[发明专利]一种左转短车道影响的交叉口可变导向车道控制方法

权利要求书

1.一种左转短车道影响的交叉口可变导向车道控制方法，包括实施条件、信号配时优化模型、信号灯组与可变导向车道标志控制方法，其特征在于：

(一)实施条件

(1)面向三路、四路和五路交叉口，各进口道渠划不少于2条的车道，设置1条或1条以上的左转短车道；

(2)在1条或1条以上的进口道上均设置1条可变导向车道；

(3)对于可变导向车道，在地面上施划可变导向车道标线，在停车线处设置可变导向车道标志，在停车线后方30～50m处设置可变导向车道标志，每隔50～100m重复设置可变导向车道标志1～2块；

(4)各进口道的右转车流均不受单独的信号控制；

(5)各交叉口信号相位数不少于2；

(二)信号配时优化模型

将交叉口进口车道分为三类：可变导向车道、短车道和普通车道；

为保证可变导向车道在一个时段内仅有一种功能属性，要求一条可变导向车道在一个时段内只能被一条车道组激活；

交叉口一条进口车道组的通行能力可表达为

式中：Q_j为车道组j的通行能力pcu/h；SN_j为车道组j的普通车道饱和流率pcu/h；g_j为车道组j的有效绿灯时间s；ψ_j为标识车道组j是否含有可变导向车道的二元变量，如果是，ψ_j＝1，否则，ψ_j＝0；SV_j为车道组j的可变导向车道饱和流率pcu/h；为标识车道组j是否含有短车道的二元变量，如果是，否则，SS_j为车道组j的短车道饱和流率pcu/h；为平均饱和车头时距s；为平均停车间距m；D_j为车道组j的短车道长度m；C为信号周期时长s；

交叉口通行能力为所有车道组的通行能力之和，即

$TQ=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_j---\left(2\right)$

式中：TQ为交叉口通行能力pcu/h；m为车道组数；

一条进口车道组的车均延误可表达为

$d_j=\left\{\frac{C{\left(1-u_j\right)}^2}{2\[1-\min \left(1,x_j\right)u_j\]}\right\}\·\left(PF\right)+900T\[\left(x_j-1\right)+\sqrt{{\left(x_j-1\right)}^2+\frac{8{\mathrm{KIx}}_j}{Q_{j}T}}\]+\frac{1800Q_b\left(1+\mathrm{\μ}\right)t^{\′}}{Q_{j}T}---\left(3\right)$

式中：d_j为车道组j的车均延误s/pcu；u_j为车道组j的绿信比；x_j为车道组j的饱和度；PF为信号联动修正系数；T为分析期持续时间h；K为信号控制类型的延误修正系数；I为上游调节增量延误修正系数；Q_b为分析期开始时的初始排队车辆数pcu；μ为延误参数；t′为分析期内过饱和状态的持续时间h；

交叉口车辆总延误为所有车道组的车均延误与当量小汽车数乘积之和，即

式中：TD为分析期内交叉口的车辆总延误s；为机动车类别数；β_ω为ω类机动车折算为当量小汽车的换算系数；P_j,ω为车道组j上ω类机动车所占比例；q_j为车道组j的需求流率veh/h；

交叉口车均延误为交叉口车辆总延误与当量小汽车总数之比，即

式中：AD为分析期内交叉口的车均延误(s/pcu)；

每条车道组的有效绿灯时间大于或等于最小有效绿灯时间，即

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_{ij}{g}_i^p\≥g_{\min }---\left(6\right)$

式中：n为相位数；φ_ij为标识车道组j上的车流是否可在相位i内通行的二元变量，如果是，φ_ij＝1，否则，φ_ij＝0；为相位i的有效绿灯时间s；g_min为最小有效绿灯时间s；

信号周期时长满足：

$C_{\min }\≤\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{g}_i^p+n_{d}l\≤C_{max}---\left(7\right)$

式中：C_min为最小周期时长s；C_max为最大周期时长s；n_d为分别独立的相位数；l为平均相位损失时间s；

每个相位的有效绿灯时间是非负的，即

$g_i^p\≥0---\left(8\right)$

以最小化式(4)或(5)为目标，以式(6)、(7)和(8)为约束条件，单目标信号配时优化模型为

同时以最大化式(2)为目标，双目标信号配时优化模型为

其中：max表示最大化；min表示最小化；s.t.表示约束条件；因此，所述可变导向车道控制的信号配时优化模型有式(9)和(10)中的4种具体形式；

(三)信号灯组与可变导向车道标志控制方法

划分若干个控制时段，定义t₀为参考零点，t_k，k＝1,2,3,…,δ为控制方案k的切换时刻，即时段[t₀,t₁)执行控制方案1、时段[t_k-1,t_k)执行控制方案k，其中δ为控制时段数；

采用上述一种信号配时优化模型获得每个时段内最佳的可变导向车道功能与信号配时方案；定义为控制时段k车道组j的可变导向车道标识符，C^k为控制时段k的信号周期时长，为控制时段k车道组j的显示绿灯时间；若控制时段k车道组j上不含有可变导向车道；若控制时段k车道组j上含有1条可变导向车道，该时段内可变导向车道信号灯组的控制方案采用车道组j的信号控制方案；

在任意一个控制方案切换时刻，如果上一控制方案未执行完整周期，执行完整个周期后再切换至下一控制方案，修正每一个控制方案切换时刻的表达式为

$t_k^A=\left\{\begin{array}{cc}{t}_1+C^1-\mathrm{mod}(t_1-t_0,C^1),& ifk=1\\ t_k+C^k-\mathrm{mod}(t_k-t_{k-1}^A,C^k),& ifk\>1\end{array}\right.---\left(11\right)$

式中：为修正的控制方案k的切换时刻s；mod(x,y)为x除以y的余数s；

控制方案1被执行的真正时段为执行方案该方案被执行的周期数为控制方案k＞1被执行的真正时段为执行方案该方案被执行的周期数为

在任意一个控制时段内，固定导向车道的各种灯色信号灯直接按其控制方案起亮和结束；可变导向车道在本控制时段的功能与上一控制时段相同时，上一控制时段与本控制时段任意一个信号周期内各种灯色的信号灯直接按其控制方案起亮和结束，可变导向车道标志的导向箭头与信号灯组指示方向一致，且一直高亮显示，当可变导向车道功能为左转、y为黄灯时间时，信号灯组与标志控制状态见表1；否则，上一控制时段最后一个信号周期内信号灯组控制状态不同于前述，可变导向车道标志控制状态也发生变化，其他信号周期内信号灯组和可变导向车道标志控制状态与前述相同；

定义和分别为可变导向车道信号灯组最后一次执行控制方案k-1的绿灯起亮时刻和绿灯结束时刻，和为可变导向车道信号灯组第一次执行控制方案k的绿灯起亮时刻和绿灯结束时刻；

表1 可变导向车道功能不变时信号灯组与标志控制状态

当可变导向车道功能发生变化时，需要计算两个重要参数：清空时间和进入时间；可变导向车道功能由左转切换至直行时信号灯组与标志的控制状态见表2和3；

表2 可变导向车道功能改变时第一种信号灯组与标志控制状态

表3 可变导向车道功能改变时第二种信号灯组与标志控制状态

清空时间与进入时间可分别表达为

$t_{\mathrm{\ζ}}^V=\left\{\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{h}{D}_{\mathrm{\ζ}}^V/\stackrel{\‾}{s},& if\mathrm{mod}\left(\stackrel{\‾}{h}{D}_{\mathrm{\ζ}}^V,\stackrel{\‾}{s}\right)=0\\ \mathrm{int}\left(\stackrel{\‾}{h}{D}_{\mathrm{\ζ}}^V/\stackrel{\‾}{s}\right)+1,& if\mathrm{mod}\left(\stackrel{\‾}{h}{D}_{\mathrm{\ζ}}^V,\stackrel{\‾}{s}\right)\≠0\end{array}\right.---\left(12\right)$

$t_{\mathrm{\ζ}}^E=\left\{\begin{array}{cc}{D}_{\mathrm{\ζ}}^V/v_{\mathrm{\ζ}}^E,& if\mathrm{mod}(D_{\mathrm{\ζ}}^V,v_{\mathrm{\ζ}}^E)=0\\ \mathrm{int}(D_{\mathrm{\ζ}}^V/v_{\mathrm{\ζ}}^E)+1,& if\mathrm{mod}(D_{\mathrm{\ζ}}^V,v_{\mathrm{\ζ}}^E)\≠0\end{array}\right.---\left(13\right)$

式中：为可变导向车道ζ的清空时间，为可变导向车道ζ的清空距离；为可变导向车道ζ的进入时间；为可变导向车道ζ的进入速度；int(x)表示对x取整；

若可变导向车道信号灯组与标志控制状态见表2；若可变导向车道信号灯组与标志控制状态见表3。