CN108765989B - 一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法，涉及交通信息及控制技术领域。该方法包括：制定车道的运行规则，并设置可变的箭头信号灯；运用Webster公式计算主信号配时；根据预信号与主信号之间的相位差，确定预信号配时；设置预信号灯、提示变道标线及交通标志，实现导向车道进行直行和左转车道的循环变换。本发明提供的一种道路交叉口直行和左转可变导的向车道信号控制方法，将道路交叉口进口的一条车道设置为左转和直行公用的可变导向车道，通过预信号实时变换可变导向车道直行和左转的功能，在布局不平衡的交通流条件下，重新分配道路资源，从而增大道路交叉口交通设施的利用率。

Description

一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法

技术领域

本发明涉及交通信息及控制技术领域，具体涉及一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法。

背景技术

目前，城市交通拥堵问题越来越受关注，严重影响着人们的出行效率和生活质量，其中，道路交叉口的左转机动车的管理和控制是个很难解决的问题。存在左转专用车道时，现有方法能让高峰时段其通行能力基本满足交通需求；但在平峰时段，因左转交通量减少，造成左转车道空间利用率不高，同时直行车流量大，直行车道空间资源又十分紧张的局面，如何对道路交叉口的时空资源进行整合优化，是提高道路交叉口运行效率的关键。

预信号是道路交叉口主信号的辅助设施，以规范和引导道路交叉口进口道上车辆行驶行为。通常的做法是：在主信号停车线之前一段距离处设置预信号停车线，两条停车线之间为待行区。当左转需求较大时，预信号控制直行车辆停在预信号停车线后，而左转车辆可驶入待行区的所有车道(包括直行车道)，实现左转。

已有研究提出了感应控制、双停车线控制、主预信号控制等方法，但是这些研究并没有明确提出可变导向车道转向功能的变换时刻的选择方法，也没有提出如何进行可变导向车道的有效清空。因此，现有技术缺乏主预信号之间协调控制的合理方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法，在周期和相位绿灯时间不变的情况下，将道路交叉口适宜车道设置为直行和左转可变的导向车道，通过预信号循环变换可变导向车道直行或左转的功能，进而提高道路交叉口进口道空间资源利用效率。

为了实现上述目的，一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法，包括以下步骤：

步骤1：制定预信号控制下直行和左转共用车道的运行规则，并在预信号停车线处设置可变的箭头信号灯；

步骤2：运用Webster公式计算主信号配时，包括主信号周期时间C₀、在主信号周期时间C₀内的有效绿灯总时间G_e、主信号i相位的有效绿灯时间

和主信号i相位的显示绿灯时间g_i；

步骤3：令预信号周期时长与主信号周期时长相等，根据预信号与主信号各相位之间的相位差，确定预信号配时；

所述根据预信号与主信号各相位之间的相位差确定预信号配时的方法如下：

当主信号采取直行先于左转的信号控制时：

预信号左转绿灯较主信号左转绿灯提前启亮时间为t₁，预信号左转黄灯时间为t₁，预信号左转红灯与主信号左转黄灯同时启亮；预信号直行绿灯与预信号左转红灯同时启亮，预信号直行黄灯较主信号直行黄灯提前启亮时间为t₁，预信号直行黄灯时间为t₁，预信号直行红灯与该路口主信号直行黄灯同时启亮；

当主信号采取左转先于直行的信号控制时：

预信号直行绿灯较主信号直行绿灯提前启亮时间为t₁，预信号直行黄灯时间为t₁，预信号直行红灯与主信号直行黄灯同时启亮；预信号左转绿灯与预信号直行红灯同时启亮，预信号左转黄灯较主信号左转黄灯提前启亮时间为t₁，预信号左转黄灯时间为t₁，预信号左转红灯与该路口主信号左转黄灯同时启亮；

步骤4：根据确定好的主、预信号配时以及预信号与主信号各相位之间的相位差，设置预信号灯、提示变道标线及交通标志，实现导向车道进行直行和左转车道的循环变换。

进一步地，所述步骤2中计算主信号配时的公式如下：

G_e＝C₀-T；

其中，T为信号总损失时间，Y为组成信号周期的全部信号各个相位的各个最大流量比之和，y_i为i相位的最大流量比，A_i为i相位的黄灯时间，l_i为i相位的信号损失时间；所述最大流量比为当前相位下的最大车流量与对应道路的通行能力之间的比值。

进一步地，所述步骤3中的时间t₁的计算公式如下：

其中，a为车辆启动加速度，L为主信号停车线与预信号停车线之间的距离。

进一步地，所述主信号停车线与预信号停车线之间的距离L的计算公式如下：

L＝max{L₁，L₂}；

其中，L₁为进口道直行车辆需求排队距离，L₂为进口道左转车辆需求排队距离；所述进口道直行车辆需求排队距离L₁和进口道左转车辆需求排队距离L₂的计算公式如下：

其中，l为机动车辆平均车长，λ₁为每信号周期直行车辆到达率，n₁为设置直行和左转可变的导向车道后道路交叉口进口道直行车道的数目，λ₂为每信号周期左转车辆到达率，n₂为设置直行和左转可变的导向车道后道路交叉口进口道左转车道的数目。

本发明的有益效果：

本发明提出一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法，将道路交叉口进口的一条车道设置为左转和直行公用的可变导向车道，同时设置预信号停车线以及左转、直行机动车预信号灯，主预信号周期一致，协调控制主预信号之间的相位差，通过预信号实时变换可变导向车道功能，可在布局不平衡的交通流条件下，重新分配道路资源来增大道路交叉口交通设施的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例中道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法流程图；

图2为本发明实施例中主要参数示意图；

图3为本发明实施例中十字道路交叉口实例图；

图4为本发明实施例中道路交叉口主信号与预信号相位设置图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法，实施条件如下：

1.面向三路、四路和五路的道路交叉口，各进口道规划不少于2条的车道；

2.对于可变导向车道，在地面上施划可变导向车道标线；

3.各进口道的右转车流均不受单独的信号控制；

4.各道路交叉口信号相位数不少于2，相位结构设计方法采用已知方法。

一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法，流程如图1所示，具体方法如下所述：

本实施例中，选择四路道路交叉口，如图2所示，在有左转专用道的基础上，将靠近左转专用道的一条直行车道改为直行和左转可变的导向车道，在距离主信号停车线L处设置一条预信号停车线，将直行和左转可变的车道处的预信号停车线设为实线，其它车道停车线设为虚线，即只有进入直行和左转可变的导向车道的车辆需要在此停车线停车。

步骤1：制定预信号控制下直行和左转共用车道的运行规则，并在预信号停车线处设置可变的箭头信号灯。

所述制定的预信号控制下直行和左转共用车道的运行规则如下：

(1)预信号左转相位绿灯启亮，此时可变导向车道为左转专用车道，左转车辆进入待行区，左转车辆在主信号前停车，并在待行区中排队等候，主信号左转相位绿灯启亮，待行区中所有车道全部用于左转车辆放行；

(2)预信号直行相位绿灯启亮，此时可变导向车道为直行专用车道，直行车辆进入清空后的等待区，直行车辆在主信号前停车，并在等待区中排队等候，主信号直行相位绿灯启亮，待行区中所有车道全部用于直行车辆放行。

本实施例中，四路道路交叉口的几何条件如图3所示，其中，E为东进口，S为南进口，N为北进口，W为西进口，1为主信号灯，6、11为预信号灯，4、9为直行和左转可变的导向车道，2、3、7、8为各进口的主信号停车线，5、10分别为东、西进口的预信号停车线。道路交叉口的到达流量、车道数等信息如表1所示。

表1道路交叉口各进口转向车道信息表

步骤2：运用Webster公式计算主信号配时，包括主信号周期时间C₀、在主信号周期时间C₀内的有效绿灯总时间G_e、主信号i相位的有效绿灯时间

和主信号i相位的显示绿灯时间g_i；

所述计算主信号配时的公式如公式(1)-公式(4)所示：

G_e＝C₀-T (2)

其中，T为信号总损失时间，Y为组成信号周期的全部信号各个相位的各个最大流量比之和，y_i为i相位的最大流量比，A_i为i相位的黄灯时间，l_i为i相位的信号损失时间；所述最大流量比为当前相位下的最大车流量与对应道路的通行能力之间的比值。

本实施例中，将道路交叉口设置为直行先于左转的4相位，即i＝4，令东西直行为第一相位，东西左转为第二相位，南北直行为第三相位，南北左转为第四相位，则根据表1中的信息，4相位的最大流量比如下：

故Y＝y₁+y₂+y₃+y₄＝0.208+0.242+0.194+0.182＝0.826。

令主信号各相位的损失时间为3s，即l₁＝l₂＝l₃＝l₄＝3s，则主信号周期时长C₀内总损失时间T＝12s，带入公式(1)，得到主信号周期时长

运用公式(2)计算主信号周期时长C₀内的有效绿灯总时间G_e，G_e＝C₀-T＝132-12＝120s。

运用公式(3)计算主信号周期时长C₀内i相位的有效绿灯时间

运用公式(4)计算i相位的显示绿灯时间，令主信号各相位的黄灯时间均为3s，即A₁＝A₂＝A₃＝A₄＝3s，无全红时间；则

将计算结果进行汇总，如表2所示。

表2主信号配时表

步骤3：令预信号周期时长与主信号周期时长相等，根据预信号与主信号各相位之间的相位差，确定预信号配时。

所述根据预信号与主信号各相位之间的相位差确定预信号配时的方法如下：

当主信号采取直行先于左转的信号控制时：

预信号左转绿灯较主信号左转绿灯提前启亮时间为t₁，预信号左转黄灯时间为t₁，预信号左转红灯与主信号左转黄灯同时启亮；预信号直行绿灯与预信号左转红灯同时启亮，预信号直行黄灯较主信号直行黄灯提前启亮时间为t₁，预信号直行黄灯时间为t₁，预信号直行红灯与该路口主信号直行黄灯同时启亮；

当主信号采取左转先于直行的信号控制时：

预信号直行绿灯较主信号直行绿灯提前启壳时间为t₁，预信号直行黄灯时间为t₁，预信号直行红灯与主信号直行黄灯同时启亮；预信号左转绿灯与预信号直行红灯同时启亮，预信号左转黄灯较主信号左转黄灯提前启亮时间为t₁，预信号左转黄灯时间为t₁，预信号左转红灯与该路口主信号左转黄灯同时启亮。

本实施例中，主信号采取直行先于左转的信号控制，故主、预信号相位差的协调方法为：预信号左转绿灯较主信号左转绿灯提前启亮t₁，预信号左转黄灯时间为t₁，预信号左转红灯与主信号左转黄灯同时启亮；预信号直行绿灯与预信号左转红灯同时启亮，预信号直行红灯与该路口主信号直行黄灯同时启亮，预信号直行黄灯时间为t₁。

所述时间t₁的计算公式如公式(5)所示：

其中，a为车辆启动加速度，L为主信号停车线与预信号停车线之间的距离。

本实施例中，车辆启动加速度a取3m/s²。

所述主信号停车线与预信号停车线之间的距离L的计算公式如公式(6)所示：

L＝max{L₁，L₂} (6)

其中，L₁为进口道直行车辆需求排队距离，L₂为进口道左转车辆需求排队距离；所述进口道直行车辆需求排队距离L₁和进口道左转车辆需求排队距离L₂的计算公式如公式(7)和公式(8)所示：

其中，l为机动车辆平均车长，λ₁为每信号周期直行车辆到达率，n₁为设置直行和左转可变的导向车道后道路交叉口进口道直行车道的数目，λ₂为每信号周期左转车辆到达率，n₂为设置直行和左转可变的导向车道后道路交叉口进口道左转车道的数目。

参照城市道路工程设计规范(CJJ37-2012)，小客车总长为6m，车辆之间的停车距离为1.5m，故本实施例中，l取值为7.5m。

本实施例中，由表1可知，λ₁为1500pcu/h，λ₂为400pcu/h，n₁为4，n₂为1，带入公式(6)-公式(8)可得，L为110m，将L带入公式(5)可得，t₁为8.56s，将其近似为9s。

由此，本实施例中，取t₁为9s，主预信号周期时长一致，预信号左转绿灯较主信号左转绿灯提前启亮，预信号左转黄灯时间为9s，预信号左转红灯与主信号左转黄灯同时启亮；预信号直行绿灯与预信号左转红灯同时启亮，预信号直行红灯较该路口主信号直行红灯提前9s启亮，预信号直行黄灯时间为9s，道路交叉口主信号与预信号相位设置图如图4所示，其中，白色表示绿灯，灰色表示黄灯，黑色表示红灯。

步骤4：根据确定好的主、预信号配时以及预信号与主信号各相位之间的相位差，设置预信号灯、提示变道标线及交通标志，实现导向车道进行直行和左转车道的循环变换。

本实施例中，设置预信号灯、提示变道标线及交通标志，包括：预信号处的停车线要设置成实线，来提醒司机只有需要通过可变车道的车辆在此等待，其他车辆不需要；可变导向车道设置为外实内虚的黄线，以提示可变导向车道内的车辆可以换向与可变导向车道同属性的车道。

步骤5：运用停止线法计算道路交叉口内各车道的通行能力，通过求取的道路交叉口内各车道的通行能力，验证设置直行和左转可变的导向车道后提高了道路的通行能力；

所述计算道路交叉口内各车道的通行能力的公式如公式(9)-公式(12)所示：

其中，N_左为一条专用左转车道的通行能力，g_左为一个信号周期内左转绿灯时间，v_左为左转车辆通过道路交叉口的速度，t_左间为左转车流的车间间隔时间，N_直为一条直行车道的通行能力，g_直为一个信号周期内直行绿灯时间，v_直为直行车辆通过道路交叉口的速度，t_直间为直行车流的车间间隔时间，N_右为一条专用右转车道的通行能力，t_右间为左转车流的车间间隔时间，N_直左为一条直行和左转可变的导向车道的通行能力，t₁为主、预信号相位差的调节时间，a为车辆启动加速度。

由道路交叉口内各车道的通行能力可知，设置直行和左转可变的导向车道后道路交叉口一个进口道的通行能力变化量ΔN的计算公式如公式(13)所示：

ΔN＝N-N₁ (13)

其中，N₁为设置直行和左转可的变导同车道前道路交叉口进口道的通行能力，N为设置直行和左转可变的导向车道后道路交叉口进口道的通行能力；所述设置直行和左转可变的导向车道前后道路交叉口进口道的通行能力N和N₁的计算公式如公式(14)和公式(15)所示：

N₁＝n′₁×N_直+n′₂×N_左+n′₃×N_右 (14)

N＝n₁×N_直+n₂×N_左+n₃×N_右+n₄×N_直左 (15)

其中，n′₁、n′₂、n′₃分别为未设置直行和左转可变的导向车道前进口道直行、左转、右转车道的数目，n₁、n₂、n₃、n₄分别为设置直行和左转可变的导向车道后道路交叉口进口道直行、左转、右转、直行和左转可变的导向车道的数目。

本实施例中，v_左为40km/h，v_直为36km/h，a为3m/s²，t_左间和t_直间均为2.58s，t_右间为3.5s，由表1可知，对于东进口，n′₁为4、n′₂为1、n′₃为1、n₃为3、n₁为3、n₂为1、n₃为1、n₄为1，带入公式(13)-公式(15)可得，ΔN为141pcu/h；同理，对于西进口，ΔN为141pcu/h，故设置直行和左转可变的车道后该道路交叉口的通行能力增加了141+141＝282pcu/h，由此可见，设置直行和左转可变的导向车道能够提高道路交叉口的通行效率。

步骤6：应用VISSIM仿真技术验证设置直行和左转可变的导向车道后提高了道路的通行能力。

本实施例中，在设置直行和左转可变的导向车道前后对道路交叉口进行仿真，输入同样的车流量等基本道路交叉口信息，通过仿真得知，当逐渐提高左转车辆的数量时，设置直行和左转可变的导向车道的道路交叉口通行能力提升的越大，直到当道路交叉口饱和时不再继续增大，如表3所示。

表3设置可变导向车道前后车流量对比表

设置前(pcu/h)	设置后(pcu/h)	变化量(pcu/h)
			6898	6981	86
6895	7104	209
			6898	7164	266
6906	7166	260

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；因而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制定预信号控制下直行和左转共用车道的运行规则，并在预信号停车线处设置可变的箭头信号灯；

所述制定的预信号控制下直行和左转共用车道的运行规则如下：

(1)预信号左转相位绿灯启亮，此时可变导向车道为左转专用车道，左转车辆进入待行区，左转车辆在主信号前停车，并在待行区中排队等候，主信号左转相位绿灯启亮，待行区中所有车道全部用于左转车辆放行；

(2)预信号直行相位绿灯启亮，此时可变导向车道为直行专用车道，直行车辆进入清空后的等待区，直行车辆在主信号前停车，并在等待区中排队等候，主信号直行相位绿灯启亮，待行区中所有车道全部用于直行车辆放行；

步骤2：运用Webster公式计算主信号配时，包括主信号周期时间C₀、在主信号周期时间C₀内的有效绿灯总时间G_e、主信号i相位的有效绿灯时间

和主信号i相位的显示绿灯时间g_i；

步骤3：令预信号周期时长与主信号周期时长相等，根据预信号与主信号各相位之间的相位差，确定预信号配时；

所述根据预信号与主信号各相位之间的相位差确定预信号配时的方法如下：

当主信号采取直行先于左转的信号控制时：

预信号左转绿灯较主信号左转绿灯提前启亮时间为t₁，预信号左转黄灯时间为t₁，预信号左转红灯与主信号左转黄灯同时启亮；预信号直行绿灯与预信号左转红灯同时启亮，预信号直行黄灯较主信号直行黄灯提前启亮时间为t₁，预信号直行黄灯时间为t₁，预信号直行红灯与路口主信号直行黄灯同时启亮；

当主信号采取左转先于直行的信号控制时：

预信号直行绿灯较主信号直行绿灯提前启亮时间为t₁，预信号直行黄灯时间为t₁，预信号直行红灯与主信号直行黄灯同时启亮；预信号左转绿灯与预信号直行红灯同时启亮，预信号左转黄灯较主信号左转黄灯提前启亮时间为t₁，预信号左转黄灯时间为t₁，预信号左转红灯与路口主信号左转黄灯同时启亮；

所述步骤3中的时间t₁的计算公式如下：

其中，a为车辆启动加速度，L为主信号停车线与预信号停车线之间的距离；

所述主信号停车线与预信号停车线之间的距离L的计算公式如下：

L＝max{L₁，L₂}；

其中，L₁为进口道直行车辆需求排队距离，L₂为进口道左转车辆需求排队距离；所述进口道直行车辆需求排队距离L₁和进口道左转车辆需求排队距离L₂的计算公式如下：

其中，l为机动车辆平均车长，λ₁为每信号周期直行车辆到达率，n₁为设置直行和左转可变的导向车道后道路交叉口进口道直行车道的数目，λ₂为每信号周期左转车辆到达率，n₂为设置直行和左转可变的导向车道后道路交叉口进口道左转车道的数目；

步骤4：根据确定好的主、预信号配时以及预信号与主信号各相位之间的相位差，设置预信号灯、提示变道标线及交通标志，实现导向车道进行直行和左转车道的循环变换。

2.根据权利要求1所述的道路交叉口直行和左转可变的导向车道信号控制方法，其特征在于，所述步骤2中计算主信号配时的公式如下：

G_e＝C₀-T；

其中，T为信号总损失时间，Y为组成信号周期的全部信号各个相位的各个最大流量比之和，y_i为i相位的最大流量比，A_i为i相位的黄灯时间，l_i为i相位的信号损失时间；所述最大流量比为当前相位下的最大车流量与对应道路的通行能力之间的比值。

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