CN114277627B - 下高架匝道快速疏散的地面交叉口结构和信号控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开下高架匝道快速疏散的地面交叉口结构和信号控制系统，属于交通组织领域。包括：匝道衔接道路和相交道路构成交叉口；匝道衔接道路包括若干道路，沿行驶方向最右道路在交叉口处设有地面辅道；地面辅道出口与右转专用道、掉头道路连接；可变道车道一端与下高架匝道出口连接，另一端与导向车道连接；可变道车道，用于供直行车直行至导向道路、左转车辆变道至掉头道路、右转车辆变道至右转专用道；右转专用道，用于供车辆右转进入相交道路；导向车道，用于指示车辆在路口驶入段按所指方向行驶和排队的车道；掉头道路，用于供车辆右转掉头并从掉头开口进入相交道路，从而完成左转。实现高架出口匝道车辆快速疏散，优先保障快速路交通畅通。

Description

下高架匝道快速疏散的地面交叉口结构和信号控制系统

技术领域

本发明属于交通组织技术领域，更具体地，涉及下高架匝道快速疏散的地面交叉口结构和信号控制系统。

背景技术

随着汽车保有量的增加，高架出口落地匝道与地面道路衔接路段及其衔接交叉口在高峰时段交通压力增大时，常常出现排队和拥堵现象，甚至会形成“排队溢出”现象，即在匝道上排队等待进入平面交叉口的车队长度大于匝道长度，富余的车辆在高架上排队，干扰高架上的过境车流或阻塞车流，降低了高架快速路的运行效率，大大限制了高架快速路通行能力的发挥，降低了路网整体运行效率。由于“排队溢出”现象，高架出口匝道处往往成为快速路的瓶颈。为了避免快速路的运行受到出口匝道的影响，需要提高出口匝道的快速疏散能力。

现有研究主要集中交叉口信号控制与衔接路段的交通组织方面。前者采用的方法主要有利用感应控制检测排队长度，调整绿灯相序，减少相位，增加绿灯时长，使用两个信号灯进行协调控制等。杨晓芳等提出一种基于CTM的出口匝道与衔接交叉口的整合控制模型。在出口匝道存在超长排队时,实行绿灯延长或提前启动策略；在不存在超长排队时,以出口匝道及衔接信号控制交叉口车均延误最小化为目标,实时动态优化衔接交叉口的周期和绿信比。朱文铜从考虑相交道路的交通效益出发，通过改变排队检测器的布设位置，基于绿灯相位延长和提前启动方法，提出了可接受排队长度控制策略；通过在出口匝道落地点处的地面道路上增设第二信号灯，以排队长度为约束设计了出口匝道的协调控制策略。这些方法通常采用较为复杂的数学模型，部分模型计算的实时性较差。后者主要采用的方法有出口匝道和衔接道路车流间设置物理分隔等，但此类方法并不能保障高架出口匝道的优先通行。

在上述模型、策略中，都是在基于不改变衔接交叉口交通组织的基础上进行信号控制，没有改变各车流方向及减少存在的冲突点，受车流量的变化影响，不能完全保证出口匝道的车流量优先通行，快速疏散。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了下高架匝道快速疏散的地面交叉口结构和信号控制系统，其目的在于实现高架出口匝道车辆的快速疏散，优先保障快速路过境交通畅通。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种下高架匝道快速疏散的地面交叉口结构，包括：可变道车道、导向车道、匝道衔接道路、相交道路、右转专用道和掉头道路；

匝道衔接道路和相交道路构成交叉口；

匝道衔接道路包括若干道路，沿行驶方向最右的道路在交叉口处设有地面辅道；

地面辅道出口与右转专用道、掉头道路连接；

可变道车道一端与下高架匝道出口连接，另一端与导向车道连接；

所述可变道车道，用于供直行车辆直行至导向道路、左转车辆变道至掉头道路、右转车辆变道至右转专用道；

所述右转专用道，用于供车辆右转进入相交道路；

所述导向车道，用于指示车辆在路口驶入段按所指方向行驶和排队的车道；

所述掉头道路，用于供车辆右转掉头并从掉头开口进入相交道路，从而完成左转。

优选地，所述可变道车道的长度取值范围为50m～120m。

优选地，所述导向车道的长度取值范围为30m～70m。

优选地，所述右转专用道的转弯半径取值范围为25m以上。

优选地，所述掉头道路的右转部分转弯半径取值范围为大于25m，直行部分长度取值范围为25m～75m。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种第一方面所述的地面交叉口结构的信号控制系统，包括：

第一信号灯，用于控制相交道路车辆通行；

第二信号灯，用于控制导向车道和匝道衔接道路车辆通行；

第三信号灯，用于控制左转掉头车辆通行；

第四信号灯，用于控制相交道路调头开口前的车辆通行；

所述第一信号灯的绿灯时间g₁满足如下公式：

g₁＝g_E，1+l₁-A₁

所述第二信号灯的绿灯时间g₂满足如下公式：

g₂＝g_E，2+l₂-A₂

所述第三信号灯在第二信号灯变绿后间隔T₁时间变绿，在第一信号灯变绿之前T₂时间变红；

当检测到T₂时间内没有车通过时，第四信号灯变绿，第四信号灯与第一信号灯同时变红；

其中，g_E,1表示相交道路通行有效绿灯时间，l₁表示启动损失时间，若无实测数据可取3s，A₁表示该相位末黄灯时间，通常取3s；C表示信号控制周期，Loss表示信号总损失时间，y₁表示相交道路通行相位关键车道组流率比，Y表示周期内所有相位的关键车道组的流率比之和，g_E,2表示匝道衔接道路通行有效绿灯时间，l₂为启动损失时间，若无实测数据可取3s，A₂表示该相位末黄灯时间；y₂为匝道衔接道路通行相位关键车道组流率比，L表示相交道路停车线至第三信号灯截面处的距离，单位为m，g表示重力加速度，取值9.8m/s，Φ表示汽车轮胎和路面的纵向摩阻系数，i表示道路纵坡，上坡i取正值，下坡i取负值，N表示掉头车辆所跨越的车道数，W表示车道宽，单位为m，V表示车辆掉头平均行驶速度。

优选地，若相交道路的左转车流量满足大于200pcu/h或左转车流量与对向单车道平均直行车流量的乘积大于50000，则将第一信号灯和第二信号灯设为三相位，否则，设为两相位。

优选地，当设为三相位时，第一信号灯用于控制相交道路的直行和左转两个相位。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)针对现有高架出口落地匝道与地面道路衔接路段及其衔接交叉口在高峰时段交通压力增大，交叉口受用地条件的限制，交织段较短，导致排队拥堵甚至溢出干扰高架上的过境车流运行的问题，本发明通过渠化设计、交通组织设计，将高架落地匝道的左转车流与地面辅道的左转车流通过右转加掉头的方式实现。由于减少了出口匝道车辆与其他车道的交织，左转绕行车辆具有专有的排队空间、同时绕行距离短，交叉口相位减少，车辆运行更加顺畅，实现极大缓解匝道的排队溢出现象，减少驶离高架道路的车辆对高架道路过境车流的干扰影响，避免了在匝道出口部分形成约束过境交通流通行能力的瓶颈，提高了高架道路上过境交通流的通行效率的良好效果。

(2)本发明通过多个信号的协调控制实现车辆在交叉口的通行，对于相交道路左转车辆较少的情况，可以采用两相位信号设置，分别为匝道衔接道路的通行相位与相交道路的通行相位，在匝道衔接道路的通行相位时，左转绕行车辆可以右转并掉头驶入相交道路的进口道排队等待；在相交道路的通行相位时，左转绕行车辆可以右转驶入排队车道，在掉头信号灯前等待掉头。对于相交道路左转车流量较大的情况，也可以实际情况采用三相位信号设置，即相交道路直行和左转车辆分别放行，由于各信号灯的联动协调控制，实现车辆安全有序的通行，极大程度上减小了交叉口的行车延误，从而避免了拥堵的产生，不会因排队长度过长而影响到高架快速路过境交通的通行。

附图说明

图1为地面交叉口结构的两相位控制方式示意图。

图2为信号灯设置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种下高架匝道快速疏散的地面交叉口结构，包括：可变道车道、导向车道、匝道衔接道路、相交道路、右转专用道和掉头道路；

匝道衔接道路和相交道路构成交叉口；

匝道衔接道路包括若干道路，沿行驶方向最右的道路在交叉口处设有地面辅道；

地面辅道出口与右转专用道、掉头道路连接；

可变道车道一端与下高架匝道出口连接，另一端与导向车道连接；

所述可变道车道，用于供直行车辆直行至导向道路、左转车辆变道至掉头道路、右转车辆变道至右转专用道；

所述右转专用道，用于供车辆右转进入相交道路；

所述导向车道，用于指示车辆在路口驶入段按所指方向行驶和排队的车道；

所述掉头道路，用于供车辆右转掉头并从掉头开口进入相交道路，从而完成左转。

优选地，所述可变道车道的长度取值范围为50m～120m。

优选地，所述导向车道的长度取值范围为30m～70m。

优选地，所述右转专用道的转弯半径取值范围为25m以上。

优选地，所述掉头道路的右转部分转弯半径取值范围为大于25m，直行部分长度取值范围为25m～75m。

本发明提供了一种上述地面交叉口结构的信号控制系统，包括：

第一信号灯，用于控制相交道路车辆通行；

第二信号灯，用于控制导向车道和匝道衔接道路车辆通行；

第三信号灯，用于控制左转掉头车辆通行；

第四信号灯，用于控制相交道路调头开口前的车辆通行；

所述第一信号灯的绿灯时间g₁满足如下公式：

g₁＝g_E，1+l₁-A₁

所述第二信号灯的绿灯时间g₂满足如下公式：

g₂＝g_E，2+l₂-A₂

所述第三信号灯在第二信号灯变绿后间隔T₁时间变绿，在第一信号灯变绿之前T₂时间变红；

当检测到T₂时间内没有车通过时，第四信号灯变绿，第四信号灯与第一信号灯同时变红；

其中，g_E,1表示相交道路通行有效绿灯时间，l₁表示启动损失时间，若无实测数据可取3s，A₁表示该相位末黄灯时间，通常取3s；C表示信号控制周期，Loss表示信号总损失时间，y₁表示相交道路通行相位关键车道组流率比，Y表示周期内所有相位的关键车道组的流率比之和，g_E,2表示匝道衔接道路通行有效绿灯时间，l₂为启动损失时间，若无实测数据可取3s，A₂表示该相位末黄灯时间；y₂为匝道衔接道路通行相位关键车道组流率比，L表示相交道路停车线至第三信号灯截面处的距离，单位为m，g表示重力加速度，取值9.8m/s，Φ表示汽车轮胎和路面的纵向摩阻系数，i表示道路纵坡，上坡i取正值，下坡i取负值，N表示掉头车辆所跨越的车道数，W表示车道宽，单位为m，V表示车辆掉头平均行驶速度。

优选地，若相交道路的左转车流量满足大于200pcu/h或左转车流量与对向单车道平均直行车流量的乘积大于50000，则将第一信号灯和第二信号灯设为三相位，否则，设为两相位。

优选地，当设为三相位时，第一信号灯用于控制相交道路的直行和左转两个相位。

图1表示地面交叉口结构的两相位控制方式，相位一是匝道衔接道路通行相位，相位二是相交道路通行相位。图2表示信号灯设置示意图，其中信号灯1控制相交道路车辆通行，信号灯2控制匝道衔接道路车辆通行，信号灯3控制匝道左转掉头车辆通行，信号灯4控制相交道路调头开口前车辆通行，检测器检测信号灯3处是否还有车辆通过掉头开口。

如图1所示，将高架落地匝道左转方向车流及横向道路左转方向车流引导至纵向道路，变左转为直行。

可以看到，若高架的衔接道路的两个进口方向均采用上述的组织方式，由于左转车辆采用绕行，衔接交叉口可以减少一个左转相位。对于相交道路左转车辆较少的情况，可以采用两相位信号设置，分别为匝道衔接道路的通行相位与相交道路的通行相位(如图1所示)。在匝道衔接道路的通行相位时，左转绕行车辆可以右转并掉头驶入相交道路的进口道排队等待；在相交道路的通行相位时，左转绕行车辆可以右转驶入排队车道，在掉头信号灯前等待掉头。对于相交道路左转车流量较大的情况，也可以实际情况采用三相位信号设置，即增加相交道路的左转保护相位。通过将交叉口转换为正常的四路交叉口(即将左转绕行车流量计入转入的相交道路的进口道车流量中)，分别计算各相位各进口道各车道组的流率比，并通过韦氏公式计算得到延误最小的信号周期：

其中，C₀为最佳信号周期，Loss为信号总损失时间，Y为周期内所有相位的关键车道组的流率比之和。在得到交叉口的周期时长后，即可根据各相位的关键流率比与关键流率比总和的比值确定有效绿灯时间，继而得出绿灯时间。信号控制周期C，通常取值与最佳信号周期C₀邻近、且为5或者10的倍数。

如图2所示，匝道下来左转车辆通过右转至信号灯3处排队，匝道和地面右转车辆直接右转通过，直行车辆在交叉口处排队。相交道路车辆在信号灯1处排队，当信号灯3处有车辆掉头通过时，信号灯4前的车辆进行排队等候。该交通组织方式一个相位内具体实施形式如下：

(1)信号灯2变绿时，信号灯3在T₁时间后变绿，信号灯1和信号灯4为红灯，匝道衔接道路车辆通行，相交道路车辆进行排队。其中T₁为相交道路绿灯结束时对向剩余车辆通过信号灯3处截面所需的时间。

L：相交道路停车线至信号灯3截面处的距离，m；

g：重力加速度，9.8m/s；

Φ：汽车轮胎和路面的纵向摩阻系数；

i：道路纵坡(上坡i取正值，下坡i取负值)。

(2)当检测器5检测到T₂时间内没有车通过时，信号灯4变绿，信号灯4处停车的车辆可以补充信号灯1前剩余的道路空间。

N：掉头车辆所跨越的车道数；

W：车道宽/m；

V：车辆掉头平均行驶速度。

(3)当检测器在信号灯1为红灯，一直有车通过的情况下，信号灯3在信号灯1变绿前T₂时间变红，保证掉头车辆能够完成到达相交道路排队。

(4)信号灯1变绿，相交道路车辆通行。

为了验证方法的有效性、评价该交通组织方式对于出口匝道疏散能力的提升效果，实施例选择了武汉市雄楚大道高架与民族大道交叉口进行案例分析。

该交叉口是武汉市光谷片区重要的交叉口，高峰时段的交通量很大(表1)。此交叉口西侧有一个高架落地匝道，由于雄楚大道高架快速路承担了该区域东西向的快速通达功能，在高峰时段从该匝道落地的车流量很大，而且由于匝道落地点距离交叉口停车线仅有120米，交织段很短，因此在高峰时段(尤其是晚高峰时段)，该交叉口经常性拥堵，尤其是落地匝道衔接的雄楚大道高架地面辅道西进口，拥堵最为严重。

表1：晚高峰交通量

此交叉口的现状道路渠化方式应用了匝道快速疏散的交通组织方式之后的改进渠化方案中，西进口为出口匝道设置了左转绕行，东进口为了对称以减少交叉口左转相位，也设置了左转绕行。

交叉口交通量相同的情况下(均采用表1所示的晚高峰调查交通量)，使用TESSNG微观仿真软件进行仿真模拟，观察此设计方案的延误情况。结果如表2所示。可以看到，相较于现状的方案，在使用了匝道快速疏散的交通组织方式后，出口匝道的平均行车延误有了明显的下降，同时对于交叉口的总体行车延误也起到了正效应，交叉口的平均行车延误由77.34s降低至了37.96s。总的来看，该组织方式可以有效提高出口匝道车辆的疏散能力，也能够改善整个交叉口的运行状况。

表2：仿真结果对比

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种地面交叉口结构的信号控制系统，所述地面交叉口结构为下高架匝道快速疏散的地面交叉口结构，包括：可变道车道、导向车道、匝道衔接道路、相交道路、右转专用道和掉头道路；匝道衔接道路和相交道路构成交叉口；匝道衔接道路包括若干道路，沿行驶方向最右的道路在交叉口处设有地面辅道；地面辅道出口与右转专用道、掉头道路连接；可变道车道一端与下高架匝道出口连接，另一端与导向车道连接；所述可变道车道，用于供直行车辆直行至导向道路、左转车辆变道至掉头道路、右转车辆变道至右转专用道；所述右转专用道，用于供车辆右转进入相交道路；所述导向车道，用于指示车辆在路口驶入段按所指方向行驶和排队的车道；所述掉头道路，用于供车辆右转掉头并从掉头开口进入相交道路的任一导向车道中，从而完成左转；其特征在于，包括：

第一信号灯，用于控制相交道路车辆通行；

第二信号灯，用于控制导向车道和匝道衔接道路车辆通行；

第三信号灯，用于控制左转掉头车辆通行；

第四信号灯，用于控制相交道路调头开口前的车辆通行；

所述第一信号灯的绿灯时间g₁满足如下公式：

g₁＝g_E,1+l₁-A₁

所述第二信号灯的绿灯时间g₂满足如下公式：

g₂＝g_E,2+l₂-A₂

所述第三信号灯在第二信号灯变绿后间隔T₁时间变绿，在第一信号灯变绿之前T₂时间变红；

当检测到T₂时间内没有车通过时，第四信号灯变绿，第四信号灯与第一信号灯同时变红；

T₁为相交道路结束时对向剩余车辆通过第三信号灯截面所需的时间；T₂为保证掉头车辆能够完成到达相交道路的对向车道；

其中，g_E,1表示相交道路通行有效绿灯时间，l₁表示启动损失时间，若无实测数据可取3s，A₁表示该相位末黄灯时间，通常取3s；C表示信号控制周期，Loss表示信号总损失时间，y₁表示相交道路通行相位关键车道组流率比，Y表示周期内所有相位的关键车道组的流率比之和，g_E,2表示匝道衔接道路通行有效绿灯时间，l₂为启动损失时间，若无实测数据可取3s，A₂表示该相位末黄灯时间；y₂为匝道衔接道路通行相位关键车道组流率比，L表示相交道路停车线至第三信号灯截面处的距离，单位为m，g表示重力加速度，取值9.8m/s，Φ表示汽车轮胎和路面的纵向摩阻系数，i表示道路纵坡，上坡i取正值，下坡i取负值，N表示掉头车辆所跨越的车道数，W表示车道宽，单位为m，V表示车辆掉头平均行驶速度。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，若相交道路的左转车流量满足大于200pcu/h或左转车流量与对向单车道平均直行车流量的乘积大于50000，则将第一信号灯和第二信号灯设为三相位，否则，设为两相位。

3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，当设为三相位时，第一信号灯用于控制相交道路的直行和左转两个相位。

4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述可变道车道的长度取值范围为50m～120m。

5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述导向车道的长度取值范围为30m～70m。

6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述右转专用道的转弯半径取值范围为25m以上。

7.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述掉头道路的右转部分转弯半径取值范围为大于25m，直行部分长度取值范围为25m～75m。

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