信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法
技术领域
本发明涉及一种信号交叉口可变进出口车道的渠化设计方案和信号控制技术。
背景技术
城市道路交叉口是城市交通流运行的瓶颈,也是城市交通拥堵的节点,广大学者对其进行了广泛的研究。现有研究较多集中在交叉口各流向的通行能力计算、交通流特性分析及左转车道设置上。为了充分利用交叉口的时空资源,也有学者对交叉口可变进口车道进行研究。对可变进口车道的研究主要有两类,一类是利用交叉口进口道左侧的第一条出口车道作为左转进口可变车道(某些时段内该出口车道可作为左转进口车道使用),另一类是将直行进口车道的最左侧一条作为直行和左转的可变进口车道。这两种方法通过优化交叉口进口道的车道布局,提高了交叉口的通行效率。然而,城市道路中还存在着一类交叉口,由于道路条件受限或者相对方向流量不均衡,导致交叉口内部某流向的进口车道数大于出口车道数,使交叉口内部存在强制合流的情况,一方面降低了交叉口的通行能力,另一方面也带来了交通安全隐患。现有交叉口拓宽车道研究,较多集中在进口车道的拓宽上。进口车道拓宽增加了某流向的进口车道数,但不能解决某流向进出口车道数不平衡的问题。因此,如何增加出口车道数使各流向进出口车道数平衡成为该类交叉口安全高效运行的重要保障。交叉口出口车道向外拓宽是增加出口车道数的有效措施,然而现有城市道路尤其是老城区道路又不一定具备压缩机非绿化带或非机动车道的条件,或者即使压缩了也不能满足交叉口某流向进口道的车辆通行需求。因此,在城市道路交叉口中,如何利用现有车道布局实现各流向进出口车道数的平衡成为解决该类问题的关键。现有对交叉口进出口车道数不平衡的研究,笔者研究了进口直行车道数大于出口车道数时直行短车道的通行能力计算方法,其它直接关于进出口车道数不平衡的研究较少。
城市道路交叉口中,有些交叉口由于受到道路条件的限制或相对方向流向流量不平衡,会导致某流向的进口车道数大于出口车道数。这种情况可能出现在直行进口道中,也可能出现在左转进口道中。以直行进口道为例,某些进口的直行车道数(包括直行共用车道)可能大于出口车道数,称这种车道为直行短车道(左转进口车道数大于出口车道数时的分析方法相同,下述研究以直行进口道为例),例如南京市进香河路-学府路交叉口的南进口、珠江路-丹凤街交叉口的南、北和东进口,这两个交叉口的现状渠化状况分别如图1、图2所示。直行短车道的存在,使直行车辆在交叉口内部存在强制合流的情况,使交叉口内部的运行秩序混乱,通行能力降低。
发明内容
本发明针对信号交叉口某流向进出口车道数不平衡所引发的交叉口内部交通冲突和交通安全问题,研究了可变进出口车道的渠化设计方案和信号控制技术,提出了一种可变进出口车道的改善设计措施,以充分利用交叉口空间资源,平衡交叉口各流向的进出口车道数,提高交叉口的安全性和通行效率。
本发明所采用的技术方案:
一种信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法,对于进口的直行车道数比出口车道数多的情况,根据交通流运行轨迹及交通设计理论,对对向进口的左转车道进行优化设计,以增加对向出口的出口车道数;将交叉口对向进口的左转停车线设置为两条,一条为原停车线2,另一条位于原停车线2向后移动一定距离作为左转停车线1,将这两条左转停车线之间的距离作为可变进出口车道;当本向直行车辆放行时,本向内侧直行车道的直行车辆利用左转停车线1与左转停车线2之间的这一段距离作为临时的直行出口车道通行,并在这一段距离内逐渐向右侧出口道的直行车辆合流,从而将交叉口内部的合流冲突转移至交叉口外部,提高交叉口的通行效率。
所述的信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法,通过对两条左转停车线处左转车辆主信号和预信号的设置,保证在一定的时间内该距离用于左转车辆行驶,在另外一段时间内用于对向进口驶出的直行车辆行驶,实现左转车辆和直行车辆的有序运行,而不增加左转车辆的通行延误。
本发明的有益效果:
1、本发明信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法,通过交叉口可变进出口车道设计可将交叉口内部的合流冲突转移至交叉口外部,提高交叉口内部直行车辆的通行效率,而交叉口外部的合流过程也可以在相交道路左转及直行车辆通行时完成,从而达到交叉口处以空间换时间的目的。方案简单,设计合理,容易实现。
2、本发明信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法,通过合理设置可变进出口车道两条左转停车线的绿灯启亮及停止时间,可以保证左转车辆在通过两条左转停车线时不二次停车,从而不会增加左转车辆通过交叉口的额外延误。采用交通控制理论对可变进出口车道主信号与预信号间的关系进行分析,得到主信号与预信号之间的相位差及其计算方法,实现主、预信号的协调控制;采用交通设计及交通安全理论分析驾驶员的驾驶行为,给出可变进出口车道的地面标线设计方法。
3、本发明信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法,(1)通过实地调查和回归分析相结合,得到不同排队长度的车辆其队尾到达不同位置时排队长度的离散结果,确定了可变进出口车道主信号与预信号停车线之间的距离。(2)采用交通控制理论与信号配时技术,对可变进出口车道主信号与预信号之间的配时关系进行分析,得到了左转车辆主信号与预信号之间的相位差,实现了主信号与预信号的协调控制。(3)分析驾驶员的驾驶心理,采用交通设计理论,给出了可变进出口车道的地面标线设计结果。通过VISSIM软件进行仿真分析,运行结果表明,本发明技术方案切实可行,能够提高交叉口的通行能力,减小交叉口的车辆延误。
附图说明
图1:背景技术南京市进香河路-学府路交叉口的南进口现状渠化状况;
图2:背景技术南京市珠江路-丹凤街交叉口的南、北和东进口现状渠化状况;
图3是本发明交叉口可变进出口车道的总体渠化设计图;
图4是本发明可变进出口车道部分的详细渠化设计图;
图5是不同长度排队车辆离散距离趋势线;
图6是本发明可变进出口车道交叉口信号配时方案。
具体实施方式
下面通过具体实施方式,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
参见图3、图4,本发明信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法,对于进口的直行车道数比出口的直行车道数多的情况,根据交通流运行轨迹及交通设计理论,对对向进口的左转车道进行优化设计,以增对向出口的出口车道数;具体采用的方案是:将交叉口对向进口的左转停车线设置为两条,一条为原停车线2,另一条位于原停车线2向后移动一定距离作为左转停车线1,将这两条左转停车线之间的距离作为可变进出口车道;当本向直行车辆放行时,本向内侧直行车道的直行车辆利用左转停车线1与左转停车线2之间的这一段距离作为临时的直行出口车道通行,并在这一段距离内逐渐向右侧出口道的直行车辆合流,从而将交叉口内部的合流冲突转移至交叉口外部,提高交叉口的通行效率。
实施例2
参见图3、图4,本实施例的信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法,与实施例1的不同之处在于:通过对两条左转停车线处左转车辆主信号和预信号的设置,保证在一定的时间内该距离用于左转车辆行驶,在另外一段时间内用于对向进口驶出的直行车辆行驶,实现左转车辆和直行车辆的有序运行,而不增加左转车辆的通行延误。
实施例3
本实施例以南京市珠江路-丹凤街交叉口南进口为例,说明本发明信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法的具体实现方式。
如图2所示,由于道路条件等的限制,该交叉口南进口的直行车道数比北出口的出口车道数多了一条。根据交通流运行轨迹及交通设计理论,可对北进口的左转车道进行优化设计,以增加北出口的出口车道数。将交叉口北进口的左转停车线设置为两条,一条为原停车线,另一条位于原停车线后移一定距离处,这两条左转停车线之间的距离作为可变进出口车道。在一定的时间内该距离用于左转车辆行驶,在另外一段时间内用于南进口驶出的直行车辆行驶。通过对两条左转停车线处左转车辆主信号和预信号的设置,可以实现左转车辆和直行车辆的有序运行,并不会增加左转车辆的通行延误。图3为交叉口可变进出口车道的总体渠化设计图,图4为可变进出口车道部分的详细渠化设计图。图中设计了双左转停车线,并在两条停车线处分别设置了左转的主信号和预信号,并给出了预信号灯的设计形式。可变进出口车道内的“锯齿”状标线与虚线导向箭头相结合,表示该区段为左转和逆向直行的可变区段。黄色虚实线和指向出口车道的虚线导向箭头表示占用左转进口道逆向行驶的直行车辆可以择机越过黄色虚实线进入出口路段,而本向出口直行车辆则不能跨过该黄色虚实线进入可变车道实现超车目的。
实施例4
本实施例的信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法,与实施例3不同的是:采用实地调查和回归分析相结合的方法,得到交叉口排队车辆驶离停车线后的离散规律,通过如下步骤确定可变进出口车道两停车线之间的距离(主信号与预信号停车线间距离):
为了增加直行出口车道数,并不增加左转车的通行延误,在对向进口道处利用左转车道进行了可变进出口车道设计,并在左转车道上设置了两条左转停车线。现对两条左转停车线间的合理长度L进行分析。如图4所示,两条停车线之间的长度由直行借道长度l和渐变段长度lˊd组成。渐变段长度可采用《城市道路交通设计指南》(杨晓光,北京:人民交通出版社,2003)中的出口道展宽渐变段长度计算方法:
lˊd=(30~20)Δω (1)
式中:lˊd为出口道展宽渐变段长度(m);Δω为横向偏移量(m)。条件受限制时,lˊd不应小于30m。
直行借道长度l的大小与信号红灯期间交叉口进口道排队长度和交叉口的大小等因素有关。为了研究直行排队车辆驶离停车线后的离散过程及离散规律,对平顶山市建设路与凌云路交叉口西进口的一直行车道进行调查,调查该直行车道红灯期间不同排队长度的队尾到达交叉口不同位置时排队头车与排队尾车之间的离散距离。该交叉口东西进口停车线之间的距离为45m,属于大型交叉口。调查小组针对不同的排队长度分别进行了20个信号周期的调查,得到不同排队长度的车辆其队尾分别到达距进口停车线15m、30m、45m时,排队头车到达的位置,从而得到了不同排队长度的车辆的离散过程及离散结果。经统计分析得到不同排队长度的车队,其队尾到达15m、30m、45m不同位置时排队长度的离散结果及离散趋势如表1及图5所示:
表1不同排队长度的离散距离
注:①每一排队长度数据均为20个周期的平均值;②为了便于分析,排队长度以15m为间隔进行了分组。
一般情况下城市道路交叉口的排队长度不会超过85m,如果排队长度过长,排队车辆在一个绿灯时段内也难以放行完毕,需要采取其它交通管理和控制方法。为了分析极端情况下的排队长度,本研究对调查得到的排队长度与排队车辆离散长度的关系进行回归分析,得到100m和115m排队长度的离散值。回归分析结果如表2所示。
表2回归分析结果:
利用回归分析方程对排队长度为100m和115m的排队车辆离散结果进行计算,计算值如表3中最后两列所示。
表3 100m和115m的排队长度离散结果
由回归分析结果可以看出,当排队长度8为115m1时,排队6车辆队尾3到达15m、30m、45m断面时,车辆离散长度基本趋于稳定,基本稳定在259m左右。
通过计算借道长度l和渐变段长度lˊd,最终可确定左转车辆预信号与主信号停车线之间的距离L,其计算公式为:
L=l+lˊd (2)
式中:l为出口道直行借道长度,取表3中的排队长度离散值(m);其它符合意义同前。
实施例5
本实施例的信号交叉口可变进出口车道交通流控制方法,与实施例4不同的是:采用交通控制理论对可变进出口车道主信号与预信号间的关系进行分析,得到主信号与预信号之间的相位差及其计算方法,实现主信号与预信号的协调控制:
采用交叉口可变进出口车道设计时,为了不影响左转车辆的正常通行,交叉口的相位相序需采用先左转后直行的放行方案。交叉口各进口的车辆放行次序为南北左转、南北直行、东西左转、东西直行。同时,为了避免借道的直行车辆与对向左转车辆发生冲突,需要科学设计左转主信号和预信号之间的相位差。以南京市珠江路-丹凤街交叉口北进口为例,考虑左转主信号、预信号的信号配时图如图6所示。
上述信号相位设计中,当南北进口左转车辆放行时,北进口左转预信号灯与南北方向左转主信号灯均显示绿色,但北进口的左转预信号灯要比南北方向的左转主信号灯提前t1s结束放行,以保证已经进入可变短车道的左转车辆能够在t1s内驶出可变进出口车道,从而保证下一相位放行的直行车辆到达第一条左转停车线时,两条左转停车线间已经没有左转车辆。t1的大小由主信号停车线与预信号停车线之间的距离和平均车速决定,其计算方法为:
式中:v为交叉口内部车辆的平均行驶速度(m/s);其它符号意义同前。
为了不影响北进口左转车辆正常通过交叉口,在东西方向直行车辆放行期间,下一个周期的北进口左转预信号要比南北进口左转主信号绿灯提前t2s启亮,使北进口等待左转的车辆提前进入可逆短车道,保证首先进入可逆短车道的车辆行驶至北进口左转主信号停车线时,南北方向主信号左转绿灯刚好启亮。t2的大小由主信号停车线与预信号停车线之间的距离、平均车速、起动加速度决定,其计算方法如下:
式中:a为启动加速度(m/s2);其它符号意义同前。
图4为可变进出口车道部分的详细渠化设计图。图中设计了双左转停车线,并在两条停车线处分别设置了左转的主信号和预信号,还给出了预信号灯的设计形式。并采用了左转停车线1和左转停车线2间可变进出口车道的地面标线设计。可变进出口车道内的“锯齿”状标线与虚线导向箭头相结合,表示该区段为左转和逆向直行的可变区段。黄色虚实线和指向出口车道的虚线导向箭头表示占用左转进口道逆向行驶的直行车辆可以择机越过黄色虚实线进入出口路段,而本向出口直行车辆则不能跨过该黄色虚实线进入可变车道实现超车目的。
为了验证本设计方案的可行性,利用VISSIM软件进行仿真分析。仿真交叉口为南京市珠江路-丹凤街交叉口,该交叉口现状渠化状况如图2所示。仿真条件如下:信号配时方案如图6所示,交叉口主信号配时方案保持不变,对向左转可变进出口车道长度l为80m,渐变段长度lˊd为30m,路段设计车速取60km/h,交叉口平均车速取路段车速的0.5倍,即30km/h,经计算,t1=13s,t2=15s。采用上述参数对该交叉口的可变进出口车道设计方案进行仿真分析,仿真结果表明,设置可变进出口车道后,交叉口南进口直行车辆平均延误每周期减少5s,南进口直行车道通行能力提高174pcu/h。
本发明针对城市道路交叉口某流向进出口车道数不平衡的问题,提出了可变进出口车道的设计方案,并给出了可变进出口车道长度的计算方法、可变进出口车道主信号与预信号的协调控制算法以及可变进出口车道的地面标线设计。该方法即可应用于交叉口道路条件受限,某流向进口车道数大于出口车道数的情况,也可应用于交叉口流向流量分布不均衡所导致的进出口车道数不平衡的情况。