CN106781555B - 一种设置双左转车道的信号交叉口调头区域设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设置双左转车道的信号交叉口调头区域设计方法。本发明在确定双左转车道通行能力的过程中，充分考虑了调头车流运行特性对后续左转车流选道行为的影响，并据此建立带有调头区域的双左转车道通行能力计算模型，然后结合交叉口实际运行特性，进行模型的建立与简化，并以双车道综合通行能力最大为目标确定调头区域的最佳设置位置，使得该情况下的通行能力计算更加精准。

Description

一种设置双左转车道的信号交叉口调头区域设计方法

技术领域

本发明涉及交通规划与设计领域，具体涉及一种设置双左转车道的信号交叉口调头区域设计方法。

背景技术

目前，城市道路交叉口双左转车道上的调头区域设置缺乏科学、可行的方法，都是交通设计人员根据经验设定，致使调头车流与左转车流在通行过程中相互干扰明显，造成了车道时间资源浪费和通行能力下降。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种设置双左转车道的信号交叉口调头区域设计方法。

本发明包括以下步骤：

A)先建立带有调头区域的双左转车道通行能力计算模型

建立带有调头区域的双左转车道通行能力计算模型的步骤，包括：

a)首先确定设置调头开口的双左转车道的交通流特性

这里的交通流特性包括三个参数：单位时间内车辆到达率d、左转与调头车辆数比例λ、交叉口停车排队时车辆占道长度l₀；数据主要通过高峰小时交通实地调查获取；

b)然后确定交叉口的设计参数；

这里的交叉口设计参数包括：当前进口道停车线到调头开口的距离L₀、调头开口宽度h、对向进口车道停车线与该进口停车线的距离L₁、交叉口该进口渠化段长度L₂、左转待行区长度L₃、相邻出口道宽度L₄、交叉口处绿化带宽度L₅、交叉口各进口直行、左转、调头的设计车速V_s、V_l、V_t；以上各参数通过实地交通调查获取；

c)接着确定交叉口信号配时方案；

这里的信号配时方案包括：信号周期时长c、对应车流放行的各信号阶段次序、各阶段的时长；数据主要通过实地交通调查得到；

d)最后建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型

建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型的过程包括：

1)首先分析调头车流与左转车流之间的相互影响机理

分析调头车流与左转车流之间相互影响机理的过程：首先，分析调头车流对左转车流的影响，阶段3开始之前，调头车辆先于左转车辆到达交叉口处停车排队，一方面会迫使其身后已进入左转与调头共用车道上的左转车辆提前停车排队，而从而增加其身后左转车辆绿灯期间的通行时间，另一方面还会对后续到达的左转车辆的选道行为产生影响；其次，分析左转车流对调头车流的影响，阶段4时段内，如果左转车辆进入交叉口停车排队在挡住了调头开口，那么就会造成后续到达的调头车无法在其绿灯时间内通行，从而造成一定时长的“调头绿灯空放”；最后，分析左转车流与调头车流互不影响的情况，在整个运行周期内，左转绿灯时间、调头绿灯时间都可以得到充分利用；

2)其次建立两条左转车道的预期通行时间计算模型

21)首先建立左转专用车道的预期通行时间计算模型

建立左转专用车道通行时间计算模型的过程：首先，分析左转专用车道上车辆的离散规律，左转绿灯期间该车道上的车辆遵循启动波模型，车流运动以固定波速往后传播，车辆连续通过交叉口；其次，建立左转专用车道的预期通行时间模型，队列中某一排队车辆的预期通过时间等于绿灯启亮后启动波传递到该排队车辆的时间与该辆排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；

22)然后建立左转与调头共用车道的预期通行时间计算模型

建立左转与调头共用车道的预期通行时间计算模型的过程：首先，分析调头车流影响左转车流通行的情况下，首辆调头车后面的某辆排队左转车的通行时间等于上一阶段最后一辆直行车通过调头开口的清空时间与车辆启动损失时间与启动波传递到该辆排队车辆的时间以及该排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；然后，分析左转车影响调头车通行和两种车辆互不影响的情况，两种情况下左转车的通行时间都不受调头车的影响，故其运行规律与左转专用车道上的车辆相同，应等于启动波传递到该排队车辆的时间与该排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；

3)然后建立双左转车道下的左转车辆选道模型

建立双左转车道情况下左转车辆选道模型的过程：首先，分析后续到达的左转车辆选道的依据，根据当前情况下前面两条车道的交通条件，驾驶员会预判自己进入前面两条左转车道后的通行时间，并选择预期通行时间较短的那条左转车道排队等候通行；然后，根据建立的左转专用车道通行时间计算模型和左转与调头共用车道通行时间计算模型，将两条车道当前的预期通行时间进行比较，较小者即为所选车道；

4)最后建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型

建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型的过程：首先，根据车辆的到达率、选道模型、信号控制方案等参数，求解两条左转车道上的车辆排队与驶离情况；然后，根据确定的单周期内两条车道可以通过的最大车辆数，求算出高峰小时内可以通过的车辆总数，既得双左转车道的通行能力计算模型。

B)再确定双左转车道上的调头区域位置

确定双左转车道上调头区域位置的步骤，包括

a)先求解不同调头区域位置下该双左转车道的通行能力

在左转和调头车道交通特性、交叉口设计参数以及信号控制方案已知的情况下，让调头区域位置在一个区间之间变换取值，得出不同调头区域位置下该双左转车道的通行能力；

b)再确定该双左转车道上的调头区域位置

利用得出的不用调头区域位置下该双左转车道的通行能力，绘制双左转车道通行能力与调头位置的对应变化曲线，使得通行能力最大的那个位置就是最佳位置。

本发明在确定双左转车道通行能力的过程中，充分考虑了调头车流运行特性对后续左转车流选道行为的影响，并据此建立带有调头区域的双左转车道通行能力计算模型，然后结合交叉口实际运行特性，进行模型的建立与简化，并以双车道综合通行能力最大为目标确定调头区域的最佳设置位置，使得该情况下的通行能力计算更加精准。

本发明的有益效果：

1)本发明在确定双左转车道调头区域最佳设置位置时，立足于交叉口实际运行规律和实际需求，充分考虑了调头车流对左转车流车道选择行为的影响，并据此建立计算模型，使得调头区域的设置更加科学、合理。

2)本发明沿用以前的交通流启动波模型和平面交叉口调头开口设计形式，首创双车道利用率约束下调头区域最佳位置的设计方法，统筹考虑了左转需求、调头需求、交叉口设计参数和信号控制方案，使得建立的通行能力计算公式能更加反映调头区域设置位置对双左转车道通行能力的影响，可以更好的为交叉口交通设计与优化服务。

附图说明

图1是本发明所适用的平面十字交叉口示意图；

图2是本发明所采用的信号配时方案示意图；

图3是调头车阻挡左转车通行的交叉口排队示意图；

图4是左转车阻挡调头车通行的交叉口排队示意图；

图5是本发明设置双左转车道的信号交叉口调头区域设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

本发明通过分析左转和调头车流的相互作用机理及其对左转车辆选道的影响，建立了带有调头区域的双左转车道通行能力计算模型，并以通行效率最优为目标确定了双左转车道调头区域最佳设置位置，使得左转车流与调头车流之间相互影响最小，车道资源利用率最高。

本发明中的有效绿灯时间是指用绿灯显示时间减去损失时间。双车道通行能力是指在当前的道路、交通、控制和环境条件下，两条左转车道一小时内所通过的最大车辆数目。车辆占道长度是指包括车辆自身的长度、与前后两车之间的安全间距在内的空间长度。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种设置双左转车道的信号交叉口调头区域设计方法，步骤包括：先建立带有调头区域的双左转车道通行能力计算模型、再确定双左转车道上调头区域位置。

A)在建立带有调头区域的双左转车道通行能力计算模型的过程中：

a)要先确定设置调头开口的双左转车道的交通流特性，即包括三个参数：左转和调头共用车道上的左转车和调头车比例λ、车辆到达率d，交叉口停车排队时车辆占道长度l₀；

b)然后确定交叉口的设计参数，包括：如图1中所示当前进口道停车线到调头开口的距离L₀、调头开口宽度h、对向进口车道停车线与该进口停车线的距离L₁、交叉口该进口渠化段长度L₂、左转待行区长度L₃、相邻出口道宽度L₄、交叉口处绿化带宽度L₅、交叉口各进口直行、左转、调头的设计车速V_s、V_l、V_t；

c)接着确定交叉口信号配时方案，这里如图2所示，令调头信号在阶段3启亮、阶段4结束，信号周期时长为c、各阶段时长依次为g₁、g₂、g₃、g₄；

d)建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型，过程包括：

1)首先分析调头车流与左转车流之间的相互影响机理

分析调头车流与左转车流之间相互影响机理的过程：首先，分析调头车流对左转车流的影响，如图3所示，阶段3开始之前，调头车辆先于左转车辆到达交叉口处停车排队，一方面会迫使其身后已进入左转与调头共用车道上的左转车辆提前停车排队，而从而增加其身后左转车辆绿灯期间的通行时间，另一方面还会对后续到达的左转车辆的选道行为产生影响；其次，分析左转车流对调头车流的影响，如图4所示，阶段4时段内，如果左转车辆进入交叉口停车排队在挡住了调头开口，那么就会造成后续到达的调头车无法在其绿灯时间内通行，从而造成一定时长的“调头绿灯空放”；最后，分析左转车流与调头车流互不影响的情况，在整个运行周期内，左转绿灯时间、调头绿灯时间都可以得到充分利用。

2)其次建立两条左转车道的预期通行时间计算模型

21)首先建立左转专用车道的预期通行时间计算模型

建立左转专用车道通行时间计算模型的过程：

左转绿灯期间该车道上的车辆遵循启动波模型，车流运动以固定波速往后传播，车辆连续通过交叉口；其次，建立左转专用车道的预期通行时间模型，队列中某一排队车辆的预期通过时间等于绿灯启亮后启动波传递到该排队车辆的时间、该辆排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；由此可知，在无溢出情况下，左转专用车道上的第n+1辆排队车辆的通过时间，应该等于排队队首车辆的固定延误时间与启动波传递到第n+1辆排队车辆的时间以及第n+1辆排队车辆启动后通过停车线的时间之和，即有

T₁(n+1)＝G₁+nl₀/|u_w|+t¹ _n+1 (1)式中：

G₁为左转车作为队首车辆时，绿灯启亮后的固定延误，一般取2s；

t¹ _n+1表示第n+1辆车从启动加速后一直到通过停车线驶离交叉口的时间；

左转车辆启动后加速到最大行驶速度所用的时间t_a，

t_a＝V_l/a (2)

左转车辆启动后加速到最大行驶速度所驶过的距离l_a，

l_a＝(at_a ²)/2 (3)

当l_a≥nl₀时，车辆通过停车线之前一直处于加速状态，则有

当l_a<nl₀时，车辆通过停车线之前经历了一段加速过程和匀速行驶过程，则有

综上

22)然后建立左转与调头共用车道的预期通行时间计算模型

建立左转与调头共用车道的预期通行时间计算模型的过程：

221)分析调头车流影响左转车流通行的情况

首辆调头车后面的某辆排队左转车的通行时间等于上一阶段最后一辆直行车通过调头开口的清空时间与车辆启动损失时间与启动波传递到该辆排队车辆的时间以及该排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；

假设排队车辆的平均加速度为a，左转车辆最大行驶速度等于交叉口左转车道设计车速为V_l，从调头口往后有m辆车排队，那么，左转车作为第m+1辆排队车辆，其通过时间为

T₂(m+1)＝G₂+ml_j/|u_w|+t¹ _m+1 (7)

其中

G₂＝(L₁+L)/V_s+2 (8)

式中：G₂表示左转车等待调头车驶离的时间；

t¹ _m+1表示第m+1辆车从启动加速后一直到通过停车线驶离交叉口的时间；

根据公式(2)和公式(3)，同理可知

当l_a≥ml₀+L+l_T时，车辆通过停车线之前一直处于加速状态，则有

当l_a<ml₀+L+l_T时，车辆通过停车线之前经历了一段加速过程和匀速行驶过程，则有

综上

222)分析左转车影响调头车通行和两种车辆互不影响的情况

两种情况下左转车的通行时间都不受调头车的影响，故其运行规律与左转专用车道上的车辆相同，应等于启动波传递到该排队车辆的时间与该排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；

3)然后建立双左转车道下的左转车辆选道模型

这里建立双左转车道情况下左转车辆选道模型的过程：首先，分析后续到达的左转车辆选道的依据，根据当前情况下前面两条车道的交通条件，驾驶员会预判自己进入前面两条左转车道后的通行时间，并选择预期通行时间较短的那条左转车道排队等候通行；然后，根据建立的左转专用车道通行时间计算模型和左转与调头共用车道通行时间计算模型，将两条车道当前的预期通行时间进行比较，较小者即为所选车道，即

t＝min{T₁(n+1),T₂(m+1)} (12)

式中：

N——代表自然数；

β——表示左转与调头共用车道上，调头口处首辆调头车启动时因前方左转车影响而产生的延误；

4)最后建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型

建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型的过程：

首先，根据车辆的到达率、选道模型、信号控制方案等参数，求解两条左转车道上的车辆排队与驶离情况；

41)先求解两条左转车道上的车辆排队与驶离情况

411)阶段3开始之前，L+h段上排队的左转车辆数β的取值范围为0～x′(x′为的商的最大值，即L₃+L段最大承载量)，则此时至少应当有2β辆左转车到达交叉口，该类情况下的概率计算公式为：

假设阶段3开始之前，内侧左转与调头共用车道上调头开口后面最大排队长度为m+1辆、并且阶段3结束时恰好全部通过，此时共用车道上最后一辆车通过停车线的时间，应满足

T₂(m+1)≤g₃ (14)

假设阶段3开始之前，外侧左转专用车道上排队长度为n+1辆并且阶段3结束时恰好全部通过,此时左转专用车道上最后一辆车通过停车线的时间，应满足

T₁(n+1)≤g₃ (15)

则此时，阶段3内两条左转车道通过的全部车辆数为

412)针对阶段4时段，只有调头车可以通过调头开口驶离交叉口，左转车必须停车排队的情况，需要计算t秒内到达辆左转车的概率：根据假设条件，车辆均匀分布，则2k辆左转车对应辆调头车，此时问题转化为：

计算t秒内到达车辆总数为的概率假设车辆到达服从泊松分布，可知t秒内到达车辆总数为的概率为

其中m＝d·t，表示在计数间隔t内平均到达的车辆数，

则此时，阶段4内通过的调头车全部以最大速度V_t通过，则阶段4通过的最大车辆数

42)再求解双左转车道的通行能力

根据确定的单周期内两条车道可以通过的最大车辆数，求算出高峰小时内可以通过的车辆总数，既得双左转车道的通行能力计算模型

B)再确定双左转车道上调头区域位置，具体是

a)先求解不同调头区域位置下该双左转车道的通行能力

在左转和调头车道交通特性、交叉口设计参数以及信号控制方案已知的情况下，让调头区域位置在0到L₂之间变换取值，得出不同调头区域位置下该双左转车道的通行能力；

b)再确定该双左转车道的调头区域位置

利用得出的不同调头区域位置下该双左转车道的通行能力，绘制双左转车道通行能力与调头位置的对应变化曲线，使得通行能力最大的那个位置就是最佳位置。

综上，本发明提供了一种双左转车道通行能力计算模型，并求解了设置双左转车道的信号交叉口调头区域设计方法，克服了目前双左转车道下调头区域设置的盲目性，提高了交叉口时空资源的利用率，具有较高的使用价值。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种设置双左转车道的信号交叉口调头区域设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

A）先建立带有调头区域的双左转车道通行能力计算模型；

B）再确定双左转车道上的调头区域位置；

所述步骤A）先建立带有调头区域的双左转车道通行能力计算模型，包括如下步骤：

a）首先确定设置调头开口的双左转车道的交通流特性；

b）然后确定交叉口的设计参数；

c）接着确定交叉口信号配时方案；

d）最后建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型，这里包括如下步骤：

1）首先分析调头车流与左转车流之间的相互影响机理；

2）其次建立两条左转车道的预期通行时间计算模型；

3）然后建立双左转车道下的左转车辆选道模型；

4）最后建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型；

所述步骤B）再确定双左转车道上的调头区域位置，包括如下步骤：

a）先求解不同调头区域位置下该双左转车道的通行能力，具体是：在左转和调头车道交通特性、交叉口设计参数以及信号控制方案已知的情况下，让调头区域位置在一个区间之间变换取值，得出不同调头区域位置下该双左转车道的通行能力；

b）再确定该双左转车道上的调头区域位置，具体是：利用得出的不同调头区域位置下该双左转车道的通行能力，绘制双左转车道通行能力与调头位置的对应变化曲线，使得通行能力最大的那个位置就是最佳位置；

所述步骤A）的步骤d）中建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型的步骤包括：

1）首先分析调头车流与左转车流之间的相互影响机理

分析调头车流与左转车流之间相互影响机理的过程：首先，分析调头车流对左转车流的影响；其次，分析左转车流对调头车流的影响；最后，分析左转车流与调头车流互不影响的情况；

2）其次建立两条左转车道的预期通行时间计算模型

21）首先建立左转专用车道的预期通行时间计算模型

建立左转专用车道通行时间计算模型的过程：首先，分析左转专用车道上车辆的离散规律，左转绿灯期间该车道上的车辆遵循启动波模型，车流运动以固定波速往后传播，车辆连续通过交叉口；其次，建立左转专用车道的预期通行时间模型，队列中某一排队车辆的预期通过时间等于绿灯启亮后启动波传递到该排队车辆的时间与该辆排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；

22）然后建立左转与调头共用车道的预期通行时间计算模型

建立左转与调头共用车道的预期通行时间计算模型的过程：首先，分析调头车流影响左转车流通行的情况下，首辆调头车后面的某辆排队左转车的通行时间等于上一阶段最后一辆直行车通过调头开口的清空时间、车辆启动损失时间、启动波传递到该辆排队车辆的时间、该排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；然后，分析左转车影响调头车通行和左转车不影响调头车通行的情况，两种情况下左转车的通行时间都不受调头车的影响，故其运行规律与左转专用车道上的车辆相同，应等于启动波传递到该排队车辆的时间与该排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；

3）然后建立双左转车道下的左转车辆选道模型

建立双左转车道情况下左转车辆选道模型的过程：首先，分析后续到达的左转车辆选道的依据，根据当前情况下前面两条车道的交通条件，驾驶员会预判自己进入前面两条左转车道后的通行时间，并选择预期通行时间较短的那条左转车道排队等候通行；然后，根据建立的左转专用车道通行时间计算模型和左转与调头共用车道通行时间计算模型，将两条车道当前的预期通行时间进行比较，较小者即为所选车道；

4）最后建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型

建立带有调头区域的双左转车道的通行能力计算模型的过程：首先，根据车辆的到达率、选道模型、信号控制方案，求解两条左转车道上的车辆排队与驶离情况；然后，根据确定的单周期内两条车道可以通过的最大车辆数，求算出高峰小时内可以通过的车辆总数，既得双左转车道的通行能力计算模型。