CN110706484B - 设置逆向可变车道交叉口左转通行能力计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设置逆向可变车道交叉口左转通行能力计算方法。本发明在确定逆向可变车道与左转专用车道通行能力的过程中，建立初始状态下左转排队车辆的释放模型，综合运用跟驰模型，考虑前后车动态加速度，建立左转车辆驾驶员选道模型，精确描述了左转车辆在逆向可变车道运行特征，进而得到左转车辆通行模型，使得左转通行模型更加符合实际通行情况，建立设置逆向可变车道通的信号交叉口行能力计算模型，使得该情况下的左转通行能力计算更加精准。

Description

设置逆向可变车道交叉口左转通行能力计算方法
技术领域
本发明涉及交通管理与设计领域，具体涉及一种设置逆向可变车道交叉口左转通行能力计算方法。
背景技术
交叉口逆向可变车道是变向交通管理的一种新兴形式，主要设置在信号控制交叉口的出口道内侧，既具有出口道行车道功能又具有进口左转导向车道功能，能有效缓解交叉口高峰时段的左转过饱和拥堵情况，且设置成本不高，目前正逐步在一些城市中应用，并取得不错效果。
伴随着当前社会经济发展，人均车辆拥有量增加，导致城市交通压力进一步增大，城市交叉口高峰期出现左转过饱和状态，为了有效解决此类问题，提出了设置逆向可变车道控制方法。目前无法确定逆向可变车道的设置能提高多少交叉口左转通行能力，导致对交叉口信号管控配时确定缺乏有效依据。因此，通过对当前交叉口逆向可变车道运行特征进行深入研究分析，提出一种设置逆向可变车道的信号交叉口左转通行能力计算方法，为逆向可变车道控制方案设计提供依据。
发明内容
本发明针对现有技术中无法准确确定逆向可变车道通行能力的不足，提出了一种设置逆向可变车道的信号交叉口左转通行能力计算方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
本发明包括以下步骤：
A)首先完成交叉口基础参数的获取
a)先确定设置逆向可变车道交叉口左转的交通流特性
设置逆向可变车道交叉口左转车道的交通流特性确定方法：
针对已建成道路交叉口，通过实地调查，获取计算该左转车道的交通流特性的数据包括：高峰时段逆向可变车道与左转车道到达与通过车辆数、交叉口信号配时方案。利用调查得到的数据计算一条左转车道的最大排队车辆数P。
b)确定交叉口设计参数
实地测量当前交叉口左转的车道数ml，交叉口设置逆向可变车道的长度Lr，中央隔离护栏开口长度lq，对向进口车道停车线与该进口停车线的距离L1、相邻出口道宽度L4、交叉口该进口渠化段长度L2。
c)确定当前交叉口信号配时方案
获取交叉口信号配时方案，通过实地调查，记录车流放行次序、各阶段时长及逆向可变车道预信号情况、信号周期时长c。
B)建立左转车辆初始释放模型
这里要建立左转车辆初始释放模型，描述绿灯启亮初始状态下逆向可变车道与左转专用车道左转车辆释放情况，左转车辆初始释放状态是遵循交通流启动波模型的。
a)计算逆向可变车道提前开启最小时间
这里计算出逆向可变车道提前开启的最小安全时间，通过第一辆车启动进入逆向车道的时间to，交叉口设置逆向可变车道的长度Lr，车辆在逆向可变车道上行驶的平均速度Vu参数计算可得。
b)计算逆向可变车道排队车辆数
通过已知的逆向可变车道的长度Lr，饱和车头间距lo参数计算可得。
c)交通流启动波模型释放
绿灯启亮，逆向可变车道与左转专用车道上排队车辆按照交通流启动波模型释放。
C)后续到达车辆进行选道模型
当初始状态下的逆向可变车道与左转专用车道上排队车辆开始释放时，在中央隔离护栏开口后的车辆到达开口处，进行决策选道。车辆选道基于用户平衡模型理论进行选道，以最短时间通过交叉口停车线为目标，选择时间最优路径。
a)用户平衡模型理论
根据平衡原理中的用户平衡模型的思想，单个车辆选择行驶路径时的判断标准就是：自身所选的路径阻抗最小，即每辆车进行路径决策时的依据都的是自身的通行时间最短。
b)确定后续车辆到达决策点状态
将中央隔离护栏开口处设为后续车辆决策点，车辆在此根据用户平衡模型决策是否选择逆向可变车道，这里需要计算后续到达的车辆排队到达决策点时的速度与到达时间。
c)通过修正跟驰模型确定后车加速度
修正后的刺激-反应类跟驰模型，通过前后车距离来确定后车加速度，这里计算参数包括：n车在时刻t+T的加速度an(t+T)，n-1车与n车在时刻t的速度vn-1(t)与vn(t)，n-1车与n车在时刻t的位移xn-1(t)与xn(t)，驾驶员的反应时间T，敏感系数λ，待定参数m，l。求得第n辆车加速度。
d)车辆选择逆向可变车道通行时间
车辆到达决策点后，若选择逆向可变车道，通过对开口时间tr，车辆到达逆向可变车道后速度
Figure BDA0002222244820000021
自由流下加速度af，自由流下最大速度Vl'，自由流下加速时间tβ，初始前后车车头时距hs等参数的计算，确定车辆此时选择逆向可变车道的通行时间。
e)车辆选择左转专用车道通行时间
同样，车辆到达决策点后，若选择左转专用车道，通过对自由流下加速度af，排队跟驰车辆加速度ag，自由流下最大加速距离lβ，初始前后车车头时距hs等参数的计算，确定车辆此时选择左转专用车道的通行时间。
f)车辆进行选道决策
这里计算参数包括：逆向可变车道车辆通过停车线的时刻Ti'，左转专用车道车辆通过停车线的时刻Ti”，最终决策车道通行时间Ti s。
D)确定逆向可变车道提前关闭左转车辆通行情况
这里逆向可变车道提前关闭，确定逆向可变车道最小关闭时间，后续到达的车辆只能通过左转专用车道驶离交叉口，车辆只有一种左转路径选择方式。
E)建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型
根据前面初始状态下左转车辆释放模型与后续到达车辆选道模型，再根据逆向可变车道关闭后左转车辆通行情况，建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型。
根据左转专用道与逆向可变车道各自的车辆驶离情况，将单位时间内逆向可变车道通过车辆数与左转专用道通过车辆数叠加在一起，即得所求设置逆向可变车道交叉口左转通行能力。
本发明在确定逆向可变车道与左转专用车道通行能力的过程中，建立初始状态下左转排队车辆的释放模型，综合运用跟驰模型，考虑前后车动态加速度，建立左转车辆驾驶员选道模型，精确描述了左转车辆在逆向可变车道运行特征，进而得到左转车辆通行模型，使得左转通行模型更加符合实际通行情况，建立设置逆向可变车道通的信号交叉口行能力计算模型，使得该情况下的左转通行能力计算更加精准。
本发明的有益效果：
本发明在进行逆向可变车道模型建立时，以实际交叉口左转交通流特性为依据，充分考虑左转车辆驾驶员的选道决策过程，基于交通波理论和车辆跟驰理论建立了左转车辆选道模型，实现了对设置逆向可变车道条件下交叉口左转车流运行的精确描述。
本发明在充分考虑交叉口渠化、逆向可变车道长度、交叉口左转车辆运行特性、信号配时方案等综合因素的基础上，构建了设置逆向可变车道条件下的交叉口左转车道通行能力计算模型，能够有效反映各种因素对左转车道和逆向可变车道运行效率的影响，可以更好地为逆向可变车道控制方案设计提供依据。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明所适用平面十字交叉口图；
图3是本发明所采用的信号配时方案图；
图4是本发明逆向可变车道开启交叉口排队示意图；
图5是本发明交叉口初始左转车辆释放示意图；
图6是本发明后续车辆进行选道通行示意图；
图7是本发明后车到达停车线时刻示意图；
图8是本发明逆向可变车道关闭左转车辆通行示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明；
本发明在进行逆向可变车道通行能力模型建立时，以交叉口左转车辆交通流特性为依据，并充分考虑到了高峰期时左转车辆驾驶员选道的判别过程，建立模型，并结合交叉口尺寸参数与信号配时设计方案，精确描述前后车动态加速度，使得设有逆向可变车道交叉口左转通行能力的计算更加准确，为逆向可变车道控制方案设计提供依据。
本发明中设有逆向可变车道交叉口左转通行能力是指当前的道路、交通、管理控制、环境条件下，左转专用道加上逆向可变车道所能通行的最大车辆数目。车辆占道长度即饱和车头间距，指的是车身长度加上相邻辆车之间的停车间距。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，一种设置逆向可变车道的信号交叉口左转通行能力计算方法，步骤包括：先建立初始状态下左转车辆释放模型，再建立后续到达车辆选道模型，确定逆向可变车道提前关闭后左转车辆通行情况，最后建立设置逆向可变车道信号交叉口的通行能力计算模型；具体是：
A)首先是交叉口基础参数的获取
这里要获取设置逆向可变车道交叉口的交通流特性，交叉口设计参数及确定交叉口信号配时方案。
a)先确定设置逆向可变车道交叉口左转车道的交通流特性
这里参数包括：单个周期tn内一条左转车道的最大排队车辆数P，交叉口的车辆到达率q，交叉口内左转的流向比例ki，到达车辆修正系数γ，左转红灯时长th，交叉口左转的车道数ml，上一周期一条左转车道的滞留车辆数Pre；
Figure BDA0002222244820000041
设置逆向可变车道交叉口左转车道的交通流特性确定方法，主要通过实地调查，获取计算该左转车道的交通流特性的数据，分析预测，确定设置逆向可变车道交叉口左转的交通流特性。
b)然后确定交叉口设计参数
实地测量当前交叉口左转的车道数ml，交叉口设置逆向可变车道的长度Lr，中央隔离护栏开口长度lq，对向进口车道停车线与该进口停车线的距离L1、相邻出口道宽度L4、交叉口该进口渠化段长度L2。
c)确定当前交叉口信号配时方案
交叉口信号配时方案的获取方法，实地调查，记录车流放行次序、各阶段时长及逆向可变车道预信号情况、信号周期时长c。
B)建立左转车辆初始释放模型
这里要建立左转车辆初始释放模型，描述初始状态下逆向可变车道与左转专用车道左转车辆释放状态，左转车辆初始释放状态是遵循交通流启动波模型的。
a)计算逆向可变车道提前开启最小时间
这里计算参数包括：逆向可变车道提前开启最小时间ta，第一辆车启动进入逆向车道的时间to，交叉口设置逆向可变车道的长度Lr，预信号开启，车辆在逆向可变车道上行驶的平均速度Vu。
Figure BDA0002222244820000042
b)计算逆向可变车道排队车辆数
这里计算参数包括：逆向可变车道的长度Lr，，饱和车头间距lo，停车队列中相邻两车之间的停车间距lj，停车队列中车辆的车身长度lc。
lo＝lj+lc
Figure BDA0002222244820000043
c)交通流启动波模型
这里计算参数包括：启动波波速Uw，饱和车头时距h，车流阻塞密度kj，车辆启动延误G1，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
Figure BDA0002222244820000048
最大行驶速度所用的时间ta,排队跟驰车辆加速度ag，车流稳定行驶后，对应于饱和车头时距的行驶速度u，跟驰行驶最大速度
Figure BDA0002222244820000045
左转车辆启动后加速到最大行驶速度所驶过的距离
Figure BDA0002222244820000047
①车辆排队释放遵循交通流启动波模型，逆行可变车道与左转专用车道的排队车辆都按下式：
Figure BDA0002222244820000046
②当后续左转车辆到达交叉口时，左转专用车道上的第n+1辆排队车辆的通行时间，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
Figure BDA0002222244820000051
③左转车辆启动后加速到最大行驶速度所用的时间ta、所行驶距离
Figure BDA0002222244820000052
为：
Figure BDA0002222244820000053
④车辆通过停止线时间
Figure BDA0002222244820000054
当
Figure BDA0002222244820000055
Figure BDA0002222244820000056
当
Figure BDA0002222244820000057
C)后续到达车辆进行选道模型
当初始状态下的逆向可变车道与左转专用车道上排队车辆开始释放时，在中央隔离护栏开口后的车辆到达开口处，进行决策选道。车辆选道基于用户平衡模型理论进行选道，以最短时间通过交叉口停车线为目标，选择时间最优路径。
a)用户平衡模型理论进行选道
这里计算参数包括：路段上的交通量xa，路段上的交通阻抗ta，路段a的以交通量为自变量的交通阻抗函数ta(xa)，第k条路径的交通流量
Figure BDA0002222244820000058
OD量qrs，路径相关变量
Figure BDA0002222244820000059
Figure BDA00022222448200000510
Figure BDA00022222448200000511
Figure BDA00022222448200000512
Figure BDA00022222448200000513
b)确定后续车辆到达决策点的状态
这里计算参数包括：饱和车头间距lo，跟驰状态最大加速距离
Figure BDA00022222448200000514
到达决策点时间
Figure BDA00022222448200000515
交叉口设置逆向可变车道的长度Lr，排队跟驰车辆加速度ag，排队跟驰最大速度Vl 1，到达决策点车速Vd。
1)后续车辆到达决策点时间为：
Figure BDA00022222448200000517
当
Figure BDA00022222448200000518
Figure BDA00022222448200000519
当
Figure BDA00022222448200000520
2)后续车辆到达决策点速度：
Figure BDA00022222448200000521
c)通过修正跟驰模型确定后车加速度
修正后的GM跟驰模型，通过前后车距离来确定后车加速度，这里计算参数包括：n车在时刻t+T的加速度an(t+T)，n-1车与n车在时刻t的速度vn-1(t)与vn(t)，n-1车与n车在时刻t的位移xn-1(t)与xn(t)，驾驶员的反应时间T，敏感系数λ，待定参数m，l。求得第n辆车加速度：
Figure BDA0002222244820000061
d)车辆选择逆向可变车道通行时间
通过到达决策点的车辆状态，计算车辆选择通过逆向可变车道行驶的时间，这里计算参数包括：车辆通过开口时间tr，车辆到达逆向可变车道后速度
Figure BDA0002222244820000062
自由流下加速度af，自由流下最大速度Vl'，自由流下加速时间tβ，自由流下加速距离lβ，初始前后车车头时距hs，最小安全车头时距ho，逆向可变车道的长度Lr，排队跟驰车辆加速度ag，车辆通过停车线的时刻Ti’。
1)定义进口道，车辆排队跟驰行驶的最大安全车速不超过30km/h，这里求得车辆到达逆向可变车道后的速度：
Figure BDA0002222244820000063
2)当车辆到达逆向可变车道后，车辆开始自由流行驶，此时需比较该车最快行驶时间与前车到达停止线时刻。
车辆选择逆向可变车道通过停车线时间：
Figure BDA0002222244820000064
当
Figure BDA0002222244820000065
Figure BDA0002222244820000066
当
Figure BDA0002222244820000067
3)如图7所示，在渠化车道端部，跟随状态的车辆i-1、后车i行驶，前后两车的车头时距为hs。如果前后两车以跟随状态驶出交叉口，那么前后两车的车头时距为ho，发生此种情境的极限状态是，两车经过不同的加速过程后，在停车线处的车头时距恰好缩小至ho。
Ti′-T’i-1≤h0
4)若不等式成立，则实际上后车的通行时间Ti'＝Ti-1+h0；反之，则为所求Ti'。
d)车辆选择左转专用车道通行时间
这里计算参数包括：自由流下加速度af，排队跟驰车辆加速度ag，排队跟驰最大速度Vl 1，跟驰状态最大加速距离
Figure BDA0002222244820000068
自由流下最大速度Vl'，自由流下加速时间tβ，自由流下最大加速距离lβ，初始前后车车头时距hs，最小安全车头时距ho，逆向可变车道的长度Lr，车辆通过停车线的时刻Ti”。
1)若前车为排队跟驰行驶通过交叉口，该车继续以饱和交通流加速度ag跟前车排队跟驰驶离交叉口：
Figure BDA0002222244820000071
Figure BDA0002222244820000072
当
Figure BDA0002222244820000073
Figure BDA0002222244820000074
当
Figure BDA0002222244820000075
2)若前车自由流状态驶离交叉口，则该车也为自由流行驶，则车辆选择左转专用车道通过停车线时间：
Figure BDA0002222244820000076
当
Figure BDA0002222244820000077
Figure BDA0002222244820000078
当
Figure BDA0002222244820000079
3)同理，当车辆选择左转专用车道时，如果前后两车以跟随状态驶出交叉口，那么前后两车的车头时距为ho，发生此种情境的极限状态是ho，两车经过不同的加速过程后，在停车线处的车头时距恰好缩小至ho。
Ti”-T″i-1≤h0
4)若不等式成立，则实际上后车的通行时间Ti”＝Ti-1+h0；反之，则为所求Ti”。
f)根据通行时间最小原则进行选道
通过选道模型的计算，得到逆向可变车道车辆通过停车线的时刻Ti'，左转专用车道车辆通过停车线的时刻Ti”，根据用户平衡模型，完成选道。
Ti s＝min{Ti',Ti”}
D)确定逆向可变车道提前关闭左转车辆通行情况
这里确定逆向可变车道最小关闭时间，计算参数包括：逆向可变车道提前关闭最小时间tb，车辆通过开口时间tr，逆向可变车道的长度Lr，自由流下加速度af，车辆通过开口后速度
Figure BDA00022222448200000710
逆向可变车道上行驶的稳定速度Vc。
Figure BDA00022222448200000711
E)建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型
根据左转专用道与逆向可变车道各自的车辆驶离情况，将单位时间内逆向可变车道通过车辆数与左转专用道通过车辆数叠加在一起，即得所求设置逆向可变车道交叉口左转通行能力。这里计算参数包括：设置逆向可变车道交叉口左转通行能力Co，选择逆向可变车道的车辆数xT'，选择左转专用车道的车辆数xT”,信号周期c，左转专用道数ml，有效绿灯时间gel，进口道左转车道饱和流量Sl。
Figure BDA00022222448200000712

Claims (3)

1.设置逆向可变车道交叉口左转通行能力计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
A)获取交叉口基础参数，具体是：
a)确定设置逆向可变车道交叉口左转的交通流特性
通过实地调查，获取计算左转车道的交通流特性的数据，包括：高峰时段逆向可变车道与左转车道到达与通过车辆数、交叉口信号配时方案；同时利用调查得到的数据计算单个周期一条左转车道的最大排队车辆数，交叉口的车辆到达率、交叉口内左转的流向比例；
b)确定交叉口设计参数
实地测量当前交叉口左转的车道数，交叉口设置逆向可变车道的长度，中央隔离护栏开口长度，对向进口车道停车线与该进口停车线的距离，相邻出口道宽度和交叉口该进口渠化段长度；
c)确定当前交叉口信号配时方案
获取交叉口信号配时方案，通过实地调查，记录车流放行次序、各阶段时长及逆向可变车道预信号情况和信号周期时长；
B）建立左转车辆初始释放模型，具体是：
建立左转车辆初始释放模型，描述绿灯启亮初始状态下逆向可变车道与左转专用车道左转车辆释放情况，左转车辆初始释放状态遵循交通流启动波模型；
a）计算逆向可变车道提前开启最小时间
最小时间由通过第一辆车启动进入逆向车道的时间，交叉口设置逆向可变车道的长度，车辆在逆向可变车道上行驶的平均速度计算得到；
b)计算逆向可变车道排队车辆数
通过已知的逆向可变车道的长度，饱和车头间距计算可得；
c）交通流启动波模型释放
绿灯启亮，逆向可变车道与左转专用车道上排队车辆按照交通流启动波模型释放；
C) 后续到达车辆进行选道模型，具体是：
当初始状态下的逆向可变车道与左转专用车道上排队车辆开始释放时，在中央隔离护栏开口后的车辆到达开口处，进行决策选道；
车辆选道基于用户平衡模型理论进行选道，以最短时间通过交叉口停车线为目标，选择时间最优路径；
a)用户平衡模型理论进行选道；
b)确定后续车辆到达决策点状态；
c)通过修正跟驰模型确定后车加速度；
d)计算车辆选择逆向可变车道通行时间；
e)计算车辆选择左转专用车道通行时间；
f)车辆进行选道决策；
D) 确定逆向可变车道提前关闭左转车辆通行情况，具体是：
逆向可变车道提前关闭，后续到达的车辆只能通过左转专用车道驶离交叉口，车辆只有一种左转路径选择方式；
E）建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型，具体是：
根据前面初始状态下左转车辆释放模型与后续到达车辆选道模型，再根据逆向可变车道关闭后左转车辆通行情况，建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型；
根据左转专用道与逆向可变车道各自的车辆驶离情况，将单位时间内逆向可变车道通过车辆数与左转专用道通过车辆数叠加在一起，即得所求设置逆向可变车道交叉口左转通行能力。
2.根据权利要求1所述的设置逆向可变车道交叉口左转通行能力计算方法，其特征在于：步骤C）中a）具体是：
根据平衡原理中的用户平衡模型的思想，单个车辆选择行驶路径时的判断标准就是：自身所选的路径阻抗最小，即每辆车进行路径决策时的依据都的是自身的通行时间最短。
3.根据权利要求1所述的设置逆向可变车道交叉口左转通行能力计算方法，其特征在于：步骤C）中b）具体是：
将中央隔离护栏开口处设为后续车辆决策点，车辆根据用户平衡模型决策是否选择逆向可变车道，这里需要计算后续到达的车辆排队到达决策点时的速度与到达时间。
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