CN110660233A - 设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法 - Google Patents

设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法 Download PDF

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CN110660233A CN201910938864.0A CN201910938864A CN110660233A CN 110660233 A CN110660233 A CN 110660233A CN 201910938864 A CN201910938864 A CN 201910938864A CN 110660233 A CN110660233 A CN 110660233A
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Abstract

本发明涉及一种设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法。本发明在确定逆向可变车道与左转专用车道通行能力的过程中，充分考虑后续车辆到达后选道模型状态，并据此建立了修正跟驰模型确定后车加速度的设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型，然后根据计算结果，结合交叉口实际运行特性，以逆向可变车道最大利用率为目标，计算设置逆向可变车道的信号交叉口进口道最佳绿灯时长，并根据交叉口各流量的关系，计算出最佳信号周期，以实际逆向可变车道运行特性为基础的逆向可变车道信号交叉口通行能力模型，使得该情况下最佳绿灯时长与最佳信号周期更加准确。

Description

设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法
技术领域
本发明涉及交通信号控制领域，具体涉及一种设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法。
背景技术
随着城市交通压力的进一步增大，城市交叉口高峰期出现左转过饱和状态，为了有效解决此类问题，提出了设置逆向可变车道控制方法。逆向可变车道作为一种新型交叉口设计方法，当前的交叉口绿灯时长与信号周期缺乏有效依据，没有结合逆向可变车道的运行特征，造成车道时间资源浪费和通行能力下降。因此，本发明通过对当前交叉口逆向可变车道运行特征进行深入研究分析，结合建立的逆向可变车道通行能力计算模型，提出了一种设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法，可提高设置逆向可变车道的信号交叉口的通行效率。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
本发明包括以下步骤：
A)先建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型
建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型的步骤，包括：
a)先确定设置逆向可变车道交叉口左转车道的交通流特性
调查高峰时段逆向可变车道与左转车道到达与通过车辆数、交叉口信号配时方案，利用调查得到的数据计算一条左转车道的最大排队车辆数P。
b)然后确定交叉口设计参数
实地测量当前交叉口左转的车道数ml，交叉口设置逆向可变车道的长度Lr，中央隔离护栏开口长度lq，对向进口车道停车线与该进口停车线的距离L1、相邻出口道宽度L4、交叉口该进口渠化段长度L2等交叉口参数。
c)最后建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型
建立逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型的过程包括：
1)首先要建立左转车辆初始释放模型，描述初始状态下逆向可变车道与左转专用车道车辆释放特征，左转车辆初始释放状态是遵循交通流启动波模型的。首先根据交叉口设计参数计算逆向可变车道提前开启最小时间，然后根据饱和车头间距计算逆向可变车道排队车辆数，此时左转专用道与逆向可变车道上的排队车辆释放符合交通流启动波模型。
2)其次建立后续到达车辆选道模型
当初始状态下的逆向可变车道与左转专用车道上排队车辆开始释放后，后续车辆到达中央隔离护栏开口处，进行决策选道。车辆选道基于用户平衡模型理论进行选道，以最短时间通过交叉口停车线为目标，选择时间最优路径。首先要确定后续车辆到达决策点情况，包括到达决策点时刻、速度等参数。通过修正跟驰模型参数确定该交叉***通流状态下，基于前后车距离，计算排队跟驰与自由流状态下的后车加速度。此时通过分别计算到达决策点时的车辆选择逆向可变车道可能通行时间与选择左转专用车道的通行时间。最后根据用户平衡最小时间理论，驾驶员根据最小通行时间进行选道。
3)然后确定逆向可变车道提前关闭左转车辆通行情况
这里逆向可变车道提前关闭，确定逆向可变车道最小关闭时间，后续到达的车辆只能通过左转专用车道驶离交叉口，车辆只有一种左转路径选择方式。
4)最后建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型
根据绿灯启亮时，初始释放状态下左转车辆释放模型与后续到达车辆选道左转模型，再确定逆向可变车道关闭后左转车辆通行情况，建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型。最后根据两条车道绿灯周期内左转车辆驶离情况，将信号周期内逆向可变车道通过车辆数与左转专用道通过车辆数叠加在一起，即得所求设置逆向可变车道交叉口左转通行能力。
B)再确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长与最佳周期
确定最佳绿灯时长与最佳周期的步骤，包括：
1)先确定设置逆向可变车道交叉口信号相位相序设计
一般的四路交叉口为例，在设置逆向可变车道的进口道上，在信号相序设计中，该进口先左转再直行，逆向可变车道的信号相位作为交叉口中的跟随相位来处理。
2)计算设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长
通过A)中的逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算公式，先计算出初始状态下逆向可变车道上排队车辆释放情况，然后根据后续车辆选道模型将车辆选择左转的不同通行时间计算出来，取最小值，进行选道。此时后续到达的车辆在逆向可变车道与左转专用车道之间进行选择。最佳绿灯时长以逆向可变车道利用率最高为目标，在逆向可变车道最小提前关闭时间基础上，根据选道情况，计算逆向可变车道通过车辆数与左转专用车道通过车辆数比值。当利用率最高值时，确定最后一辆选择逆向可变车道车辆的通行时间为根据，计算设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长。
3)确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳信号周期
根据2)中得到的设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长，结合左转饱和流量与交叉口流量，根据绿灯时长与最佳周期的计算关系，确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳信号周期。
本发明在确定逆向可变车道与左转专用车道通行能力的过程中，充分考虑后续车辆到达后选道模型状态，并据此建立了修正跟驰模型确定后车加速度的设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型，然后根据计算结果，结合交叉口实际运行特性，以逆向可变车道最大利用率为目标，计算设置逆向可变车道的信号交叉口进口道最佳绿灯时长，并根据交叉口各流量的关系，计算出最佳信号周期，以实际逆向可变车道运行特性为基础的逆向可变车道信号交叉口通行能力模型，使得该情况下最佳绿灯时长与最佳信号周期更加准确。
本发明的有益效果：
本发明在确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长与最佳周期时，首先以交叉口实际设计参数为基础，根据逆向可变车道实际运行特征确定交叉口相位相序设计方案，以后续到达车辆选道模型为基础，充分考虑车辆左转时加速度，建立设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长与最佳信号周期。
本发明以逆向可变车道利用率最高为目标，根据交叉口渠化段、逆向可变车道长度等尺寸参数，交叉口左转车辆交通流特性，确定逆向可变车道通行能力，以逆向可变车道通行能力计算模型为依据，计算出的交叉口逆向可变车道最佳绿灯时长与最佳信号周期更加准确，提高设置逆向可变车道的信号交叉口的通行效率。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明所采用的信号配时方案图；
图3是本发明交叉口初始左转车辆释放示意图；
图4是本发明后续车辆进行选道通行示意图；
图5是本发明后车到达停车线时刻示意图
图6是本发明逆向可变车道关闭左转车辆通行示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明；
本发明以逆向可变车道利用率最高为目标，充分考虑后续车辆到达后选道模型状态，并据此建立考虑后车加速度的设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型，结合交叉口实际运行特性，计算设置逆向可变车道的信号交叉口进口道最佳绿灯时长，计算出最佳信号周期，以实际逆向可变车道运行特性为基础的逆向可变车道信号交叉口通行能力模型，使得该情况下最佳绿灯时长与最佳信号周期更加准确。
如图1所示，本发明包括：先确定信号交叉口基本参数，再建立逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型，然后计算设置逆向可变车道信号交叉口左转最佳绿灯时长，最后根据绿灯时长与周期关系，确定设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期。
A)先建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型
这里要获取设置逆向可变车道交叉口的交通流特性，交叉口设计参数及确定交叉口信号配时方案，最后建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型。
a)先确定设置逆向可变车道交叉口左转车道的交通流特性
这里数据来源主要是通过实地调查，获取计算该左转车道的交通流特性的数据，包括：高峰时段逆向可变车道与左转车道到达与通过车辆数、交叉口信号配时方案，见图2。
这里参数包括：单个周期tn内一条左转车道的最大排队车辆数P，交叉口的车辆到达率q，交叉口内左转的流向比例ki，到达车辆修正系数γ，左转红灯时长th，交叉口左转的车道数ml，上一周期一条左转车道的滞留车辆数Pre。
Figure BDA0002222338340000031
b)然后确定交叉口设计参数
通过实地测量当前交叉口左转的车道数ml，交叉口设置逆向可变车道的长度Lr，中央隔离护栏开口长度lq，对向进口车道停车线与该进口停车线的距离L1、相邻出口道宽度L4、交叉口该进口渠化段长度L2。
c)最后建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型
建立逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型的过程包括：
1)首先要建立左转车辆初始释放模型，描述初始状态下逆向可变车道与左转专用车道左转车辆释放状态，左转车辆初始释放状态是遵循交通流启动波模型的，见图3。
11)逆向可变车道提前开启最小时间
这里计算参数包括：逆向可变车道提前开启最小时间ta，第一辆车启动进入逆向车道的时间to，交叉口设置逆向可变车道的长度Lr，预信号开启，车辆在逆向可变车道上行驶的平均速度Vu。
Figure BDA0002222338340000041
12)逆向可变车道排队车辆数
这里计算参数包括：逆向可变车道的长度Lr，饱和车头间距lo，停车队列中相邻两车之间的停车间距lj，停车队列中车辆的车身长度lc。
Figure BDA0002222338340000042
13)交通流启动波模型
这里计算参数包括：启动波波速Uw，饱和车头时距h，车流阻塞密度kj，车辆启动延误G1，第n+1辆车从启动加速后一直到通过停车线驶离交叉口的时间
Figure BDA0002222338340000043
最大行驶速度所用的时间ta，排队跟驰车辆加速度ag，车流稳定行驶后，对应于饱和车头时距的行驶速度u，跟驰行驶最大速度
Figure BDA0002222338340000044
左转车辆启动后加速到最大行驶速度所驶过的距离lθ。
车辆排队释放遵循交通流启动波模型，逆行可变车道与左转专用车道的排队车辆都按下式：
Figure BDA0002222338340000045
当后续左转车辆第n+1辆排队车辆的通行时间为：
左转车辆启动后加速到最大行驶速度所用的时间ta、所行驶距离lθ：
Figure BDA0002222338340000047
车辆通过停止线时间：
当
Figure BDA0002222338340000049
Figure BDA00022223383400000410
当
Figure BDA00022223383400000411
2)其次建立后续到达车辆选道模型
当初始状态下的逆向可变车道与左转专用车道上排队车辆开始释放时，在中央隔离护栏开口后的车辆到达开口处，进行决策选道，见图4。
21)用户平衡模型理论进行选道
这里计算参数包括：路段上的交通量xa，路段上的交通阻抗ta，路段a的以交通量为自变量的交通阻抗函数ta(xa)，第k条路径的交通流量
Figure BDA0002222338340000051
OD量qrs，路径相关变量
Figure BDA0002222338340000052
Figure BDA0002222338340000053
Figure BDA0002222338340000055
Figure BDA0002222338340000056
22)确定后续车辆到达决策点情况
将中央隔离护栏开口处设为后续车辆决策点，车辆在此根据用户平衡模型决策是否选择逆向可变车道，这里需要计算后续到达的车辆排队到达决策点时的速度与到达时间。
计算参数包括：饱和车头间距lo，跟驰状态最大加速距离lθ，到达决策点时间
Figure BDA0002222338340000057
交叉口设置逆向可变车道的长度Lr，排队跟驰车辆加速度ag，排队跟驰最大速度Vl 1，到达决策点车速Vd。
车辆到达决策点时间：
Figure BDA0002222338340000058
当
Figure BDA0002222338340000059
Figure BDA00022223383400000510
当
Figure BDA00022223383400000511
后续车辆到达决策点速度：
Figure BDA00022223383400000512
23)通过修正跟驰模型确定后车加速度
修正后的刺激-反应类跟驰模型，通过前后车距离来确定后车加速度，这里计算参数包括：n车在时刻t+T的加速度an(t+T)，n-1车与n车在时刻t的速度vn-1(t)与vn(t)，n-1车与n车在时刻t的位移xn-1(t)与xn(t)，驾驶员的反应时间T，敏感系数λ，待定参数m，l。求得第n辆车加速度：
24)车辆选择逆向可变车道通行时间
这里计算参数包括：车辆通过开口时间tr，车辆到达逆向可变车道后速度自由流下加速度af，自由流下最大速度Vl'，自由流下加速时间tβ，自由流下加速距离lβ，初始前后车车头时距hs，最小安全车头时距ho，逆向可变车道的长度Lr，排队跟驰车辆加速度ag，车辆通过停车线的时刻Ti’；
车辆到达逆向可变车道后的速度，：
Figure BDA0002222338340000061
当车辆到达逆向可变车道后，车辆开始自由流行驶，此时需比较该车最快行驶时间与前车到达停止线时刻。
Figure BDA0002222338340000062
当
Figure BDA0002222338340000063
Figure BDA0002222338340000064
当
Figure BDA0002222338340000065
在渠化车道端部，跟随状态的车辆i-1、后车i行驶，前后两车的车头时距为hs。如果前后两车经过不同的加速过程后，在停车线处的车头时距恰好缩小至ho。即
Ti’-T’i-1≤h0
若不等式成立，则实际上后车的通行时间Ti'＝Ti’-T’i-1；反之，则为所求Ti'，见图5。
25)车辆选择左转专用车道通行时间
若前车为排队跟驰行驶通过交叉口，则当启动波传递到该车，该车继续以饱和交通流加速度ag跟前车排队跟驰驶离交叉口:
Figure BDA0002222338340000066
Figure BDA0002222338340000067
当
Figure BDA0002222338340000068
Figure BDA0002222338340000069
当
Figure BDA00022223383400000610
若前车自由流状态驶离交叉口，则该车也为自由流行驶，则有：
Figure BDA00022223383400000611
当
Figure BDA00022223383400000612
当
Figure BDA00022223383400000614
同理，当车辆选择左转专用车道时，如果前后两车以跟随状态驶出交叉口，那么前后两车的车头时距为ho，发生此种情境的极限状态是ho，两车经过不同的加速过程后，在停车线处的车头时距恰好缩小至ho。
Ti”-T”i-1≤h0
若不等式成立，则实际上后车的通行时间Ti”＝Ti-1+h0；反之，则为所求Ti”。
26)根据最小通行时间进行选道
对选道模型进行计算，得到逆向可变车道车辆通过停车线的时刻Ti'，左转专用车道车辆通过停车线的时刻Ti”，根据用户平衡模型，完成选道。
Figure BDA0002222338340000071
3)确定逆向可变车道提前关闭左转车辆通行情况，见图6。
逆向可变车道提前关闭，后续到达的车辆只能通过左转专用车道驶离交叉口，这里确定逆向可变车道最小关闭时间，计算参数包括：逆向可变车道提前关闭最小时间tb，车辆通过开口时间tr，逆向可变车道的长度Lr，自由流下加速度af，车辆通过开口后速度
Figure BDA0002222338340000072
逆向可变车道上行驶的稳定速度Vc。
4)建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型
根据前面初始状态下左转车辆释放模型与后续到达车辆选道模型，再根据逆向可变车道关闭后左转车辆通行情况，建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型。最后根据两条车道各自的车辆驶离情况，将单位时间内逆向可变车道通过车辆数与左转专用道通过车辆数叠加在一起，即得所求设置逆向可变车道交叉口左转通行能力。
B)再确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长与最佳周期
确定最佳绿灯时长与最佳周期的步骤，包括：
1)先确定设置逆向可变车道交叉口信号相位相序设计
一般的四路交叉口为例，在设置逆向可变车道的进口道上，在信号相序设计中，该进口先左转再直行，逆向可变车道的信号相位作为交叉口中的跟随相位来处理。
2)计算设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长
通过A)中的逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算公式，先计算出初始状态下逆向可变车道上排队车辆释放情况，然后根据后续车辆选道模型将车辆选择左转的不同通行时间计算出来，取最小值，进行选道。此时后续到达的车辆在逆向可变车道与左转专用车道之间进行选择。最佳绿灯时长以逆向可变车道利用率最高为目标，在逆向可变车道最小提前关闭时间基础上，根据选道情况，计算逆向可变车道通过车辆数与左转专用车道通过车辆数比值。当利用率最高值时，确定最后一辆选择逆向可变车道车辆的通行时间为根据，计算设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长。这里计算参数包括最佳绿灯时长ge，有效绿灯时长g1c，车辆延误时间D，交叉口左转清空时间t1s，则有最佳绿灯时长为：
ge＝g1c+D+t1s
3)确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳信号周期
根据2)中得到的设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长，结合左转饱和流量与交叉口流量，根据绿灯时长与最佳周期的计算关系，确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳信号周期。这里计算参数包括：最佳信号周期C，交通流量q，饱和流量S，最佳绿灯时长ge，则有最佳信号周期计算公式为：
Figure BDA0002222338340000081

Claims (5)

1.设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法，其特征在于包括以下步骤：
A)建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型，包括：
a)确定设置逆向可变车道交叉口左转车道的交通流特性
调查高峰时段逆向可变车道与左转车道到达与通过车辆数、交叉口信号配时方案，利用调查得到的数据计算：单个周期内一条左转车道的最大排队车辆数，交叉口的车辆到达率和交叉口内左转的流向比例；
b)确定交叉口设计参数
实地测量当前交叉口左转的车道数，交叉口设置逆向可变车道的长度，中央隔离护栏开口长度，对向进口车道停车线与该进口停车线的距离，相邻出口道宽度和交叉口该进口渠化段长度；
c）建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型，包括 ：
1）建立左转车辆初始释放模型，描述初始状态下逆向可变车道与左转专用车道车辆释放特征，左转车辆初始释放状态遵循交通流启动波模型；
2）建立后续到达车辆选道模型
最后根据用户平衡最小时间理论，驾驶员根据最小通行时间进行选道；
3）确定逆向可变车道提前关闭左转车辆通行情况
4）建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型
B）确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长与最佳周期
确定最佳绿灯时长与最佳周期的步骤，包括：
1）先确定设置逆向可变车道交叉口信号相位相序设计
以四路交叉口为例，在设置逆向可变车道的进口道上，在信号相序设计中，该进口先左转再直行，逆向可变车道的信号相位作为交叉口中的跟随相位来处理；
2）计算设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长
通过A）中的逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型，先计算出初始状态下逆向可变车道上排队车辆释放情况；
然后根据后续车辆选道模型将车辆选择左转的不同通行时间计算出来，取最小值，进行选道；此时后续到达的车辆在逆向可变车道与左转专用车道之间进行选择；
最佳绿灯时长以逆向可变车道利用率最高为目标，在逆向可变车道最小提前关闭时间基础上，根据选道情况，计算逆向可变车道通过车辆数与左转专用车道通过车辆数比值；
当利用率最高值时，确定最后一辆选择逆向可变车道车辆的通行时间为根据，计算设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长；
3）确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳信号周期
根据得到的设置逆向可变车道的信号交叉口最佳绿灯时长，结合左转饱和流量与交叉口流量，再根据绿灯时长与最佳周期的计算关系，确定设置逆向可变车道的信号交叉口最佳信号周期。
2.根据权利要求1所述的设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法，其特征在于：步骤c)中的1）具体是：
首先根据交叉口设计参数计算逆向可变车道提前开启最小时间；
然后根据饱和车头间距计算逆向可变车道排队车辆数；此时左转专用道与逆向可变车道上的排队车辆释放符合交通流启动波模型。
3.根据权利要求1所述的设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法，其特征在于：步骤c)中的2）具体是：
车辆选道基于用户平衡模型理论进行选道，以最短时间通过交叉口停车线为目标，选择时间最优路径；
确定后续车辆到达决策点情况，包括到达决策点时刻、速度；
通过修正跟驰模型参数确定该交叉***通流状态下，基于前后车距离，计算排队跟驰与自由流状态下的后车加速度；
分别计算到达决策点时的车辆选择逆向可变车道可能通行时间与选择左转专用车道的通行时间；
根据用户平衡最小时间理论，驾驶员根据最小通行时间进行选道。
4.根据权利要求1所述的设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法，其特征在于：步骤c)中的3）具体是：
这里逆向可变车道提前关闭，确定逆向可变车道最小关闭时间,后续到达的车辆只能通过左转专用车道驶离交叉口，车辆只有一种左转路径选择方式。
5.根据权利要求1所述的设置逆向可变车道交叉口最佳信号周期计算方法，其特征在于：步骤c)中的4）具体是：
根据绿灯启亮时，初始释放状态下左转车辆释放模型与后续到达车辆选道模型，再确定逆向可变车道关闭后左转车辆通行情况，建立设置逆向可变车道的信号交叉口通行能力计算模型；
根据两条车道绿灯周期内左转车辆驶离情况，将信号周期内逆向可变车道通过车辆数与左转专用道通过车辆数叠加在一起，即得所求设置逆向可变车道交叉口左转通行能力。
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