在待行区内几乎不停车的信号控制方法、系统和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及交通信息工程及控制领域，特别涉及城市地面交通路网的一种可设有 待行区的路口的交通信号控制（TrafficControl，TC)的方法、系统和设备。
[0002] 发明背景
[0003]TC系统发展已上百年，帮助实现了世界社会经济的繁荣发展。但因机动化进程远 超修路速度，交通伤害和拥堵广泛发生，尾气污染严重。影响了广大国民的出行时间和身心 健康，成为严重影响国民经济发展的瓶颈。2010年联合国大会十年安全计划认为，问题应由 TC系统设计者负主要责任，而不是道路使用者。设计者主要包括道路管理者、汽车行业、警 察、政界人士和立法机构。道路使用者仅负有遵纪守法的责任。
[0004] 中国专利ZL201010103079. 2和俄罗斯、美国、澳大利亚已授权专利PCT/ CN2011/070879中，本发明人首次指出：行人和非机动车通行能力可通过拓宽其过路宽度 而增加。故无论其流量需求有多么大，不应、也不必争抢绿灯时间。而受限于路口四角建筑 物，进口车道数量难以增加，故绿灯配时应特别关照那些存在机动车之间冲突的车流，统称 为框架车流。
[0005] 貌似已经饱和的交通时空资源还存在巨大的整合余地，比如，早在2001年本发明 人就曾发现，并于2001-11-28通过公开专利文献CN1324062向全世界公开（文字略有修 改）：
[0006] 待行区可设原理：在实行右侧行车规则的国家和地区，若信号交叉口的各进口道 从路中到路边按左、直、右排列，则各同一进口道"先直后左"的相位顺序，可使某框架车流 j专用进口车道向路口内连续延伸的一块区域上，在紧贴其出口放行前的一段时间内，无其 它交通流通行；则该块区域可设为框架车流j的待行区，允许框架车流j在该段时间进入； 该段时间称为提前进入时间G1];待行区终点线为二次停车线；且所有框架车流皆可设待行 区。
[0007] 例1:"东、南、西、北顺时针单放"的相位顺序亦可使所有框架车流皆可设自己的 待行区。相比而言，各同一进口道"先直后左"的相位顺序的待行区可更长些。
[0008] 为疏通交通，这些可设待行区的空间资源和可提前进入的时间资源应合理开发利 用。
[0009] 中国最早出现的是左转待行区，提出两个设置条件：
[0010] 1)信号控制要求设左转专用相位，相位顺序安排为同一进口道先直后左；
[0011] 2)左转待行区需设在对向内侧直行车道外侧，免妨碍对向直行车辆通过路口。
[0012] 此设置方法源于国家标准GB5768-1999《道路交通标志和标线》中左弯待转区线 及其说明:"用来指示左转弯车辆可在官行緑灯亮目.左转红灯亮时讲入待转区等待左转"。
[0013] 在当时，能够提出这种左转待行区设置方法是一个创举，但划线的文字说明却背 离了"信号灯专灯专用原则"。为改正此错误，在论文"多相位交叉口半幅路权控制系统及其 变形的设计方法"（[J]，《公路交通技术》，2005,No. 4)中，本发明人明确提出了如下建议：
[0014]在路口设置"只能赋予交通流进入前半幅路面的信号灯信号为前半幅路权信号， 只能赋予交通流进入后半幅路面的信号灯信号为后半幅路权信号，前后半幅信号同时起亮 为按整幅路权放行的信号灯信号。所有信号灯组各自安置在各自所指挥的交通流能明显看 到的地方。"
[0015] 十几年来，在路口设置待行区的现象已风靡国内外，但技术尚不成熟，也不统一， 尚存诸多弊端需解决，尚存在许多争议。存有如下四类技术问题需要解决：
[0016] 需要解决的抟术问是页
[0017]第1类、目前待行区技术存在二次停车线前"停车待行"现象，导致存在6个技术 问题：
[0018] 1)停车待行使待行区有可能存在2次放行中间的绿灯时间损失，如附图2 ;
[0019] 2)2次放行中间停车增加了除放行首末外的放行中额外的绿灯损失时间1 ;
[0020] 3) 2次放行中间停车将诱发冲突方向大量行人和非机动车"集体闯红灯过马路"的 行为，冒险得逞后的违法者不但不自省，反倒洋洋得意，难以惩罚、教育；
[0021] 4)冲突方向行人和非机动车"集体闯红灯过马路"增加冲突危险，导致后高峰推 迟，增加后续绿灯损失时间，也更诱发更多的"集体闯红灯过马路"行为恶性循环；
[0022] 5)2次放行中间停车隔断了待行区路口与相邻路口间的不停车协调控制；
[0023] 6)"设待行区引起车辆平均停车次数增加，存在减速停车再加速过程中的油耗损 失、尾气污染和刹车噪音"（见《信号路口机动车左转待行区的设置研究》[J]，《交通与运输》 2006 (B12)32-36)。
[0024] 北京市大气污染防治条例规定"机动车驾驶员在停车三分钟以上时，应当熄灭发 动机"。说明：1)机动车停车不熄灭发动机确实污染大气；2)存在TC方案某红灯时间超过 3分钟。
[0025] 第2类、目前实施的待行区技术皆未见准确给出符合"信号灯专灯控制原则"的 信号灯组的实设方法和各信号灯信号的统一路权含义，行走全国各地的驾驶员难以准确遵 从。
[0026] 第3类、目前实施的待行区技术普遍待行区长度较短或待行区车道数不多，往往 使附图2的前波放行达不到饱和峰值，绿灯损失时间1将随绿灯进入时间和一起 变大，难以确定，且Gjf尚未利用全部可提前进入时间。
[0027] 第4类、目前尚未见任何待行区路口通行能力的通用计算方法，使得目前实施的 待行区技术皆未能给出具体改善、提高路口通行能力的优化途径。
【发明内容】
：
[0028] 对目前设待行区后存在的这些实际技术问题，本发明人进行了一系列研究，初步 发现存在如下的客观科学规律，并据此提出一系列创新发明的技术方案，特此申请予以专 利保护：
[0029] 1、扩展研究领域的视野定理：扩展研究领域的视野，就是要在更大范围内寻找更 好、更实用、更高效的TC控制方案，且这样的TC控制方案恰恰就在新扩展的领域内。
[0030] 温故而知新，为有效扩展研究领域的视野，必须对传统TC领域有一个清楚的了 解：
[0031] 2、平交路口TC定理：在平交路口，不同交通流i、j经过的共同区域为其冲突区域； 为避免发生交通冲突，需要不同交通流分不同时间进入；在礼让方法难以提高通行效率时， 需通过TC强制分配各交通流路权：在各进口处设有停止线，在红灯信号工作时，所控交通 流必须有序停在停止线后面，为有路权的其它交通流让行；在绿灯和黄灯信号工作时，所控 交通流有权越过停止线，通过路口；如此可从空间和时间上分离不同交通流之间的交通冲 突。TC使交通流成为断续交通流，也使平交路口成为地面交通路网通行能力的瓶颈。能提 高瓶颈平交路口通行能力的任何方法和技术必将能同步提高地面交通路网的通行能力。
[0032] 3、道路交通信号控制机定义：是一种能够根据TC方案改变道路交通信号顺序、调 节配时并能控制道路交通信号灯运行的装置，简称信号机；具有参数设置程序；可把篮鱼 在同时工作的框架车流整幅放行緑灯纟目合定义为同一相位结构;同一相位结构绿灯不必同 时亮、灭，同一相位结构各绿灯同时部工作的时间阶段称为相位阶段，同一相位结构有的绿 灯允许具有早亮或迟断甚至搭接阶段；因存在绿灯早启、迟断或搭接而形成的不同开关点 相对位置的拓扑结构为相位框架。如一个周期的相位阶段数超过2个，则称为多相位控制； 各个相位阶段的先后工作顺序称为相位顺序，相位顺序也可以通过信号机内部参数的设置 来确定。
[0033] 注1 :为了适应待行区方案，此定义与GA47-2002《道路交通信号机》（中华人民共 和国公安部，中国公共安全行业标准）略有不同，区别在于有下划线部分；增加了"始终"和 "框架车流整幅放行緑灯纟目合"等限制字眼。因那些相互有潜在冲突的框架车流也可能有 瞬间同时出现整幅放行绿灯，俗称"绿冲突"，但并不"始终"存在（见各信号控制方案附图 12,13,15,16)，故它们的瞬间整幅放行绿灯组合并不构成相位结构；而增加"框架车流整幅 放行"是强调相位结构只对"框架车流整幅放行"有定义，排除了所有非框架车流和只具有 半幅放行路权的车流；缩小了定义面，当然就缩小了相位结构的复杂性和种类。
[0034] 4、信号灯专灯专用原则：信号灯控制须专灯专用，各交通流只应遵从自己的信号 灯信号，包括信号显示屏信息等，不应借助其它信号灯信号，如果错判路权则存有发生冲突 的危险。
[0035] 5、交通约束定理：TC方案需满足交通安全约束和一般速度行人的最小过路能力 约束。
[0036] 绿灯间隔时间定义：为避免交通冲突，相邻接一股交通流i绿灯结束时刻和下一 股冲突交通流j绿灯开始时刻之间须设绿灯间隔时间I,，作为TC方案需满足的安全参数； 相邻接的冲突相位阶段之间须设相位间隔时间，相位间隔时间大于等于其所包含的绿灯间 隔时间。
[0037] 行人信号控制定理：红灯清路时间（s)在数值上等于2/3人行道长度（m)，可保速 度不低于1. 5m/s的快速行人，即使在绿闪时间结束时进入人行道也能安全通过；绿闪时间 +红灯清路时间（s)在数值上等于人行道长度（m)，可保速度不低于1.Om/s的一般行人，即 使在绿灯时间结束时进入人行道也能安全通过；那些速度低于1. 〇m/s的慢速行人非每次 放行都出现，偶然出现时只需机动车驾驶员特别关照让行，不须特设信号灯信号予以保障。
[0038] 6、黄灯定理：运动中的车辆具有巨大动能，不能在0时间原地释放，在绿灯行与红 灯停之间需设有缓冲过渡阶段，国际通用黄灯；整个黄灯期间不能禁行；同是允行，黄灯有 别于绿灯之处是：可用有限且确定的统一公示的持续时间A警示"禁止通行的红灯将亮"； 且A的数值应足够大，以确保所有不能安全顺利停车者皆可在红灯亮之前越过路口停止 线，不必违法闯红灯。路口任何交通流，包括"快速行人"，其尾单元清空任务都始于其红灯 初启时刻。A的数值与路口大小无关，不负责路口的尾单元清空任务;A的数值依赖于进口 路面的坡度、刹车反应能力和路段最高限速等，应取各进口最大整数值。
[0039] 现实中确实存在黄灯期间进入路口的车辆与下一绿灯放行的首单元发生冲突的 现象，甚至十分惨烈。要严防此类事故的发生，应遵循《交通安全法》，凭证据严惩违规方。
[0040] 法理分析：《交通安全法》规定，进入路口的首单元应礼让路口内所有其它单元先 行。首单元角色可自知，必须履行礼让义务和责任；尾单元很难知道自己是尾单元，不知者 无罪。尾单元即使在黄灯临熄灭前越过进口停车线也是合法的，既谈不上"暂不处罚，以教 育为主"，更不能"黄灯禁行，违者扣3分罚500"。进口信号只分配交通流的进入路权，已进 入路口者不受其控，只能也必须继续前进；除首单元外都可先行。不必现场冒险制止违法 者，但可事后凭证据予以重罚。黄灯定理与有效绿灯时间等传统概念相容洽，并不危及交通 安全。
[0041] 执法可行：尽管首单元和闯红灯者违法都难以、也不必现场冒险拦截、当场处罚； 但有摄像记录作为违法证据，严格执法有据可依，可事后发送惩罚通知，使之痛改前非。
[0042] 效果预计：严格执法"首单元礼让尾单元"，必可使各首单元小心、谨慎，速度有所 降低。低速的首单元可使行人和非机动车精神愉悦，更有安全感。
[0043] 必要前提：TC方案的绿灯间隔时间需精细化设计，勿让守法"礼让"者等待过久； 更不能因绿灯间隔时间过长而诱导发生"集体违法闯红灯过马路"，民意不可欺。
[0044] 在传统无待行区的渠化情况，如附图1和4,有
[0045] 7、通行能力定理：路口的通行能力是路口各交通流通行能力的总和；路口框架车 流j的通行能力是通过其进口车道数，η,与有效绿灯放行时间Ge]通行能力的乘积来体现 的，有
[0046] Gej=Gj+A_l=Cλj(I)
[0047] 式中：Gj--车流j整幅绿灯时间，（s);
[0048] 1-绿灯损失时间，（s);按英国实测，1为1. 48s，其中黄末损失时间为0. 13s(? 通管理与控制》（第四版）[Μ].北京：人民交通出版社，2009年）_
[0049] C--周期时间长度，简称周期，（s);
[0050] λj=Gej/C--绿信比：有效绿灯放行时间Gej与周期C的比值。
[0051] 框架车流整幅绿灯时间&与绿灯间隔时间I^的先后有序衔接可形成周期路线：
[0052] C=E(G1+Ilj) (2)
[0053] 8、饱和度定义：车流j的饱和度q#实际交通流量Q占饱和通行能力GejnjQsj/C 之比：
[0054] q;=CQj/GeJnjQSJ=Q/λjnjQSJi^q(3)
[0055] 式中：Q.j-车流j的实际流量，（pcu/h);
[0056] Qsj-车流j的单车道饱和流量，（pcu/h);
[0057] rij--车流j的进口车道数；
[0058] q--饱和度上限。
[0059] 可记各绿信比需求上为：
[0060]Aj=Q.j/qnjQSj(4)
[0061] 例2 :在附图1传统标准十字路口，按照传统教科书推荐的各进口"先左后直"的 相位顺序（《交通管理与控制》(第酿刚.北京:人民交通出版社'誦年^如信号控制方案的周期C= 100s，各向 的黄灯4s，全红3s，则各Ilj= 7s;在实施"黄灯禁行"时期，4个关键框架车流绿信比总和Σλ 0.68;在"黄灯暂不处罚"后，也仅达Σλ0.84。平均每个框架车流每周期有 效放行时间仅达21s。
[0062] 9、传统关键路线定理：在实际方案设计中，在信号配时中起关键作用的车流为关 键车流，由关键车流组成的周期路线（2)为关键路线；若除等于最小绿灯时间者（饱和度较 小）外所有车流饱和度相近，则关键路线为周期损失时间L最小的周期路线。