Y_{T-L}^{\′}},$

$g_{T(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{T(T-L)}^{\′}}{{Y^{\′}}_{T-L}},$ $g_{i(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_i}{{Y^{\′}}_{T-L}};$

式中：C′_T-L-车道属性由直行变成左转后的信号周期时长(s)；

g″_L(T-L)-车道属性由直行变成左转后左转相位绿灯时间(s)；

g″_T(T-L)-车道属性由直行变成左转后直行相位绿灯时间(s)；

g″_i(T-L)-车道属性由直行变成左转后其它相位绿灯时间(s)；

Y′_T-L-车道属性由直行变成左转后交叉口总流量比；

y′_L(T-L)-车道属性由直行变成左转后左转车流流量比；

y′_T(T-L)-车道属性由直行变成左转后直行车流流量比；

L-信号损失时间(s)；

Y-原信号配时方案总流量比；

y_L-原信号配时方案左转相位流量比；

y_T-原信号配时方案直行相位流量比；

y_i-原信号配时方案其它相位流量比；

a-原始渠化方案的左转车道数；

b-原始渠化方案的直行车道数；

n-改变车道属性的可变车道条数；

(2)可变车道属性由左转变成直行，优化后的周期时长和各相位绿灯时长为：

$C_{L-T}^{\′}=\frac{1.5L+5}{1-Y+\frac{b}{b+n}{y}_T-\frac{a}{a-n}{y}_L},$ $g_{L(L-T)}^{\′\′}=(C_{L-T}^{\′}-L)\frac{y_{L(L-T)}^{\′}}{Y_{L-T}^{\′}},$

$g_{T(L-T)}^{\′\′}=(C_{L-T}^{\′}-L)\frac{y_{T(L-T)}^{\′}}{Y_{L-T}^{\′}},$ $g_{i(L-T)}^{\′\′}=(C_{L-T}^{\′}-L)\frac{y_i}{Y_{L-T}^{\′}};$

式中：C′_L-T-车道属性由左转变成直行后的信号周期时长(s)；

g″_L(L-T)-车道属性由左转变成直行后左转相位绿灯时间(s)；

g″_T(L-T)-车道属性由左转变成直行后直行相位绿灯时间(s)；

g″_i(L-T)-车道属性由左转变成直行后其它相位绿灯时间(s)；

Y′_L-T-车道属性由左转变成直行后交叉口总流量比；

y′_L(L-T)-车道属性由左转变成直行后左转车流流量比；

y′_T(L-T)-车道属性由左转变成直行后直行车流流量比；

L-信号损失时间(s)；

Y-原信号配时方案总流量比；

y_L-原信号配时方案左转相位流量比；

y_T-原信号配时方案直行相位流量比；

y_i-原信号配时方案其它相位流量比；

a-原始渠化方案的左转车道数；

b-原始渠化方案的直行车道数；

n-改变车道属性的可变车道条数；

4.设置可变车道预信号

参阅图2，车道属性改变后，驾驶员需要一定的反应时间并做出相应决策，需要一定的距离改变行驶车道，否则会致使车辆驶入错误车道。为防止上述情况发生，本发明在渠化区上游设置一条预信号停车线和相应的发出预信号的预信号灯，形成主信号停车线和预信号停车线的控制布局。

根据可变车道属性的不同转换，可分如下两种状况考虑：

1)可变车道属性由直行变为左转

参阅图3，当可变车道属性由直行变为左转时，车道过渡应在一个信号周期内完成，为了消散在左转绿灯启亮之前主信号灯与预信号灯之间的那部分直行车辆，需要在预信号灯的直行绿灯与左转绿灯之间插入一段红灯时间t₁：

t₁＝l₁/v+τ

其中：l₁-为主、预信号停车线之间的距离(m)；

v-为车均速度(m/s)；

τ-为安全时间(s)，建议取为3s；

主信号灯与预信号灯之间的关系为：

G_T(T-L)、G_L(T-L)、G′_T(T-L)、G′_L(T-L)和t₁之间存在如下关系：

G_T(T-L)＝G′_T(T-L)+t₁；G_L(T-L)＝G′_L(T-L)；

其中：G_T(T-L)-可变车道属性由直行变成左转时主信号灯直行绿灯时长(s)；

G_L(T-L)-可变车道属性由直行变成左转时主信号灯左转绿灯时长(s)；

G′_T(T-L)-可变车道属性由直行变成左转时预信号灯直行绿灯时长(s)；

G′_L(T-L)-可变车道属性由直行变成左转时预信号灯左转绿灯时长(s)；

t₁-可变车道属性由直行变成左转时预信号灯红灯时长(s)。

2)可变车道属性由左转变为直行

参阅图4，可变车道属性由左转变为直行时，车道过渡应在两个信号周期内完成，第一个信号周期与本进口道的左转相位显示相一致，第二个信号周期与本进口道的直行相位显示相一致。在可变车道属性变化之前，为清空车道内所有的左转车辆，预信号左转绿灯时间应比主信号绿灯时间提前截止t₃：

t₃＝G_L-q_L×C/S_L

其中：G_L-主信号灯左转绿灯时长(s)；

q_L-左转车辆到达率(veh/h)；

S_L-左转车道的饱和流率(veh/h)；

主信号灯与预信号灯之间的关系为：

G_T(L-T)、G_L(L-T)、R、G′_T(L-T)、G′_L(L-T)和t₃之间存在如下关系：

G_L(L-T)＝G′_L(L-T)+t₃；G_T(L-T)+R＝G′_T(L-T)

其中：G_T(L-T)-可变车道属性由左转变成直行时主信号灯直行绿灯时长(s)；

G_L(L-T)-可变车道属性由左转变成直行时主信号灯左转绿灯时长(s)；

R-可变车道属性由左转变成直行时主信号灯红灯时长(s)；

G′_T(L-T)-可变车道属性由左转变成直行时预信号灯直行绿灯时长(s)；

G′_L(L-T)-可变车道属性由左转变成直行时预信号灯左转绿灯时长(s)；

t₃-可变车道属性由左转变成直行时预信号灯红灯时长(s)。

为充分利用可变车道的直行绿灯时间，预信号绿灯应比主信号绿灯提前启亮t₄＝R，使停在预信号停车线之后的直行车辆进入主信号与预信号之间的路段。

结合图5描述本发明所述的交叉口自适应可变车道设置方法的工作流程：

1.首先通过1号感应检测器1、2号感应检测器2、3号感应检测器3、1号触发检测器4和2号触发检测器5得到进口道的交通流数据，根据得到的进口道交通流数据执行可变车道属性的判别步骤：

若1号触发检测器4被车辆占据的连续周期数N₄大于或等于N^*、而2号触发检测器5被车辆占据的连续周期数N₅小于N^*，则说明此时可变车道属性应由直行变成左转；可变车道属性变成左转车道后，进入信号机对可变车道信号配时方案优化的控制步骤：

判断信号配时方案中周期时长是否可变步骤，信号配时方案中周期时长不可变时，优化后的各相位绿灯时长为：

$g_{T(T-L)}^{\′}=g_T+g_L-\frac{y_{L(T-L)}^{\′}C}{x_p},$ $g_{L(T-L)}^{\′}=\frac{y_{L(T-L)}^{\′}C}{x_p};$ 信号配时方案中周期时长可变时，优化后的周期时长和各相位绿灯时长为：

$C_{T-L}^{\′}=\frac{1.5L+5}{1-Y+\frac{a}{a+n}{y}_L-\frac{b}{b-n}{y}_T},$ $g_{L(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{L(T-L)}^{\′}}{Y_{T-L}^{\′}},$

$g_{T(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{T(T-L)}^{\′}}{{Y^{\′}}_{T-L}},$ $g_{i(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_i}{{Y_{T-L}}^{\′}};$ 执行信号配时方案中周期时长不可变或者执行信号配时方案中周期时长可变以后，则进入设置可变车道预信号步骤：

可变车道属性由直行变为左转，车道过渡应在一个信号周期内完成，为了消散在左转绿灯启亮之前主信号灯与预信号灯之间的那部分直行车辆，需要在预信号灯的直行绿灯与左转绿灯之间插入一段红灯时间t₁：t₁＝l₁/v+τ。

2.若1号触发检测器4被车辆占据的连续周期数N₄小于N^*，则进入2号触发检测器5被车辆占据的连续周期数N₅是否大于或等于N^*的(即N₅≥N^*是否成立)判断步骤，如果是大于或等于N^*，则说明此时可变车道属性应是直行，可变车道属性变成直行车道后，进入信号机对可变车道信号配时方案优化的控制步骤：判断信号配时方案中周期时长是否可变步骤，信号配时方案中周期时长不可变时，优化后的各相位绿灯时长为：

$g_{L(L-T)}^{\′}=g_L+g_T-\frac{y_{T(L-T)}^{\′}C}{x_p},$ $g_{T(L-T)}^{\′}=\frac{y_{T(L-T)}^{\′}C}{x_p};$ 信号配时方案中周期时长可变时，优化后的周期时长和各相位绿灯时长为：

$C_{L-T}^{\′}=\frac{1.5L+5}{1-Y+\frac{b}{b+n}{y}_T-\frac{a}{a-n}{y}_L},$ $g_{L(L-T)}^{\′\′}=(C_{L-T}^{\′}-L)\frac{y_{L(L-T)}^{\′}}{Y_{L-T}^{\′}},$

$g_{T(L-T)}^{\′\′}=(C_{L-T}^{\′}-L)\frac{y_{T(L-T)}^{\′}}{Y_{L-T}^{\′}},$ $g_{i(L-T)}^{\′\′}=(C_{L-T}^{\′}-L)\frac{y_i}{Y_{L-T}^{\′}};$ 执行信号配时方案中周期时长不可变或者执行信号配时方案中周期时长可变以后，则进入设置可变车道预信号步骤：

可变车道属性由左转变为直行，车道过渡应在两个信号周期内完成，第一个信号周期与本进口道的左转相位显示相一致，第二个信号周期与本进口道的直行相位显示相一致。在可变车道属性变化之前，为清空车道内所有的左转车辆，预信号左转绿灯时间应比主信号绿灯时间提前截止t₃：t₃＝G_L-q_L×C/S_L。

3.在2号触发检测器5被车辆占据的连续周期数N₅是否大于或等于N^*的(即N₅≥N^*是否成立)判断步骤中，如果2号触发检测器5被车辆占据的连续周期数N₅小于N^*(1号触发检测器4被车辆占据的连续周期数N₄也小于N^*)，说明左转车道交通流与直行车道交通流运行比较顺畅，可变车道保持属性不变。原渠化方案不变，接下来原信号配时方案不变。

4.若1号触发检测器4被车辆占据的连续周期数N₄与2号触发检测器5被车辆占据的连续周期数N₅同时大于或等于N^*，则说明此时设置可变车道并不能有效改善交叉口的拥堵状况，不在本发明的适用范围之内，此时需对四个渠化配时方案(原渠化配时方案、渠化改变配时不变方案、设置左转可变车道定周期配时方案、设置左转可变车道变周期配时方案)进行优选，以提高交叉口的通行能力。

Claims (4)

1.一种采用计算机程序的交叉口自适应可变车道设置方法，包括安装硬件和信号机对可变车道信号配时方案优化的控制步骤，其特征是所述的交叉口自适应可变车道设置方法还增加了判别可变车道的属性和设置可变车道预信号的步骤；

所述的判别可变车道的属性包括以下步骤：

1)1号触发检测器(4)和2号触发检测器(5)检测左转车道和可变车道的交通流数据；

2)通过不等式N≥N^*是否成立判别可变车道的属性；

式中：N-1号触发检测器或2号触发检测器的时间占有率大于临界值的连续周期数；

N^*-为触发可变车道控制的临界值，当1号触发检测器或2号触发检测器连续N^*个周期的时间占有率均大于等于临界值则触发可变车道控制。N^*的取值由下式标定：

$N^{*}=\left[\frac{(L_1+L_2)\·K_J}{{\mathrm{Cq}}_i-g_i{S}_i}\right]$

式中：L₁-渠化区内不可变段车道长度，单位.m；

L₂-渠化区内过渡段车道长度，单位.m；

K_j-阻塞密度，单位.veh/s；

C-信号周期时长，单位.s；

q_i-可变车道的车辆到达率，单位.veh/s；

g_i-可变车道所在相位的绿灯时长，单位.s；

S_i-可变车道所在相位的饱和流率，单位.veh/s；

所述的设置可变车道预信号包括以下步骤：

1)可变车道属性由直行变为左转

为了消散在左转绿灯启亮之前主信号灯与预信号灯之间的那部分直行车辆，需要在预信号灯的直行绿灯与左转绿灯之间插入一段红灯时间t₁：

t₁＝l₁/v+τ

式中：l₁-为主、预信号停车线之间的距离，单位.m；

v-为车均速度，单位.m/s；

τ-为安全时间；

2)可变车道属性由左转变为直行

在可变车道属性变化之前，为清空车道内所有的左转车辆，预信号左转绿灯时间应比主信号绿灯时间提前截止t₃：

t₃＝G_L-q_L×C/S_L

式中：G_L-主信号灯左转绿灯时长，单位.s；

q_L-左转车辆到达率，单位.veh/h；

S_L-左转车道的饱和流率，单位.veh/h。

2.按照权利要求1所述的交叉口自适应可变车道设置方法，其特征是所述的通过不等式N≥N^*是否成立判别可变车道属性包括以下步骤：

1)若1号触发检测器(4)的时间占有率大于其临界值的连续周期数(N₄)大于或等于临界值(N^*)，即不等式N₄≥N^*成立，而2号触发检测器(5)的时间占有率大于其临界值的连续周期数(N₅)小于临界值(N^*)，即不等式N₅＜N^*成立，可变车道属性应为左转车道；

2)若2号触发检测器(5)的时间占有率大于其临界值的连续周期数(N₅)大于或等于临界值(N^*)，即不等式N₅≥N^*成立，而1号触发检测器(4)的时间占有率大于其临界值的连续周期数(N₄)小于临界值(N^*)，即不等式N₄＜N^*成立，可变车道属性应为直行车道；

3)若1号触发检测器(4)和2号触发检测器(5)的时间占有率大于临界值连续周期数均大于或等于其临界值(N^*)，说明左转车道交通流与直行车道交通流均发生溢出，此时设置可变车道并不能有效改善交叉口的拥堵状况，此种状况不在本发明的适用范围之内；

4)若1号触发检测器(4)和2号触发检测器(5)的时间占有率大于或等于临界值的连续周期数均小于其临界值(N^*)，说明此时左转车道交通流与直行车道交通流的车流运行均比较顺畅，可变车道保持属性不变。

3.按照权利要求1所述的交叉口自适应可变车道设置方法，其特征是所述的安装硬件是指：

1)在主信号停车线上游40m处分车道埋设用于检测车辆到达、统计进口道车流量的设计规格为2×2m的1号感应检测器(1)、2号感应检测器(2)与3号感应检测器(3)，对应于不分流向段左侧的两条车道，在距过渡段末端0.5-1.0m处分别埋设用于检测左转车道和可变车道的交通车流量的设计规格为2×2m的1号触发检测器(4)和2号触发检测器(5)；

2)利用现有的信号机、服务器，并用电线和/或光缆将1号感应检测器(1)、2号感应检测器(2)、3号感应检测器(3)、1号触发检测器(4)与2号触发检测器(4)和信号机连接起来，再将信号机与服务器用电线和/或光缆连接起来；

3)安装主信号灯并在不可变段与过渡段分界处设置预信号灯，用电线和/或光缆将主信号灯与预信号灯和信号机连接起来；主信号灯采用一组箭头信号灯，具备左、直/左、直与右四个箭头信号，其中左/直箭头信号对应于可变车道；预信号灯应采用具备直/左箭头信号灯，位于可变车道上方，显示与可变车道属性相匹配的直行或左转的箭头信号。

4.按照权利要求1所述的交叉口自适应可变车道设置方法，其特征是所述的信号机对可变车道信号配时方案优化的控制包括以下步骤：

1)信号周期时长不可变时可变车道的控制

(1)若可变车道属性由直行变成左转，优化后的各相位绿灯时长为：

$g_{T(T-L)}^{\′}=g_T+g_L-\frac{y_{L(T-L)}^{\′}C}{x_p},$ $g_{L(T-L)}^{\′}=\frac{y_{L(T-L)}^{\′}C}{x_p};$

式中：g′_T(T-L)-可变车道属性由直行变成左转后直行相位绿灯时长，单位.s；

g′_L(T-L)-可变车道属性由直行变成左转后左转相位绿灯时长，单位.s；

y′_L(T-L)-可变车道属性由直行变成左转后左转车流流量比，单位.s；

g_T-原配时方案直行相位绿灯时长，单位.s；

g_L-原配时方案左转相位绿灯时长，单位.s；

C-原配时方案周期时长，单位.s；

x_p-临界饱和度(建议取为0.9)；

(2)若可变车道属性由左转变成直行，优化后的各相位绿灯时长为：

$g_{L(L-T)}^{\′}=g_L+g_T-\frac{y_{T(L-T)}^{\′}C}{x_p},$ $g_{L(L-T)}^{\′}=\frac{y_{T(L-T)}^{\′}C}{x_p};$

式中：g′_L(L-T)-可变车道属性由左转变成直行后左转相位绿灯时长，单位.s；

g′_T(L-T)-可变车道属性由左转变成直行后直行相位绿灯时长，单位.s；

y′_T(L-T)-可变车道属性由左转变成直行后直行车流流量比，单位.s；

g_T-原配时方案直行相位绿灯时长，单位.s；

g_L-原配时方案左转相位绿灯时长，单位.s；

C-原配时方案周期时长，单位.s；

x_p-临界饱和度；

2)信号周期时长可变时可变车道的控制

(1)可变车道属性由直行变成左转，优化后的周期时长和各相位绿灯时长为：

$C_{T-L}^{\′}=\frac{1.5L+5}{1-Y+\frac{a}{a+n}{y}_L-\frac{b}{b-n}{y}_T},$ $g_{L(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{L(T-L)}^{\′}}{Y_{T-L}^{\′}},$

$g_{L(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{L(T-L)}^{\′}}{{Y^{\′}}_{T-L}},$ $g_{i(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_i}{Y_{T-L}^{\′}};$

式中：C′_T-L-车道属性由直行变成左转后的信号周期时长，单位.s；

g″_L(T-L)-车道属性由直行变成左转后左转相位绿灯时间，单位.s；

g″_T(T-L)-车道属性由直行变成左转后直行相位绿灯时间，单位.s；

g_i(T-L)-车道属性由直行变成左转后其它相位绿灯时间，单位.s；

Y′_T-L-车道属性由直行变成左转后交叉口总流量比；

y′_L(T-L)-车道属性由直行变成左转后左转车流流量比；

y′_T(T-L)-车道属性由直行变成左转后直行车流流量比；

L-信号损失时间，单位.s；

Y-原信号配时方案总流量比；

y_L-原信号配时方案左转相位流量比；

y_T-原信号配时方案直行相位流量比；

y_i-原信号配时方案其它相位流量比；

a-原始渠化方案的左转车道数；

b-原始渠化方案的直行车道数；

n-改变车道属性的可变车道条数；

(2)可变车道属性由左转变成直行，优化后的周期时长和各相位绿灯时长为：

$C_{T-L}^{\′}=\frac{1.5L+5}{1-Y+\frac{b}{b+n}{y}_T-\frac{a}{a-n}{y}_L},$ $g_{L(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{L(T-L)}^{\′}}{Y_{T-L}^{\′}},$

$g_{L(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_{L(T-L)}^{\′}}{Y_{L-Y}^{\′}},$ $g_{i(T-L)}^{\′\′}=(C_{T-L}^{\′}-L)\frac{y_i}{Y_{T-L}^{\′}};$

式中：C′_L-T-车道属性由左转变成直行后的信号周期时长，单位.s；

g″_L(L-T)-车道属性由左转变成直行后左转相位绿灯时间，单位.s；

g″_T(L-T)-车道属性由左转变成直行后直行相位绿灯时间，单位.s；

g″_i(L-T)-车道属性由左转变成直行后其它相位绿灯时间，单位.s；

Y′_L-T-车道属性由左转变成直行后交叉口总流量比；

y′_L(L-T)-车道属性由左转变成直行后左转车流流量比；

y′_T(L-T)-车道属性由左转变成直行后直行车流流量比；

L-信号损失时间，单位.s；

Y-原信号配时方案总流量比；

y_L-原信号配时方案左转相位流量比；

y_T-原信号配时方案直行相位流量比；

y_i-原信号配时方案其它相位流量比；

a-原始渠化方案的左转车道数；

b-原始渠化方案的直行车道数；

n-改变车道属性的可变车道条数。

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