一种消除起动损失时间的进口道设计与信号优化方法与流程

本发明涉及城市交通设计与交通控制技术领域，尤其涉及一种消除起动损失时间的进口道设计与信号优化方法。

背景技术：

随着城市交通的快速发展，汽车保有量的不断攀升，城市交叉口负担日益加重。提高交叉口通行能力成为改善城市交通环境的首要目标，交叉口的合理高效优化愈显重要，提高交叉口通行能力的方法主要包括：信号控制优化，交通设计优化以及交通管理优化。

在信号灯绿灯开始初期，由于交叉口进口道的车辆启动与加速，以及先后启动形成的启动波，导致绿灯的前几秒被浪费，车流难以饱和流率进入交叉口，这部分损失的通行时间，称为绿初损失时间；在绿灯结束后的黄灯期间，因严禁闯红灯，有部分车辆已经开始减速，采取了制动措施，故通过停车线的车流流率从饱和逐渐变为非饱和，这部分损失的通行时间，称为黄末损失时间，而绿初、黄末损失时间合并称为起动损失时间。为了提高交叉口通行能力，从信号控制优化的方向入手，尽可能地消除交叉口车流起动损失时间，成为解决交通拥堵，实现畅通交通的关键。

在现有研究中，国内外学者有不少关于减少起动损失时间的研究成果，中国专利【CN102122442A】《叠加相位的平面十字型交叉口定时信号配时方法》中，通过叠加相位控制车流的饱和度，实现某向车流信号的优先，但优化效果有限，仅能优化部分车向的车流。中国专利【CN103310640A】《一种面向机动车流的十字交叉口交通预信号控制方法》通过在原停车线后新增一组停车线与信号灯，将间距区域作为待行区，对车流进行动态调整，可以降低车流的启动延误。但此方法主要还是为了避免绿灯空放，对于启动延误的降低并无针对性，效果甚微。

中国专利【CN103680159A】《道路交叉口多虚拟信号线性联动控制系统及其控制方法》在交叉口进口道设置多组虚拟信号灯，检测交通流计算启动损失时间，控制线性联动信号灯依次动作，以此来消除车辆的绿初损失时间。此方法虽有一定效果，但仍有不足：

1.每个信号周期的交通流状态不同，通过预测交通流计算信号时间差，误差较大；

2.停车线间隔设置随意，间隔过长会造成空间资源浪费，过短会使车辆加速距离不足；

3最靠近停车线的车辆须在交叉口完成加速，这部分车辆的启动损失时间未消除；

4.未考虑交叉口各车道车辆速度的差异性，会引起交叉口车流紊乱，内部冲突增多；

5.车流从距离交叉口由近到远开始起步，会造成绿灯空放，浪费交叉口时空资源，无法实现车流的饱和通过；

6.未消除黄末损失时间，仍需改进。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种消除起动损失时间的进口道设计与信号优化方法，控制车流在进口道内完成加速，在避免与上一相位车流发生冲突的条件下，使车流在绿灯时间内始终以饱和流率通过交叉口，可消除绿灯启亮时与黄灯结束时的信号损失时间，高效利用交叉口绿灯通行时间，最大限度地提高交叉口通行能力与服务水平，减少行车延误，缓解交通拥堵，促进整个城市交通的和谐畅通。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种消除起动损失时间的进口道设计方法，包括：

步骤一，获取交叉口数据，包括交叉口设计车速、交叉口冲突点位置、交叉口各车道距冲突点行车轨迹距离、机动车加速时间、减速时间、加速或减速距离；

步骤二，在交叉口进口道每条车道上，新增多组停车线；

步骤三，在每条新增停车线沿车辆行进方向的设定距离处设置信号灯。

新增停车线从车道原停车线处沿车辆行进反方向依次按设定间隔设置；第一条新增停车线与原停车线之间禁止车辆停滞。

新增停车线设置间隔获得方法为：

其中i＝1，L_i＝S+d，其中1＜i＜b，

其中i＝b；

式中，L_i为第i条新增停车线与第i-1条停车线的间距；V₁为主信号灯第n个信号周期绿灯启亮对应的进口道设计速度；V₂为主信号灯第n个信号周期红灯启亮对应的进口道设计速度；M₁为主信号灯第n个信号周期绿灯启亮对应的进口道停车线距冲突点轨迹距离；M₂为主信号灯第n个信号周期红灯启亮对应的进口道停车线距冲突点轨迹距离；t₁为车辆加速时间；t₂为车辆在L₁内行驶时间；t₃为车辆安全交叉时间；x₁为车辆加速距离；x₂为车辆制动距离；d为车长；S为心理安全间距；T_s为驾驶员制动反应时间；T_n为驾驶员制动操作时间；T_o为车辆制动响应时间。

上述i＝1时的停车线间距L₁，应满足绿灯初车道车流的头车始终在绿灯末车道车流的尾车之后通过冲突点的条件，上述计算公式由下式化简得到：

信号灯位置需在对应新增停车线后的车辆视野范围内，便于驾驶员观察与动作；取消主信号灯黄灯，将其并入绿灯与红灯时间，所以新增的信号灯包括红灯和绿灯。

一种消除起动损失时间的进口道，采用所述一种消除起动损失时间的进口道设计方法设计的进道口。

采用所述进口道的信号优化方法，包括：

主信号灯绿灯启亮前，新增停车线对应的所有新增信号灯提前亮绿灯，同步放行每条停车线后的车辆，车辆在进口道内达到交叉口设计速度V₁后匀速行驶；车流头车恰好到达原停车线时，主信号灯启亮绿灯；

主信号灯红灯启亮前，从车道原停车线处沿车辆行进反方向上的最后一组新增信号灯首先启亮红灯，停车线后的车辆均采取制动措施，前方车流在绿灯结束前全部通过原停车线后，从车道原停车线处沿车辆行进反方向上的第一组新增信号灯启亮红灯；其余新增信号灯在最后一组新增信号灯启亮红灯后依次启亮红灯，控制车辆停滞在每两条停车线的间隔内，车流的头车减速行驶车辆制动距离x₂，恰好到达从车道原停车线处沿车辆行进反方向上的第一条新增停车线后方，等待下个相位开始放行。

主信号灯绿灯启亮前新增信号与主信号时间差为：ΔT₁＝t₁+T_r+T_a+T_e，式中，ΔT₁为主信号灯绿灯启亮前进口道所有新增信号与主信号时间差；T_r为驾驶员启动反应时间；T_a为驾驶员启动操作时间；T_e为车辆加速响应时间。

主信号灯红灯启亮前从车道原停车线处沿车辆行进反方向上的第一组信号与主信号启亮红灯时间差为：式中，ΔT₂为主信号灯红灯启亮前新增信号与主信号时间差；d为车长，L₁为第1条新增停车线与原停车线的间距。

主信号灯红灯启亮前除第一组新增信号灯外其余各相邻新增信号启亮红灯时间差为：式中，ΔT₃为除第一组新增信号灯外其余各相邻新增信号启亮红灯时间差。

本发明的有益效果：

1)消除信号绿初损失时间与黄末损失时间，保证车流始终以饱和流率通过交叉口，提高了交叉口通行能力与服务水平，有利于交通的畅通运行。

2)通过合理计算新增停车线间距，保证车流通过交叉口的先后次序，避免冲突。

3)因保证绿灯末车流在绿灯初车流前全部通过冲突点，可取消交叉口主信号灯的黄灯，减少闯红灯行为的发生，增加有效绿灯时间，简化信号周期。

4)打破交叉口单一信号控制的传统，采用多信号灯控制车流，更具灵活性与操控性。

附图说明

图1为本发明的进口道优化方法流程示意图；

图2为本发明的进口道车流通过停车线的流率—时间图；

图3为本发明的进口道设计优化布置示意图；

图4为交叉口冲突车流行驶轨迹示意图；

图5为交叉口冲突车流安全交叉示意图；

其中，1.主信号灯，2.原停车线，3.第一条新增停车线，4.新增信号灯，5.最后一组新增信号灯，6.最后一条新增停车线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种消除起动损失时间的进口道设计方法，包括：

如图1所示，(一)交叉口数据采集，采集交叉口设计车速，包括直行设计车速与转弯设计车速，直行设计车速主要由相交公路的道路等级与交通量决定，一般不低于设计车速的70％。转弯设计车速受车流的分、合流和用地影响，左转弯车道设计速度一般小于20km/h，右转弯车道设计车速一般小于40km/h；采集交叉口冲突点位置，包括直行与侧向直行、直行与对向左转、直行与侧向左转、左转与对向直行、左转与对向左转、左转与侧向直行、左转与侧向左转车向的冲突点；采集交叉口停车线距冲突点行车轨迹距离；采集大量机动车加速、减速时间与距离数据。

(二)如图3所示，在交叉口进口道每条车道上新增b组停车线；新增停车线从车道原停车线2处沿车辆行进反方向依次设置，第一条新增停车线3与原停车线2之间禁止车辆停滞，供车辆加速使用。

新增停车线设置间隔通过下式获得：

L_i＝S+d，(1＜i＜b)

式中，L_i为第i条新增停车线与第i-1条停车线的间距；

V₁为主信号灯第n个信号周期绿灯启亮对应的进口道设计速度；

V₂为主信号灯第n个信号周期红灯启亮对应的进口道设计速度；

M₁为主信号灯第n个信号周期绿灯启亮对应的进口道停车线距冲突点轨迹距离；

M₂为主信号灯第n个信号周期红灯启亮对应的进口道停车线距冲突点轨迹距离；

t₁为车辆加速时间；

t₂为车辆在L₁内行驶时间；

t₃为车辆安全交叉时间，如图5所示，是保证车流安全交叉的最小时距，一般机动车间的安全交叉时间为5s；

x₁为车辆加速距离；

x₂为车辆制动距离；

d为车长，一般为6m；

S为心理安全间距，此处是为了保证每条停车线后的车辆同时启动时，后车不受前车影响，在本实施例中为4m；

T_s为驾驶员制动反应时间，一般为0.3—2.0s；

T_n为驾驶员制动操作时间，一般为1—4s；

T_o为车辆制动响应时间，一般为0.2—0.6s。

如图4所示，上述i＝1时的停车线间距L₁，应满足主信号灯第n个信号周期绿灯启亮对应的进口道车流的头车始终在主信号灯第n个信号周期红灯启亮对应的进口道车流的尾车之后通过冲突点的条件，上述计算公式由下式化简得到：

(三)在每组新增停车线沿车辆行进方向适当距离处设置新增信号灯4，所述信号灯的位置需在对应新增停车线后的车辆视野范围内，便于驾驶员观察与动作；因步骤(二)间距设置满足交叉口车流冲突避免条件，可消除黄灯不存在时一般交叉口绿灯末车流无法通过交叉口的尴尬局面，所以可取消主信号灯黄灯，将其并入绿灯与红灯时间，消除黄末损失。在本实施例中，新增信号灯也采用红绿双色控制。

一种消除起动损失时间的进口道，采用所述一种消除起动损失时间的进口道设计方法设计的进道口。

采用所述进口道的信号优化方法，包括：

主信号灯1绿灯启亮前，所有新增信号灯提前亮绿灯，同步放行每条停车线后的车辆，车辆在进口道内达到交叉口设计速度V₁后匀速行驶，车流头车恰好到达原停车线2时，主信号灯1启亮绿灯。

主信号灯1绿灯启亮前的新增信号与主信号时间差由下式获得：

ΔT₁＝t₂+T_r+T_a+T_e

式中，ΔT₁为主信号灯1绿灯启亮前进口道所有新增信号与主信号时间差；T_r为驾驶员启动反应时间，一般为0.3—2.0s；T_a为驾驶员启动操作时间，一般为1—4s；T_e为车辆加速响应时间，一般为0.2—0.6s。

主信号灯1红灯启亮前，最后一组新增信号灯5首先启亮红灯，最后一条新增停车线6后的车辆均采取制动措施，前方车流在绿灯结束前全部通过原停车线2后，第一组新增信号灯启亮红灯；其余新增信号灯在最后一组新增信号灯5启亮红灯后依次启亮红灯，控制车辆停滞在每两条停车线的间隔内，车流的头车减速行驶x₂，恰好到达第一条新增停车线后方，等待下个相位开始放行。

主信号灯1红灯启亮前第一组新增信号与主信号启亮红灯时间差由下式获得：

式中，ΔT₂为主信号灯1红灯启亮前第一组新增信号与主信号时间差；d为车长，一般为3—5m。

主信号灯1红灯启亮前除第一组新增信号灯外其余各相邻新增信号启亮红灯时间差由下式获得：

式中，ΔT₃为除第一组新增信号灯外其余各相邻新增信号启亮红灯时间差。

上述信号优化方法，可有效消除绿初损失与黄末损失时间，保证车流始终以饱和流率通过交叉口，优化效果如图2所示。

本发明与背景技术中提到的【CN103680159A】《道路交叉口多虚拟信号线性联动控制系统及其控制方法》不同之处在于：

1.本发明通过预先测定交叉口数据，对进口道进行固定优化改造，具有较强稳定性；

2本发明的停车线设置方法，通过计算车流相对冲突距离，可以避免交叉口信号相位变换引起的交通冲突，进而可以取消黄灯；延长有效绿灯时间，消除黄末损失，如图2所示；

3.本发明的第一个停车线间隔只允许车辆加速，使车辆在进入交叉口前全部达到设计速度，完全消除绿初损失时间；

4.本发明针对每条车道对应交叉口设计速度的不同，单独对每条车道的停车线与信号设置进行优化设计；

5.本发明控制车辆达到同步启动，实现车流的饱和通过；

6.本发明利用车辆制动距离，对最后一个停车线间隔进行合理设计，控制无法在绿灯时间内通过交叉口的车辆提前制动，实现信号系统的稳定高效运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。