CN107016858B - 一种交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法 - Google Patents
一种交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法,包括如下步骤:(1)确定主、预信号停车线之间的距离为最大综合候驶区的长度;(2)综合候驶区上游路段长度限定,判断路段是否符合设置预信号的要求;(3)计算错位式停车线的错位距离,进一步确定每条车道的候驶区长度;(4)根据预信号设置位置,确定主、预信号协调配时方案;(5)交叉口主信号采取四相位信号控制,预信号采用八相位控制,主预信号协调八相位控制。本发明的有益效果为:采用主预信号协调控制,分离式相位能够有效保证不同流向车辆分批次有序并高效的进入并驶离候驶区。
Description
技术领域
本发明涉及道路交通控制技术领域,尤其是一种交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法。
背景技术
交叉口作为道路网络的瓶颈部分,容易产生交通拥堵,一旦发生交通拥堵,就会影响到车辆排队并传播到路段的上游交叉口,使局部和整个干线网络处于极端拥堵状态。当交叉口不同转向车流相差较大时,会产生信号控制不平衡,甚至造成排队溢出的现象,因此,现在进行研究的重中之重是考虑怎样在时间和空间上对交叉口进行设计安排,以最大程度上提高交叉口的运行效率。现有的解决交叉口拥堵问题的措施主要有远引掉头、禁左、预信号等措施。预信号系统可利用候驶区和信号配时协同优化道路时间和空间资源,提高交叉口的利用效率。预信号是一种新的信号交叉口控制形式,可通过优化信号相位相序以做到充分利用候驶区面积,提高交叉口的整体服务水平。
传统的预信号主要集中于对分车型预信号的研究,大多是对公交优先预信号的研究,在交叉口处设置公交专用候驶区,使其在空间上与社会车辆产生分离。通过在进口道设置两条停车线,将公交车辆与社会车辆的通行权合理划分,使公交车有优先权,从而减少公交车辆的运行延误和排队时间,从而降低人均延误;同时,在主信号停车线前设置与其有一定相位差的预信号,使公交车能够在有效绿灯时间内顺利的进入候驶区等待释放并充分利用候驶区,从而提高公交车辆的运行效率。传统公交候驶区设置形式如图2所示。
但是,上述交叉口进口道的设置未考虑主预信号停车线之间候驶区的长度与车辆排队的关系,没有对主预信号协调控制参数进行深入分析建模;对不同进口道布设情况下,候驶区的布设形式以及预信号停车线的布设形式进行详细分析,并且没有对候驶区上游路段长度进行限定,这在一些左转车流量较大的交叉口会给不同流向的车辆造成一定的不便。
综合以上问题重新对候驶区长度以及上游路段长度进行深入建模,变换预信号停车线的布设形式以提高运行效率,重新划分车辆的通行权显得尤为必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法,能够避免不同流向车辆的相互干扰以及左转车流量大时的排队溢出现象,提高道路的利用率。
为解决上述技术问题,本发明提供一种交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法,包括如下步骤:
(1)设置左转和直行车辆共同使用的多流向综合候驶区,在候驶区下游末端设置主信号停车线,上游末端设置错位式预信号停车线,确定主、预信号停车线之间的距离为最大综合候驶区的长度;
(2)综合候驶区上游路段长度限定,判断路段是否符合设置预信号的要求;
(3)计算错位式停车线的错位距离,进一步确定每条车道的候驶区长度;
(4)根据预信号设置位置,确定主、预信号协调配时方案;
(5)交叉口主信号采取四相位信号控制,预信号采用八相位控制,主预信号协调八相位控制;同一个进口的左转预信号灯和直行预信号灯之间相隔四个相位,当左转车辆相位结束后,预信号处于全红状态,直到候驶区清空后,直行车辆进入综合候驶区等待;当直行车辆相位结束后,预信号处于全红状态,直到候驶区清空后,左转车辆进入综合候驶区等待,依次循环更迭交替。
优选的,步骤(1)中,在进口道设置至少一条专用左转车道,至少两条专用直行车道的十字型交叉口;综合候驶区长度计算公式为:
Ls=θ[max(GL,GT)-l]·s·h+2Rmin
其中,Cs——候驶区通行能力,pcu/(h·lane);Ls——候驶区长度,m;h——排队车辆平均车头间距,m;GL——左转车辆的绿灯间隔,s;GT——直行车辆的绿灯间隔时间,s;l——损失时间,s;s——饱和流率,pcu/(h·lane);θ——直行车辆转换系数,一般取0.75。
优选的,步骤(2)中,进行候驶区上游路段长度限定时,将候驶区上游路段长度分为换道减段和排队段两部分进行计算;换道减段长度为其中,Δ——驾驶谨慎系数,[0,1],值越大越谨慎;v——区间平均速度,km/h;Q——平均流量,pcu/(h·lane);ρjam——堵塞密度,pcu/m;n——变换车道数,a——减速度,一般取2m/s2;车辆到达服从r阶爱尔朗分布,排队段长度为其中λ——车辆到达率,pcu/(h·lane);μ——车辆平均服务率,pcu/(h·lane);s0应该满足关系式:候驶区上游路段长度计算公式:其中,Lvel——车辆长度,一般取5m,Lstop——安全停车距离,一般取2m,因此候驶区上游路段长度公式满足:交叉口进口道设置预信号的条件:路段上游长度需满足:交叉口进口道交通量在400pcu/h—1950pcu/h的范围内,进口道各转向车辆到达率应小于0.8倍的平均服务率,若该进口道同时满足以上条件,则说明该路段具有设置预信号的条件。
优选的,步骤(3)中,预信号停车线错位距离的计算过程为:以车辆变道起点为原点建立二维坐标系,横轴为车辆变道横向距离x,纵轴为车辆变道纵向距离y,Rmin为车辆最小转弯半径,则车辆变道时横纵距离情况和错位距离计算如下式:
相邻车道预信号停车线错位距离LC=2Rmin
则每条车道的候驶区长度为步骤(1)中所述的候驶区长度减去错位距离。
优选的,步骤(4)中,主、预信号协调配时方案的确定过程中:相位启动损失时间:ls=3s;全红时间等于上一相位尾车的清空时间与尾车经过停车线到达对面人行横道的时长之和,式中:A为全红时间,l为车辆长度,V0为交叉口的设计行驶速度,Lu为停车线到对面人行横道的距离;主信号黄灯时间ym=1s,预信号黄灯时间yp=3秒;预信号绿灯提前启亮时间,预信号绿灯其前启亮时间长度是由主信号与预信号之间的距离和路段社会车辆的平均车速以及社会车辆的起动加速度等决定的,其计算方法如下:
优选的,步骤(5)中,主预信号协调八相位控制,主、预信号协调放行权共分为8个:放行权一,以主信号南北向直行绿灯启亮作为信号周期的起点,此时东西向预信号为左转绿灯,主信号左转红灯,东西向左转车进入候驶区排队;南北向预信号为直行绿灯,主信号为直行绿灯,南北向候驶区直行车辆释放;放行权二,南北方向候驶区直行车辆释放一段时间后,预信号提前启亮左转红灯,主信号继续亮直行绿灯使候驶区清空;预信号信号相位不变;放行权三,南北方向候驶区内直行车辆清空后,预信号左转绿灯启亮,主信号左转红灯启亮,南北向左转车辆进入候驶区排队;东西方向主信号左转绿灯启亮,预信号左转绿灯继续启亮,左转车辆驶出候驶区;放行权四,东西方向左转车辆释放一段时间后,预信号直行红灯启亮,主信号左转绿灯继续启亮以保证候驶区清空;南北方向相位不变;放行权五,东西方向候驶区左转车辆清空后,主信号直行红灯启亮预信号直行绿灯启亮,直行车辆进入候驶区排队;南北方向主信号左转绿灯启亮,预信号左转绿灯继续启亮,南北方向左转车释放;放行权六,南北方向左转车辆释放一段时间后,预信号直行红灯启亮,主信号左转绿灯继续启亮,候驶区左转车清空;东西方向相位不变;放行权七,南北方向候驶区左转车辆清空后,预信号直行绿灯启亮,主信号直行红灯启亮,直行车辆进入候驶区排队;东西向主信号直行绿灯启亮,预信号直行绿灯继续启亮,直行车辆释放;放行权八,东西方向直行车辆释放一段时间后,预信号左转红灯启亮,主信号直行绿灯继续启亮,候驶区内左转车辆清空;南北方向相位不变。
本发明的有益效果为:(1)本发明以社会车辆为研究对象,避免着重优化某一转向或某一类型车辆而增加其他车辆在交叉口处的延误;(2)优化了预信号停车线的形式,减少了车辆换道产生的无效区域的面积,使候驶区得到充分利用,提高候驶区的运行效率;(3)对候驶区上游长度进行限定,并分段分析计算,能够避免上游车辆排队溢出现象的发生;(4)采用主预信号协调控制,分离式相位能够有效保证不同流向车辆分批次有序并高效的进入并驶离候驶区。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的具有多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制系统的结构示意图。
图3为本发明的传统公交候驶区设置方案示意图。
图4为本发明的主、预信号车辆放行权方案示意图。
图5为本发明的车辆变道所需横纵距离的示意图。
图6为本发明的主、预信号相位相序方案示意图。
图7为本发明的主、预信号配时方案示意图。
图8为本发明的行人与机动车冲突示意图。
图9为本发明的某交叉口进口道信号原始配时方案示意图。
图10为本发明的某交叉口进口道改进后主、预信号配时方案示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法,包括如下步骤:
(1)设置左转和直行车辆共同使用的多流向综合候驶区,在候驶区下游末端设置主信号停车线,上游末端设置错位式预信号停车线,确定主、预信号停车线之间的距离为最大综合候驶区的长度;
(2)综合候驶区上游路段长度限定,判断路段是否符合设置预信号的要求;
(3)计算错位式停车线的错位距离,进一步确定每条车道的候驶区长度;
(4)根据预信号设置位置,确定主、预信号协调配时方案;
(5)交叉口主信号采取四相位信号控制,预信号采用八相位控制,主预信号协调八相位控制;同一个进口的左转预信号灯和直行预信号灯之间相隔四个相位,当左转车辆相位结束后,预信号处于全红状态,直到候驶区清空后,直行车辆进入综合候驶区等待;当直行车辆相位结束后,预信号处于全红状态,直到候驶区清空后,左转车辆进入综合候驶区等待,依次循环更迭交替。
图2是交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制系统。如图2所示,该交叉口有一条左转专用车道,两条直行车道和一条直右共用车道。其中包括多个车道构成的多流向候驶区1和上游路段2,其特征在于候驶区能够重新分流和渠化不同流向车辆,还包括排队区域3、减速换道区域4和错位式预信号停车线5。在道路的一端,排队区域和减速换道区域组成了候驶区,且排队区域位于减速换道区下游,预信号停车线位于减速换道区域上游,即上游来车先驶过预信号停车线,经过减速换道区域后,主信号停车线前的排队区域停车等待。
所需硬件装置为预信号灯、提交变道标线和交通标志。这三种设施均设置在交叉口停车线前一定距离。该方法包括如下步骤:
步骤一具体为:如图2所示,设置左转和直行车辆共同使用的多流向综合候驶区1,在候驶区下游末端设置主信号停车线,上游末端设置错位式预信号停车线5,主预信号停车线之间的距离为综合候驶区的长度。
用公式:Ls=θ[max(GL,GT)-l]·s·h+2Rmin可以求出主预信号候驶区的最大长度。Cs——候驶区通行能力,pcu/(h·lane);Ls——候驶区长度,m;h——排队车辆平均车头间距,m;GL——左转车辆的绿灯间隔,s;GT——直行车辆绿灯间隔时间,s;l——损失时间,s;s——饱和流率,pcu/(h·lane);θ——直行车辆转换系数,一般取0.75
步骤二具体为:综合候驶区上游路段长度限定,判断路段是否符合设置预信号的要求;进行候驶区上游路段长度限定时,将候驶区上游路段长度分为换道减段3和排队段4两部分进行计算,过程为:
a.换道减速段长度
θ——驾驶谨慎系数,[0,1],值越大越谨慎,v——区间平均速度,km/h;Q——平均流量,pcu/(h·lane);ρjam——堵塞密度,pcu/m,n——变换车道数,a——减速度,一般取2m/s2。
b.排队段
车辆到达服从r阶爱尔朗分布,则排队段长度计算公式为:
λ——车辆到达率,μ——车辆平均服务率,s0应该满足关系式:
另外,交叉口进口道交通量在400pcu/h—1950pcu/h的范围内,且进口道各转向车辆到达率应小于0.8倍的平均服务率。
若同时满足以上条件,则说明该进口道具备设置预信号的条件,可继续进行下面步骤;若不满足,则说明该路段不具备设置预信号的条件。
步骤三具体为:计算错位式停车线的错位距离,进一步确定每条车道的候驶区长度;
如图5所示,以车辆变道起点为原点建立二维坐标系,横轴为车辆变道横向距离x,纵轴为车辆变道纵向距离y,Rmin为车辆最小转弯半径,则车辆变道时横纵距离情况可总结为下式,车辆换道情况见图5:
预信号停车线错位距离LC=2Rmin
求出预信号停车线错位距离后,则每条车道的候驶区长度为候驶区最大长度减去错位距离。
如图6所示,步骤四具体为:根据预信号设置位置,确定主、预信号协调配时方案;
全红时间等于上一相位尾车的清空时间与尾车经过停车线到达对面人行横道的时长之和,见图8;
式中:A为全红时间,l为车辆长度,V0为交叉口的设计行驶速度,Lu为停车线到对面人行横道的距离。
预信号绿灯提前启亮时间:
Vs为路段上社会车辆的平均速度,L为候驶区最大长度。
主信号绿灯:
C×UL×NL=MLG×S×M C×UT×(M-NL)=MTG×S×M
左转绿灯显示时间:gML=MLG+A-ym直行绿灯显示时间:gMT=MTG+A-ym
预信号绿灯:
C×UL×NL=PLG×S×NL C×UT×(M-NL)=PTG×S×(M-NL)
左转显示绿灯时长:gpL=PLG+A-yp直行显示绿灯时长:gPT=PTG+A-yp
NL——左转车道数;M——候驶区车道数;C——交叉口信号周期;S——车道饱和率,pcu/(h·lane);UL——左转车平均到达率,pcu/(h·lane);UT——直行车平均到达率,pcu/(h·lane);
主信号红灯:
直行红灯MTR=gPT+t2+yp-gMT-ym左转红灯MLR=gPL+t2+yp-gML-ym
如图4所示,步骤五具体为:所述交叉口主信号采取四相位信号控制,预信号采用八相位控制,主预信号协调八相位控制;同一个进口的左转预信号灯和直行预信号灯之间相隔四个相位,当左转车辆相位结束后,预信号处于全红状态,直到候驶区清空后,直行车辆进入综合候驶区等待;当直行车辆相位结束后,预信号处于全红状态,直到候驶区清空后,左转车辆进入综合候驶区停车等待,依次循环更迭交替。
具体实施例:
以某信号交叉口为例,研究其交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号系统的进口道,见图2。
该进口道基本情况如下:进口道四车道,其中一条左转专用道,一条右转专用道,两条直行车道,信号周期150s,该进口道信号配时有四相位,配时情况见图9;高峰小时交通量情况,如表2所示。延误计算采用VISSIM仿真配合视频调查相结合的方法,进行10次连续仿真,每次运行时长为600仿真秒,间隔60秒进行一次检测,取10次运行结果的平均值,得到如下运行结果。
得到的该进口道各方向上的延误,如表3所示。
表2该信号交叉口目标进口道高峰小时交通量(pcu/(h·lane))
方向 | 左转 | 直行1 | 直行2 | 右转 | 总计 |
交通量 | 720 | 800 | 800 | 348 | 2668 |
表3交叉口目标进口道各方向的延误情况
方向 | 左转 | 直行 | 右转 | 平均值 |
延误(s/veh) | 97.15 | 87.21 | 23.75 | 69.37 |
同时,从VISSIM仿真结果可以看出,该交叉口目标进口道各车道均存在大量车辆排队情况,甚至产生排队溢出。表4反映了该交叉口车辆排队情况。
表4该交叉口进口道各方向排队长度
方向 | 左转 | 直行 | 右转 | 平均值 |
排队长度(m) | 156.4 | 129.2 | 32.7 | 106.1 |
这两项结果表明,在现有的交叉口控制方式下,左转和直行车道车辆延误明显,在实际运行过程中会导致驾驶员产生烦躁,怒驾等心理,不利于行车安全。
现利用本发明所提出的方法对其进行改进:
根据公式,确定预信号候驶区长度:
进口道饱和流率为1800pcu/(h·lane),平均服务率为1167pcu/(h·lane),左转辆到达率为500pcu/(h·lane),直行车辆到达率为550pcu/(h·lane).,信号周期为150s。这里只考虑小汽车的行驶,小汽车最小转弯半径取8m。主、预信号配时如表5所示,见附图10,谨慎系数取0.75。
表5主预信号配时情况
候驶区长度:
错位距离L=16m,
左转车道候驶区长度187m,直行1车道候驶区长度171m,直行2车道候驶区长度155m,
右转车道候驶区长度139m。
候驶区上游长度:
直行车:
s0=1.227
当θ=0时,
当θ=1时,
因此M≥185m
同理以左转车到达率代入进行计算,可得M≥180m,因此上游长度设为185m。
至此,求得该方法所需的各项数据。将各个数据反映在VISSIM建立的交叉口模型中,并运行仿真,得到最终的交叉口进口道延误如表6所示。
表6改进后交叉口进口道各方向延误
方向 | 左转 | 直行 | 右转 | 平均值 |
延误(s) | 45.83 | 58.81 | 25.47 | 42.37 |
从延误表中可以看出,右转车辆的延误略有增加,左转和直行车辆延误大幅度减小。最终该进口道每辆车平均延误减少了27s(38.92%),效果显著,同时,红灯期间,车辆排队长度得到明显减少,排队溢出情况没有发生,这在一定程度上提高驾驶员的驾驶状态和安全性。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述,但本领域的技术人员应当理解,只要不超出本发明的权利要求所限定的范围,可以对本发明进行各种变化和修改。
Claims (5)
1.一种交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)设置左转和直行车辆共同使用的多流向综合候驶区,在候驶区下游末端设置主信号停车线,上游末端设置错位式预信号停车线,确定主、预信号停车线之间的距离为最大综合候驶区的长度;
(2)综合候驶区上游路段长度限定,判断路段是否符合设置预信号的要求;进行候驶区上游路段长度限定时,将候驶区上游路段长度分为换道减段和排队段两部分进行计算;换道减段长度为其中,θ——驾驶谨慎系数,其取值范围为[0,1],值越大越谨慎;v——区间平均速度,单位为km/h;Q——平均流量,单位为pcu/(h·lane);ρjam——堵塞密度,单位为pcu/m;n——变换车道数,a——减速度,取2m/s2;车辆到达服从r阶爱尔朗分布,排队段长度为其中λ——车辆到达率,单位为pcu/(h·lane);μ——车辆平均服务率,单位为pcu/(h·lane);s0应该满足关系式:|s0|>1;候驶区上游路段长度计算公式:其中,Lvel——车辆长度,取5m,Lstop——安全停车距离,取2m,因此候驶区上游路段长度公式满足:交叉口进口道设置预信号的条件:路段上游长度需满足:交叉口进口道交通量在400pcu/h-1950pcu/h的范围内,进口道各转向车辆到达率应小于0.8倍的平均服务率,若该进口道同时满足以上条件,则说明该路段具有设置预信号的条件;
(3)计算错位式停车线的错位距离,进一步确定每条车道的候驶区长度;
(4)根据预信号设置位置,确定主、预信号协调配时方案;
(5)交叉口主信号采取四相位信号控制,预信号采用八相位控制,主预信号协调八相位控制;同一个进口的左转预信号灯和直行预信号灯之间相隔四个相位,当左转车辆相位结束后,预信号处于全红状态,直到候驶区清空后,直行车辆进入综合候驶区等待;当直行车辆相位结束后,预信号处于全红状态,直到候驶区清空后,左转车辆进入综合候驶区等待,依次循环更迭交替。
2.如权利要求1所述的交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法,其特征在于,步骤(1)中,在进口道设置至少一条专用左转车道,至少两条专用直行车道的十字型交叉口;综合候驶区长度计算公式为:
Ls=θ[max(GL,GT)-l]·s·h+2Rmin
其中,Ls——候驶区长度,单位为m;h——排队车辆平均车头间距,单位为m;GL——左转车辆的绿灯间隔,单位为s;GT——直行车辆的绿灯间隔时间,单位为s;l——损失时间,单位为s;s——饱和流率,单位为pcu/(h·lane);θ——直行车辆转换系数,取0.75。
4.如权利要求1所述的交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法,其特征在于,步骤(4)中,主、预信号协调配时方案的确定过程中:相位启动损失时间:ls=3s;全红时间等于上一相位尾车的清空时间与尾车经过停车线到达对面人行横道的时长之和,式中:A为全红时间,l为车辆长度,V0为交叉口的设计行驶速度,Lu为停车线到对面人行横道的距离;主信号黄灯时间ym=1s,预信号黄灯时间yp=3秒;预信号绿灯提前启亮时间,预信号绿灯其前启亮时间长度是由主信号与预信号之间的距离和路段社会车辆的平均车速以及社会车辆的起动加速度决定的,其计算方法如下:
5.如权利要求1所述的交叉口多流向候驶区和错位式停车线的预信号控制方法,其特征在于,步骤(5)中,主预信号协调八相位控制,主、预信号协调放行权共分为8个:放行权一,以主信号南北向直行绿灯启亮作为信号周期的起点,此时东西向预信号为左转绿灯,主信号左转红灯,东西向左转车进入候驶区排队;南北向预信号为直行绿灯,主信号为直行绿灯,南北向候驶区直行车辆释放;放行权二,南北方向候驶区直行车辆释放一段时间后,预信号提前启亮左转红灯,主信号继续亮直行绿灯使候驶区清空;预信号信号相位不变;放行权三,南北方向候驶区内直行车辆清空后,预信号左转绿灯启亮,主信号左转红灯启亮,南北向左转车辆进入候驶区排队;东西方向主信号左转绿灯启亮,预信号左转绿灯继续启亮,左转车辆驶出候驶区;放行权四,东西方向左转车辆释放一段时间后,预信号直行红灯启亮,主信号左转绿灯继续启亮以保证候驶区清空;南北方向相位不变;放行权五,东西方向候驶区左转车辆清空后,主信号直行红灯启亮预信号直行绿灯启亮,直行车辆进入候驶区排队;南北方向主信号左转绿灯启亮,预信号左转绿灯继续启亮,南北方向左转车释放;放行权六,南北方向左转车辆释放一段时间后,预信号直行红灯启亮,主信号左转绿灯继续启亮,候驶区左转车清空;东西方向相位不变;放行权七,南北方向候驶区左转车辆清空后,预信号直行绿灯启亮,主信号直行红灯启亮,直行车辆进入候驶区排队;东西向主信号直行绿灯启亮,预信号直行绿灯继续启亮,直行车辆释放;放行权八,东西方向直行车辆释放一段时间后,预信号左转红灯启亮,主信号直行绿灯继续启亮,候驶区内左转车辆清空;南北方向相位不变。
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