CN114049763A - 一种交叉口车辆提前掉头的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，属于交通技术领域。本发明通过构建了车辆提前掉头开口位置与上下游交叉口距离的判别模型、掉头车流排队长度模型以及掉头开口大小等关键几何参数模型，提出了路段提前掉头车均延误计算方法，并和交叉口掉头方案相比较，得出设置路段提前掉头时掉头车道左转及掉头车流量的阈值条件。该方法的优点在于操作简单、便于计算，可以根据道路交通的实际状况，应用更加科学定量的方法对交叉口车辆掉头设置进行分析，得出车辆提前掉头关键几何设置参数计算方法及阈值流量条件，优化交叉口掉头组织设计。

Description

一种交叉口车辆提前掉头的分析方法

技术领域

本发明属于交通技术领域，特别是涉及一种交叉口车辆提前掉头的分析方法。

背景技术

交叉口车辆提前掉头是一种交通组织方法，科学合理的车辆提前掉头可以提高城市道路掉头车流的运行效率和交通安全，从而以达到缓解交通拥堵、优化出行环境、提高出行安全的目的。现有的城市道路车辆提前掉头的研究大多是关于掉头口几何设置方式、对交叉口运行安全以及通行效率等方面的影响，但对于设置城市路段车辆提前掉头的几何阈值以及左转和掉头车流量阈值条件等问题，国内外研究相对较少，从而缺乏一种科学定量的方法对交叉口路段车辆提前掉头交通设置进行分析，缺少车辆提前掉头关键几何设置参数计算方法及阈值流量判决条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，以解决了现有的问题：缺乏一种科学定量的方法对交叉口路段车辆提前掉头交通设置进行分析，缺少车辆提前掉头关键几何设置参数计算方法及阈值流量判决条件。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，所述方法包括以下步骤：

对车辆提前掉头的关键几何参数进行分析计算，构件关键几何参数设置模型；

对车辆提前掉头的车流运行效率进行分析计算，构件关键几何参数设置模型；

对实际交通基础数据进行收集；

通过获取的交通基础数据，根据所建模型计算得到几何参数设置阈值条件以及左转和掉头车流量的阈值条件；

进行对比仿真。

进一步地：所述关键几何参数包括掉头开口与上游交叉口的距离、掉头开口与下游交叉口的距离、掉头开口长度。

进一步地：所述车流运行效率包括掉头车流在掉头开口处的排队延误、掉头车辆阻挡左转车辆的延误。

进一步地：对车辆提前掉头的掉头开口与上游交叉口的距离的分析计算方式如下：

其中，L₁为掉头开口与上游交叉口的距离，L_P为掉头车辆排队长度，L_T为城市道路停车视距，β为掉头车辆平均到达率，u为掉头开口平均服务率， K为Erlang分布阶数，l_t为车辆停车平均车头间距，v_e为车辆驶出交叉口的速度，t_r为驾驶员的感知反应时间，ρ为车辆与路面间摩擦系数，i为城市道路纵向坡度，l₀为停车时两车间的安全距离。

进一步地：对车辆提前掉头的掉头开口与下游交叉口的距离的分析计算方式如下：

其中，L₂为掉头开口与下游交叉口的距离，L₃为下游功能区长度由驾驶员在感知-反应时间内所行驶距离，L₄为车辆开始减速到完全停止所行驶的距离，L₅为左转车辆最大排队长度，v_i为车辆接近交叉口的速度，t_r为驾驶员的感知反应时间，a为车辆的平均减速度，q为路段左转车流高峰小时交通量，r为红灯时间，l_t为车辆停车平均车头间距。

进一步地：对车辆提前掉头的掉头开口长度的分析计算方式如下：

L_d＝R_t+2d_c+h

R_t＝R₁-R₂

其中，L_d为掉头开口长度，R_t为车辆运行轨迹宽度，h为车辆掉头起始位置区间长度，d_c为车辆横向安全距离，R₁为车辆在最小转弯半径下车头最外廓轨迹半径，R₂为车辆后轮内沿半径，d₁为车轮轴距；d₂为车辆主销到外轮轮廓中心线距离；d₃为掉头车辆的前悬距离；θ为外车轮转角。

进一步地：对车辆提前掉头的掉头车流在掉头开口处的排队延误的分析计算方式如下：

D_p＝D_w+D_c

其中，D_p为掉头车流在掉头开口处的排队延误，D_w为掉头车辆排队等待延误，D_c为进入对向车道后与对向车流的冲突延误；

其中，L_qi为掉头口处的排队车辆数，q_i为掉头车流到达掉头口的流量，β_i为掉头车流小时交通量。

进一步地：对车辆提前掉头的掉头车辆阻挡左转车辆的延误的分析计算方式如下：

其中，t_l为左转车辆等待损失时间；L₆为下游交叉口对向进口道停车线与本向出口道停车线延长线之间的距离，L₂为调头口与停车线之间的距离， v_s为直行车辆通过交叉口的速度；

其中，t_zl为被调头车辆阻挡的最前一辆左转车通过空余路段的时间，

为左转相位开始时L₂上的左转排队车辆数，L_d为掉头开口长度，L₂为调头口与停车线之间的距离，l_t为车辆停车平均车头间距，v_l为左转车道设计车速；

其中，

为调头车阻挡左转车产生的总损失时间；

其中，

为左转车被调头车阻挡的概率，μ为左转车与调头车的比例；

其中，D_z为掉头车阻挡左转车的延误；

其中，D_u为掉头及左转共用车道总延误；

其中，

为掉头及左转共用车道车均延误；

其中，D_wbster为交叉口总延误；N为交叉口的总车道数；c为交叉口的周期时长；λ_i为对应相位的绿信比；y_i为对应车道的交通流量比；x_i为对应车道的交通流量饱和度；q_i为对应车道的交通流量；

其中，

为交叉口的车均延误，Q₂为交叉口每小时的总流量。

进一步地：计算左转和掉头车流量的阈值条件，主要包括：

通过对路段车均延误的计算，得到设置提前掉头的流量阈值判别模型：

其中，

为交叉口掉头车均延误，

为路段提前掉头车均延误；

当

时，所对应的掉头和左转交通量为设置提前掉头的阈值流量。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，根据城市道路车流通行安全与效率，建立科学定量的计算模型和判别方法，适用性更广，可靠性更强；

2、本发明的基于一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，操作简单，便于计算，成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明的车辆提前掉头运行图；

图3是本发明的掉头车辆阻挡左转车辆及掉头开口长度示意图；

图4a是本发明一实施例中左转车流量与两种掉头方式的延误关系示意图；

图4b是本发明一实施例中掉头车流量与两种掉头方式的延误关系示意图；

图5a是本发明一实施例中通过改变左转流量的模型计算结果与仿真结果的对比示意图；

图5b是本发明一实施例中通过改变掉头流量的模型计算结果与仿真结果的对比示意图。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种交叉口车辆提前掉头的分析方法。具体的，参阅图1，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1：对提前掉头关键几何参数进行分析计算。

在一实施例中，所述几何参数包括掉头开口与上、下游交叉口的距离，掉头开口长度；

其中，掉头开口与上、下游交叉口的距离的计算过程如下：

其中，计算掉头开口与上、下游交叉口距离的过程如下：

首先计算掉头开口处的最大排队长度，只有掉头可插车临界间隙(t_c) 大于等于掉头临界间隙时才可进行掉头，可用M/E_K/1排队模型来描述掉头车流在开口处的排队掉头过程，t_c通常取6～8s，t_f为冲突车流在掉头口的车头时距，可得nt_c≤t_f≤(n+1)t_c，p_n为对向冲突车流通过掉头口时的车头间距可插入n辆车的概率，则有：

P(T)为Erlang分布车头时距为T的概率；ω＝K-1，K为Erlang分布阶数，取K＝2；λ₁为对向冲突车流到达率。由排队公式可得服务率u为：

(λ₁-1)P_n表示在单位时间内存在的(λ₁-1)个车头间隔中，通过n辆车的间隔数。掉头开口处平均排队车辆数L_q为：

则掉头车辆排队长度为：

l_t为车辆停车平均车头间距，取7.5m。

然后计算城市道路停车视距：

v_e为车辆驶出交叉口的速度，km/h；t_r为驾驶员的感知反应时间，取 1.5s；ρ为车辆与路面间摩擦系数，取0.6；i为城市道路纵向坡度；l₀为停车时两车间的安全距离，取3～5m。

掉头开口与上游交叉口距离应至少大于掉头车辆最大排队长度与安全停车视距之和，即：

然后，掉头开口与下游交叉口的距离L₂应至少大于其功能区长度，下游功能区长度由驾驶员在感知-反应时间内所行驶距离L₃、车辆开始减速到完全停止所行驶的距离L₄以及左转车辆最大排队长度L₅组成，即:

v_i为车辆接近交叉口的速度，单位为m/s；a为车辆的平均减速度，取 2m/s²；q为路段左转车流高峰小时交通量，单位为pcu/s；r为红灯时间，单位为s。

然后计算掉头开口长度，如图3所示，路段掉头开口长度L_d一般由三部分组成：车辆运行轨迹宽度R_t、车辆掉头起始位置区间长度h和车辆横向安全距离d_c，即：

L_d＝R_t+2d_c+h

h和d_c通常取2.6m和0.443m。R_t等于车辆在最小转弯半径下车头最外廓轨迹半径(R₁)减去车辆后轮内沿半径(R₂)：

R_t＝R₁-R₂

d₁为车轮轴距；d₂为车辆主销到外轮轮廓中心线距离；d₃为掉头车辆的前悬距离，单位均为m；θ为外车轮转角。

步骤2：对提前掉头车流运行效率进行计算。

在一实施例中，所述运行效率包括掉头车流在掉头开口处的排队延误，掉头车辆阻挡左转车辆的延误；

其中，掉头开口处的排队延误(D_p)可包含掉头车辆排队等待延误(D_w) 和进入对向车道后与直行车流的冲突延误(D_c)，即：

D_p＝D_w+D_c。

车辆的掉头过程可看作M/E_K/1排队模型，等待时间：

L_qi为掉头口处的排队车辆数，单位为pcu；q_i为掉头车流到达掉头口的流量，单位为pcu/h；当对向冲突车流量为1000-2000pcu/h时，掉头冲突时间可取3.9～4.2s。

其中，计算掉头车流阻挡左转车辆的延误：

当t_f＜t_c时，调头车辆将在开口处停车等待，此时在调头口前方的最后一辆左转车与调头开口之间可能会出现一段空余路段，如图3所示。因此，左转车辆的延误为左转车等待调头车驶离时间加上通过空余路段的时间。在左转相位开始后，直行相位最后一辆车通过掉头口的时间加上左转车启动损失时间(取2s)就是左转车辆等待掉头车驶离的损失时间，即：

式中：t_l为左转车辆等待损失时间，单位为s；L₆为下游交叉口对向进口道停车线与本向出口道停车线延长线之间的距离，单位为m，L₂为调头口与停车线之间的距离，单位为m，v_s为直行车辆通过交叉口的速度，单位为m/s。

被调头车辆阻挡的最前一辆左转车通过空余路段的时间(t_zl)为：

式中：

为左转相位开始时L₂上的左转排队车辆数。因此，调头车阻挡左转车产生的总损失时间为：

由于左转车辆在L₂上的排队长度不确定，因此所求左转车辆的延误应该是不同排队长度下损失时间的加权平均数。左转车被调头车阻挡的概率为：

式中：μ为左转车与调头车的比例。理论分析可知，L₂上左转排队车辆数取值范围为

则掉头车阻挡左转车的延误为：

因此，掉头及左转共用车道总延误为：

其车均延误为：

式中：Q₁为左转及掉头共用车道每小时总流量。

最后，当车辆采用交叉口掉头时，可利用韦伯斯特延误公式来计算交叉口的总延误：

式中：D_wbster为交叉口总延误；N为交叉口的总车道数；c为交叉口的周期时长；λ_i为对应相位的绿信比；y_i为对应车道的交通流量比；x_i为对应车道的交通流量饱和度；q_i为对应车道的交通流量。

车均延误为：

式中Q₂为交叉口每小时的总流量。

步骤3：基于分析对象交叉口的交通基础数据进行收集，所述交通基础数据包括交叉口的交通流量、左转与掉头车辆的比例、信号配时参数、车道渠化、交叉口间距；

步骤4：通过获取的实际交通数据，根据所建模型计算得到几何设置阈值条件以及左转和掉头车流量的阈值条件；

在本步骤中，通过获取的实际交通数据，根据所建模型计算得到左转及掉头车流量的阈值条件：

能否提高车流运行效率是判断路段提前掉头设置合理性的关键指标，通过对路段车均延误的计算，可得设置提前掉头的流量阈值判别模型：

式中：

为交叉口掉头车均延误，

为路段提前掉头车均延误。当

时，所对应的掉头和左转交通量为设置提前掉头的阈值流量。

步骤5：通过对比仿真结果，证明所建模型和方法的准确性与可靠性。

以下，提供一个本发明的具体实施例进行详细说明：

在本实施例中，选取云南省曲靖市麒麟南路-胜峰路和麒麟南路-文昌街之间的路段(如图2)实施本发明的方法。

采用步骤1所建立的模型进行提前掉头开口位置确定，图4a和图4b 分别为是左转车流量以及掉头车流量与两种掉头方式的延误关系示意图，其中提前掉头延误采用步骤2所建立模型的计算结果，交叉口延误采用步骤2所述的韦伯斯特延误公式计算结果，其中阈值点采用步骤4中的模型计算。图5a和图5b是模型计算结果与仿真结果的对比示意图，其中计算延误为步骤2所建立模型的计算结果，仿真延误为采用VISSIM仿真软件运行结果，结果表明仿真结果总体上与模型计算值的误差属于可接受范围内，证明了本文所提方法在一定条件下的准确度以及可靠性。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

对车辆提前掉头的关键几何参数进行分析计算，构件关键几何参数设置模型；

对车辆提前掉头的车流运行效率进行分析计算，构件关键几何参数设置模型；

对实际交通基础数据进行收集；

通过获取的交通基础数据，根据所建模型计算得到几何参数设置阈值条件以及左转和掉头车流量的阈值条件；

进行对比仿真以及验证。

2.根据权利要求1所述的一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，其特征在于：所述关键几何参数包括掉头开口与上游交叉口的距离、掉头开口与下游交叉口的距离、掉头开口长度。

3.根据权利要求1所述的一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，其特征在于：所述车流运行效率包括掉头车流在掉头开口处的排队延误、掉头车辆阻挡左转车辆的延误。

4.根据权利要求2所述的一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，其特征在于：对车辆提前掉头的掉头开口与上游交叉口的距离的分析计算方式如下：

其中，L₁为掉头开口与上游交叉口的距离，L_P为掉头车辆排队长度，L_T为城市道路停车视距，β为掉头车辆平均到达率，u为掉头开口平均服务率，K为Erlang分布阶数，l_t为车辆停车平均车头间距，v_e为车辆驶出交叉口的速度，t_r为驾驶员的感知反应时间，ρ为车辆与路面间摩擦系数，i为城市道路纵向坡度，l₀为停车时两车间的安全距离。

5.根据权利要求2所述的一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，其特征在于：对车辆提前掉头的掉头开口与下游交叉口的距离的分析计算方式如下：

其中，L₂为掉头开口与下游交叉口的距离，L₃为下游功能区长度由驾驶员在感知-反应时间内所行驶距离，L₄为车辆开始减速到完全停止所行驶的距离，L₅为左转车辆最大排队长度，v_i为车辆接近交叉口的速度，t_r为驾驶员的感知反应时间，a为车辆的平均减速度，q为路段左转车流高峰小时交通量，r为红灯时间，l_t为车辆停车平均车头间距。

6.根据权利要求2所述的一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，其特征在于：对车辆提前掉头的掉头开口长度的分析计算方式如下：

L_d＝R_t+2d_c+h

R_t＝R₁-R₂

其中，L_d为掉头开口长度，R_t为车辆运行轨迹宽度，h为车辆掉头起始位置区间长度，d_c为车辆横向安全距离，R₁为车辆在最小转弯半径下车头最外廓轨迹半径，R₂为车辆后轮内沿半径，d₁为车轮轴距；d₂为车辆主销到外轮轮廓中心线距离；d₃为掉头车辆的前悬距离；θ为外车轮转角。

7.根据权利要求3所述的一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，其特征在于：对车辆提前掉头的掉头车流在掉头开口处的排队延误的分析计算方式如下：

D_p＝D_w+D_c

其中，D_p为掉头车流在掉头开口处的排队延误，D_w为掉头车辆排队等待延误，D_c为进入对向车道后与对向车流的冲突延误；

其中，L_qi为掉头口处的排队车辆数，q_i为掉头车流到达掉头口的流量，β_i为掉头车流小时交通量。

8.根据权利要求3所述的一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，其特征在于：对车辆提前掉头的掉头车辆阻挡左转车辆的延误的分析计算方式如下：

其中，t_l为左转车辆等待损失时间；L₆为下游交叉口对向进口道停车线与本向出口道停车线延长线之间的距离，L₂为调头口与停车线之间的距离，v_s为直行车辆通过交叉口的速度；

其中，t_zl为被调头车辆阻挡的最前一辆左转车通过空余路段的时间，

为左转相位开始时L₂上的左转排队车辆数，L_d为掉头开口长度，L₂为调头口与停车线之间的距离，l_t为车辆停车平均车头间距，v_l为左转车道设计车速；

其中，

为调头车阻挡左转车产生的总损失时间；

其中，

为左转车被调头车阻挡的概率，μ为左转车与调头车的比例；

其中，D_z为掉头车阻挡左转车的延误；

其中，D_u为掉头及左转共用车道总延误；

其中，

为掉头及左转共用车道车均延误；

其中，D_wbster为交叉口总延误；N为交叉口的总车道数；c为交叉口的周期时长；λ_i为对应相位的绿信比；y_i为对应车道的交通流量比；x_i为对应车道的交通流量饱和度；q_i为对应车道的交通流量；

其中，

为交叉口的车均延误，Q₂为交叉口每小时的总流量。

9.根据权利要求1所述的一种交叉口车辆提前掉头的分析方法，其特征在于：计算左转和掉头车流量的阈值条件，主要包括：

通过对路段车均延误的计算，得到设置提前掉头的流量阈值判别模型：

其中，

为交叉口掉头车均延误，

为路段提前掉头车均延误；

当

时，所对应的掉头和左转交通量为设置提前掉头的阈值流量。

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