本發(fā)明涉及一種信號交叉口左轉相位的設計和優(yōu)化方法。

背景技術：

隨著我國國民經濟的迅猛發(fā)展和城市化進程的推進，我國居民汽車保有量迅猛提高，我國城市道路交通量也急劇飄升，隨之而來的是交通擁擠日益嚴重，交通事故頻發(fā)，且噪聲污染和大氣污染加劇。尤其是道路交通安全問題更為引人關注。

造成我國城市道路上述交通問題的原因主要有以下幾個方面：(l)道路交通基礎設施建設速度跟不上交通需求增長速度是造成大城市道路交通擁擠的直接原因；(2)交通管理措施跟不上城市交通的發(fā)展的需要，現有道路利用率不高，加重了城市的道路交通緊張狀況；(3)居民出行交通結構不合理，道路通行優(yōu)先權不明確，誘發(fā)了大量的路面使用需求量，加重了城市的道路交通壓力；(4)市民的現代化交通意識淡薄，交通違紀現象嚴重，交通秩序混亂，使已緊張的城市道路交通雪上加霜。

與國外西方發(fā)達國家的道路交通環(huán)境相比，我國的道路交通環(huán)境別具一格，其特征是混合交通?；旌辖煌ǜ子谝l(fā)交通秩序混亂，導致堵車，帶來交通事故。同時，相對于路段而言，在交叉口處有三個不同方向的交通流：右轉交通流、直行交通流和左轉交通流。這三股車流引發(fā)的合流、分流、交叉與沖突等行為使交叉口的交通秩序顯得十分復雜，造成交叉口中發(fā)生的交通事故在整個交通事故數量的比重居高不下，因此，交叉口往往成為城市交通問題治理的關鍵點。

同時，研究表明，車行道超過2/3的交通事故與左轉車輛有關，左轉車流不但增加了沖突和也是引發(fā)交叉口交通事故的主要原因之一。因此，左轉車流的組織正確合理對于平面交叉口，不論是無信號交叉口或信號交叉口，在提高交叉口安全性方面都具有顯著的效果。據已有的文獻報道，將左轉車輛從直行車道中分離，可以使事故率降低18到77％，對于信號交叉口，不同的相位設置，這一數據不相同；而對于無信號交叉口，設置左轉車道的平均事故率(每百萬左轉車)僅是無左轉車道的23％，對于信號交叉口這一比例是46％。

一、兩相位信號交叉口左轉車通行方式：

根據我國交通法規(guī)，在兩相位信號交叉口，設置有左轉專用車道時，左轉車輛有以下三種方式通過交叉口：

(l)利用綠燈初期通過：

綠燈初期，在對向直行車還未到達沖突點前左轉車先駛過沖突點，從而通過交叉口。

(2)利用對向直行車流的可穿越間隙通過：

在對向直行車流交通量不大的情況下，左轉車利用其可穿越間隙通過交叉口。

(3)利用綠燈間隔時間(黃燈時間或全紅時間)通過：

綠燈結束后，對向直行車停止行駛，停在交叉口內的左轉車輛利用綠燈間隔時間迅速通過交叉口。

二、無左轉專用相位下車輛延誤

無左轉專用相位條件下，左轉車輛通過信號交叉口產生的延誤主要包括信號控制延誤、沖突延誤和其它延誤。

(l)信號控制延誤：當信號交叉口處于低飽和交通狀態(tài)時，雖然不同周期內的車輛到達率隨機變化，且可能出現排隊車輛滯留現象，但是經過一兩個周期后，滯留車輛將逐漸消散，即在較長的時間段內，進口道車輛到達和離開保持相對平衡。

(2)沖突延誤：無左轉專用相位下左轉車沖突延誤主要是由左轉車和對向直行車造成的，這和無信號交叉口左轉車與對向執(zhí)行車流沖突十分類似，因此沖突延誤可近似采用無信號交叉口左轉車延誤模型來計算。

(3)其它延誤：左轉車輛通過信號交叉口的總行車延誤還包括：

(3.l)加減速延誤，即左轉車輛在停車線處或沖突點處由于加速、減速而產生的延遲；

(3.2)反應延誤，即駕駛員為確保安全，需觀察信號交叉口內部車流運行情況而產生的延誤；

(3.3)交織點延誤，即左轉車輛通過沖突點后需與同向行駛的車輛合流，因等待讓行而產生的時間損耗。

綜上所述，交叉口的交通事故與左轉交通流密切相關。然而，在交叉口相位設計以及指標評價方面，還缺乏系統的方法，因此，本研究從提高交叉口的通行能力，以及降低延誤等等多項評價指標下，合理的采用左轉相位設計及優(yōu)化方法。對平面交叉口左轉交通組織方法進行研究，有著十分重要的現實意義。

技術實現要素：

基于以上不足之處，本發(fā)明提供了一種信號交叉口左轉相位的設計和優(yōu)化方法，以達到提升交叉口車輛通行效率的目的。

本發(fā)明所采用的技術如下：一種信號交叉口左轉相位的設計和優(yōu)化方法，如下：

一、通行能力模型的構建

通過交叉口的左轉車的最大車輛數n₂的計算公式為：

式中n₂——以第二種方式通過交叉口的左轉車的最大車輛數(pcu/h)；

q₁——對向直行車流量(pcu/h)；

η——左轉車最大通過數計算中部分優(yōu)先權的影響系數；

α——自由行駛車流的比例；

λ——單位間隔的平均到達率；

t_a——在對向直行車具有部分優(yōu)先權下左轉車的臨界間隙值(s)；

τ——直行車流的最小車頭時距，一般取2s；

t_f——左轉車的跟隨時間(s)。

利用綠燈間隔穿越交叉口的左轉車數為n₃，且有：

式中n₃——綠燈間隔期間穿越交叉口的左轉車輛數(pcu/h)；

t_y——綠燈間隔時間(s)；

l——左轉車輛駛離沖突點的起動、加速損失時間(s)；

c_左——左轉車流連續(xù)通過交叉口的平均車頭時距(s)。

此外，設信號周期內利用綠燈初期通過沖突點的左轉車輛數為n₁，因此，無左轉專用相時左轉車道的通行能力滿足式：

式中C——左轉車道的通行能力(pcu/h)；

n₁——以第一種方式通過交叉口的左轉車輛數；

n₂——以第二種方式通過交叉口的左轉車輛數；

n₃——以第三種方式通過交叉口的左轉車輛數。

二、延誤模型的構建

無左轉專用相位條件下，左轉車輛通過信號交叉口產生的延誤主要包括信號控制延誤、沖突延誤和其它延誤。

(l)信號控制延誤 當信號交叉口處于低飽和交通狀態(tài)時，雖然不同周期內的車輛到達率隨機變化，且可能出現排隊車輛滯留現象，但是經過一兩個周期后，滯留車輛將逐漸消散，即在較長的時間段內，進口道車輛到達和離開保持相對平衡。

信號控制延誤時間表達式如下：

式中d——信號控制延誤時間(s)；

x——飽和度，為車道流量與通行能力的比值；

g——一周期的有效綠燈時長(s)；

q——車道流量(pcu/s)；

C——周期時長(s)。

(2)沖突延誤無信號交叉口次路車輛平均延誤滿足方程

式中d_次——次要道路車輛平均延誤(s)；

D_min——亞當斯延誤，次路車輛最小平均延誤(s)；

x——飽和度，為車道流量與通行能力的比值；

γ，ε——常量，當車輛到達服從泊松分布時，γ＝0。

用車頭時距滿足M3分布得到延誤計算公式：

式中q_主——主要道路的車流量(pcu/h)；

η——左轉車最大通過數計算中部分優(yōu)先權的影響系數；

α——自由行駛車流的比例；

λ——單位間隔的平均到達率；

t_a——在對向直行車具有部分優(yōu)先權下左轉車的臨界間隙值(s)；

τ——直行車流的最小車頭時距，一般取2s。

因此，可根據上式計算無左轉專用相位條件下，左轉車輛在沖突點處的延誤。其中，左轉車流為次要交通流，對向直行車流為主要交通流。

式中q_直——直行車道的車流量(pcu/h)；

γ，ε——常量，當車輛到達服從泊松分布時，γ＝0；

其余參數含義同上式。

同時，直行車流延誤模型滿足：

式中η——左轉車最大通過數計算中部分優(yōu)先權的影響系數；

α——自由行駛車流的比例；

x——飽和度，為車道流量與通行能力的比值；

λ——單位間隔的平均到達率；

t_f——左轉車的跟隨時間(s)；

t_a——在對向直行車具有部分優(yōu)先權下左轉車的臨界間隙值(s)；

t_c——在對向直行車具有絕對優(yōu)先權下左轉車的臨界間隙值(s)；

τ——直行車流的最小車頭時距，一般取2s。

(3)其它延誤

左轉車輛通過信號交叉口的總行車延誤還包括：l)加減速延誤，即左轉車輛在停車線處或沖突點處由于加速、減速而產生的延遲；2)反應延誤，即駕駛員為確保安全，需觀察信號交叉口內部車流運行情況而產生的延誤；3)交織點延誤，即左轉車輛通過沖突點后需與同向行駛的車輛合流，因等待讓行而產生的時間損耗。

三、在左轉交通問題突出的城市信號交叉口，通過調查各進口車道交通流量、車頭時距、左轉車流臨界間隙數據對通行能力模型及延誤模型進行參數標定，當某進口道單位小時內通過的左轉車流量超過左轉專用相位的設置閾值，則考慮在相應進口道增設左轉專用相位，通過分析交叉口實際運行情況，重新分配信號相位，并結合調查得出的交叉口小時車流量，計算各相位流量比，來重新設計交叉口的信號配時，以期交叉口運行情況得以改善。

本發(fā)明能夠延誤有所降低且通行能力基本保持穩(wěn)定，左轉專用相位起到了優(yōu)化效果，交叉口服務水平得以提高，達到提升交叉口車輛通行效率的目的。

附圖說明

圖1為左轉車流臨界車頭時距累計頻率圖；

圖2為交叉口渠化圖；

圖3為交叉口位置及周邊關系圖；

圖4為科技路—沈陽路交叉口信號配時圖；

圖5為科技路—沈陽路交叉口優(yōu)化后信號配時圖；

圖6為車輛平均延誤隨左轉車流量變化關系圖；

圖7為VISSIM仿真效果圖。

具體實施方式

在新舊兩種信號配時方案情況下，通過上述給出的通行能力模型和延誤模型，分別計算出各進口車道的延誤及交叉口的總延誤，得到交叉口的所有車輛的平均延誤來進行定量分析。下面給出了一交叉口的改進實施例，涉及了具體的設計過程，過程最后結合VISSIM仿真軟件，進一步驗證了此方法的可行性。在新舊兩種信號配時方案情況下，通過上述給出的通行能力模型和延誤模型，分別計算出各進口車道的延誤及交叉口的總延誤，得到交叉口的所有車輛的平均延誤來進行定量分析。在新的信號配時條件下，若延誤有所降低且通行能力基本保持穩(wěn)定，則左轉專用相位起到了優(yōu)化效果，交叉口服務水平得以提高，考慮接受新的信號配時方案。

實施例1

A、交通特性數據調查及行為分析

對威海市科技-吉林路南方向車輛到達規(guī)律進行調查，統計的時間間隔為30s，得到50組數據，經計算S²/X＝0.94，近似為1，因此假設觀測數據為泊松分布，對其進行卡方檢驗，證得在顯著水平95％的情況下，χ²＝6.02<χ²_0.05(3)＝7.815，接受原假設，即左轉車輛的到達符合泊松分布。

車頭時距是指連續(xù)兩輛車的車頭通過某一斷面時的時間間隔，調查80組有效直行車流車頭時距及80組左轉車流車頭時距(見表1)，整理分析得平均飽和車頭時距直行為2.36s/pcu、左轉為2.15s/pcu。因此飽和流量S_直＝1525(量/小時/車道)，S_左＝1674(量/小時/車道)。

表1交叉口直行/左轉車流車頭時距統計 (s)

定義前后直行車輛間沒有左轉車輛通過時的車頭時距為拒絕間隙，前后直行車輛間有左轉車輛通過時的車頭時距為可接受間隙。以視頻觀測方式記錄左轉車輛在沖突點處等待直行車流中出現可插車間隙的過程，得到拒絕間隙81個，接受間隙27個。以0.5秒為單位，將所得的車頭時距進行分類，進而得到累積拒絕頻率和累積接受頻率，可得累計曲線表。

繪制拒絕間隙和接受間隙的累積頻率曲線圖，如圖1所示。由兩條曲線的交點為臨界間隙值，得信號交叉口左轉車輛穿越對向直行車輛的臨界間隙約為4.5s。

B、交叉口特性調查

選取威海市科技路-沈陽路信號控制交叉口作為研究對象，交叉口渠化圖、交叉口位置及周邊情況如圖2、3所示。

該交叉口高峰期間采用三相位信號控制方案，信號周期時長為120s，南進口無左轉專用相位，交叉口信號配時情況如圖4所示。

C、左轉專用相位設置研究

調查該交叉口早高峰期間各進口道流量流向情況，由左轉專用相位的流量閾值計算公式，計算各進口設置左轉專用相位的流量臨界值，將左轉交通量與流量臨界值進行對比，所得結果如表2。

表2實測左轉交通量與流量閾值對比

由上表，經計算得南進口實測左轉交通量大于設置閾值，符合設置左轉專用相位的流量設置條件。

由調查標定參數結果如下：單車道飽和流量直行為1525輛/小時，左轉為1673輛/小時，又每相位信號損失時間為3s，故在南方向設置左轉專用相位情況下，各相位流量比大小如表3所示。

表3各相位流量比情況

將周期定為130s，由上表計算交叉口新的配時方案，得到各相位信號配時參數如表4所示、信號配時圖圖5所示。

表4南北設置左轉專用相位后的信號配時 (s)

D、左轉相位設置依據的確定

以沈陽-科技路為研究對象，東西方向直行車流量q_T1＝0.1pcu/s,左轉車流量q_L＝0.05pcu/s，南北方向直行車流量q_T2＝0.14pcu/s，在南北方向左轉車流量逐漸變化的情況下，計算設置左轉專用相位前后交叉口平均延誤，計算結果如圖6所示。

由圖可知，當左轉車流量較少時，未設置左轉專用情況下延誤值較低，隨著左轉車流量逐漸增加，交叉口車輛的平均延誤逐漸增加，當左轉車流量達到0.067pcu/s(320.1pcu/h)，兩種情況下延誤值相等，即0.067pcu/s是所求的南進口左轉交通量臨界值。

在上述信號方案下改變南北直行車流量，求出不同情況下左轉車流量的臨界值，如表5所示。

表5左轉專用相位設置臨界條件

根據上述計算結果，東西直行車輛流量不變的情況下，隨著對向直行車流量增加，設置左轉專用相位的流量臨界值下降。在南北直行車流量為0.14pcu/s的情況下，將東西方向直行車流量由0.12pcu/s增加至0.14pcu/s，得左轉車流量臨界值為0.044pcu/s。

E、左轉相位設置效果評價

由所采用模型及參數，計算設置左轉專用相位前后各進口車流平均延誤值，結果如表6所示。

表6南北設置左轉專用相位前后延誤對比表 (s)

計算設置左轉專用相位前后，信號交叉口的延誤大小，設置左轉專用相位后，交叉口平均延誤由44.6變?yōu)?8.8秒。信號交叉口服務水平的劃分標準如表所示，而我國服務水平評價現分為四級，其中，一級相當于HCM2000的A、B級，二級相當于C級，三級相當于D級，四級相當于E、F級?？梢钥闯觯匝诱`為評價指標時，設置左轉專用相位前后，該信號交叉口的服務水平均為三級?？芍?，以延誤為評價指標，設置左轉專用相位前后，該交叉口服務水平為三級。

表7HCM2000信號交叉口服務水平劃分標準

綜合整理設置東西方向左轉專用相位前后，各評價指標的變化情況如表7所示。左轉專用相的設置有效提高了左轉車道的通行能力，消除了信號交叉口內的沖突延誤，雖然信號配時方案由三相位變?yōu)樗南辔唬瑢е虏糠诌M口道延誤及交叉口平均延誤有所增加，但各進口道的車輛延誤時間更加平均。因此，該左轉車流組織方案可以改善交叉口的通行效率，實現優(yōu)化車流組織的效果。

表8設置左轉專用相位前后各評價指標對比

G、仿真結果比較與分析

應用VISSIM仿真軟件，對科技—沈陽路交叉口車流運行情況進行模擬分析，通過輸入信號配時、流量、速度、車輛類型比例等參數，仿真圖如7所示。

輸入各參數后，選中平均排隊長度、延誤、停車等評價指標，進行節(jié)點評價，通過更改信號配時，分別輸出設置左轉專用相位前后的評價指標，如表9、10所示。

表9設置左轉專用相位前評價指標輸出

表10設置左轉專用相位后評價指標輸出

由VISSIM仿真輸出結果，設置左轉專用相位前交叉口車輛平均延誤為41.9s，設置左轉專用相位后，交叉口車輛平均延誤為53.8s，各進口延誤變化值如表11所示，由結果可知，設置左轉專用相位使各轉向車流延誤大小更為平均，并有效降低了相關左轉車道的延誤。

表11設置左轉專用相位前后延誤對比 (s)

將仿真所得延誤與理論計算進行對比，理論計算為別為44.6s、48.8s，仿真所得結果分別為41.9s、53.8s，相對誤差分別為6％、10％，差值較小，所得結果滿足要求。

4)影響評價精度的因素

(l)左轉專用相位設置研究方面，對行人和非機動車的影響考慮不足。

(2)參數標定主要是依據收集到的數據整理分析所得，由于各地駕駛員及道路條件的差異，因此所得模型可能不適用于其它城市交叉口。

(3)左轉車道排隊溢出時，左轉車道與相鄰車道關系待進一步研究。