一种交叉口左转相位信号配时设计和优化方法与流程

本发明涉及一种信号交叉口左转相位的设计和优化方法。

背景技术：

随着我国国民经济的迅猛发展和城市化进程的推进，我国居民汽车保有量迅猛提高，我国城市道路交通量也急剧飘升，随之而来的是交通拥挤日益严重，交通事故频发，且噪声污染和大气污染加剧。尤其是道路交通安全问题更为引人关注。

造成我国城市道路上述交通问题的原因主要有以下几个方面：(l)道路交通基础设施建设速度跟不上交通需求增长速度是造成大城市道路交通拥挤的直接原因；(2)交通管理措施跟不上城市交通的发展的需要，现有道路利用率不高，加重了城市的道路交通紧张状况；(3)居民出行交通结构不合理，道路通行优先权不明确，诱发了大量的路面使用需求量，加重了城市的道路交通压力；(4)市民的现代化交通意识淡薄，交通违纪现象严重，交通秩序混乱，使已紧张的城市道路交通雪上加霜。

与国外西方发达国家的道路交通环境相比，我国的道路交通环境别具一格，其特征是混合交通。混合交通更易于引发交通秩序混乱，导致堵车，带来交通事故。同时，相对于路段而言，在交叉口处有三个不同方向的交通流：右转交通流、直行交通流和左转交通流。这三股车流引发的合流、分流、交叉与冲突等行为使交叉口的交通秩序显得十分复杂，造成交叉口中发生的交通事故在整个交通事故数量的比重居高不下，因此，交叉口往往成为城市交通问题治理的关键点。

同时，研究表明，车行道超过2/3的交通事故与左转车辆有关，左转车流不但增加了冲突和也是引发交叉口交通事故的主要原因之一。因此，左转车流的组织正确合理对于平面交叉口，不论是无信号交叉口或信号交叉口，在提高交叉口安全性方面都具有显著的效果。据已有的文献报道，将左转车辆从直行车道中分离，可以使事故率降低18到77％，对于信号交叉口，不同的相位设置，这一数据不相同；而对于无信号交叉口，设置左转车道的平均事故率(每百万左转车)仅是无左转车道的23％，对于信号交叉口这一比例是46％。

一、两相位信号交叉口左转车通行方式：

根据我国交通法规，在两相位信号交叉口，设置有左转专用车道时，左转车辆有以下三种方式通过交叉口：

(l)利用绿灯初期通过：

绿灯初期，在对向直行车还未到达冲突点前左转车先驶过冲突点，从而通过交叉口。

(2)利用对向直行车流的可穿越间隙通过：

在对向直行车流交通量不大的情况下，左转车利用其可穿越间隙通过交叉口。

(3)利用绿灯间隔时间(黄灯时间或全红时间)通过：

绿灯结束后，对向直行车停止行驶，停在交叉口内的左转车辆利用绿灯间隔时间迅速通过交叉口。

二、无左转专用相位下车辆延误

无左转专用相位条件下，左转车辆通过信号交叉口产生的延误主要包括信号控制延误、冲突延误和其它延误。

(l)信号控制延误：当信号交叉口处于低饱和交通状态时，虽然不同周期内的车辆到达率随机变化，且可能出现排队车辆滞留现象，但是经过一两个周期后，滞留车辆将逐渐消散，即在较长的时间段内，进口道车辆到达和离开保持相对平衡。

(2)冲突延误：无左转专用相位下左转车冲突延误主要是由左转车和对向直行车造成的，这和无信号交叉口左转车与对向执行车流冲突十分类似，因此冲突延误可近似采用无信号交叉口左转车延误模型来计算。

(3)其它延误：左转车辆通过信号交叉口的总行车延误还包括：

(3.l)加减速延误，即左转车辆在停车线处或冲突点处由于加速、减速而产生的延迟；

(3.2)反应延误，即驾驶员为确保安全，需观察信号交叉口内部车流运行情况而产生的延误；

(3.3)交织点延误，即左转车辆通过冲突点后需与同向行驶的车辆合流，因等待让行而产生的时间损耗。

综上所述，交叉口的交通事故与左转交通流密切相关。然而，在交叉口相位设计以及指标评价方面，还缺乏系统的方法，因此，本研究从提高交叉口的通行能力，以及降低延误等等多项评价指标下，合理的采用左转相位设计及优化方法。对平面交叉口左转交通组织方法进行研究，有着十分重要的现实意义。

技术实现要素：

基于以上不足之处，本发明提供了一种信号交叉口左转相位的设计和优化方法，以达到提升交叉口车辆通行效率的目的。

本发明所采用的技术如下：一种信号交叉口左转相位的设计和优化方法，如下：

一、通行能力模型的构建

通过交叉口的左转车的最大车辆数n₂的计算公式为：

式中n₂——以第二种方式通过交叉口的左转车的最大车辆数(pcu/h)；

q₁——对向直行车流量(pcu/h)；

η——左转车最大通过数计算中部分优先权的影响系数；

α——自由行驶车流的比例；

λ——单位间隔的平均到达率；

t_a——在对向直行车具有部分优先权下左转车的临界间隙值(s)；

τ——直行车流的最小车头时距，一般取2s；

t_f——左转车的跟随时间(s)。

利用绿灯间隔穿越交叉口的左转车数为n₃，且有：

式中n₃——绿灯间隔期间穿越交叉口的左转车辆数(pcu/h)；

t_y——绿灯间隔时间(s)；

l——左转车辆驶离冲突点的起动、加速损失时间(s)；

c_左——左转车流连续通过交叉口的平均车头时距(s)。

此外，设信号周期内利用绿灯初期通过冲突点的左转车辆数为n₁，因此，无左转专用相时左转车道的通行能力满足式：

式中C——左转车道的通行能力(pcu/h)；

n₁——以第一种方式通过交叉口的左转车辆数；

n₂——以第二种方式通过交叉口的左转车辆数；

n₃——以第三种方式通过交叉口的左转车辆数。

二、延误模型的构建

无左转专用相位条件下，左转车辆通过信号交叉口产生的延误主要包括信号控制延误、冲突延误和其它延误。

(l)信号控制延误 当信号交叉口处于低饱和交通状态时，虽然不同周期内的车辆到达率随机变化，且可能出现排队车辆滞留现象，但是经过一两个周期后，滞留车辆将逐渐消散，即在较长的时间段内，进口道车辆到达和离开保持相对平衡。

信号控制延误时间表达式如下：

式中d——信号控制延误时间(s)；

x——饱和度，为车道流量与通行能力的比值；

g——一周期的有效绿灯时长(s)；

q——车道流量(pcu/s)；

C——周期时长(s)。

(2)冲突延误无信号交叉口次路车辆平均延误满足方程

式中d_次——次要道路车辆平均延误(s)；

D_min——亚当斯延误，次路车辆最小平均延误(s)；

x——饱和度，为车道流量与通行能力的比值；

γ，ε——常量，当车辆到达服从泊松分布时，γ＝0。

用车头时距满足M3分布得到延误计算公式：

式中q_主——主要道路的车流量(pcu/h)；

η——左转车最大通过数计算中部分优先权的影响系数；

α——自由行驶车流的比例；

λ——单位间隔的平均到达率；

t_a——在对向直行车具有部分优先权下左转车的临界间隙值(s)；

τ——直行车流的最小车头时距，一般取2s。

因此，可根据上式计算无左转专用相位条件下，左转车辆在冲突点处的延误。其中，左转车流为次要交通流，对向直行车流为主要交通流。

式中q_直——直行车道的车流量(pcu/h)；

γ，ε——常量，当车辆到达服从泊松分布时，γ＝0；

其余参数含义同上式。

同时，直行车流延误模型满足：

式中η——左转车最大通过数计算中部分优先权的影响系数；

α——自由行驶车流的比例；

x——饱和度，为车道流量与通行能力的比值；

λ——单位间隔的平均到达率；

t_f——左转车的跟随时间(s)；

t_a——在对向直行车具有部分优先权下左转车的临界间隙值(s)；

t_c——在对向直行车具有绝对优先权下左转车的临界间隙值(s)；

τ——直行车流的最小车头时距，一般取2s。

(3)其它延误

左转车辆通过信号交叉口的总行车延误还包括：l)加减速延误，即左转车辆在停车线处或冲突点处由于加速、减速而产生的延迟；2)反应延误，即驾驶员为确保安全，需观察信号交叉口内部车流运行情况而产生的延误；3)交织点延误，即左转车辆通过冲突点后需与同向行驶的车辆合流，因等待让行而产生的时间损耗。

三、在左转交通问题突出的城市信号交叉口，通过调查各进口车道交通流量、车头时距、左转车流临界间隙数据对通行能力模型及延误模型进行参数标定，当某进口道单位小时内通过的左转车流量超过左转专用相位的设置阈值，则考虑在相应进口道增设左转专用相位，通过分析交叉口实际运行情况，重新分配信号相位，并结合调查得出的交叉口小时车流量，计算各相位流量比，来重新设计交叉口的信号配时，以期交叉口运行情况得以改善。

本发明能够延误有所降低且通行能力基本保持稳定，左转专用相位起到了优化效果，交叉口服务水平得以提高，达到提升交叉口车辆通行效率的目的。

附图说明

图1为左转车流临界车头时距累计频率图；

图2为交叉口渠化图；

图3为交叉口位置及周边关系图；

图4为科技路—沈阳路交叉口信号配时图；

图5为科技路—沈阳路交叉口优化后信号配时图；

图6为车辆平均延误随左转车流量变化关系图；

图7为VISSIM仿真效果图。

具体实施方式

在新旧两种信号配时方案情况下，通过上述给出的通行能力模型和延误模型，分别计算出各进口车道的延误及交叉口的总延误，得到交叉口的所有车辆的平均延误来进行定量分析。下面给出了一交叉口的改进实施例，涉及了具体的设计过程，过程最后结合VISSIM仿真软件，进一步验证了此方法的可行性。在新旧两种信号配时方案情况下，通过上述给出的通行能力模型和延误模型，分别计算出各进口车道的延误及交叉口的总延误，得到交叉口的所有车辆的平均延误来进行定量分析。在新的信号配时条件下，若延误有所降低且通行能力基本保持稳定，则左转专用相位起到了优化效果，交叉口服务水平得以提高，考虑接受新的信号配时方案。

实施例1

A、交通特性数据调查及行为分析

对威海市科技-吉林路南方向车辆到达规律进行调查，统计的时间间隔为30s，得到50组数据，经计算S²/X＝0.94，近似为1，因此假设观测数据为泊松分布，对其进行卡方检验，证得在显著水平95％的情况下，χ²＝6.02<χ²_0.05(3)＝7.815，接受原假设，即左转车辆的到达符合泊松分布。

车头时距是指连续两辆车的车头通过某一断面时的时间间隔，调查80组有效直行车流车头时距及80组左转车流车头时距(见表1)，整理分析得平均饱和车头时距直行为2.36s/pcu、左转为2.15s/pcu。因此饱和流量S_直＝1525(量/小时/车道)，S_左＝1674(量/小时/车道)。

表1交叉口直行/左转车流车头时距统计 (s)

定义前后直行车辆间没有左转车辆通过时的车头时距为拒绝间隙，前后直行车辆间有左转车辆通过时的车头时距为可接受间隙。以视频观测方式记录左转车辆在冲突点处等待直行车流中出现可插车间隙的过程，得到拒绝间隙81个，接受间隙27个。以0.5秒为单位，将所得的车头时距进行分类，进而得到累积拒绝频率和累积接受频率，可得累计曲线表。

绘制拒绝间隙和接受间隙的累积频率曲线图，如图1所示。由两条曲线的交点为临界间隙值，得信号交叉口左转车辆穿越对向直行车辆的临界间隙约为4.5s。

B、交叉口特性调查

选取威海市科技路-沈阳路信号控制交叉口作为研究对象，交叉口渠化图、交叉口位置及周边情况如图2、3所示。

该交叉口高峰期间采用三相位信号控制方案，信号周期时长为120s，南进口无左转专用相位，交叉口信号配时情况如图4所示。

C、左转专用相位设置研究

调查该交叉口早高峰期间各进口道流量流向情况，由左转专用相位的流量阈值计算公式，计算各进口设置左转专用相位的流量临界值，将左转交通量与流量临界值进行对比，所得结果如表2。

表2实测左转交通量与流量阈值对比

由上表，经计算得南进口实测左转交通量大于设置阈值，符合设置左转专用相位的流量设置条件。

由调查标定参数结果如下：单车道饱和流量直行为1525辆/小时，左转为1673辆/小时，又每相位信号损失时间为3s，故在南方向设置左转专用相位情况下，各相位流量比大小如表3所示。

表3各相位流量比情况

将周期定为130s，由上表计算交叉口新的配时方案，得到各相位信号配时参数如表4所示、信号配时图图5所示。

表4南北设置左转专用相位后的信号配时 (s)

D、左转相位设置依据的确定

以沈阳-科技路为研究对象，东西方向直行车流量q_T1＝0.1pcu/s,左转车流量q_L＝0.05pcu/s，南北方向直行车流量q_T2＝0.14pcu/s，在南北方向左转车流量逐渐变化的情况下，计算设置左转专用相位前后交叉口平均延误，计算结果如图6所示。

由图可知，当左转车流量较少时，未设置左转专用情况下延误值较低，随着左转车流量逐渐增加，交叉口车辆的平均延误逐渐增加，当左转车流量达到0.067pcu/s(320.1pcu/h)，两种情况下延误值相等，即0.067pcu/s是所求的南进口左转交通量临界值。

在上述信号方案下改变南北直行车流量，求出不同情况下左转车流量的临界值，如表5所示。

表5左转专用相位设置临界条件

根据上述计算结果，东西直行车辆流量不变的情况下，随着对向直行车流量增加，设置左转专用相位的流量临界值下降。在南北直行车流量为0.14pcu/s的情况下，将东西方向直行车流量由0.12pcu/s增加至0.14pcu/s，得左转车流量临界值为0.044pcu/s。

E、左转相位设置效果评价

由所采用模型及参数，计算设置左转专用相位前后各进口车流平均延误值，结果如表6所示。

表6南北设置左转专用相位前后延误对比表 (s)

计算设置左转专用相位前后，信号交叉口的延误大小，设置左转专用相位后，交叉口平均延误由44.6变为48.8秒。信号交叉口服务水平的划分标准如表所示，而我国服务水平评价现分为四级，其中，一级相当于HCM2000的A、B级，二级相当于C级，三级相当于D级，四级相当于E、F级。可以看出，以延误为评价指标时，设置左转专用相位前后，该信号交叉口的服务水平均为三级。可知，以延误为评价指标，设置左转专用相位前后，该交叉口服务水平为三级。

表7HCM2000信号交叉口服务水平划分标准

综合整理设置东西方向左转专用相位前后，各评价指标的变化情况如表7所示。左转专用相的设置有效提高了左转车道的通行能力，消除了信号交叉口内的冲突延误，虽然信号配时方案由三相位变为四相位，导致部分进口道延误及交叉口平均延误有所增加，但各进口道的车辆延误时间更加平均。因此，该左转车流组织方案可以改善交叉口的通行效率，实现优化车流组织的效果。

表8设置左转专用相位前后各评价指标对比

G、仿真结果比较与分析

应用VISSIM仿真软件，对科技—沈阳路交叉口车流运行情况进行模拟分析，通过输入信号配时、流量、速度、车辆类型比例等参数，仿真图如7所示。

输入各参数后，选中平均排队长度、延误、停车等评价指标，进行节点评价，通过更改信号配时，分别输出设置左转专用相位前后的评价指标，如表9、10所示。

表9设置左转专用相位前评价指标输出

表10设置左转专用相位后评价指标输出

由VISSIM仿真输出结果，设置左转专用相位前交叉口车辆平均延误为41.9s，设置左转专用相位后，交叉口车辆平均延误为53.8s，各进口延误变化值如表11所示，由结果可知，设置左转专用相位使各转向车流延误大小更为平均，并有效降低了相关左转车道的延误。

表11设置左转专用相位前后延误对比 (s)

将仿真所得延误与理论计算进行对比，理论计算为别为44.6s、48.8s，仿真所得结果分别为41.9s、53.8s，相对误差分别为6％、10％，差值较小，所得结果满足要求。

4)影响评价精度的因素

(l)左转专用相位设置研究方面，对行人和非机动车的影响考虑不足。

(2)参数标定主要是依据收集到的数据整理分析所得，由于各地驾驶员及道路条件的差异，因此所得模型可能不适用于其它城市交叉口。

(3)左转车道排队溢出时，左转车道与相邻车道关系待进一步研究。