[发明专利]一种钩形弯交叉口信号协同控制优化方法

权利要求书

1.一种钩形弯交叉口信号协同控制优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：进行钩形弯交叉口和与其相邻的常规交叉口的渠化设计；

步骤2：计算步骤1中所述与钩形弯相邻的常规交叉口的机动车平均延误；

步骤3：计算钩形弯交叉口的机动车平均延误；

步骤4：用钩形弯交叉口和与其相邻常规交叉口内各个车道的延误之和除以该两交叉口内的总流量，可得钩形弯交叉口和与其相邻常规交叉口内的车辆平均延误；以钩形弯交叉口和与其相邻常规交叉口内的车辆平均延误最小为目标函数，以两交叉口的周期时长和相位绿灯时间为约束条件，建立钩形弯交叉口与常规交叉口信号协同优化模型；

步骤1所述的进行钩形弯交叉口和与其相邻的常规交叉口的渠化设计具体方法是：对于与钩形弯相邻的常规交叉口，其布设方法参照一般交叉口渠化进行；对于钩形弯交叉口，首先，需要在钩形弯内进行配套的交通标线设置，并在钩形弯左转待行区内设置待行区字样和左转转弯标线，钩形弯左转待行区的长度设置根据具体钩形弯交叉口的空间大小设定而定；其次，在常规交叉口驶入钩形弯交叉口方向的导向车道内设置标明行驶方向的导向箭头标明各车道的行驶方向，钩形弯左转待行区处应设置醒目钩形弯左转辅助标志牌，10m外设置提醒钩形弯左转车辆提前进入右侧车道预告标志牌；对于常规交叉口而言，相位1控制主路的直行和右转，相位2控制主路的左转，相位3控制次路的左转、直行和右转；对于钩形弯交叉口而言，相位1控制主路的通行，包括直行和右转直行、右转和驶入待行区的左转，相位2控制主路待行区内的左转、次路的直行和右转，相位3控制次路的左转；

步骤2所述的计算该与钩形弯相邻的常规交叉口的机动车平均延误的具体方法是：

步骤21.选取单个常规交叉口车辆平均延误最小作为其信号配时方案优化目标，根据交通流到达的泊松分布，设常规交叉口信号方案的周期时长为C，s；该周期内包含N个信号相位，第i个信号相位的绿灯时间为gi，s；相邻相位间的绿灯间隔时间为Ii，s；第j条进口道的饱和流率为Sj，pcu/h；

对于主路直行车道，运用HCM2010中的车辆延误公式进行其平均延误的计算：

式中：相位1直行车道j的车辆平均延误，s；λ_A1—相位1绿信比；x_A1j—相位1直行车道j的饱和度，计算方法为该车道的实际流量除以通行能力；Cap_A1j—相位1直行车道j的通行能力，计算方法为该车道的饱和流率乘以绿信比，pcu/h；T—分析时长，一般取值0.25h；K—模型校正系数，一般取值0.5；

步骤22.计算与钩形弯相邻的常规交叉口的车辆延误：

HCM2010中针对两协同交叉口的中间路段的机动车平均延误的计算公式为：

式中：λ₁为相位1的绿信比；x_i为相位1车道的饱和度，计算方法为该车道的实际流量除以通行能力；Cap_i为相位1车道的通行能力，计算方法为该车道的饱和流率乘以绿信比，pcu/h，PF为考虑两交叉口间信号协同影响的延误调整因子，

式中：λ_i为相位i的绿信比，P是车道行驶的车辆绿灯到达的概率，f_PA是车辆绿灯到达的调整系数，一般取值为1.0；

在常规交叉口驶入钩形弯交叉口路段的车道延误计算中，均需在延误公式的第一项中引入延误调整因子PF，因此，该与钩形弯相邻的常规交叉口的相位n(n＝1,2,3)的一个周期内车辆的总延误为:

式中：

q_{An_j}为常规交叉口A内相位n控制的车道j的一个周期内到达的全部车辆数，pcu/h；

为常规交叉口A内相位n控制的车道j的车辆平均延误，s；

对于常规交叉口A，相位2的左转车道、相位3的左转、直行、右转车道的车辆平均延误皆利用公式(1)获得；对于常规交叉口驶入钩形弯交叉口的路段的车道车均延误需采用公式(2)计算，相位2、相位3的一个周期内所有车辆的总延误可采用公式(4)计算；

步骤3所述的计算钩形弯交叉口的机动车平均延误的具体方法包括：

步骤31.钩形弯交叉口的相位1车辆延误计算：

步骤311.计算直行专用车道车辆延误：设置钩形弯左转交通组织方式对干道直行的交通流运行无影响，因此干道上从常规交叉口驶入钩形弯方向的直行车道的车辆延误采用公式(2)、相对方向的直行车道采用公式(1)进行计算；

步骤312.计算共用车道车辆延误：就共用左转、直行、右转三个方向的车道而言，钩形弯左转的车辆在相位1绿灯时间内，直行进入待行区内排队；

若待行区内排队车辆未上溯至车道，左、直、右方向的车辆均可顺畅通行，此时的车辆延误利用公式(1)或公式(2)计算；

一旦待行区内排队的车辆上溯至车道，将产生堵塞，车辆延误迅速增加，鉴于此，将钩形弯交叉口内左转车辆的延误分为车辆在进口道停车线后的延误与车辆在待行区内的延误；

设共用车道j对应的待行区k内的容量为Q_k，则在相位1的绿灯时间g₁秒内，若越过停车线的左转车流量大于Q_k，则待行区内的左转机动车将发生排队上溯；

Q_B1jmax＝g₁S_j/3600 (5)

Q_B1jlmax＝Q_B1jmax[q_B1jl/(q_B1jz+q_B1jl+q_B1jr)] (6)

式中：S_j为车道j的饱和流率；q_B1jl、q_B1jz、q_B1jr分别为该车道左、直、右方向到达的平均车流量，j为车道编号；Q_B1jmax为该车道在相位1的绿灯时间内通行的最大车流量；Q_B1jlmax为该车道在相位1的绿灯时间通行的最大左转车流量；

当Q_B1jlmax≤Q_k时，待行区的左转车不会发生排队上溯，此时车道j的交通流正常运行，车道j的平均延误采用公式(1)或公式(2)计算；

当Q_B1jlmax＞Q_k时，待行区内的左转车可能发生排队上溯，此时需分a和b两种情况讨论：

a.待行区内发生排队上溯时的车辆延误：

根据交通流到达的泊松分布，周期C内到达车道j的左转车流量大于待行区容量的概率为：

P(Q_B1jlmax＞Q_k)＝1-P(Q_B1jlmax≤Q_k) (7)

式中：P(A)为周期C内车道j到达A pcu左转车的概率；

当排队上溯发生时，越过停车线的左转车辆数为(Q_k+1)，依据各方向的车流量比例，可得已越过停车线的车辆总数Q'_B1j为：

此时相位1内已经利用的绿灯时间g'_B1为：

g'_B1＝(q_B1jz+q_B1jl+q_B1jr)(C-g₁)/[S_j/3600-(q_B1jz+q_B1jl+q_B1jr)] (11)

由于排队上溯阻碍后续车辆行驶，因此此时的实际有效绿灯时间即为g'_B1，相位1的绿灯时间g₁，则待行区内发生排队上溯时的共用车道的车辆平均延误为：

其中，λ'_B1＝g'_B1/C；PF为考虑两交叉口间信号协同影响的延误调整因子，T为分析时长；x_B1h为钩形弯交叉口B相位1直行车道的饱和度，计算方法为该车道的实际流量除以通行能力；x_B1z为钩形弯交叉口B相位1左转车道的饱和度；K为模型校正系数；Cap_B1h为钩形弯交叉口B相位1直行车道h的通行能力，计算方法为该车道的饱和流率乘以绿信比，pcu/h；

b.待行区内不发生排队上溯时的车辆延误：

P(Q_B1jlmax≤Q_k)为待行区内无排队上溯时的概率，此时机动车运行不受钩形弯影响，仍可采用公式(1)计算，待行区内不发生排队上溯时共用车道的车辆平均延误为：

λ_B1为钩形弯交叉口B相位1的绿信比；

综合考虑上述两种情况，共用车道的车均延误为：

钩形弯交叉口相位1的一个周期内所有车辆的总延误d_B1为：

式中：

q_{B1_j}为钩形弯交叉口内相位1控制的车道j一个周期内到达的全部车辆数，pcu/h；

为钩形弯交叉口内相位1控制的车道j的车辆平均延误，s；

步骤32.相位2车辆延误计算：

左转机动车驶入待行区内后，将受相位2控制，在相位2的周期时长C内，待行区k内停车等待的车辆数为:

Q_wk＝min(Cq_B1jl/3600,Q_B1jlmax) (16)

其延误为：

式中：S_wk为待行区k内机动车的饱和流率，pcu/h；g₁为相位1的绿灯时间；I₁为相位1的绿灯间隔时间；

由于待行区内车辆的影响，南北方向直右车道内的机动车需等待前方待行区内的车辆驶离后，方可启动，南北向的直行与右转车辆的实际绿灯时间因此减少，设待行区k内车辆驶离所需要的时间为t_wk，s，则其计算公式为：

设次路的直右车道的实际绿灯时间为g_2e，s，其计算公式为：

g_2e＝g₂-t_wk (19)

将相位2的绿信比用g_2e/C代入公式(1)，可得次路直右车道的车均延误，其中g₂为相位2的绿灯时间；

因此，钩形弯交叉口相位2的一个周期内所有车辆的总延误d_B2等于：

式中：q_{B2_j}—钩形弯交叉口内相位2控制的车道j的一个周期内到达的全部车辆数，pcu/h；为钩形弯交叉口内相位2控制的车道j的车辆平均延误，s；为待行区k内的车辆平均延误，s；Q_wk为待行区k内停车等待的车辆数，pcu/h；

步骤33.相位3车辆延误计算：

钩形弯交叉口的相位3的机动车运行的车均延误采用公式(1)计算，因其与常规交叉口在专用左转相位下的车辆运行情况相同，钩形弯交叉口相位3的一个周期内所有车辆的总延误d_B3为：

式中：q_{B3_j}—钩形弯交叉口内相位3控制的车道j的一个周期内到达的全部车辆数，pcu/h；为钩形弯交叉口内相位3控制的车道j的车辆平均延误，s；

步骤4所述的钩形弯交叉口与常规交叉口信号协同优化模型建立的具体方法是：

根据常规交叉口和钩形弯交叉口的一个周期内的各相位车辆平均延误，计算钩形弯交叉口与相邻常规交叉口内的车辆平均延误为：

式中：Q_A为常规交叉口的一个周期内到达的全部车辆数，pcu，Q_B为钩形弯交叉口的一个周期内到达的全部车辆数，pcu；d_A1为常规交叉口A相位1的一个周期内所有车辆的总延误；d_A2为常规交叉口A相位2的一个周期内所有车辆的总延误；d_A3为常规交叉口A相位3的一个周期内所有车辆的总延误；d_B1为钩形弯交叉口B相位1的一个周期内所有车辆的总延误；d_B2为钩形弯交叉口B相位2的一个周期内所有车辆的总延误；d_B3为钩形弯交叉口B相位3的一个周期内所有车辆的总延误；

基于钩形弯交叉口与相邻常规交叉口内的车辆平均延误最小，建立两交叉口间的信号协同控制优化模型如下：

其中，符号s.t.表示约束条件，C_min为最小相位周期；C_Y为交叉口Y的相位周期；C_max为最大相位周期；g_Ymin为交叉口Y的最小绿灯时长；g_Yi为交叉口Y相位i的绿灯时间；I_Yi为交叉口Y相位i的绿灯间隔时间；g_Ymax为交叉口Y的最大绿灯时长；Y表示信号交叉口，包括钩形弯和常规交叉口，A表示常规交叉口，B表示钩形弯交叉口；

上述模型中的待优化变量包括信号交叉口Y的周期时长、信号交叉口Y的相位i的绿灯时间，求解上述模型，可得钩形弯交叉口与常规交叉口的基于车均延误最小的信号配时协调优化方案。