CN111383467A - 借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，包括如下步骤：步骤一、依据配时方法进行主信号相位配时，获得主信号的周期和设计预信号的入口方向左转绿灯时间和直行绿灯时间；步骤二、确定预信号的左转有效绿灯时间；步骤三、左转车辆的分选区域长度；步骤四、确定直行车辆的分选区域长度和总分选区域长度；步骤五、确定关键时间；步骤六、确定预信号的直行有效绿灯时间；步骤七、划分各区域后，车辆按照主信号和预信号配时通行。本发明无论在车道的排放比例上还是在通行能力水平上，都有明显的优势。

Description

借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法

技术领域

本发明涉及一种借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法。

背景技术

信号交叉口的冲突点大多来自于左转交通流的影响，Qi等在对信号交叉口左转车道储存长度的确定研究中，认为所有的排队等待左转的车辆有两部分：一部分是红灯期间的队列；另一部分是上一个绿灯结束后剩余的队列。Wei等研究了车辆在信号交叉口左转时导致车道变化的因素，指出左转的变道行为有两种形式：一种是在交叉口左转期间变道；另一种是在完成左转后变道。Yao在研究信号交叉口左转相位时给出了三种信号相位方案：左转信号提前并单独设置；左转信号靠后并单独设置；不设置单独的左转相位。议将与短的左转车道相邻的车道也改成左转车道，以增加交叉口容量。

以上的研究多集中在交叉口渠化、左转车道长度、左转信号相位以及左转车辆的行驶特性等方面，对于交叉口左转逆向可变车道，也有相关学者做出研究。

Xuan等研究出信号交叉口左转的串联设计，将左转车辆和直行车辆分成不同的区域，通过预信号的控制，分次排放交叉口左转和直行车流，可以显著提高信号交叉口的通行能力。李丽丽等基于双停车线的主、预信号交叉口可变车道的诱导方法，研究了左转车道与主信号和预信号的配时关系，并给出相应模型。陈东静等人根据预信号换道方法对有预信号控制的交叉口设置方法做出了说明，给出了预信号配时的计算方法，仿真结果证明减少了交叉口延误。Wu等通过研究借道左转车道的通行能力，提出了计算借道左转车道通行能力和延误的模型，该方式可以显著提高降低交叉口延误。李丹丹根据交叉口左转与直行相位的车辆排队长度，对交叉口左转可变导向车道实施的阈值条件做出研究，并根据左转可变车道属性变化时主信号和预信号的协调关系进行理论推导和分析，结果显示设置左转可变车道有效较低了信号交叉口的延误，减小了排队长度。梁培佳规定了逆向可变车道的长度和宽度，并且提出了逆向可变车道在一个周期内开启和关闭时间的控制模型，并研究出交叉口新的渠化和配时方案。刘洋等给出了借道左转交通组织的适用条件和管理措施研究，给出借道开口长度。朱腾洲等研究了交叉口移位左转设置方法的几何物理模型，提出一种联动控制算法判断该方法的适用条件，仿真显示设置移位左转可降低交叉口延误。江颍研究了左转待行区的应用和设置方法，得出左转待行区对左转车辆通行能力的影响。

为解决左转交通流带来的影响，在左转车道长度、左转信号控制以及左转车辆的行驶特性方面，对于左转逆向可变车道，在预信号的设置、主信号和预信号的配时以及相关的车道设置方法方面均有一定研究，主要有：1)针对信号交叉口左转车辆进出口车道数量不匹配问题，配合信号控制中相位相序的优化，重新组织交叉口放行方式，使左转机动车借道出口道进行左转，以提高交叉口左转通行能力，并通过设置清空信号灯，清空左转借道车道的排队，防止与下一冲突相位的车流冲突；2)针对左转移位与二次停车组合的信号优先控制方法，包含了依次进行的交叉口流量数据采集、交叉口渠化设计及信号设备安置、流量比计算、关键流量比确定，当关键流量比符合一定条件时，启用左转移位与二次停车组合的信号优先控制方法，通过在交叉口上游、下游设置二次停车，同时结合交叉口处的左转移位，从时间与空间两个层面消除左转与直行车流之间的冲突，实现十字交叉口的两相位控制，减少车辆在交叉口处运行的延误，提升交通系统运行的效率；3)通过设置三个功能区域：出口左转区、入口缓冲区、路口导流区；每个功能区域有信号控制且各功能区域信号互相关联；由中间的内左转道与路左侧外左转道平行围成出口左转区；入口设置两条停车线，两线之间为停车缓冲区，其中前部为停车区，后部为掉头区，在主停车线后外侧设置左转/掉头待驶车道；路口导流区分中央直行交叉区、角部左转与右转交叉车道、内凹式安全岛；开始通行时，通过信号控制内左转道等待的左转车优先快速平行左移至外左转道，之后相对方向的直行、左转、右转机动车可以无冲突通行；禁止通行时，掉头车可以从掉头区掉头，左转公交车可以优先进缓冲区；4)通过调整相位相序，确保借出口道左转车流所在相位上一相位通行车流不使用该出口道；计算左转借道车道清空时间，确保出口道车道清空，保证与下一相位车流不冲突；

信号方案A：

对向放行，信号周期为120s，南北向与东西向放行时间相同，直行均放行35s(含3s黄灯，1s全红)，左转均放行25s(含3s黄灯，1s全红)，则优化后的信号放行顺序如图1所示。同一方向先放行左转，再放行直行。以南北进口左转借道出口道为例，当东西方向放行直行时，南北方向出口道闲置，此时可以将南北左转车流放入借道车道，当东西方向直行放行结束，南北方向左转车流放行。

南北左转放行的下一阶段是南北直行，直行车流会和左转车流在出口道有冲突，因此需要设置左转借道车道清空时间，如图2，以南北左转借道为例，其绿灯启亮时刻等于或者迟于东西直行绿灯启亮时刻，确保与东西左转无冲突即可。南北左转借道车道需在南北直行绿灯启亮前清空，清空时间为两冲突相位绿间隔时间，可以简单计算为借道车道长L除以车速v，该案例中借道车道长30m，交叉口车速设为10～30km/h，计算得到排队清空时间为3.6s～10.8s，为了确保安全，清空时间t_q＝10s。

信号方案B：

单口放行，信号周期为120s，四个方向单口放行时间相同，均为30s(含3s黄灯，1s全红)。则优化后的信号放行顺序见图1，放行顺序为逆时针方向。以东进口借道出口道通行为例，其上一阶段为南单口放行，南单口放行时，右转车会使用东进口一条出口道，靠近中心线出口道闲置，此时可以将东进口左转车辆放入借道车道，当南单口放行结束，东单口放行左转两个车道同时放行，提高通行效率。

东进口单口放行下一阶段是北单口放行，北单口放行的左转车流和东单口放行的左转车流有冲突，东进口借道左转可变车道需要严格清空，设置清空时间。清空时间为两冲突相位绿间隔时间，可以简单计算为借道车道长L除以车速v，该案例中借道车道长30m，交叉口车速设为10～30km/h，计算得到排队清空时间为3.6s～10.8s，为了确保安全，清空时间t_q＝10s，见图2。

其余信号灯使用原有信号控制周期、绿信比，如图2所提供。

对信号交叉口左转交通组织方案的研究，历年来有着许多成果，借道左转方法是一种近几年出现的左转组织方案，目前对其研究多体现在实际的工程应用中，对相关的交通特性研究较少。

对于借用对向车道左转这一方法，首先它不符合一般驾驶员的驾驶习惯，如果驾驶员对道路标志标线及信号灯不够熟悉，就无法准确进行左转，驾驶员需要较强的学习能力，才能正确掌握此种规则。其次，此种方法要求对向路段上有两条左转车道，那么在相应的左转出口路段上就必须有与之相对应的两个出口。最后，对于存在中央隔离带的交叉口，如果采用借用对向车道左转的方法，势必破坏中央隔离带，对原有交通设施造成损坏。

发明内容

根据上述提出的借用对向车道左转的方法不符合一般驾驶员的驾驶习惯，如果驾驶员对道路标志标线及信号灯不够熟悉，就无法准确进行左转，驾驶员需要较强的学习能力，才能正确掌握此种规则；该方法要求对向路段上有两条左转车道，在相应的左转出口路段上就必须有与之相对应的两个出口；对于存在中央隔离带的交叉口，如果采用借用对向车道左转的方法，势必破坏中央隔离带，对原有交通设施造成损坏的技术问题，而提供一种借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法。本发明主要通过对某个实例交叉口进行三种左转车道的设计、仿真：有借用本方向直行车道左转、借用相邻对向车直行道左转以及传统的左转车道设计，计算各方案的车道排放比例以及通行能力，可得出，借用本方向直行车道左转方案无论在车道的排放比例上还是在通行能力水平上，都有明显的优势，对于左转车辆较多的信号交叉口有参考价值。

本发明采用的技术手段如下：

一种借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，在交叉口的进口道处，根据相位时序，利用本方向的直行车道，通过预信号控制，提前将左转的车辆引导至总分选区域的前端，直行车辆靠后并分别划分出各自的区域，等待主信号通行信号；其中，所述总分选区域是指预信号处停止线与主信号处停止线之间的区域；

所述方法具体包括如下步骤：

步骤一、依据配时方法进行主信号相位配时，获得主信号的周期C₀、设计预信号的入口方向左转绿灯时间G_L和直行绿灯时间G_T；所述配时方法为Webster方法、HCM方法或ARRB方法；

步骤二、根据主信号的周期C₀、设计预信号入口的左转交通量q_L、预信号处左转车道数量n_L和单车道左转饱和流率s_L来确定预信号的左转有效绿灯时间g_L；

步骤三、根据左转有效绿灯时间g_L、单车道左转饱和流率s_L、预信号处左转车道数量n_L、左转饱和车头间距h_L确定左转车辆的分选区域长度L₁；

步骤四、根据左转车辆的分选区域长度L₁、设计预信号的入口方向左转绿灯时间G_L和直行绿灯时间G_T确定直行车辆的分选区域长度L₂和总分选区域长度L₀；

步骤五、根据总分选区域长度L₀、入口直行车辆通过交叉口的平均速度V_T和直行饱和车头间距h_T确定关键时间t₀；

步骤六、根据直行车辆的分选区域长度L₂确定预信号的直行有效绿灯时间g_T；

步骤七、划分各区域后，车辆按照主信号和预信号配时通行。

进一步地，步骤二中，所述预信号的左转有效绿灯时间g_L满足如下公式：

式中，g_L为预信号的左转有效绿灯时间(s)；q_L为设计预信号入口的左转交通量(辆/s)；C₀为主信号周期；n_L为预信号处左转车道数量；s_L为单车道左转饱和流率(辆/h)。

进一步地，步骤三中，所述左转车辆的分选区域长度L₁满足如下公式：

式中，L₁为左转车辆的分选区域长度(m)；h_L为左转车道饱和车头间距(m)；其它符号意义同前。

进一步地，步骤四中，所述直行车辆的分选区域长度L₂满足如下公式：

L₂＝L₁·G_T/G_L；

其中，

L₁:L₂＝G_L:G_T；

所述总分选区域长度L₀满足如下公式：

L₀＝L₁+L₂＝L₂·(G_L/G_T+1)；

式中，L₂为直行车辆的分选区域长度(m)；L₀为进口道总分选区域(m)；G_L为左转绿灯时间(m)；G_T为直行绿灯时间(m)。

进一步地，步骤五中，所述关键时间t₀为分选区域内所有车辆排放时间，满足如下公式：

式中：t₀为分选区域内所有车辆排放时间(s)；V_T为入口直行车辆通过交叉口的平均速度(m/s)；h_T为直行车道饱和车头间距(m)。

进一步地，步骤六中，所述预信号的直行有效绿灯时间g_T满足如下公式：

其中，

式中，g_T为预信号的直行有效绿灯时间(s)；n_T为预信号处直行车道数量；s_T为单车道直行饱和流率(辆/h)。

进一步地，步骤四中，所述左转车辆的分选区域和直行车辆的分选区域的长度均小于总分选区域的长度；所述总分选区域的长度满足储存左转和直行车辆的总和；所述总分选区域的长度不大于进口道停止线与预信号停止线上游第一组导向标线间的距离。

进一步地，所述总分选区域的长度满足如下公式：

L₁+L₂＜L₀＜L₃；

式中：L₃为进口道停止线与预信号停止线上游第一组导向标线间的距离(m)；其它符号意义同前。

进一步地，步骤七中，信号顺序为：当主信号为红灯时，预信号左转绿灯开启，所有需要左转的车辆使用进口道所有可左转车道，停在左转的分选区域内等待；当预信号直行绿灯开启时，直行车辆使用所有可直行车道排在左转车辆后面等待；当主信号绿灯开启时，所有车辆可以最大程度使用进口道车道通过交叉口；其中，如果左转相位滞后于直行相位，预信号的相位也应一起反转顺序。

进一步地，所述预信号绿灯结束时间早于主信号直行绿灯结束时间，以排空总分选区域内所有车辆，保证下一周期左转车辆先于直行车辆储存在左转车辆的分选区域内，避免未排空直行车辆影响左转车辆的变道和存储；

当相位左转绿灯结束时，借道左转内的所有左转车辆完全排空，防止与对向直行车辆发生冲突。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，通过对某个实例交叉口进行三种左转车道的设计、仿真：借用本方向直行车道左转、借用相邻对向车直行道左转以及传统的左转车道设计，计算各方案的车道排放比例以及通行能力，可得出，借用本方向直行车道左转方案无论在车道的排放比例上还是在通行能力水平上，都有明显的优势，对于左转车辆较多的信号交叉口有参考价值。

2、本发明提供的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，借用相邻对向车道方案的通行能力比传统设计方案提高了6％；借用本方向直行车道方案的通行能力比传统设计方案提高了26％，比借用相邻对向车道方案通行能力提高了19％。

3、本发明提供的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，采用传统设计方案的车道排放比例和左转通行能力最小，借用本方向直行车道方案数据最大，借用相邻对向车道方案数据次之。

4、本发明提供的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，传统设计方案与借用相邻对向车道方案均不需要设置分选区域，借用本方向直行车道需要设置较长的分选区域。

5、本发明提供的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，借道左转方法比传统设计方法有着显著的优势，在车辆平均排队长度、延误时间、行程时间以及停车次数方面有着较为明显的降低，在左转的车辆数量仿真中有较大的提升，可以看出对左转的通行能力有着较大的提高。

6、本发明提供的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，与借用对向直行车道左转的方法相比，不改变对向车道及破坏中央隔离带，且所提出的预信号相位和主信号相位可以随流量变化而变化，根据不同的转弯百分比，设置相对应的信号相位时长。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的借用对向车道左转的方法不符合一般驾驶员的驾驶习惯，如果驾驶员对道路标志标线及信号灯不够熟悉，就无法准确进行左转，驾驶员需要较强的学习能力，才能正确掌握此种规则；该方法要求对向路段上有两条左转车道，在相应的左转出口路段上就必须有与之相对应的两个出口；对于存在中央隔离带的交叉口，如果采用借用对向车道左转的方法，势必破坏中央隔离带，对原有交通设施造成损坏的问题。

基于上述理由本发明可在城市道路交叉口交通规划设计和交通控制等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中案例交叉口信号控制方案。

图2为现有技术中案例交叉口左转借道清空时间设置相位图。

图3为本发明借用本方向直行车道示意图。

图4为本发明借用本方向直行车道长度设置示意图。

图5为本发明借用本方向直行车道交叉口相位时序设计。

图6为本发明借用本方向直行车道交叉口信号配时方案。

图7为本发明实施例2中长春路与五四路交叉口位置图。

图8为本发明实施例2中长春路与五四路信号交叉口布局图。

图9为本发明实施例2中长春路与五四路信号交叉口Nema相位计划。

图10为本发明实施例2中K-S泊松分布检验检定结果。

图11为本发明实施例2中交叉口左转排放比例与通行能力对比。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-6所示，本发明提供了一种借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，在交叉口的进口道处，根据相位时序，利用本方向的直行车道，通过预信号控制，提前将左转的车辆引导至总分选区域的前端，直行车辆靠后并分别划分出各自的区域，等待主信号通行信号；其中，所述总分选区域是指预信号处停止线与主信号处停止线之间的区域；

所述方法具体包括如下步骤：

步骤一、依据某种常用配时方法进行主信号相位配时，如Webster方法、HCM方法、ARRB方法等，获得主信号的周期C₀和设计预信号的入口方向左转绿灯时间G_L和直行绿灯时间G_T；；

步骤二、根据主信号的周期C₀、设计预信号入口的左转交通量q_L、预信号处左转车道数量n_L和单车道左转饱和流率s_L来确定预信号的左转有效绿灯时间g_L；

步骤三、根据左转有效绿灯时间g_L、单车道左转饱和流率s_L、预信号处左转车道数量n_L、左转饱和车头间距h_L确定左转车辆的分选区域长度L₁；

步骤四、根据左转车辆的分选区域长度L₁、设计预信号的入口方向左转绿灯时间G_L和直行绿灯时间G_T确定直行车辆的分选区域长度L₂和总分选区域长度L₀；

步骤五、根据总分选区域长度L₀、入口直行车辆通过交叉口的平均速度V_T和直行饱和车头间距h_T确定关键时间t₀；

步骤六、根据直行车辆的分选区域长度L₂确定预信号的直行有效绿灯时间g_T；

步骤七、划分各区域后，车辆按照主信号和预信号配时通行。

优选的，步骤二中，所述预信号的左转有效绿灯时间g_L满足如下公式：

式中，g_L为预信号的左转有效绿灯时间(s)；q_L为设计预信号入口的左转交通量(辆/s)；C₀为主信号周期；n_L为预信号处左转车道数量；s_L为单车道左转饱和流率(辆/h)。

优选的，步骤三中，所述左转车辆的分选区域长度L₁满足如下公式：

式中，L₁为左转车辆的分选区域长度(m)；h_L为左转车道饱和车头间距(m)；其它符号意义同前。

上述公式中，饱和流率的单位是辆/h，除以3600可以将单位化为辆/s，与有效绿灯时间相乘，可以得到该路段有效绿灯时间内的车辆数，除以车道数量，可以得到有效绿灯时间内一条车道的车辆数，再乘左转饱和车头间距，即可得到这些车辆所需要的车道长度，后面再加一个左转饱和车头间距是为了保证安全。

优选的，步骤四中，所述直行车辆的分选区域长度L₂满足如下公式：

L₂＝L₁·G_T/G_L；

其中，

L₁:L₂＝G_L:G_T；

所述总分选区域长度L₀满足如下公式：

L₀＝L₁+L₂＝L₂·(G_L/G_T+1)；

式中，L₂为直行车辆的分选区域长度(m)；L₀为进口道总分选区域(m)；G_L为左转绿灯时间(m)；G_T为直行绿灯时间(m)。

优选的，步骤五中，所述关键时间t₀为分选区域内所有车辆排放时间，满足如下公式：

式中：t₀为分选区域内所有车辆排放时间(s)；V_T为入口直行车辆通过交叉口的平均速度(m/s)；h_T为直行车道饱和车头间距(m)。

优选的，步骤六中，所述预信号的直行有效绿灯时间g_T满足如下公式：

其中，

式中，g_T为预信号的直行有效绿灯时间(s)；n_T为预信号处直行车道数量；s_T为单车道直行饱和流率(辆/h)。

优选的，步骤四中，所述左转车辆的分选区域和直行车辆的分选区域的长度均小于总分选区域的长度；所述总分选区域的长度满足储存左转和直行车辆的总和；所述总分选区域的长度不大于进口道停止线与预信号停止线上游第一组导向标线间的距离。

优选的，所述总分选区域的长度满足如下公式：

L₀＝L₁+L₂＜L₃；

式中：L₃为进口道停止线与预信号停止线上游第一组导向标线间的距离(m)；其它符号意义同前。

优选的，步骤七中，信号顺序为：当主信号为红灯时，预信号左转绿灯开启，所有需要左转的车辆使用进口道所有可左转车道，停在左转的分选区域内等待；当预信号直行绿灯开启时，直行车辆使用所有可直行车道排在左转车辆后面等待；当主信号绿灯开启时，所有车辆可以最大程度使用进口道车道通过交叉口；其中，如果左转相位滞后于直行相位，预信号的相位也应一起反转顺序。

优选的，所述预信号绿灯结束时间早于主信号直行绿灯结束时间，以排空总分选区域内所有车辆，保证下一周期左转车辆先于直行车辆储存在左转车辆的分选区域内，避免未排空直行车辆影响左转车辆的变道和存储；

当相位左转绿灯结束时，借道左转内的所有左转车辆完全排空，防止与对向直行车辆发生冲突。

实施例1

在交叉口的进口道处，根据相位时序，利用本方向的直行车道，通过预信号控制，提前将左转的车辆引导至分选区域的前端，直行车辆靠后并分别划分出各自的区域，等待主信号通行信号。这种方式需要设置单独的左转相位，所借用的车道数，可以根据实际情况增加或者减少。具体见图3所示。

借用本方向直行车道方案，在进口道处，一般用白色虚线分开每条车道，允许车辆在进口道处变道行驶，其目的在于分开左转车辆和直行车辆。由图3可知，在预信号处有停止线，预信号与主信号之间的区域为总分选区域，设置左转车辆待行区和直行车辆待行区，且左转车辆提前。采用这种方式，总分选区域需要足够的长度，以确保不会有车辆溢出回到预信号处的停止线左侧。除需要设置单独左转相位外，为保证交叉口左转车流无冲突，最好设置四相位信号灯。

借用本方向直行车道方案的信号顺序为：当主信号为红灯时，预信号左转绿灯开启，所有需要左转的车辆使用进口道所有可左转车道，停在左转的分选区域内等待。然后预信号直行绿灯开启，直行车辆使用所有可直行车道排在左转车辆后面等待。当主信号绿灯开启时，所有车辆可以最大程度使用进口道车道通过交叉口。当然，如果左转相位滞后于直行相位也可以，预信号的相位也应一起反转顺序。

借道左转车道长度若较短，则不能储存较多的车辆，对左转车辆的排放能力不足，左转相位期间通过的车辆数较少，设置的意义不大；若借道左转车道长度过长，车道内储存的车辆不能及时排出，或者增加了左转相位的绿灯时间，若不能及时排出，则会影响对向直行车辆通过交叉口，且所停止的车辆也会按违规停车处理，极易发生交通事故和拥堵，反而降低了交叉口的通行能力。

借道左转车道设置的目的在于，提高交叉口左转通行能力的同时，不发生次生事故，保证行车安全。根据《城市道路交通标志和标线设置规范》，导向车道的长度宜设置为30米至70米，因此可以取此值为借道左转车道的最小长度值。

对于借用本方向直行车道方案，根据图4所示，有以下因素需要考虑：

1)左转分选区和直行分选区的长度均不能超过总分选区域长度；

2)总分选区域长度应满足储存左转和直行车辆的总和；

3)总分选区域长度不应该大于进口道停止线与预信号停止线上游第一组导向标线间的距离。

根据以上分析，借用本方向直行车道长度应满足以下约束条件：

L₀＝L₁+L₂＜L₃；

式中：L₀为进口道总分选区域长度(m)；L₁为左转车辆的分选区域长度(m)；L₂为直行车辆的分选区域长度(m)；L₃为进口道停止线与预信号停止线上游第一组导向标线间的距离(m)。

左转车辆的分选区域长度L₁，可由下式计算得到：

式中：n_L为预信号处左转车道数量；s_L为单车道左转饱和流率(辆/h)；g_L为预信号的左转有效绿灯时间(s)；h_L为左转车道饱和车头间距(m)；其它符号意义同前。

直行车辆的分选区域长度L₂，可由下式计算得到：

式中：n_T为预信号处直行车道数量；s_T为单车道直行饱和流率(辆/h)；g_T为预信号的直行有效绿灯时间(s)；h_T为直行车道饱和车头间距(m)；其它符号意义同前。

由于左转车辆的分选区域和直行车辆的分选区域均由单车道的最大排放车辆数量得来，所以，它们的长度与主信号左转有效绿灯时间和主信号直行有效绿灯时间成比例，即：

L₁:L₂＝G_L:G_T；

式中：G_L为主信号左转有效绿灯时间(s)；G_T为主信号直行有效绿灯时间(s)；其它符号意义同前。

需要保证在相位左转绿灯结束时，能够完全排空借道左转内的所有左转车辆，防止与对向直行车辆发生冲突。

根据图4可知，借用本方向直行车道方案没有使用任何出口道作为左转车道，而是将左转车辆通过预信号控制，提前引导至进口道前端的左转分选区域。其相位时序见图5所示。

由图5可知，预信号绿灯结束时间需早于主信号直行绿灯结束时间，为的是排空分选区域所有车辆，保证下一周期左转车辆能够先于直行车辆储存在左转分选区域内，避免未排空直行车辆影响左转车辆的变道和存储。

根据图5，设置借用本方向直行车道交叉口的信号配时方案，见图6。

对于主信号相位配时，可依据Webster配时方法。

根据分析可得，t₀为左转分区内的车辆排放时间和直行分区内的车辆排放时间之和，也为关键时间，可由下式表达：

式中：t₀为分选区域内所有车辆排放时间(s)；V_T为入口直行车辆通过交叉口的平均速度(m/s)；h_T为直行车道饱和车头间距(m)；其它符号意义同前。

设置t₀的目的是为了排空总分选区域内的车辆。

实施例2

如图7-11所示，通过对某个实例交叉口进行三种左转车道的设计、仿真：有借用本方向直行车道左转，借用相邻对向车直行道左转，传统的左转车道设计，计算各自方案的车道排放比例以及通行能力。

(一)交叉口调查

1)交叉口位置及流量

选取大连市西岗区长春路与五四路交叉口，长春路是南北双向车道，五四路是由东往西的单向车道。南进口道车道宽度3.0米，南出口道车道宽度3.5米。该交叉口南侧有长春桥高架桥，该高架桥下桥口与同侧道路的交织区距离交叉口南进口道停车线79.9米。该信号交叉口位置具体见图7所示.由图7可知，此交叉口地处繁华路段，周围有酒店、健身等娱乐场所，还有生活小区，车辆的出入比较频繁，路况较为复杂。

根据2018年7月13日早7点30分至8点30分早高峰期间对该交叉口的调查数据，不同车道方向的流量以及各车道的饱和车头时距见表1所示。

表1长春路与五四路交叉口各流向流量及饱和车头时距

此信号交叉口早高峰车流量较大，南进口道的左转车辆占比近4成，由于交叉口南端上游有高架桥，交叉口南进口道距离高架桥仅80米左右距离，经常发生左转车辆排队至高架桥上，而高架桥上最西侧的车道为逆向的车道，经常在夏下桥口处发生拥堵现象，严重影响交叉口的正常有序使用。

受制于道路红线宽度的影响，此交叉口南进口道在已经拓宽一条左转车道的基础上不能再次拓宽，但两条左转车道并不能完全解决排队长度过长的问题，随着车辆数的增加，部分左转车辆需要等待两个周期才能通过交叉口，交叉口的左转延误较大。此交叉口北进口道右转车辆较多，有多于三分之一的右转车辆通过交叉口，因此交叉口西出口道需要至少一条车道，作为北进口道右转车辆的出口道。东进口道主要以直行车辆为主，右转车辆中大车率较高，主要以城市公交为主。

2)交叉口信号控制

对此次调查的信号交叉口，首先对其现状渠化做出调查，如图8所示。

根据图8，在南进口道道路中心线上游，设置了一个预信号，并对道路中心线做出开口，设置了一条相邻的对向车道作为南进口左转车道，至此，此交叉口南进口由原来的两条左转车道增加为三条。此外，由于东西方向的五四路为单行道，故南进口没有右转车辆，不设置右转车道，北进口没有左转车辆，不设置左转车道。根据借道左转车道数量的设置依据，交叉口西侧为出口道，不用考虑右转车辆占用南出口道车道的情况。由于南出口道、北出口道和西出口道最右侧均有公交专用车道，故按现场交叉口布局，西出口道需要为北进口道右转车辆保留一条右转车道，西出口道还剩三条直行车道。此交叉口初始的渠化为两条左转专用车道，所以只能设置一条借道左转车道。

根据图8以及现场的调查数据，对此交叉口的信号相位设计如图9所示。

图9显示了对所调查的信号交叉口信号相位的设计计划。由于右转车辆在红灯期间也可右转，对交叉口左转车辆影响不大，故不考虑在信号相位内。由于北进口车道没有左转车辆，将此交叉口设计为三相位，东进口直行和左转相位为第一相位；南进口左转和直行相位为第二相位；南北进口的直行为第三相位。可见南进口直行绿灯时间最长，充分发挥了不浪费时空资源的要求。

预信号相位发生在第一相位和第二相位之间，原则上，在第一相位期间，有东进口道左转车辆通过交叉口，不应设置借道左转车道预信号相位绿灯，左转车辆会占用南出口道车道资源，但从实际调查的东进口左转车辆数占比来看，左转车辆较少，且为其单独设置左转相位，增加了信号交叉口的相位周期时长，效率不高，南出口道原本有三条车道，公交专用道占据一条，借道左转车辆占据一条，还剩一条出口道车道，东进口道左转车辆基本不会与南进口道借道左转的车辆发生冲突，故可以在东进口道绿灯相位后期，设置预信号绿灯相位，引导左转车辆进入借道左转车道。对于预信号绿灯结束时间早于主信号绿灯结束时间，则如同前述，为了排空借道左转车道上的左转车辆。

3)南进口道车流分布

假设交叉口的左转车辆到达符合泊松分布。对所调查的信号交叉口车辆到达分析，得到每15秒的时间间隔内到达交叉口的左转车辆数。

将所调查的高峰小时，分割为240份，每份15秒，分别统计每15秒的时间间隔内，到达交叉口的左转车辆数。通过SPSS软件，运行K-S分布检验，以测试所调查的每15秒的时间间隔内到达交叉口的左转车辆数是否符合泊松分布，结果见图10所示。

根据图10显示，所调查的15秒时间间隔内到达交叉口的左转车辆数，在泊松分布检验中，渐近显著性为0.962，其平均数接近于2.8，可以认为，所调查数据符合λ接近于2.8的泊松分布。即交叉口的左转车辆到达符合泊松分布。

(二)交叉口车道排放比例计算

车道排放比例，指的是总有效绿灯时间占周期的比例与交叉口车道数的乘积，即(1-损失时间/周期)*车道数。其相较于通行能力的计算，模型更为简单，所需参数更易获取。其模型的相关介绍如下。

为简化模型，将信号周期长度单位化为1，G表示单位有效绿灯时间，(＝总有效绿灯时间/总周期)；r表示左转车辆所占的比率，r＝q_L/q；N表示车道数量。上标为“0”的表示传统设计,即没有设置借道左转车道的方式；上标为“1”的表示设置借道左转车道的方式；下标为“L”和“T”的代表左转车辆和直行车辆。具体表达式如下：

对于传统设计的模型有：

式中：q⁰为采用传统设计方案的车道排放比例；

为主信号处左转的车道数；

为主信号处直行的车道数；

为采用传统设计方案的左转车道排放比例；

为采用传统设计方案的直行车道排放比例；

为主信号左转单位有效绿灯时间(s)；

为主信号直行单位有效绿灯时间(s)。

并且有：

对于借道左转方法的模型有：

G_L＝_q ¹r/N_L (10)

G_T＝q¹(1-r)/N_T (11)

g_L＝q¹r/n_L (12)

g_T＝q¹(1-r)/n_T (13)

式中：q¹为采用借道左转方法设计的车道排放比例；N_L为主信号处左转的车道数；N_T为主信号处直行的车道数；n_L为预信号处左转的车道数；n_T为预信号处直行的车道数；

为采用借道左转方法的左转车道排放比例；

为采用借道左转方法的直行车道排放比例；G_L为主信号左转单位有效绿灯时间；G_T为主信号直行单位有效绿灯时间(s)；g_L为预信号左转单位有效绿灯时间(s)；g_T为预信号直行单位有效绿灯时间(s)；其他符合意义同上所述。

根据以上模型和此次调查的信号交叉口数据，分别对采用传统设计方法和借道左转方法进行计算，得到每种方法的车道排放比例。具体计算过程及结果如下。

1)采用传统设计方法

在此次调查的信号交叉口，最初采用的信号交叉口渠化方案为左转车道拓宽，在原有的进口道宽度基础上，通过缩减车道宽度，增加了一条左转车道，在主信号处得到两条左转车道，即

直行车道数为3，即

根据现场对信号灯时间的调查数据，得信号交叉口总周期141秒，南进口道总有效绿灯时间96秒，所以单位有效绿灯时间为：

G＝96/141＝0.68；

根据表1的调查数据，南进口道左转车辆所占比率为：

r＝670/1836＝0.365；

根据公式(1)得，

即采用传统设计方案的南进口道车道排放比例为1.73。

左转车道排放比例根据公式(2)得，

2)采用借用相邻对向车道方案

根据借用相邻对向车道方案的特点以及使用条件约束，本次调查的信号交叉口南出口道共三条车道，其中道路外侧为公交专用道，且在东进口车辆放行时，左转车辆与直行车辆一同放行，故此需要在南出口道预留一条车道作为东进口左转车辆使用，故此，设置一条借用的左转车道，具体的参数设置如表2所示。

表2借用相邻对向车道方案参数设置

根据公式(7)得

即采用借用相邻对向车道方案的南进口道车道排放比例为2.04。

左转车道排放比例根据公式得，

3)采用借用本方向直行车道方案

借用本方向直行车道，需要考虑实际信号交叉口的具体渠化情况。本次调查的信号交叉口，西出口道车道数量为5条，其中道路外侧有公交专用道，由东往西为单行道，北进口有右转车辆通过，且数量较多，故此，设置3条出口道作为南进口道左转车辆使用；北出口道有4条车道，且东进口道右转车辆不多，为相同绿灯信号时间内增加车辆的排放数量，南进口直行车道由现状3条增加为4条。借用本方向直行车道方案也需要预信号的使用，在预信号处，左转车道数为2；直行车道数为3。具体的参数设置如表3。

表3借用本方向直行车道方案参数设置

根据公式(7)得，

即采用借用本方向直行车道方案的南进口道车道排放比例为2.04。

左转车道排放比例根据公式(8)得，

通过以上对传统设计方案和借道左转方案各自的车道排放比例的计算，可以更为简单地描述出每种方式可以排放的车辆比例，其需要的参数更易获得，且借道左转方法的车道排放比例大于传统设计方案。

(三)交叉口左转通行能力计算

对于所调查的信号交叉口左转通行能力的计算，分别从三种左转方案入手，分别计算每种设计方案的左转通行能力。

1)采用传统设计方案的左转通行能力

根据对调查的信号交叉口数据研究分析，正常左转车道的饱和车头时距h₀＝2.5s，左转车道有效绿灯时间G_e＝34s。

饱和流率可以通过饱和车头时距计算，其计算公式如下：

式中：s为饱和流率(辆/h)；h为饱和车头时距(s)。

根据所求得的饱和流率，可以求出信号交叉口的通行能力，其公式如下：

c_j＝s_j·λ_j (15)

式中：c_i为车道组i或进口道i的通行能力(辆/h)；s_i为车道组i或进口道i的饱和流率(辆/绿灯小时)；λ_i为车道组i或进口道i所属信号相位的绿信比；g_ei为车道组i或进口道i所属信号相位有效绿灯时间(s)；C为周期时长(s)。

根据公式(14)-(16)，得到左转车道饱和流量s₀＝1440pcu/h，此交叉口采用传统设计的左转车道数为两条，交叉口左转的通行能力c₀＝694veh/h。

2)采用借用相邻对向车道方案的左转通行能力

根据现场对所借用的相邻对向车道的车辆饱和车头时距的调查，其饱和车头时距h₁＝2.3s，车道饱和流量s₁＝3600/h₁＝1565pcu/h，主信号左转有效绿灯时间G_e＝34s，预信号有效绿灯时间g_e＝43s，停止线与预信号位置之间左转车道所能停止的最大车辆数n＝12。

根据泊松分布，估算得出p₀＝0.251,p₁＝0.749。在有借道左转方式相位的交叉口，可以根据使用对向车道的车辆数来计算此交叉口左转的通行能力。

V＝min(s₁·g_e，max(K-n+I，0)) (17)

公式(17)可以进一步表示为下式：

式中：V为一个周期内使用对向车道排放的左转车辆数；s₁为在预信号控制下进入对向车道的左转交通流饱和流量；g_e为预信号的有效绿灯时间(s)；K为预信号绿灯终止之前到达的所有左转车道的车辆总数；n为停止线与预信号位置之间左转车道所能停止的最大车辆数；I为所有左转车道的初始队列。

左转车辆的到达模式可能会影响使用对向车道的车辆数量。假设左转车辆的到达遵循泊松分布。所以，左转的通行能力可以估算为：

c＝[p₀·s₁·g_e+p₁·(K-n+I)+s₀·G_e]/C (19)

式中：c为交叉口的左转通行能力，包括所借用车道的容量加上正常左转车道的容量(辆/h)；p₀为K＞n+s₁·g_e的概率；p₁为n＜K≤n+s₁·g_e的概率。

根据公式(17)-(19)，经过计算得c＝735veh/h。

3)采用借用本方向直行车道方案的左转通行能力

计算借用本方向直行车道方案的左转通行能力，需要考虑信号交叉口重新配时的影响，根据韦伯斯特公式计算出此交叉口的信号配时情况。根据表1调查的信号交叉口各流向流量，计算出每个方向的流量比，见表4所示。

表4所调查交叉口各流向流量比

根据表4，计算得到流量比总和Y＝0.62。总损失时间L＝18s。根据韦伯斯特公式的计算流程，得最佳信号周期C₀＝84s，总有效绿灯时间G₁＝C₀-L＝66s,故左转的有效绿灯时间

经过计算得c₁＝874veh/h。

通过对以上传统设计和借道左转方式的左转通行能力计算，可以看出使用借道左转方案可以有效提高交叉口左转的通行能力。

根据以上对传统设计方案以及借道左转方案各自的车道排放比例以及通行能力的计算，可以看出，借用本方向直行车道左转方案无论在车道的排放比例上还是在通行能力水平上，都有明显的优势，对于左转车辆较多的信号交叉口有参考价值。对上述指标的对比见图11所示。

根据仿真结果以及传统设计和借道左转各自的优缺点和适用条件，有以下对比分析。

(1)借用相邻对向车道方案的通行能力比传统设计方案提高了6％；借用本方向直行车道方案的通行能力比传统设计方案提高了26％，比借用相邻对向车道方案通行能力提高了19％。

(2)采用传统设计方案的车道排放比例和左转通行能力最小，借用本方向直行车道方案数据最大，借用相邻对向车道方案数据次之。

(3)传统设计方案与借用相邻对向车道方案均不需要设置分选区域，借用本方向直行车道需要设置较长的分选区域。

借道左转方法比传统设计方法有着显著的优势，在车辆平均排队长度、延误时间、行程时间以及停车次数方面有着较为明显的降低，在左转的车辆数量仿真中有较大的提升，可以看出对左转的通行能力有着较大的提高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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；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各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，在交叉口的进口道处，根据相位时序，利用本方向的直行车道，通过预信号控制，提前将左转的车辆引导至总分选区域的前端，直行车辆靠后并分别划分出各自的区域，等待主信号通行信号；

所述方法具体包括如下步骤：

步骤一、依据配时方法进行主信号相位配时，获得主信号的周期C₀、设计预信号的入口方向左转绿灯时间G_L和直行绿灯时间G_T；所述配时方法为Webster方法、HCM方法或ARRB方法；

步骤二、根据主信号的周期C₀、设计预信号入口的左转交通量q_L、预信号处左转车道数量n_L和单车道左转饱和流率s_L来确定预信号的左转有效绿灯时间g_L；

步骤三、根据左转有效绿灯时间g_L、单车道左转饱和流率s_L、预信号处左转车道数量n_L、左转饱和车头间距h_L确定左转车辆的分选区域长度L₁；

步骤四、根据左转车辆的分选区域长度L₁、设计预信号的入口方向左转绿灯时间G_L和直行绿灯时间G_T确定直行车辆的分选区域长度L₂和总分选区域长度L₀；

步骤五、根据总分选区域长度L₀、入口直行车辆通过交叉口的平均速度V_T和直行饱和车头间距h_T确定关键时间t₀；

步骤六、根据直行车辆的分选区域长度L₂确定预信号的直行有效绿灯时间g_T；

步骤七、划分各区域后，车辆按照主信号和预信号配时通行。

2.根据权利要求1所述的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，步骤二中，所述预信号的左转有效绿灯时间g_L满足如下公式：

式中，gL为预信号的左转有效绿灯时间(s)；qL为设计预信号入口的左转交通量(辆/s)；C₀为主信号周期；n_L为预信号处左转车道数量；s_L为单车道左转饱和流率(辆/h)。

3.根据权利要求1所述的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，步骤三中，所述左转车辆的分选区域长度L₁满足如下公式：

式中，L₁为左转车辆的分选区域长度(m)；h_L为左转车道饱和车头间距(m)；其它符号意义同前。

4.根据权利要求1所述的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，步骤四中，所述直行车辆的分选区域长度L₂满足如下公式：

L₂＝L₁·G_T/G_L；

其中，

L₁:L₂＝G_L:G_T；

所述总分选区域长度L₀满足如下公式：

L₀＝L₁+L₂＝L₂·(G_L/G_T+1)；

式中，L₂为直行车辆的分选区域长度(m)；L₀为进口道总分选区域(m)；G_L为左转绿灯时间(m)；G_T为直行绿灯时间(m)。

5.根据权利要求1所述的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，步骤五中，所述关键时间t₀为分选区域内所有车辆排放时间，满足如下公式：

式中：t₀为分选区域内所有车辆排放时间(s)；V_T为入口直行车辆通过交叉口的平均速度(m/s)；h_T为直行车道饱和车头间距(m)。

6.根据权利要求1所述的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，步骤六中，所述预信号的直行有效绿灯时间gT满足如下公式：

其中，

式中，g_T为预信号的直行有效绿灯时间(s)；n_T为预信号处直行车道数量；s_T为单车道直行饱和流率(辆/h)。

7.根据权利要求1所述的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，步骤四中，所述左转车辆的分选区域和直行车辆的分选区域的长度均小于总分选区域的长度；所述总分选区域的长度满足储存左转和直行车辆的总和；所述总分选区域的长度不大于进口道停止线与预信号停止线上游第一组导向标线间的距离。

8.根据权利要求1或7所述的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，所述总分选区域的长度L₀满足如下公式：

L₀＝L₁+L₂＜L₃；

式中：L₃为进口道停止线与预信号停止线上游第一组导向标线间的距离(m)；其它符号意义同前。

9.根据权利要求1所述的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，步骤七中，信号顺序为：当主信号为红灯时，预信号左转绿灯开启，所有需要左转的车辆使用进口道所有可左转车道，停在左转的分选区域内等待；当预信号直行绿灯开启时，直行车辆使用所有可直行车道排在左转车辆后面等待；当主信号绿灯开启时，所有车辆可以最大程度使用进口道车道通过交叉口；其中，如果左转相位滞后于直行相位，预信号的相位也应一起反转顺序。

10.根据权利要求1或9所述的借用本方向直行车道的左转车道渠化及信号设计方法，其特征在于，所述预信号绿灯结束时间早于主信号直行绿灯结束时间，以排空总分选区域内所有车辆，保证下一周期左转车辆先于直行车辆储存在左转车辆的分选区域内，避免未排空直行车辆影响左转车辆的变道和存储；

当相位左转绿灯结束时，借道左转内的所有左转车辆完全排空，防止与对向直行车辆发生冲突。

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