CN112991726A

CN112991726A - 一种城市快速路交织区道路标线设置方法

Info

Publication number: CN112991726A
Application number: CN202110183671.6A
Authority: CN
Inventors: 郭延永; 赵晶娅; 刘攀; 欧阳鹏瑛
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2041-02-08
Also published as: CN112991726B

Abstract

本发明公开了一种城市快速路交织区道路标线设置方法，该方法以城市快速路交织区作为研究对象，利用元胞自动机仿真模型，分析不同交通需求下，两种道路标线设置方式对交织区交通运行效率的影响。其中一种道路标线利用白色实线和虚线相结合的方式分离分流和合流交通，引导分流发生在交织区上游，合流发生在交织区下游；另一种道路标线是允许分流和合流在交织区内部任何位置发生。该仿真模型可为交织区道路两种道路标线的设置提供一套细致有效的评价方法。

Description

一种城市快速路交织区道路标线设置方法

技术领域

本发明涉及一种城市快速路交织区道路标线设置方法，属于城市快速路交通运行技术和道路设计领域。

背景技术

随着城市道路网络的不断发展，快速路交织区已成为城市快速路系统的重要组成部分。在交织区内，快速道路上高速行驶的车辆和城市道路上相对低速的车辆，在不借助交通控制设施的条件下进行交叉运行，因此存在频繁的交织换道行为，这些换道行为严重影响了交织区车流的运行效率，是城市快速路常发性拥堵的主要原因。因此为了减少交织区内的交织行为，出现了利用道路标线在空间上将分、合流变道位置分离的渠化设置。具体而言，利用道路标线引导分流车辆在交织区上游变道，而合流车辆只能在下游汇入快速道路。

一直以来，作为道路的主要瓶颈——交织区的通行效率一直是研究重点。虽然已有研究验证了分、合流位置对交织区通行能力存在显著影响，但如何主动控制分、合流位置来提高交织区通行能力的研究尚有不足。利用道路标线引导分、合流车辆换道虽然能减少交织行为，但考虑交织区长度有限，此类标线设计是否在不同交通需求下均能提高交织区通行能力需进一步验证。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种城市快速路交织区道路标线设置方法，该方法以城市快速路交织区为研究对象，利用元胞自动仿真模型分析不同交通需求两种道路标线设置方式对交织区交通运行效率的影响。该仿真模型可为交织区道路标线的设置提供一定的理论依据。

技术方案：本发明的城市快速路交织区的道路标线设置方法，包括以下步骤：

步骤1)安装数据采集设备：选取城市快速路交织区作为研究对象，并在交织区的进出口处安装交通流监测设备，具体一共需要安装四个监测设备，两个位于快速道路上，两个位于与快速路相连的城市道路上。

步骤2)获取交织区道路几何设计变量：主要包括交织区长度L_w，交织区内只允许车辆从快速路驶入城市道路的分流段长度L_d，只允许城市道路汇入快速路的合流段长度L_m。

步骤3)获取交织区内车辆行驶数据：为叙述方便，快速路最右侧车道记为车道2，与车道2相邻的右侧城市道路记为车道1。考虑到交织区长度有限，本发明假定交织车辆集中分布在车道1和车道2上。为构建元胞自动机仿真模型，需要获取高峰小时内车道1和车道2车辆在进入交织区前的平均行驶速度v_1in和v_2in；车道1和车道2上的限速值v_1limit和v_1limit；车道1和车道2上车辆在交织区内的平均行驶速度v₁和v₂；车道1和车道2上所有车辆的平均长度h₁和h₂。

步骤4)获取交织区内交通需求数据：在高峰小时内按需求步长分别采集进入交织区的车道1和车道2的交通量，最终取所有步长下车道1和车道2的最大交通量作为交通需求量q_1in和q_2in，对应时间下q_d代表从车道2分流至车道1的最大交通量；q_m代表从车道1合流至车道2的最大交通量，并计算如下流量比：

q₂₂＝q₂-q_d

R₂₂＝q₂/q_2in

q₁₁＝q₁-q_m

R₁₁＝q_m/q_1in

R_d＝q_d/q_2in

R_m＝q_m/q_1in

VR＝(q_d+q_m)/(q_1in+q_2in)

其中，q₂₂代表始终保持在车道2上行驶的非交织车辆数，R₂₂代表车道2上非交织车辆占该车道总车辆数的比；q₁₁代表始终保持在车道1上行驶的非交织车辆数；R₁₁代表车道1上非交织车辆占该车道总车辆数的比；R_d代表从车道2分流至车道1的车辆数占车道2总车辆数的比，即分流比；R_m代表从车道1合流至车道2的车辆数占车道1总车辆数的比，即合流比；VR代表交织区交织车辆占总车辆数的比，即交织比。

步骤5)建立仿真跟驰规则：基于NS元胞自动机(Nagel-Schreckenberg)模型建立车道1和车道2上每辆车辆的跟驰规则，具体为：

(1)加速：如果v_t＜v_limit，则v_t+1＝v_t+1；

(2)减速：v_t+1＝min(v_t,d)；

(3)随机化：有p_r的概率，v_t+1＝max(v_t-1,0)；

(4)更新运动：每辆行驶车辆沿道路前进v个元胞格；

其中，v_t代表t时刻目标车辆的行驶速度；v_limit代表车道限速；v_t+1代表t+1时刻目标车辆的行驶速度；d代表目标车辆与其前方车辆的空闲元胞格数；p_r为随机化参数，代表目标车辆随机减速的概率；在仿真过程中，每辆车均遵循以上跟驰规则；

步骤6)建立分离分、合流变道位置的道路标线下车辆的换道规则：利用步骤2)获取的交织区长度L_w，设定总的研究区域为距交织区入口上游L处至出口下游L处，总的研究长度为L_w+2L。对于分流车辆，只有当其位置

时才允许变道；而对于合流车辆，只有当其位置

时才允许变道。

分流或合流车辆变道时遵循：

(1)当x_at+v_at＜x_t+v_t-1且x_t+v_t＜x_bt+v_bt，目标车辆可顺利变换至目标车道；

(2)当条件(1)不满足时，目标车辆无法在t时刻变换至目标车道，它会选择继续待在原车道等待变道机会，此时目标车辆车速的更新满足：

d₁＝max(d_t,0)

d₂＝min(d₁,d)

v_t+1＝min(d₂,v_t)

其中，x_at代表t时刻目标车道上位于目标车辆后方的车辆的位置，v_at为t时刻目标车道上位于目标车辆后方的车辆的行驶速度；x_t代表t时刻目标车辆位于原车道的位置，v_t为t时刻目标车辆的行驶速度；x_bt代表t时刻目标车道上位于目标车辆前方的车辆的位置，v_bt为t时刻目标车道上位于目标车辆前方的车辆的行驶速度；d_t代表t时刻目标车辆距离允许变道的标线末端的空闲元胞格数，对于分流车辆d_t＝L+L_d-x_t，对于合流车辆d_t＝L+L_w-x_t；d代表目标车辆与原车道上前方车辆的空闲元胞格数；v_t+1代表t+1时刻目标车辆的车速；

步骤7)建立允许分、合流车辆在交织区内任意位置变道的道路标线下车辆的换道规则：对于分、合流车辆，当其位置

时允许变道，且当：

(1)当x_at+v_at＜x_t+v_t-1且x_t+v_t＜x_bt+v_bt，目标车辆可顺利变道；

(2)当条件(1)不满足时，目标车辆无法在t时刻变换至目标车道，它会选择继续待在原车道上等待变道机会，此时目标车道的速度更新满足：

d₁＝max(d_t,0)

d₂＝min(d₁,d)

v_t+1＝min(d₂,v_t)

其中，d_tt＝L+L_w-x_t代表t时刻目标车辆距离交织区末端的空闲元胞格数；

步骤8)建立元胞自动机仿真模型：每个元胞格代表长度为l的真实道路；利用步骤3)获取的车道1和车道2车辆的平均车长h₁和h₂，计算车道1和车道2上每辆车占用的元胞格数为s₁＝h₁/l和s₂＝h₂/l；根据步骤3)获取的车道1和车道2的限速v_1limit和v_1limit定义每辆车每一仿真步长允许前进的最大元胞格数为s_1max＝v_1limitT/l和s_2max＝v_2limitT/l，T代表仿真步长；仿真路段起点车辆的到达服从泊松分布。

步骤9)基于步骤8)中建立的元胞自动机仿真模型，比较相同的交通需求下各种道路标线对交织区内的最大排队长度和通行能力的影响，将最大排队长度最小以及通行能力最大对应的道路标线确定为最终的交织区道路标线。

进一步，步骤9)中最大排队长度指车在允许变道的标线末端排队所达到的最大车辆数，通行能力是指一次仿真时间内能通过车道1和车道2的最大车辆数。

进一步，所述步骤2)中L_w≤800m。

进一步，所述步骤3)中高峰小时为早上07：00-09：00、晚上17：00-19：00。

进一步，所述步骤4)中的需求步长为15分钟。

进一步，所述步骤5)中p_r＝0.3。

进一步，所述步骤6)中L＝500m。

进一步，所述步骤8)中l＝2.5m。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明以城市快速路交织区为研究对象，首次分析两种道路标线对交织区运行效率的影响。同时，本发明建立的元胞自动机仿真模型可以对比评价不同交通需求下两种道路标线对交织区通行效率的影响，可为交织区道路标线的设置提供一定的理论依据。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是步骤2中道路标线示意图；

图3是七个交织区的两个通行效率指标，其中(a)是交织区最大排队长度，(b)是交织通行能力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例：

利用中国南京七个快速道路交织区的实测数据，测试本发明在评价交织区运行效率方面的性能。

根据如图1所示的方法流程图，共拍摄了七个交织区14个高峰小时段(早上07：00-09：00，晚上17：00-19：00)的交通流视频数据，获取所需的各类交通流量比，如表1所示，并实地测量了7个交织区的道路几何设计变量，如图2和表2所示。

表1七个快速道路交织区道路几何特征

编号	交织比VR	分流比R<sub>d</sub>	合流比R<sub>m</sub>
				1	0.833	0.726	0.940
2	0.891	0.851	0.930
				3	0.812	0.741	0.882
4	0.938	0.886	0.989
				5	0.874	0.780	0.968
6	0.894	0.803	0.984
				7	0.828	0.729	0.926

表2七个快速道路交织区道路几何特征

编号	L<sub>w</sub>(m)	L<sub>d</sub>(m)	L<sub>m</sub>(m)
				1	120	60	42
2	153	45	63
				3	319	122	100
4	182	45	87
				5	190	51	85
6	195	50	75
				7	335	105	120

依据测得的几何设计变量和获取的车辆行驶数据，设每个元胞格代表的真实道路长度l＝2.5m，s₁＝s₂＝2，s_1max＝4，s_2max＝6，建立元胞自动机仿真模型。

基于上述元胞自动机仿真模型，对比在相同的交通需求下两种道路标线(一种道路标线利用白色实线和虚线相结合的方式分离分流和合流交通，引导分流发生在交织区上游，合流发生在交织区下游；另一种道路标线是允许分流和合流在交织区内部任何位置发生)对交织区运行效率的影响，本发明中选择交织区内的最大排队长度和通行能力作为评价交织区运行效率的两个指标。在相同的交通需求下哪种道路标线可以减小交织区内的最大排队长度，提高交织区的通行能力，即可将其确定为最终的交织区道路标线。

本发明中，仿真步长T代表实际时间的1秒，设定每次仿真时长包含7200个步长，即实际时长2小时。为了减少仿真的随机性，每次仿真只取第2000至5600个步长内的仿真结果。交织区内的最大排队长度指车辆在允许变道的标线末端排队所达到的最大车辆数；通行能力是指在第2000至5500个仿真步长内15分钟能通过车道1和车道2的最大车辆数。整个仿真过程利用软件MATLAB完成，两个效率指标最终取N次仿真后的平均值。计算步骤9)中的交织区内的最大排队长度和通行能力，两种道路标线的结果如图3中的(a)和(b)所示。

依据对比结果可知，实测的七个交织区在分离分、合流变道位置的道路标线下会有更大的最大排队长度。且除编号2的交织区外，在相同交通需求下剩余六个交织区在设置分离分、合流变道位置的道路标线拥有较小的通行能力。因此根据本发明的元胞自动仿真模型可知，实测的七个交织区在实施此种道路标线分离分、合流车道位置不能明显改善交织区的通行效率。

Claims

1.一种城市快速路交织区道路标线设置方法，其特征在于，该评价方法包括以下步骤：

步骤1)在城市快速路交织区的进出口处安装四个交通流监测设备，其中两个位于快速道路上、两个位于与快速路相连的城市道路上；

步骤2)获取交织区道路几何设计变量：交织区长度L_w，交织区内只允许车辆从快速路驶入城市道路的分流段长度L_d，只允许城市道路汇入快速路的合流段长度L_m；

步骤3)获取交织区内车辆行驶数据：高峰小时内车道1和车道2车辆在进入交织区前的平均行驶速度v_1in和v_2in、车道1和车道2上的限速值v_1limit和v_1limit、车道1和车道2上车辆在交织区内的平均行驶速度v₁和v₂、车道1和车道2上所有车辆的平均长度h₁和h₂；其中车道2为快速路最右侧车道，车道1为与车道2相邻的右侧城市道路；

步骤4)获取交织区内交通需求数据：在高峰小时内按需求步长分别采集进入交织区的车道1和车道2的交通量，取所有步长下车道1和车道2的最大交通量作为交通需求量q_1in和q_2in，对应时间下q_d代表从车道2分流至车道1的最大交通量；q_m代表从车道1合流至车道2的最大交通量；并按照以下公式计算：

q₂₂＝q₂-q_d

R₂₂＝q₂/q_2in

q₁₁＝q₁-q_m

R₁₁＝q_m/q_1in

R_d＝q_d/q_2in

R_m＝q_m/q_1in

VR＝(q_d+q_m)/(q_1in+q_2in)

其中，q₂₂代表始终保持在车道2上行驶的非交织车辆数，R₂₂代表车道2上非交织车辆占该车道总车辆数的比例；q₁₁代表始终保持在车道1上行驶的非交织车辆数；R₁₁代表车道1上非交织车辆占该车道总车辆数的比例；R_d代表从车道2分流至车道1的车辆数占车道2总车辆数的分流比；R_m代表从车道1合流至车道2的车辆数占车道1总车辆数的合流比；VR代表交织区交织车辆占总车辆数的交织比；

步骤5)建立仿真跟驰规则：基于NS元胞自动机模型，建立车道1和车道2上每辆车辆的跟驰规则，具体为：

(1)加速：如果v_t＜v_limit，则v_t+1＝v_t+1；

(2)减速：v_t+1＝min(v_t,d)；

(3)随机化：有p_r的概率，v_t+1＝max(v_t-1,0)；

(4)更新运动：每辆行驶车辆沿道路前进v个元胞格；

其中，v_t代表t时刻目标车辆的行驶速度；v_limit代表车道限速；v_t+1代表t+1时刻目标车辆的行驶速度；d代表目标车辆与其前方车辆的空闲元胞格数；p_r为代表目标车辆随机减速概率的随机化参数；

步骤6)建立分离分、合流变道位置的道路标线下车辆的换道规则：

设定研究区域为距交织区入口上游L处至出口下游L处，研究长度为L_w+2L；对于分流车辆，只有当其在t时刻的位置

时才允许变道；对于合流车辆，只有当其在t时刻的位置

时才允许变道；分流或合流车辆变道时遵循：

(1)当x_at+v_at＜x_t+v_t-1且x_t+v_t＜x_bt+v_bt，目标车辆能够顺利变换至目标车道；

(2)当条件(1)不满足时，目标车辆无法在t时刻变换至目标车道，继续待在原车道等待变道机会，此时目标车辆车速在t+1时刻的行驶速度的更新为：

d₁＝max(d_t,0)

d₂＝min(d₁,d)

v_t+1＝min(d₂,v_t)

其中，x_at代表t时刻目标车道上位于目标车辆后方的车辆的位置，v_at为t时刻目标车道上位于目标车辆后方的车辆的行驶速度；x_t代表t时刻目标车辆位于原车道的位置，x_bt代表t时刻目标车道上位于目标车辆前方的车辆的位置，v_bt为t时刻目标车道上位于目标车辆前方的车辆的行驶速度；d_t代表t时刻目标车辆距离允许变道的标线末端的空闲元胞格数，对于分流车辆d_t＝L+L_d-x_t，对于合流车辆d_t＝L+L_w-x_t；d代表目标车辆距离原车道上前方车辆的空闲元胞格数；

步骤7)建立允许分、合流车辆在交织区内任意位置变道的道路标线下车辆的换道规则：对于分、合流车辆，当其在t时刻的位置

时允许变道，且当：

(1)当x_at+v_at＜x_t+v_t-1且x_t+v_t＜x_bt+v_bt，目标车辆能够顺利变道；

(2)当条件(1)不满足时，目标车辆无法在t时刻变换至目标车道，继续待在原车道上等待变道机会，此时目标车辆车速在t+1时刻的行驶速度的更新为：

d₁＝max(d_tt,0)

d₂＝min(d₁,d)

v_t+1＝min(d₂,v_t)

其中，d_tt＝L+L_w-x_t代表t时刻目标车辆距离交织区末端的空闲元胞格数；其余变量解释如步骤6)；

步骤8)建立元胞自动机仿真模型：每个元胞格代表长度为l的真实道路，车道1和车道2上每辆车占用的元胞格数分别为s₁＝h₁/l和s₂＝h₂/l，车道1和车道2上每辆车每一仿真步长允许前进的最大元胞格数为s_1max＝v_1limitT/l和s_2max＝v_2limitT/l，仿真路段起点车辆的到达服从泊松分布；其中，T代表仿真步长；

2.根据权利要求1所述的一种城市快速路交织区道路标线设置方法，其特征在于，步骤9)中最大排队长度指车在允许变道的标线末端排队所达到的最大车辆数，通行能力是指一次仿真时间内能通过车道1和车道2的最大车辆数。

3.根据权利要求1所述的一种城市快速路交织区道路标线设置方法，其特征在于，所述步骤2)中L_w≤800m。

4.根据权利要求1所述的一种城市快速路交织区道路标线设置方法，其特征在于，所述步骤3)中高峰小时为早上07：00-09：00、晚上17：00-19：00。

5.根据权利要求1所述的一种城市快速路交织区道路标线设置方法，其特征在于，所述步骤4)中的需求步长为15分钟。

6.根据权利要求1所述的一种城市快速路交织区道路标线设置方法，其特征在于，所述步骤5)中p_r＝0.3。

7.根据权利要求1所述的一种城市快速路交织区道路标线设置方法，其特征在于，所述步骤6)中L＝500m。

8.根据权利要求1所述的一种城市快速路交织区道路标线设置方法，其特征在于，所述步骤8)中l＝2.5m。