CN109584556A - 一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法 - Google Patents

一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法，通过建立基于困境区理论建立的绿闪信号时间模型，并通过线性回归模型求得路口的进口道车速与感知反应时间、最大停车减速度和最大通过加速度之间的关系，最后将其代入绿闪信号时间模型计算交叉口绿闪信号时间值。本发明实现驾驶员在通过信号交叉口时能避免陷入困境区，也为交通管理部门改善交叉口信号控制，设立合适的绿闪信号时间提供了依据。

Description

一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法
技术领域
本发明属于道路交通管理和交通安全领域，尤其涉及一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法。
背景技术
绿闪信号(简称“绿闪”)是信号转换时段的一部分，主要提供绿灯结束黄灯启亮的信息，提醒驾驶员做好停车或者通过交叉口的准备。合理的设置绿闪信号能有效较少交叉口“闯黄灯”现象；过短或过长的信号时长会使部分车辆不能够安全通过交叉口或安全的停车，使驾驶员陷入困境区，从而导致紧急制动或闯红灯行为诱发交通事故。因此，为了提升交叉口安全性能，改善交叉口通行状况，需要对交叉口绿闪信号时间进行配时优化。
当前，对交叉口信号转换时段的设置研究主要围绕黄灯时间以及全红时间的设置方法，如黄灯决策行为模型、黄灯时长单一自变量模型以及基于交通冲突的绿灯间隔时间计算模型等。目前我国大多数城市在黄灯前增设绿闪信号，但较少研究绿闪信号时间设置方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对目前国内外对于绿闪信号时间设置研究的不足，提供一种信号交叉口绿闪信号时间计算方法，实现驾驶员在通过信号交叉口时能避免陷入困境区，也为交通管理部门改善交叉口信号控制，设立合适的绿闪信号时间提供了依据。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法，包括如下步骤：
步骤1：以某交叉路口为实验路段，获取该实验路段信号转换时段内车辆通过交叉口的视频数据，并用视频处理软件得到若干组车辆的瞬时速度以及信号转换时段内速度变化曲线；
进一步筛选和数据处理得到绿闪启亮时有效首停车数据，包含进口道车速v0(km/h)，驾驶员感知反应时间tr(s)，最大停车减速度a_(m/s2)，以及绿闪启亮时有效末行车数据，包含进口道车速vQ(km/h)和最大通过加速度a+(m/s2)；
步骤2：利用线性回归的方法得到该实验路段的三个计算模型：
最小感知反应时间与进口道车速的关系为：
tr＝f(v0) (1)
最大停车减速度与进口道车速的关系为：
a-＝g(v0) (2)
最大通过加速度与进口道车速的关系为：
a+＝h(v0) (3)；
步骤3：建立绿闪信号时间模型，即：
其中，t为该交叉口绿闪信号时间值，vQ为进口道车速(km/h)，a+为最大通过加速度(m/s2)，a-为最大停车减速度(m/s2)，tr为最小感知反应时间(s)，L为车辆自身长度(m)；
步骤3：将该实验路段的进口道车速vQ(km/h)带入步骤2中的式(1)(2)(3)，得出驾驶员感知反应时间tr(s)、最大停车减速度a-(m/S2)以及最大通过加速度a+(m/s2)；
步骤4：将进口道车速vQ(km/h)以及求得的驾驶员感知反应时间tr(s)、最大停车减速度a-(m/s2)、进口道车速v0(km/h)和最大通过加速度a+(m/s2)带入式(8)中，计算交叉口绿闪信号时间值t；
步骤5：建议绿闪信号范围为2-4s，当步骤4中计算出的绿闪信号时长t值大于4s时，取t＝4s；当计算得到t值小于2s时，取t＝2s；若计算得到t在2-4s之间，则向上取第一个整数得到利于交通管控的绿闪信号时间t。
进一步的，步骤2中，对进口道车速和最小反应时间进行拟合回归分析，得到相应的拟合函数，通过拟合优度确定最佳拟合函数，经过分析，本方法中使用线性函数，对数函数，倒数函数，幂函数和指数函数进行拟合回归；在数据统计研究中，通过曲线估计分析模型拟合优度中的R2值来检验函数能否更好地反映变量的相关性，R2值越大，说明回归函数的拟合程度越高；F值是回归方程的显著性检验，表示的是模型中因变量与自变量之间的线性关系在总体上是否显著；综合R2值和F值来确定拟合函数；最终得到最小感知反应时间与进口道车速的关系为：
tr＝f(v0) (1)
同样的方法得到最大停车减速度与进口道车速的关系为：
a-＝g(v0) (2)
以及最大通过加速度与进口道车速的关系为：
a+＝h(v0) (3)。
进一步的，步骤2中，绿闪信号时段的驾驶行为主要分为三种：减速停车、加速通过、困境区域；
如果驾驶员判断过不了交叉口，则需要及时减速停车，此时假设进口道车速v0，车辆停车减速度a-，反应时间tr，以及车辆最终减速停车距离ds，由车辆停车特性可得这几者之间的关系为：
若驾驶员判断要通过停车线则需要加速通过，此时假设绿闪信号时长为t，加速度a+(匀速时a+＝0)，车辆自身长度为L，车辆加速通过的最大距离dt为：
ds，dt就是构建“零困境区”的两个边界条件，调整后得到模型如下：
其中vo：绿闪信号时段进口道车速(km/h)；tr：最小感知反应时间(s)；a-：最大停车减速度(m/s2)；a+：最大通过加速度(m/s2)；L：车辆自身长度(m)，一般取5m；t：绿闪时长(s)；
为了避免困境区的出现，交叉口绿闪信号时长应满足：ds＝dt，于是联立式(3)和(4)得到基于困境区理论建立的绿闪信号时间模型：
其中，t为该交叉口绿闪信号时间值，v0为进口道车速(km/h)，a+为最大通过加速度(m/s2)，a-为最大停车减速度(m/s2)，tr为最小感知反应时间(s)，L为车辆自身长度(m)。
进一步的，式(8)中L取值为5m。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
由于综合考虑了驾驶员行为特性，因此最后绿闪信号的计算方法能更加贴合实际，能有效保障驾驶员避免陷入困境区，安全通过信号交叉口，计算方法简洁明了，只要调查了信号交叉口进口道车速，就可以计算出一系列参数值，最终得到绿闪设置时间，具有较好的应用前景。
附图说明
图1所示为交叉口绿闪信号灯时间确定的方法流程图；
图2所示为绿闪信号时段驾驶员行为示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1和2所示，一种交叉口绿闪信号灯时间确定方法，所述方法的步骤为：
步骤1：通过在选定为实验路段的信号交叉口现场观测得到信号转换时段内车辆通过信号交叉口的视频数据，并用视频处理软件(Tracker)得到车辆某时刻瞬时速度以及特定时段内速度变化曲线，进一步筛选和数据处理得到绿闪启亮时有效首停车数据，包含进口道车速v0(km/h)，驾驶员感知反应时间tr(s)，最大停车减速度a-(m/s2)，以及绿闪启亮时有效末行车数据，包含进口道车速v0(km/h)和最大通过加速度a+(m/s2)。
步骤2：根据步骤1中得到的绿闪启亮时有效首停车和末行车数据，利用线性回归的方法研究进口道车速v0(km/h)分别与驾驶员感知反应时间tr(s)，最大停车减速度a-(m/s2)、最大通过加速度a+(m/s2)之间的关系，具体步骤如下：
以研究最小感知反应时间和进口到车速关系为例：对进口道车速和最小反应时间进行拟合回归分析，得到相应的拟合函数，通过拟合优度确定最佳拟合函数，经过分析，本方法中使用线性函数，对数函数，倒数函数，幂函数和指数函数进行拟合回归。在数据统计研究中，一般通过曲线估计分析模型拟合优度中的R2值来检验函数能否更好地反映变量的相关性，R2值越大，说明回归函数的拟合程度越高。F值是回归方程的显著性检验，表示的是模型中因变量与自变量之间的线性关系在总体上是否显著。综合R2值和F值来确定拟合函数。最终得到最小感知反应时间与进口道车速的关系为：
tr＝f(v0) (1)
同样的方法得到最大停车减速度与进口道车速的关系为：
a-＝g(v0) (2)
以及最大通过加速度与进口道车速的关系为：
a+＝h(v0) (3)。
步骤3：困境区边界GHM模型是用来确定信号交叉口进口道的一段区域，在该区域内，驾驶员既不能在停车线前舒适停车，也不能安全通过交叉口，本发明的目的就是设置合理的绿闪时长来帮助驾驶员驶出困境区。
研究表明，绿闪信号时段的驾驶行为主要分为三种：减速停车、加速通过、困境区域，如图1所示
进一步分析，如果驾驶员判断过不了交叉口，则需要及时减速停车，此时假设进口道车速v0，车辆停车减速度a-，反应时间tr，以及车辆最终减速停车距离ds，由车辆停车特性可得这几者之间的关系为：
若驾驶员判断要通过停车线则需要加速通过，此时假设绿闪信号时长为t，加速度a+(匀速时a+＝0)，车辆自身长度为L，车辆加速通过的最大距离dt为：
ds，dt就是构建“零困境区”的两个边界条件，调整后得到模型如下：
其中v0：绿闪信号时段进口道车速(km/h)；tr：最小感知反应时间(s)；a-：最大停车减速度(m/s2)；a+：最大通过加速度(m/s2)；L：车辆自身长度(m)，一般取5m；t：绿闪时长(s)；
为了避免困境区的出现，交叉口绿闪信号时长应满足：ds＝dt，于是联立式(3)和(4)得到基于困境区理论建立的绿闪信号时间模型：
其中，t为该交叉口绿闪信号时间值，v0为平均进口道车速(km/h)，a+为最大通过加速度(m/s2)，a-为最大停车减速度(m/s2)，tr为最小感知反应时间(s)，L为车辆自身长度(m)，取常值5m。
步骤4：利用分析确定的进口道车速v0(km/h)计算步骤2中驾驶员感知反应时间tr(s)、最大停车减速度a-(m/s2)和最大通过加速度a+(m/s2)的取值，最后将其代入式(8)中计算交叉口绿闪信号时间值t。
步骤5：目前对绿闪的相关研究较少，法规规范对绿闪时间没有明确规定，根据研究和实践表明，建议绿闪信号范围为2-4s，当步骤4中计算出的绿闪信号时长t值大于4s时，取t＝4s，当计算得到t值小于2s时，取t＝2s。若计算得到t在2-4s之间，则向上取整得到利于交通管控的绿闪信号时间t。
具体示例：选择盐城市建军东路与文港中路交叉口为研究对象进行调查分析，通过视频采集并且得到一系列绿闪启亮时有效首停车数据，包括进口道车速v0，驾驶员感知反应时间tr(s)，最大停车减速度a-(m/s2)，以及绿闪启亮时有效末行车数据，包含进口道车速v0和最大通过加速度a+(m/s2)。
1、确定交叉口绿闪信号时间模型的相关参数模型。
2、根据步骤3对最小感知反应时间与进口道车速进行拟合回归，得到结果如下：
表1最小反应时间模型汇总和参数估计值
由表1所示，倒数函数的R2值最大，且显著性F值最高，可确定其为描述绿闪启亮时进口道车速与最小感知反应时间的最佳拟合函数，函数具体表达式如下：
同样的方法利用线性回归得到车辆最大停车减速度与进口道车速的关系为：
a-＝1.608exp(0.023v0)
同样的方法利用线性回归得到车辆最大通过加速度与进口道车速的关系为：
利用采集得到的数据分析确定该交叉口进口道车速v0为27km/h，代入以上三个模型得到tr＝1s，a-＝3.0(m/s2)，a+＝0.3(m/s2)。
3、计算绿闪信号时间t：
根据(8)式，绿闪信号时间设置时间为
为了方便信号控制，向上取整得到t＝|2.5|＝3s，因而建议该交叉口绿闪信号灯设置时间为3s。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：以某交叉路口为实验路段，获取该实验路段信号转换时段内车辆通过交叉口的视频数据，并用视频处理软件得到若干组车辆的瞬时速度以及信号转换时段内速度变化曲线；
进一步筛选和数据处理得到绿闪启亮时有效首停车数据，包含进口道车速v0(km/h)，驾驶员感知反应时间tr(s)，最大停车减速度a_(m/s2)，以及绿闪启亮时有效末行车数据，包含进口道车速v0(km/h)和最大通过加速度a+(m/s2)；
步骤2：利用线性回归的方法得到该实验路段的三个计算模型：
最小感知反应时间与进口道车速的关系为：
tr＝f(v0) (1)
最大停车减速度与进口道车速的关系为：
a-＝g(v0) (2)
最大通过加速度与进口道车速的关系为：
a+＝h(v0) (3)；
步骤3：建立绿闪信号时间模型，即：
其中，t为该交叉口绿闪信号时间值，v0为进口道车速(km/h)，a+为最大通过加速度(m/s2)，a_为最大停车减速度(m/s2)，tr为最小感知反应时间(s)，L为车辆自身长度(m)；
步骤3：将该实验路段的进口道车速v0(km/h)带入步骤2中的式(1)(2)(3)，得出驾驶员感知反应时间tr(s)、最大停车减速度a_(m/s2)以及最大通过加速度a+(m/s2)；
步骤4：将进口道车速v0(km/h)以及求得的驾驶员感知反应时间tr(s)、最大停车减速度a_(m/s2)、进口道车速v0(km/h)和最大通过加速度a+(m/s2)带入式(8)中，计算交叉口绿闪信号时间值t；
步骤5：建议绿闪信号范围为2-4s，当步骤4中计算出的绿闪信号时长t值大于4s时，取t＝4s；当计算得到t值小于2s时，取t＝2s；若计算得到t在2-4s之间，则向上取第一个整数得到利于交通管控的绿闪信号时间t。
2.根据权利要求1所述的一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法，其特征在于：步骤2中，对进口道车速和最小反应时间进行拟合回归分析，得到相应的拟合函数，通过拟合优度确定最佳拟合函数，经过分析，本方法中使用线性函数，对数函数，倒数函数，幂函数和指数函数进行拟合回归；在数据统计研究中，通过曲线估计分析模型拟合优度中的R2值来检验函数能否更好地反映变量的相关性，R2值越大，说明回归函数的拟合程度越高；F值是回归方程的显著性检验，表示的是模型中因变量与自变量之间的线性关系在总体上是否显著；综合R2值和F值来确定拟合函数；最终得到最小感知反应时间与进口道车速的关系为：
tr＝f(v0) (1)
同样的方法得到最大停车减速度与进口道车速的关系为：
a-＝g(v0) (2)
以及最大通过加速度与进口道车速的关系为：
a+＝h(v0) (3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法，其特征在于：步骤2中，绿闪信号时段的驾驶行为主要分为三种：减速停车、加速通过、困境区域；
如果驾驶员判断过不了交叉口，则需要及时减速停车，此时假设进口道车速v0，车辆停车减速度a_，反应时间tr，以及车辆最终减速停车距离ds，由车辆停车特性可得这几者之间的关系为：
若驾驶员判断要通过停车线则需要加速通过，此时假设绿闪信号时长为t，加速度a+(匀速时a+＝0)，车辆自身长度为L，车辆加速通过的最大距离dt为：
ds，dt就是构建“零困境区”的两个边界条件，调整后得到模型如下：
其中v0：绿闪信号时段进口道车速(km/h)；tr：最小感知反应时间(s)；a_：最大停车减速度(m/s2)；a+：最大通过加速度(m/s2)；L：车辆自身长度(m)，一般取5m；t：绿闪时长(s)；
为了避免困境区的出现，交叉口绿闪信号时长应满足：ds＝dt，于是联立式(3)和(4)得到基于困境区理论建立的绿闪信号时间模型：
其中，t为该交叉口绿闪信号时间值，v0为进口道车速(km/h)，a+为最大通过加速度(m/s2)，a_为最大停车减速度(m/s2)，tr为最小感知反应时间(s)，L为车辆自身长度(m)。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于困境区理论的交叉口绿闪信号时间确定方法，其特征在于：式(8)中L取值为5m。
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