CN102637366B - 一种交叉口动态车道功能控制的实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交通工程和交通信息及控制系统领域，公开了一种交叉口动态车道功能控制的实施方法，步骤如下：首先请求转变车道功能，然后输入车道功能转变前的进口信号相位、相序、信号配时参数和车道功能，以及车道功能转变后拟采用的进口信号相位、相序、信号配时参数和车道功能；然后确定车道功能转变前后进口信号相位变化的类型；最后根据不同信号相位变化类型，建立车道功能和信号控制的最佳转变时刻的计算模型。本方法针对采用动态车道功能的交叉口，当进口可变车道的车道功能需要转变时，可确定车道功能和信号控制的最佳转变时刻，在保障行车安全的前提下，减少车道功能转变过程中对交叉口通行能力所造成的损失和对驾驶员所造成的不适应性。

Description

一种交叉口动态车道功能控制的实施方法

技术领域

本发明属于交通工程和交通信息及控制系统领域，涉及交叉口车道布置、信号相位设计技术领域，更具体地说，涉及一种交叉口动态车道功能控制的实施方法。

背景技术

车道功能划分(lane allocation，or lane-use assignment，or lane making)是影响交叉口空间资源分配的重要因素，也是信号控制的基础。为了更好地适应交通需求的变化，交叉口车道功能的动态控制技术应运而生，并针对车道功能合理划分的问题已提出了多种控制算法。然而目前研究主要集中于优化控制算法的层面，对于如何从安全和效率角度考虑，采取合理的实施方法，即确定车道功能和信号控制的最佳转变时刻，以便在保障行车安全的前提下，减少车道功能转变过程中对交叉口通行能力所造成的损失和对驾驶员所造成的不适应性，目前，相关研究较少，未检索到这类方法的发明专利。

经对现有技术的文献检索发现，有关交叉口动态车道功能控制的实施方法主要有以下几种：

(1)将一天时间划分成若干时间段(如早高峰、晚高峰、平峰)，在各时间段分界点，转变可变车道的功能。例如新闻晨报(2005.3.14)消息，上海8路口试行可变车道，可在不同时段根据路口实际车流方向及时改变导向车道的方向。

(2)人民网消息(http://tv.people.com.cn/GB/14645/25059/4710634.html)，北京在可变车道转变过程中增加了叉形符号(车道关闭)，清空变换期间已经驶入导向车道的车辆，为车道功能转变做准备。

(3)李丽丽等在《可变车道诱导方法研究》(交通与计算机，2008，26(5))中提出了基于双停车线主、预信号控制的交叉口动态车道功能控制实施方法。该方法在渠化区上游再设置一条停车线，并配以相应的预信号，当需要转变车道功能时，预信号红灯提前起亮，确保两条停车线间的车辆全部清空，然后再切换车道功能，该进口下一信号周期便可按调整后的车道功能运行。

方法1虽然每天车道功能转变的时间相对固定，但在信号控制周期的具体时刻(红灯期间或绿灯期间)却较为随机，难以保障行车安全。方法2可保障行车安全，但车道关闭期间由于交叉口进口车道数减少，其通行效率受到很大影响。方法3虽可保障行车安全，但对交叉口上游路段长度有一定要求，两条停车线间的距离需满足车辆变道的长度；并且，由于在预信号处未对车道功能进行划分，可能造成预信号绿灯期间大部分或全部车道被禁止通行的流向所阻塞，影响了进口道通行效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种交叉口动态车道功能控制的实施方法，该方法针对采用动态车道功能的交叉口，当进口可变车道的车道功能需要转变时，可确定车道功能和信号控制的最佳转变时刻，在保障行车安全的前提下，减少车道功能转变过程中对交叉口通行能力所造成的损失和对驾驶员所造成的不适应性。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种交叉口动态车道功能控制的实施方法，该方法包括以下步骤：

首先请求转变车道功能，然后输入车道功能转变前的进口信号相位、相序、信号配时参数和车道功能，以及车道功能转变后拟采用的进口信号相位、相序、信号配时参数和车道功能；然后确定车道功能转变前后进口信号相位变化的类型；最后根据不同信号相位变化类型，建立车道功能和信号控制的最佳转变时刻的计算模型。

所述的确定车道功能转变前后进口信号相位变化的类型是根据表1来确定的：

表1

所述的根据不同信号相位变化类型，建立车道功能和信号控制的最佳转变时刻的计算模型包括以下步骤：若信号相位变化类型为VP1，则车道功能转变后进口信号相位采用单口放行或许可型左转相位；在A、B流向绿灯均结束后切换车道功能；如式(1)所示：

$\mathrm{\θ}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{Brb}}+3,|T_{\mathrm{Agb}}-T_{\mathrm{Brb}}|-|T_{\mathrm{Bgb}}-T_{\mathrm{Arb}}|>0\\ T_{\mathrm{Arb}}+3,|T_{\mathrm{Agb}}-T_{\mathrm{Brb}}|-|T_{\mathrm{Bgb}}-T_{\mathrm{Arb}}|\≤0\end{array}\right.---\left(1\right)$

信号控制同时做相应调整，如式(2)所示：

ρ＝θ                    (2)

式中：θ为车道功能切换时刻；T_Arb为A流向红灯开始时刻；T_Agb为A流向绿灯开始时刻；T_Brb为B流向红灯开始时刻；T_Bgb为B流向绿灯开始时刻；ρ为信号控制参数调整时刻；其中：A为车道功能转变前可变车道的车道功能，且该车道功能对应的流向为A流向；B为车道功能转变后可变车道的车道功能，且该车道功能对应的流向为B流向。

所述的根据不同信号相位变化类型，建立车道功能和信号控制的最佳转变时刻的计算模型包括以下步骤：若信号相位变化类型为VP2，根据车道变化类型分为两种：(1)转变后可变车道的车道功能是在转变前车道功能的基础上增加了车道功能，(2)转变后可变车道的车道功能是对转变前的车道功能进行了减少或改变，对于信号相位变化类型为VP2的情况，车道功能和信号控制的转变时刻需按下述非线性规划模型计算得到：

其中，车道功能切换时刻的安全性约束如式(3)所示：

m₁＝M×D×max[(T_Arb-T_Agb)(T_Arb-θ)(θ-T_Agb)，0]                  (3)

式中：m₁为安全性参数；M为正整数；D为车道变化类型参数，时取0，时取1；

效率约束条件，如式(4)和式(5)所示：

当|T_Agb-T_Brb|-|T_Bgb-T_Arb|＞0

m₂＝M×max[(T_Brb-T_Agb)(T_Brb-θ)(θ-T_Agb)，0]                 (4)

当|T_Agb-T_Brb|-|T_Bgb-T_Arb|≤0

m₂＝M×max[(T_Agb-θ)(θ-T_Agb+5)，0]                   (5)

式中：m₂为效率参数；

快捷性约束如式(6)所示：

m₃＝θ               (6)

式中：m₃为快捷性参数；

优化目标为车道功能和信号控制调整过程对交叉口交通运行带来的不利影响最小化，建立优化目标函数如式(7)所示：

min m₁+m₂+m₃                (7)

由优化目标函数式(7)及约束条件式(3)～(6)，计算得到车道功能切换时刻θ，信号控制同时做相应调整，如式(8)所示：

ρ＝θ                        (8)。

所述的根据不同信号相位变化类型，建立车道功能和信号控制的最佳转变时刻的计算模型包括以下步骤：若信号相位变化类型为VP3，则进口信号相位由许可型左转相位变为保护型左转相位，如式(9)和(10)所示：

θ＝T_ABrb+5                    (9)

ρ＝θ+C₀                      (10)

式中：T_ABrb为A或B流向红灯开始时刻；C₀为信号周期时长。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明提供了一种综合考虑了交通安全、通行效率和实施快捷性的交叉口动态车道功能控制的实施方法。

2、本发明的方法该可适应不同的信号相位、相序和车道转变情况。

3、本发明的方法不仅保障行车安全，而且能减少车道功能转变过程中对交叉口通行能力所造成的损失；实施中需注意，对于车道功能切换后的A流向绿灯信号期间由可变车道(原来为A流向车道功能，转变后为B流向车道功能)驶出的A流向的车辆不应视为违章驾驶行为。

附图说明

图1为本发明实施例中车道功能转变前的交叉口车道功能示意图。

图2为本发明实施例中车道功能转变后的交叉口车道功能示意图。

图3为本发明实施例中车道功能转变前的交叉口信号相位相序示意图。

图4为本发明实施例1中车道功能转变后的交叉口信号相位相序示意图。

图5为本发明实施例中车道功能转变前Arm1的信号配时示意图。

图6为本发明实施例1中车道功能转变后Arm1的信号配时示意图。

图7为本发明实施例2中车道功能转变后Arm1的信号配时示意图。

图8为本发明实施例3中车道功能转变前的交叉口信号相位相序示意图。

图9为本发明实施例3中车道功能转变后的交叉口信号相位相序示意图。

图10为本发明实施例3中车道功能转变前Arm1的信号配时示意图。

图11为本发明实施例3中车道功能转变后Arm1的信号配时示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1～6所示，图1为本发明实施例中车道功能转变前的交叉口车道功能示意图；图2为本发明实施例中车道功能转变后的交叉口车道功能示意图；图3为本发明实施例中车道功能转变前的交叉口信号相位相序示意图；图4为本发明实施例1中车道功能转变后的交叉口信号相位相序示意图；图5为本发明实施例中车道功能转变前Arm1的信号配时示意图；图6为本发明实施例1中车道功能转变后Arm1的信号配时示意图。

该交叉口Arm1内侧第2条车道为可变车道，车道功能需要由直行车道(图1)变为左转车道(图2)，Arm1的信号相位相序由保护型左转相位(图3)变为单口放行(图4)，该进口的信号配时方案由图5变为图6。采用本发明中的方法来确定最佳的车道功能和信号控制转变时刻。

具体过程简述如下：

步骤1：接受到Arm1内侧第2条车道由直行车道变为左转车道的请求。

步骤2：输入车道功能转变前的信号相位、相序、信号配时参数和车道功能，以及车道功能转变后拟采用的信号相位、相序、信号配时参数和车道功能，如表2所示。

表2参数输入

步骤3：根据表1确定车道功能转变前后进口信号相位变化的类型为VP1。

表1

步骤4：信号相位变化类型为VP1，则由式(1)确定车道功能切换时刻，θ＝53；在A、B流向绿灯均结束后切换车道功能；如式(1)所示：

$\mathrm{\θ}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{Brb}}+3,|T_{\mathrm{Agb}}-T_{\mathrm{Brb}}|-|T_{\mathrm{Bgb}}-T_{\mathrm{Arb}}|>0\\ T_{\mathrm{Arb}}+3,|T_{\mathrm{Agb}}-T_{\mathrm{Brb}}|-|T_{\mathrm{Bgb}}-T_{\mathrm{Arb}}|\≤0\end{array}\right.---\left(1\right)$

信号控制同时做相应调整，如式(2)所示：

ρ＝θ            (2)

式中：θ为车道功能切换时刻，单位为s；T_Arb为A流向红灯开始时刻，单位为s；T_Agb为A流向绿灯开始时刻，单位为s；T_Brb为B流向红灯开始时刻，单位为s；T_Bgb为B流向绿灯开始时刻，单位为s；ρ为信号控制参数调整时刻，单位为s；其中：A为车道功能转变前可变车道的车道功能，且该车道功能对应的流向为A流向；B为车道功能转变后可变车道的车道功能，且该车道功能对应的流向为B流向。

由式(2)确定信号控制调整时刻，ρ＝53。

因此确定车道功能和信号控制转变时刻为车道功能转变前所在周期的第53s。

实施例2

如图1、图2、图3、图5和图7所示，图1为本发明实施例中车道功能转变前的交叉口车道功能示意图；图2为本发明实施例中车道功能转变后的交叉口车道功能示意图；图3为本发明实施例中车道功能转变前的交叉口信号相位相序示意图；图5为本发明实施例中车道功能转变前Arm1的信号配时示意图；图7为本发明实施例2中车道功能转变后Arm1的信号配时示意图。

该交叉口Arm1内侧第2条车道为可变车道，车道功能需要由直行车道(图1)变为左转车道(图2)，车道功能变化前后信号相位相序不变，为保护型左转相位(图3)，该进口的信号配时方案由图5变为图7。采用本发明中的方法来确定最佳的车道功能和信号控制转变时刻。

具体过程简述如下：

步骤1：接受到Arm1内侧第2条车道由直行车道变为左转车道的请求。

步骤2：输入车道功能转变前的信号相位、相序、信号配时参数和车道功能，以及车道功能转变后拟采用的信号相位、相序、信号配时参数和车道功能，如表3所示。

表3参数输入

步骤3：根据表1确定车道功能转变前后进口信号相位变化的类型为VP2。

表1

转至步骤5：信号相位变化类型为VP2，

根据车道变化类型分为两种：(1)转变后可变车道的车道功能是在转变前车道功能的基础上增加了车道功能，(2)转变后可变车道的车道功能是对转变前的车道功能进行了减少或改变，对于信号相位变化类型为VP2的情况，车道功能和信号控制的转变时刻需按下述非线性规划模型计算得到：

其中，车道功能切换时刻的安全性约束如式(3)所示：

m₁＝M×D×max[(T_Arb-T_Agb)(T_Arb-θ)(θ-T_Agb)，0]              (3)

式中：m₁为安全性参数；M为正整数；D为车道变化类型参数，时取0，时取1；

效率约束条件，如式(4)和式(5)所示：

当|T_Agb-T_Brb|-|T_Bgb-T_Arb|＞0

m₂＝M×max[(T_Brb-T_Agb)(T_Brb-θ)(θ-T_Agb)，0]                 (4)

当|T_Agb-T_Brb|-|T_Bgb-T_Arb|≤0

m₂＝M×max[(T_Agb-θ)(θ-T_Agb+5)，0]                  (5)

式中：m₂为效率参数；

快捷性约束如式(6)所示：

m₃＝θ              (6)

式中：m₃为快捷性参数；

优化目标为车道功能和信号控制调整过程对交叉口交通运行带来的不利影响最小化，建立优化目标函数如式(7)所示：

min m₁+m₂+m₃                 (7)

由优化目标函数式(7)及约束条件式(3)～(6)，计算得到车道功能切换时刻θ，信号控制同时做相应调整，如式(8)所示：

ρ＝θ                (8)。

由优化目标函数式(7)和(8)及约束条件式(3)～(6)，计算得到车道功能和信号控制转变时刻，θ＝ρ＝25。

因此确定车道功能和信号控制转变时刻为车道功能转变前所在周期的第25s。

实施例3

如图1、图2、图8～11所示，图1为本发明实施例中车道功能转变前的交叉口车道功能示意图；图2为本发明实施例中车道功能转变后的交叉口车道功能示意图；图8为本发明实施例3中车道功能转变前的交叉口信号相位相序示意图；图9为本发明实施例3中车道功能转变后的交叉口信号相位相序示意图；图10为本发明实施例3中车道功能转变前Arm1的信号配时示意图；图11为本发明实施例3中车道功能转变后Arm1的信号配时示意图。

该交叉口Arm1内侧第2条车道为可变车道，车道功能需要由直行车道(图1)变为左转车道(图2)，Arm1的信号相位相序由许可型左转相位(图8)变为保护型左转相位(图9)，该进口的信号配时方案由图10变为图11。采用本发明中的方法来确定最佳的车道功能和信号控制转变时刻。

具体过程简述如下：

步骤1：接受到Arm1内侧第2条车道由左转车道变为直行车道的请求。

步骤2：输入车道功能转变前的信号相位、相序、信号配时参数和车道功能，以及车道功能转变后拟采用的信号相位、相序、信号配时参数和车道功能，如表4所示。

表4参数输入

步骤3：根据表1确定车道功能转变前后进口信号相位变化的类型为VP3。

表1

转至步骤6：信号相位变化类型为VP3，则由式(9)确定车道功能切换时刻，θ＝48；由式(10)确定信号控制调整时刻，ρ＝138。

如式(9)和(10)所示：

θ＝T_ABrb+5                  (9)

ρ＝θ+C₀                    (10)

式中：T_ABrb为A或B流向红灯开始时刻，单位为s；C₀为信号周期时长，单位为s。

因此确定车道功能切换时刻为所在周期的第48s，信号控制调整时刻为所在周期的第138s即为车道功能切换后下一周期的第48s。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种交叉口动态车道功能控制的实施方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

首先请求转变车道功能，然后输入车道功能转变前的进口信号相位、相序、信号配时参数和车道功能，以及车道功能转变后拟采用的进口信号相位、相序、信号配时参数和车道功能；然后确定车道功能转变前后进口信号相位变化的类型；最后根据不同信号相位变化类型，建立车道功能和信号控制的最佳转变时刻的计算模型。

2.根据权利要求1所述的交叉口动态车道功能控制的实施方法，其特征在于：所述的确定车道功能转变前后进口信号相位变化的类型是根据下表来确定的：

3.根据权利要求1所述的交叉口动态车道功能控制的实施方法，其特征在于：所述的根据不同信号相位变化类型，建立车道功能和信号控制的最佳转变时刻的计算模型包括以下步骤：若信号相位变化类型为VP1，则车道功能转变后进口信号相位采用单口放行或许可型左转相位；在A、B流向绿灯均结束后切换车道功能；如式(1)所示：

$\mathrm{\θ}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{Brb}}+3,|T_{\mathrm{Agb}}-T_{\mathrm{Brb}}|-|T_{\mathrm{Bgb}}-T_{\mathrm{Arb}}|>0\\ T_{\mathrm{Arb}}+3,|T_{\mathrm{Agb}}-T_{\mathrm{Brb}}|-|T_{\mathrm{Bgb}}-T_{\mathrm{Arb}}|\≤0\end{array}\right.---\left(1\right)$

信号控制同时做相应调整，如式(2)所示：

ρ＝θ  (2)

式中：θ为车道功能切换时刻；T_Arb为A流向红灯开始时刻；T_Agb为A流向绿灯开始时刻；T_Brb为B流向红灯开始时刻；T_Bgb为B流向绿灯开始时刻；ρ为信号控制参数调整时刻；其中：A为车道功能转变前可变车道的车道功能，且该车道功能对应的流向为A流向；B为车道功能转变后可变车道的车道功能，且该车道功能对应的流向为B流向。

4.根据权利要求3所述的交叉口动态车道功能控制的实施方法，其特征在于：所述的根据不同信号相位变化类型，建立车道功能和信号控制的最佳转变时刻的计算模型包括以下步骤：若信号相位变化类型为VP2，根据车道变化类型分为两种：(1)转变后可变车道的车道功能是在转变前车道功能的基础上增加了车道功能，(2)转变后可变车道的车道功能是对转变前的车道功能进行了减少或改变，对于信号相位变化类型为VP2的情况，车道功能和信号控制的转变时刻需按下述非线性规划模型计算得到：

其中，车道功能切换时刻的安全性约束如式(3)所示：

m₁＝M×D×max[(T_Arb-T_Agb)(T_Arb-θ)(θ-T_Agb),0]  (3)

式中：m₁为安全性参数；M为正整数；D为车道变化类型参数，时取0，时取1；

效率约束条件，如式(4)和式(5)所示：

当|T_Agb-T_Brb|-|T_Bgb-T_Arb|＞0

m₂＝M×max[(T_Brb-T_Agb)(T_Brb-θ)(θ-T_Agb),0]  (4)

当|T_Agb-T_Brb|-|T_Bgb-T_Arb|≤0

m₂＝M×max[(T_Agb-θ)(θ-T_Agb+5),0]  (5)

式中：m₂为效率参数；

快捷性约束如式(6)所示：

m₃＝θ  (6)

式中：m₃为快捷性参数；

优化目标为车道功能和信号控制调整过程对交叉口交通运行带来的不利影响最小化，建立优化目标函数如式(7)所示：

minm₁+m₂+m₃  (7)

由优化目标函数式(7)及约束条件式(3)～(6)，计算得到车道功能切换时刻θ，信号控制同时做相应调整，如式(8)所示：

ρ＝θ  (8)。

5.根据权利要求4所述的交叉口动态车道功能控制的实施方法，其特征在于：所述的根据不同信号相位变化类型，建立车道功能和信号控制的最佳转变时刻的计算模型包括以下步骤：若信号相位变化类型为VP3，则进口信号相位由许可型左转相位变为保护型左转相位，如式(9)和(10)所示：

θ＝T_ABrb+5  (9)

ρ＝θ+C₀  (10)

式中：T_ABrb为A或B流向红灯开始时刻；C₀为信号周期时长。