CN103116992B - 基于单口放行的四路环交设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于单口放行的四路环交设计方法。该方法从相邻进口和环道梯形存车区域两方面，对原有单口放行信号周期模型进行了改进，提出了改进的四路环形交叉口单口放行信号控制模式；并对其信号相位进行了协调设计，详细说明了相位协调时差计算的步骤；在交叉口通行能力和延误分析的基础上，对本信号控制模式的适用条件作了初步探讨。通行能力和延误分析结果表明，本信号控制模式提高交叉口通行能力达20%以上，减少延误达到30%以上。

Description

基于单口放行的四路环交设计方法

技术领域

本发明涉及一种提高环形交叉口通行能力的交通设计方法，特别涉及基于单口放行的四路环交设计方法。属于交通设计与信号控制领域。

背景技术

城市道路交通的瓶颈主要集中在交叉口，交叉口是城市道路交通的咽喉，是造成行车延误的主要因素。上世纪70~80年代，我国很多城市兴建了许多环形交叉口（简称环交），但环交的原有设计通行能力无法满足持续增长的需求，出现了日益严重的拥挤和堵塞等问题。对于环交设计通行能力不足这一问题，过去通常采取拆除环岛，改建成一般平交加信号控制的办法。但这一办法由于工程量和资金投入都较大，同时有损城市绿化和景观，所以并不完全可行。此外，还有保留环岛，只对车流“入环”采取一般信号控制的方法。由于交叉口内部的冲突点与交织段依然存在，并且由信号控制造成的延误较大，这样做虽然可以使交叉口通行能力得到提高，但提高的程度非常有限。所以，正确的设计交叉口，并合理的组织交通，是保障城市道路交通安全与畅通的关键。

国内外专家学者针对不同交通条件和几何条件的环形交叉口提出了多种信号控制方法，单口放行方法作为环形交叉口信号控制的一种基本方法，在我国各城市应用较广泛，传统的无信号控制环形交叉口相位设计图如图1所示。对“多进口道放行协同环道控制”和“单口放行控制”两种常用环形交叉口信号控制设计方法进行比较分析，由于常规单口放行方法中相邻进口相位间以及进口相位与环道相位间均未进行协调，导致得出的车均延误较大。本发明在充分利用环形交叉口时空资源的前提下，考虑交叉口通行能力最大化，对四路环形交叉口单口放行方法进行改进。

发明内容

本发明旨在提供一种基于单口放行的四路环交设计方法，是一种信号控制环形交叉口交通设计与信号控制方案。充分利用环形交叉口时空资源的前提下，使交叉口通行能力最大化。。

本发明采用的技术方案如下：

一种提高环形交叉口通行能力的交通设计方法，其特征是在某相位结束前提前启动另一个相位的一股或多股车流，并利用每条道路的进口与出口之间组成的梯形区域作为其下一进口车辆的存车区域（如图3）；在环道上增设信号灯，控制进口的部分左转和直行车辆提前进入环道梯形存车区域停车待行；各进口对应的两环道信号灯进行信号联动控制，减少各进口机动车等待时间，在某进口失去通行权之前，按顺时针将相邻进口车辆提前放行，使各进口的有效绿灯时间由各进口单独通行时间和两相邻进口共同的通行时间组成，并且使各进口放行获得的这两部分通行时间为连续的；两相邻进口相位切换时避免相位叠加时两放行进口的首车与尾车发生冲突（其冲突点为A，如图3所示），确保两相邻进口首尾车的良好衔接，使得环岛内的车流不间断，其信号控制相位按顺时针顺序依次进行，相位叠加通行时间按公式（1）计算，

$t_{\mathrm{jh},i}=t_{\mathrm{jh}}+t_r-t_i=\frac{d_2}{v_s}+t_r-\frac{d_1+l_0}{v_m}---\left(1\right)$

式中：t_jh、t_i分别为相位叠加时两放行进口的首车与尾车从停车线到冲突点的行驶时间，秒（s）；

d₁、d₂分别为某进口和其相邻进口到冲突点的弧长，米（m）；

v_s、v_w分别为相位叠加时两放行进口的首车与尾车在环道的行驶速度，米/秒（m/s）；

t_r为驾驶员启动反应时间；

l₀为车辆长度和车辆安全距离之和。

信号控制模型相位设计如图2所示，在某进口失去通行权之前，其相邻进口（按顺时针）车辆提前放行，因此各进口的有效绿灯时间由各进口单独通行时间（如Ⅰ相位、Ⅱ相位、Ⅲ相位、Ⅳ相位）和两相邻进口共同的通行时间（如Ⅰ’相位、Ⅱ’相位、Ⅲ’相位、Ⅳ’相位）组成，即两相邻进口相位叠加，并且各进口放行获得的这两部分通行时间为连续的，共同的通行时间则为相位叠加通行时间。通过上述分析，该信号控制模型相位顺序依次为Ⅰ-Ⅰ’--Ⅱ-Ⅱ’--Ⅲ-Ⅲ’--Ⅳ-Ⅳ’，如此循环。

本发明的技术方案中，通过两相邻进口相位协调分析，令Webster最佳周期为C₀，环形交叉口周期模型C₁按公式（2）计算，

$C_1=C_0-\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{jh},i}---\left(2\right)$

式中：t_jh为相位叠加通行时间。

我国存在大量大型环形交叉口，环岛直径大于25m，环道空间资源丰富，以半径为30m、环道车道数3条的环形交叉口为例，其梯形区域大约可容纳20辆标准小汽车，每小时可通行600辆左右机动车。因此，本发明的技术方案中，在环形交叉口单口放行方法中应充分利用环道空间资源。在环形交叉口单口放行方法中梯形存车区域存放机动车容量按公式（3）计算，

$Q_r=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\π}\∂}_i}{180}(r_o+0.5w_i)/\mathrm{Lz}---\left(3\right)$

式中：Q_r为梯形存车区域存放机动车总容量；

r_o为环岛半径；

w_i为第i条环道车道宽度；

为第i条环道停车线中点和环岛中心三点连成的三角形之圆心角；

Lz为每辆车占环道梯形存车区平均实测长度；

n为环道车道数量。

本发明利用环道梯形存车区域，对协调信号控制模型做进一步优化。在环道上增设信号灯，用于控制进口的部分左转和直行车辆提前进入环道梯形存车区域停车待行。当某一进口放行时，其左转车要两次绕过环道梯形存车区域驶出交叉口，直行车一次绕行便可顺利通过，因此与该放行进口相关的环道信号灯有两个，分别为左转车第一次通过的梯形存车区域令为环道第一信号灯，左转车第二次通过的梯形存车区域令为环道第二信号灯，各进口对应的两环道信号灯进行信号联动控制，使环形交叉口保持良好的运行状况。以南进口为例，在南进口放行初期其对应环道信号灯放行，同时西进口车流可获得一小段绿灯时间驶入环道梯形存车区域，在南进口放行末期西进口及其相应环道信号灯放行，在南进口放行中期为该进口单独放行时间，相位设计如图4所示，其余进口放行规则与该进口相同。

在为该控制模型进行信号配时时，协调好两相邻进口与对应的环道梯形存车区域之间的关系，保证所有驶入环岛车辆能安全有效地驶出交叉口。

本发明的技术方案中，提前放行到环道内的车辆数量应小于或等于环道梯形存车容量，放行时间应合理，放行时间使用定时信号控制，记这段绿灯时间为g_(h，i)，g_(h，i)按公式（4）计算，

$g_{(h,i)}=\frac{Q_{(r,i)}}{S_{(r,i)}}---\left(4\right)$

式中：Q_(r，i)为进口i环道梯形存车区域容量；

S_(r，i)为进口i环道饱和流率。

本发明的技术方案中，环道梯形存车区域待行首车与放行进口的尾车协调，使环道相位滞后，令该相位滞后时间为t_(i，1)，其计算公式与上述公式（1）相同。

本发明的技术方案中，为使下一相位进口首车与梯形存车区待行尾车衔接（梯形存车区实际到达车量数达到饱和时），顺畅通过合流点C（如图3），记下一进口道处绿灯启亮与环道进口处车辆通行的时间差为t_(i，2)，下一进口部分车辆在环道内待行，当环道信号灯启亮后车辆由静止启动，此时在环道内形成一个启动波向后传播，在计算t_(i，2)时应考虑启动波传播所需时间，t_(i，2)按公式（5）计算，

$t_{(i,2)}=\frac{d_3-l_0}{V_0}+t_r-\frac{l_h}{w_b}---\left(5\right)$

式中：l_h为环道梯形区域内侧车道长度；

w_b为环道排队车辆启动波传播速度；

d₃为环道尾车到合流点的距离；

V₀V是车辆在环道的行驶速度；

t_r、l₀意义同前。

本发明的技术方案中，在下一进口相位结束后，需确保该进口左转尾车能顺利通过其对应的环道第二信号灯，环道第二信号灯设置一个滞后时间，该时间为该进口的尾车与其相邻环道的首车合流点到其环道第二信号灯停车线的距离与车流在环道的行驶速度之比，据此，周期模型C₂按公式（6）计算，

$C_2=C_0-\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}[g_{(h,i)}+(t_{(i,2)}-t_{(i,1)})]---\left(6\right)$

式中：C₂为周期；

C₀为最佳周期；

g_(h，i)为提前放行绿灯时长；

t_(i，1)为相位滞后时间；

t_(i，2)为启动波传播时间。

本技术方案的设计遵循如下的原则：

1）左转流量最好不要超过存车区域的存车能力，提前放行到环道内的车辆数量应小于或等于环道梯形区域存车容量；

2）两相邻进口相位切换时必须避免相位叠加时两放行进口的首车与尾车发生冲突，确保两相邻进口首尾车的良好衔接，使得环岛内的车流不间断；

3）保证主干路的通畅，主干路在城市道路网有着特别重要的地位，承担着大部分的长途出行，改善主干路运营情况是提高城市路网交通容量的关键，所以要尽可能多的为主干路分配绿灯时间，减少主干路的停车次数与延误，提高整体效益。

本技术方案的适用范围：

本技术方案适用于车流量比较大，尤其是左转车辆比例较高的情况；交叉口环岛半径至少20m，交叉口每一方向进口道至少3条的十字型环形交叉口。

本方法从相邻进口和环道梯形存车区域两方面，对原有单口放行信号周期模型进行了改进，提出了改进的四路环形交叉口单口放行信号控制模式；并对其信号相位进行了协调设计，详细说明了相位协调时差计算的步骤；在交叉口通行能力和延误分析的基础上，对本信号控制模式的适用条件作了初步探讨。通行能力和延误分析结果表明，本信号控制模式提高交叉口通行能力达20%以上，减少延误达到30%以上，具有经济适用性。

附图说明

图1是常规无信号控制环形交叉口单口放行方法相位相序示意图；

图2是本发明的信号控制环形交叉口单口放行方法相位设计示意图；

图3是环形交叉口冲突点分析图；

图4是南进口及相应环道相位设计图。

具体实施方式

在具体实施时，首先需要对车道、停车线和信号灯进行布置。相交道路必须为双向4车道及以上，在实施本方案时将交叉口附近50~100米范围内拓宽成双向6车道，右转车辆设置右转专用匝道。交叉口上的直行车道和左转车道进口车道在人行横道后设置停车线，并在前方可视位置设立信号灯，右转匝道上人行横道线后设置停车线，并在前方可视位置设置信号灯。在环岛可视位置上设置控制存车区的信号灯。

接着，确定信号相位方案。信号相位方案要根据交叉口不同的车流流量构成以及行人与非机动车过街流量的大小来确定。当行人过街流量以及相交路的车流量都很多时，可以考虑修建行人过街地道，是地面道路都用于机动车通行，信号控制变成4相位控制，更大的提高交叉口的通行能力。

注意事项：

要进行广泛的宣传与教育，让公众接受这种新型设计方案。

要有完善的指示指标提前给驾驶员前方交叉口控制信息，要有完善的地面标线对驾驶员的行驶轨迹进行渠化，在环岛内道路分隔线最好有突起，以提示驾驶员合理变道。

Claims (3)

1.一种提高环形交叉口通行能力的交通设计方法，其特征在于：在某相位结束前提前启动另一个相位的一股或多股车流，利用每条道路的进口与出口之间组成的梯形区域作为其下一进口车辆的存车区域；在环道上增设信号灯，控制进口的部分左转和直行车辆提前进入其梯形存车区域停车待行；各进口对应的两环道信号灯进行信号联动控制，减少各进口机动车等待时间，在某进口失去通行权之前，按顺时针将相邻进口车辆提前放行，使各进口的有效绿灯时间由各进口单独通行时间和两相邻进口共同的通行时间组成，并且使各进口放行获得的这两部分通行时间为连续的；两相邻进口相位切换时避免相位叠加时两放行进口的首车与尾车发生冲突，确保两相邻进口首尾车的良好衔接，使得环岛内的车流不间断，其信号控制相位按顺时针顺序依次进行，相位叠加通行时间按公式(1)计算，

$t_{\mathrm{jh},i}=t_{\mathrm{jh}}+t_r-t_i=\frac{d_2}{v_s}+t_r-\frac{d_1+l_0}{v_m}---\left(1\right)$

式中：t_jh、t_i分别为相位叠加时两放行进口的首车与尾车从停车线到冲突点的行驶时间，

秒(s)；

d₁、d₂分别为某进口和其相邻进口到冲突点的弧长，米(m)；

v_s、v_w分别为相位叠加时两放行进口的首车与尾车在环道的行驶速度，米/秒(m/s)；

t_r为驾驶员启动反应时间；

l₀为车辆长度和车辆安全距离之和；

环形交叉口周期模型C₁按公式(2)计算，

$C_1=C_0-\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{jh},i}---\left(2\right)$

式中：C₀为Webster最佳周期；t_jh为相位叠加通行时间；

在环形交叉口单口放行方法中梯形存车区域存放机动车容量按公式(3)计算，

$Q_r=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\π}{\∂}_i}{180}(r_o+0.5w_i)/\mathrm{Lz}---\left(3\right)$

式中：Q_r为梯形存车区域存放机动车总容量；

r_o为环岛半径；

w_i为第i条环道车道宽度；

为第i条环道停车线中点和环岛中心三点连成的三角形之圆心角；

Lz为每辆车占环道梯形存车区域平均实测长度；

n为环道车道数量；

提前放行到环道内的车辆数量应小于或等于环道梯形存车区域存车容量，放行时间使用定时信号控制，记这段提前放行绿灯时长为g_(h,i)，其计算公式为(4)式：

$g_{(h,i)}=\frac{Q_{(r,i)}}{S_{(r,i)}}---\left(4\right)$

式中：Q_(r,i)为进口i环道梯形存车区域容量；

S_(r,i)为进口i环道饱和流率；

环道梯形存车区域待行首车与放行进口的尾车协调使环道相位滞后，令该相位滞后时间为t_(i,1)，该相位滞后时间为放行进口i的尾车到达冲突点的时间与放行进口i+1进入环道待行的首车到达冲突点的时间差，如果该差值为负值，则延滞时间取0，具体计算公式如下：

$t(i,1)=\left\{\begin{array}{cc}{t}_i-t_{i+1},& t_i\&GreaterEqual;t_{i+1}\\ 0,& t_i<t_{i+1}\end{array}\right..$

2.如权利要求1所述的一种提高环形交叉口通行能力的交通设计方法，其特征在于：使下一相位进口首车与梯形存车区域待行尾车衔接，顺畅通过合流点，记下一进口道处绿灯启亮与环道进口处车辆通行的时间差为t_(i,2)，t_(i,2)计算公式为：

$t_{(i,2)}=\frac{d_3-l_0}{V_0}+t_r-\frac{l_h}{w_b}---\left(5\right)$

式中：l_h为环道梯形区域内侧车道长度；

w_b为环道排队车辆启动波传播速度；

d₃为环道尾车到合流点的距离；

V₀是车辆在环道的行驶速度；

t_r、l₀意义同前。

3.如权利要求1所述的一种提高环形交叉口通行能力的交通设计方法，其特征在于：在下一进口相位结束后，需确保该进口左转尾车能顺利通过其对应的环道第二信号灯，环道第二信号灯设置一个滞后时间，该时间为该进口的尾车与其相邻环道的首车合流点到其环道第二信号灯停车线的距离与车流在环道的行驶速度之比，据此，周期模型C₂按公式(6)计算，

$C_2=C_0-\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}[g_{(h,i)}+(t_{(i,2)}-t_{(i,1)})]---\left(6\right)$

式中：C₂为周期；

C₀为最佳周期；

g_(h,i)为提前放行绿灯时长；

t_(i,1)为相位滞后时间；

t_(i,2)为启动波传播时间。