考虑交叉口渠化及多因素修正的信号交叉口通行预测方法

本发明涉及交通信号控制，具体涉及一种考虑交叉口渠化及多因素修正的信号交叉口通行预测方法。

背景技术：

1、通行能力指的是在一定的道路交通条件下，道路上某一路段或某交叉口的某一断面在单位时间内能够通过的最大车辆数。在其他条件不变的情况下，周期越长，路口或路段的通行能力越大。道路通行能力是工程施工设计、工程可行性研究、路网规划、施工后评估、交通组织、交通信号管理等工作的重要依据。道路通行能力影响因素众多,且各因素之间相互关联相互影响。传统计算通行能力的方法有冲突点法，停车线法；

2、传统的交叉口通行能力并未考虑到外围交叉口各进口道车道数量与汇入流量、交叉口几何特性、交通流相关系数折减等多因素的的综合影响，而且这些方法对目前我国城市道路中的进口道饱和流率分析和通行能力计算适用性较差，因此计算出来的交通量往往会和实际的交通量偏差较大。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种考虑交叉口渠化及多因素修正的信号交叉口通行预测方法，有效提高信号交叉口通行能力预测精度，可靠性高。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种考虑交叉口渠化及多因素修正的信号交叉口通行预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤s1:计算外围交叉口各进口道车道数量与汇入流量；

5、步骤s2:基于外围交叉口各进口道车道数量与汇入流量，构建系数修正模型；

6、步骤s3:构建考虑道路几何条件的信号交叉口通行能力模型，基于系数修正模型修正，并基于修正后的信号交叉口通行能力模型实现对信号交叉口通行能力预测。

7、进一步的，所述步骤s1具体为：

8、计算外围交叉口各进口道车道数

9、

10、

11、

12、式中：nwiden(i,j)为第i个交叉口第j个进口道拓宽段车道数；nwiden(i,j,k)为第i个交叉口第j个进口道第k个转向拓宽段车道数；nsl为直左车道数；nsr为直右车道数；nslr为直左右车道数；ns+l为直行+左转车道数和；ns+r为直行+右转车道数和；

13、进口道车道数即为拓宽段的车道数，先累积该进口道各转向的车道数nwiden(i,j,k)，再分别减去共有的车道数：累积直行和左转的车道数再减去直左共有车道数nsl，累积直行和右转的车道数然后再减去直右共有车道数nsr；

14、2)计算外围各进口道汇入流量

15、①东进口道汇入流量

16、

17、式中：

18、qi,j为第i个交叉口第j个进口道汇入流量，veh；qi1,j,k为第i个交叉口第j个进口道第k个转向当前周期汇入流量，veh；qs+l为直行和左转的总汇入流量，veh；qs+r为直行和右转的总汇入流量，veh；

19、②南、北进口道汇入流量

20、

21、式中：为第i个交叉口第j个进口道第k个转向上一周期汇入流量，veh。

22、进一步的，所述系数修正模型包括车道数的修正模型和交通流折减系数的修正模型。

23、进一步的，所述车道数的修正模型，具体为：

24、①正常段各转向的修正车道数

25、如果进口道流量小于进口道每个周期排满车辆没有溢出时的最大交通量，那么正常段修正车道数等于正常段车道数；反之，正常段各转向修正车道数等于正常段车道数与各转向流量比的乘积，见下式：

26、式中：n′normal(i,j,k)为第i个交叉口第j个进口道第k个转向经过修正后的正常段车道数；nnormal(i,j,k)为第i个交叉口第j个进口道第k个转向正常段车道数；qmax(i,j)为第i个交叉口第j个进口道每个周期排满车辆没有溢出时的最大交通量，veh；vehmax为进口道每个周期最大排队车辆数，veh；comax为最大流量修正折减系数乘积；lwiden(i,j,k)为第i个交叉口第j个进口道第k个转向拓宽段长度，m；lnormol(i,j,k)为第i个交叉口第j个进口道第k个转向正常段长度，m；di,j,k为第i个交叉口第j个进口道第k个转向车辆停车间距，m；

27、②拓宽段各转向的修正车道数

28、a.当不存在直左、直右及直左右共用车道，此时各转向车道修正后的拓宽段车道数仍为初始的实际车道数量，即nsl、nsr、nslr满足：

29、

30、有：n′widen(i,j,k)＝nwiden(i,j,k)

31、式中：n′widen(i,j,k)为第i个交叉口第j个进口道第k个转向经过修正后的拓宽段车道数；nwiden(i,j,k)为第i个交叉口第j个进口道第k个转向拓宽段车道数；

32、b.当存在直右与直右车道，此时左右转向修正车道数计算为转向流量所占进口道流量的比值对应的车道数临时变量，与最大车道数及最小车道数的比较得出，即nsl、nsr满足：

33、

34、先分别计算左转、右转流量占比所对应的拓宽段车道数：

35、其中，对于东进口道：

36、

37、式中：n′i,j,1为左转车道数临时变量；n′i,j,2为右转车道数临时变量

38、对于南、北进口道：

39、

40、再分别与各转向最小车道数、最大车道数对比，计算左右转向车道修正后的拓宽段车道数；直行车道数为总车道数扣除左转与右转车道数的值

41、

42、

43、n′widen(i,j,0)＝nwiden(i,j)-n′widen(i,j,1)-n′widen(i,j,2)

44、式中：n′widen(i,j,1)为第i个交叉口第j个进口道左转经过修正后的拓宽段车道数；n′widen(i,j,2)为第i个交叉口第j个进口道右转经过修正后的拓宽段车道数；n′widen(i,j,0)为第i个交叉口第j个进口道直行经过修正后的拓宽段车道数；

45、其中，最小车道数等于该转向的专用车道数，计算为该转向车道数减去共有车道数的值，最大车道数则为该转向的专用车道数与共有车道数的累计。

46、当转向车道数临时变量小于该转向最小车道数时，修正后的拓宽段车道数等于最小车道数；当转向车道数临时变量介于最小车道数与最大车道数之间时，修正后的拓宽段车道数等于车道数临时变量对应的车道数；当转向车道数临时变量大于该转向最大车道数时，修正后的拓宽段车道数等于最大车道数。

47、c.当存在直左车道时，只需对左转流量占比所对应的车道数与最大车道数、最小车道数进行比较计算，即nsl、nsr满足：

48、

49、对于东进口道，左转流量占比所对应的拓宽段车道数：

50、

51、对于南、北进口道，左转流量占比所对应的拓宽段车道数：

52、

53、各转向车道修正后的拓宽段车道数分别为：

54、

55、d.当只存在直右车道时，只需将右转流量占比对应的车道数与最大车道数、最小车道数进行比较计算。即nsl、nsr满足：

56、

57、对于东进口道，右转流量占比所对应的拓宽段车道数：

58、

59、对于南、北进口道，右转流量占比所对应的拓宽段车道数：

60、

61、各转向车道修正后的拓宽段车道数分别为：

62、

63、进一步的，所述交通流折减系数的修正模型，具体如下：

64、①拓宽段车道数与下一交叉口正常段车道数的匹配系数

65、

66、式中：为拓宽段车道数与下一交叉口正常车道数的匹配系数；c为过程参数；nwiden(i)为第i个交叉口拓宽段车道数；nnormal(i+1)为第i+1个交叉口正常段车道数；

67、②转向流量与转向车道数匹配系数

68、a.对于所有的外围汇入进口道，进口道汇入流量为各个转向汇入流量之和，转向流量比为该转向流量占进口道总流量的比值；

69、a.计算各交叉口各进口道流量总和

70、

71、当进口道为东进口道即j＝0时，各交叉口各进口道流量总和为各交叉口各进口道各转向当前周期汇入流量之和；当进口道为即南j＝2、北进口道j＝3时，各交叉口各进口道流量总和为各交叉口各进口道各转向上一周期汇入流量之和。

72、b.计算各交叉口各进口道各转向流量比

73、

74、式中：rq(i,j,k)为第i个交叉口第j个进口道第k个转向流量比；

75、各交叉口各进口道各转向流量比为各交叉口各进口道各转向一个周期内汇入流量占各交叉口各进口道流量总和的比值；

76、c.计算各交叉口各进口道拓宽段车道数总和

77、nwiden(i,j)＝∑nwiden(i,j,k)

78、d.计算各交叉口各进口道各转向车道数比

79、

80、式中：rl(i,j,k)为第i个交叉口第j个进口道第k个转向车道数比；

81、各交叉口各进口道各转向车道数比为各交叉口各进口道各转向拓宽段车道数占各交叉口各进口道拓宽段总车道数的比值；

82、e.计算各转向流量与转向车道数比

83、

84、式中：ri,j,k为第i个交叉口第j个进口道第k个转向流量比与转向车道数比的比值；

85、当转向流量比值大于转向车道数比值时，两者比值为反之，当转向流量比值小于转向车道数比值时，两者比值为

86、f.计算转向流量与转向车道数匹配系数

87、

88、式中：ε为转向流量与转向车道数匹配系数；

89、各进口道包含直行、左转、右转3种转向，转向流量与转向车道数匹配系数取转向流量与转向车道数比值的三分之一；

90、b.对于内部交叉口，各转向汇入流量为上一交叉口各转向汇入流量与转向比例的乘积，其中，各交叉口各转向汇入车流中直行与右转车流所占比值需要满足公式：

91、fs+fr＜1

92、式中：fs为汇入车流中直行流量所占的比例；fr为汇入车流中右转流量所占的比例；

93、a.计算左转汇入车流，即上一交叉口的南进口道左转汇入量直左右各转向的流量：

94、

95、式中：ql-s为左转汇入车流中剩余直行的流量，veh；qi-1,2,1为第i-1个交叉口南进口道左转汇入流量，veh；fs(i-1,2,1)为第i-1个交叉口南进口道左转汇入流量中直行所占的比例；ql-r为左转汇入车流中剩余右转的流量，veh；fr(i-1,2,1)为第i-1个交叉口南进口道左转汇入流量中右转所占的比例；ql-l为左转汇入车流中剩余左转的流量，veh；ql为左转汇入总流量，veh；

96、各转向汇入车流中直行、左转、右转的流量等于该转向汇入流量与其所剩余转向通行流量占比的乘积，各个转向通行流量占比之和应不大于1。

97、b.计算右转汇入车流，即上一交叉口的北进口道右转汇入量直左右各转向的流量，见下式：

98、

99、式中：qr-s为右转汇入车流中剩余直行的流量，veh；qi-1,3,2为第i-1个交叉口北进口道右转汇入流量，veh；fs(i-1,3,2)为第i-1个交叉口北进口道右转汇入流量中直行所占的比例；qr-r为右转汇入车流中剩余右转的流量，veh；fr(i-1,3,2)为第i-1个交叉口北进口道右转汇入流量中右转所占的比例；qr-l为右转汇入车流中剩余左转的流量，veh；qr为右转汇入总流量，veh

100、c.计算直行汇入车流中，直左右流量转向的流量

101、

102、式中：qs-s为直行汇入车流中剩余直行的流量，veh；qi-1,0,0为第i-1个交叉口东进口道直行汇入流量，veh；qs-r为直行汇入车流中剩余右转的流量，veh；fs(i-1,0,0)为第i-1个交叉口东进口道直行汇入流量中直行所占的比例；qs-l为直行汇入车流中剩余左转的流量，veh；fr(i-1,0,0)为第i-1个交叉口东进口道直行汇入流量中右转所占的比例；qs为直行汇入总流量，veh

103、d.计算各转向流量比rq(i,j,k)；

104、e.计算拓宽段车道数总和nwiden(i,j)；

105、f.计算各转向车道数比rl(i,j,k)；

106、g.计算各转向流量与转向车道数比ri,j,k；

107、h.计算转向流量与转向车道数匹配系数ε；

108、③计算交通流分流折减系数

109、a.对于外围汇入进口道，交通流分流带来的折减系数计算：

110、

111、b.对于内部汇入进口道，交通流分流带来的折减系数计算，如下所示：

112、

113、式中：μ为交通流分流折减系数；d1、d2、d3为过程参数；rq为流量比；

114、④计算进口道长度折减系数

115、过程参数；

116、式中：α为进口道长度折减系数；a1、a2为过程参数；l为进口道长度；

117、⑤计算折减系数乘积

118、

119、式中：co为折减系数乘积；β为大车折减系数；χ为让行区域、减速区域造成的折减系数；δ为行人清空情况的折减系数。

120、1.根据权利要求4所述的考虑交叉口渠化及多因素修正的信号交叉口通行预测方法，其特征在于，所述考虑道路几何条件的信号交叉口通行能力模型，具体如下：

121、单车道输入流量不能大于通行能力，不能造成排队溢出：

122、

123、式中：qin为进口道输入流量，veh/h；cap为车道通行能力，veh/h；nwiden为拓宽段车道数；nnormal为正常段车道数；

124、车道分布有拓宽段车道数小于正常段车道数、拓宽段车道数大于等于正常段车道数两种情况；对于拓宽段车道数大于等于正常段车道数时又分别存在输入流量小于拓宽段排满时的流量、输入流量处于拓宽段排满时的流量与拓宽段和正常段同时排满的流量之间、输入流量超出拓宽段和正常段同时排满的流量三种情况，针对这些情况分别做出以下详细分析计算：

125、1)当拓宽段车道数nwiden小于等于正常段车道数nnormal时时输出流量qout为输入流量qin与绿灯时间所能允许通过的流量qg对比的结果：

126、

127、式中：qout为输出流量，等于理论通行能力，veh/h；qg为绿灯时间所能允许通过的流量，veh/h；

128、若输入流量小于或等于绿灯时间所能允许通过的交通量，此时，输出流量等于输入流量；反之，输出流量等于绿灯时间所能允许通过的交通量；

129、2)当拓宽段车道数nwiden大于正常段车道数nnormal时，输入流量状态存在三种情况：

130、①当输入流量小于拓宽段排满时的流量，即：qin＜qcw

131、有：

132、

133、式中：qcw为拓宽段排满时的流量，veh/h；ge为相位有效绿灯时间，s；gclean为输入流量按饱和流率清空所需的绿灯时间；gx为车辆消散绿灯时间，s；

134、设定输入流量按照饱和流率清空，若相位有效绿灯时间小于等于输入流量按饱和流率清空所需的绿灯时间，输出流量等于给定绿灯时间按饱和流率清空的流量；而若相位有效绿灯时间大于输入流量按饱和流率清空所需的绿灯时间，此时流量分两部分之和，一为按拓宽段车道数以饱和流率清空的流量，二为按正常段车道数以输入流率清空的流量；

135、②当输入流量介于拓宽段排满时的流量与拓宽段和正常段都排满时的流量之间，，即：qcw≤qin＜qc(w+n)

136、有：

137、式中：qc(w+n)为拓宽段与正常段均排满时的流量，veh/h；gcw为拓宽段排满时按饱和流率清空所需要的绿灯时间，s；gc(w+n)拓宽段排满且正常段累积到达车辆按饱和流率清空所需要的绿灯时间，s；

138、该情况下，a.当有效绿灯时间小于等于拓宽段排满时按饱和流率清空所需要的绿灯时间，输出流量按有效绿灯时间且车辆处于最小车头时距时清空的流量计算，再换算成小时流量；b.当有效绿灯时间处于拓宽段排满时按饱和流率清空所需要的绿灯时间与拓宽段排满且正常段累积到达车辆按饱和流率清空所需要的绿灯时间之间时，输出流量分两部分之和，一为按拓宽段车道数以饱和流率清空的流量，二为按正常段车道数以饱和流率清空的流量；c.当有效绿灯时间大于拓宽段排满且正常段累积到达车辆按饱和流率清空所需要的绿灯时间，输出流量分三部分之和，一为按拓宽段车道数以饱和流率清空的流量，二为按正常段车道数以饱和流率清空的流量，三为按正常段车道数以输入流率清空的流量；

139、③当输入流量大于拓宽段与正常段均排满时的流量，先比较相位有效绿灯时间与不同输入流量排满状态下按饱和流率清空所需要的绿灯时间，再分别计算各自状态下所能够输出的流量：

140、qin≥qc(w+n)

141、a..当相位有效绿灯时长满足：ge≤gcw

142、

143、输出流量为按有效绿灯时间且处于最小车头时距时所能清空的流量，再换算成小时流量；

144、b.当相位有效绿灯时长满足：gcw＜ge≤gc(w+n)

145、

146、若输出流量小于拓宽段和正常段排满时的流量，此时输出流量为两部分之和，一为拓宽段车道数以饱和流率清空的流量，二为按正常段车道数以饱和流率清空的流量；反之，输出流量为拓宽段和正常段排满时的流量。

147、c.当相位有效绿灯时长满足：ge＞gc(w+n)

148、

149、若输出流量小于拓宽段和正常段排满时的流量，此时输出流量分三部分之和，一为拓宽段车道数以饱和流率清空的流量，二为按正常段车道数以饱和流率清空的流量，三为按正常段车道数以输入流率清空的流量；反之输出流量为拓宽段和正常段排满时的流量。

150、进一步的，所述修正后的交通流量模型,具体如下：

151、经过系数修正后的通行能力为理论通行能力与折减系数的乘积，此时的进口道交通量为输出流量与修正后的通行能力比较的结果：

152、cap′＝cap×co

153、

154、若输出流量小于修正后的理论通行能力，此时交通流量等于输出流量；若输出流量大于等于修正后的理论通行能力，此时交通流量等于修正后的预测通行能力。

155、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

156、本发明考虑了外围交叉口各进口道车道数量与汇入流量，计算了车道数的修正模型、交通流折减系数的修正模型、道路几何条件的信号交叉口通行能力模型。在进行通行能力分析时先根据车道分布求出理论通行能力，结合给定的交通流量、道路几何信息、交通流特性等因素，分别对拓宽段与正常段车道数及各转向汇入流量系数进行修正。最后得出的交通流量等于修正后的理论通行能力，有效提高了预测的精度和可靠性。