一种设置逆向可变车道的交叉口自适应控制方法与系统与流程

本发明属于城市道路交通信号控制领域，具体涉及一种设置逆向可变车道的交叉口自适应控制方法与系统。

背景技术：

近年来，国内部分城市出现一种利用“借道待行左转法”的逆向可变车道技术，通过在中央分隔带处打开一个出口，使得左转车辆可以利用旁边出口道无车的时候借道左转或提前掉头，在保证安全的前提下进一步提升了交叉口通行能力，逆向可变车道技术使得交通组织技术在精细化方面前进了一大步。

中国专利(cn104064036a)公开了一种借逆向可变车道信号控制方法，其采用传统的韦伯斯特公式计算交叉口主、预信号的配时方案；中国专利(cn105185131a)公开了一种逆向可变车道信号控制系统，其系统只是采用了传统的信号灯设备组成系统进行信号控制；中国专利(cn107170257a)公开了一种逆向可变车道的智能控制方法，系统利用地磁、微波技术，通过检测车辆的到达来控制信号灯的时长。这些专利在当时无疑解决了逆向可变车道这一新兴的交通组织形式缺乏科学配时方法和系统的问题，但是在智能交通日益普及的今天，上述专利所述的传统固定周期配时法已经无法解决日益拥堵的交通问题，自适应信号控制技术已经逐渐取代传统的配时方法；老式的地磁和微波技术也已经被新兴的视频检测技术所取代；上述专利中只是根据经验设置逆向可变车道和中央分隔带开口的长度：逆向可变车道与渠化车道长度一致，中央分隔带长度也是按经验取值，缺乏合理性。在实际情况中，当左转车辆排队长度到达渠化车道长度的一半时，司机更倾向于在逆向可变车道开口处停车等待预信号绿灯，造成了左转车道与开口之间的空间浪费；且由于中央分隔带开口长度大，部分后来车辆会从相邻直行车道变道至中央分隔带开口处占用半个直行车道形成两路排队，此时在中央分隔带开口处形成拥堵，直接干扰相邻车道直行车辆的放行，致使开口处交通冲突和安全隐患很大，因此提出逆向可变车道和中央分隔带开口长度的设置模型，对不同规模的交叉口能否合理设置逆向可变车道具有指导意义，且自适应信号控制系统能够在控制领域最大限度的提升交叉口的通行能力，减少交通拥堵。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提出一种设置逆向可变车道的交叉口自适应控制方法与系统，针对双向左转流量较大且只有一条左转车道的交叉口，设置逆向可变车道，通过自适应信号控制，提升交叉口的通行能力，减少交通拥堵。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种设置逆向可变车道的交叉口自适应控制方法，包括以下步骤：

1)设置中央分隔带开口，其中，中央分隔带开口长度d2的最小值d2min计算方法如下：

式中，b为车辆宽度(m)，w1为左转进口道宽度，w2为中央分隔带宽度，w3为出口道(逆向可变车道)的宽度(m)，rc1为强制停车后的临界转弯半径，rc2为不停车转弯的临界转弯半径；

2)设置逆向可变车道，其中，逆向可变车道设计长度的最小值d1min比导向车道长度短10m，逆向可变车道设计长度d1的最大值d1max计算如下：

3)自适应生成信号配时方案，根据相位的顺序变化包括以下步骤：

3.1)开始第一相位，即开启东西向主信号直行相位；

3.2)开始第二相位，即开启南北向主信号左转相位；

3.3)开始第三相位，即开启南北向主信号直行相位；

3.4)开始第四相位，即开启东西向主信号左转相位。

进一步的，上述步骤3.1)中，开始第一相位包括如下步骤：

3.1.1)开启东西直行相位；

3.1.2)判断是否到达预信号延迟最小开启时间td，若未到达则转步骤3.1.2)，否则转步骤3.1.3)；其中，预信号延迟最小开启时间td计算如下：

式中，ds为北向直行车道停车线到冲突点b的距离，dl为冲突点b到点c的弧线距离，为车辆启动加速度，νl为左转车辆弯道行驶速度；

3.1.3)通过检测器判断南北逆向可变车道上是否有车辆经过，若没有车辆经过则开启南北向预信号绿灯，转步骤3.1.4)，否则转步骤3.1.3)；

3.1.4)判断东西直行绿灯时长是否已到设定最小值ts，若到达转步骤3.1.5)，否则，转步骤3.1.4)；

3.1.5)判断东西直行绿灯是否到达主信号直行绿灯延长时间tex1，若是则关闭东西直行绿灯，转步骤3.2)，否则，转步骤3.1.5)；其中，主信号直行绿灯延长时间tex1计算方法如下：

式中，d为左转进口道和直行车道的长度，n为直行车道数，lsi为第i条直行车道在直行最小绿灯时间过后的排队长度。

进一步的，上述步骤3.2)中，开始第二相位包括如下步骤：

3.2.1)开启南北左转相位；

3.2.2)判断南北左转绿灯时长是否已到设定最小值tl，若到达则根据检测到的南北左转车道和逆向可变车道的排队长度，计算南北主信号左转绿灯延长时间tex2，转步骤3.2.3)，否则，转步骤3.2.2)；其中，主信号左转绿灯延长时间tex2计算方法如下：

式中，d为左转进口道和直行车道的长度，l1为逆向可变车道在左转最小绿灯时间过后的排队长度；

3.2.3)根据tex2判断预信号绿灯时长是否已到最小提前关闭时间ta，若到达则关闭南北预信号绿灯，转步骤3.2.4)，否则，转步骤3.2.3)；其中，最小提前关闭时间ta计算方法如下：

式中，d1为逆向可变车道的长度；νl′为车辆在逆向可变车道的行驶速度；

3.2.4)判断南北左转绿灯是否到达延长时间tex2，若是则关闭南北左转绿灯，转步骤3.3)，否则，转步骤3.2.4)。

进一步的，上述步骤步骤3.3)中，开始第三相位包括如下步骤：

3.3.1)开启南北直行相位；

3.3.2)判断是否到达延迟最小开启时间td，若未到达则转步骤3.3.2)，否则转步骤3.3.3)；

3.3.3)通过检测器判断东西逆向可变车道上是否有车辆经过，若没有车辆经过则开启东西向预信号绿灯，转步骤3.3.4)，否则转步骤3.3.3)；

3.3.4)判断南北直行绿灯时长是否已到设定最小值ts，若到达转步骤3.3.5)，否则转步骤3.3.4)；

3.3.5)判断南北直行绿灯是否到达延长时间tex1，若是则关闭南北直行绿灯，转步骤3.4)，否则转步骤3.3.5)。

进一步的，上述步骤3.4)中，开始第四相位包括如下步骤：

3.4.1)开启东西左转相位；

3.4.2)判断东西左转绿灯时长是否已到设定最小值tl，若到达则根据检测到的东西左转车道和逆向可变车道的排队长度，计算东西主信号左转绿灯延长时间tex2，转步骤3.4.3)，否则，转步骤3.4.2)；

3.4.3)根据tex2判断预信号绿灯时长是否已到最小提前关闭时间ta，若到达则关闭东西预信号绿灯，转步骤3.4.4)，否则，转步骤3.4.3)；

3.4.4)判断东西左转绿灯是否到达延长时间tex2，若是则关闭东西左转绿灯，转步骤3.1)，否则转步骤3.4.4)。

本发明还提供一种设置逆向可变车道的交叉口自适应控制系统，其特征在于包括：4组电子警察杆件、4台视频流量检测器、4组交叉口主信号灯组杆件、4组逆向可变车道开口处预信号灯杆件以及交叉口标准化信号、汇聚机箱，其中，所述电子警察杆件用于安装电子警察设备和视频流量检测器，每一个路口配置一个电子警察杆件，安装在交叉口各进口道停车线之后25m处，放置在侧分带或人行道上；所述视频流量检测器用于投放虚拟视频检测线圈，检测进口车道的排队长度，安装在电子警察杆件上，1组电子警察杆件安装1个视频流量检测器，通过超五类网线与电子警察杆件的抱杆机箱相连，并通过网线传输给汇聚机箱；所述交叉口主信号灯组杆件，用于安装主信号灯，控制交叉口对应流向的车辆是否通行，安装在交叉口出口道旁边的侧分带或人行道上，每一个路口的出口道配置一组交叉口主信号灯组杆件；所述逆向可变车道开口处预信号灯杆件，用于安装预信号灯，控制在中央分隔带开口处等待的车辆能否驶入逆向可变车道，安装在中央分隔带开口沿车流方向的前端，每一个中央分隔带开口处配置一组逆向可变车道开口处预信号灯杆件；所述交叉口标准化信号、汇聚机箱，用于接收视频流量检测器的检测数据，生成主、预信号灯的配时方案，控制主、预信号灯，安装在交叉口的一个角落的人行道以外，通过光纤和超五类网线与4组主、预信号灯和电子警察杆件的抱杆机箱相连。

与现有技术相比，本发明通过合理计算逆向可变车道和中央分隔带的长度，在保证安全性的前提下最大限度地提升了通行能力；通过自适应配时实现了更准确的逆向可变车道交叉口的自适应信号控制。

附图说明

图1逆向可变车道交叉口自适应信号控制系统组成示意图。

图2逆向可变车道交叉口自适应信号控制流程图。

图3逆向可变车道交叉口进口道车辆变道行驶轨迹图。

图4交叉口相位转换过程车辆行驶状态图。

图5逆向可变车道交叉口主、预信号相位图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

一种设置逆向可变车道的交叉口自适应控制系统，如附图1所示，包括：4组电子警察杆件、4台视频流量检测器、4组交叉口主信号灯组杆件、4组逆向可变车道开口处预信号灯杆件以及交叉口标准化信号、汇聚机箱，其中：

电子警察杆件用于安装电子警察设备和视频流量检测器，每一个路口配置一个电子警察杆件，安装在交叉口各进口道停车线之后25m处，放置在侧分带或人行道上。

视频流量检测器，用于投放虚拟视频检测线圈，检测进口车道的排队长度(每台设备可以检测4个进口车道的排队长度)，安装在电子警察杆件上，1组电子警察杆件安装1个视频流量检测器，通过超五类网线与电子警察杆件的抱杆机箱相连，并通过网线传输给汇聚机箱。

交叉口主信号灯组杆件(4组，主信号1-4号)，用于安装主信号灯，控制交叉口对应流向的车辆是否通行，安装在交叉口出口道旁边的侧分带或人行道上，每一个路口的出口道配置一组交叉口主信号灯组杆件；

逆向可变车道开口处预信号灯杆件(4组，预信号1-4号)，用于安装预信号灯，控制在中央分隔带开口处等待的车辆能否驶入逆向可变车道，安装在中央分隔带开口沿车流方向的前端，每一个中央分隔带开口处配置一组逆向可变车道开口处预信号灯杆件；

交叉口标准化信号、汇聚机箱，用于接收视频流量检测器的检测数据，生成主、预信号灯的配时方案，控制主、预信号灯，安装在交叉口的一个角落的人行道以外，通过光纤和超五类网线与4组主、预信号灯和电子警察杆件的抱杆机箱相连。

图5所示为一种设置逆向可变车道的交叉口自适应控制方法的流程图，包括如下步骤：

1)设置中央分隔带开口

如图3所示，车辆由左转进口道以临界转弯半径完成第一次转弯驶离左转车道到达点t，然后又以临界转弯半径进行第二次转弯驶入逆向可变车道，但是第一次转弯半径和第二次转弯半径之间相差半个车身宽度的距离，因此，由几何原理易得出中央分隔带开口长度d2的最小值d2min计算方法如下：

式中，b为车辆宽度(m)，w1为左转进口道宽度，w2为中央分隔带宽度，w3为出口道(逆向可变车道)的宽度(m)，均可实地测量取得；rc1和rc2为临界转弯半径，其值可从临界转弯半径表中查得；rc1为强制停车后的临界转弯半径，rc2为不停车转弯的临界转弯半径，具体实施中，rc1取8m；rc2取12m，实际设置时在中央分隔带开口最小长度d2的基础上可酌情增加一定长度。

2)设置逆向可变车道

根据步骤1所述中央分隔带模型，逆向可变车道设计长度d1的最大值d1max计算如下：

根据城市交叉口设计规范，逆向可变车道设计长度的最小值d1min需要比导向车道长度短10m，利用导向车道线约束车辆秩序排队，具体实施中，实际设置时逆向可变车道需在d1min和d1max间取值。

3)自适应生成信号配时方案，根据相位的顺序变化包括以下步骤：

3.1)开始第一相位，即开启东西向主信号直行相位，包括如下步骤：

3.1.1)开启东西直行相位，如图1所示，即开启主信号1、3号直行绿灯；

3.1.2)判断是否到达延迟最小开启时间td，若未到达则转步骤3.1.2)，否则转步骤3.1.3)；

因为东西直行相位的上一相位是东西左转，如图1所示，即主信号1、3号左转绿灯相位，预信号延迟最小开启时间td是为了保证在南北左转绿灯结束后，南北左转车辆能够完全通过东西出口道，保证出口道清空，才能让东西向左转车辆驶入逆向可变车道。如图4所示，南北左转绿灯结束后，南进口最后一辆左转车辆行驶到a处，此时南北向直行绿灯放行，南侧左转车辆需保证在北向直行车辆到达冲突点b前行驶过b点，因此，预信号延迟最小开启时间td可以计算如下：

式中，ds为北向直行车道停车线到冲突点b的距离(m)，dl为冲突点b到点c的弧线距离，均可实地测量获得；为车辆启动加速度；νl为左转车辆弯道行驶速度，可使用雷达测速仪测量获取；

3.1.3)通过检测器判断南北逆向可变车道上是否有车辆经过，若没有车辆经过则开启南北向预信号绿灯，如图1所示，开启预信号2、4号灯，转步骤3.1.4)，否则转步骤3.1.3)；

3.1.4)判断东西直行绿灯时长是否已到设定最小值ts，若到达则根据检测到的东西直行车道排队长度，计算东西主信号直行绿灯延长时间tex1，转步骤3.1.5)，否则，转步骤3.1.4)；

主信号直行绿灯设定最小值ts需要保证直行相位行人能够穿越交叉口，由交叉口大小和行人平均速度决定，行人设计过街速度一般取1.2m/s，视人行道长度的不同，主信号直行绿灯设定最小值一般在10-20s范围内取值；

3.1.5)判断东西直行绿灯是否到达延长时间tex1，若是则关闭东西直行绿灯，转步骤3.2)，否则，转步骤3.1.5)；

主信号直行绿灯延长时间tex1为主信号直行绿灯到达最小时间ts后，视交通量的大小，在保证交叉口整体通行能力的前提下延长一部分直行绿灯时间。逆向可变车道的优点之一是通过多增加一条左转车道，增加左转通行能力，可以适当减少左转绿灯时长，并增加直行相位绿灯时长。主信号直行绿灯延长时间tex1取值范围一般定为30-40s。本发明在绿灯设定最小值过后，通过视频流量检测器实时得到的车道排队数据，按下式计算主信号直行绿灯延长时间tex1：

式中：d为左转进口道和直行车道的长度(m)，n为直行车道数，均可实地测量获得；lsi为第i条直行车道在直行最小绿灯时间过后的排队长度(m)；均为视频流量检测器实时获取。

3.2)开始第二相位：即开启南北向主信号左转相位，包括如下步骤：

3.2.1)开启南北左转相位；如图1所示，即开启主信号2、4号左转绿灯；

3.2.2)判断南北左转绿灯时长是否已到设定最小值tl，若到达则根据检测到的南北左转车道和逆向可变车道的排队长度，计算南北主信号左转绿灯延长时间tex2，转步骤3.2.3)，否则，转步骤3.2.2)；

主信号左转绿灯设定最小值tl在不与行人相位共享通行权时，根据实际交叉口大小在5-10s范围内取值。

主信号左转绿灯延长时间tex2为主信号到达最小时间tl后，视交通量的大小，在保证相位整体通行能力的前提下延长一部分绿灯时间。主信号左转绿灯延长时间tex2取值范围一般定为20-30s。本发明在绿灯设定最小值过后，通过视频流量检测器实时得到的车道排队数据，按下式计算主信号绿灯延长时间：

式中：d为左转进口道和直行车道的长度(m)，可实地测量获得；l1为逆向可变车道在左转最小绿灯时间过后的排队长度(m)，均为视频流量检测器实时获取。

3.2.3)根据tex2判断预信号绿灯时长是否已到最小提前关闭时间ta，若到达则关闭南北预信号绿灯，转步骤3.2.4)，否则，转步骤3.2.3)；

预信号最小提前关闭时间ta是为了保证在预信号绿灯期间进入逆向可变车道的车辆能够在主信号左转绿灯期间全部进入交叉口，即保证逆向可变车道清空，防止逆向可变车道的左转车辆与对向直行车辆发生冲突。因此预信号最小提前关闭时间ta就是预信号绿灯比主信号左转绿灯提前结束的时间，等同于车辆进入逆向可变车道直至驶出的行驶时间，可计算如下：

式中，d1为逆向可变车道的长度(m)；νl′为车辆在逆向可变车道的行驶速度，均可通过实际调查获取。

3.2.4)判断南北左转绿灯是否到达延长时间tex2，若是则关闭南北左转绿灯，转步骤3.3)，否则，转步骤3.2.4)；

3.3)开始第三相位：即开启南北向主信号直行相位

3.3.1)开启南北直行相位；如图1所示，即开启主信号2、4号直行绿灯；

3.3.2)判断是否到达延迟最小开启时间td，若未到达则转步骤3.3.2)，否则转步骤3.3.3)；

3.3.3)通过检测器判断东西逆向可变车道上是否有车辆经过，若没有车辆经过则开启东西向预信号绿灯，如图1所示，开启预信号1、3号灯，转步骤3.3.4)，否则转步骤3.3.3)；

3.3.4)判断南北直行绿灯时长是否已到设定最小值ts，若到达则根据检测到的南北直行车道排队长度，计算南北主信号直行绿灯延长时间tex1，转步骤3.3.5)，否则，转步骤3.3.4)；

3.3.5)判断南北直行绿灯是否到达延长时间tex1，若是则关闭南北直行绿灯，转步骤3.4)，否则，转步骤3.3.5)；

3.4)开始第四相位：即开启东西向主信号左转相位

3.4.1)开启东西左转相位；

3.4.2)判断东西左转绿灯时长是否已到设定最小值tl，若到达则根据检测到的东西左转车道和逆向可变车道的排队长度，计算东西主信号左转绿灯延长时间tex2，转步骤3.4.3)，否则，转步骤3.4.2)；

3.4.3)根据tex2判断预信号绿灯时长是否已到最小提前关闭时间ta，若到达则关闭东西预信号绿灯，转步骤3.4.4)，否则，转步骤3.4.3)；

3.4.4)判断东西左转绿灯是否到达延长时间tex2，若是则关闭东西左转绿灯，转步骤3.1)，否则，转步骤3.4.4)。