CN102693629A - 考虑大型车掉头需求的交叉口设计与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交通安全、道路设计领域。为考虑不同主路流量、支路流量、掉头车比例以及大型车比例应当对应不同的掉头专用车道设计提供指导，本发明采取的技术方案是，考虑大型车掉头需求的交叉口设计与控制方法，包括如下步骤：(1)设大型车穿过交叉路口沿主线向上游行驶一段距离后左转掉头，向上游行驶一段距离为专用车道蓄车段；(2)本发明采用两相位信号控制；(3)本发明确定掉头车道设置位置以及蓄车段长度的步骤包括；(4)对支路交通流的组织方式为借用掉头专用车道作为其远引掉头车道，也即支路交通组织采用禁止左转和直行的方式，通过信号控制将主路掉头车流与支路直左车流分开。本发明主要应用于道路设计。

Description

考虑大型车掉头需求的交叉口设计与控制方法

技术领域

本发明属于交通安全、道路设计领域，具体讲涉及考虑大型车掉头需求的交叉口设计与控制方法。 

背景技术

港口交通以集疏运交通为主，港区道路交通组成中以大型车(集装箱车、拖挂车、油罐车等)为主。由于港区道路网络结构相对简单，可选路径相对较少，因此在部分交叉口或者出入口经常会出现大量的大型车掉头需求。由于大型车转弯半径大，掉头时需要占用较大空间，通常大型车必须在靠近掉头出口前变换车道至外侧车道，或者占用相邻车道以满足一次顺车掉头所需条件。这对于负担过重、各向流量差别过大的交叉口易造成交通拥堵以及降低效率和安全的重要原因。传统的交叉口设计与控制方法中，缺乏考虑这种情况下的大型车掉头需求，因此，研究存在大量大型车掉头需求的交叉口设计与控制方法对于改善港区道路交通效率与安全具有重要意义。 

目前，掉头车道的设置一般有受信号控制和不受信号控制的方式。在交通组织中，掉头车道位置通常可分为交叉口内部掉头和远引掉头两种： 

(1)掉头点设置在交叉口停车线前，掉头车辆受信号灯的控制，必须等待本向左转绿灯亮时才可通过停车线进行掉头，其绕行距离短，延误相对较少，但对其后的左转车辆有影响，掉头车辆与红灯时旁路右转车辆、对向直行车辆存在交汇的冲突。 

(2)掉头点设置在该交叉口下游一定距离的中央分隔带处，掉头车辆在等待掉头时需要有一定的待行区长度。掉头后与对向直行车辆存在交汇冲突，并且需要交织到内侧直行车道，其绕行距离较长。 

综上所述，传统的交叉口掉头车道设计方法及交通组织方式还存在如下问题和挑战： 

(1)传统方法尽管在中央分隔带较宽的路段会考虑设置掉头专用车道，但是没有统筹考虑交叉口的几何设计、信号控制和交通组织，形成系统性的设计方案； 

(2)尽管掉头专用车道蓄车段长度对掉头车道的应用成功与否有着关键的影响，但是传统方法对掉头专用车道的长度确定较为模糊，多以实际整改的感性经验为主，没有形成可操作的理论计算方法； 

(3)传统的交叉口内部掉头方式对于大型车辆考虑较少，尤其是缺乏对大型车转弯特性的考虑，因而不适合大型车辆掉头需求较多的情况； 

(4)不同主路流量、支路流量、掉头车比例以及大型车比例应当对应不同的掉头专用车道设计，这些因素都需要同时考虑。 

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，为考虑不同主路流量、支路流量、掉头车比例以及大型车比例应当对应不同的掉头专用车道设计提供指导，为达到上述目的，本发明采取的 技术方案是，考虑大型车掉头需求的交叉口设计与控制方法，包括如下步骤： 

(1)设大型车穿过交叉路口沿主线向上游行驶一段距离后左转掉头，向上游行驶一段距离为专用车道蓄车段，大型车掉头专用车道设有信号灯，左转掉头处主线上设置有主线辅助信号灯，左转掉头形成的圆弧包围区域为大型车掉头专用车道导流岛； 

(2)本发明采用两相位信号控制，共有两种相位方案：1)第一相位为西进口道、北进口道的直行和左转，第二相位为东进口道和南进口道的直行和左转；2)第一相位为东西直行，第二相位为东西左转且南北直左，右转车流均不受控制； 

(3)本发明确定掉头车道设置位置以及蓄车段长度的步骤包括：1)设一个周期内绿灯期间到达掉头专用车道蓄车段的车辆数为N1，相反方向进口道停车线前直行排队车辆数为N2，左转为N3，三者的最大值为一段时间内该方向上进口/掉头车道最大排队车辆数，则排队长度为L＝d×max(N1，N2，N3)，式中d为平均大车车长；2)考虑掉头车辆汇入主线直行车道上所需要的最小换道距离Lmin；3)由D＝max(L，Lmin)，作为设置掉头车道蓄车段长度的依据； 

(4)对支路交通流的组织方式为借用掉头专用车道作为其远引掉头车道，也即支路交通组织采用禁止左转和直行的方式，通过信号控制将主路掉头车流与支路直左车流分开，支路直左车流借助掉头车道通行空间。 

所述方法进一步细化为：本发明设计为两相位信号控制，共有两种相位设置方式： 

(1)第一相位为西进口道、北进口道的直行和左转，第二相位为东进口道和南进口道的直行和左转，右转车流不受控制； 

(2)第一相位为东西直行，第二相位为东西左转且南北直左，右转车流不受控制； 

L1-L10为信号灯组编号，第一种相位设置方法中，西向东直行L1、西向北左拐L3、北向南直行L5为第一相位，东向西直行L2、东向北左拐L4、南向北直行L6为第二相位，东向西至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L7、西向东至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L8为辅助一相位，大型车西向东左拐掉头处L9、大型车东向西左拐掉头处L10为辅助二相位；第二种相位设置方法中，西向东直行L1、东向西直行L2为第一相位，西向北左拐L3、东向北左拐L4、北向南直行L5、南向北直行L6为第二相位，东向西至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L7、西向东至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L8为辅助一相位，大型车西向东左拐掉头处L9、大型车东向西左拐掉头处L10为辅助二相位； 

按第一种相位设置配时：设包括拖挂车、集装箱在内的大型车饱和流率为Qd，并设置进口道各流向流量如下表1所示： 

表1交叉口进口道各流向流量 

	左转	直行	掉头	右转	总计
						东进口	QE-L	QE-TH	QE-TU	QE-R	QE
西进口	QW-L	QW-TH	QW-TU	QW-R	QW
						南进口	QS-L	QS-TH	QS-TU	QS-R	QS
北进口	QN-L	QN-TH	QN-TU	QN-R	QN

信号总周期T的计算根据常用的英国道路交通研究所TRRL配时方法得出，式中Y为黄灯时总 

绿灯时长：G＝T-2Y                            (1) 

第一相位绿灯时间：G₁＝G×Q₁/(Q₁+Q₂)                                      (2) 

第二相位绿灯时间：G₂＝G×Q₂/(Q₁+Q₂)                                      (3) 

其中：Q₁＝max{Q_W-TH+Q_W-L，Q_N-TH+Q_N-L}                                    (4) 

Q₂＝max{Q_E-TH+Q_E-L，Q_S-TH+Q_S-L}                                          (5) 

辅助一相位： 

G₁₁＝(G1-Y)×max{Q_w/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，Q_E/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}                 (6) 

G₁₂＝(T-G1-Y)×max{Q_w/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，Q_E/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}               (7) 

辅助二相位： 

G₂₁＝(T-G2-Y)×max{(Q_N-TH+Q_N-L)/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，(Q_S-TH+Q_S-L)/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}(8) 

G₂₂＝(G2-Y)×max{(Q_N-TH+Q_N-L)/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，(Q_S-TH+Q_S-L)/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}  (9) 

掉头专用车道蓄车段长度D的确定： 

设车流到达服从泊松分布，每周期掉头车道排队车辆受该车道上的两次红灯控制，即辅助二相位的两次红灯引起的排队，以东出口掉头车道段为例，N_E1为西进口道掉头排队车辆，等于第一相位绿灯到达的掉头车辆数减去辅助二相位第二次绿灯时间内以饱和车流消去的车辆数，即一周期内： 

N1_E1＝(Q_W-TU×G₁-Q_d×G₂₂)/3600                                          (10) 

N_E2为南进口道左转和直行排队车辆，等于第二相位绿灯到达的左/直车辆数减去辅助二相位第一次绿灯时间内以饱和车流消去的车辆数，即一周期内： 

N1_E2＝((Q_S-L+Q_S-TH)×G₂-Q_d×G₂₁)/3600                                   (11) 

则：N1＝N1_E1+N1_E2                                                       (12) 

由于掉头专用车道转弯段与主路有相交部分即辅助信号灯控制部分，即有公共的通行空间，为了不至于主路进口道停车线前直行或左转排队车辆超过即占用该公共通行空间，需要满足掉头专用车道蓄车段长度大于主路进口道车辆排队长度，一周期内东进口左转排队车辆数： 

N2＝(Q_E-L×G₁₂-Q_d×G₂)/3600                                             (13) 

直行排队车辆数： 

N3＝(Q_E-TH×(G₁₁+G₁₂)+Q_W-TU×G₂₁-Q_d×G₂)/3600                           (14) 

因此，取上述三个流向上停车线前排队车辆数的最大值来界定蓄车段长度D；除此之外，由于掉头车辆汇入主线时位于进口道的外侧右转车道上，需要通过换道完成在直行车道上通行或者排队等待通行；假设掉头车汇入主线时刚好等到一个可接受间隙h(h大于最小可接受间隙t0)进行换道，换道一次的最小距离应在临界可接受间隙时间内完成；设直行车道为两条，流量Q，则换道的交织长度的最小值需满足掉头车辆能够从最外侧车道一次性换到内侧第二条直行车道上，也即连续换道两次。根据车头到达间隙服从负指数分布，1小时内出现可接受间隙的概率为： 

P(h＞t₀)＝e-(Qt₀/3600)                                                    (15) 

等到一个可接受间隙需时： 

T＝3600/(Q×P(h＞t₀))                                                     (16) 

换道过程中假设车辆匀速v，故有： 

Lmin＝v×(t₀+T)×2                                                    (17) 

综上，东出口道掉头车道蓄车段长度： 

D_E＝max{Lmin，d×max{N1，N2，N3}}                                     (18) 

同理，西出口道掉头专用车道蓄车段长度算法类似，只是需要考虑的车流量、流向不同。 

本发明方法与现有技术相比具有以下优点： 

(1)首先本发明从解决交叉口内部大型车掉头困难问题出发，着重考虑不同大型车掉头流量给交叉口交通运行带来的影响，提供一个考虑大量大型车掉头需求的交叉口设计与控制的整体解决方案； 

(2)本发明从交通流交织特征出发，以减少冲突点，隔离冲突区域、减少延误为原则，给出设置掉头车道时两个关键要素——信号相位配时和掉头车道蓄车长度的计算方法和流程，以此设置大型车掉头专用车道更加科学； 

(3)在交通组织和控制配套方面，支路交通采取禁止左转和直行，而将这两股车流借助远引掉头车道化为掉头绕行，大大简化了交叉口相位，分割了多个冲突流；此外，本发明对辅助相位的设计使得主路上下游两个信号灯之间协调，更好地配合掉头车流，提高通行安全性。 

附图说明

图1为大型车掉头专用车道设计示意图。 

图2为大型车掉头专用车道设置工作流程。 

图3为两种相位方式下的相位结构和信号配时。图中最深颜色表示红灯信号，次深颜色表示绿灯信号，最浅颜色表示黄灯信号，其宽度为相应的信号持续时间。 

图4为大型车掉头专用车道适用范围。 

图5为实施例中两种方案仿真建模。 

具体实施方式

本发明的目的在于为存在大量大型车掉头需求的交叉口的设计与控制提供一个系统解决方案，发明内容包含： 

(1)交叉口几何形式的设计，包括进口道和出口道设计，掉头车道设置位置以及主路和支路的交通组织方法(如支路禁止左转和直行)。 

交叉口的几何形式如图1所示，其中各编号代表的含义如下： 

①交叉口入口 

②交叉口出口 

③大型车掉头专用车道蓄车段 

④右转车道 

⑤大型车掉头专用车道转弯段 

⑥大型车掉头专用车道信号灯 

⑦主线辅助信号灯 

⑧大型车掉头专用车道导流岛 

(2)本发明采用两相位信号控制，共有两种相位方案：1)第一相位为西进口道、北进口道的直行和左转，第二相位为东进口道和南进口道的直行和左转；2)第一相位为东西直行，第二相位为东西左转且南北直左，右转车流均不受控制。 

(3)本发明确定掉头车道设置位置以及蓄车段长度的步骤包括：1)设一个周期内绿灯期间到达掉头专用车道蓄车段的车辆数为N₁，相反方向进口道停车线前直行排队车辆数为N₂，左转为N₃，三者的最大值为一段时间内该方向上进口/掉头车道最大排队车辆数，则排队长度为L＝d×max(N₁，N₂，N₃)(式中d为平均大车车长)；2)考虑掉头车辆汇入主线直行车道上所需要的最小换道距离Lmin；3)由D＝max(L，Lmin)，可作为设置掉头车道蓄车段长度的依据。 

(4)对支路交通流的组织方式为借用掉头专用车道作为其远引掉头车道，也即支路交通组织采用禁止左转和直行的方式，通过信号控制将主路掉头车流与支路直左车流分开，支路直左车流借助掉头车道通行空间，简化了交叉口相位，增大各流向的绿灯时间，更重要的是分割了多股严重冲突的交通流，或者变交叉冲突为合流/分流冲突，简化了交通组织方式和信号相位。 

本发明中掉头车道的设置关键要素为信号配时和掉头专用车道蓄车段长度两部分，下面结合附图2进一步表述本发明关于大型车掉头专用车道设置方法的工作流程。 

1.信号控制方法 

1.1相位 

本发明设计为两相位信号控制，共有两种相位设置方式： 

(1)第一相位为西进口道、北进口道的直行和左转，第二相位为东进口道和南进口道的直行和左转，右转车流不受控制； 

(2)第一相位为东西直行，第二相位为东西左转且南北直左，右转车流不受控制。 

需要说明的是，在东西方向掉头处设置辅助信号灯用以隔离两股交叉的冲突车流。参阅附图1，LI-L10为信号灯组编号，第一种相位设置方法中，L1、L3、L5为第一相位，L2、L4、L6为第二相位，L7、L8为辅助一相位，L9、L10为辅助二相位；第二种相位设置方法中，L1、L2为第一相位，L3、L4、L5、L6为第二相位，L7、L8为辅助一相位，L9、L10为辅助二相位。各相位结构以及信号配时参见附图3示意。 

1.2配时(以第一种相位设置方式为例)： 

设大型车(拖挂车、集装箱等)的饱和流率为Q_d，并设置进口道各流向流量如下表1所示。 

表1交叉口进口道各流向流量 

	左转	直行	掉头	右转	总计
						东进口	QE-L	QE-TH	QE-TU	QE-R	QE
西进口	QW-L	QW-TH	QW-TU	QW-R	QW
						南进口	QS-L	QS-TH	QS-TU	QS-R	QS
北进口	QN-L	QN-TH	QN-TU	QN-R	QN

信号总周期T的计算根据常用的英国道路交通研究所(TRRL)配时方法得出，式中Y为黄灯 

时长：总绿灯时长：G＝T-2Y                                (1) 

第一相位绿灯时间：G₁＝G*Q₁/(Q₁+Q₂)                       (2) 

第二相位绿灯时间：G₂＝G*Q₂/(Q₁+Q₂)                       (3) 

其中：Q₁＝max{Q_W-TH+Q_W-L，Q_N-TH+Q_N-L}                    (4) 

Q₂＝max{Q_E-TH+Q_E-L，Q_S-TH+Q_S-L}                          (5) 

辅助一相位： 

G₁₁＝(G1-Y)*max{Q_w/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，Q_E/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}  (6) 

G₁₂＝(T-G1-Y)*max{Q_w/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，Q_E/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}(7) 

辅助二相位： 

G₂₁＝(T-G2-Y)*max{(Q_N-TH+Q_N-L)/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，(Q_S-TH+Q_S-L)/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}(8) 

G₂₂＝(G2-Y)*max{(Q_N-TH+Q_N-L)/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，(Q_S-TH+Q_S-L)/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}  (9) 

2.掉头专用车道蓄车段长度D的确定 

设车流到达服从泊松分布，每周期掉头车道排队车辆受该车道上的两次红灯控制，即辅助二相位的两次红灯引起的排队。因此，以东出口掉头车道段为例，N_E1为西进口道掉头排队车辆，等于第一相位绿灯到达的掉头车辆数减去辅助二相位第二次绿灯时间内以饱和车流消去的车辆数，即一周期内： 

N1_E1＝(Q_W-TU*G₁-Q_d*G₂₂)/3600                         (10) 

N_E2为南进口道左转和直行排队车辆，等于第二相位绿灯到达的左/直车辆数减去辅助二相位第一次绿灯时间内以饱和车流消去的车辆数，即一周期内： 

N1_E2＝((Q_S-L+Q_S-TH)*G₂-Q_d*G₂₁)/3600                   (11) 

则：N1＝N1_E1+N1_E2                                     (12) 

由于掉头专用车道转弯段与主路有相交部分(辅助信号灯控制部分)，即有公共的通行空间，为了不至于主路进口道停车线前直行或左转排队车辆超过(占用)该公共通行空间，需要满足掉头专用车道蓄车段长度大于主路进口道车辆排队长度。一周期内东进口左转排队车辆数： 

N2＝(Q_E-L*G₁₂-Q_d*G₂)/3600                             (13) 

直行排队车辆数： 

N3＝(Q_E-TH*(G₁₁+G₁₂)+Q_W-TU*G₂₁-Q_d*G₂)/3600            (14) 

因此，取上述三个流向上停车线前排队车辆数的最大值来界定蓄车段长度D；除此之外，由于掉头车辆汇入主线时位于进口道的外侧右转车道上，需要通过换道完成在直行车道上通 行或者排队等待通行；假设掉头车汇入主线时刚好等到一个可接受间隙h(h大于最小可接受间隙t₀)进行换道，换道一次的最小距离应在临界可接受间隙时间内完成；设直行车道为两条，流量Q，则换道的交织长度的最小值需满足掉头车辆能够从最外侧车道一次性换到内侧第二条直行车道上，也即连续换道两次。根据车头到达间隙服从负指数分布，1小时内出现可接受间隙的概率为： 

P(h＞t₀)＝e-(Qt₀/3600)                                (15) 

等到一个可接受间隙需时： 

T＝3600/(Q*P(h＞t₀))                                  (16) 

换道过程中假设车辆匀速v，故有： 

Lmin＝v*(t₀+T)*2                                      (17) 

综上，东出口道掉头车道蓄车段长度： 

D_E＝max{Lmin，d*max{N1，N2，N3}}                      (18) 

同理，西出口道掉头专用车道蓄车段长度算法类似，只是需要考虑的车流量、流向不同。 

3.效益评价 

对于掉头专用车道设置及其交通组织方式的评价，本发明从安全和效率两方面进行评估，采用冲突和延误双重指标。冲突指标主要采用TTC(Time to conflict)值的大小及对应阈值来界定严重/非严重冲突，并最终都通过加权转化为冲突度值，冲突度对于衡量掉头专用车道的设置效果具有重要影响，这也是体现交通运行安全和树立“安全第一”的原则。延误指标主要检测各个流向车辆总延误，经过加权后得到交叉口总延误值。 

结合安全与效率双重指标，对初次计算得到的掉头专用车道参数(相位时长、车道长度等)进行评估，并与传统掉头方式进行对比，若达到相对较优效果，则初次计算参数可以采用。反之，若效果不理想或者不明显优于传统掉头方式，则返回再调整信号周期及配时等，使得在可调控的小范围内本发明的大型车辆掉头专用车道达到最优。 

4.适用条件分析 

本发明中大型车掉头专用车道的设置在一定条件下优越性才能凸显，这里主要是与传统交叉口内部直接掉头方式进行比较。其适用范围可通过上述几步计算以及仿真建模得到，参阅附图4，图中的横轴表示不同主路流量Q、支路流量q、掉头车比例a％以及大型车比例b％的场景，通过理论计算和仿真模拟获得两种掉头车道设置的延误曲线。交点A为本发明大型车掉头专用车道设置的下界，对应的场景为： 

(Q，q，a％，b％)＝(300veh/h，200veh/h，20％，30％) 

交点B为本发明大型车掉头专用车道设置的上界，对应场景为： 

(Q，q，a％，b％)＝(900veh/h，400veh/h，40％，60％) 

也即在小流量(小于A场景)或较大流量(大于B场景一段内)情况时，本发明设计的掉头专用车道与传统的掉头车道在延误上处于劣势，此时建议具体分析该交叉口交通组织以及交通流特性，重新进行掉头车道设置方式的选择。除此之外，只要不同时等于上界或下界所界定的场景值，则均适用于本发明的设计。从附图4中还可以看出，在大流量(大于交点C对于的流量场景)下传统掉头车道带来的交叉口延误急剧增大，传统掉头方式无法有序有 效运行，这主要是由于重交通流(掉头)方向上大型车辆比例非常大引起的。 

实施例 

本实施例以天津港某交叉口为案例，其现状大型车掉头方式为信号交叉口内部直接掉头，在仿真中建立相似场景，改设为本发明设计中的大型车辆掉头专用车道进行仿真对比分析。需要注意的是，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

参考天津港某交叉口实地调查数据，设置流量场景以及各进口道车流组成由下表2和表3给出： 

表2进口道各流向流量设置 

单位：pcu/h	东进口	西进口	南进口	北进口
					左转	112	98	73	69
直行	134	117	124	116
					掉头	206	164	--	--
右转	79	69	73	68
					总计	528	448	270	253

表3各进口道车流构成 

通过计算，该两相位信号交叉口的信号配时参数：T＝56s，G₁＝23s，G₂＝28s，G₁₁＝13s，G₁₂＝16s，G₂₁＝9s，G₂₂＝10s；掉头车道蓄车段长度D_W＝98m，D_E＝84m(计算所用参数取值：Q_d＝600veh/h，V＝36km/h，Y＝3s，t₀＝9s，d＝15m)。 

根据上述计算建立仿真模型，两种对比方案仿真模型参阅附图5，其中方案一为本发明掉头专用车道，方案二为传统的信号交叉口内部掉头车道，两方案相位绿灯时长设置如表4。 

表4对比方案信号相位设置 

由于大型车掉头需要的空间时间都较多，传统方案(方案二)下大型车在交叉口内部掉头比较困难，且往往需要借道，这对于其他车道车流干扰较大，方案一的设计能够较好解决这一问题。此外，采用冲突数(度)为安全指标，延误为效率指标对两方案进行评估，仿真 运行5小时。 

用冲突数和冲突度(数值越大安全程度越低)来衡量两种方案的安全程度，可见方案一更加体现交叉口安全设计的理念。由于方案一中东西方向上的掉头车辆需要绕到上游一定距离且途中经由两次信号控制，因此这两股车流产生的延误较大，其他流向上方案一明显优于方案二两方案，交叉口总延误指标也表明方案一更适用于本实施例场景。 

由上述结果可见，在大型车掉头比例较高的场景下，本发明(方案一)在效率(延误指标)上总体优势较为明显，并且还对减轻大型车交叉口内部掉头困难有很大帮助，减少了由于大型车掉头带来的交叉口各流向间干扰，更重要的是，在安全方面(冲突指标)，方案一大大减少了冲突点，严重冲突发生的概率降低，这对于保证交叉口安全行车尤其对于保护小型车的安全颇为有益。 

Claims (2)

1.一种考虑大型车掉头需求的交叉口设计与控制方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)设大型车穿过交叉路口沿主线向上游行驶一段距离后左转掉头，向上游行驶一段距离为专用车道蓄车段，大型车掉头专用车道设有信号灯，左转掉头处主线上设置有主线辅助信号灯，左转掉头形成的圆弧包围区域为大型车掉头专用车道导流岛；

(2)本发明采用两相位信号控制，共有两种相位方案：1)第一相位为西进口道、北进口道的直行和左转，第二相位为东进口道和南进口道的直行和左转；2)第一相位为东西直行，第二相位为东西左转且南北直左，右转车流均不受控制；

(3)本发明确定掉头车道设置位置以及蓄车段长度的步骤包括：1)设一个周期内绿灯期间到达掉头专用车道蓄车段的车辆数为N1，相反方向进口道停车线前直行排队车辆数为N2，左转为N3，三者的最大值为一段时间内该方向上进口/掉头车道最大排队车辆数，则排队长度为L＝d×max(N1，N2，N3)，式中d为平均大车车长；2)考虑掉头车辆汇入主线直行车道上所需要的最小换道距离Lmin；3)由D＝max(L，Lmin)，作为设置掉头车道蓄车段长度的依据；

(4)对支路交通流的组织方式为借用掉头专用车道作为其远引掉头车道，也即支路交通组织采用禁止左转和直行的方式，通过信号控制将主路掉头车流与支路直左车流分开，支路直左车流借助掉头车道通行空间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述方法进一步细化为：本发明设计为两相位信号控制，共有两种相位设置方式：

(1)第一相位为西进口道、北进口道的直行和左转，第二相位为东进口道和南进口道的直行和左转，右转车流不受控制；

(2)第一相位为东西直行，第二相位为东西左转且南北直左，右转车流不受控制；

L1-L10为信号灯组编号，第一种相位设置方法中，西向东直行L1、西向北左拐L3、北向南直行L5为第一相位，东向西直行L2、东向北左拐L4、南向北直行L6为第二相位，东向西至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L7、西向东至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L8为辅助一相位，大型车西向东左拐掉头处L9、大型车东向西左拐掉头处L10为辅助二相位；第二种相位设置方法中，西向东直行L1、东向西直行L2为第一相位，西向北左拐L3、东向北左拐L4、北向南直行L5、南向北直行L6为第二相位，东向西至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L7、西向东至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L8为辅助一相位，大型车西向东左拐掉头处L9、大型车东向西左拐掉头处L10为辅助二相位；

按第一种相位设置配时：设包括拖挂车、集装箱在内的大型车饱和流率为Q_d，并设置进口道各流向流量如下表1所示：

表1交叉口进口道各流向流量

  左转   直行   掉头   右转   总计   东进口   Q_E-L   Q_E-TH   Q_E-TU   Q_E-R   Q_E   西进口   Q_W-L   Q_W-TH   Q_W-TU   Q_W-R   Q_W   南进口   Q_S-L   Q_S-TH   Q_S-TU   Q_S-R   Q_S

  北进口   Q_N-L   Q_N-TH   Q_N-TU   Q_N-R   Q_N

信号总周期T的计算根据常用的英国道路交通研究所TRRL配时方法得出，式中Y为黄灯时长：

总绿灯时长：G＝T-2Y                                (1)

第一相位绿灯时间：G₁＝G×Q₁/(Q₁+Q₂)                (2)

第二相位绿灯时间：G₂＝G×Q₂/(Q₁+Q₂)                (3)

其中：Q₁＝max{Q_W-TH+Q_W-L，Q_N-TH+Q_N-L}              (4)

Q₂＝max{Q_E-TH+Q_E-L，Q_S-TH+Q_S-L}                    (5)

辅助一相位：

G₁₁＝(G1-Y)×max{Q_w/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，Q_E/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}        (6)

G₁₂＝(T-G1-Y)×max{Q_w/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，Q_E/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}      (7)

辅助二相位：

G₂₁＝(T-G2-Y)×max{(Q_N-TH+Q_N-L)/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，(Q_S-TH+Q_S-L)/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}(8)

G₂₂＝(G2Y)×max{(Q_N-TH+Q_N-L)/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，(Q_S-TH+Q_S-L)/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}   (9)

掉头专用车道蓄车段长度D的确定：

设车流到达服从泊松分布，每周期掉头车道排队车辆受该车道上的两次红灯控制，即辅助二相位的两次红灯引起的排队，以东出口掉头车道段为例，N_E1为西进口道掉头排队车辆，等于第一相位绿灯到达的掉头车辆数减去辅助二相位第二次绿灯时间内以饱和车流消去的车辆数，即一周期内：

N1_E1＝(Q_W-TU×G₁-Q_d×G₂₂)/3600                   (10)

N_E2为南进口道左转和直行排队车辆，等于第二相位绿灯到达的左/直车辆数减去辅助二相位第一次绿灯时间内以饱和车流消去的车辆数，即一周期内：

N1_E2＝((Q_S-L+Q_S-TH)×G₂-Q_d×G₂₁)/3600            (11)

则：N1＝N1_E1+N1_E2                                (12)

由于掉头专用车道转弯段与主路有相交部分即辅助信号灯控制部分，即有公共的通行空间，为了不至于主路进口道停车线前直行或左转排队车辆超过即占用该公共通行空间，需要满足掉头专用车道蓄车段长度大于主路进口道车辆排队长度，一周期内东进口左转排队车辆数：

N2＝(Q_E-L×G₁₂-Q_d×G₂)/3600                      (13)

直行排队车辆数：

N3＝(Q_E-TH×(G₁₁+G₁₂)+Q_W-TU×G₂₁-Q_d×G₂)/3600    (14)

因此，取上述三个流向上停车线前排队车辆数的最大值来界定蓄车段长度D；除此之外，由于掉头车辆汇入主线时位于进口道的外侧右转车道上，需要通过换道完成在直行车道上通行或者排队等待通行；假设掉头车汇入主线时刚好等到一个可接受间隙h，h大于最小可接受间隙t₀，进行换道，换道一次的最小距离应在临界可接受间隙时间内完成；设直行车道为两条，流量Q，则换道的交织长度的最小值需满足掉头车辆能够从最外侧车道一次性换到内侧第二条直行车道上，也即连续换道两次。根据车头到达间隙服从负指数分布，1小时内出现可接受间隙的概率为：

P(h＞t₀)＝e-(Qt₀/3600)                          (15)

等到一个可接受间隙需时：

T＝3600/(Q×P(h＞t₀))                           (16)

换道过程中假设车辆匀速v，故有：

Lmin＝v×(t₀+T)×2                              (17)

综上，东出口道掉头车道蓄车段长度：

D_E＝max{Lmin，d×max{N1，N2，N3}}                (18)

同理，西出口道掉头专用车道蓄车段长度算法类似，只是需要考虑的车流量、流向不同。

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