[发明专利]一种交通流组成影响的信号交叉口调头开口选位方法

权利要求书

1.一种交通流组成影响的信号交叉口调头开口选位方法，其特征在于：

(一)获取交叉口调头开口选位的背景参数

(1)确定几何设计参数

对于调头开口所在进口道，涉及的几何设计参数包括：左转展宽车道长度D_L、左弯待转区直线段长度D_WS、左弯待转区曲线段长度D_WC、所在进口道与对向进口道停车线之间的距离D_S、调头开口与所在进口道停车线之间的距离D_O、调头开口宽度D_U；

对于每条进口道，涉及的几何设计参数包括：左转车道、直行车道、右转车道的设计速度V_L、V_T、V_R；

(2)确定信号控制方案

为保证调头车流的连续性，先放行调头开口所处进口道的左转车流，紧接着放行与该左转车流冲突的直行车流；

信号配时方案涉及的参数包括：周期时长C、相位数η、相位编号相位有效绿灯时间相邻相位之间的绿灯间隔时间G；

(3)确定交通流时空特性

交通流时空特性涉及的参数包括：车辆类型数车辆类型编号左转车道上到达的各类型车辆对应的到达率λ_k、各类型车辆中调头车辆的比例p′_k、各类型车辆对应的车身长度l_k、交叉口停车队列中相邻车辆之间的安全间距l₀、标准小汽车的饱和车头时距h；

(二)分析各种车辆到达模式对左转车道利用率的影响

相位6控制调头开口所处进口道的左转车流，相位7控制与该左转车流冲突的直行车流，调头车流在相位6和相位7内通行；

(1)分析相位6初始时刻各种车辆到达模式对左转绿灯利用率的影响

若在相位6开始之前，调头车辆先于部分左转车辆进入左转车道并在调头开口处等候通行信号，导致调头开口前方的最后一辆左转排队车辆与调头开口之间形成一个“空置区域”，后续到达的左转车辆必须在调头开口后方减速-停车-排队，待左转绿灯启亮后，后续到达的左转车辆要在调头开口后方启动，降低了左转绿灯利用率；若相位6开始之前，调头开口前方没有形成“空置区域”，则判定左转车道空间被充分利用，排队车辆到达模式对相位6内的左转绿灯利用率没有影响；

(2)分析相位7时段内各种车辆到达模式对调头绿灯利用率的影响

在相位7开始之后，左转车辆必须在左转车道停车线后减速-停车-排队，调头车辆则继续通过调头开口驶离，如果在相位7内某一时刻到达的左转排队车辆恰好将调头开口挡住，那么后续到达的调头车辆只能被迫减速-停车-排队，从而造成相位7剩余的调头绿灯时间空放；若在相位7结束前调头开口没有被左转排队车辆阻挡，则认为相位7内的调头绿灯利用率没有受到影响；

(三)建立相位6时段内的左转绿灯损失时间计算模型

(1)解析调头开口前产生“空置区域”时的各种左转排队车辆到达模式当调头开口前存在“空置区域”时，其各种左转排队车辆到达模式表达为

式中：n为相位6开始之时对应D_O取值的各种车辆到达模式的种数；

k为车辆类型，常见的车辆类型包括小汽车、中型车、公交车；

为相位6开始之时D_WC+D_WS+D_O段上第n种车辆到达模式对应的k类左转排队车辆数；

为相位6开始之时D_WC+D_WS+D_O段上第n种车辆到达模式对应的各类型左转排队车辆总数；

l_k为k类车辆的车身长度，m；

l₀为在交叉口停车队列中相邻两车之间的平均安全间距，m；

(2)计算左转车辆等待调头车辆驶离时间

相位6时段内，调头车辆必须等待上一相位绿灯末尾通过的最后一辆直行车辆通过两者之间的冲突点后，才能启动并通过调头开口驶离交叉口，上一相位末尾对向进口道最后一辆直行车辆驶过调头开口的时间t_SL为

式中：D_S为对向进口道停车线与所在进口道停车线之间的距离，m；

D_O为调头开口与所在进口道停车线之间的距离，m；

D_U为调头开口的宽度，m；

V_T为交叉口直行车道的设计速度，m/s；

已知上一直行车流的控制相位5与相位6之间的绿灯间隔时间为G，假设调头车辆的启动损失时间为Δt_U，如果t_SL<G，则该直行车辆在两个相位之间的绿灯间隔时间内通过，此时左转车辆等待调头车辆驶离时间t₁就等于调头车辆的启动损失时间，即

t₁＝Δt_U (3)

如果t_SL≥G，则左转车辆等待调头车辆驶离时间等于：上一相位绿灯末尾对向进口道最后一辆直行车辆驶过调头开口的时间减去绿灯间隔时间，再与调头车辆启动损失时间求和，即

综上可知，左转车辆等待调头车辆驶离的时间为

(3)计算调头开口后方的首辆左转排队车辆通过“空置区域”的时间

结合公式(1)，在调头开口后方被调头车辆阻挡的首辆左转排队车辆通过“空置区域”的时间t₂为

式中：V_L为交叉口左转车道的设计速度，m/s；

D_WA为“空置区域”长度，由下式计算：

综上可知，所求调头车辆阻挡左转车辆通行产生的损失时间为

(4)计算调头开口前产生“空置区域”时的各种左转排队车辆到达模式的发生概率

调头车辆阻挡左转车辆通行的情形发生在相位6绿灯启亮之前，假设D_WC+D_WS+D_O段上排队的各类型左转车辆总数为调头开口处至少有一辆调头车辆排队等待，则该类情况发生的概率为

式中：p_k为D_WC+D_WS+D_O段上某一辆排队车辆的车型为k的概率，其计算公式如下：

式中：λ_k为所在进口道左转车道上各类型车辆的到达率；

(5)计算相位6时段内的左转绿灯损失时间

调头车辆阻挡左转车辆通行时，相位6内的左转绿灯损失时间Y_UL的计算模型为

(四)建立相位7时段内的调头绿灯损失时间计算模型

(1)解析调头开口被左转排队车辆阻挡时的各种左转排队车辆的到达模式

假设左转车辆停车排队遮挡调头开口时的排队车辆数为与D_O、D_U、l₀以及到达的每辆左转车辆的车身长度l_k有关，此时各种左转排队车辆的到达模式由下式求算：

式中：m为相位7内对应D_O取值的各种车辆到达模式的种数；

为相位7内D_O+D_U段上第m种车辆到达模式对应的k类左转排队车辆数；

(2)计算由于左转排队车辆阻挡调头车辆导致的调头绿灯损失时间

在相位7内，若g′₇秒内到达辆左转车辆刚好把调头开口遮挡，那么后续到达的调头车辆将无法通行而被迫停车排队等待；此时，左转车辆阻挡调头车辆通行导致的损失时间t_LU(g′₇)为

t_LU(g′₇)＝g₇-g′₇ (13)

式中：0<g′₇≤g₇，g₇为相位7有效绿灯时间，s；

(3)计算阻挡调头开口的各种左转排队车辆到达模式的发生概率

假设相位7时段内左转车道上各类车辆的到达是随机的且服从泊松分布，同时已知到达的各类车辆中调头车辆的比例，那么到达的辆左转车辆对应的各类型车辆数为

则此时问题转化为：求g′₇秒内到达车辆总数为的概率即

(4)计算相位7时段内调头绿灯损失时间

左转车辆阻挡调头车辆通行时，相位7时段内的调头绿灯损失时间计算模型为

(五)建立调头开口所在左转车道的通行能力计算模型

(1)在一个信号周期内，利用相位6有效绿灯时间减去相位6左转绿灯损失时间得到相位6有效通行时间，并利用相位6有效通行时间除以标准小汽车饱和车头时距，即得到相位6内左转车道上通过的标准小汽车数；

(2)在一个信号周期内，利用相位7有效绿灯时间减去相位7调头绿灯损失时间得到相位7有效通行时间，并利用相位7有效通行时间除以标准小汽车饱和车头时距，即得到相位7内左转车道上通过的标准小汽车数；

(3)将相位6和相位7内左转车道上通过的标准小汽车数相加得到一个信号周期内左转车道上通过的标准小汽车总数，然后将其换算成一小时内左转车道上通过的标准小汽车数，得到调头开口选位影响的左转车道通行能力c，其计算模型为

(六)确定左转车道调头开口最佳选位

(1)绘制左转车道通行能力与调头开口选位对应的变化曲线

当获取交叉口几何设计参数、信号控制方案及交通流特性后，为调头开口位置确定取值范围，得出不同调头开口选位对应的左转车道通行能力，绘制左转车道通行能力与调头开口选位对应的变化曲线；

(2)根据变化曲线获得左转车道调头开口的最佳位置

根据左转车道通行能力与调头开口选位对应的变化曲线，曲线最高点对应的调头开口位置就是所求调头开口的最佳选位。