[發明專利]一種交叉口外側輔路掉頭車輛待行區設計及信控的方法

有效

• 申請號: 202010927784.8
• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN112037516B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 曹陽;呂一品;肖嘉梁;李志朝;郝身群
• 申請（專利權）人: 洛陽城市建設勘察設計院有限公司
• 主分類號: G08G1/01
• 分類號: G08G1/01;G08G1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種交叉口外側輔路掉頭車輛待行區設計及信控的方法，其特征在于：步驟一、交叉口基本信息的收集：收集交叉口各個進口左轉、直行、右轉、掉頭的車流量及車道數量，同時收集交叉口車輛啟動損失時間，進口道車流的飽和流率，高峰時段因子，高峰時段因子為分析道路通行能力時，表示高峰小時內交通量不平衡的修正系數，交叉口期望服務水平，進口道排隊隊列中連續兩個車輛間的平均距離，車輛平均長度，內側主路左轉車輛到達率輛/s，外側輔路掉頭車輛到達率 輛/s；設定東西進口外側輔路左轉車輛行駛軌跡曲線 、 ，內側主路左轉車輛軌跡曲線 ，東西進口外側輔路左轉車輛行駛軌跡曲線 、 和內側主路左轉車輛軌跡曲線 均采用三次多項式函數表達；步驟二、待行區約束條件的設置和確定外側輔路掉頭待行區空間位置：物理約束條件是指在交叉口尺寸不變的前提條件下，在交叉口內部布設外側輔路掉頭待行區的基本約束；在交叉口內部建立平面直角坐標系，該坐標系的原點為兩條道路中線的交點、x軸為存在主路和輔路的道路的中線、x軸正方向為任選其中一端作為正方向、y軸為被交道路的中線、y軸正方向為任選其中一端作為正方向；物理約束由兩部分組成：

（1）在主路和輔路的道路進口道外側左轉車道無沖突，根據步驟一中采集到的交叉口基本尺寸信息，x軸方向上交叉口物理區范圍內兩相對方向外側左轉車輛行駛軌跡曲線關于交叉口原點對稱，在此考慮臨界情況為兩曲線有唯一的交點，即該點為切點；根據步驟一中，兩 、 曲線三次多項式函數方程聯立公式，討論待行區的設置情況：

上述公式中a₁、b₁、c₁常數， 為東進口外側輔路左轉車輛行駛軌跡曲線， 為西進口外側輔路左轉車輛行駛軌跡曲線，x為x軸上的坐標點；d為進口道排隊隊列中連續兩個車輛間的平均距離；化簡后可得：

對x的取值情況進行討論判斷是否符合物理約束條件：

由上述式子可以判斷得到，當屬于情況Ⅰ時，此時可求出 ，此時外側左轉車輛軌跡相交，存在沖突，此時不可設置外側掉頭待行區；當屬于情況Ⅲ時，由于，則x必定無解，故外側左轉車輛軌跡曲線沒有交點，該種情況下可以設置外側掉頭車輛待行區；當屬于情況Ⅱ時，d=0，則x=0，且由于兩條曲線關于原點（0，0）對稱，因此在x=0處有唯一交點；該情況為外側掉頭待行區設置的臨界條件，此時外側左轉剛好無沖突；

（2）外側輔路掉頭待行區的設置不影響內側左轉車道正常通行；基于公式

討論d的取值情況，考慮d=0 ，即外側左轉車輛曲線僅有唯一交點的情況；在主路和輔路的道路進口道外側左轉車道無沖突的物理約束臨界情況下，假設在掉頭待行區長度 內，外側左轉車道掉頭待行區車輛行駛軌跡曲線與西進口外側輔路左轉車輛行駛軌跡曲線 平行；需要滿足條件使掉頭待行區設置不影響主路內側左轉車輛通行，則需要對內側左轉曲線和外側掉頭待行區曲線進行討論，聯立 和 兩曲線得到公式：

上述式中的t為掉頭待行區的車道數，取值為正整數；通過上述公式可以確定內側左轉曲線與外側掉頭待行車輛軌跡曲線的交點，對該交點的取值情況進行討論，以此交點作為待行區設置的終止點，終止點即公式 中的積分上限n，該終止點的設置需保證左轉待行區不影響對向直行車輛正常行駛，即該終止點坐標y值需小于等于對向最內側直行車道側邊線上任一點的坐標y值；計算掉頭待行區初始長度，利用上述確定的物理條件約束，包括外側輔路左轉車輛無沖突和外側掉頭待行區設置不影響內側左轉車輛通行，即當掉頭車輛停在待行區內時，內側左轉車輛能夠正常行駛不受影響，根據曲線長度求解方法，可通過以下公式求出掉頭待行區初始長度；

公式中， n為內側左轉曲線與外側掉頭待行車輛軌跡曲線的交點；m為交叉口物理寬度的一半；為掉頭待行區車輛行駛軌跡曲線 的導函數；dx是一個整體符號，為積分公式中的微元；

步驟三、確定交叉口信號配時設計方案：根據步驟一中采集到的交叉口流量流向信息，設定交叉口信號的周期時長，g_i表示相位的綠燈長度，i=1、2、3、4表示交叉口主信號第一、二、三、四相位的綠燈的長度；黃燈時長，全紅時長，各相位的綠燈長度需要根據下列公式計算：

上述公式中，表示各相位黃燈時長s，建議取值為3s；表示各相位全紅時長s，建議取值為2s；g_i表示相位的綠燈長度，i=1、2、3、4表示交叉口主信號第一、二、三、四相位的綠燈的長度；V₁為第一相位關鍵流率，單位為pcu/h；V₂為第二相位關鍵流率，單位為pcu/h；V₃為第三相位關鍵流率，單位為pcu/h；V₄為第四相位關鍵流率，單位為pcu/h；V_ES為東進口直行車輛流量，單位為pcu/h；n_ES為東進口直行車道數量，單位為條；V_WR為西進口右轉車輛流量，單位為pcu/h；n_WR為西進口右轉車道數量，單位為條；V_ER為東進口右轉車輛流量，單位為pcu/h；n_ER為東進口右轉車道數量，單位為條；V_EL為東進口左轉車輛流量，單位為pcu/h；n_EL為東進口左轉車道數量，單位為條；V_WL為西進口左轉車輛流量，單位為pcu/h；n_WL為西進口左轉車道數量，單位為條；V_SL為南進口左轉車輛流量，單位為pcu/h；n_SL為南進口左轉車道數量，單位為條；V_NL為北進口左轉車輛流量，單位為pcu/h；n_NL為北進口左轉車道數量，單位為條；V_NS北進口直行車輛流量，單位為pcu/h；n_NS為北進口直行車道數量，單位為條；V_SS為南進口直行車輛流量，單位為pcu/h；n_SS為南進口直行車道數量，單位為條；V_SR為南進口右轉車輛流量，單位為pcu/h；n_SR為南進口右轉車道數量，單位為條；V_NR為北進口右轉車輛流量，單位為pcu/h；n_NR為北進口右轉車道數量，單位為條；V_C為信號燈各個相位關鍵流量，單位為pcu/h；L為信號燈總損失時間，單位為S；S為調整后的交叉口單條車道通行能力，單位為pcu/h；g_E,i為第i相位有效綠燈時長，單位為S；C_des為交叉口信號的設計周期時長，單位為S；PHF為高峰時段因子；V/C為交叉口期望服務水平；V_i為第i相位關鍵流量，單位為pcu/h；

各個相位的通行規則描述如下：a、第一相位允許x軸上交叉口內兩相對方向進口直行車輛通行；b、第二相位允許x軸上交叉口內兩相對方向進口內側主路及外側輔路左轉車輛通行，對于外側輔路掉頭待行區，允許外側輔路掉頭車輛暫時停放，內側主路掉頭車輛則利用內側左轉車道正常通行；定義第二相位早斷時間為 ，在第二相位結束前秒，禁止內側左轉車輛同行，允許外側輔路掉頭待行區內車輛同行，繼續允許外側左轉車輛同行；c、第三相位允許y軸上交叉口內兩相對方向進口左轉車輛通行；d、第四相位允許y軸上交叉口內兩相對方向進口直行車輛通行；

步驟四：確定外側輔路掉頭待行區長度步驟具體包括：（1）判斷掉頭待行區初始長度與流量約束條件的關系，流量約束條件是指，在設置了外側掉頭車輛待行區后，對信號相位進行了精細化設計，內側左轉車輛相位信號早斷；需確保當前內側左轉車道信號相位設計能夠滿足車輛通行需求，不會造成過長的等待從而延伸至交叉口上游；根據流量約束條件及相位信號配時方案，外側掉頭待行區長度L可根據下列公式確定：

上述公式中，t₁為外側輔路掉頭車輛禁止時間，單位為S；t₂內側左轉車輛禁行時間，單位為S；表示由外側掉頭車輛信號相位禁止通行導致的外側掉頭車輛排隊延伸至交叉口上游的概率，取值為13%；表示由內側左轉車輛信號禁止通行導致的內側左轉車輛排隊延伸至交叉口上游的概率，取值為13%；為交叉口進口道通行能力寬度修正系數； 為交叉口進口道通行能力大車修正系數； 為交叉口進口道通行能力坡度修正系數；為交叉口進口道通行能力公交車站修正系數；為交叉口進口道通行能力路側停車修正系數； 為交叉口進口道通行能力左轉修正系數； 為交叉口進口道通行能力右轉修正系數； 為交叉口進口道通行能力自行車/行人修正系數；N_m為外側輔路掉頭車輛在一定時間內的達到數量，單位為pcu；P（N_m）為在一定時間內達到車輛數為N_m的概率；N_in—left 為內側主路掉頭車輛在一定時間內的達到數量，單位為pcu；P（N_in—left）為在一定時間內達到車輛數為N_in—left的概率；由于上述關系式在求解 時存在難度，且外側輔路車道掉頭車輛通行時間 未知；為便于應用，采用數值驗算法，具體操作如下：

（a）將由滿足物理約束求解得到的外側掉頭待行區初始長度 代入公式 中，利用與的約束關系，求取 的臨界值；由于上述公式復雜度較高，在求取 時可能會得到復數解；為了得到臨界值，同時注意到 ，且在實際工程應用中， 為自然數；故采用試算法，不斷代入不同的值計算，找到滿足條件對應的即可；

基于當前臨界值，可得到內側左轉車輛通行時間；代入上述公式中，進一步判斷 與的關系，若 與成立，則外側掉頭待行區初始長度可確定為 ，否則重新選擇一個值作為掉頭待行區長度，應滿足 ，再次代入公式中驗算，直至得到滿足條件的掉頭待行區長度L；

（b）確定內側主路左轉信號早斷時間，在確定掉頭待行區長度后，根據公式，可計算得到內側主路左轉早斷時間，因此內側左轉信號的啟停時間點為：內側左轉信號綠燈在第二相位g2時啟動，在第二相位綠燈終止前時刻終止。