一种城市主干道的路段交通掉头控制方法与流程

本发明涉及城市道路交通渠划和信号控制技术，具体涉及一种城市主干道的路段交通掉头控制方法。

背景技术：

主干道作为城市交通的大动脉和城市路网的骨架，具有道路宽度一般≥40m和路段长度一般≥500m的特征，是连通城市各功能分区的主要道路。城市主干道的交通运行情况直接影响到整个路网的服务水平。

为提高城市主干道的交通运行效率，将车辆掉头位置由交叉口转移到路段上的设置形式，已成为城市主干道掉头交通组织的重要发展趋势。已有的路段交通掉头控制方法，通常是直接移植交叉口的交通控制形式，将掉头车道设置在紧邻中央分隔带的位置，并采用常规两相位的信号控制策略分配掉头交通与直行交通的时间通行路权，对车辆的掉头过程进行交通管控。在这种常规方法的管控下，掉头车辆的行驶不顺畅，直行车辆的通行效率受到极大影响。同时，由于中央分隔带的宽度需要根据掉头车辆的转弯半径相应增加，路段的车辆可行驶区域也会受到相应影响。

为降低路段掉头车辆对直行车辆交通通行需求的影响，以及避免中央分隔带设置过宽而影响路段交通运行效率，本发明针对主干道路幅较宽的特点，提出了一种城市主干道的路段交通掉头控制方法。该方法在充分考虑掉头车辆交通运行特征的基础上，结合掉头交通与直行交通的运行需求，优化道路路段空间设计方案和信号控制方案，降低掉头车辆对直行车辆通行效率的影响，提高城市干线道路路段的通行能力和运行效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种城市主干道的路段交通掉头控制方法，优化路段掉头空间设计和信号控制方案，降低掉头车辆对直行车辆通行效率的影响，实现路段运行效率和服务水平的整体提升。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，采集路段上的道路设施信息和交通运行数据；

步骤二，根据步骤一中得到的道路设施信息和交通运行数据，换算和修正上行方向的直行交通等效流量、上行方向的掉头交通等效流量、下行方向的直行交通等效流量、下行方向的掉头交通等效流量，确定上行进口方向的车道配置方案，以及下行进口方向的车道配置方案；

步骤三，根据步骤一中得到的道路设施信息与步骤二中得到的上、下行方向的车道配置方案，结合掉头车辆的交通运行特征，确定上行进口方向的掉头车道位置设计方案，以及下行进口方向的掉头车道位置设计方案；

步骤四，根据步骤一中得到的道路设施信息、步骤二中得到的上行和下行方向的车道配置方案、步骤三中得到的上行和下行方向的掉头车道位置设计方案，结合掉头车辆的交通运行特征，确定路段中央分隔带的开口设计方案；

步骤五，根据步骤一中得到的交通运行数据、步骤二中得到的上行和下行方向的车道配置方案、步骤三中得到的上行和下行方向的掉头车道位置设计方案、步骤四中得到的路段中央分隔带开口设计方案，确定路段掉头控制的信号配时方案。

所述步骤一中，道路设施信息包括道路路段宽度L_sec、路段中央分隔带宽度L_sep、路段机动车道宽度L_veh、路段非机动车道宽度L_bike；交通运行数据包括上行方向的直行交通流量F_up,str、上行方向的掉头交通流量F_up,tur、下行方向的直行交通流量F_down,str、下行方向的掉头交通流量F_down,tur，以及上行方向直行交通的小型车比例U_str,sml、上行方向掉头交通的小型车比例U_tur,sml、上行方向直行交通的大型车比例U_str,lrg、上行方向掉头交通的大型车比例U_tur,lrg、下行方向直行交通的小型车比例D_str,sml、下行方向掉头交通的小型车比例D_tur,sml、下行方向直行交通的大型车比例D_str,lrg、下行方向掉头交通的大型车比例D_tur,lrg。

所述步骤二的具体步骤如下：

第一步，确定上行方向、下行方向的直行交通等效流量与掉头交通等效流量为：

E_up,str＝F_up,str(λ_smlU_str,sml+λ_lrgU_str,lrg)，E_up,tur＝F_up,tur(λ_smlU_tur,sml+λ_lrgU_tur,lrg)，

E_down,str＝F_down,str(λ_smlD_str,sml+λ_lrgD_str,lrg)，E_down,tur＝F_down,tur(λ_smlD_tur,sml+λ_lrgD_tur,lrg)

其中，E_up,str、E_up,tur、E_down,str、E_down,tur分别为上行方向的直行交通等效流量、上行方向的掉头交通等效流量、下行方向的直行交通等效流量、下行方向的掉头交通等效流量，且单位为pcu/h；F_up,str、F_up,tur、F_down,str、F_down,tur的单位为veh/h；λ_sml为小型车的当量小汽车换算系数，且λ_sml＝1；λ_lrg为大型车的当量小汽车换算系数，且λ_lrg＝2；

第二步，确定上行进口方向、下行进口方向的机动车道数为：

L_veh＝L_sec-L_bike-L_sep，L_sep＝(L_sec-L_bike)mod375

其中，N_up、N_down分别为上行进口方向的机动车道数、下行进口方向的机动车道数；N_sum为该路段的总机动车道数；L_sec、L_sep、L_veh、L_bike的单位为cm；mod为求余运算；

第三步，确定上行进口方向、下行进口方向的直行车道数和掉头车道数为：

其中，N_up,str、N_up,tur、N_down,str、N_down,tur分别为上行进口方向的直行车道数、上行进口方向的掉头车道数、下行进口方向的直行车道数、下行进口方向的掉头车道数。

所述步骤三的具体步骤如下：

从道路中央分隔带向道路两侧，机动车的车道从1开始排序；则上行进口方向掉头车道的计数起始值、下行进口方向掉头车道的计数起始值均为：其中，N为上行进口方向掉头车道，以及下行进口方向掉头车道的计数起始值；n为大于零的偶数，n≤2(N_up-N_up,tur)且n≤2(N_down-N_down,tur)；r为机动车的最小转弯半径，且大型车r＝1000、小型车r＝600，单位为cm；d为机动车的车辆宽度，且大型车d＝250、小型车r＝180，单位为cm；ceil表示返回大于或者等于指定表达式的最小整数。

所述步骤四的具体步骤如下：路段中央分隔带的开口尺寸为S_sep＝2r+d+ε。其中，ε为安全行驶距离，且ε＝200，单位为cm。

所述步骤五的具体步骤如下：

第一步，路段掉头交通控制的信号周期为：

其中，T为路段掉头交通控制的信号周期，单位为s；V_e为路段车道设计交通量，单位为pcu/h；ceil表示返回大于或者等于指定表达式的最小整数；α为直行交通停车率；

第二步，上行进口方向、下行进口方向的第1到车道为直行车道，且其绿灯时间为：

其中，T_g,str为第1到直行车道的绿灯时间，单位为s；

第三步，上行进口方向的第到车道为掉头车道，下行进口方向的第到车道为掉头车道，且其绿灯时间为：

其中，T_g,tur为第到掉头车道的绿灯时间，单位为s；

第四步，上行进口方向的第到N_up车道为直行车道，下行进口方向的第到N_down车道为直行车道，在整个信号周期均能通行，即绿灯时间为T_g＝T。

与现有技术相比，本发明首先采集道路和交通信息数据，然后根据掉头车辆与直行车辆的交通通行需求确定车道配置方案，其次依据掉头车辆的掉头行驶要求确定掉头车道位置和中央分隔带的开口参数，最后确定路段掉头交通控制的信号配时方案。本发明充分考虑了城市主干道的道路特征、掉头车辆的交通运行特征，以及掉头车辆与直行车辆的交通通行需求特征，本发明通过优化城市主干道掉头路段的空间设计方案和信号控制方案，能够大幅度提高掉头车辆的运行效率和直行车辆的通行效率。本发明能够实现掉头位置在相同的时间内通过更多的车辆，对城市交通系统的优化和运行效率的提升具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例中的某主干道掉头路段实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明包括以下步骤：

第一步，采集路段上的道路设施信息和交通运行数据；

道路设施信息包括道路路段宽度L_sec、路段中央分隔带宽度L_sep、路段机动车道宽度L_veh、路段非机动车道宽度L_bike；交通运行数据包括上行方向的直行交通流量F_up,str、上行方向的掉头交通流量F_up,tur、下行方向的直行交通流量F_down,str、下行方向的掉头交通流量F_down,tur，以及上行方向直行交通的小型车比例U_str,sml、上行方向掉头交通的小型车比例U_tur,sml、上行方向直行交通的大型车比例U_str,lrg、上行方向掉头交通的大型车比例U_tur,lrg、下行方向直行交通的小型车比例D_str,sml、下行方向掉头交通的小型车比例D_tur,sml、下行方向直行交通的大型车比例D_str,lrg、下行方向掉头交通的大型车比例D_tur,lrg。

第二步，确定上行方向、下行方向的直行交通等效流量与掉头交通等效流量为：

E_up,str＝F_up,str(λ_smlU_str,sml+λ_lrgU_str,lrg)，E_up,tur＝F_up,tur(λ_smlU_tur,sml+λ_lrgU_tur,lrg)，

E_down,str＝F_down,str(λ_smlD_str,sml+λ_lrgD_str,lrg)，E_down,tur＝F_down,tur(λ_smlD_tur,sml+λ_lrgD_tur,lrg)

其中，E_up,str、E_up,tur、E_down,str、E_down,tur分别为上行方向的直行交通等效流量、上行方向的掉头交通等效流量、下行方向的直行交通等效流量、下行方向的掉头交通等效流量，且单位为pcu/h；F_up,str、F_up,tur、F_down,str、F_down,tur的单位为veh/h；λ_sml为小型车的当量小汽车换算系数，且λ_sml＝1；λ_lrg为大型车的当量小汽车换算系数，且λ_lrg＝2；

第三步，确定上行进口方向、下行进口方向的机动车道数为：

L_veh＝L_sec-L_bike-L_sep，L_sep＝(L_sec-L_bike)mod 375

其中，N_up、N_down分别为上行进口方向的机动车道数、下行进口方向的机动车道数；N_sum为该路段的总机动车道数；L_sec、L_sep、L_veh、L_bike的单位为cm；mod为求余运算；

第四步，确定上行进口方向、下行进口方向的直行车道数和掉头车道数为：

其中，N_up,str、N_up,tur、N_down,str、N_down,tur分别为上行进口方向的直行车道数、上行进口方向的掉头车道数、下行进口方向的直行车道数、下行进口方向的掉头车道数。

第五步，从道路中央分隔带向道路两侧，机动车的车道从1开始排序；则上行进口方向掉头车道的计数起始值、下行进口方向掉头车道的计数起始值均为：其中，N为上行进口方向掉头车道，以及下行进口方向掉头车道的计数起始值；n为大于零的偶数，n≤2(N_up-N_up,tur)且n≤2(N_down-N_down,tur)；r为机动车的最小转弯半径，且大型车r＝1000、小型车r＝600，单位为cm；d为机动车的车辆宽度，且大型车d＝250、小型车r＝180，单位为cm；ceil表示返回大于或者等于指定表达式的最小整数。

第六步，根据步骤一中得到的道路设施信息、步骤二中得到的上行和下行方向的车道配置方案、步骤三中得到的上行和下行方向的掉头车道位置设计方案，结合掉头车辆的交通运行特征，确定路段中央分隔带的开口设计方案；路段中央分隔带的开口尺寸为S_sep＝2r+d+ε。其中，ε为安全行驶距离，且ε＝200，单位为cm；

第七步，路段掉头交通控制的信号周期为：

其中，T为路段掉头交通控制的信号周期，单位为s；V_e为路段车道设计交通量，单位为pcu/h；ceil表示返回大于或者等于指定表达式的最小整数；α为直行交通停车率；

第八步，上行进口方向、下行进口方向的第1到车道为直行车道，且其绿灯时间为：

其中，T_g,str为第1到直行车道的绿灯时间，单位为s；

第九步，上行进口方向的第到车道为掉头车道，下行进口方向的第到车道为掉头车道，且其绿灯时间为：

其中，T_g,tur为第到掉头车道的绿灯时间，单位为s；

第十步，上行进口方向的第到N_up车道为直行车道，下行进口方向的第到N_down车道为直行车道，在整个信号周期均能通行，即绿灯时间为T_g＝T。

参见图2，实施例：

步骤一，采集路段上的道路设施信息和交通运行数据。

本步骤中，道路设施信息包括道路路段宽度L_sec、路段非机动车道宽度L_bike；交通运行数据包括上行方向的直行交通流量F_up,str、上行方向的掉头交通流量F_up,tur、下行方向的直行交通流量F_down,str、下行方向的掉头交通流量F_down,tur，以及上行方向直行交通的小型车比例U_str,sml、上行方向掉头交通的小型车比例U_tur,sml、上行方向直行交通的大型车比例U_str,lrg、上行方向掉头交通的大型车比例U_tur,lrg、下行方向直行交通的小型车比例D_str,sml、下行方向掉头交通的小型车比例D_tur,sml、下行方向直行交通的大型车比例D_str,lrg、下行方向掉头交通的大型车比例D_tur,lrg。

本实例中，道路路段宽度L_sec、路段非机动车道宽度L_bike采用红外线测距仪和工程测量尺通过实地测量得到；上行方向的直行交通流量F_up,str、上行方向的掉头交通流量F_up,tur、下行方向的直行交通流量F_down,str、下行方向的掉头交通流量F_down,tur，以及上行方向直行交通的小型车比例U_str,sml、上行方向掉头交通的小型车比例U_tur,sml、上行方向直行交通的大型车比例U_str,lrg、上行方向掉头交通的大型车比例U_tur,lrg、下行方向直行交通的小型车比例D_str,sml、下行方向掉头交通的小型车比例D_tur,sml、下行方向直行交通的大型车比例D_str,lrg、下行方向掉头交通的大型车比例D_tur,lrg通过交通运行数据采集摄像机与数据处理服务器得到。

步骤二，根据步骤(A)中得到的道路设施信息和交通运行数据，换算和修正上行方向的直行交通等效流量、上行方向的掉头交通等效流量、下行方向的直行交通等效流量、下行方向的掉头交通等效流量，确定上行进口方向的车道配置方案，以及下行进口方向的车道配置方案，具体方法为：

第一步，确定上行方向、下行方向的直行交通等效流量与掉头交通等效流量为：

E_up,str＝F_up,str(λ_smlU_str,sml+λ_lrgU_str,lrg)，E_up,tur＝F_up,tur(λ_smlU_tur,sml+λ_lrgU_tur,lrg)，

E_down,str＝F_down,str(λ_smlD_str,sml+λ_lrgD_str,lrg)，E_down,tur＝F_down,tur(λ_smlD_tur,sml+λ_lrgD_tur,lrg)

本实例中，交通运行采集数据分别为F_up,str＝1960veh/h、F_up,tur＝290veh/h、U_str,sml＝0.9、U_str,lrg＝0.1、U_tur,sml＝1.0、U_tur,lrg＝0、F_down,str＝1880veh/h、F_down,tur＝220veh/h、D_str,sml＝0.9、D_str,lrg＝0.1、D_tur,sml＝1.0、D_tur,lrg＝0，则上行方向的直行交通等效流量为E_up,str＝2156pcu/h，上行方向的掉头交通等效流量为E_up,tur＝290pcu/h，下行方向的直行交通等效流量为E_down,str＝2068pcu/h，下行方向的掉头交通等效流量为E_down,tur＝220pcu/h。

第二步，确定上行进口方向、下行进口方向的机动车道数为：

L_veh＝L_sec-L_bike-L_sep，L_sep＝(L_sec-L_bike)mod375

本实例中，道路设施采集数据分别为L_sec＝4000cm、L_bike＝800cm，则机动车道的宽度为L_veh＝3000cm，道路中央分隔带的宽度为L_sep＝200cm，上行进口方向的机动车道数为N_up＝4，下行进口方向的机动车道数为N_down＝4。

第三步，确定上行进口方向、下行进口方向的直行车道数和掉头车道数为：

本实例中，上行进口方向的直行车道数为N_up,str＝3，上行进口方向的掉头车道数为N_up,tur＝1，下行进口方向的直行车道数为N_down,str＝3，下行进口方向的掉头车道数为N_down,tur＝1。

步骤三，根据步骤(A)中得到的道路设施信息与步骤(B)中得到的上、下行方向的车道配置方案，结合掉头车辆的交通运行特征，确定上行进口方向的掉头车道位置设计方案，以及下行进口方向的掉头车道位置设计方案，具体方法为：

本步骤中，从道路中央分隔带向道路两侧，机动车的车道从1开始排序。则上行进口方向掉头车道的计数起始值、下行进口方向掉头车道的计数起始值均为：

本实例中，机动车转弯半径r＝600cm，机动车的车辆宽度r＝180cm，n＝4，则上行进口方向掉头车道的计数起始值，以及下行进口方向掉头车道的计数起始值为N＝2。

步骤四，根据步骤(A)中得到的道路设施信息、步骤(B)中得到的上行和下行方向的车道配置方案、步骤(C)中得到的上行和下行方向的掉头车道位置设计方案，结合掉头车辆的交通运行特征，确定路段中央分隔带的开口设计方案。

本实例中，路段中央分隔带的开口尺寸为S_sep＝1580cm。

步骤五，根据步骤(A)中得到的交通运行数据、步骤(B)中得到的上行和下行方向的车道配置方案、步骤(C)中得到的上行和下行方向的掉头车道位置设计方案、步骤(D)中得到的路段中央分隔带开口设计方案，确定路段掉头控制的信号配时方案，具体方法为：

第一步，路段掉头交通控制的信号周期为：

本实例中，直行交通停车率α＝0.3，则路段掉头交通控制的信号周期为T＝43s。

第二步，上行进口方向、下行进口方向的第1到车道为直行车道，且其绿灯时间为：

本实例中，第1到直行车道的绿灯时间为T_g,str＝20s。

第三步，上行进口方向的第到车道为掉头车道，下行进口方向的第到车道为掉头车道，且其绿灯时间为：

本实例中，第到掉头车道的绿灯时间为T_g,tur＝23s。

第四步，上行进口方向的第到N_up车道为直行车道，下行进口方向的第到N_down车道为直行车道，在整个信号周期均能通行，即绿灯时间为T_g＝T。

本实例中，上行进口方向的第到N_up车道为直行车道，以及下行进口方向的第到N_down车道为直行车道，其在整个信号周期均能通行，即绿灯时间为T_g＝43s。