[发明专利]一种交叉口外侧辅路掉头车辆待行区设计及信控的方法

权利要求书

1.一种交叉口外侧辅路掉头车辆待行区设计及信控的方法，其特征在于：步骤一、交叉口基本信息的收集：收集交叉口各个进口左转、直行、右转、掉头的车流量及车道数量，同时收集交叉口车辆启动损失时间，进口道车流的饱和流率，高峰时段因子，高峰时段因子为分析道路通行能力时，表示高峰小时内交通量不平衡的修正系数，交叉口期望服务水平，进口道排队队列中连续两个车辆间的平均距离，车辆平均长度，内侧主路左转车辆到达率辆/s，外侧辅路掉头车辆到达率 辆/s；设定东西进口外侧辅路左转车辆行驶轨迹曲线 、 ，内侧主路左转车辆轨迹曲线 ，东西进口外侧辅路左转车辆行驶轨迹曲线 、 和内侧主路左转车辆轨迹曲线 均采用三次多项式函数表达；步骤二、待行区约束条件的设置和确定外侧辅路掉头待行区空间位置：物理约束条件是指在交叉口尺寸不变的前提条件下，在交叉口内部布设外侧辅路掉头待行区的基本约束；在交叉口内部建立平面直角坐标系，该坐标系的原点为两条道路中线的交点、x轴为存在主路和辅路的道路的中线、x轴正方向为任选其中一端作为正方向、y轴为被交道路的中线、y轴正方向为任选其中一端作为正方向；物理约束由两部分组成：

（1）在主路和辅路的道路进口道外侧左转车道无冲突，根据步骤一中采集到的交叉口基本尺寸信息，x轴方向上交叉口物理区范围内两相对方向外侧左转车辆行驶轨迹曲线关于交叉口原点对称，在此考虑临界情况为两曲线有唯一的交点，即该点为切点；根据步骤一中，两 、 曲线三次多项式函数方程联立公式，讨论待行区的设置情况：

上述公式中a₁、b₁、c₁常数， 为东进口外侧辅路左转车辆行驶轨迹曲线， 为西进口外侧辅路左转车辆行驶轨迹曲线，x为x轴上的坐标点；d为进口道排队队列中连续两个车辆间的平均距离；化简后可得：

对x的取值情况进行讨论判断是否符合物理约束条件：

由上述式子可以判断得到，当属于情况Ⅰ时，此时可求出 ，此时外侧左转车辆轨迹相交，存在冲突，此时不可设置外侧掉头待行区；当属于情况Ⅲ时，由于，则x必定无解，故外侧左转车辆轨迹曲线没有交点，该种情况下可以设置外侧掉头车辆待行区；当属于情况Ⅱ时，d=0，则x=0，且由于两条曲线关于原点（0，0）对称，因此在x=0处有唯一交点；该情况为外侧掉头待行区设置的临界条件，此时外侧左转刚好无冲突；

（2）外侧辅路掉头待行区的设置不影响内侧左转车道正常通行；基于公式

讨论d的取值情况，考虑d=0 ，即外侧左转车辆曲线仅有唯一交点的情况；在主路和辅路的道路进口道外侧左转车道无冲突的物理约束临界情况下，假设在掉头待行区长度 内，外侧左转车道掉头待行区车辆行驶轨迹曲线与西进口外侧辅路左转车辆行驶轨迹曲线 平行；需要满足条件使掉头待行区设置不影响主路内侧左转车辆通行，则需要对内侧左转曲线和外侧掉头待行区曲线进行讨论，联立 和 两曲线得到公式：

上述式中的t为掉头待行区的车道数，取值为正整数；通过上述公式可以确定内侧左转曲线与外侧掉头待行车辆轨迹曲线的交点，对该交点的取值情况进行讨论，以此交点作为待行区设置的终止点，终止点即公式 中的积分上限n，该终止点的设置需保证左转待行区不影响对向直行车辆正常行驶，即该终止点坐标y值需小于等于对向最内侧直行车道侧边线上任一点的坐标y值；计算掉头待行区初始长度，利用上述确定的物理条件约束，包括外侧辅路左转车辆无冲突和外侧掉头待行区设置不影响内侧左转车辆通行，即当掉头车辆停在待行区内时，内侧左转车辆能够正常行驶不受影响，根据曲线长度求解方法，可通过以下公式求出掉头待行区初始长度；

公式中， n为内侧左转曲线与外侧掉头待行车辆轨迹曲线的交点；m为交叉口物理宽度的一半；为掉头待行区车辆行驶轨迹曲线 的导函数；dx是一个整体符号，为积分公式中的微元；

步骤三、确定交叉口信号配时设计方案：根据步骤一中采集到的交叉口流量流向信息，设定交叉口信号的周期时长，g_i表示相位的绿灯长度，i=1、2、3、4表示交叉口主信号第一、二、三、四相位的绿灯的长度；黄灯时长，全红时长，各相位的绿灯长度需要根据下列公式计算：

上述公式中，表示各相位黄灯时长s，建议取值为3s；表示各相位全红时长s，建议取值为2s；g_i表示相位的绿灯长度，i=1、2、3、4表示交叉口主信号第一、二、三、四相位的绿灯的长度；V₁为第一相位关键流率，单位为pcu/h；V₂为第二相位关键流率，单位为pcu/h；V₃为第三相位关键流率，单位为pcu/h；V₄为第四相位关键流率，单位为pcu/h；V_ES为东进口直行车辆流量，单位为pcu/h；n_ES为东进口直行车道数量，单位为条；V_WR为西进口右转车辆流量，单位为pcu/h；n_WR为西进口右转车道数量，单位为条；V_ER为东进口右转车辆流量，单位为pcu/h；n_ER为东进口右转车道数量，单位为条；V_EL为东进口左转车辆流量，单位为pcu/h；n_EL为东进口左转车道数量，单位为条；V_WL为西进口左转车辆流量，单位为pcu/h；n_WL为西进口左转车道数量，单位为条；V_SL为南进口左转车辆流量，单位为pcu/h；n_SL为南进口左转车道数量，单位为条；V_NL为北进口左转车辆流量，单位为pcu/h；n_NL为北进口左转车道数量，单位为条；V_NS北进口直行车辆流量，单位为pcu/h；n_NS为北进口直行车道数量，单位为条；V_SS为南进口直行车辆流量，单位为pcu/h；n_SS为南进口直行车道数量，单位为条；V_SR为南进口右转车辆流量，单位为pcu/h；n_SR为南进口右转车道数量，单位为条；V_NR为北进口右转车辆流量，单位为pcu/h；n_NR为北进口右转车道数量，单位为条；V_C为信号灯各个相位关键流量，单位为pcu/h；L为信号灯总损失时间，单位为S；S为调整后的交叉口单条车道通行能力，单位为pcu/h；g_E,i为第i相位有效绿灯时长，单位为S；C_des为交叉口信号的设计周期时长，单位为S；PHF为高峰时段因子；V/C为交叉口期望服务水平；V_i为第i相位关键流量，单位为pcu/h；

各个相位的通行规则描述如下：a、第一相位允许x轴上交叉口内两相对方向进口直行车辆通行；b、第二相位允许x轴上交叉口内两相对方向进口内侧主路及外侧辅路左转车辆通行，对于外侧辅路掉头待行区，允许外侧辅路掉头车辆暂时停放，内侧主路掉头车辆则利用内侧左转车道正常通行；定义第二相位早断时间为 ，在第二相位结束前秒，禁止内侧左转车辆同行，允许外侧辅路掉头待行区内车辆同行，继续允许外侧左转车辆同行；c、第三相位允许y轴上交叉口内两相对方向进口左转车辆通行；d、第四相位允许y轴上交叉口内两相对方向进口直行车辆通行；

步骤四：确定外侧辅路掉头待行区长度步骤具体包括：（1）判断掉头待行区初始长度与流量约束条件的关系，流量约束条件是指，在设置了外侧掉头车辆待行区后，对信号相位进行了精细化设计，内侧左转车辆相位信号早断；需确保当前内侧左转车道信号相位设计能够满足车辆通行需求，不会造成过长的等待从而延伸至交叉口上游；根据流量约束条件及相位信号配时方案，外侧掉头待行区长度L可根据下列公式确定：

上述公式中，t₁为外侧辅路掉头车辆禁止时间，单位为S；t₂内侧左转车辆禁行时间，单位为S；表示由外侧掉头车辆信号相位禁止通行导致的外侧掉头车辆排队延伸至交叉口上游的概率，取值为13%；表示由内侧左转车辆信号禁止通行导致的内侧左转车辆排队延伸至交叉口上游的概率，取值为13%；为交叉口进口道通行能力宽度修正系数； 为交叉口进口道通行能力大车修正系数； 为交叉口进口道通行能力坡度修正系数；为交叉口进口道通行能力公交车站修正系数；为交叉口进口道通行能力路侧停车修正系数； 为交叉口进口道通行能力左转修正系数； 为交叉口进口道通行能力右转修正系数； 为交叉口进口道通行能力自行车/行人修正系数；N_m为外侧辅路掉头车辆在一定时间内的达到数量，单位为pcu；P（N_m）为在一定时间内达到车辆数为N_m的概率；N_in—left 为内侧主路掉头车辆在一定时间内的达到数量，单位为pcu；P（N_in—left）为在一定时间内达到车辆数为N_in—left的概率；由于上述关系式在求解 时存在难度，且外侧辅路车道掉头车辆通行时间 未知；为便于应用，采用数值验算法，具体操作如下：

（a）将由满足物理约束求解得到的外侧掉头待行区初始长度 代入公式 中，利用与的约束关系，求取 的临界值；由于上述公式复杂度较高，在求取 时可能会得到复数解；为了得到临界值，同时注意到 ，且在实际工程应用中， 为自然数；故采用试算法，不断代入不同的值计算，找到满足条件对应的即可；

基于当前临界值，可得到内侧左转车辆通行时间；代入上述公式中，进一步判断 与的关系，若 与成立，则外侧掉头待行区初始长度可确定为 ，否则重新选择一个值作为掉头待行区长度，应满足 ，再次代入公式中验算，直至得到满足条件的掉头待行区长度L；

（b）确定内侧主路左转信号早断时间，在确定掉头待行区长度后，根据公式，可计算得到内侧主路左转早断时间，因此内侧左转信号的启停时间点为：内侧左转信号绿灯在第二相位g2时启动，在第二相位绿灯终止前时刻终止。