CN103500510A - 一种道路系统中的菱形立交控制方法 - Google Patents

Abstract

一种道路系统中的菱形立交控制方法，针对采用信号控制菱形立交地面部分，将其内部路段的部分车道设置为可逆车道，在一个信号周期的不同时段，分别供两个方向的左转交通使用。该控制方法具体包括空间设置、信号控制和车道控制三部分：对于空间设置，包括可逆车道设置和车道功能划分；对于信号控制，包括交叉口相位相序设置和信号配时；对于车道控制，包括可逆车道在信号周期各时段中的通行方向。该方法能更为高效地利用菱形立交内部路段的时空资源，从而提高交叉口的通行能力，解决或缓解交通拥堵。

Description

一种道路系统中的菱形立交控制方法

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、信号控制技术领域，更具体地说，涉及一种菱形立交控制方法。

背景技术

菱形立交是城市道路系统中常用的一种立交形式，其地面部分由两条引道和一条相交道路构成，形成了两个平面交叉口，分别处理主线两个方向的转向交通。菱形立交地面部分的主要特征为两个平面交叉口间距较短，因此需要特殊的信号控制方案对其联动控制。如何高效利用菱形立交两个平面交叉口间的内部路段，是提高菱形立交运行效率的关键。然而，目前的控制方法都是在确定菱形立交各车道方向和功能的基础上进行的，虽然可逆车道已在处理城市干道潮汐交通中得到了应用，但也是对车道进行分时段控制，未见有关于可逆车道动态控制及其在菱形立交优化控制的研究，并且也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，有关信号控制平面交叉口的优化设置方法，主要有以下几种：

1、三相位信号控制方法。该方法为地面道路的直行交通、所有内部路段上的交通以及匝道交通分别设置了一个相位。该方法在《Highway Capacity Manual 2000》有详细介绍。

2、四相位信号控制方法。该方法为菱形立交四个入口（两个相交地面道路入口和两个快速路辅路入口）分别设置了一个专用相位，该相位期间，车辆可同时通过菱形立交地面的两个交叉口。该方法在《Highway Capacity Manual 2000》有详细介绍。

3、美国德克萨斯州交通运输研究所（TTI）方法。该方法见于Venglar,S.等的“PasserIII-98Application and User’s Guide”和Nelson,E.J.等的“Implementing Actuated Control ofDiamond Interchanges.Journal of Transportation Engineering”。在四相位信号控制方法的基础上，引入了重叠相位，在匝道交通通行相位期间，允许对向地面交通驶入内部路段，但不能驶入该内部路段。这样可以提高内部路段的利用率，从而提高菱形立交地面部分的总体运行效率。

4、分岔菱形立交设置方法（Diverging Diamond Interchange，DDI）。该方法见于Chlewicki,G.等的“New Interchange and Intersection Designs:The Synchronized Split-PhasingIntersection and the Diverging Diamond Interchange”一文，将地面相交道路在立交范围内部路段的来往交通流向互换，即对于采用右行规则的地区，立交内部路段的某流向交通将在对向交通的左侧通行。如此，虽然对于地面来往两个直行交通需要互相穿越两次，但可使左转交通不受对向交通的影响，从而通过减少交叉口相位数，提高其通行能力。

方法1是传统的控制方法，通行规则简单，但随着交通需求的不断增加，由于内部路段的长度限制，可能造成车辆排队溢出，使交叉口无法正常运行。

方法2也是传统的控制方法，针对方法1中内部路段排队溢出的问题，采用了四相位的相位相序方案，可以使排队长度最小化。该方法虽然减小了排队的负面影响，但由于降低内部路段的利用效率，造成主要流向的有效绿信比减少，导致通行能力降低。

方法3在方法2的基础上，通过设置重叠相位，提高了内部路段的利用效率，其通行效率一般均优于方法1和方法2。但由于在一个方向设置了相位差后，另一个方向必须采用相反的相位差，因此，通常无法同时满足两个方向同时达到最理想的相位差设置要求。

方法4是一种新型的处理菱形立交地面部分交通的方法，通过对各流向交通的重新组织，减少了交叉口相位数，提高了通行能力。但该方法需要改变常规的通行规则，将靠右行规则改为靠左侧通行，不符合驾驶员的驾驶习惯，可能存在安全隐患。同时，需禁止快速路辅路的直行流向，对于城市道路，这一流向不能忽略，它需要通过路网绕行才能到达目的地，不仅增加了这部分车流的行程时间，同时也增加了相邻路段和交叉口的交通量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于动态可逆车道的菱形立交控制方法，该方法针对采用信号控制菱形立交地面部分，将其内部路段的部分车道设置为可逆车道，通过合理的交叉口空间设置、信号控制和车道控制设置，提高交叉口的通行能力。其核心思想是利用可逆车道，在一个信号周期的不同时段，分别供两个方向的左转交通使用，提高内部路段的使用效率。

本发明的技术方案如下：

一种道路系统中的菱形立交控制方法，将菱形立交内部路段的部分车道设置为可逆车道，通过对其动态控制，在信号周期的不同时段分别供两个方向的左转交通使用，更为高效地利用菱形立交内部路段的时空资源，从而提高交叉口的通行能力。

该控制方法具体包括空间设置、信号控制和车道控制三部分；所述空间设置，包括可逆车道设置和车道功能划分；所述信号控制，包括交叉口相位相序设置和信号配时；所述车道控制，包括可逆车道在信号周期各时段中的通行方向。

该方法包括交叉口空间设置、信号控制和车道控制三部分：

对于空间设置，如图1所示，在菱形立交内部路段的中间两条车道设置为可变车道，在信号周期的不同时间段内，可分别作为两个方向的左转车道使用。内部道路的其余车道作为直行车道使用。

对于信号控制，包括相位相序设置和信号配时设置。其中，为便于内部路段左转车辆的及时清空，信号相位相序应按图2进行设置，即各进口绿灯开始时刻及绿灯时长应满足式(1)-(14)的要求。信号配时参数设置以往的设置方法均适用。需要注意的是，菱形立交的两个地面交叉口周期时长应一致，以保证良好的协调控制效果，如式(15)所示。并且，为了保证通行安全，两个方向利用可逆车道左转的车流禁止同时存在于内部路段中，因此，两个地面交叉口的相位差应满足式(16)和式(17)的要求。

θ_2j=0, $\∀j=\mathrm{2,3}---\left(1\right)$

θ_3j=φ₂₂+ω_22,32, $\∀j=\mathrm{1,2,3}---\left(2\right)$

θ_1j=θ₃₂+φ₃₂+ω_32,11, $\∀j=\mathrm{1,2}---\left(3\right)$

θ₁₁+φ₁₁+ω_11,22=C₁                                       (4)

φ₁₂=φ₁₁+φ₂₂+ω_11,22                                     (5)

φ₂₂=φ₂₃                                                  (6)

φ₃₁=φ₃₂=φ₃₃                                              (7)

θ_5j=φ, $\∀j=\mathrm{1,2}---\left(8\right)$

θ_6j=φ+φ₅₁+ω_51,62, $\∀j=\mathrm{2,3}---\left(9\right)$

θ_8j=θ₆₂+φ₆₂+ω_62,82, $\∀j=\mathrm{1,2,3}---\left(10\right)$

θ₈₂+φ₈₂+ω_82,51-φ=C₂                                     (11)

φ₅₂=φ₅₁+φ₆₂+ω_51,62                                      (12)

φ₆₂=φ₆₃                                                  (13)

φ₈₁=φ₈₂=φ₈₃                                             (14)

C₁=C₂                                                     (15)

${\mathrm{\θ}}_{11}+{\mathrm{\φ}}_{11}\≥{\mathrm{\θ}}_{62}+{\mathrm{\φ}}_{62}+\frac{L}{v_{\min }}---\left(16\right)$

${\mathrm{\θ}}_{51}+{\mathrm{\φ}}_{51}\≥{\mathrm{\θ}}_{22}+{\mathrm{\φ}}_{22}+\frac{L}{v_{\min }}---\left(17\right)$

式中：θ_ij为i进口j流向的绿灯开始时刻，s；φ_ij为i进口j流向的绿灯时长，s；ω_ij,lm为两股相冲突车流的清空时长，s；φ为相位差，s；C₁为左侧交叉口的周期时长，s；C₂为左侧交叉口的周期时长，s；L为内部路段长度，m；v_min为车辆的最小通行速度，m/s。

对车道控制，如图2所示，必须与信号相位相序设置对应，可逆车道上允许车流由左侧交叉口向右侧交叉口通行的开始时刻和持续时长可分别由式(18)、(19)确定；可逆车道上允许车流由右侧交叉口向左侧交叉口通行的开始时刻和持续时长可分别由式(20)、(21)。

ε₁=θ_2j                                       (18)

γ₁=φ+φ₅₁                                       (19)

ε₂=θ_6j                                          (20)

γ₂=C₂-θ_6j                                       (21)

式中：ε₁、γ₁分别为可逆车道上允许车流由左侧交叉口向右侧交叉口通行的开始时刻和持续时长，ε₂、γ₂分别为可逆车道上允许车流由右侧交叉口向左侧交叉口通行的开始时刻和持续时长；其余参数含义同前。

由于是为左转交通提供额外的路权，本发明的方法不会对左转交通本身和其它交通流产生不利影响，因此，对于过饱和交叉口和未饱和交叉口均可适用。

本发明的方法的应用灵活，可在实际运行中根据交通需求的变化，选择方案的启用与关闭。

应用本发明的方法不需要对交叉口进行大的改建，只需通过交通标志标线的改造，对路权和信号的优化控制，即可提高交叉口的通行能力。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、较以往的方法，本控制方法能更高效地利用内部路段的空间资源，提高菱形立交的通行能力，以达到解决或缓解交通拥堵的目的。

2、较分岔菱形立交设置方法，本控制方法无需改变常规的通行规则，符合一般驾驶员的驾驶习惯。

3、较分岔菱形立交设置方法，本控制方法无需禁止快速路辅路的直行流向，不会增加路网中其它路段和交叉口的交通量。

4、较分岔菱形立交设置方法，本控制方法应用灵活，可在实际运行中根据交通需求的变化，选择方案的启用与关闭。当本控制方法关闭后，可立即改为常规的三相位、四相位或TTI信号控制方法。

5、较以往的方法，本控制方法由于对可逆车道采用动态控制，能更好地适应内部路段车道数为奇数的情况，有利于在用地受限情况下进行菱形立交改造。

附图说明

图1为本发明的交通几何设置示意图。

图2为本发明的交通相位相序及车道控制示意图。

图3为本发明实施例1中交叉口几何条件示意图。

图4为本发明实施例1中采用本发明方法后的交叉口几何设置结果。

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3和表1所示，图3为本发明实施例中菱形立交地面部分几何条件示意图，每个岔口的进口道和出口道分别均为3车道；表1为本发明实施例中的交通需求。饱和流率取1800(pcu/h/ln)，信号周期取值范围为[60,120](s)，各相位间的绿灯间隔时间取4(s)，对于各交叉口信号总损失时间为12(s)，车辆的最小通行速度取10(m/s)。现对该菱形立交地面部分采用本发明中的方法，按交叉口储备通行能力最大为目标，进行交叉口几何设置和信号配时，并与TTI信号控制方案进行对比。

表1

流向(进口i-进口l)	(2,4)	(2,6)	(2,7)	(3,2)	(3,4)	(3,6)	(6,2)	(6,4)	(6,7)	(8,2)	(8,6)	(8,7)
													流量(pcu/h)	450	720	630	630	540	630	720	630	450	630	630	540

具体过程简述如下：

步骤1：交叉口车道功能布置。

采用本发明方法后，交叉口车道功能在原设置方案的基础上，将内部路段中间两条车道（原先为1、5两个进口的左转车道）设置为可变车道，其余几何条件不变，如图4所示。

步骤2：信号配时。

1）信号周期：由于按交叉口储备通行能力最大为目标进行设置，信号周期取允许范围内的最大值，即120(s)。

2）各流向绿灯时长：按经典的等饱和度原则进行绿灯时长的分配，可按式(22)计算。计算结果如表2所示。

$g=\frac{y(C-I)}{Y}---\left(22\right)$

$y=\frac{q}{\mathrm{sn}}---\left(23\right)$

式中：y为某流向的流量比；C为信号周期时长，s；I为信号总损失时间，s；Y为交叉口关键流量比之和；q为该流向流量，pcu/h；s为单车道饱和流率，pcu/h/ln；n为该流向的车道数。

表2

3）信号配时：根据信号相位相序、信号周期、各流向绿灯时长以及绿灯间隔时间，可得到主信号各流向的绿灯开始、结束时刻，以及持续时长，如表3所示。

表3

步骤3：车道控制。

根据式(18)-(21)对可逆车道的允许通行方向进行控制，结果如表4所示。

表4

步骤4：设置方案评价。

将饱和度作为评价指标，对本专利改进方案与TTI信号控制方案进行对比。各流向的饱和度计算公式如式(23)所示，交叉口整体饱和度按式(24)计算。如表5所示，按本发明设置方法，在内部路段设置可逆车道，对其进行动态控制，并与信号灯控制相协调，可以使本实施例交叉口饱和度降低16.7%，从过饱和状态转为不饱和状态，显著缓解了交叉口的拥挤状况。

$X=\frac{\mathrm{qC}}{\mathrm{sng}}---\left(23\right)$

式中：X为某流向的饱和度；其余参数同前。

X_I=max(X_ij), $\∀i,j---\left(24\right)$

式中：X_I为交叉口饱和度；X_ij表示任意流向(i,j)的饱和度。

表5

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提示，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。

Claims (8)

1.一种道路系统中的菱形立交控制方法，其特征在于：将菱形立交内部路段的部分车道设置为可逆车道，通过对其动态控制，在信号周期的不同时段分别供两个方向的左转交通使用以提高菱形立交内部路段的时空资源的利用率从而提高交叉口的通行能力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该控制方法具体包括空间设置、信号控制和车道控制三部分；所述空间设置，包括可逆车道设置和车道功能划分；所述信号控制，包括交叉口相位相序设置和信号配时；所述车道控制，包括可逆车道在信号周期各时段中的通行方向。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述空间设置是指将菱形立交内部路段的中间两条车道设置为可变车道，在信号周期的不同时间段内可分别作为两个方向的左转车道使用，内部道路的其余车道作为直行车道使用。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述信号控制，包括相位相序设置：各进口绿灯开始时刻及绿灯时长满足以下式(1)-(14)的要求：

θ_2j=0, $\∀j=\mathrm{2,3}---\left(1\right)$

θ_3j=φ₂₂+ω_22,32, $\∀j=\mathrm{1,2,3}---\left(2\right)$

θ_1j=θ₃₂+φ₃₂+ω_32,11, $\∀j=\mathrm{1,2}---\left(3\right)$

θ₁₁+φ₁₁+ω_11,22=C₁                             (4)

φ₁₂=φ₁₁+φ₂₂+ω_11,22                           (5)

φ₂₂=φ₂₃                                       (6)

φ₃₁=φ₃₂=φ₃₃                                  (7)

θ_5j=φ, $\∀j=\mathrm{1,2}---\left(8\right)$

θ_6j=φ+φ₅₁+ω_51,62, $\∀j=\mathrm{2,3}---\left(9\right)$

θ_8j=θ₆₂+φ₆₂+ω_62,82, $\∀j=\mathrm{1,2,3}---\left(10\right)$

θ₈₂+φ₈₂+ω_82,51-φ=C₂                         (11)

φ₅₂=φ₅₁+φ₆₂+ω_51,62                          (12)

φ₆₂=φ₆₃                                      (13)

φ₈₁=φ₈₂=φ₈₃                                  (14)

式中：θ_ij为i进口j流向的绿灯开始时刻；φ_ij为i进口j流向的绿灯时长；ω_ij,lm为两股相冲突车流的清空时长；φ为相位差；C₁为左侧交叉口的周期时长；C₂为左侧交叉口的周期时长。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

菱形立交的两个地面交叉口周期时长应一致满足下式(15)的要求：

C₁=C₂                                       (15)

C₁为左侧交叉口的周期时长；C₂为左侧交叉口的周期时长。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

两个方向利用可逆车道左转的车流禁止同时存在于内部路段中，两个地面交叉口的相位差满足下式(16)和式(17)的要求：

${\mathrm{\θ}}_{11}+{\mathrm{\φ}}_{11}\≥{\mathrm{\θ}}_{62}+{\mathrm{\φ}}_{62}+\frac{L}{v_{\min }}---\left(16\right)$

${\mathrm{\θ}}_{51}+{\mathrm{\φ}}_{51}\≥{\mathrm{\θ}}_{22}+{\mathrm{\φ}}_{22}+\frac{L}{v_{\min }}---\left(17\right)$

式中：θ_ij为i进口j流向的绿灯开始时刻；φ_ij为i进口j流向的绿灯时长；L为内部路段长度；v_min为车辆的最小通行速度。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述车道控制与信号相位相序设置对应，可逆车道上允许车流由左侧交叉口向右侧交叉口通行的开始时刻和持续时长分别由下式(18)、(19)确定：

ε₁=θ_2j                                      (18)

γ₁=φ+φ₅₁                                   (19)

式中：ε₁、γ₁分别为可逆车道上允许车流由左侧交叉口向右侧交叉口通行的开始时刻和持续时长；θ_ij为i进口j流向的绿灯开始时刻；φ_ij为i进口j流向的绿灯时长；φ为相位差。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

可逆车道上允许车流由右侧交叉口向左侧交叉口通行的开始时刻和持续时长分别由下式(20)、(21)确定：

ε₂=θ_6j                                      (20)

γ₂=C₂-θ_6j                                   (21)

式中：ε₂、γ₂分别为可逆车道上允许车流由右侧交叉口向左侧交叉口通行的开始时刻和持续时长；θ_ij为i进口j流向的绿灯开始时刻；C₂为左侧交叉口的周期时长。

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