一种基于动态车道控制的交叉口交通设计系统及车辆运行方法

本发明属于交通工程领域，具体涉及一种基于动态车道控制的交叉口交通设计系统及车辆运行方法。

背景技术：

1、目前，国内外信号控制交叉口普遍采用常规交叉口(conventionalintersection)设计，即通过设置左转保护相位以避免交叉口左转和直行冲突，同时各车道仅允许左转、直行和驶出车流中的一种车流使用，且出口车道应位于左转车道左侧、左转车道位于直行车道左侧，多种因素导致交叉口道路通行资源利用率不高，容易出现高峰时段交通拥堵现象。

2、为此，国内外提出了包括借道左转交叉口(contraflow left-turn lane)、排阵式交叉口(tandem intersection)、连续流交叉口(continuous flow intersection)、平行流交叉口(parallel flow intersection)、对称上游交叉口(upstream signalizedcrossover，双钮型交叉口(double crossover intersection)和对称交叉口(symmetricintersection)在内的多种非常规交叉口设计(unconventional arterial intersectiondesigns)，通过特殊的几何设计和运行规则以提升交叉口通行能力，部分非常规交叉口相对于常规交叉口能提升1倍左右的通行能力，通行能力提升幅度显著。但正是由于非常规交叉口特殊的几何设计和运行规则，导致各种类型非常规交叉口只适用于特定的交通场景，在其它交通场景下交叉口通行效率反而可能降低。而非常规交叉口的实施需要进行大规模交叉口工程改造，一经落地，便不可随意更换交叉口类型，同时各流向所使用车道数也不能随意改变。考虑到交叉口各流向交通量和交通组成具有随机波动性，在一天中不同时段差异性较大，导致建造非常规交叉口只在部分时段能够改善交叉口通行效率，在其它时段反而可能恶化交叉口通行效率，从而使非常规交叉口实地工程应用的可行性并不高，在城市交叉口难以大规模推广应用。

3、常规交叉口运行规则简单，是国内外普遍采用的交叉口设计方案，但其通行能力不高。非常规交叉口能够显著提升交叉口通行能力，但各种类型的非常规交叉口只适用于特定的交通场景，在其它交通场景通行效率反而降低，实用性不佳。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决现有非常规交叉口只适用特定交通场景，在其它交通场景通行效率反而降低的问题，而提出的一种基于动态车道控制的交叉口交通设计系统及车辆运行方法。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

3、一种基于动态车道控制的交叉口交通设计系统，所述系统以各方向道路相交的交叉口作为主信号交叉口，将主信号交叉口的道路西、南、东和北四个方向分别编号为j∈{1,2,3,4}，即将西向编号为j＝1、将南向编号为j＝2、将东向编号为j＝3、将北向编号为j＝4；并在主信号交叉口各方向道路的进口和出口最外侧增设右转专用车道；

4、右转专用车道采用下述的方式(1)或方式(2)进行设置：

5、(1)在进口和出口的外侧进行扩建，将扩建的车道作为右转专用车道，以供右转车辆行驶，如图1所示；

6、(2)将道路进口的最外侧车道和出口的最外侧车道作为右转专用车道，如图2所示；

7、若路口便于扩建，则采用方式(1)，否则路口不便于扩建，则采用方式(2)；

8、分别在各方向道路的路段上设置预信号交叉口，将西向、南向、东向和北向的预信号交叉口分别编号为m∈{1,2,3,4}，即将西向的预信号交叉口编号为m＝1、将南向的预信号交叉口编号为m＝2、将东向的预信号交叉口编号为m＝3、将北向的预信号交叉口编号为m＝4，预信号交叉口的长度为lm,pi；

9、预信号交叉口长度lm,pi应在合理范围内，以满足各种交通组织方式各流向车辆转弯半径的需要。

10、将预信号交叉口至主信号交叉口之间除最外侧右转专用车道外的所有车道划分为综合功能区，综合功能区内的全部车道组成的集合为车道集kj,1，以预信号交叉口至主信号交叉口的方向为参考方向，在综合功能区内处于右侧的车道为进口侧，处于左侧的车道为出口侧，如图3所示，将综合功能区内，从进口侧往出口侧的各车道分别编号为k∈kj,1＝{1,2,…,nj}，综合功能区内的车道总数为nj，其中，进口车道的总数为nj,1，出口车道的总数为nj,2，满足nj,1+nj,2＝nj；

11、综合功能区的长度为lj,mua，通过调整综合功能区内车道的车道行车方向和车道功能，以满足各种交通组织方式的需要；

12、车道行车方向是指：车辆从预信号交叉口往主信号交叉口行驶，或者从主信号交叉口往预信号交叉口行驶；

13、车道功能是指：将车道作为左转车道、直行车道或左转直行共用车道；

14、综合功能区长度lj,mua应在合理范围内，以满足各种交通组织方式的需要，避免车辆排队溢出，破坏各种交通组织方式稳定的运行状态。

15、将预信号交叉口至主信号交叉口之间作为预信号交叉口的一侧，对预信号交叉口另一侧(与往主信号交叉口一侧的相反一侧)除最外侧右转专用车道外的所有车道进行编号，将预信号交叉口另一侧的从进口侧往出口侧的车道分别编号为k∈kj,2＝{nj+1,nj+2,…,2nj}，kj,2表示在预信号交叉口另一侧、除最外侧右转专用车道外的所有车道组成的集合。

16、车道集kj,1和车道集kj,2内包含的车道总数相同，即车道集kj,1和车道集kj,2内包含的车道总数均为nj，若预信号交叉口另一侧由于中央分隔带的存在导致车道集kj,2的车道总数不为nj，则通过设置进口展宽车道或者出口展宽车道调整中央分隔带以保证车道集kj,2中车道总数为nj，最终使车道集kj,2中进口车道总数为n′j,1、出口车道总数为n′j,2，满足n′j,1+n′j,2＝nj；

17、在车道集kj,2中，进口车道的车道功能允许调整，进口车道的车道行车方向不允许调整，出口车道的车道功能和车道行车方向均不允许调整；

18、在车道集kj,1和车道集kj,2中，通过地面标记和交通标志对各车道进行编号，以提示驾驶员当前行驶车道所属车道编号以及前方车道集所有车道对应编号。

19、进口展宽车道和出口展宽车道设置长度为lj，lj应足够长，以避免因车道数突变导致车道集kj,2中相同流向行驶车道存在交通特性差异。

20、优选的，在所述主信号交叉口处，对于任一流向车流，该流向车流驶入主信号交叉口的行驶车道数不大于该流向车流从主信号交叉口驶出的行驶车道数。

21、优选的，所述系统在预信号交叉口处为车道集kj,1和车道集kj,2中的各车道设置预信号灯，即在预信号交叉口处设置车道级的预信号灯，每条车道受相应车道信号灯控制，在主信号交叉口处为车道集kj,1中的各车道设置主信号灯，预信号灯和主信号灯用于控制车辆是否允许放行，其中，绿灯代表通行，红灯代表禁行；

22、预信号灯和主信号灯还用于控制车辆在下一组车道集中所允许驶入的车道(例如，当前车道上的车辆可驶入车道编号为3和4的车道)；

23、在主信号交叉口和预信号交叉口处的车道信号灯协同控制，以避免两股冲突车流同时使用某条车道，造成行车安全隐患。

24、优选的，采用常规交叉口交通组织方式，在所述车道集kj,1中，从进口侧往出口侧分别将车道划分为直行进口车道、左转进口车道和出口车道，车道数关系为：nj,1,1+nj,1,2＝nj,1，nj,2,1＝nj,2,2＝nj,2，nj,1+nj,2＝nj；

25、其中，nj,1,1代表方向j的车道集kj,1中左转进口车道数，nj,1,2代表方向j的车道集kj,1中直行进口车道数，nj,1代表方向j的车道集kj,1中进口车道的车道数，nj,2,1代表方向j的车道集kj,1中左转出口车道数，nj,2,2代表方向j的车道集kj,1中直行出口车道数，nj,2代表方向j的车道集kj,1中出口车道的车道数；

26、在车道集kj,2中，从进口侧往出口侧分别将进口车道划分为直行进口车道和左转进口车道，出口车道供左转出口和直行出口共用，车道数关系为：n′j,1,1+n′j,1,2＝n′j,1，n′j,2,1＝n′j,2,2＝n′j,2，n′j,1+n′j,2＝nj；

27、其中，n′j,1,1代表方向j的车道集kj,2中左转进口车道数，n′j,1,2代表方向j的车道集kj,2中直行进口车道数，n′j,1代表方向j的车道集kj,2中进口车道的车道数，n′j,2,1代表方向j的车道集kj,2中左转出口车道数，n′j,2,2代表方向j的车道集kj,2中直行出口车道数，n′j,2代表方向j的车道集kj,2中出口车道的车道数。

28、优选的，采用借道左转交叉口交通组织方式，在所述车道集kj,1中，从进口侧往出口侧分别将车道划分为直行进口车道、左转进口车道和出口车道，车道数关系为：nj,1,1+nj,1,2＝nj,1，nj,2,1＝nj,2,2＝nj,2，nj,1+nj,2＝nj；

29、其中，nj,1,1代表方向j的车道集kj,1中左转进口车道数，nj,1,2代表方向j的车道集kj,1中直行进口车道数，nj,1代表方向j的车道集kj,1中进口车道的车道数，nj,2,1代表方向j的车道集kj,1中左转出口车道数，nj,2,2代表方向j的车道集kj,1中直行出口车道数，nj,2代表方向j的车道集kj,1中出口车道的车道数；

30、将距左转进口车道最近的nj,1,1,cll个出口车道划分为借道左转车道，借道左转车道数小于出口车道数nj,1,1,cll≤nj,2-1；

31、在车道集kj,2中，从进口侧往出口侧分别将进口车道划分为直行进口车道和左转进口车道，出口车道供左转出口和直行出口共用，车道数关系为：n′j,1,1+n′j,1,2＝n′j,1，n′j,2,1＝n′j,2,2＝n′j,2，n′j,1+n′j,2＝nj；

32、其中，n′j,1,1代表方向j的车道集kj,2中左转进口车道数，n′j,1,2代表方向j的车道集kj,2中直行进口车道数，n′j,1代表方向j的车道集kj,2中进口车道的车道数，n′j,2,1代表方向j的车道集kj,2中左转出口车道数，n′j,2,2代表方向j的车道集kj,2中直行出口车道数，n′j,2代表方向j的车道集kj,2中出口车道的车道数。

33、优选的，采用排阵式交叉口交通组织方式，在所述车道集kj,1中，从进口侧往出口侧分别将车道划分为进口车道和出口车道；

34、车道数关系为：nj,1,1≤nj,1，nj,1,2≤nj,1，nj,2,1＝nj,2,2＝nj,2，nj,1+nj,2＝nj；

35、其中，nj,1,1代表方向j的车道集kj,1中左转进口车道数，nj,1,2代表方向j的车道集kj,1中直行进口车道数，nj,1代表方向j的车道集kj,1中进口车道的车道数，nj,2,1代表方向j的车道集kj,1中左转出口车道数，nj,2,2代表方向j的车道集kj,1中直行出口车道数，nj,2代表方向j的车道集kj,1中出口车道的车道数；

36、在车道集kj,2中，从进口侧往出口侧分别将进口车道划分为直行进口车道和左转进口车道，出口车道供左转出口和直行出口共用，车道数关系为：n′j,1,1+n′j,1,2＝n′j,1，n′j,2,1＝n′j,2,2＝n′j,2，n′j,1+n′j,2＝nj；

37、其中，n′j,1,1代表方向j的车道集kj,2中左转进口车道数，n′j,1,2代表方向j的车道集kj,2中直行进口车道数，n′j,1代表方向j的车道集kj,2中进口车道的车道数，n′j,2,1代表方向j的车道集kj,2中左转出口车道数，n′j,2,2代表方向j的车道集kj,2中直行出口车道数，n′j,2代表方向j的车道集kj,2中出口车道的车道数。

38、优选的，采用连续流交叉口交通组织方式，在所述车道集kj,1中，从进口侧往出口侧分别将车道划分为直行进口车道、出口车道和左转进口车道，车道数关系为：nj,1,1+nj,1,2＝nj,1，nj,2,1＝nj,2,2＝nj,2，nj,1+nj,2＝nj；

39、其中，nj,1,1代表方向j的车道集kj,1中左转进口车道数，nj,1,2代表方向j的车道集kj,1中直行进口车道数，nj,1代表方向j的车道集kj,1中进口车道的车道数，nj,2,1代表方向j的车道集kj,1中左转出口车道数，nj,2,2代表方向j的车道集kj,1中直行出口车道数，nj,2代表方向j的车道集kj,1中出口车道的车道数；

40、在车道集kj,2中，从进口侧往出口侧分别将进口车道划分为直行进口车道和左转进口车道，出口车道供左转出口和直行出口共用，车道数关系为：n′j,1,1+n′j,1,2＝n′j,1，n′j,2,1＝n′j,2,2＝n′j,2，n′j,1+n′j,2＝nj；

41、其中，n′j,1,1代表方向j的车道集kj,2中左转进口车道数，n′j,1,2代表方向j的车道集kj,2中直行进口车道数，n′j,1代表方向j的车道集kj,2中进口车道的车道数，n′j,2,1代表方向j的车道集kj,2中左转出口车道数，n′j,2,2代表方向j的车道集kj,2中直行出口车道数，n′j,2代表方向j的车道集kj,2中出口车道的车道数。

42、优选的，采用平行流交叉口交通组织方式，在所述车道集kj,1中，从进口侧往出口侧分别将车道划分为左转进口车道、左转出口车道、直行进口车道和直行出口车道，车道数关系为：nj,1,1+nj,1,2＝nj,1，nj,2,1+nj,2,2＝nj,2，nj,1+nj,2＝nj；

43、其中，nj,1,1代表方向j的车道集kj,1中左转进口车道数，nj,1,2代表方向j的车道集kj,1中直行进口车道数，nj,1代表方向j的车道集kj,1中进口车道的车道数，nj,2,1代表方向j的车道集kj,1中左转出口车道数，nj,2,2代表方向j的车道集kj,1中直行出口车道数，nj,2代表方向j的车道集kj,1中出口车道的车道数；

44、在车道集kj,2中，从进口侧往出口侧分别将进口车道划分为左转进口车道和直行进口车道，出口车道供左转出口和直行出口共用，车道数关系为：n′j,1,1+n′j,1,2＝n′j,1，n′j,2,1＝n′j,2,2＝n′j,2，n′j,1+n′j,2＝nj；

45、其中，n′j,1,1代表方向j的车道集kj,2中左转进口车道数，n′j,1,2代表方向j的车道集kj,2中直行进口车道数，n′j,1代表方向j的车道集kj,2中进口车道的车道数，n′j,2,1代表方向j的车道集kj,2中左转出口车道数，n′j,2,2代表方向j的车道集kj,2中直行出口车道数，n′j,2代表方向j的车道集kj,2中出口车道的车道数。

46、优选的，采用对称上游交叉口交通组织方式，在所述车道集kj,1中，从进口侧往出口侧分别将车道划分为出口车道、直行进口车道和左转进口车道，车道数关系为：nj,1,1+nj,1,2＝nj,1，nj,2,1＝nj,2,2＝nj,2，nj,1+nj,2＝nj；

47、其中，nj,1,1代表方向j的车道集kj,1中左转进口车道数，nj,1,2代表方向j的车道集kj,1中直行进口车道数，nj,1代表方向j的车道集kj,1中进口车道的车道数，nj,2,1代表方向j的车道集kj,1中左转出口车道数，nj,2,2代表方向j的车道集kj,1中直行出口车道数，nj,2代表方向j的车道集kj,1中出口车道的车道数；

48、在车道集kj,2中，从进口侧往出口侧分别将进口车道划分为直行进口车道和左转进口车道，出口车道供左转出口和直行出口共用，车道数关系为：n′j,1,1+n′j,1,2＝n′j,1，n′j,2,1＝n′j,2,2＝n′j,2，n′j,1+n′j,2＝nj；

49、其中，n′j,1,1代表方向j的车道集kj,2中左转进口车道数，n′j,1,2代表方向j的车道集kj,2中直行进口车道数，n′j,1代表方向j的车道集kj,2中进口车道的车道数，n′j,2,1代表方向j的车道集kj,2中左转出口车道数，n′j,2,2代表方向j的车道集kj,2中直行出口车道数，n′j,2代表方向j的车道集kj,2中出口车道的车道数。

50、一种基于动态车道控制的交叉口交通设计系统的车辆运行方法，所述车辆运行方法为：

51、将西左转、西直行、南左转、南直行、东左转、东直行、北左转和北直行车流分别编号为i∈{1,2,3,4,5,6,7,8}(即，将西左转车流编号为i＝1、将西直行车流编号为i＝2、将南左转车流编号为i＝3、将南直行车流编号为i＝4、将东左转车流编号为i＝5、将东直行车流编号为i＝6、将北左转车流编号为i＝7、将北直行车流编号为i＝8)；

52、西左转车流i＝1从西向车道集kj＝1,2中的左转进口车道(车道数为n′j＝1,1,1)经西向预信号交叉口m＝1的车道信号灯控制，驶入西向车道集kj＝1,1中的左转进口车道(车道数为nj＝1,1,1)；再经主信号交叉口的车道信号灯控制，驶入北向车道集kj＝4,1中的左转出口车道(车道数为nj＝4,2,1)；最后经北向预信号交叉口m＝4的车道信号灯控制，驶入北向车道集kj＝4,2中的左转出口车道(车道数为n′j＝4,2,1)，完成整个左转过程；

53、西直行车流i＝2从西向车道集kj＝1,2中的直行进口车道(车道数为n′j＝1,1,2)经西向预信号交叉口m＝1的车道信号灯控制，驶入西向车道集kj＝1,1中的直行进口车道(车道数为nj＝1,1,2)；再经主信号交叉口的车道信号灯控制，驶入东向车道集kj＝3,1中的直行出口车道(车道数为nj＝3,2,2)；最后经东向预信号交叉口m＝3的车道信号灯控制，驶入东向车道集kj＝3,2中的直行出口车道(车道数为n′j＝3,2,2)，完成整个直行过程；

54、南左转车流i＝3从南向车道集kj＝2,2中的左转进口车道(车道数为n′j＝2,1,1)经南向预信号交叉口m＝2的车道信号灯控制，驶入南向车道集kj＝2,1中的左转进口车道(车道数为nj＝2,1,1)；再经主信号交叉口的车道信号灯控制，驶入西向车道集kj＝1,1中的左转出口车道(车道数为nj＝1,2,1)；最后经西向预信号交叉口m＝1的车道信号灯控制，驶入西向车道集kj＝1,2中的左转出口车道(车道数为n′j＝1,2,1)，完成整个左转过程；

55、南直行车流i＝4从南向车道集kj＝2,2中的直行进口车道(车道数为n′j＝2,1,3)经南向预信号交叉口m＝2的车道信号灯控制，驶入南向车道集kj＝2,1中的直行进口车道(车道数为nj＝2,1,2)；再经主信号交叉口的车道信号灯控制，驶入北向车道集kj＝4,1中的直行出口车道(车道数为nj＝4,2,2)；最后经北向预信号交叉口m＝4的车道信号灯控制，驶入北向车道集kj＝4,2中的直行出口车道(车道数为n′j＝4,2,2)，完成整个直行过程；

56、东左转车流i＝5从东向车道集kj＝3,2中的左转进口车道(车道数为n′j＝3,1,1)经东向预信号交叉口m＝3的车道信号灯控制，驶入东向车道集kj＝3,1中的左转进口车道(车道数为nj＝3,1,1)；再经主信号交叉口的车道信号灯控制，驶入南向车道集kj＝2,1中的左转出口车道(车道数为nj＝2,2,1)；最后经南向预信号交叉口m＝2的车道信号灯控制，驶入南向车道集kj＝2,2中的左转出口车道(车道数为n′j＝2,2,1)，完成整个左转过程；

57、东直行车流i＝6从东向车道集kj＝3,2中的直行进口车道(车道数为n′j＝3,1,2)经东向预信号交叉口m＝3的车道信号灯控制，驶入东向车道集kj＝3,1中的直行进口车道(车道数为nj＝3,1,2)；再经主信号交叉口的车道信号灯控制，驶入西向车道集kj＝1,1中的直行出口车道(车道数为nj＝1,2,2)；最后经西向预信号交叉口m＝1的车道信号灯控制，驶入西向车道集kj＝1,2中的直行出口车道(车道数为n′j＝1,2,2)，完成整个直行过程；

58、北左转车流i＝7从北向车道集kj＝4,2中的左转进口车道(车道数为n′j＝4,1,1)经北向预信号交叉口m＝4的车道信号灯控制，驶入北向车道集kj＝4,1中的左转进口车道(车道数为nj＝4,1,1)；再经主信号交叉口的车道信号灯控制，驶入东向车道集kj＝3,1中的左转出口车道(车道数为nj＝3,2,1)；最后经东向预信号交叉口m＝3的车道信号灯控制，驶入东向车道集kj＝3,2中的左转出口车道(车道数为n′j＝3,2,1)，完成整个左转过程；

59、北直行车流i＝8从北向车道集kj＝4,2中的直行进口车道(车道数为n′j＝4,1,2)经北向预信号交叉口m＝4的车道信号灯控制，驶入北向车道集kj＝4,1中的直行进口车道(车道数为nj＝4,1,2)；再经主信号交叉口的车道信号灯控制，驶入南向车道集kj＝2,1中的直行出口车道(车道数为nj＝2,2,2)；最后经南向预信号交叉口m＝2的车道信号灯控制，驶入南向车道集kj＝2,2中的直行出口车道(车道数为n′j＝2,2,2)，完成整个直行过程。

60、本发明的有益效果是：

61、本发明通过在各方向路段上设置预信号交叉口，将预信号交叉口与主信号交叉口之间除右转专用车道外的所有车道划分为综合功能区，综合功能区的所有车道可动态调整车道功能和车道行车方向，同时在主、预信号交叉口处配套设置车道信号灯，用于控制各车道是否允许放行以及允许驶入下一组车道集中的哪些车道，实现运营期常规交叉口、借道左转交叉口、排阵式交叉口、连续流交叉口、平行流交叉口、对称上游交叉口中交通组织方式单一及组合设置的动态切换，同时也可动态调整各流向使用车道数，动态匹配各流向交通量及交通组成需求，适应交叉口交通需求随机波动的特性，在各种交通场景下均可最大化提升交叉口通行效率。