CN113947898A - 交叉口移位左转的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及交通管理技术领域，尤其涉及一种交叉口移位左转的优化方法，包括：获取移位左转交叉口的渠化参数；确定移位左转交叉口的运行优化模型；根据移位左转交叉口的渠化参数与移位左转交叉口的运行优化模型获得优化结果；对优化结果进行仿真分析。通过建立移位左转交叉口运行优化模型确定城市道路交叉口的移位左转改建和通行效率优化的方法，将左转车流占用的空间资源进行分解转移，达到直行车辆与左转车辆同时放行的需求，优化交叉口的相位数和通行时间等，解决了左转车流过大造成的交叉口通行能力下降问题。

Description

交叉口移位左转的优化方法
技术领域
本发明涉及交通管理技术领域，尤其涉及一种交叉口移位左转的优化方法。
背景技术
近年来，城市交通中，有诸多交通供需失衡现象，例如道路拥堵、交叉口溢流等发生。交叉口对多源异向交通流起到了引导、协调和疏导的作用，服务了车辆对于转向的刚性需求，但特别是对于平面交叉口而言，其自身在引导车流过程中产生的各类冲突点在一定程度上影响了车辆的正常行驶需求，导致其机动车的通行效率和行车安全难以得到保障，进而造成城市道路的严重拥堵问题。
在平面交叉口中，左转车流的轨迹最长、造成的冲突点最多，因此治理交叉口拥堵问题应首先着眼于左转车流。面对交通负荷严重、有一定的道路拓展空间的交叉口，移位左转概念的引入对此类交叉口以及其左转车流有了初步的改进方案。然而针对于将移位左转交叉口自有的渠化、相位特点和国内城市交通流现状相结合的分析仍有所欠缺，对于移位左转交叉口的改建更没有一个明确的指标方案得以应用。例如如何对移位左转交叉口各方向的延误进行计算、如何在原始交叉口基础上得出新的移位左转信号配时策略、以及与移位左转方向车流和交叉向右转车流新引入的交叉冲突点问题。当前已有的改建计划往往指示依靠仿真模拟对比改建前后的通行效果判断是否进行改建，优化方案有待商榷。
发明内容
本发明提供一种交叉口移位左转的优化方法，用以解决现有技术中难以针对于将移位左转交叉口自有的渠化、相位特点和城市交通流现状相结合的分析优化仍有所欠缺，对于移位左转交叉口的改建无法明确应用的缺陷，实现通过建立移位左转交叉口运行优化模型确定城市道路交叉口的移位左转改建和通行效率优化的方法，将左转车流占用的空间资源进行分解转移，达到直行车辆与左转车辆同时放行的需求，优化交叉口的相位数和通行时间等，解决了左转车流过大造成的交叉口通行能力下降问题。
本发明提供一种交叉口移位左转的优化方法，包括：
获取移位左转交叉口的渠化参数；
确定移位左转交叉口的运行优化模型；
根据移位左转交叉口的渠化参数与移位左转交叉口的运行优化模型获得优化结果；
对优化结果进行仿真分析。
根据本发明提供的一种交叉口移位左转的优化方法，所述获取移位左转交叉口的渠化参数包括：
根据移位左转交通组织分析确定移位左转交叉口的规划类型；
根据移位左转交叉口的规划类型获取移位左转交通特性分析参数。
根据本发明提供的一种交叉口移位左转的优化方法，所述确定移位左转交叉口的运行优化模型包括：
确定移位左转交叉口机动车各相位延误；
根据移位左转交叉口机动车各相位延误建立以交叉口总车均延误最小为目标的模型。
根据本发明提供的一种交叉口移位左转的优化方法，所述根据渠化参数与运行优化模型获得优化结果包括：
确定移位左转交叉口的设计参数；
根据移位左转交叉口的设计参数获得移位左转交叉口的主信号与预信号的协调关系；
将渠化参数与协调关系作为约束条件，对运行优化模型进行求解获得优化结果。
根据本发明提供的一种交叉口移位左转的优化方法，所述对优化结果进行仿真分析包括：
搭建仿真环境，通过更改优化结果的取值参数，获得移位左转交叉口的适用范围与条件。
根据本发明提供的一种交叉口移位左转的优化方法，所述移位左转交通特性分析参数包括车道通行能力、进口通行能力、通行能力折减和延误参数。
根据本发明提供的一种交叉口移位左转的优化方法，两向控制的移位左转交叉口作为所述确定移位左转交叉口机动车各相位延误的计算模型。
根据本发明提供的一种交叉口移位左转的优化方法，所述移位左转交叉口机动车各相位延误包括非移位左转方向的左转相位延误、非移位左转方向的直行相位车均延误、移位左转方向的直行相位车均延误。
根据本发明提供的一种交叉口移位左转的优化方法，所述移位左转交叉口的设计参数包括移位左转车道长度、移位左转车辆变道段长度、移位左转车辆储存段长度和移位左转交叉口面积。
根据本发明提供的一种交叉口移位左转的优化方法，通过所述对优化结果进行仿真分析获得移位左转车道长度对左转车通行效率的影响的拟合曲线、移位左转车道长度对交叉口延误的影响的拟合曲线、左转交通量与车道数对交叉口延误的影响的拟合曲线、交叉方向右转车比重与移位左转车道布设位置对交叉口延误的影响的拟合曲线和交叉口流量及比例对交叉口通行效率的影响的拟合曲线。
本发明提供的交叉口移位左转的优化方法，是针对移位左转交叉口改建的前提条件和落地实用性进行分析，从而提供一种可提高移位左转交叉口通行效率的渠化配时方案，整体提高移位左转交叉口推广的实用性，为治理城市拥堵提供一新的思路。本发明利用信号控制和交通渠化数据，判断现有交叉口的移位左转改建可行性，通过建立移位左转交叉口运行优化模型确定城市道路交叉口的移位左转改建和通行效率优化的方法，将左转车流占用的空间资源进行分解转移，达到直行车辆与左转车辆同时放行的需求，优化交叉口的相位数和通行时间等，解决了左转车流过大造成的交叉口通行能力下降问题。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的交叉口现状渠化示意图；
图2是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的交叉口现状信号配时图；
图3是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的交叉口变道段长度计算示意图；
图4是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的交叉口不同功能车道的长度关系图；
图5是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的移位左转车道长度与左转车通过量和平均等待时间的变化趋势图；
图6是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的移位左转车道长度与交叉口总车均延误的变化趋势图；
图7是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的不同移位左转车道数下左转交通量与交叉口总车均延误的变化趋势图；
图8是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的不同移位左转车道位置下右转车比重与右转车均延误的拟合曲线图；
图9是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的直-左车流量乘积对不同直行车道数的左转车均延误的影响图；
图10是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的移位左转交叉口机动车运行优化模型求解流程图
图11是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的交叉口移位左转改建后渠化示意图；
图12是本发明提供的交叉口移位左转的优化方法的交叉口移位左转改建后配时图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1所示，本发明实施例提供的交叉口移位左转的优化方法，包括：
获取移位左转交叉口的渠化参数；
确定移位左转交叉口的运行优化模型；
根据移位左转交叉口的渠化参数与移位左转交叉口的运行优化模型获得优化结果；
对优化结果进行仿真分析。
本发明实施例的交叉口移位左转的优化方法，是针对移位左转交叉口改建的前提条件和落地实用性进行分析，从而提供一种可提高移位左转交叉口通行效率的渠化配时方案，整体提高移位左转交叉口推广的实用性，为治理城市拥堵提供一新的思路。本发明利用信号控制和交通渠化数据，判断现有交叉口的移位左转改建可行性，通过建立移位左转交叉口运行优化模型确定城市道路交叉口的移位左转改建和通行效率优化的方法，将左转车流占用的空间资源进行分解转移，达到直行车辆与左转车辆同时放行的需求，优化交叉口的相位数和通行时间等，解决了左转车流过大造成的交叉口通行能力下降问题。
如图1所示的本实施例渠化后的交叉口，结合本专利提供的研究方法对其车道组织、相位配时等进行改进仿真，以判断目标交叉口是否适用于移位左转改造，以及对改造效果进行量化评估。
根据本发明提供的一个实施例，所述获取移位左转交叉口的渠化参数包括：
根据移位左转交通组织分析确定移位左转交叉口的规划类型；
根据移位左转交叉口的规划类型获取移位左转交通特性分析参数。
本实施例中，通过移位左转交通组织分析确定移位左转交叉口属于连续流交叉口、并行流交叉口与上游信号交叉口中的哪一种规划类型，分别讨论其优缺点以及适用性。根据规划类型可获得车道方向、信号灯情况和车流量等，以此确定移位左转交通特性分析。根据以上分析得到移位左转渠化相关参数，为优化模型提供支撑。移位左转交叉口由于渠化发生改变，其车道功能重构，相关交通流指标的计算方式也会出现一定的变化，包括车道通行能力、进口通行能力以及由于车流冲突导致的折减等。再对各个进口的通行能力，在传统交叉口计算方式的基础上进行推算；同时计算移位左转交叉口自身特性导致的通行能力折减、冲突点延误、停车延误和变速延误，为之后的落地条件分析、模型搭建和仿真奠定基础。
本实施例相交道路中，所有进口道均为三条车道，以此为专左车道、直行车道和直右车道各一条，相对应出口道均为三条，中间无隔离，横断面为一块板，西进口与东进口呈东西走向，西侧路段长235米，东侧路段长526米。西北进口和南-西北走向，西北侧路段长466米，南侧路段长358米。南进口设有左转待行区，其长度为10.5米。
根据本发明提供的一个实施例，所述移位左转交通特性分析参数包括车道通行能力、进口通行能力、通行能力折减和延误参数。
本实施例中，车道通行能力分析参数包括执行车道通行能力、直左车道通行能力、直右车道通行能力和直左右车道通行能力。
移位左转与常规交叉口相比对进口道的左转车道以及出口道的功用进行了重新整理，从而影响了通行能力的计算公式，对于设置移位左转的十字交叉口而言：
(1)直行车道通行能力Cz
Figure BDA0003288411750000061
式中Cz是直行车道的车道通行能力(pcu/h)；Tc是相位周期全长(s)；tg是该相位的绿灯时间长度(s)；t0是头车耗费的延误时间总和(s)，一般视为2秒；ti是在行驶穿过停止线车辆的车头时距均值(s)，σ是折减系数，本实施例取0.9。
(2)直左车道通行能力Czl
Figure BDA0003288411750000062
式中Czl是直左车道通行能力(pcu/h)；β’l是在直左车道中左转车占比(％)；
Figure BDA0003288411750000063
式中βl、βr分别为进口道左、右转车占比(％)；ns为直行车道数；k为参数，根据进口是否有右转车道确定，有右转车道取0.5，无取1.5。
(3)直右车道通行能力Czr
对于直右车道，其车头时距与直行车道基本一致，因此认定两者通行能力相等，即
Czr＝Cz (4)
(4)直左右车道通行能力Czlr
对于直左右车道，其车头时距与直左车道基本一致，因此认定两者通行能力相等，即
Czlr＝Czl (5)
对于专左、专右车道的通行能力分析，将结合具体进口的车道布局进行分析。
本实施例中，进口通行能力分析参数包括包含专左、专右车道的进口通行能力、仅包含专左车道的进口通行能力和仅包含专右车道的进口通行能力。
(1)包含专左、专右车道的进口通行能力(以西进口为例)Cwlr
Figure BDA0003288411750000071
式中Cwlr为包含专左、专右的进口通行能力(pcu/h)，∑Cs为直行车道通行能力之和，βl、βr分别为进口道左、右转车占比(％)。
其中：专左车道通行能力Cl
Cl＝Czlrβl (7)
式中Cl为专左车道通行能力(pcu/h)；βl为左转车占比(％)；
专右车道通行能力Cr
Cr＝Czlrβr (8)
式中Cr为专右车道通行能力(pcu/h)；βr为右转车占比(％)；
(2)仅包含专左车道的进口通行能力(以西进口为例)Cwl
Figure BDA0003288411750000072
式中Cwl为仅包含专左的进口通行能力，∑Cs为全部直行车道通行能力的总和，Csr为直右车道通行能力(pcu/h)，βl为进口道右转车占比(％)。
其中：专左车道通行能力Cl
Cl＝Czlβl (10)
式中Cl为专左车道通行能力(pcu/h)；βl为左转车占比(％)；
(3)仅包含专右车道的进口通行能力(以西进口为例)Cwr
Figure BDA0003288411750000081
式中Cwr为仅包含专右的进口通行能力，∑Cs为直行车道通行能力之和，Csl为直左车道通行能力(pcu/h)，βr为进口道左转车占比(％)。
其中：专右车道通行能力Cr
Cr＝Czrβr(12)
式中Cr为专左车道通行能力(pcu/h)；βr为左转车占比(％)；
本实施例中，设计通行能力折减是指当左转流量过大，一般在单周期超过约10pcu时，直行车道的设计通行能力会在一定程度上出现折减。
以西进口为例，则西进口折减后的通行能力C’w为
C’w＝Cw-ns(Cwl-C’wl) (13)
式中C’w为该进口在左转车流量过大导致整体出现削减的通行能力(pcu/h)；Cw为进口设计通行能力(pcu/h)；ns为对向直行车道条数；Cwl为进口左转车设计通行能力(pcu/h)，Cwl＝Cwβl且有Cwl＞C’wl；C’wl为折减前进口左转车设计通行能力(pcu/h)。
本实施例中，延误分析可分为3类，分别为冲突点延误、停车延误和变速延误。
(1)冲突点延误Dc是指两股或多股车流在交叉口中出现合流、分流等交汇现象时不得不进行减速或停止导致的相关延误，其计算模型为：
Figure BDA0003288411750000091
式中Dc为冲突点延误；m为移位左转车道数；μ为绿灯时长占总体周期时长的比值(绿信比)；y为交织流量比；X为交叉口可承受的交通量最大值；q为车辆到达率(veh/s)。
(2)停车延误Ds是指由于信号控制导致车辆在排队过程中造成的行程时间延误，在车流稳定，即高负荷状态下，其计算模型为：
Figure BDA0003288411750000092
但由于在实际情况中，交叉口除在早晚高峰时间段处于饱和状态以外。其他时间段均处于平均甚至负荷较低的状态之中。所以通过引入F韦伯斯特模型考虑车流饱和因素的出现根据，即：
Figure BDA0003288411750000093
根据式(16)和定数理论，对于饱和度处于平均值以下甚至低负荷状态的停车延误可推导为：
Figure BDA0003288411750000094
Nd＝(X-1)C/2 (18)
式中γ为红灯时长；C为进口的总通行能力。
但由于上述两种停车延误计算方式符合低饱和度情况下的规律，具有一定的局限性。因此提出一种过度函数模型，体现停车延误伴随饱和度增加的变化规律。
Ds＝Dk+Do (19)
Figure BDA0003288411750000101
Figure BDA0003288411750000102
Figure BDA0003288411750000103
式中No为平均排队车辆数；Ct为时间t内通过交叉口车辆数；Z＝X-1；Xo为临界饱和度。
(3)变速延误Dad一般可理解为车辆在驶入交叉口之前受到其他车道车辆的影响或某些不可控力干扰导致的车速变化所产生的延误，其计算式为：
Figure BDA0003288411750000104
式中Dad为变速延误(s)；Da、Dd分别为是加速度为正数和负数时导致的延误(s)；v0为车辆在常规时间的速度(m/s)；a1、a2为正加速度和附加速度。
由于变速延误时间较少，因此可将其视作0.3Ds。
根据本发明提供的一个实施例，所述确定移位左转交叉口的运行优化模型包括：
确定移位左转交叉口机动车各相位延误；
根据移位左转交叉口机动车各相位延误建立以交叉口总车均延误最小为目标的模型。
本实施例中，对主信号和预信号的配合条件进行研究，同时依据各相位的车均延误计算公式建立基于车均延误最小的移位左转交叉口运行优化模型。通过研究主信号与预信号二者之间的协调关系，建立各相位绿灯时间的限制方程；同时根据各相位的延误计算，建立以移位左转交叉口车均延误最小为优化目标建立优化模型，并且以之前得到的车道参数和信号参数计算方式为限制方程，并利用蒙特卡洛法对模型进行计算。通过该模型确定最终的交叉口移位左转设置方案。
本实施例中，交叉口的整体信号相位构建为“两相位+四预信号”的2+4相位体系。相比较于传统四相位，2+4相位的优势体现在由于各方向直行车辆只需等待交叉向的绿灯时长，而非交叉向直行、左转和本方左转绿灯时间，因此有效地提高了交叉口的通行效率。但相比较于传统交叉口的劣势在于，各方向左转车辆最多需要进行三次停车等候，使得在交通压力较大时交叉口整体的车均延误会有所上升。因此四向控制移位左转交叉口的对于直行车辆的通行效率提升要大于其他方向的车辆。
根据本发明提供的一个实施例，两向控制的移位左转交叉口作为所述确定移位左转交叉口机动车各相位延误的计算模型。
本实施例中，由于四向控制的移位左转交叉口对左转车辆的延误影响过高，且不利于慢行交通通行，因此选取两向控制的移位左转交叉口进行研究。对默认移位左转交叉口仍然采取上述渠化设置，即移位左转方向为东西方向，非移位左转方向为南北方向，采取与传统交叉口一样的渠化布局。所有交叉口方向的延误计算均基于韦伯斯特延误模型。
根据本发明提供的一个实施例，所述移位左转交叉口机动车各相位延误包括非移位左转方向的左转相位延误、非移位左转方向的直行相位车均延误、移位左转方向的直行相位车均延误。
本实施例中，南北左转作为非移位左转方向相位，其车流轨迹与信控与常规交叉口一致，因此可直接用常规的韦伯斯特延误模型计算，即该方向车均延误计算式为dnl为：
Figure BDA0003288411750000111
式中dnl代表非移位左转方向该相位的车均延误(s/pcu)；xnl为非移位左转相位的饱和度；c为交叉口总相位时长(s)；λnl为非移位左转相位的绿信比；ynl为非移位左转方向左转交通量占该方向总交通量的比值；qnl为非移位方向左转车辆的到达率(pcu/s)。
根据式(36)可推得非移位左转方向的总相位延误D1为：
D1＝dnl×qnl×c (37)
南北(非移位左转方向)直行相位车均延误
1)直行方向车均延误dns：由于同左转方向一样，车流行驶方式与传统交叉口无区别，因此计算方式同式(36)。
2)右转方向车均延误dlr：对于移位左转车道设置于次外侧车道，且非移位左转方向有专右车道的移位左转交叉口而言，右转车在行驶过程中不受到其他方向车流的干扰，因此不会产生由于冲突或相位导致的明显延误，在此可视作为0。
当该方向交叉口未设有专右车道，或移位左转车道位于道路最外侧时，该方向右转车辆将受到相位和车流冲突带来的延误影响。这里考虑通过采取概率论的方式进行假设。假设排队时长内，共有N辆车驶入直右车道内，其中，直行车Ns辆，右转车Nr辆。则可以对队首车辆的身份进行预测，为直行车和左转车的概率分别为
Figure BDA0003288411750000121
和
Figure BDA0003288411750000122
将车流到达概率取为泊松分布，则直右车道在非本方相位时间有N辆车排队的概率为：
Figure BDA0003288411750000123
式中qrs为直右车道的车辆到达率(pcu/s)；
式(38)用于对随机车流队伍中排在前方的任意N辆车均为右转车的概率。如果到达车辆为右转车辆，那么其可以在不受到延误的影响下驶出交叉口。反之，如果到达车辆为直行车辆，则此车之后的车辆必须等待非移位左转直行相位开启后通行。车辆的到达概率服从于伯努利分布。定义Ps为到达车辆是直行车的概率，由此可推导出
Figure BDA0003288411750000124
为直右车道中的前j辆车均为右转车的概率，满足此概率下j辆车均可在无延误的条件下驶过交叉口，而对于其他仍处在排队状态的Nr-j辆右转车而言，则由于受到排队影响会产生延误。因此根据概率计算可求得在此条件下右转车的总延误为：
Figure BDA0003288411750000125
根据式(39)和dns的计算式，可以推导出非移位左转方向的车均延误计算式为：
D2＝dns×qns×c+D1r (40)
式中qns为南北方向直行车辆到达率(s/pcu)；Dlr只有在非移位左转方向进口道未设专右车道时取式(4.8)的计算值，其他情况下取0，其他参数含义与上文相同。
东西(移位左转方向)直行相位车均延误主要产生于直行车流和左转车流，其中直行车流的行驶方式同样与传统交叉口相似，因此其车均延误des与式(34)计算方式类似。
对于左转车辆，其车均延误可分解为以下几部分。首先移位左转车辆由于受到预信号配时带来的停车延误，其计算方法与常规计算方法一致，这里也是用韦伯斯特模型进行计算，即：
Figure BDA0003288411750000131
式中dl为左转车辆由于预信号带来的停车延误(s/pcu)；λel为移位左转相位的绿信比；xel为移位左转相位的饱和度；yel为移位左转方向左转车辆数与总交通量的比值；qel为移位左转方向左转车辆的到达率(pcu/s)；c为交叉口总相位时长(s)。
其次，移位左转车辆在移位左转车道处需进行二次停车，该延误时间与相位差时间Δt1一致。同时需考虑移位左转车辆驶过变道段和移位左转车道的时间，即(l1+l2)/vel。在此段行驶过程中的移位左转车辆虽然车辆存在横向位移，但由于远小于变道段长度，因此暂忽略不计。最终结合各类影响值，可得出移位左转车辆的车均延误为：
del＝dl+gns+I-Δt1-(l1+l2)/vel+k (42)
式中del为移位左转车辆的车均延误(s/pcu)；gns为非移位左转方向直行相位绿灯时间(s)；I为全红时长(s)；vel为移位左转车辆在变道过程中的速度平均值(m/s)；k为常数，用于基于实际条件调节式(42)的实际符合度；其他参数含义与上文相同。
由此可得到东西方向所有机动车的总延误D3为：
Figure BDA0003288411750000141
式中Qes为移位左转方向直行交通量(pcu)；Qel为移位左转方向左转车流量(pcu)。
根据本发明提供的一个实施例，所述根据渠化参数与运行优化模型获得优化结果包括：
确定移位左转交叉口的设计参数；
根据移位左转交叉口的设计参数获得移位左转交叉口的主信号与预信号的协调关系；
将渠化参数与协调关系作为约束条件，对运行优化模型进行求解获得优化结果。
如图2所示，是本实施例的交叉口现状信号配时图，该交叉口信号周期较长，达130秒，在早晚高峰时段车辆均延误较大。目前采用三控制，其中东西方向的直行左转同时放行，导致该相位放行时直行、左转车辆出现严重的冲突现象，使得交叉口在早高峰期间多次出现拥堵。其中东西进口车流量较高，现场观测到在早高峰时段7：50～8：10期间东西进口左转排队长度一度趋于饱和。
本实施例中，对移位左转交叉口的设置条件进行研究。根据交叉口中的基本参数如各相位车流量、车道数、信号周期时长、车辆转弯半径和车道宽度等确定相关参数如移位左转车道长度、变道段长度、储存段长度。以此可判断原始交叉口是否有足够的道路空间保证进行移位左转交叉口改建；根据以上分析确定移位左转车道总长、各段部分长度和交叉口面积等参数。
主信号与预信号的协调关系：
定义南北方向为非移位左转，东西方向设置移位左转。
1)对于预信号的开启阶段，应保证移位左转方向的出口道已完全放空，因此需保证非移位左转方向的左转车辆完全驶离移位左转变道段区域，即：
Figure BDA0003288411750000142
式中Δt1为非移位左转方向左转相位结束到预信号开启的时间之差(s)；l1为移位左转车道长度(m)；l2为变道段长度(m)；lr为非移位左转方向左转车辆的位移距离(m)；vsl为非移位左转方向左转车辆的行驶速度均值(m/s)；
Figure BDA0003288411750000151
为非移位左转方向左转车辆的启动延误时间(s),这里取2s。
2)为保证在预信号阶段，移位左转车辆有足够的时间从储存段驶入移位左转车道，因此应保证非移位左转方向直行相位应满足全部移位左转车辆的行驶时长，即：
Figure BDA0003288411750000152
式中g2为非移位左转方向直行的绿灯时长(s)；Qel为移位左转方向的左转交通量(pcu)；m为移位左转车道数；Sel为移位左转车道饱和流率(pcu/h)；n为单位时长(这里取60分钟)相位周期数。
3)移位左转相位期间应保证直行、左转方向的全部车辆驶出交叉口，确保交叉口的通行效率达到最大。若定义移位左转方向的直行车流量大于左转车流量，则有：
Figure BDA0003288411750000153
式中g3为移位左转方向直左相位的绿灯时长(s)；Qes为移位左转方向的直行车流量(pcu)；Q’el为移位左转车道的最大承载车辆数(pcu)；S’el为移位左转车道饱和流率(pcu/h)；Sel为移位左转方向直行车道饱和流率(pcu/h)。
4)为保证预信号期间全部移位左转车辆均能驶入移位左转车道内，满足移位左转车道的最大承载值，同时也应避免移位左转车辆在变道段与对向直行车辆产生冲突，因此预信号的关闭时间应与移位左转方向直左相位的绿灯开启时间一致，即有：
Figure BDA0003288411750000154
式中Δt2为移位左转预信号的停止时间与非移位左转方向直行相位的停止时间之差(s)；ls为交叉口内部的宽度(m)，即对向直行车辆驶入出口道的最近距离(m)；ves为移位左转方向直行车辆的均速(m/s)；l1为移位左转车道长度(m)；
Figure BDA0003288411750000155
为非移位左转方向左转车辆的启动延误时间(s)，这里取2s。
优化目标
根据主信号中三个相位的总延误计算式，建立以交叉口总车均延误最小为目标的模型，如式(44)所示：
Figure BDA0003288411750000161
式中d为整体车均延误(s/pcu)；D1、D2、D3分别代表非移位左转方向左转相位、直行相位和移位左转方向直左相位的总延误(s)；Qnl为非移位左转方向左转车交通量(pcu)；Qns为非移位左转方向直行车交通量(pcu)；Qel为移位左转方向左转车交通量(pcu)；Qes为移位左转方向直行车交通量(pcu)。
约束条件
根据移位左转渠化参数和相位参数限制，可对该函数中的总延误计算进行限制，具体约束如式(45)所示：
Figure BDA0003288411750000162
式中i为信号相位，当i取1、2、3时分别代表南北左转、南北直行和东西直左相位；gi代表第i相位的绿灯时间(s)；gimin代表第i相位的最短绿灯时间(s)，以满足行人过节的最短时间需求；c代表信号周期时长(s)；L代表信号周期损失时间(s)；其他参数含义与上文相同。
求解算法
由于在约束条件中，关于相位参数的限制变量，如周期时长c、相位绿灯时间gi均为正整数，而关于渠化参数的限制变量，如移位左转车道长度l1、变道段长度l2、储存段长度l3，均可取正整数进行求解。因此可以判定该模型属于非线性整数优化模型。又因约束条件式(45)中涉及到的渠化和相位参数均可视为整数且有一定的范围，即变量范围可控，因此采取蒙特卡洛法对该模型进行求解。如图10所示，采取蒙特卡洛法对该模型进行求解。利用广泛的随机性解决可以确定的问题，蒙特卡洛法依赖于重复随机采样获取数值结果，其基本概念为利用广泛的随机性解决原则上可以确定的问题，通过构造概率过程、在已知概率中分步抽样，建立估计量的步骤完成计算。
根据上述三部分进行实施例优化，根据颐和园路-二龙闸路的交叉口既有参数进行分析，其东进口与西进口的交通量中的左转与直行乘积超过了130,000，且距离上游交叉口的长度和交叉口整体面积满足移位左转交叉口改建的要求，由此选择该交叉口的东西进口进行移位左转落地，设计方案如图11所示。首先对交叉口东西进口的车道功能进行重组。维持原始交叉口各方向车道不变，将东进口和西进口左转车道分别向南、北进行平移，直至道路最外侧，同时将交叉口出口道集体向道路北、南侧平移一条车道宽度。北进口和南进口的的车道功能、位置和数量均保持不变。
由于采用移位左转交通组织方式时，需要在东进口和西进口的移位左转变道段和储存段衔接处设置预信号。处于配时合理考虑，东西进口预信号时长相同，优化模型确定交叉口相位参数，保证主信号与预信号之间合理配合。将此前的南直左与北直左相位整合至同一相位种，得到南北直左相位。最终相位可理解为一“3+1”相位，即三个主信号相位与一个预信号相位相配合，如图12所示。鉴于东西进口左转车辆中公交车所占的比例不足1％，因此不考虑大型车左转带来的影响。确定得到移位左转车道总长度为115米，其中移位左转车道长度、变道段和储存段的长度分别为45米、15米、55米。
表1交叉口移位左转改建后仿真车均延误
Figure BDA0003288411750000171
Figure BDA0003288411750000181
表2交叉口移位左转改建后仿真排队长度
Figure BDA0003288411750000182
由于相位数减少，缩减了交叉口整体相位周期时长，使得交叉口的整体车均延误下降了17％。就各个相位而言，东西左转的车均延误有了显著的改善。究其原因是因为左转车辆在预信号区域进行了停车等候，由此将一部分交叉口停车延误得到了转移，有效地疏解了交叉口内部的拥堵现象。与之相比，南北右转的车辆延误出现了一定的增大，这是由于其与移位左转车流存在潜在的冲突问题，使得其成为了改建后受到负面影响较大的一个方向。这里可以考虑在非移位左转方向中右转车流的比重较大时，通过增设右转相位或者将移位左转车道放于次外侧车道等方式缓解这一现象出现。优化方案的排队长度减少了7.4％主要体现在东西进口直行方向和左转方向车辆获得了更多时空资源，可快速通过交叉口在一定程度上减少了整体排队长度，使得交叉口通行效率较原始交叉口有所提升。
根据本发明提供的一个实施例，所述移位左转交叉口的设计参数包括移位左转车道长度、移位左转车辆变道段长度、移位左转车辆储存段长度和移位左转交叉口面积。
本实施例中，移位左转交叉口设计参数确定(移位左转车道长度、移位左转车辆变道段长度、移位左转车辆储存段长度、移位左转交叉口面积)；
移位左转车道长度
定义此移位左转交叉口的两方向进行移位左转改建、两方向为设有专左车道的普通道路，其中移位左转两方向、专左两方向两两相对。在驶入交叉口后，左转车辆首先应驶入移位左转车道储存段，与储存段的停止线处等待预信号指示，再经由变道段最终驶入移位左转车道。因此移位左转车道长度受到左转车流量的影响，故l1的计算式为：
Figure BDA0003288411750000183
式中l1为移位左转车道的长度(m)；hs为车辆在移位左转车道内车头时距(m)；Qel为移位左转方向的左转交通(pcu)；m为移位左转车道数，通常取1或2；n为单位小时内相位周期总数；Sel为移位左转车道饱和流率(pcu/h)。
式(24)主要考虑了在交叉口左转车流量饱和时，应保证所有进行移位左转的车辆均能进入左转车道排队，此车辆排队长度即为左转车道长度的临界值。另一方面，考虑到该相位除了移位左转车辆驶出以外，同向直行车辆也应保证完全驶出交叉口。因此l1对上述条件也应符合。通过尽量保证直行、左转车辆在相位绿灯时间内完全清空，以防止由于两方向车流不均导致的车道在绿灯时间内无车驶入的资源消耗，即：
Figure BDA0003288411750000191
式中Qes为移位左转方向的交通量(pcu)；z为该方向的直行车道数；Ses为移位左转方向直行车道饱和流率(pcu/h)。
根据上述公式可得出移位左转车道长度l1应当满足以下约束条件(当直行车流大于左转车流辆时)
Figure BDA0003288411750000192
如图3所示，移位左转车辆变道段长度为移位左转车道与储存段之间的距离，此段由出口道车辆和移位左转车辆共用。移位左转车辆在此段的行驶过程中会由进口道最左侧车道驶入车道整体最左侧，因此涉及到车辆的转弯半径，以及应考虑到安全距离，包括移位左转车辆之间的，
因此l2的计算式为：
Figure BDA0003288411750000193
式中l2为移位左转变道段长度；r为移位左转车辆的转弯半径(m)；W1、W2分别为车道宽和中央分割线宽。
如图4所示，移位左转车辆储存段长度负责给准备驶入进入因为左转车道的车辆提供排队空间，通过预信号和停止线与变道段分离，其长度应在满足交通安全的前提下服务于左转车辆。储存段太长会造成过多车辆积压，对交叉口的整体通行都造成了影响；储存段太短则会导致移位左转车辆没有足够空间停靠，易造成储存段后侧路段行驶混乱，出现拥堵，反而降低了交叉口整体同行效率。因此可通过左转车交通量和停车安全距离等因素计算储存段的长度l3。因此l3的计算公式为：
Figure BDA0003288411750000201
式中l3为储存段的长度(m)；Qel为移位左转方向的左转车流量(pcu/h)；k为常数，用于体现储存段车流在相位周期内呈现的不规则到达趋势，通常取1.5～2.0。
综合上述三部分的车道长度即为移位左转整体车道总长。但总长应满足与此交叉口和上游交叉口的距离近似相等，即满足：
l1+l2+l3≤l (29)
式中l为两交叉口之间的车道长度(m)。
移位左转交叉口面积
移位左转交叉口相比较于传统交叉口的优势之一在于通过转移左转车辆与对向直行车辆的冲突点，从而缩短了左转车转弯半径，继而缩小了交叉口所需空间。交叉口的原始车道数应大于等于两条，满足至少能够设置一条专向左转车道的空间。此外，对于两向控制的移位左转交叉口，其交叉口内部面积受到各进口车道数和车道宽度以及左右转车轨迹的影响。由于移位左转交叉口中，非移位左转车辆所需的行驶空间最大。所以，移位左转交叉口面积应满足非移位左转车辆的行驶要求，即：
R’l≥∑wi (30)
式中R’l为移位左转方向车辆的最小转弯半径(m)；wi为对应方向的出口到各车道长度(m)。
特别的，当非移位左转方向设有左转待转区时，该左转方向的车流轨迹会出现一定的偏移，则非移位左转方向的左转车流应当保持相关安全距离以避免冲突，即：
d’≥dx (31)
式中d’为对向非移位左转方向左转车辆通过左转待转区时的轨迹最小距离(m)；dx为车辆完成安全交叉行驶必须保证的最小安全距离。
根据本发明提供的一个实施例，所述对优化结果进行仿真分析包括：
搭建仿真环境，通过更改优化结果的取值参数，获得移位左转交叉口的适用范围与条件。
本实施例中，利用仿真的方式考察在不同交通流量压力下移位左转各项设计参数变化对交叉口整体的通行效率、延误和排队长度等影响，以此确定移位左转的落地适应性。为探究实施例移位左转交叉口对不同条件道路和交通量的适应性，通过VISSIM仿真软件搭建仿真环境，通过更改移位左转交叉口相关参数，对各向车辆通行效率和延误进行比较，找出移位左转交叉口的适用范围与条件。对给定的不同比例交通量对普通交叉口和移位左转交叉口的通行效率进行仿真，以类比的方式确定适用于移位左转交叉口的车流量特点；最终通过调整移位左转交叉口中的其他参数，如车道数量，车道长度和右转车比重等确定这些参数对交叉口的延误的影响。
本专利基于VISSIM仿真平台，利用敏感性分析后的校正参数添加，进行方案仿真。仿真对比原始交叉口和移位左转改建后交叉口的排队长度、车均延误和通行效率等相关指标，验证移位左转的改进方案可行性与适用性。
为探究实施例移位左转交叉口对不同条件道路和交通量的适应性，通过vissim仿真软件搭建仿真环境，通过更改移位左转交叉口相关参数，对各向车辆通行效率和延误进行比较，找出移位左转交叉口的适用范围与条件。
移位左转车道长度与单位周期内可通过的左转车辆为正相关关系。因此当移位左转车道长度发生改变，交叉口左转车辆的通过量也会受到影响，包括其车均延误，设置不同长度的移位左转车道，同时输入饱和的移位左转流量(单位小时内1000pcu)，获取相对应的左转车通过量数据和左转车辆的平均等待时间，将相关数据拟合为曲线。如图5所示，移位左转车道长度与左转车通过量成正相关增长趋势，随着移位左转车道长度的增加，移位左转交通组织方式对提高左转通行效率的作用也在逐渐增大，并最终将到达一个饱和点(100米)，即此时左转车流量和等待时间达到最优解。
根据本发明提供的一个实施例，通过所述对优化结果进行仿真分析获得移位左转车道长度对左转车通行效率的影响的拟合曲线、移位左转车道长度对交叉口延误的影响的拟合曲线、左转交通量与车道数对交叉口延误的影响的拟合曲线、交叉方向右转车比重与移位左转车道布设位置对交叉口延误的影响的拟合曲线和交叉口流量及比例对交叉口通行效率的影响的拟合曲线。
本实施例中，移位左转交叉口仿真分析(移位左转车道长度对左转车通行效率的影响、移位左转车道长度对交叉口延误的影响、左转交通量与车道数对交叉口延误的影响、交叉方向右转车比重与移位左转车道布设位置对交叉口延误的影响、交叉口流量及比例对交叉口通行效率的影响)
移位左转车道长度对左转车通行效率的影响
移位左转车道长度与单位周期内可通过的左转车辆为正相关关系。因此当移位左转车道长度发生改变，交叉口左转车辆的通过量也会受到影响，包括其车均延误，设置不同长度的移位左转车道，同时输入饱和的移位左转流量(单位小时内1000pcu)，获取相对应的左转车通过量数据和左转车辆的平均等待时间，将相关数据拟合为曲线。见图5。
移位左转车道长度对交叉口延误的影响
通过改变移位左转车道长度收集每个相位的车均延误值，再根据平均值计算得到交叉口整体车均延误，绘制移位左转车道长度和车均延误的拟合曲线。如图6所示，随着车道长度逐步增大，及移位左转车道的容纳量进一步上升之后，在相同的绿灯时间内无法做到完全释放停驶车数，导致等候车辆逐渐增多，增大路段压力，从而使交叉口整体延误呈现缓慢增长的趋势。对于整体延误而言，其饱和点为50米左右。
左转交通量与车道数对交叉口延误的影响
当左转车流量过大时，通过设置更多的移位左转车道能否辅助交叉口进一步扩大通行能力。定义移位左转交叉口的非移位左转方向和移位左转进口直行方向流量为确定值，同时保持移位左转车道长度为80米不变，改变移位左转方向的流量，同时设置3个不同渠化的移位左转交叉口，包括仅有一条移位左转车道、一条移位左转车道和一条专左车道并存和两条移位左转车道，获取3种场景下交叉口的总车均延误并进行拟合，绘制拟合曲线。如图7所示，当左转交通量超过300之后，各场景中的总车均延误均开始增加，但2条移位左转车道的增加幅度要远低于其他场景。
交叉方向右转车比重与移位左转车道布设位置对交叉口延误的影响
固定交叉口移位左转方向车流量不变，取非移位左转方向的总交通量为1000pcu，通过调整非移位左转方向中右转车流量占比，考察移位左转车道位置对非移位左转方向右转车车均延误的影响，得到拟合曲线。如图8所示，右转车占比小与20％时，两种场景中的右转车均延误并无太大区别。当占比超过20％时，由于非移位左转方向右转车和最外侧移位左转车俩出现冲突的概率增大，导致两场景中的右转车均延误之差逐渐增大。
交叉口流量及比例对交叉口通行效率的影响
移位左转改造时设置左转车道的乘积值推荐值。具体数据详见表1，如图9所示，以直行车道为一条时为例，当直行-左转车流乘积超过70000时，左转车均延误差出现了显著的提升，这表明此时移位左转交叉口的左转车辆通行效率在一定程度上超越了传统交叉口。同理在直行车道为两条和三条时，同样的偏差分别出现在乘积为90000和130000处。根据此次结果可以对移位左转改造时车流量数据的推荐值。
表3移位左转设置判定乘积值
Figure BDA0003288411750000231
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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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精神和范围。

Claims (10)

1.一种交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：包括：
获取移位左转交叉口的渠化参数；
确定移位左转交叉口的运行优化模型；
根据移位左转交叉口的渠化参数与移位左转交叉口的运行优化模型获得优化结果；
对优化结果进行仿真分析。
2.根据权利要求1所述的交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：所述获取移位左转交叉口的渠化参数包括：
根据移位左转交通组织分析确定移位左转交叉口的规划类型；
根据移位左转交叉口的规划类型获取移位左转交通特性分析参数。
3.根据权利要求1所述的交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：所述确定移位左转交叉口的运行优化模型包括：
确定移位左转交叉口机动车各相位延误；
根据移位左转交叉口机动车各相位延误建立以交叉口总车均延误最小为目标的模型。
4.根据权利要求1所述的交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：所述根据渠化参数与运行优化模型获得优化结果包括：
确定移位左转交叉口的设计参数；
根据移位左转交叉口的设计参数获得移位左转交叉口的主信号与预信号的协调关系；
将渠化参数与协调关系作为约束条件，对运行优化模型进行求解获得优化结果。
5.根据权利要求1所述的交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：所述对优化结果进行仿真分析包括：
搭建仿真环境，通过更改优化结果的取值参数，获得移位左转交叉口的适用范围与条件。
6.根据权利要求2所述的交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：所述移位左转交通特性分析参数包括车道通行能力、进口通行能力、通行能力折减和延误参数。
7.根据权利要求3所述的交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：两向控制的移位左转交叉口作为所述确定移位左转交叉口机动车各相位延误的计算模型。
8.根据权利要求7所述的交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：所述移位左转交叉口机动车各相位延误包括非移位左转方向的左转相位延误、非移位左转方向的直行相位车均延误、移位左转方向的直行相位车均延误。
9.根据权利要求4所述的交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：所述移位左转交叉口的设计参数包括移位左转车道长度、移位左转车辆变道段长度、移位左转车辆储存段长度和移位左转交叉口面积。
10.根据权利要求5所述的交叉口移位左转的优化方法，其特征在于：通过所述对优化结果进行仿真分析获得移位左转车道长度对左转车通行效率的影响的拟合曲线、移位左转车道长度对交叉口延误的影响的拟合曲线、左转交通量与车道数对交叉口延误的影响的拟合曲线、交叉方向右转车比重与移位左转车道布设位置对交叉口延误的影响的拟合曲线和交叉口流量及比例对交叉口通行效率的影响的拟合曲线。
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