[发明专利]考虑大型车掉头需求的交叉口设计与控制方法

权利要求书

1.一种考虑大型车掉头需求的交叉口设计与控制方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)设大型车穿过交叉路口沿主线向上游行驶一段距离后左转掉头，向上游行驶一段距离为专用车道蓄车段，大型车掉头专用车道设有信号灯，左转掉头处主线上设置有主线辅助信号灯，左转掉头形成的圆弧包围区域为大型车掉头专用车道导流岛；

(2)本发明采用两相位信号控制，共有两种相位方案：1)第一相位为西进口道、北进口道的直行和左转，第二相位为东进口道和南进口道的直行和左转；2)第一相位为东西直行，第二相位为东西左转且南北直左，右转车流均不受控制；

(3)本发明确定掉头车道设置位置以及蓄车段长度的步骤包括：1)设一个周期内绿灯期间到达掉头专用车道蓄车段的车辆数为N1，相反方向进口道停车线前直行排队车辆数为N2，左转为N3，三者的最大值为一段时间内该方向上进口/掉头车道最大排队车辆数，则排队长度为L＝d×max(N1，N2，N3)，式中d为平均大车车长；2)考虑掉头车辆汇入主线直行车道上所需要的最小换道距离Lmin；3)由D＝max(L，Lmin)，作为设置掉头车道蓄车段长度的依据；

(4)对支路交通流的组织方式为借用掉头专用车道作为其远引掉头车道，也即支路交通组织采用禁止左转和直行的方式，通过信号控制将主路掉头车流与支路直左车流分开，支路直左车流借助掉头车道通行空间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述方法进一步细化为：本发明设计为两相位信号控制，共有两种相位设置方式：

(1)第一相位为西进口道、北进口道的直行和左转，第二相位为东进口道和南进口道的直行和左转，右转车流不受控制；

(2)第一相位为东西直行，第二相位为东西左转且南北直左，右转车流不受控制；

L1-L10为信号灯组编号，第一种相位设置方法中，西向东直行L1、西向北左拐L3、北向南直行L5为第一相位，东向西直行L2、东向北左拐L4、南向北直行L6为第二相位，东向西至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L7、西向东至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L8为辅助一相位，大型车西向东左拐掉头处L9、大型车东向西左拐掉头处L10为辅助二相位；第二种相位设置方法中，西向东直行L1、东向西直行L2为第一相位，西向北左拐L3、东向北左拐L4、北向南直行L5、南向北直行L6为第二相位，东向西至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L7、西向东至交叉口段与大型车掉头专用道交叉口L8为辅助一相位，大型车西向东左拐掉头处L9、大型车东向西左拐掉头处L10为辅助二相位；

按第一种相位设置配时：设包括拖挂车、集装箱在内的大型车饱和流率为Q_d，并设置进口道各流向流量如下表1所示：

表1交叉口进口道各流向流量

  左转  直行  掉头  右转  总计  东进口  Q_E-L  Q_E-TH  Q_E-TU  Q_E-R  Q_E  西进口  Q_W-L  Q_W-TH  Q_W-TU  Q_W-R  Q_W  南进口  Q_S-L  Q_S-TH  Q_S-TU  Q_S-R  Q_S

  北进口  Q_N-L  Q_N-TH  Q_N-TU  Q_N-R  Q_N

信号总周期T的计算根据常用的英国道路交通研究所TRRL配时方法得出，式中Y为黄灯时长：

总绿灯时长：G＝T-2Y                                (1)

第一相位绿灯时间：G₁＝G×Q₁/(Q₁+Q₂)                (2)

第二相位绿灯时间：G₂＝G×Q₂/(Q₁+Q₂)                (3)

其中：Q₁＝max{Q_W-TH+Q_W-L，Q_N-TH+Q_N-L}              (4)

Q₂＝max{Q_E-TH+Q_E-L，Q_S-TH+Q_S-L}                    (5)

辅助一相位：

G₁₁＝(G1-Y)×max{Q_w/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，Q_E/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}        (6)

G₁₂＝(T-G1-Y)×max{Q_w/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，Q_E/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}      (7)

辅助二相位：

G₂₁＝(T-G2-Y)×max{(Q_N-TH+Q_N-L)/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，(Q_S-TH+Q_S-L)/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}(8)

G₂₂＝(G2Y)×max{(Q_N-TH+Q_N-L)/(Q_w+Q_N-TH+Q_N-L)，(Q_S-TH+Q_S-L)/(Q_E+Q_S-TH+Q_S-L)}   (9)

掉头专用车道蓄车段长度D的确定：

设车流到达服从泊松分布，每周期掉头车道排队车辆受该车道上的两次红灯控制，即辅助二相位的两次红灯引起的排队，以东出口掉头车道段为例，N_E1为西进口道掉头排队车辆，等于第一相位绿灯到达的掉头车辆数减去辅助二相位第二次绿灯时间内以饱和车流消去的车辆数，即一周期内：

N1_E1＝(Q_W-TU×G₁-Q_d×G₂₂)/3600                   (10)

N_E2为南进口道左转和直行排队车辆，等于第二相位绿灯到达的左/直车辆数减去辅助二相位第一次绿灯时间内以饱和车流消去的车辆数，即一周期内：

N1_E2＝((Q_S-L+Q_S-TH)×G₂-Q_d×G₂₁)/3600            (11)

则：N1＝N1_E1+N1_E2                                (12)

由于掉头专用车道转弯段与主路有相交部分即辅助信号灯控制部分，即有公共的通行空间，为了不至于主路进口道停车线前直行或左转排队车辆超过即占用该公共通行空间，需要满足掉头专用车道蓄车段长度大于主路进口道车辆排队长度，一周期内东进口左转排队车辆数：

N2＝(Q_E-L×G₁₂-Q_d×G₂)/3600                      (13)

直行排队车辆数：

N3＝(Q_E-TH×(G₁₁+G₁₂)+Q_W-TU×G₂₁-Q_d×G₂)/3600    (14)

因此，取上述三个流向上停车线前排队车辆数的最大值来界定蓄车段长度D；除此之外，由于掉头车辆汇入主线时位于进口道的外侧右转车道上，需要通过换道完成在直行车道上通行或者排队等待通行；假设掉头车汇入主线时刚好等到一个可接受间隙h，h大于最小可接受间隙t₀，进行换道，换道一次的最小距离应在临界可接受间隙时间内完成；设直行车道为两条，流量Q，则换道的交织长度的最小值需满足掉头车辆能够从最外侧车道一次性换到内侧第二条直行车道上，也即连续换道两次。根据车头到达间隙服从负指数分布，1小时内出现可接受间隙的概率为：

P(h＞t₀)＝e-(Qt₀/3600)                          (15)

等到一个可接受间隙需时：

T＝3600/(Q×P(h＞t₀))                           (16)

换道过程中假设车辆匀速v，故有：

Lmin＝v×(t₀+T)×2                              (17)

综上，东出口道掉头车道蓄车段长度：

D_E＝max{Lmin，d×max{N1，N2，N3}}                (18)

同理，西出口道掉头专用车道蓄车段长度算法类似，只是需要考虑的车流量、流向不同。