CN103366574A - 基于车队跟驰理论的交叉口延误计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车队跟驰理论的交叉口延误计算方法，步骤如下：首先建立基本假设，再收集交通特征数据、交叉口几何参数、车辆动力、几何参数以及信号控制方案，整理为算法中所需参数；基于交通工程理论，将周期内车辆按照通过交叉口的状态不同分为三组，应用所输入的数据，根据算法中的判别式判断三组交通流输入各自持续的时间；然后可进一步计算属于各组单个车辆的延误时间；之后结合交通流输入分布分别计算各个进口道延误进而求得交叉口总延误，最后结合实际情况增减计算结果中的因子对计算结果予以修正。本发明的优点是适用性强，参数明确，计算量大，适合与计算机编程相结合，并可进一步应用于交叉口信号控制配时方案。

Description

基于车队跟驰理论的交叉口延误计算方法

技术领域

本发明属于交通工程和交通信息及控制***领域，特别涉及一种基于车队跟驰理论的交叉口延误计算方法。

背景技术

由于路口不同方向的车流、人流交叉回合，常发生拥挤、碰撞、秩序混乱，甚至造成交通事故。为了解决交叉口的交通冲突，保障行人、行车安全，需对交叉口秩序加以控制。交通信号控制从时间上将相互冲突的交通流予以分离，较好地达到了上述目的。但各向车流被依次赋予通行权，车辆不得不通过临时停车或减速以遵守秩序，即相对于车辆在路段的通行状态，车辆在交叉口将产生延误，不合理的交叉口车道功能分配或交叉口信号控制方案将加大延误，降低路口效率和通行能力，故有必要对不同的设计方案进行延误分析。

现阶段常用的延误计算方法为美国道路通行能力手册中给定的公式，该公式计算的是每辆车的平均控制延误，以均匀控制延误、增量延误和初始排队延误加和计算延误，并引入修正系数进行调整修正。但因为从单车平均延误出发，并且以需求和通行能力的比较关系作为依据将单个车辆分类进行延误计算，引入大量经验修正系数，导致结果误差较大，其分析结果与实际道路运行状态必然有一定差距，也难以对交通控制提供精确的决策辅助。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种提高城市路网中交叉口延误的准确度的基于车队跟驰理论的交叉口延误计算方法。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种基于车队跟驰理论的交叉口延误计算方法，结合所收集的各类交通参数，从交叉口实际交通设施设置情况出发，通过对交叉口车辆驶过交叉口具体行为的详细分析，将车辆分为三种类型，并给定区分单个车辆类型的方式，在分类的基础上，对各类车辆的单车延误给出算法，通过一系列加和计算整个交叉口的通行延误。该方法包括以下步骤：

(a)  建立基本假设，确定交叉口基本延误计算模型；

(b)  集合交通特征数据、交叉口几何参数、车辆动力、几何参数以及信号控制方案数据，并对部分数据加以处理，转化为可直接使用参数；

(c)  利用采集的数据，根据算法内容，将一个信号控制周期内的车辆划分为三个组别，并分别确定三个组别内的单个车辆延误时间；

(d)  根据(b)的计算结果，确定单个进口在一个信号控制周期内的车辆延误；

(e)  根据(c)的计算结果，确定整个交叉口的延误总和。

其中，步骤(a)具体包括：综合普遍的交叉口延误情况，建立最基本的假设，建立交叉口基本延误计算模型，作为计算基础。

步骤(b)具体包括：

(b1) 获取直接参数，包括交通特性参数、交叉口相应的几何参数、需要计算延误的信控方案；

(b2) 获取间接参数：当量均车加速度以及转换的当量均车头时距；并确定车辆到达交叉口的时间分布。

步骤(c)具体包括：

(c1) 考虑车辆通过交叉口的过程以及行驶过程中的特殊性，按照车辆与前方排队车辆的关系，将车辆划分为三种类别；

①    不受前方车辆排队影响，正常降速通过交叉口后恢复路段行驶速度；

②    受到前方车辆排队影响，需经过一次或多次停车过程后重新启动通过交叉口后恢复路段行驶速度；

③    受到前方车辆排队影响，需经过减速过程保持跟驰状态通过交叉口后恢复路段行驶速度；

(c2) 根据(b)中具体的参数数值，计算一个信号周期内三类车辆进入交叉口***各自对应的时间区间长度，即在此时间段内进入***的车辆为对应的类别。

 步骤(d)具体包括：

(d1) 根据(b2)确定的车辆到达交叉口的时间分布，结合(c2)中计算的三个时间区间的长度，通过积分可计算出三类车辆各自的交通量；

(d2) 根据各类车辆通过交叉口经过的一系列过程，计算各类中单个车辆的延误，确立普遍适用的公式；(d2)推导出的延误公式与车辆进入***的时间相关，切实考虑单个车辆的行驶模式，替代平均化的延误算法。

(d3) 根据(d1)中计算的交通量和(d2)中单个车辆的延误，进行加和处理，可得到一个信控周期内，各个进口的总延误。综合(d3)的计算结果，加和得到一个信控周期内整个交叉口的延误。

本发明方法主要涉及几个环节：

1.      建立基本假设：本方法为交叉口延误计算最基本的模型，各类复杂的状况均可通过对本模型进行修正和增减因子表示。

2.  基础数据的准备：包括交通特性参数如交通量、交通量路径分配、车辆组成等；交叉口相应的几何参数如展宽段长度、车道数、交叉口各通道长度等；需要计算延误的信控方案，如相位相序方案以及配时情况等；结合车辆动力特性以及城市交叉口特性，通过相关交通参数曲线，如由加速度曲线、车头时距曲线等等，采用特定数学算法与历史数据的综合评估值转换为当量均车加速度以及转换的当量均车头时距等；并确定车辆到达交叉口的时间分布。

3.  车辆具体分类：车辆以当量均车速度在路段上行驶，以当量加速度完成变速行为，则车辆出现的时间与信控配时方案对照后可以得到车辆在接近交叉口时的行为，依据这类行为的不同，将车辆分为A、B、C3种：

A.  车辆行驶至交叉口时，对应信控为绿灯且持续一段时间，前方因之前红灯停车等待的排队已经完全消散，包括队尾车辆的所有车辆都已经达到交叉口限制速度，对该车不造成影响，则车辆可以由路段速度自由减速到交叉口速度，不受影响通过交叉口，如图3所示；

B.  当到达停车线或队尾时，对应方向的信控为红灯，则车辆一定停下等待。或者车辆到达前方排队队尾时，对应信控已经是绿灯，但排队疏散波尚未传播至队尾，即队尾车辆仍然为停车状态，则受到前方车辆影响，车辆也必须停下等待，如图4、图5所示；

C.  车辆行驶至交叉口排队队尾时，对应信控为绿灯，队尾车辆已经具备一定速度，但是仍然没有达到正常路段行驶速度以使后车自由行驶的程度，故后方来车需有减速过程，直到与前车达到相等速度，保持一定车头间距之后形成跟驰状态，如图6所示。

4.  单车延误计算：

A类车辆在交叉口的延误仅仅因为交叉口限速低于路段限速产生，车辆需要经过①路段限速减速到交叉口限速过程，用时                                                

；②以交叉口限速通过交叉口区域过程，用时；③从交叉口限速提速到路段限速，恢复正常行驶过程，用时

 。A类车辆在此过程中行驶过的距离

，若不受交叉口影响通过此段距离的时间为

，则A类车辆的延误为

；

B类车辆在交叉口的延误因为车辆受前方停车干扰，引发车辆一系列减速和等待行为，车辆需要经过①车辆发现前方排队或红灯，以一定减速度从路段限速降速至0并加入排队过程，用时

；②排入队伍到队伍最前方绿灯启亮等待时间，用时

；③绿灯启亮后，等待启动波传至本车过程，用时

；④逐渐加速，并以一定速度到达停车线通过交叉口，用时

；⑥提速到路段速度，用时

。B类车辆在此过程中行驶过的距离

，若不受交叉口影响通过此段距离的时间为

，则B类车辆的延误为

 ；其中过程②和过程④-⑤可能因车辆在排队中的位置不同而不同，需要分类讨论。

C类车辆行驶至交叉口排队队尾处受车队速度影响，需暂时降速，以跟驰状态行驶通过交叉口，之后重新提速到路段限速，车辆需经过①降速到队尾车速过程，用时；②跟驰通过交叉口过程，用时

；③恢复至路段速度，用时

。C类车辆在此过程中行驶过的距离，若不受交叉口影响通过此段距离的时间为

，则C类车辆的延误为

其中过程①-②可能因车辆在排队中的位置不同而不同，需要分类讨论。

5.  对单车延误进行一系列加和，计算出单个进口的延误进而计算整个交叉口的延误。

6.  结合实际交通情况，对计算结果增减计算因子，对结果进行修正。

本发明的优越功效在于：排除了复杂的对于单个车辆延误的思考，规避了反复的个体计算，采用分组方式计算交叉口延误，解决了传统算法适用性有限的问题，可广泛应用于多类交叉口并能针对部分特殊问题提出解决方案，参数明确。计算量大但计算模式规律性强，非常适合与计算机编程相结合，并可进一步应用于交叉口信号控制配时方案，效率较高。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是车辆分组时间区间与信号周期控制方案时间的对应关系；

图3是A类车辆通过交叉口情况的示意图；

图4是B类车辆通过交叉口第一种情况的示意图；

图5是B类车辆通过交叉口第二种情况的示意图；

图6是C类车辆通过交叉口情况的示意图；

图7是B类车辆分类讨论的示意图（以B类第一种情况直行车为例）；

图8是C类车辆分类讨论的示意图（以直行车为例）。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明是一个结合具体交通流到达分布和符合实际情况的交通参数的交叉口延误计算方法，对于交通参数的确认需依赖对历史数据的准确分析，调研数据的准确程度将直接影响方法中参数的取值，基础数据越准确，公式中参数的取值越符合实际交通状况，延误测算结果越好。

1.  假设建立阶段，建立如下假设：

(1)  一周期内各个方向交通量所造成排队不超过交叉口展宽段的蓄车能力；

(2)     每个周期内的非有效绿灯时间内蓄车均可在连续的下一有效绿灯期间充分疏散。

 2.数据采集阶段，经过收集与进一步整理，可得用于本方法的数据，以相应参数表示如下：

3.  除上述数据外，本方法要求给定一段固定长度时间内交通到达交叉口范围内的概率分布以体现交通到达的随机性。不同的概率分布方式在本方法中体现在积分过程的不同，为简化说明，以平均分布为例。

4.  根据所叙述的车辆通过交叉口的行为，车辆类别和车辆进入交叉口计算范围内时对应的信控时间存在如图2的对应关系。图中 值和

值均受到非有效绿灯等期间蓄车排队长度的影响，此外，

 值还取决于车辆到达速度。

5.  根据基础数据，计算对应信控配时方案的

 值和值过程如下：

(1)   红灯（除去有效绿灯时间外）期间共蓄车： ；

(2)   每个单独车辆启动的条件为排队在其前方的车辆与该车车头间距

 满足

，根据参数设置，车速为0时，该车与前方车辆车头间距为

 ，即前方车辆从0以加速度

 行驶

 距离后，后车可以启动。故可推导车队从0加速时，疏散速度为

（辆/s）

(3)   期间，需要疏散红灯期间的排队并将疏散期间所积累的车辆完成疏散， 所以，在

时，本周期进入***的车辆可以不必停车通过，此时，有。故，B组持续时间

(4)   C组持续时间即为队尾车辆开始启动加速直到达到交叉口限速的时间。在

之前的车辆将因为队尾车辆速度为零受到影响必须停车，

之后的车辆可正常减速到交叉口限速。则有：

(5)   A组持续时间为整个信号周期时间减去B、C组的时间，则有：

6.  根据基础数据，计算各类车辆的数量如下：

， 

，

7. 现假设由每周期非有效绿灯时间开始时间计时，除A类外，B、C类车辆开始受到前方车辆影响的时间记为第

 秒，也即开始计时后的第 个周期的第

 秒，分别计算三类车辆单车延误计算如下：

(1)     根据参数设定，A类车辆延误组成中，

； ；

，在上述一系列过程中，车辆总计通过的距离长度为

，所以，有

。可知A类车辆交叉口延误为：

 

(2)     根据参数设定，B类车辆延误组成中，

 ；

；

与车辆在车队中的排序有关，同个周期内在某个车辆前进入排队的车辆数为

 ，则单个车辆车头距离停车线距离为

，启动波传到该车需时

；车辆从速度为0加速到交叉口限速需行驶距离

，根据

与

、的关系，

 的值分以下情况讨论（图7）：①

，车辆在到达停车线前已加速至，保持

直至驶过交叉口，逐渐提速至路段速度；②

，车辆加速行驶至交叉口中心范围时速度方达到

，保持直至驶过交叉口，逐渐提速至路段速度；③，车辆一直加速行驶，经过停车线驶过交叉口，最终提速到路段限速。三种情况下的计算如下：

在上述一系列过程中，车辆总计通过的距离长度为

，所以，有。可知B类车辆交叉口延误为：

(3)     根据参数设定，现设C类车辆到达前方队尾时，前方车辆速度为

，

延误组成中，

，车辆从速度

加速到交叉口限速

并通过交叉口，之后恢复到路段限速的过程同样需分情况讨论。单个车辆加入排队时距离停车线的距离为之前蓄车排队长度与绿灯启动后队尾车辆已行驶距离的差值，即

，车辆从

加速到

需通过的距离需行驶距离

，根据

与、的关系，

 的值分三种情况讨论，具体内容类似于B类车辆（图8）。三种情况单个车辆的计算如下：

在上述一系列过程中，车辆总计通过的距离长度为

，所以，有

。可知C类车辆交叉口延误为：

。

8.    将各类车辆的延误进行加和，可以得到一周期内各个进口的延误总和。

（1）A类车辆单个车辆延误与车辆进入交叉口顺序没有关系，故有一周期内，A类车辆总延误

（2）B类车辆单个车辆延误中部分因子与车辆进入交叉口顺序有关，部分不受影响，具体分析如表1：

部分的求和可通过

与

简单相乘得到；

中，实际主要受到顺序影响的参数仅为

，根据第4、第6条的说明，两者的加和求值的过程为简单的等差数列求和。

（3）C类车辆单个车辆延误中部分因子与C类车辆单个车辆延误中部分因子与车辆进入交叉口顺序有关，部分不受影响，具体分析如下：

部分的求和可通过与

简单相乘得到；

中，实际主要受到顺序影响的参数也仅为

，与求解方法类似。

 9. 将上述各类车辆一周期内的延误进行加和，可求出单个进口的每周期延误值，再将各个进口道的延误相加，即为交叉口总延误。

10. 根据实际的情况对本方法计算得到的交叉口延误进行修正。如假设第一条不成立，例如交叉口展宽段左转车道蓄车能力不足，导致直行有效绿灯而左转红灯期间，直行车辆在进入展宽段时受阻，无法及时疏散引发延误增量。此时可根据左转与直行交通的比例，结合左转与直行有效绿灯时间分配，对出现上述情况的可能性进行计算，进而可知有多大比例的直行车辆将因此引发等待，在这部分车辆的基础延误时间上加上一个周期时间即可；如假设第二条不成立，例如交叉口直行疏散能力不足引发车辆连续若干周期未能通过，则可根据交通流疏散理论，确认直行车辆平均等待周期个数，在基础延误时间上加上若干个周期时间即可；方法包括单个车辆的基础延误计算公式，计算过程较为复杂，且为连续计算，涉及到交通量随机输入问题，建议利用算法参数借助计算机编程结合数据库技术对方法加以实现，有助于快速精确的计算。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于车队跟驰理论的交叉口延误计算方法，该方法包括以下步骤：

（f）建立基本假设，确定交叉口基本延误计算模型；

（g）集合交通特征数据、交叉口几何参数、车辆动力、几何参数以及信号控制方案数据，并对部分数据加以处理，转化为可直接使用参数；

(h) 利用采集的数据，根据算法内容，将一个信号控制周期内的车辆划分为三个组别，并分别确定三个组别内的单个车辆延误时间；

(i) 根据(b)的计算结果，确定单个进口在一个信号控制周期内的车辆延误；

(j) 根据(c)的计算结果，确定整个交叉口的延误总和。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(a)具体包括：综合普遍的交叉口延误情况，建立最基本的假设，建立交叉口基本延误计算模型，作为计算基础。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(b)具体包括：

(b1) 获取直接参数，包括交通特性参数、交叉口相应的几何参数、需要计算延误的信控方案；

(b2) 获取间接参数：当量均车加速度以及转换的当量均车头时距；并确定车辆到达交叉口的时间分布。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(c)具体包括：

(c1) 考虑车辆通过交叉口的过程以及行驶过程中的特殊性，按照车辆与前方排队车辆的关系，将车辆划分为三种类别；

(c2) 根据(b)中具体的参数数值，计算一个信号周期内三类车辆进入交叉口***各自对应的时间区间长度，即在此时间段内进入***的车辆为对应的类别。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：(c1)将车辆分为以下三类：①不受前方车辆排队影响，正常降速通过交叉口后恢复路段行驶速度；②受到前方车辆排队影响，需经过一次或多次停车过程后重新启动通过交叉口后恢复路段行驶速度；③受到前方车辆排队影响，需经过减速过程保持跟驰状态通过交叉口后恢复路段行驶速度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤(d)具体包括：

(d1) 根据(b2)确定的车辆到达交叉口的时间分布，结合(c2)中计算的三个时间区间的长度，通过积分可计算出三类车辆各自的交通量；

(d2) 根据各类车辆通过交叉口经过的一系列过程，计算各类中单个车辆的延误，确立普遍适用的公式；

(d3) 根据(d1)中计算的交通量和(d2)中单个车辆的延误，进行加和处理，可得到一个信控周期内，各个进口的总延误。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：综合(d3)的计算结果，加和得到一个信控周期内整个交叉口的延误。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：(d2)推导出的延误公式与车辆进入***的时间相关，切实考虑单个车辆的行驶模式，替代平均化的延误算法。

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