CN106257554A - 一种城市主干路禁左及左转保护相位设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市主干路禁左及左转保护相位的设置方法，针对城市主干路多个连续信号控制交叉口，首先采集并输入各交叉口各相位的现状流量、车道数、信号配时方案；然后计算交叉口禁左或设置左转保护相位后流量、车道数的重分配结果，并根据重分配结果计算交叉口各相位绿信比和绿灯时间；最后建立城市主干路禁左及左转保护相位最佳设置地点的计算模型。本发明方法主要缓解由于主路与主路交叉口左转交通流需求过大引起的主干路拥堵，通过合理设置主干路禁左及左转保护相位，保障主干路交叉口间通行能力相互匹配，缓解交通拥堵，降低交通流延误。

Description

一种城市主干路禁左及左转保护相位设置方法

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，涉及交叉口间信号相位协调设计技术领域，更具体地说，涉及一种城市主干路禁左及左转保护相位设置方法。

背景技术

随着城市化进程的发展，交通需求呈几何级数增长，交通拥堵已成为各大城市的常规现象，特别是早晚高峰的主干路，排队延误高，通行速度缓慢，没有体现出主干路快速通达的作用。为了缓解主干路交通拥堵，交通工程师采用了多种交通组织的方法，而“禁左”已成为最重要的手段之一。交叉口禁左有如下优点：①成本小，不涉及土木动工，实施快捷；②效果显著，由于禁左后会增加主干路直行交通流的车道数和绿灯时间，主干路通行能力将大幅增加。

经对现有技术的文献检索发现，一方面，针对城市道路禁左的文献，多为一些定性分析及实践经验总结，缺少针对主干路多个连续交叉口的禁左模型及标准规范的研究。另一方面，针对左转保护相位设置的定量方法，主要有以下两种：

(1)美国《道路通行能力手册》(HCM2010)中，设置左转专用相位的依据包括：

①如果在一个进口的左转车道超过一条，就推荐设置左转相位。

②任何一个进口的左转车流量超过240veh/h，推荐设置左转相位。

③将左转流量和对向冲突车流量相乘得到Cross-product值，如果此值超过下表中的值，推荐设置左转相位。

表1：建议设置左转专用相位的Cross-product最小值

车道数量	Cross-product值
		1	50000
2	90000
		3	110000

(2)上海市工程建设规范《城市道路平面交叉口规划与设计规程》DGJ08-96-2001中给出：有左转专用车道时，根据左转流向设计交通量计算的左转车每周期平均到达3辆时，宜用左转保护相位。

可以看出，现有方法在设置交叉口禁左或左转保护相位时，主要以当前交叉口自身的条件作为切入点，如当前交叉口左转车流量、与对向直行车的冲突数、道路条件和环境条件等。而缺少从主干路整体层面考虑多个交叉口该如何协调禁左和左转保护相位的设置。按现有的方法从当前交叉口考虑，主干路与主干路属于大型交叉口，左转交通需求大，需设置左转保护相位，且直行相位绿灯相应减少，极易形成主干路的拥堵点。因此，出现了马路越来越宽，交叉口越做越大，而交通拥堵越来越严重的情况。

发明内容

技术问题：针对现有禁左或设置左转保护相位仅考虑当前交叉口的不足，本发明的目的是提供一种城市主干路禁左及左转保护相位的设置方法，从主干路多个交叉口整体层面考虑不同饱和度(流量)条件下的最佳禁左和左转保护相位的设置地点，提高主干路通行能力，降低主干路通行延误。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的城市主干路禁左及左转保护相位的设置方法，包括如下步骤：

步骤1：确定主干路研究区段包含的交叉口数量n，采集各交叉口各相位的现状交通流量，车道数，信号周期时长C,各交叉口四个进口道按逆时针方向以a,b,c,d进行编号，其中a和c为主干路进口道。

步骤2：根据采集的现状交通流量和车道数，计算若交叉口禁左(禁止左转)或设置左转保护相位时交通流量和车道数的重分配结果。

步骤3：根据交通流量和车道数的重分配结果，计算交叉口各相位绿信比。

步骤4：根据信号周期时长和绿信比，计算主干路各交叉口各流向的通行能力值。

步骤5：根据主干路通行能力值，确定主干路各交叉口禁左及左转保护相位的设置地点。

本发明中，步骤2中的禁左或设置左转保护相位时交通流量和车道数的重分配计算方法，包括如下步骤：

步骤21：若主干路某个交叉口y禁左，则距离交叉口y，沿主干路上下游s距离范围内的交叉口至少有一个交叉口设置左转保护相位，确保交通流能够正常左转。如式(1)、(2)、(3)所示：

|l_x-l_y|≤s，γ_x-y＝1 (1)

|l_x-l_y|>s，γ_x-y＝0 (2)

Πγ_x-yσ_y＝0 (3)

式中，|l_x-l_y|表示交叉口x和交叉口y的距离。γ_x-y是二元变量，γ_x-y∈(0,1)，取值为0表示交叉口x在交叉口y的s范围外，取值为1表示交叉口x在交叉口y的s范围外；σ_y是二元变量，σ_y∈(0,1)，取值0表示交叉口y设置左转保护，取值为1表示交叉口y设置禁左。

步骤22：满足步骤21之后，若交叉口y禁左，则原来在交叉口y左转的交通流等概率地分配到距离交叉口y的s范围内的交叉口左转，如式(4)、(5)所示：

上行方向：

$q_{ya\→yd}{\mathrm{\σ}}_y=\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{xa\→xd}^y(1-{\mathrm{\σ}}_x){\mathrm{\γ}}_{x-y}---\left(4\right)$

下行方向

$q_{yc\→yb}{\mathrm{\σ}}_y=\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{xc\→xb}^y(1-{\mathrm{\σ}}_x){\mathrm{\γ}}_{x-y}---\left(5\right)$

步骤23：根据步骤22的流量分配方案，考虑交叉口y禁左或设置左转保护后，流量重分配后流量表达式如式(6)(7)(8)(9)(10)(11)所示：

上行左转：

$Q_{ya\→yd}=(q_{ya\→yd}+\underset{u=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{ya\→yd}^u{\mathrm{\γ}}_{u-y})(1-{\mathrm{\σ}}_y)---\left(6\right)$

下行左转：

$Q_{yc\→yb}=(q_{yc\→yb}+\underset{u=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{yc\→yb}^u{\mathrm{\γ}}_{u-y})(1-{\mathrm{\σ}}_y)---\left(7\right)$

上行直行：

$Q_{ya\→yc}=q_{ya\→yc}+\underset{v=y-n}{\overset{y+n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\ρ}}_{v-u}\underset{u=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{va\→vc}^u\right)---\left(8\right)$

下行直行：

$Q_{yc\→ya}=q_{yc\→ya}+\underset{v=y-n}{\overset{y+n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\ρ}}_{v-u}\underset{u=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{vc\→va}^u\right)---\left(9\right)$

上行右转：

Q_ya→yb＝q_ya→yb (10)

下行右转：

Q_yc→yd＝q_yc→yd (11)

步骤24：根据步骤22的流量分配方案，若交叉口y禁左，则原有的左转车道分配给直行车道，如交叉口y设置左转保护相位，则车道分配保持不变。

本发明中，所述步骤3中的交叉口各相位绿信比的计算方法，包括如下步骤：

步骤31：根据步骤2得到的流量重分配结果，计算交叉口y的总流量比

步骤32：根据交叉口y的总流量比按各进口道等饱和度的原则分配绿信比λ。

本发明中，步骤4中主干路各交叉口各流向通行能力值E的计算方法是指，使用步骤3计算得出的绿信比λ，乘以信号周期时长C，乘以步骤2计算得到的车道数L，再乘以饱和流量S，如公式(12)所示。

E＝S·L·λ·C (12)

本发明中，步骤5中主干路各交叉口禁左及左转保护相位设置地点的计算方法，包括如下步骤：

步骤51：根据步骤4计算得到的交叉口各流向通行能力值E，计算:

各交叉口上行方向直行通行能力差值：交叉口y直行相位的通行能力与上游交叉口(y+1)经左转、直行、右转流入的通行能力的差值ΔE₁，如公式(13)所示。

ΔE₁＝E_yc→ya-E_(y+1)b→ya-E_(y+1)c→ya-E_(y+1)d→ya (13)

各交叉口上行方向左转通行能力差值ΔE₂，如公式(14)所示。

ΔE₂＝E_yc→yb-E_(y+1)b→yb-E_(y+1)c→yb-E_(y+1)d→yb (14)

各交叉口下行方向直行通行能力差值ΔE₃，如公式(15)所示。

ΔE₃＝E_ya→yc-E_(y-1)b→yc-E_(y-1)a→yc-E_(y-1)d→yc (15)

各交叉口下行方向左转通行能力差值ΔE₄，如公式(16)所示。

ΔE₄＝E_ya→yd-E_(y-1)b→yd-E_(y-1)a→yd-E_(y-1)d→yd (16)

步骤52：根据步骤51的计算结果，根据式(17)的目标函数，及约束条件(1)-(16)，计算主干路禁左及左转保护相位的设置地点，即优化得出各交叉口的最优σ_y取值。

max[min(ΔE₁，ΔE₂，ΔE₃，ΔE₄)] (17)

本发明中的步骤51，在计算通行能力差值时，若交叉口右转交通流不受控，使用实际右转流量值替代右转通行能力值。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点

本发明方法针对城市主干路多个交叉口，整体考虑禁左和左转保护相位的设置方法，克服现有方法仅从当前交叉口出发，无法在整体层面获得最优解的不足。能通过左转交通流的有效组织，使主干路交叉口之间通行能力相互匹配，提高主干路通行能力，降低主干路通行延误。

本发明方法能从主干路整体层面缓解交通拥堵。主干路交通拥堵时，并非所有交叉口都发生拥堵，而经常是主干路与主干路相交的大型交叉口发生严重拥堵，而其他小型交叉口如主干路与支路交叉口通行能力仍有剩余，本发明方法能通过禁左与左转保护相位的设置，使交通流更加均匀地分布到每个交叉口，降低关键交叉口的交通需求和交通压力，提高通行能力，预防排队溢出。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法的研究对象示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例，对本发明技术方案详细说明如下：

示例：选择如图1所示的一段城市主干路连续交叉口为研究对象，本发明选择山东省济南市境内纬二路一段从经二路交叉口到经七路交叉口为发明的研究对象，含6个连续的信号交叉口，按顺序从经二路交叉口进行编号。每个交叉口的周期时长均为150秒，交叉口各进口道分方向的流量，车道数，如表2所示。

表2 各交叉口分方向流量与车道数

设置s＝1000m，即如果某交叉口禁左，则距离此交叉口1000m范围内必须存在一个或多个交叉口设置左转保护相位，确保交通流能正常左转。

遍历所有可行(满足公式1、2、3)的交叉口禁左和左转保护相位设置方案，进行下述操作。在此，以交叉口1、4、6禁左，交叉口2、3、5设置左转保护相位为例，进行实施流程展示。

使用公式(4)、(5)计算交叉口1、4、6禁左，交叉口2、3、5设置左转保护相位后左转流量的重分配结果，如表3所示

表3 交叉口禁左后左转流量重分配结果

分配流量

交叉口1

交叉口2

交叉口3

交叉口4

交叉口5

交叉口6

上行a-d方向

禁左

100

150

禁左

80

禁左

下行c-b方向

禁左

153

253

禁左

173

禁左

使用公式(6)(7)(8)(9)(10)(11)计算所有交叉口流量重分配的结果，如表4所示。

表4 交叉口禁左后整体流量重分配结果

分配后流量	交叉口1	交叉口2	交叉口3	交叉口4	交叉口5	交叉口6
							a-c方向	1940	1857	1673	1757	1790	1850
c-a方向	2020	1840	1720	1770	1720	1810
							a-d方向	禁左	130	230	禁左	190	禁左
c-b方向	禁左	393	553	禁左	353	禁左

交叉口1、4、6禁左后，将其左转车道分配给直行车道。

根据表3所示的流量分配结果和各车道组的车道数，按交叉口等饱和度的原则分配各绿信比。如直行相位的绿信比可按下式计算。

$\mathrm{\λ}=\frac{max(\frac{Q_{a-c}}{S_T},\frac{Q_{c-a}}{S_T})}{\frac{Q}{S}}\frac{(C_0-t)}{C_0}---\left(18\right)$

绿信比计算结果如表5所示

表5 交叉口分方向的绿信比

方向	交叉口1	交叉口2	交叉口3	交叉口4	交叉口5	交叉口6
							a-c,c-a	0.812	0.637	0.630	0.735	0.674	0.643
a-d,c-b	0	0.094	0.114	0	0.072	0
							b-d,d-b	0.101	0.109	0.129	0.073	0.103	0.321
b-a,d-c	0.019	0.024	0.079	0.057	0.049	0

根据公式(12)计算通行能力，结果如表6所示。

表6 交叉口分方向的通行能力

通行能力E	交叉口1	交叉口2	交叉口3	交叉口4	交叉口5	交叉口6
							a-c,c-a	4385.755	2294.481	2270.4	3972.569	2428.643	3472.769
b-a,d-c	28.948	37.074	118.834	86.783	74.623	0
							a-d,c-b	0	142.117	171.612	0	108.542	0
b-d,d-b	366.685	395.458	464.641	263.341	371.758	1156.338

根据公式(13)(14)(15)(16)计算上下行通行能力差值，结果如表7所示

表7 交叉口分方向的通行能力差值

通行能力差值	ΔE1	ΔE2	ΔE3	ΔE4
					交叉口1-交叉口2	2489.218	-238.156	-1179.4	-754.823
交叉口2-交叉口3	270.6891	-111.526	626.8531	-437.143
					交叉口3-交叉口4	-968.403	-234.335	2044.065	-491.24
交叉口4-交叉口5	1900.121	-260.714	-478.248	-965.834
					交叉口5-交叉口6	-674.372	-241.127	1572.526	-501.399

根据目标函数公式(17)，选出在交叉口1、4、6禁左，交叉口2、3、5设置左转保护相位时的目标函数值，即表6中的-1179.4。

遍历所有可行(满足公式1、2、3)的交叉口禁左和左转保护相位设置方案，重复以上步骤，按目标函数公式17选取最优解，为-895.683，对应的最优方案为交叉口2、5、6禁左，交叉口1、3、4设置左转保护相位。

Claims (6)

1.一种城市主干路禁左及左转保护相位设置方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：确定主干路研究区段包含的交叉口数量n，采集各交叉口各相位的现状交通流量，车道数，信号周期时长C,各交叉口四个进口道按逆时针方向以a,b,c,d进行编号，其中a和c为主干路进口道。

步骤2：根据采集的现状交通流量和车道数，计算若交叉口禁左(禁止左转)或设置左转保护相位时交通流量和车道数的重分配结果。

步骤3：根据交通流量和车道数的重分配结果，计算交叉口各相位绿信比。

步骤4：根据信号周期时长和绿信比，计算主干路各交叉口各流向的通行能力值。

步骤5：根据主干路通行能力值，确定主干路各交叉口禁左及左转保护相位的设置地点。

2.根据权利要求1所述的一种城市主干路禁左及左转保护相位设置方法，其特征在于，所述步骤2中的禁左或设置左转保护相位时交通流量和车道数的重分配计算方法包括如下步骤：

步骤21：若主干路某个交叉口y禁左，则距离交叉口y，沿主干路上下游s距离范围内的交叉口至少有一个交叉口设置左转保护相位，确保交通流能够正常左转。如式(1)、(2)、(3)所示：

|l_x-l_y|≤s，γ_x-y＝1 (1)

|l_x-l_y|>s，γ_x-y＝0 (2)

Пγ_x-yσ_y＝0 (3)

式中，|l_x-l_y|表示交叉口x和交叉口y的距离。γ_x-y是二元变量，γ_x-y∈(0,1)，取值为0表示交叉口x在交叉口y的s范围外，取值为1表示交叉口x在交叉口y的s范围外；σ_y是二元变量，σ_y∈(0,1)，取值0表示交叉口y设置左转保护，取值为1表示交叉口y设置禁左。

步骤22：满足步骤21之后，若交叉口y禁左，则原来在交叉口y左转的交通流等概率地分配到距离交叉口y的s范围内的交叉口左转，如式(4)、(5)所示：

上行方向：

$q_{ya\→yd}{\mathrm{\σ}}_y=\underset{x=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{xa\→xd}^y(1-{\mathrm{\σ}}_x){\mathrm{\γ}}_{x-y}---\left(4\right)$

下行方向

$q_{yc\→yb}{\mathrm{\σ}}_y=\underset{x=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{xc\→xb}^y(1-{\mathrm{\σ}}_x){\mathrm{\γ}}_{x-y}---\left(5\right)$

步骤23：根据步骤22的流量分配方案，考虑交叉口y禁左或设置左转保护后，流量重分配后流量表达式如式(6)(7)(8)(9)(10)(11)所示：

上行左转：

$Q_{ya\→yd}=(q_{ya\→yd}+\underset{u=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{ya\→yd}^u{\mathrm{\γ}}_{u-y})(1-{\mathrm{\σ}}_y)---\left(6\right)$

下行左转：

$Q_{yc\→yb}=(q_{yc\→yb}+\underset{u=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{yc\→yb}^u{\mathrm{\γ}}_{u-y})(1-{\mathrm{\σ}}_y)---\left(7\right)$

上行直行：

$Q_{ya\→yc}=q_{ya\→yc}+\underset{v=y-n}{\overset{y+n}{\Σ}}\left({\mathrm{\ρ}}_{v-u}\underset{u=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{va\→vc}^u\right)---\left(8\right)$

下行直行：

$Q_{yc\→ya}=q_{yc\→ya}+\underset{v=y-n}{\overset{y+n}{\Σ}}\left({\mathrm{\ρ}}_{v-u}\underset{u=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{vc\→va}^u\right)---\left(9\right)$

上行右转：

Q_ya→yb＝q_ya→yb (10)

下行右转：

Q_yc→yd＝q_yc→yd (11)

步骤24：根据步骤22的流量分配方案，若交叉口y禁左，则原有的左转车道分配给直行车道，如交叉口y设置左转保护相位，则车道分配保持不变。

3.根据权利要求1所述的一种城市主干路禁左及左转保护相位设置方法，其特征在于，所述步骤3中的交叉口各相位绿信比的计算方法包括如下步骤：

步骤31：根据步骤2得到的流量重分配结果，计算交叉口y的总流量比

步骤32：根据交叉口y的总流量比按各进口道等饱和度的原则分配绿信比λ。

4.根据权利要求1所述的一种城市主干路禁左及左转保护相位设置方法，其特征在于，所述步骤4中主干路各交叉口各流向通行能力值E的计算方法是指，使用步骤3计算得出的绿信比λ，乘以信号周期时长C，乘以步骤2计算得到的车道数L，再乘以饱和流量S，如公式(12)所示。

E＝S·L·λ·C (12)

5.根据权利要求1所述的一种城市主干路禁左及左转保护相位设置方法，其特征在于，所述步骤5中，主干路各交叉口禁左及左转保护相位设置地点的计算方法包括如下步骤：

步骤51：根据步骤4计算得到的交叉口各流向通行能力值E，计算:

各交叉口上行方向直行通行能力差值：交叉口y直行相位的通行能力与上游交叉口(y+1)经左转、直行、右转流入的通行能力的差值ΔE₁，如公式(13)所示。

ΔE₁＝E_yc→ya-E_(y+1)b→ya-E_(y+1)c→ya-E_(y+1)d→ya (13)

各交叉口上行方向左转通行能力差值ΔE₂，如公式(14)所示。

ΔE₂＝E_yc→yb-E_(y+1)b→yb-E_(y+1)c→yb-E_(y+1)d→yb (14)

各交叉口下行方向直行通行能力差值ΔE₃，如公式(15)所示。

ΔE₃＝E_ya→yc-E_(y-1)b→yc-E_(y-1)a→yc-E_(y-1)d→yc (15)

各交叉口下行方向左转通行能力差值ΔE₄，如公式(16)所示。

ΔE₄＝E_ya→yd-E_(y-1)b→yd-E_(y-1)a→yd-E_(y-1)d→yd (16)

步骤52：根据步骤51的计算结果，根据式(17)的目标函数，及约束条件(1)-(16)，计算主干路禁左及左转保护相位的设置地点，即优化得出各交叉口的最优σ_y取值。

max[min(ΔE₁，ΔE₂，ΔE₃，ΔE₄)] (17)

6.根据权利要求1所述的一种城市主干路禁左及左转保护相位设置方法，其特征在于，所述步骤51中，在计算通行能力差值时，若交叉口右转交通流不受控，使用实际右转流量值替代右转通行能力值。