CN111127909A - 一种借用匝道消除x形交叉口左转车流预信号控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，包括(1)在X形交叉口的左转车流进口车道上游路径设置诱导标志，提示左转车流沿前进方向最右侧车道直行通过X形交叉口；(2)在X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上距离停车线L处开设一条匝道，使其与相交道路的进口车道连通；(3)在X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上辅以右转标线，提示左转车流前方存在右转匝道；(4)根据各转向交通流量进行交叉口主信号配时；(5)在匝道与相交道路的进口车道连接处设置预信号灯1对匝道车辆进行控制、预信号灯2对进口道行车方向最右侧车辆进行控制。本发明有效提升X型交叉口的通行能力。

Description

一种借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法

技术领域：

本发明涉及一种借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，属于交通管理与控 制技术领域。

背景技术：

在公路与城市道路中，一条道路与另一条道路相交称为交叉口。当交叉口交角小于75° (或大于125°)时，我们称之为X型交叉口。X型交叉口的形成结果既有规划建设不同步而 导致的，也受道路选线时受地物、地貌的影响，造成两条道路呈现斜交。X型交叉口对驾驶 员行车安全、交叉口通行能力以及服务水平等方面都产生了较大影响。在通行能力上，由于 车辆转弯半径的需要，交叉口夹角越小，交叉口形成的面积越大，其内部区域也越狭长，车 辆需要更长的时间通过交叉口，导致每个相位向另一个相位转换时，需要更多的相位清空时 间，从而导致交叉口的通行能力降低。在交通安全方面，由于各转向车流的时空需要，交叉 口内部区域会形成大面积冲突带，车辆的视距无法得到保证，驾驶员行车安全也无法得到保 证。在现有改造方案中，往往是通过物理设施进行改造，如增大交叉口夹角，将交叉口改造 为两个T型交叉口等。但是，通过物理改造需要的建设周期长、建设成本较大，在施工期间 车辆通行也受到限制，物理改造后的交叉口存在一定的弊端。因此，通过物理改造后的交叉 口能解决一定的问题，但整体收益较低。

通过分析发现，X型交叉口小转弯半径左转车流由于转向的需要，交叉口停车线往往需 要向后拓展，进一步造成交叉口内部区域增大，且在很小的转向区域内和其它方向的转向车 流形成多个冲突点。因此，如果能将小转弯半径左转车流进行优化，使其对交叉口车流的影 响减少，交叉口的整体运行效果也将得到改善。

预信号是交叉口主信号的辅助设施，以规范和引导交叉口进口道上车辆行驶行为。目前 国内外对于预信号的应用集中在控制交叉口左转车辆和公交优先两个方面。通常的做法是在 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。左转车辆驶入待行区 后，在绿灯时间驶过路口。

发明内容：

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号 控制方法，旨在解决小转弯半径左转车流左转问题，消除安全隐患；其次，减少交叉口内部 区域，使得车辆通过交叉口内部区域的时间减少，增强交叉口通行能力。

本发明的上述目的可通过以下技术方案来实现：

一种借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)在X形交叉口的左转车流进口车道上游路径设置诱导标志，提示左转车流沿前进 方向最右侧车道直行通过X形交叉口；

(2)在X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上距离停车线L处开设一条 匝道，使X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道与相交道路的进口车道连通；

(3)在X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上辅以右转标线，提示左转 车流前方存在右转匝道，在标线诱导下，左转车流驶入匝道；

(4)根据各转向交通流量进行交叉口主信号配时；

(5)在匝道与相交道路的进口车道连接处设置预信号灯1和预信号灯2，预信号灯1对 匝道车辆进行控制，预信号灯2对进口道行车方向最右侧车辆进行控制，当预信号灯1绿灯 启亮时，匝道车辆驶入进口道，当预信号灯2绿灯启亮时，主路上最右侧车道车辆向前行驶， 等待主信号直行绿灯启亮通过交叉口，同时确定预信号灯2相对于主信号直行绿灯提前启亮 时间，以及预信号灯2相对于主信号直行绿灯提前结束时间。

所述的借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，步骤(1)中所述的在X形 交叉口的左转车流进口车道上游路径设置诱导标志，具体是在X形交叉口设置三相位信号灯： 相位1：南北方向直行绿灯+东西方向左转红灯+东西方向直行红灯；相位2：南北方向直行红 灯+东西方向左转绿灯+东西方向直行红灯；相位3：南北方向直行红灯+东西方向左转红灯+ 东西方向直行绿灯。

所述的借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，步骤(2)中所述在X形交 叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上距离停车线L处开设一条匝道，具体位置的确 定方法是：

L≥n_maxL_s

式中L表示匝道出口至主信号停车线之间的距离，单位为米；n_max表示表示高峰小时一个 信号周期内小转弯半径左转车辆到达的峰值，单位为veh；L_s表示车辆的安全停车距离，单 位为米；

同时，L应满足如下条件：

式中R₀表示满足相应规范的最小转弯半径，单位米；α表示车辆的匝道的圆心角，单位 度；l₀表示停车线至出口车道的距离，单位米；θ表示两条道路的交角，单位度；

且在上述约束条件下取L的最小值。

所述的借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，步骤(4)中所述的根据各 转向交通流量进行交叉口主信号配时的具体方法为：

相交道路方向直行车流在原有基础上增加了小转弯半径左转车流，此时直行车流应满足：

q₀+q₁≤nC_s

式中C_s表示一条直行车道在交叉口的通行能力，pcu/h；T_c表示信号周期时长，s；t_g表 示当前相位的绿灯时长，s；t₀表示第一辆车启动至通过停车线的时长，s；t_i表示车辆的平 均车头间距，s；

表示折减系数，一般取0.9；q₀表示原有进口道的直行与右转高峰小时流 率，pcu/h；q₁表示小转弯半径左转车流的高峰小时流率，pcu/h；n表示交叉口直行或右转车道数；交叉口直右车道的通行能力与直行车道的通行能力相同，故可直接取用直行车道 的通行能力。

所述的借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，步骤(5)中所述的确定预信 号灯2绿灯相对于主信号直行绿灯提前启亮，以及预信号灯2相对于主信号直行绿灯提前结 束时间的具体过程为：

预信号灯2相对于所在进口道主信号直行绿灯提前启亮，提前启亮时间采取如下公式确 定：

式中T_a表示预信号灯2绿灯相对于主信号直行绿灯提前启亮时间，s；n_max表示表示高峰 小时一个信号周期内小转弯半径左转车辆到达的峰值，veh；n₀表示表示一个信号周期内小 转弯半径左转车辆平均到达车辆数，veh；L_s表示车辆的安全停车距离，m；V表示车辆在 交叉口怠速行驶的平均速度，m/s；

预信号灯2相对主信号直行绿灯提前结束，预信号灯2提前结束时间T_L由以下公式确定：

式中V_s表示直行车辆运行速度，km/h，一般取限速值；a表示直行车辆启动加速度，单 位为m/s²。

有益效果：

本发明能够有效解决小转弯半径左转车辆左转带来的交通混乱问题，减少交叉口内部区 域以及冲突带，提升交叉口的交通安全；同时，本发明能将交叉口的四相位设计方案改为三 相位设计方案，使得交叉口的通行效率与通行能力得到较大提升。

附图说明：

图1为本发明适用的交通设施设计示意图。

图2为小转弯半径左转车流运行规则示意图。

图3为交叉口主信号相位设计方案示意图。

图4为传统四相位配时方案示意图。

图5为采用本发明的相位配时方案示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-5所示，本实施例的借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，该方法 包括如下步骤：

(1)在X形交叉口的左转车流进口车道上游路径设置诱导标志，提示左转车流沿前进 方向最右侧车道直行通过X形交叉口；

(2)在X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上距离停车线L处开设一条 匝道，使X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道与相交道路的进口车道连通；

(3)在X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上辅以右转标线，提示左转 车流前方存在右转匝道，在标线诱导下，左转车流驶入匝道；

(4)根据各转向交通流量进行交叉口主信号配时；

(5)在匝道与相交道路的进口车道连接处设置预信号灯1和预信号灯2，预信号灯1对 匝道车辆进行控制，预信号灯2对进口道行车方向最右侧车辆进行控制，当预信号灯1绿灯 启亮时，匝道车辆驶入进口道，当预信号灯2绿灯启亮时，主路上最右侧车道车辆向前行驶， 等待主信号直行绿灯启亮通过交叉口，同时确定预信号灯2相对于主信号直行绿灯提前启亮 时间，以及预信号灯2相对于主信号直行绿灯提前结束时间。

交叉口进出口道交通组织方案为：

小转弯半径左转车流在上游交通诱导标志提示下，左转车辆行驶至最右侧车道，待直行 绿灯启亮时快速通过交叉口，驶入对应出口车道。此时进口道不存在左转车流，故原有左转 相位取消，交叉口主信号由四相位设计方案转换为三相位设计方案。即相位1：南北方向直 行绿灯+东西方向左转红灯+东西方向直行红灯；相位2：南北方向直行红灯+东西方向左转绿 灯+东西方向直行红灯；相位3：南北方向直行红灯+东西方向左转红灯+东西方向直行绿灯。

相位1控制方案下，南北直行绿灯启亮，左转车辆沿最右侧车道直行驶入对应出口车道， 在出口车道诱导标线的提示下，驶入匝道。

在预信号灯处车辆的运行组织方案为：

预信号灯处分为两相位信号控制，分别为：①预信号灯1绿灯+预信号灯2红灯；②预信 号灯1红灯+预信号灯2绿灯。

为避免匝道车辆与交叉口最右侧车道车辆交织带来的交通混乱问题，需设立预信号灯对 两个方向的车流进行控制。预信号灯1对匝道车辆进行控制，预信号灯2对进口道最右侧车 道进行控制。预信号灯1绿灯启亮时，预信号灯2处于红灯状态，匝道车辆快速驶入交叉口 进口道，并等待主信号直行绿灯启亮时驶过交叉口，从而完成左转的目的，进口道最右侧车 道的车辆此时在停车线后停车等候。

当预信号灯2处于绿灯状态时，预信号灯1处于红灯状态，最右侧车道的车辆在继续直 行，在主信号控制下按照交叉口运行规则驶离交叉口，匝道车辆此时在预信号停车线后停车 等候。

为避免预信号与主信号控制不同步带来的交叉口通行效率低下、延误增加、交通混乱等 问题，交叉口主信号与预信号应采取协调控制，此时主预信号周期时长相同。

匝道的设计位置需要考虑以下因素：

匝道出口至主信号灯停车线的距离应满足一个信号周期内最大小转弯半径左转车流的停 放需求。即

L≥n_maxL_s

式中L表示匝道出口至主信号停车线之间的距离，m；n_max表示表示高峰小时一个信号周 期内小转弯半径左转车辆到达的峰值，veh；L_s表示车辆的安全停车距离，m。

同时，匝道的转弯半径应满足相应规范，根据几何知识，可得到L应满足如下条件：

式中R₀表示满足相应规范的最小转弯半径，m；α表示车辆的匝道的圆心角，°；l₀表示停车线至出口车道的距离，m；θ表示两条道路的交角，°。

因预信号灯与主信号灯进行需进行协调控制，故L的取值越小，主预信号的协调控制效果 越好，即在上述约束条件下取L的最小值。

交叉口的各进口道的转向流量有所改变，为提高交叉口通行效率，减少交叉口延误，交 叉口主信号的周期时长与各相位绿灯时长均应进行重新计算。

小转弯半径车流所在进口车道经过渠化设计，替换为直行车道，交叉口由原来的四相位 设计替换为三相位设计，且直行车道数增加，交叉口的通行能力得到显著增加。此时，直行 车流再原有基础上增加了小转弯半径左转车流，直行车流所在相位此时应重新优化配时。

相交道路方向直行车流在原有基础上增加了小转弯半径左转车流，此时东西方向的直行 车流应满足：

q₀+q₁≤nC_s

式中C_s表示一条直行车道在交叉口的通行能力，pcu/h；T_c表示信号周期时长，s；t_g表 示当前相位的绿灯时长，s；t₀表示第一辆车启动至通过停车线的时长，s；t_i表示车辆的平 均车头间距，s；

表示折减系数，一般取0.9；q₀表示原有进口道的直行与右转高峰小时流 率，pcu/h；q₁表示小转弯半径左转车流的高峰小时流率，pcu/h；n表示交叉口直行或右转车道数。值得注意的是，交叉口直右车道的通行能力与直行车道的通行能力相同，故可直接取用直行车道的通行能力。

所述步骤5中确定预信号灯2绿灯相对于主信号直行绿灯提前启亮，以及预信号灯2相 对于主信号直行绿灯提前结束时间的具体过程为：

预信号灯2相对于所在进口道主信号直行绿灯提前启亮，其目的在于避免主信号灯绿灯 启亮时，在预信号停车线至主信号停车线之间存在较大空隙，导致绿灯时间的浪费。提前启 亮时间一般可采取如下公式确定：

式中T_a表示预信号灯2绿灯相对于主信号直行绿灯提前启亮时间，s；n_max表示表示高峰 小时一个信号周期内小转弯半径左转车辆到达的峰值，veh；n₀表示表示一个信号周期内小 转弯半径左转车辆平均到达车辆数，veh；L_s表示车辆的安全停车距离，m；V表示车辆在 交叉口怠速行驶的平均速度，m/s。

预信号灯2相对主信号直行绿灯提前结束，此时主路最右侧车道车辆禁止前行，在预信 号停车线后停车等候，进入预信号停车线的车辆在主信号绿灯期间快速通过交叉口，为匝道 车辆提供停放空间。预信号灯2提前结束时间T_L可由以下公式确定：

式中V_s表示直行车辆运行速度，km/h，一般取限速值；a表示直行车辆启动加速度，单 位为m/s²。

采用以下实施案例验证本发明的增益效果：

以图1所示的交叉口为例，采用VISSIM仿真，研究本发明相对于传统交叉口信号控制方 法延误下降程度。

各进口道双向六车道，高峰小时交通量为左转160pcu/h、直行600pcu/h、右转60pcu/h， 交叉口南北方向绿灯间隔时间为5s，东西方向绿灯间隔时间为3s。

对传统四相位对称放行的相序交叉口进行配时间，得到交叉口的信号周期时长为98s，交 叉口具体信号配时如图4所示。此时，交叉口信号周期时长为98s，交叉口通行能力为：

一条直行车道的通行能力为：

一条左转车道的通行能力为：

一个进口道的通行能力为：

C_i＝(∑C_s+C_sr)/(1-β_r)＝(160+341×2)/(1-60/(600+160+60))＝908pcu/h

整个交叉口的通行能力为：

C₀＝∑C_i＝908×4＝3632pcu/h

采用上述发明设计方案进行交叉口信号配时，得到交叉口的信号配时方案如图5所示。 得到整个交叉口的信号周期时长为60s。

采用上述计算方式，得到整个交叉口的通行能力为：

C₁＝∑C_i＝4314pcu/h

交叉口通行能力提升效果为：

通过信号周期周期时长可以明显发现：采用本发明后，交叉口的信号周期时长明显变短， 交叉口的通行能力提升了18.9％。

通过vissim仿真对传统相位设计方案与本发明设计方案及方案进行仿真，车均延误分别 为32.9s和24.3s。本发明方法相对于传统交叉口信号控制办法，其车均延误下降了26.1％。

本发明可以通过减少控制相位而达到减少信号周期时长的目的，同时，交叉口各相位转 换时间明显减少，从而实现增加交叉口的通行能力，减少交叉口整体的车均延误的目的。虽 然对小转弯半径左转车辆而言，可能需要二次停车，交通延误增加，但是通过本发明方案设 计，小转弯半径左转车流与其它车流的冲突可以明显减少，增加驾驶员的安全收益，对实际 交通具有应用意义。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人 员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所 附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在X形交叉口的左转车流进口车道上游路径设置诱导标志，提示左转车流沿前进方向最右侧车道直行通过X形交叉口；

(2)在X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上距离停车线L处开设一条匝道，使X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道与相交道路的进口车道连通；

(3)在X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上辅以右转标线，提示左转车流前方存在右转匝道，在标线诱导下，左转车流驶入匝道；

(4)根据各转向交通流量进行交叉口主信号配时；

(5)在匝道与相交道路的进口车道连接处设置预信号灯1和预信号灯2，预信号灯1对匝道车辆进行控制，预信号灯2对进口道行车方向最右侧车辆进行控制，当预信号灯1绿灯启亮时，匝道车辆驶入进口道，当预信号灯2绿灯启亮时，主路上最右侧车道车辆向前行驶，等待主信号直行绿灯启亮通过交叉口，同时确定预信号灯2相对于主信号直行绿灯提前启亮时间，以及预信号灯2相对于主信号直行绿灯提前结束时间。

2.根据权利要求1所述的借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述的在X形交叉口的左转车流进口车道上游路径设置诱导标志，具体是在X形交叉口设置三相位信号灯：相位1：南北方向直行绿灯+东西方向左转红灯+东西方向直行红灯；相位2：南北方向直行红灯+东西方向左转绿灯+东西方向直行红灯；相位3：南北方向直行红灯+东西方向左转红灯+东西方向直行绿灯。

3.根据权利要求1所述的借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，其特征在于，步骤(2)中所述在X形交叉口的左转车流进口车道所对应的出口车道上距离停车线L处开设一条匝道，具体位置的确定方法是：

L≥n_maxL_s

式中L表示匝道出口至主信号停车线之间的距离，单位为米；n_max表示表示高峰小时一个信号周期内小转弯半径左转车辆到达的峰值，单位为veh；L_s表示车辆的安全停车距离，单位为米；

同时，L应满足如下条件：

式中R₀表示满足相应规范的最小转弯半径，单位米；α表示车辆的匝道的圆心角，单位度；l₀表示停车线至出口车道的距离，单位米；θ表示两条道路的交角，单位度；

且在上述约束条件下取L的最小值。

4.根据权利要求1所述的借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，其特征在于，步骤(4)中所述的根据各转向交通流量进行交叉口主信号配时的具体方法为：

相交道路方向直行车流在原有基础上增加了小转弯半径左转车流，此时直行车流应满足：

q₀+q₁≤nC_s

式中C_s表示一条直行车道在交叉口的通行能力，pcu/h；T_c表示信号周期时长，s；t_g表示当前相位的绿灯时长，s；t₀表示第一辆车启动至通过停车线的时长，s；t_i表示车辆的平均车头间距，s；

表示折减系数，一般取0.9；q₀表示原有进口道的直行与右转高峰小时流率，pcu/h；q₁表示小转弯半径左转车流的高峰小时流率，pcu/h；n表示交叉口直行或右转车道数；交叉口直右车道的通行能力与直行车道的通行能力相同，故可直接取用直行车道的通行能力。

5.根据权利要求1所述的借用匝道消除X形交叉口左转车流预信号控制方法，其特征在于，步骤(5)中所述的确定预信号灯2绿灯相对于主信号直行绿灯提前启亮，以及预信号灯2相对于主信号直行绿灯提前结束时间的具体过程为：

预信号灯2相对于所在进口道主信号直行绿灯提前启亮，提前启亮时间采取如下公式确定：

式中T_a表示预信号灯2绿灯相对于主信号直行绿灯提前启亮时间，s；n_max表示表示高峰小时一个信号周期内小转弯半径左转车辆到达的峰值，veh；n₀表示表示一个信号周期内小转弯半径左转车辆平均到达车辆数，veh；L_s表示车辆的安全停车距离，m；V表示车辆在交叉口怠速行驶的平均速度，m/s；

预信号灯2相对主信号直行绿灯提前结束，预信号灯2提前结束时间T_L由以下公式确定：

式中V_s表示直行车辆运行速度，km/h，一般取限速值；a表示直行车辆启动加速度，单位为m/s²。

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