一种设置调头开口的信号交叉口双左转车道通行能力计算方法

摘要

本发明公开了一种设置调头开口的信号交叉口双左转车道通行能力计算方法。本发明在确定内侧左转与调头共用车道通行能力的过程中，充分考虑了共用车道上调头开口处调头车的运行特性对后续到达的左转车辆车道选择的影响，并结合交叉口实际运行特性，进行模型的建立与简化，并结合左转专用车道上的交通流特性，得出设置调头开口的双左转车道通行能力计算模型，使得该情况下的通行能力计算更加精准。

说明书

技术领域

本发明涉及交通管理与设计领域，具体涉及一种设置调头开口的信号交叉口双左转车道通行能力计算方法。

背景技术

设置调头开口的信号交叉口双左转车道是指交叉口进口道设置了两条左转车道，并且在内侧的左转车道上设置了调头开口。目前，关于设置了调头开口的车道通行能力计算的方法忽略了调头车流对整条道路交通流运行的影响，都是把调头车流视为“异常”。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种设置调头开口的信号交叉口双左转车道通行能力计算方法。

本发明包括以下步骤：

A)先建立双左转车道情况下的左转车辆选道模型

建立双左转车道情况下的左转车辆选道模型的步骤，包括：

a)先确定设置调头开口的双左转车道的交通流特性

这里的交通流特性包括三个参数：单位时间内车辆到达率d、左转调头比例λ、交叉口停车排队时车辆占道长度l₀。

设置调头开口的双左转车道的交通流特性确定方法，包括以下两种：

1)实地调查,获取计算该双左转车道的交通流特性的数据

这个主要是针对已建道路交叉口优化，需要获取的数据包括：高峰时段左转和调头共用车道到达和通过的左转和调头的车辆数、交叉口信号配时方案。

利用调查得到的数据计算左转和调头共用车道上的左转车和调头车比例λ、车辆到达率d、交叉口停车排队时每辆车的占道长度l₀。

2)分析预测，直接确定设置调头开口的双左转车道的交通流特性

这个主要是针对拟建交叉口，在规划阶段充分考虑周边交通需求，得出该交叉口左转和调头共用车道上的左转车和调头车比例λ、车辆到达率d、交叉口停车排队时每辆车的占道长度l₀。

b)然后确定交叉口的设计参数

这里的交叉口设计参数包括：当前进口道停车线到调头开口的距离L₀、调头开口宽度h、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、交叉口各进口直行、左转、调头的设计车速V_s、V_l、V_t、交叉口该进口渠化段长度L₂、左转待行区长度L₃。

交叉口的设计参数的获取方法，包括以下两种：

1)实地调查,获取计算交叉口设计参数的数据

实地测量当前进口道停车线到调头开口的距离L₀、调头开口宽度h、对向进口车道停车线与该进口停车线的距离L₁、相邻出口车道数和车道宽度L₄、交叉口该进口渠化段长度L₂、用测速仪测量车辆通过交叉口的速度。

2)查阅交叉口设计方案，直接获取交叉口设计参数。

c)确定交叉口信号配时方案

交叉口信号配时方案的获取方法，包括以下两种：

1)实地调查，记录车流放行次序、各阶段时长、信号周期时长c。

2)查阅交叉口设计方案，直接获取交叉口详细的信号配时设计方案。

d)最后建立该双左转车道情况下的左转车辆选道模型

建立该双左转车道情况下的左转车辆选道模型的过程包括：

1)首先建立左转专用车道的通行时间计算模型

建立左转专用车道通行时间计算模型的过程：首先，分析左转专用车道上车辆的到达与驶离规律，在车辆的平均占道长度相同、流向相同的情况下，左转车辆在红灯期间到达交叉口停车排队等待，等到左转绿灯启亮后，排队车辆开始依次启动，通过停车线驶离交叉口；其次，建立左转专用车道的通行时间计算模型，在无溢出情况下，左转专用车道上某辆排队车辆的通行时间，应该等于左转绿灯启亮后排队队首车辆的固定延误时间与启动波传递到该辆排队车辆的时间和该辆排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和。

2)其次分析左转与调头共用车道中两种车流的相互作用机理

分析左转与调头共用车道中两种车流的相互作用机理的过程：首先，确定共用车道上车辆之间相互作用的类型，由于左转与调头共用车道上有调头和左转两种车辆，故可以将相互作用归为调头车影响左转车通行、左转车影响调头车通行、及两种车辆互不影响等三类情况；其次，分析共用车道上调头车影响左转车通行这种情况，由于在渠化段共用车道的中间某处设有调头开口，红灯期间当调头车先于左转车到达共用车道并在调头开口处停车等待时，其后续左转车就只能从调头口处依次往后停车等待而无法靠近交叉口进口道停车线，那么在调头区域与停车线之间就会形成一个“真空地带”，当左转和调头绿灯启亮后，左转车要等调头车驶离后再从远离停车线的位置开始启动；再次，分析共用车道上左转车影响调头车通行这种情况，在左转禁行、调头允许放行的信号阶段4内，当左转车到达排队遮挡调头开口时，调头车将因此无法在其绿灯时间内通过调头开口驶离交叉口，造成调头信号绿灯空放；最后，分析两类车辆互不影响的情况，包括阶段3开始时共用车道上的车辆排队是连续的，阶段4期间内左转车的排队没有堵住调头开口从而使得调头车辆可以顺畅通行两种情况。

3)然后建立三类情况下左转与调头共用车道的通行时间计算模型

建立三类情况下的左转和调头共用车道的通行时间计算模型的过程：首先，分析调头车影响左转车通行的情况下，首辆调头车后面的某辆排队左转车的通行时间等于上一阶段最后一辆直行车通过调头开口的清空时间与车辆启动损失时间以及该排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；然后，分析左转车影响调头车通行和两种车辆互不影响的情况，两种情况下左转车的通行时间都不受调头车的影响，故其运行规律与左转专用车道上的车辆相同，即为左转绿灯启亮后排队队首车辆的固定延误时间与启动波传递到该辆排队车辆的时间以及该辆排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和。

4)最后建立双左转车道情况下左转车辆选道模型

这里建立双左转车道情况下左转车辆选道模型的过程：根据建立的左转专用车道通行时间计算模型和左转与调头共用车道通行时间计算模型，将两条车道当前的预期通行时间进行比较，较小者即为所选车道。

B)再确定该情况下的双左转车道通行能力计算模型

确定该情况下的双左转车道通行能力计算的步骤，包括：

a)先求解两条左转车道上的车辆排队与驶离情况

在左转和调头车道交通特性、交叉口设计参数以及信号控制方案已知的情况下，根据左转车辆选道模型，求出左转与调头共用车道上各类车辆排队情况发生的概率和左转专用车道上的排队情况。

C)然后求解双左转车道的通行能力

根据两条车道各自的车辆驶离情况，将单位时间内两条车道上通过的所有左转车辆数和调头车辆数叠加在一起，即得所求设置调头开口的双左转车道通行能力。

本发明在确定内侧左转与调头共用车道通行能力的过程中，充分考虑了共用车道上调头开口处调头车的运行特性对后续到达的左转车辆车道选择的影响，并结合交叉口实际运行特性，进行模型的建立与简化，并结合左转专用车道上的交通流特性，得出设置调头开口的双左转车道通行能力计算模型，使得该情况下的通行能力计算更加精准。

本发明的有益效果：

1)本发明在进行左转车辆选道模型建立时，以实际交叉口设计参数、交通流特性为依据，并充分考虑到了实际运行过程中左转车驾驶员的判别过程，建立模型，使得预期通行时间的计算更加准确。

2)本发明沿用以前的车辆到达率模型和交叉口调头开口设计形式，首创调头车辆影响下的左转车选道计算模型，把交叉口尺寸、左转调头需求和交通流运行特性结合起来，使得建立的通行能力计算公式更加准确的描述调头开口位置对双左转车道运行效率的影响，可以更好的为城市交通规划与管理服务。

附图说明

图1是本发明所适用的平面十字交叉口示意图；

图2是本发明所采用的信号配时方案示意图；

图3是调头车阻挡左转车通行的交叉口排队示意图；

图4是左转车阻挡调头车通行的交叉口排队示意图；

图5是本发明设置调头开口的信号交叉口双左转车道通行能力计算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

本发明通过分析左转和调头车流在不同条件下的相互影响机理，建立了双左转车道条件下的左转车辆选道模型，并据此确定了设置调头开口的信号交叉口双左转车道通行能力计算方法，使得交叉口通行能力的计算更加准确，为交叉口优化设计提供理论基础。

本发明中双车道通行能力是指在当前的道路、交通、控制和环境条件下，两条左转车道一小时内所通过的最大车辆数目。车辆占道长度是指包括车辆自身的长度、与前后两车之间的安全间距在内的空间长度，有效绿灯时间是指用绿灯显示减去损失时间。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种设置调头开口的信号交叉口双左转车道通行能力计算方法，步骤包括：先建立双左转车道情况下的左转车辆选道模型、再确定该情况下的双左转车道通行能力计算模型。

A)在建立双左转车道情况下的左转车辆选道模型的过程中：

a)要先确定左转与调头共用车道的交通流特性，即包括三个参数：左转和调头共用车道上的左转车和调头车比例λ、车辆到达率d，交叉口停车排队时车辆占道长度l₀。

b)然后确定交叉口的设计参数，包括：如图1中所示当前进口道停车线到调头开口的距离L₀、调头开口宽度h、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、交叉口各进口直行、左转、调头的设计车速V_s、V_l、V_t、交叉口该进口渠化段长度L₂、左转待行区长度L₃。

c)确定交叉口信号配时方案，这里如图2所示，令调头信号在阶段3启亮、阶段4结束，信号周期时长为c、各阶段时长依次为g₁、g₂、g₃、g₄。

d)最后建立双左转车道情况下的左转车辆选道模型，过程包括：

1)首先建立左转专用车道的通行时间计算模型：

建立左转专用车道的通行时间计算模型的过程：

11)首先分析左转专用车道上车辆的到达与驶离规律

左转车辆在红灯期间到达交叉口，部分进入左转专用车道停车排队等待，队列中车辆的平均占道长度为l₀，等到左转绿灯启亮后，排队队首车辆开始启动，并以固定的速度u_w向后传播，后续车辆依次启动、通过停车线驶离交叉口，在此过程中车辆的平均加速度为a，左转车辆最大行驶速度等于交叉口左转车道设计车速为V_l，如果启动位置与停车线相对距离较近，策划车辆通过交叉口停车线时可能仍处在加速状态，如果相对距离较远，那么车辆可能在加速到最大速度后，匀速通过交叉口停车线。

12)其次建立左转专用车道的通行时间计算模型

左转专用车道上每辆左转车的通行时间，应该等于左转绿灯启亮后排队队首车辆的固定延误时间与启动波传递到该辆排队车辆的时间以及该辆排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和；由此可知，在无溢出情况下，左转专用车道上的第n+1辆排队车辆的通过时间，应该等于排队队首车辆的固定延误时间与启动波传递到第n+1辆排队车辆的时间以及第n+1辆排队车辆启动后通过停车线的时间之和，即有

T₁(n+1)＝G₁+nl₀/|u_w|+t¹_n+1>

式中：

G₁为左转车作为队首车辆时，绿灯启亮后的固定延误，一般取2s。

t¹_n+1表示第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。

左转车辆启动后加速到最大行驶速度所用的时间t_a，

t_a＝V_l/a>

左转车辆启动后加速到最大行驶速度所驶过的距离l_a，

l_a＝(at_a²)/2>

当l_a≥nl₀时，车辆通过停车线之前一直处于加速状态，则有

当l_a<nl₀时，车辆通过停车线之前经历了一段加速过程和匀速行驶过程，则有

综上

2)其次分析左转与调头共用车道中两种车流的相互作用机理

分析左转与调头共用车道中两种车流的相互作用机理的过程：首先，确定共用车道上车辆之间相互作用的类型，由于左转与调头共用车道上有调头和左转两种车辆，故可以将相互作用归为调头车影响左转车通行、左转车影响调头车通行、及两种车辆互不影响等三类情况；其次，分析共用车道上调头车影响左转车通行这种情况，如图3所示，由于在渠化段共用车道的中间某处设有调头开口，红灯期间当调头车先于左转车到达共用车道并在调头开口处停车等待时，其后续左转车就只能从调头口处依次往后停车等待而无法靠近交叉口进口道停车线，那么在调头区域与停车线之间就会形成一个“真空地带”，当左转和调头绿灯启亮后，左转车要等调头车驶离后再从远离停车线的位置开始启动；再次，分析共用车道上左转车影响调头车通行这种情况，如图4所示，在左转禁行、调头允许放行的信号阶段4内，当左转车到达排队遮挡调头开口时，调头车将因此无法在其绿灯时间内通过调头开口驶离交叉口，造成调头信号绿灯空放；最后，分析两类车辆互不影响的情况，包括阶段3开始时共用车道上的车辆排队是连续的，阶段4期间内左转车的排队没有堵住调头开口从而使得调头车辆可以顺畅通行两种情况。

3)然后建立三类情况下左转与调头共用车道的通行时间计算模型

建立三类情况下的左转和调头共用车道的通行时间计算模型的过程：

31)首先分析调头车影响左转车通行的情况

首辆调头车后面的某辆排队左转车的通行时间等于上一阶段最后一辆直行车通过调头开口的清空时间与车辆启动损失时间以及该排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和。

假设排队车辆的平均加速度为a，左转车辆最大行驶速度等于交叉口左转车道设计车速为V_l，从调头口往后有m辆车排队，那么，左转车作为第m+1辆排队车辆，其通过时间为

T₂(m+1)＝G₂+ml_j/|u_w|+t¹_m+1(7)

其中

G₂＝(L₁+L)/V_s+2>

式中：G₂表示左转车等待调头车驶离的时间；

t¹_m+1表示第m+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。

根据公式(2)和公式(3)，同理可知

当l_a≥ml₀+L+l_T时，车辆通过停车线之前一直处于加速状态，则有

当l_a<ml₀+L+l_T时，车辆通过停车线之前经历了一段加速过程和匀速行驶过程，则有

综上

32)然后分析左转车影响调头车通行和两种车辆互不影响的情况

两种情况下左转车的通行时间都不受调头车的影响，其运行规律与左转专用车道上的车辆相同，即为左转绿灯启亮后排队队首车辆的固定延误时间与启动波传递到该辆排队车辆的时间以及该辆排队车辆启动后通过交叉口停车线的时间之和。

4)最后建立双左转车道情况下左转车辆选道模型

这里建立双左转车道情况下左转车辆选道模型的过程：根据建立的左转专用车道通行时间计算模型和左转与调头共用车道通行时间计算模型，将两条车道当前的预期通行时间进行比较，较小者即为所选车道，即

t＝min{T₁(n+1),T₂(m+1)}(12)

式中：

N——代表自然数；

β——表示左转与调头共用车道上，调头口处首辆调头车启动时因前方左转车影响而产生的延误；

B)再确定该情况下的双左转车道通行能力计算模型

a)先求解两条左转车道上的车辆排队与驶离情况

1)阶段3开始之前，L+h段上排队的左转车辆数β的取值范围为的商的最大值，即L₃+L段最大承载量)，则此时至少应当有2β辆左转车到达交叉口，该类情况下的概率计算公式为：

假设阶段3开始之前，内侧左转与调头共用车道上调头开口后面最大排队长度为m+1辆、并且阶段3结束时恰好全部通过，此时共用车道上最后一辆车通过停车线的时间，应满足

T₂(m+1)≤g₃

假设阶段3开始之前，外侧左转专用车道上排队长度为n+1辆并且阶段3结束时恰好全部通过,此时左转专用车道上最后一辆车通过停车线的时间，应满足

T₁(n+1)≤g₃

则此时，阶段3内两条左转车道通过的全部车辆数为

2)针对阶段4时段，只有调头车可以通过调头开口驶离交叉口，左转车必须停车排队的情况，需要计算t秒内到达辆左转车的概率：根据假设条件，车辆均匀分布，则2k辆左转车对应辆调头车，此时问题转化为：

计算t秒内到达车辆总数为的概率假设车辆到达服从泊松分布，可知t秒内到达车辆总数为的概率为

其中m＝d·t，表示在计数间隔t内平均到达的车辆数，

则此时，阶段4内通过的调头车全部以最大速度V_t通过，则阶段4通过的最大车辆数

b)再求解双左转车道的通行能力

根据两条车道各自的车辆驶离情况，根据两条车道各自的车辆驶离情况，将单位时间内两条车道上通过的所有左转车辆数和调头车辆数叠加在一起，即得所求设置调头开口的双左转车道通行能力。

综上，本发明提供了一种双左转车道情况下的左转车选道模型，并求解了设置调头开口的信号交叉口双左转车道通行能力计算方法，克服了目前该情况下双左转车道通行能力计算的粗放性，提高了交叉口通行能力评估的准确性，具有较高的使用价值。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。