CN103871256A - 一种利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，针对采用信号控制的交叉口，在传统交叉口几何空间设计和信号控制设计的基础上，进一步对其时空资源进行优化，将全部或部分出口车道在信号周期的某些阶段作为左转车道使用，为左转交通提供额外的路权。该通行控制方法具体包括交叉口空间布置和信号控制两部分：对于空间布置，包括“综合功能区”、中央分隔带开口，预信号和停车线设置；对于信号控制，包括交叉口主信号相位相序设置、交叉口主信号配时设置和预信号配时设置。该方法能为左转交通提供额外的路权，从而提高交叉口的通行能力，减少车均延误，解决或缓解交通拥堵。

Description

一种利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法

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、信号相位设计技术领域，更具体地说，涉及一种利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法。

背景技术

平面交叉口是城市道路交通的瓶颈节点，如何对交叉口的时空资源进行优化，是提高交叉口运行效率的关键。然而，目前的研究都以将交叉口各岔口划分为进口道和出口道为前提进行讨论的，主要集中于交叉口进口道车道功能划分和信号控制，未见有关于“综合利用出口道”，提高出口道利用效率的研究，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计方法，主要有以下几种：

（1）常规的信号控制交叉口设计方法。该方法将交叉口各岔口分为进口道和出口道，中国采用靠右侧通行的规则，进口道布置在出口道的右侧，并划分为左转、直行和右转的车道功能。我国的代表性著作包括《城市道路交通设计指南》、《交通设计》等。

（2）无冲突左转的交叉口设计方法。作为一种非常规的交叉口设计方法，该方法在中国经历了多次改进，前后涉及四项发明专利，简述如下。该设计方法首先由专利“城市干道平交十字路口汽车、自行车无冲突左转的方法（公开号CN1730820）”提出，将左转进口车道设置在交叉口直行出口车道与右转出口车道之间，以克服左转交通与对向直行交通的冲突，达到提高交叉口的通行能力，该专利同时给出了与空间设计相配套的信号相位设置方法。之后，专利“在信号交叉口一种新型的车道设置方式及其交通控制组织（公开号CN1542225）”对该方法进行了更为细致的描述和图示示意，并对该方案的实施可行性和通行能力效益进行了讨论。在此基础上，专利“道路平面交叉口无冲突交通模式设置及其控制方法（公开号CN101256716）”对车道功能布置和信号相位进行了改进，将左转进口车道布置在交叉口该岔口的最左侧以提高运行的安全性，并将信号相位简化为四个相位，以减少停车次数。最后，专利“十字交叉口左转预信号和直行继信号的协调控制方法（申请公布号CN102024329）”提出了该设计方法的具体信号配时方法。

（3）串联交叉口设计方法。作为一种非常规的交叉口设计方法，该方法见于Xuan,Y.等的“Increasing the capacity of signalized intersections with separate left turn phases”一文，通过在交叉口上游增设停车线和预信号，将交叉口停车线与上游停车线间的空间作为综合待行区，依次放行左转和直行车流，提高进口车道的利用率，增加交叉口通行能力。同时从《人民公安报》2011年04月01日获悉，上海市闸北分局交警支队采用该方法已在天目路-乌镇路路口试点半年，效果显著。

（4）交叉口流向管理，即对交叉口的某些流向采取禁止和远引的方法。包括各种类型的左转流向远引和直行流向远引，在中国除大量的研究成果外，也有人申请了一些发明专利和实用新型，如：迂回左(右)转式交叉口的管理与控制（公开号CN1257263）、交叉口左转的U型转弯方法及其道路（公开号CN101008167）、交叉口左转的P型转弯方法及其道路（公开号CN101008170）、用于交叉口左转的P型转弯道路（公开号CN201068539）。

方法1是传统的设计方法，其运行方式已被人们普遍接受，但随着交通需求的不断增加，交通拥堵问题日益突显，需要对传统设计方法进行改进，使交叉口的资源得到更充分的利用。

方法2将交叉口左转交通与对向直行交通的冲突转移至交叉口上游路段，从而使交叉口左转和直行可以在同一相位内通行，提高了交叉口的通行能力。但该方法存在以下几点不足：（1）需要对交叉口进行永久性的改造，无法根据实际需求灵活决定是否采用该方法；（2）无法解决左转和直行流量比不均衡的问题；（3）无法在单独一个进口使用，一般需要对向两个进口均采用该设计方法；（4）交叉口间距需要满足两个排队长度和车道变换的要求。

方法3通过在交叉口上游增设停车线和预信号，将交叉口停车线与上游停车线间的空间作为综合待行区，依次放行左转和直行车流，增加交叉口通行能力。但该方法存在以下几点不足：（1）对于非饱和情况，可能造成车均延误的增加，因此一般仅适用于过饱和的情况；（2）对交叉口间距需要满足两个排队长度和车道变换的要求；（3）虽然不需要对交叉口进行土木工程的改造，理论上可灵活决定是否采用该方法，但由于不采用该方法时，交叉口车道功能只能通过可变标志来提示，无法采用地面标线确定，可能造成驾驶员的困惑，因此实际运行中并不具有很好的启用或关闭的灵活性。

方法4是通过路网来实现交叉口的转向功能，对路网形态有一定要求，且这些被禁止的流向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，因此该方法的适用性需要对路网整体效益进行评价。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，该方法针对采用信号控制的交叉口，在传统交叉口几何空间设计和信号控制设计的基础上，进一步对其时空资源进行优化，通过合理的路权分配、交叉口信号控制和进口道预信号控制的优化设计，提高交叉口的通行能力。其核心思想是利用出口道实现左转，在不改变交叉口进出口车道数的前提下，为左转交通提供额外的路权。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，将全部或部分出口车道设置为综合功能区，在信号周期的某些阶段作为左转车道使用，为左转交通提供额外的路权，从而提高交叉口的通行能力。

进一步，所述方法包括交叉口空间布置和信号控制两部分，首先进行交叉口空间布置，再进行信号控制。

所述空间布置应依次进行交叉口车道功能布置和中央分隔带开口位置布置。

在所述交叉口车道功能布置中，综合功能区内可变车道数与进口道左转车道数之和应小于等于该岔口左转对应的出口道数量，并在进口道至少设置一条左转车道。

在所述中央分隔带开口位置布置中，中央分隔带开口与交叉口停车线间距可取50-100m，并配以停车线和预信号，以控制左转车辆是否可进入综合功能区。

所述信号控制布置包括交叉口主信号相位相序设置、交叉口主信号配时设置和预信号配时设置。

在所述交叉口主信号相位设置中应保证所述岔口左转流向通行的前一个相位无车辆进入该岔口的出口道。

在所述交叉口主信号配时设置中应包括信号周期及各流向的绿灯时间分配，应注意在计算左转车流的车道数时，应根据空间布置结果，在进口道左转车道数的基础上加上综合功能区所能提供的左转车道数。

在所述交叉口预信号配时设置中，其周期时长应等于交叉口主信号周期时长；预信号绿灯开始时刻，应保证上一股利用该岔口出口道的车流已全部通过综合功能区；预信号绿灯时长，应保证进入综合功能区的车辆在对应主信号左转绿灯信号期间全部清空。

本发明提供了一种利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，该方法包括交叉口空间布置和信号控制两部分：

对于空间布置，如图1所示，该岔口出口道的“综合功能区”区域为可变车道，在信号周期的不同时间段内，可作为出口车道和进口左转车道两种车道功能使用。为了取得良好的控制效果并使绿灯期间左转车顺畅通过交叉口，综合功能区内可变车道数与进口道左转车道数之和应小于等于该岔口左转对应的出口道数量，按式(1)计算。此外，考虑到实际运行中将存在部分对本发明不熟悉的驾驶员，在进口道至少应设置一条左转车道，如式(2)所示。

ε+α_L≤β_c  (1)

式中：ε为可变车道数量；β_c为该进口左转对应的出口道数量；α_L该岔口进口道左转车道数。

α_L≥1  (2)

在交叉口上游设置一处中央分隔带开口，并配以停车线和预信号，以控制左转车辆是否可进入“综合功能区”。其与交叉口停车线间距一般取50-100m，也可参考《城市道路交叉口规划规范GB50647-2011》中平面交叉口进口道展宽段长度取值。

对于信号控制，包括交叉口主信号相位相序设置、交叉口主信号配时设置以及预信号配时设置。

其中，交叉口主信号相位设置原则是：所研究的岔口左转流向通行的前一个相位应避免车辆进入该岔口的出口道，以保证左转车有足够的时间进入“综合功能区”待行。具体可采用保护型左转的四相位控制，并且左转相位在前，直行相位在后；或采用单口放行的相位设置方法，按顺时针的顺序依次放行各岔口。相位相序设置如图2所示。

交叉口主信号配时设置，包括信号周期、各流向的绿灯时长、红灯时长等，以往的设置方法均适用，只需注意在计算左转车流的车道数时，应根据实际情况，加上“综合功能区”所能提供的左转车道数。

交叉口预信号配时设置，其周期时长应等于交叉口主信号周期时长，如式(3)所示。预信号绿灯开始时刻，为了保证通行安全，需保证上一股利用该岔口出口道的车流已全部通过综合功能区，如式(4)所示。预信号绿灯时长，为了保证通行安全，进入综合功能区的车辆必须在对应主信号左转绿灯信号期间全部清空，这需要满足以下两个条件：其一，综合功能区交叉口主信号处的通行能力应不小于进入综合功能区的通行能力，如式(5)所示；其二，交叉口主信号左转绿灯结束时刻与预信号绿灯结束时刻之差应不小于车辆通过综合功能区的行驶时间，如式(6)所示。

C₀＝C  (3)

式中：C₀为预信号周期时长，s；C为交叉口主信号周期时长，s。

${\mathrm{\γ}}_0={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{pq}}+\frac{L_0}{v_{\min }}+\mathrm{\Δ}---\left(4\right)$

式中：γ₀为预信号绿灯开始时刻，s；θ_pq为上一股利用该岔口出口道的车流的交叉口主信号绿灯结束时刻，s；L₀为综合功能区长度，m；v_min为车辆的最小通行速度，m/s；Δ为安全时间间隔，s。

s₀Γ₀≤s_mφ_L  (5)

式中：s₀为预信号处左转车流进入对向出口道的饱和流量，veh/h；Γ₀为预信号绿灯时长，s；s_m为综合功能区的左转饱和流量，veh/h；φ_L为该岔口交叉口主信号左转绿灯时长，s。

${\mathrm{\Γ}}_0+{\mathrm{\γ}}_0+\frac{L_0}{v_{\min }}+\mathrm{\Δ}\≤{\mathrm{\θ}}_L+{\mathrm{\φ}}_L---\left(6\right)$

式中：θ_L为该岔口交叉口主信号左转绿灯开始时刻，s。

由于采用了上述技术方案，本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、较传统方法，本通行控制方法能提高信号控制交叉口的通行能力，以达到解决或缓解交通拥堵的目的。

2、较无冲突左转的交叉口通行方法，本通行方法不需要对交叉口改造，不需要改变原有交叉口的进出口车道数，只需通过合理的路权分配、交叉口信号和进口道预信号的优化设计，即可提高交叉口的通行能力。

3、较无冲突左转的交叉口通行方法，本通行方法应用灵活，可在交叉口中的一个或多个岔口灵活采用。

4、较串联交叉口通行方法，本通行方法在实际运行中也可根据具体情况方便地选择方案的启用与关闭。

5、本通行方法是通过提供左转交通额外的路权，达到提高交叉口通行能力的目的，不存在车辆在交叉口前多次停车的情况，不会造成车均延误的增加，本方法可同时适用于过饱和和未饱和的信号控制交叉口，尤其对于过饱和交叉口优化效果显著。

6、较无冲突左转的交叉口通行方法和串联交叉口通行方法，本通行方法中车辆无需在预信号处多次排队，因此对交叉口间距无特殊要求。

附图说明

图1为本发明的交叉口布置示意图。

图2为本发明交叉口主信号、预信号和综合功能区车道功能变化情况示意图。

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中信号相位图。

图5为本发明实施例1中传统交叉口几何设计结果。

图6为本发明实施例1中西进口采用本发明方法后的交叉口几何设计结果。

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1为本发明实施例中交叉口几何条件示意图，为一个十字交叉口，每个岔口的进口道和出口道分别为4车道和3车道；表1为本发明实施例中交叉口交通需求。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3(s)，信号总损失时间为12(s)，车辆的最小通行速度取10(m/s)；安全时间间隔取4(s)。现对交叉口西进口采用本发明中的方法，按交叉口储备通行能力最大为目标，并基于并行双环概念(dual-ring concurrent)的信号相位（如图4所示，一种允许有搭接相位的保护型左转相位设计方法，具体可参见《道路通行能力手册》），进行交叉口几何设计和信号配时，并与传统交叉口设计进行对比。

表1

具体过程简述如下：

步骤1：交叉口车道功能布置。根据经典的关键流量比之和最小的原则，进行反复试算，可得到交叉口车道功能布置方案。关键流量比之和的计算可按下述步骤进行：首先按式(7)计算各流向的流量比，然后取各相位中各流向流量比的最大值作为各相位的关键流量比，最后对各相位关键流量比求和即为关键流量比之和。计算结果如表2所示。传统交叉口几何设计结果和西进口采用本发明方法后的交叉口几何设计结果，分别如图4和图5所示。注意，在进行本发明方法的车道功能布置时需满足式(1)和式(2)的约束条件。

$y=\frac{q}{\mathrm{sn}}---\left(7\right)$

式中：y为某流向的流量比；q为该流向流量，pcu/h；s为单车道饱和流率，pcu/h/ln；n为某流向的车道数。

步骤2：中央分隔带开口位置。参考《城市道路交叉口规划规范GB50647-2011》，取70m，如图5所示。

步骤3：主信号配时设置

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(8)计算。计算结果如表2所示。

$g=\frac{Y_B(C-L)}{Y}\frac{y}{y_{R1}+y_{R2}}---\left(8\right)$

式中：g为某流向的绿灯时长，s；Y为交叉口关键流量比之和；Y_B为该流向所在相位的关键流量比；C为信号周期，s；L为信号总损失时间，s；y_R1、y_R2分别为该流向所在相位所在半环中两个流向的流量比；y为该流向的流量比。

表2

注：①对于西进口左转交通，综合功能区所能提供的左转通行能力受上游中央分隔带开口处预信号绿灯时长的约束，处于保守考虑，在主信号配时中将综合功能区中的2条车道折减成1.5条车道。

3）主信号配时：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。

步骤4：预信号配时设置

1）预信号周期：根据式(3)，预信号周期时长应等于交叉口主信号周期时长，即120(s)。

2）预信号绿灯开始时刻：根据式(4)， ${\mathrm{\γ}}_0={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{pq}}+\frac{L_0}{v_{\min }}+\mathrm{\Δ}=86+\frac{70}{10}+4=97\left(s\right).$

3）预信号绿灯持续时长：根据式(5)， ${\mathrm{\Γ}}_0\≤\frac{s_m{\mathrm{\φ}}_L}{s_0}=\frac{1800\×2\×23}{1800}=46\left(s\right);$ 根据式(6)， ${\mathrm{\Γ}}_0\≤{\mathrm{\θ}}_L+{\mathrm{\φ}}_L-{\mathrm{\γ}}_0-\frac{L_0}{v_{\min }}-\mathrm{\Δ}=120+23-97-\frac{70}{10}-4=35;\left(s\right).$ 预信号绿灯持续时长应同时满足上述两个条件，因此取35(s)。

4）预信号配时：根据预信号周期、预信号绿灯开始时刻以及预信号绿灯持续时长，可得到预信号配时，如表3所示。

表3

步骤5：设计方案评价。将饱和度和延误作为评价指标，对传统交叉口设计方案和本专利改进方案进行对比。各流向的饱和度和延误计算公式分别如式(9)式(10)所示，交叉口整体饱和度和交叉口车均延误分别按式(11)式(12)计算。如表4所示，按本发明方法，对西进口进行改造，可以使本实施例交叉口饱和度降低12.5%，从过饱和状态转为不饱和状态，交叉口车均延误降低34.5%，显著缓解了交叉口的拥挤状况。

$X=\frac{\mathrm{qC}}{\mathrm{sng}}---\left(9\right)$

式中：X为某流向的饱和度；其余参数同前。

$d=\frac{{0.5C(1-\frac{g}{C})}^2}{1-\left[\min \right](1,X)\frac{g}{C}}+900T[(X-1)+\sqrt{{(X-1)}^2+\frac{8\mathrm{kIX}}{\mathrm{sn}\frac{g}{C}T}}]---\left(10\right)$

式中：d为某流向的车均延误，s；T为分析持续时间长度，h，一般可取0.25(h)；k为增量延误参数，和控制设定有关，定时信号控制取0.50；I交叉口上游汇入或限流的修正参数，对于独立交叉口可取1.0；其余参数同前。

$X_I=\max \left(X_A\right),\∀A---\left(11\right)$

式中：X_I为交叉口饱和度；X_A表示任意流向A的饱和度。

$d_I=\frac{{\mathrm{\Σd}}_A{q}_A}{\mathrm{\Σ}{q}_A}---\left(10\right)$

式中：d_I为交叉口车均延误，s；d_A为任意流向A的车均延误，s；q_A为任意流向A的流量，pcu/h。

表4

由上述实施例可以发现，按本发明方法对西岔口进行改造，将西岔口两条出口车道距交叉口70m范围内的道路作为综合功能区使用，为西岔口左转交通提供了更多的车道数，并通过合理的主信号和预信号配时设置，最终的优化设计结果与现有技术相比较，交叉口饱和度降低12.5%，从过饱和状态转为不饱和状态，交叉口车均延误降低34.5%，显著缓解了交叉口的拥挤状况。

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 (10)

1.一种利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：将全部或部分出口车道设置为综合功能区，在信号周期的某些阶段作为左转车道使用，为左转交通提供额外的路权，从而提高交叉口的通行能力。

2.根据权利要求1所述的利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：所述方法包括交叉口空间布置和信号控制两部分，首先进行交叉口空间布置，再进行信号控制。

3.根据权利要求2所述的利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：所述空间布置应依次进行交叉口车道功能布置和中央分隔带开口位置布置。

4.根据权利要求3所述的利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：在所述交叉口车道功能布置中，综合功能区内可变车道数与进口道左转车道数之和应小于等于该岔口左转对应的出口道数量，并在进口道至少设置一条左转车道。

5.根据权利要求3所述的利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：在所述中央分隔带开口位置布置中，中央分隔带开口与交叉口停车线之间设有间距，并配以停车线和预信号，以控制左转车辆是否可进入综合功能区。

6.根据权利要求2所述的利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：所述信号控制布置包括交叉口主信号相位相序设置、交叉口主信号配时设置和预信号配时设置。

7.根据权利要求6所述的利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：在所述交叉口主信号相位设置中应保证所述岔口左转流向通行的前一个相位无车辆进入该岔口的出口道。

8.根据权利要求6所述的利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：在所述交叉口主信号配时设置中应包括信号周期及各流向的绿灯时间分配，应注意在计算左转车流的车道数时，应根据空间布置结果，在进口道左转车道数的基础上加上综合功能区所能提供的左转车道数。

9.根据权利要求6所述的利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：在所述交叉口预信号配时设置中，其周期时长应等于交叉口主信号周期时长；预信号绿灯开始时刻，应保证上一股利用该岔口出口道的车流已全部通过综合功能区；预信号绿灯时长，应保证进入综合功能区的车辆在对应主信号左转绿灯信号期间全部清空。

10.根据权利要求5所述的利用出口道实现左转的交叉口通行控制方法，其特征在于：所述中央分隔带开口与交叉口停车线的间距取50-100m。

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