CN103632551A - 双信号控制线机动车交通控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于交通技术领域，主要用于平面交叉路口的机动车交通控制系统，其特征在于在现有的路口停车线和路口信号灯之前增加了一个前置停车线和一个前置信号灯，信号控制机通过对前置信号灯与路口信号灯的联动控制在路口四周产生了一个路口绿波带，使交叉路口的机动车通行能力得以提高。

Description

双信号控制线机动车交通控制系统

所属技术领域

本发明属于交通技术领域，主要用于平面交叉路口的机动车交通控制。

技术背景

目前在很多大、中城市的主干道都建设了很多的高架路、立交桥，采用了比较先进的绿波带交通控制技术，虽然对城市交通畅通发挥了重大作用，但城市交通拥堵仍然还是一个十分严重的问题，其主要原因之一是平面交叉路口的机动车通行能力过低。平面交叉路口的机动车通行能力过低导致了城市绿波带的车速低、高架路上的车队分流缓慢而降低了高架路上的车速，从而制约了整个城市路网交通的畅通。

现有的平面交叉路口的机动车交通控制系统是一个只有一条以路口停车线为信号控制线的机动车交通控制系统，我们称这种机动车交通控制系统为单信号控制线机动车控制系统。该系统存在着一个问题，即在绿灯起亮时，经过路口停车线的机动车车速很低、机动车通过路口停车线的时差过大，尤其在刚启步时，第一辆车和第二辆的时差高达4.45秒(在启动时差为2秒时)，从而导致机动车的路口通行能力很低。

本发明增加了一个前置停车线和一个以前置停车线为信号控制线的前置信号灯，将现有的只有一个信号控制线的机动车交通控制系统变成了一个具有双信号控制线的机动车交通控制系统，通过联动控制在路口四周产生了一个“路口绿波带”，使机动车经过路口停车线的车速等于或接近路口所设计的机动车最高限速，消除了机动车通过路口停车线的过大时差，从而提高了机动车的路口通行能力。

发明内容：

本发明是通过如下技术方案实现的(参见附图1)：

双信号控制线机动车交通控制系统由信号控制机(1)、路口信号灯(2)、路口停车线(3)、前置信号灯(4)、前置停车线(5)组成，路口信号灯(2)、路口停车线(3)与现有的路口信号灯(2)、路口停车线(3)相同，前置信号灯(4)设置在路口信号灯(2)之前，前置停车线(5)设置在路口停车线(3)之前的道路上；机动车在前置停车线(5)前排队等待前置信号灯(4)的绿灯通行；信号控制机(1)对前置信号灯(4)和路口信号灯(2)进行联动控制；在一个信号周期内，信号控制机(1)让前置信号灯(4)的绿灯比路口信号灯(2)的绿灯提前起亮，信号控制机(1)让前置信号灯(4)的绿灯比路口信号灯(2)的绿灯提前熄灭，让在前置信号灯(4)的绿灯通行时间内驶过前置停车线(5)的正常行驶的机动车可以在路口信号灯(2)的绿灯通行时间内正常地通过路口停车线(3)；路口信号灯(2)和前置信号灯(4)是数字式信号灯。

(参见附图2)在分道行驶的交叉路口，可以根据每个车道上的路口最高限速、车辆的加速度、机动车启动时的平均时差、每辆机动车的平均占道长度分别设置每个车道上的前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的前置距离、前置信号灯(4)的绿灯比路口信号灯(2)的绿灯提前起亮的起亮前置时间、前置信号灯(4)的绿灯比路口信号灯(2)的绿灯提前熄灭的熄灭前置时间。

(参见附图3)为了便于本发明的顺利实施，方便机动车驾驶员掌握好正确的车距、车速，可在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的道路上设置与机动车启动时差相同、与路口通行最高限速相同的等时差等车速等车距标志线(22)，可在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的道路旁设置相关的提示牌(23)。

通过对前置交通信号灯(4)与路口交通信号灯(2)的联动控制，在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间建立了一个路口“绿波带”，让机动车以安全合理的速度和时差通过路口停车线(3)，从而大大提高了机动车的路口通过能力。

附图说明：

图1是双信号控制线机动车交通控制系统的平面示意图。

图2是分道行驶交叉路口的双信号控制线机动车交通控制系统的平面示意图。

图3是设置有与机动车启动时差相同、与路口通行最高限速相同的等时差等车速等车距标志线(22)、提示牌(23)、车速传感器(24)的双信号控制线机动车交通控制系统的平面示意图。

其中：1-信号控制机，2-路口信号灯，3-路口停车线，4-前置信号灯，5-前置停车线，6-左转弯路口信号灯，7-小型车直行路口信号灯，8-大型车直行路口信号灯，9-右转弯路口信号灯，10-左转弯车道路口停车线，11-小型车直行车道路口停车线，12-大型车直行车道路口停车线，13-右转弯车道路口停车线，14-左转弯前置信号灯，15-小型车直行前置信号灯，16-大型车直行前置信号灯，17-右转弯车道前置信号灯，18-左转弯前置停车线，19-小型车直行前置停车线，20-大型车真行前置停车线，21-右转弯前置停车线，22-等时差等车速等车距标志线，23-提示牌，24-车速传感器。

具体实施方式：

下面通过具体的实施例对本发明做进一步说明，尤其对前置距离、起亮前置时间、熄灭前置时间的具体设置进行详细说明。

假设某个直行车道的路口限速为v(米/秒)，排队等候通行的机动车的启动时差为j(秒)，机动车的平均占道长度(相邻前后两车头之间的距离)为c(米)，机动车的平均加速度为a(米/秒²)，直行车道的路口信号灯(2)的每次绿灯的时长为t(秒)，在路口信号灯(2)的一个绿灯时长内能够通过路口停车线(3)的机动车数量为n(辆)。在这种条件下的路口，可采用如下方式设置双信号控制线机动车交通控制系统的前置距离、起亮前置时间、熄灭前置时间。

实施例一(参见附图1)：

本实施例适合于路口间距小于500米的平面交叉路口。

根据上述参数，可将前置停车线(5)的前置距离设定为v²/(2a)米，将前置信号灯(4)设置在前置停车线(5)上面的显眼的位置，将前置信号灯(4)的绿灯的起亮前置时间和熄灭前置时间分别设置为v/a秒、v/(2a)秒。

根据以上设置，当前置信号灯(4)的绿灯起亮时，第一辆车从前置停车线(5)到路口停车线(3)所花费的时间是v/a秒；当第一辆车到达路口停车线(3)时，路口信号灯(2)的绿灯也正好起亮，因此第一辆车正好可以用速度v通过路口停车线(3)；第二辆车在距路口停车线(3)c米处车速达到v，再花c/v秒以速度v通过路口停车线(3)，在路口停车线(3)处，第一辆车和第二辆车的时差为(j+c/v)秒。

当前置信号灯(4)的绿灯熄灭时刻，最后一辆通过前置停车线(5)的小型车的车速由于经过了c(n-1)路程的加速，其车速通常已经达到了速度v，且将以速度v从前置停车线(5)到路口停车线(3)，其所花费的时间为v/(2a)，正好在路口信号灯(2)的绿灯熄灭前通过路口停车线(3)。

通过以上设置可知，前置信号灯(4)的每次绿灯的时长为(t+v/a-v/2a＝t+v/2a)，比路口信号灯(2)的绿灯时长增加了v/2a秒，机动车路口通行时间增加了v/2at％。

在单信号控制线机动车交通控制系统，第一辆车与第二辆车通过路口停车线(3)的时差为

秒，如果在t＝30秒、v＝60公里/小时(16.7米/秒)、c＝6米、j＝2秒、a＝2米/秒²的条件下，第一辆车和第二辆车在路口停车线(3)的时差为4.45秒。

在本实施例中，每辆车之间的时差均等于(j+c/v)秒，时差＝2.36秒。前置信号灯(15)的绿灯时长的增加值为(v/2a＝16.7/2×2＝4.18秒)，通行时间增加了(4.18/30＝14％)。

路口最大通行车辆数量的计算：

路口最大通行车辆数量n可参照如下公式计算：

$t=j(n-1)+\sqrt{2c(n-1)/a}$ (当c(n-1)≤v²/(2a)时)

t＝j(n-1)+v/a+{c(n-1)-v²/(2a)}/v    (当c(n-1)＞v²/(2a)时)

将t＝30秒、t＝34.18秒、v＝60公里/小时(16.7米/秒)、c＝6米、j＝2秒、a＝2米/秒²的条件代入上述公式，可分别计算出单信号控制线机动车交通控制系统与本实施例的机动车最大通行数分别是11辆和13辆，后者比前者通行能力提高18％。

如果在路口前的道路长度许可的情况下，可在目前的前置距离v²/(2a)的基础上增加一段前置距离S，分别在目前的起亮前置时间、熄灭前置时间的基础上再增加一段前置时间T(S＝Tv)，以便于驾驶员们排列成更加整齐的车队通过路口停车线(3)。

实施例二(见附图3)：

本实施例主要适合于路口间距大于600米的平面交叉路口。

在单信号控制线机动车交通控制系统和在本发明的实施例一中，由于车速的差异和机动车启步时的停车位置的不同，导致机动车在通过路口停车线(3)时(尤其是在绿灯刚开始起亮时)机动车的时差大大高于机动车启动时的时差j，这种没有必要的过大的时差降低了机动车的路口通行能力。为了消除这种没有必要的过大时差，可通过本实施例的方法设定前置停车线(5)的前置距离、前置信号灯(4)的绿灯的起亮前置时间、熄灭前置时间，让机动车队能以启动时差j、以路口最高限速v、以等车距(jv)通过路口停车线(3)，从而获得最大的路口通行能力。

设某个城区的非路口道路最高限速为V(V＞v)，前置停车线(5)的前置距离为Q，前置信号灯(4)的起亮前置时间为T^q、熄灭前置时间为T^t。

要想使机动车队以启动时差j、以路口最高限速v、以等车距(jv)通过路口停车线(3)，机动车可按如下方式行驶：

当前置信号灯(4)的绿灯起亮时，在前置停车线(5)前排队等候的第一辆车先以a的加速度、花费时间v/a、行驶距离s使车速达到v，再以匀速v、花费时间T、行驶距离S到达路口停车线(3)，并以v速通过路口停车线(3)；第二辆车以a的加速度、花费时间(v/a+t′)使车速达到v′(V＞v′＞v)，再以v′匀速行驶T′秒，然后自然滑行，以减速度a′自然减速到v，以v匀速行驶并通过路口停车线(3)，由于第二辆车比第一辆车的车速高，因此，第二辆车在到达路口停车线(3)时，它与第一辆车的时差由(j+c/v)缩短到了j，两车的车距也由(c+jv)缩短到了jv；以后的车辆都采用比前一辆车更高的车速行驶，将其与前一辆车的时差和车距都分别缩短到j和jv；第n辆车的车速最高，车速升至V、再以V匀速行驶Tn秒后，将车速自然减至v时，正好以v速通过路口停车线(3)。其中，我们假设后一辆车比前一辆车的车速升高为等幅升高，其升幅为(V-v)/(n-1)；再假设每一辆车的自然减速度相等，均为a′。

根据上述行驶条件，我们就可以计算出所需要的前置距离Q、起亮前置时间T^q、熄灭前置时间T^t，其具体计算方法如下：

根据上述行驶条件，我们知道，第n辆车从0加速到v所用时间为v/a，从v加速到V所用时间为(V-v)/a，以V匀速行驶的时间为Tⁿ，从V减速到v的行驶时间为(V-v)/a′，当第n辆车到达路口停车线(3)时，它在上述时间段内分别比第一辆车多行驶了(V-v)²/2a、(V-v)Tⁿ、(V-v)²/2a′的距离，它多行驶的这几段距离之和{(V-v)²/2a+(V-v)Tⁿ+(V-v)²/2a′}正好等于它与第一辆车在启动时的停车距离c(n-1)，即

c(n-1)＝{(V-v)²/2a+(V-v)Tⁿ+(V-v)²/2a′}

从上面等式中可求出第n辆车以V匀速行驶的时间Tⁿ

Tⁿ＝{c(n-1)-(V-v)²/2a-(V-v)²/2a′}/(V-v)

第n辆车从其停车处到路口停车线(3)之间的距离为{V²/2a+VTⁿ+(V²-v²)/2a′}，该距离减去第n辆车的停车处到前置停车线(5)之间的距离c(n-1)就等于前置停车线(5)的前置距离Q

1、前置距离Q

Q＝{V²/2a+V Tⁿ+(V²-v²)/2a′}-c(n-1)

2、起亮前置时间T^q

T^q＝v/a+T＝v/a+S/v＝v/a+(Q-v²/2a)/v

3、熄灭前置时间T^t

熄灭前置时间Tt等于第n辆车从停车处到路口停车线(3)之间的总时间{V/a+Tⁿ+(V-v)/a′}，减去其从停车处到前置停车线(5)之间的时间

即

$T^t=\{V/a+T^n+(V-v)/a^{\′}\}-\sqrt{\frac{2c(n-1)}{a}}$

下面说明在t＝30秒、v＝60公里/小时(16.7米/秒)、V＝80公里/小时(22.2米/秒)、c＝6米、j＝2秒、a＝2米/秒²、a′＝1米/秒²的路口条件下，双信号控制线机动车交通控制系统的机动车路口最大通行能力、前置停车线(5)的前置距离Q、前置信号灯(4)的起亮前置时间T^q、熄灭前置时间T^t、前置信号灯(4)的一次绿灯的通行时长T^z。

1、最大通行能力n

n＝t/j＝30/2＝15辆车

比单信号控制线机动车交通控制系统的路口最大通行能力11辆车提高了4/11％＝36％。

2、前置距离Q

Q＝{V²/2a+V Tⁿ+(V²-v²)/2a′}-c(n-1)

首先要求出Tⁿ

Tⁿ＝{c(n-1)-(V-v)²/2a-(V-v)²/2a′}/(V-v)

＝11.15秒

Q＝393.69米

3、起亮前置时间T^q

T^q＝v/a+T＝v/a+S/v＝v/a+(Q-v²/2a)/v

＝27.78秒

4、熄灭前置时间T^t

$T^t=\{v/a+(V-v)/a+T^n+(V-v)/a^{\′}\}-\sqrt{\frac{2c(n-1)}{a}}$

T^t＝18.59秒

5、前置信号灯(4)的一次绿灯的通行时长T^z

T^z＝t+T^q-T^t＝39.19秒

比路口信号灯(2)的一次绿灯的通行时长提高了9.19/30＝30.6％

通过以上的计算表明，采用实施例二的方法设置的双信号控制线机动车交通控制系统最大可以提高路口通行能力36％。

虽然双信号控制线机动车交通控制系统可以大大地提高平面交叉路口的机动车通行能力，但同时也对机动车驾驶员的驾驶方法提出了如下的额外要求：

1、在前置停车线(5)前排队等候的第一辆车的驾驶员应按照路口最高限速v的车速行驶，即按照“路口绿波带”的速度行驶，并要注意观察路口信号灯(2)的绿灯起亮时间，如果速度过快，就会遇到路口信号灯(2)的红灯阻碍；如果速度太慢，会使后面的一部分机动车滞留在前置停车线与路口停车线之间的道路上，降低路口的机动车通行能力。

2、第一辆车之后的驾驶员应在非路口道路上以不超V速的条件下尽可能缩短与前车的距离，并保持正确的车距行驶。后面的驾驶员应该注意观察路口信号灯(2)的绿灯熄灭时间，保证在路口限速的条件下绿灯通过路口停车线(3)。

3、在某些特殊情况下无法通过路口停车线(3)的机动车，该机动车驾驶员则应尽量将车停在远离路口停车线(3)的道路上等待路口信号灯(2)的绿灯起亮，并根据路口信号灯(2)的绿灯起亮时间提前启动并加速，以让其机动车以较高的速度通过路口停车线(3)，尽量减少对后续车辆的影响。

为了让驾驶员尽早熟悉并掌握双信号控制线机动车交通控制系统对驾驶员的要求，可在前置距离的道路旁设置相关的提示牌(23)，可在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的前置距离的道路上设置与路口最高限速v相同、与启动时差相同的等时差等车速等车距标志线(22)，以供驾驶员正确驾驶时参照之用。

为了应对特殊情况下的超低速的机动车进入前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的道路，可以在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的道路上设置车速传感器(24)，信号控制机(1)可根据车速传感器(24)的数据对前置信号灯(4)进行调控。当车速传感器(24)的数据显示车速低于某个值时，信号控制机(1)则可根据其数据将前置信号灯(4)的熄灭前置时间T^t相应加长，缩短前置信号灯(4)的绿灯通行时间，避免或减少机动车在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的道路上的滞留。

如果路口的间距有足够长，前置距离可以在理论计算值的基础上再增加一个或多个等时差等车速等车距标志线的距离，让机动车驾驶员们有更加充分的时间在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的道路上将机动车排列成一个比较标准的与启动时差相同的等时差等车速等车距的车队。

本发明所产生的“路口绿波带”技术特别适合于路口间距大的平面交叉路口，而现有的“路网绿波带”技术则比较适合于路口间距小的城区路网，因此，如果将路口绿波带技术与路网绿波带技术进行有效的结合，将会使城市的机动车通行能力得到很大的提高。

Claims (5)

1.双信号控制线机动车交通控制系统，由信号控制机(1)、路口信号灯(2)、路口停车线(3)、前置信号灯(4)、前置停车线(5)组成，其特征在于：路口信号灯(2)、路口停车线(3)与现有的路口信号灯(2)、路口停车线(3)相同，前置信号灯(4)设置在路口信号灯(2)之前，前置停车线(5)设置在路口停车线(3)之前的道路上；机动车在前置停车线(5)前排队等待前置信号灯(4)的绿灯通行；信号控制机(1)对前置信号灯(4)和路口信号灯(2)进行联动控制；在一个信号周期内，信号控制机(1)让前置信号灯(4)的绿灯比路口信号灯(2)的绿灯提前起亮，信号控制机(1)让前置信号灯(4)的绿灯比路口信号灯(2)的绿灯提前熄灭，让在前置信号灯(4)的绿灯通行时间内驶过前置停车线(5)的正常行驶的机动车可以在路口信号灯(2)的绿灯通行时间内正常地通过路口停车线(3)。

2.如权力要求书1所述的双信号控制线机动车交通控制系统，其特征在于：在分道行驶的交叉路口，可以根据每个车道上的路口最高限速、车辆的加速度、机动车启动时的平均时差、每辆机动车的平均占道长度分别设置每个车道上的前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的前置距离、前置信号灯(4)的绿灯比路口信号灯(2)的绿灯提前起亮的起亮前置时间、前置信号灯(4)的绿灯比路口信号灯(2)的绿灯提前熄灭的熄灭前置时间。

3.如权力要求书1或2所述的双信号控制线机动车交通控制系统，其特征在于：可在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的道路上设置与机动车启动时差相同、与路口通行最高限速相同的等时差等车速等车距标志线(22)，可在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的道路旁设置相关的提示牌(23)。

4.如权力要求书1或2或3所述的双信号控制线机动车交通控制系统，其特征在于：路口信号灯(2)和前置信号灯(4)是数字式信号灯。

5.如权力要求书1或2或3所述的双信号控制线机动车交通控制系统，其特征在于：可在前置停车线(5)与路口停车线(3)之间的道路上设置车速传感器(24)，信号控制机(1)可根据车速传感器(24)的数据对前置信号灯(4)进行调控。

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