CN102005125B - 机动车通过交叉口的放行方法及设计方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

一种机动车通过交叉口的放行方法及设计方法和控制系统。放行的方法为：一个交通信号为四相位的十字交叉口，同一进口方向的直行车流和左转车流在同一信号相位放行，即同时亮绿灯，然后同时亮红灯，其它三个进口按照顺时针或逆时针的顺序依次进行，右转车辆根据用户的要求放行。同时，对信号灯配时进行相应设计，并配以相应控制系统。本技术方案在保持现有的交叉口通行能力的前提下，缩短交通信号周期，提高绿灯利用率，减少交叉口延误，降低信号控制设施的投入成本和使用能耗，提高交叉口的交通安全，使得交叉口的交通管理更加人性化。交通控制系统的组成模块为交通控制机、无线网络及接口和各个路口的显示系统。

Description

机动车通过交叉口的放行方法及设计方法和控制系统

技术领域

本发明涉及交通工程中交通管理与控制领域中的一种交叉口的放行方法及其控制系统。

背景技术

平面交叉口的交通控制和管理手段大体有三种：无控制交叉口交通管理，优先控制交叉口交通管理和信号控制交叉口的交通管理。满足道路功能、适应交通流量及交通安全三方面要求的平面交叉口才会选择信号控制。

通常，信号控制交叉口采用的是对称式放行方法。比如，一个四相位的信号控制交叉口，不考虑右转车辆，其信号相位的情况为：两个对称方向的直行分别为两个相位，两个对称方向的左转分别为另两个相位。这种放行方法有以下几个缺点：

●必须设置左转专用车道；

●同一个相位不同方向的流量相差很大时会造成资源浪费；

●当直行方向有通行权时，静止的左转车辆会对其产生影响，特别是在路段和交叉口展宽引道的接头处；

●当东西向车辆的通行权结束时，南北向车辆的司机不十分清楚绿灯信号是先给左转车还是先给直行车辆，增加了启动损失时间；

●需要的交通信号控制设施较多，能耗较大；一个进口的信号灯至少要两台，分别赋予左转和直行的方向的保护性通行权。

发明内容

本发明为了能够克服对称式的信号放行方法的缺点，提出了一种新的放行方法及配套的交通标志标线和信号控制设备。我们把这种方法称作轮放式放行法。

本发明提出的轮放式交叉口放行方法如下表：

本放行方法下的交叉口进口道应视左转车和直行车流量的大小，设置直左车道。信号灯配时流程见附图2。

一种上述机动车通过交叉口的放行方法的设计方法，步骤包括：

1)数据采集：采集信号灯配时的所需参数；

2)交通量换算：把采集到的数据换算为信号灯配时相应的交通量；

3)信号灯配时；

4)评估：选取延误作为反映交叉口几何设计与信号配时优劣的评价指标，如果满足要求，则作为最终信号配时的依据，反之，则重新进行配时。

一种应用本放行方法的控制系统，包括交通控制机和各个路口的显示装置；所述交通控制机连接和控制各个显示装置。所述显示装置包括色灯；每个交叉口至少设置四盏色灯，每个色灯控制一个进口车辆的通行和等待；所述交通控制机控制各个路口的色灯对应的放行方法为权利要求1所述方法。

所述显示装置包括多块倒计时牌，每块倒计时牌和相应的色灯对应，控制一个进口车辆的通行和等待；所述交通控制机连接和各个显示装置通过无线网络通信。

本发明技术方案与现有技术相比具有以下优势：

●信号灯显示为绿灯时，本向汽车全部通行，启动损失时间较少，不存在静止的车辆对运动车辆进行影响的情况。

●设置部分直左车道，均匀直行车和左转车的排队长度。

●需要的交通信号控制设施比较少，控制程序比较简单。

附图说明

图1是实施了本发明放行方法后的机动车流交通组织图。

图2是定时式信号配时的设计流程图。

图3是信号控制系统的组成模块示意图。

图4是实施例交叉口车道划分图。

具体实施方式

机动车通过交叉口的轮放式放行方法及其设计方法和控制系统。

一种机动车通过交叉口的放行方法，是在一个交通信号为四相位的十字交叉口：同一进口方向的直行车流和左转车流在同一信号相位放行，即同时亮绿灯，然后同时亮红灯，其它三个进口按照顺时针或逆时针的顺序依次进行，右转车辆根据车辆自身的要求放行。

其设计方法的具体步骤如下：

1、交通数据采集

调查目标交叉口各个进口道车道划分、车道宽度、道路纵坡情况。测量停车线到冲突点间的距离。选择高峰时间对交叉口四个进口进行分流向、分车种交通流量调查，得到高峰小时流量数据。另外选定目标交叉口进口道上距停车线100米处为调查点，调查通过该点的大型车和小汽车的高峰小时交通量V₁和V₂，并调查在连续时间段内小车跟随小车情况下的车辆数Q₁；

2、交通量换算

首先，计算交通流中小车跟随小车的平均车头时距

其次，计算交通流中所有车辆车头时距的平均值

第三，计算大型车的车辆换算系数第四，将大型车交通量换算为当量标准小汽车交通量V_e＝V∑P_iE_i＝(V₁+V₂)·[p×E₁+(1-p)×1]，其中：Q₁-小车跟随小车的连续小时交通量，辆/小时；q_b-100％标准小汽车情况下的车流率，q_b＝1/H_pp，辆/秒；q_m-混合车流率，q_m＝1/H_m，辆/秒；p-交通组成中大型车的百分比，

V-未经换算的总交通量，V＝V₁+V₂；

3、信号灯配时

参考图2，

首先是确定各个进口道各流向的设计交通量。设计交通量在后面会用到。

确定渠化方案主要是由实测各个方向交通量的大小以及道路的物理属性所决定的，渠化方案的结果是交叉口车道划分完成，各种分隔线、导流线画好。

信号相位方案就是信号相位采用2相位还是4相位的，是对称式的还是轮放式的，这也是由交通量和交叉口的物理属性决定。本技术方案已经默认了交通流量和交叉口的属性适合采取四相位的信号相位方案。

各车道的设计饱和流量在车道划分后由具体实施方式的第三部分的第二点计算得出的。

设计流量比由设计交通量比上设计饱和流量。

如果各相最大流量比之和小于0.9则重新渠化车道和确定信号相位方案。

绿灯间隔时间和各相位最大流量比之和都是计算最佳信号周期公式中的一部分。

周期得出后才能依次计算出总有效绿灯时间，各相的有效绿灯时间，各相绿信比及显示绿灯时间。

最短绿灯时间一般是为了满足行人过街而必须要达到的一个要求，这个量与交叉口的屋里属性有关。如果最短绿灯时间满足不了行人要求则需要增加周期时间，然后重新计算有效绿灯时间、绿信比及显示绿灯时间。

具体来说，

1)确定设计交通量

设计交通量用高峰小时交通量除以高峰小时系数得到：

$q_{\mathrm{dmn}}=\frac{Q_{\mathrm{mn}}}{{\left(\mathrm{PHF}\right)}_{\mathrm{mn}}}$

式中：q_dmn——配时时段中，进口道m，流向n的设计交通量；

Q_mn——配时时段中，进口道m，流向n的高峰小时交通量(pcu/h)；

(PHF)_mn——配时时段中，进口道m，流向n的高峰小时系数；

2)计算饱和流量

饱和流量用实测平均基本饱和流量乘以各影响因素校正系数的方法得到估算值：

S_f＝S_bi×f(F_i)

式中：S_f——进口道的估算饱和流量(pcu/h)；

S_bi——第i条进口道基本饱和流量(pcu/h)，i取T、L或R，分别表示相应的直行、左转或右转；

f(F_i)——各类进口道各类校正系数；

各类进口道各有其专用相位时的基本饱和流量S_bi，可采用表1-1数值：

表1-1 各类进口车道的基本饱和流量(pcu/h)

车道宽度校正

$f_w=\left\{\begin{array}{cc}1& w=3~3.5\\ 0.4(w-0.5)& 2.7\≤w\≤3\\ 0.05(w+16.5)& w>3.5\end{array}\right\}$

式中：f_w——车道宽度校正系数

w——车道宽度(m)

坡度及大车校正

f_g＝1-(G+HV)

式中：f_g——坡度及大车校正系数

G——道路纵坡

HV——大车率

3)配时参数计算

信号周期时长

$C=\frac{1.5L+5}{1-Y}$

信号总损失时间

$L=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{(L_s+I-A)}_k$

式中：L——信号总损失时间

L_s——启动损失时间

A——黄灯时长

I——绿灯间隔时间

k——一个周期内的绿灯间隔数

绿灯间隔时间

$I=\frac{z}{u_a}+t_s$

式中：z——停车线到冲突点的距离(m)

u_a——车辆在行车道上的行驶车速(m/s)

t_s——车辆制动时间(s)

流量比之和

本放行方法采用同一进口直左右方向同时放行，在不考虑右转车流的情况下，一个相位的最大流量比为这个进口直行和左转方向流量比较大那个。流量比之和为四个进口最大流量比的和。

$Y=\underset{j=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\max [\left(\frac{q_d}{s_d}\right),......]$

式中：Y——全部信号相位的各个最大流量比之和

j——第j相位的流量比

q_d——直行或左转方向的设计交通量

s_d——直行或左转方向的设计饱和流量

总有效绿灯时间

G_e＝C-L

各相位有效绿灯时间

$g_{\mathrm{ej}}=G_e\frac{\max [\left(\frac{q_d}{s_d}\right),......]}{Y}$

各相位绿信比

${\mathrm{\λ}}_j=\frac{g_{\mathrm{ej}}}{C}$

各相位显示绿灯时间

g_j＝g_ej-A_j+l_j

式中：l_j——第j相位的启动损失时间

4)计算交叉口通行能力和饱和度

通行能力一般表达式

$\mathrm{CAP}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{CAP}}_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{S}_i{\mathrm{\λ}}_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{S}_i{\left(\frac{g_e}{C}\right)}_i$

式中：CAP_i——第i条进口道的通行能力

S_i——第i条进口道的饱和流量

λ_i——第i条进口道所属信号相位的绿信比

g_e——该信号相位的有效率的时间

C——信号周期时长

直行车道通行能力

CAP_T＝λ_TS_T

左转专用车道通行能力

CAP_L＝λ_LS_L

饱和度的计算

各车道实际到达交通量与该车道通行能力之比即：

$x_i=\frac{q_i}{{\mathrm{CAP}}_i}$

4、服务水平评估

选取延误作为反映交叉口几何设计与信号配时优劣的评价指标

各车道的延误可用下式计算

$d_i=0.5C\frac{{(1-{\mathrm{\λ}}_i)}^2}{1-\min (1,x_i){\mathrm{\λ}}_i}$

式中：d_i——所计算车道的延误；

C——周期时长(s)；

λ_i——所计算车道的绿信比；

x_i——所计算车道的饱和度；

各进口道的平均信控延误可用下式计算

$d_A=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{q}_i}{\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i}$

式中：d_A——进口道A的平均信控延误(s/pcu)；

q_i----进口道A中第i车道的小时交通量换算为其高峰15min的交通流率；

交叉口的平均信控延误可用下式计算：

$d=\frac{\underset{A=1}{\overset{A}{\mathrm{\Σ}}}{d}_A{q}_A}{\underset{A=1}{\overset{A}{\mathrm{\Σ}}}{q}_A}$

式中：d——交叉口每车的平均信控延误(pcu/h)；

q_A——进口道A的高峰15min交通流率(pcu/15min)。

5、交通信号控制系统的组成

本发明公开的交通信号控制系统包括交通控制机、无线网络及接口、各个路口的显示装置。

交通控制机设置在交叉口某一角的控制箱内。控制机预先设置好色灯具体的允许通行时间或等候时间，同时还可设置普通时间段固定时间周期控制和高峰时间周期的多时段定时控制来适应不同时间段的交通路口情况。

显示装置主要包括倒计时牌、色灯和无线网络接口。每个交叉口至少设置4块倒计时牌和四盏色灯。每块倒计时牌和相应的色灯控制一个进口车辆的通行和等待。

交通控制机将控制信息通过无线网络传送至显示装置。

实施例：

以一个每个进口都含有直左右三个专用车道的平面交叉口为例(如附图3)，交叉口各进口车道经过换算后的机动车流量、经过各类系数校正后的饱和流量如下表：

1)绿灯间隔时间I

车辆在进口道上的行驶速度为v_a＝7.8m/s，车辆的制动时间取t_s＝2s，从停车线到冲突点的距离为z＝20m，则绿灯间隔时间：

$I=\frac{z}{u_a}+t_s=20/7.8+2=4.5s>3s$

所以取黄灯时间A＝3s，全红时间r＝2s

2)信号总损失时间L

启动损失时间L_s＝3s，黄灯时长A＝3s，一个周期内的绿灯间隔数为k＝4。

则信号总损失时间：

$L=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{(L_s+I-A)}_k=4\×(3+5-3)=20s$

3)分别对对称式和轮放式两种放行方法下的交通流进行配时，并用韦伯斯特公式计算交叉口延误。计算表如下：

4)效果评价

计算延误和评价服务水平是密不可分的。只有计算出了延误才能以延误为标准进行评估。延误的计算步骤已经在具体实施方式的第四部分服务水平评估中给出。

服务水平和交叉口延误的对应关系如下表：

服务水平	平均信控延误(s)	服务水平	平均信控延误(s)
				A	≤10	B	11～20
C	21～35	D	36～55
				E	56～80	F	＞80

交通行业规定：新建、改建交叉口设计服务水平宜取B级，治理交叉口取C级。

具体到本例中，

放行方法	周期时间	交叉口通行能力	交叉口平均延误
				轮放式	92	3128	30.2399
对称式	124	3127	40.5998

从上表可以看出，轮放式放行方法下的交叉口平均延误比对称式方法下的平均延误少34％。使用本放行方法，效果十分显著。

参考图3，

一种应用本放行方法的控制系统，包括交通控制机和各个路口的显示装置；所述交通控制机连接和控制各个显示装置。所述显示装置包括色灯；每个交叉口至少设置四盏色灯，每个色灯控制一个进口车辆的通行和等待；所述交通控制机控制各个路口的色灯对应的放行方法为上述轮放式放行方法。

所述显示装置包括多块倒计时牌，每块倒计时牌和相应的色灯对应，控制一个进口车辆的通行和等待；所述交通控制机连接和各个显示装置通过无线网络通信。

Claims (5)

1.一种机动车通过交叉口的放行方法的设计方法，其的特征是步骤包括：

1）数据采集：采集信号灯配时的所需参数；

2）交通量换算：把采集到的数据换算为信号灯配时相应的交通量；

3）信号灯配时；

4）评估：选取延误作为反映交叉口几何设计与信号配时优劣的评价指标，如果满足要求，则作为最终信号配时的依据，反之，则重新进行配时；

其特征是所述步骤3）中，交叉口的进口道的直、左车道的信号灯配时，是视左转车和直行车流量的大小设置；

3.1）确定各个进口道各流向的设计交通量；

3.2）以下述放行方法作为信号相位的方案，进而确定渠化方案：由测各个方向交通量的大小以及道路的物理属性，划分完成交叉口车道以及画好各种分隔线和导流线；

本步骤中的放行方法为，在一个交通信号为四相位的十字交叉口：同一进口方向的直行车流和左转车流在同一信号相位放行，即同时亮绿灯，然后同时亮红灯，其它三个进口按照顺时针或逆时针的顺序依次进行，右转车辆根据车辆自身的要求放行；

3.3）在车道划分后，确定流量比，流量比=设计交通量/设计饱和流量；如果四相最大流量比之和小于0.9，则重新渠化车道和确定信号相位方案，直至大于或等于0.9；

计算配时参数，参数包括：信号周期时长、信号总损失时间、绿灯间隔时间、流量比之和、总有效绿灯时间、各相位有效绿灯时间、各相位绿信比和各相位显示绿灯时间；

3.4）确定交叉口通行能力和饱和度。

2.根据权利要求1所述机动车通过交叉口的放行方法的设计方法，其特征是所述步骤1）中，

调查目标交叉口各个进口道车道划分、车道宽度、道路纵坡情况；

测量停车线到冲突点间的距离；

选择高峰时间对交叉口四个进口进行分流向、分车种交通流量调查，得到高峰小时流量数据；

另外选定目标交叉口进口道上距停车线100米处为调查点，调查通过该点的大型车和小汽车的高峰小时交通量V₁和V₂，并调查在连续时间段内小车跟随小车情况下的车辆数Q₁。

3.根据权利要求2所述机动车通过交叉口的放行方法的设计方法，其特征是

所述步骤2）包括步骤：

2.1）交通流中小车跟随小车的平均车头时距

2.2）交通流中所有车辆车头时距的平均值

2.3）大型车的车辆换算系数

2.4）将大型车交通量转换为当量标准小汽车交通量V_e=V∑P_iE_i=(V₁+V₂)·[p×E₁+(1-p)×1]；

其中：Q₁——小车跟随小车的连续小时交通量，辆/小时；q_b——100%标准小汽车情况下的车流率；q_b=1/H_pp，辆/秒；q_m——混合车流率；q_m=1/H_m，辆/秒；p——交通组成中大型车的百分比，

V——未经换算的总交通量，V=V₁+V₂。

4.根据权利要求3所述机动车通过交叉口的轮放式放行方法，其特征是所述步骤3）中，

3.1）确定设计交通量：

式中：q_dmn——配时时段中，进口道m，流向n的设计交通量；Q_mn——配时时段中，进口道m，流向n的高峰小时交通量pcu/h；(PHF)_mn——配时时段中，进口道m，流向n的高峰小时系数；

3.3）计算饱和流量，用实测平均基本饱和流量乘以各影响因素校正系数的方法得到估算值：S_f=S_bi×f(F_i)，

式中：S_f——进口道的估算饱和流量pcu/h；S_bi——第i条进口道基本饱和流量pcu/h，i取T、L或R，分别表示相应的直行、左转或右转；f(F_i)——各类进口道各类校正系数；

3.4）交叉口通行能力和饱和度；

通行能力： $\mathrm{CAP}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{CAP}}_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{S}_i{\mathrm{\λ}}_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{S}_i{\left(\frac{g_e}{C}\right)}_i,$

式中：CAP_i——第i条进口道的通行能力；S_i——第i条进口道的饱和流量；λ_i——第i条进口道所属信号相位的绿信比；g_e——该信号相位的有效率的时间；C——信号周期时长；

直行车道通行能力：CAP_T=λ_TS_T；左转专用车道通行能力：CAP_L=λ_LS_L；饱和度的计算，各车道实际到达交通量与该车道通行能力之比：

5.根据权利要求4所述机动车通过交叉口的放行方法的设计方法，其特征是所述步骤4）中，

4.1）各车道的延误： $d_i=0.5C\frac{{(1-{\mathrm{\λ}}_i)}^2}{1-\min (1-x_i){\mathrm{\λ}}_i},$

式中：d_i——所计算车道的延误；C——周期时长s；λ_i——所计算车道的绿信比；x_i——所计算车道的饱和度；

4.2）各进口道的平均信控延误：

式中：d_A——进口道A的平均信控延误s/pcu；q_i——进口道A中第i车道的小时交通量换算为其高峰15min的交通流率；

4.3）交叉口的平均信控延误：

式中：d——交叉口每车的平均信控延误pcu/h；q_A——进口道A的高峰15min交通流率pcu/15min；

服务水平和交叉口延误的对应关系如下：

服务水平为A级，对应的平均信控延误为≤10s；

服务水平为B级，对应的平均信控延误为11s～20s；

服务水平为C级，对应的平均信控延误为21s～35s；

服务水平为D级，对应的平均信控延误为36s～55s；

服务水平为E级，对应的平均信控延误为56s～80s；

服务水平为F级，对应的平均信控延误为＞80s；

交通行业规定：新建、改建交叉口设计服务水平宜取B级，治理交叉口取C级。

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