[发明专利]单进口轮流放行方式的四路环形交叉口交通信号控制方法

摘要

一种单进口轮流放行方式的四路环形交叉口交通信号控制方法，建立了具有四个进口道机动车相位、四个环道机动车相位和四个行人相位的相位结构，提取了五项通行权供给的时间特性；引入进口道机动车相位设计饱和度的概念，利用流率比与设计饱和度的比值表征进口机动车相位可能承载的最大通行时间资源需求水平；建立了进口道机动车相位的绿灯早启时间、行人相位的最小绿灯显示时间、进口道机动车相位的最小绿灯显示时间、信号周期时间边界值、进口道机动车相位的绿灯显示时间等参数的计算方法，给出了最佳信号周期时间的定义和信号配时设计的技术流程。本发明简单、实用，可以在环形交叉口的交通管理与控制工程实践中得到广泛应用。

主权项

1.一种单进口轮流放行方式的四路环形交叉口交通信号控制方法，包括相位结构设计和信号配时设计两部分，其特征在于：（一）相位结构设计1）相位编号相位编号是相位的惟一性标识；相位编号由单个英文大写字母和正整数构成，字母表示相位类型，数字表示序号；四路环形交叉口具有4个进口道机动车相位、4个环道机动车相位和4个行人相位；进口道机动车相位和环道机动车相位采用的信号灯具均为圆形信号灯；2）相位组合方案相位组合方案用以描述一系列允许同步获得通行权的相位或称并发相位的组合关系，体现了一种相对稳定的通行时间资源供给状态；任意一个相位应至少存在于一个相位组合方案之中；单进口轮流放行方式下，四路环形交叉口可能产生8种常规相位组合方案，它们是：方案1：由相位K1、F4、R4、R3、R2构成；方案2：由相位K1、F4、R4、R3、K2构成；方案3：由相位K2、F1、R1、R4、R3构成；方案4：由相位K2、F1、R1、R4、K3构成；方案5：由相位K3、F2、R2、R1、R4构成；方案6：由相位K3、F2、R2、R1、K4构成；方案7：由相位K4、F3、R3、R2、R1构成；方案8：由相位K4、F3、R3、R2、K1构成；不允许进口道机动车相位与紧邻的环道机动车相位同时获得通行权；进口道机动车相位可以与逆时针方向相邻的第1个行人相位同步获得通行权；进口道机动车相位的绿灯末期，为了充分利用进口道停止线与逆时针方向相邻的第1条环道停止线之间的通行空间资源，允许顺时针方向相邻的第1个进口道机动车相位获得通行权；3）相位显示顺序相位显示顺序用以描述不同相位组合方案之间的更迭关系，实质上反映了冲突相位之间的通行权传承顺序，是相位结构设计的集中表现形式；单进口轮流放行方式下，四路环形交叉口可以采用的相位显示顺序为方案1→方案2→方案3→方案4→方案5→方案6→方案7→方案8→方案1；4）通行权供给的时间特性通行权供给的时间特性是对相位显示顺序中隐含的、关于通行时间资源供给的结构性特征的归纳和总结；根据上述相位显示顺序，得到以下5项通行权供给的时间特性：⑴归属于某一进口道机动车相位的入环车辆一旦通过了进口道停止线，即能在该相位的下一次绿灯启亮前驶出环道；⑵进口道机动车相位与紧邻的环道机动车相位存在直接的通行权传承关系，它们的绿灯显示时间加上绿灯间隔时间等于信号周期时间，见公式1；G_Ki+intg(Ki,Ri)+G_Ri+intg(Ri,Ki)=C                             (1)⑶进口道机动车相位的绿灯显示时间与信号周期时间的数值关系，如公式2所示；Σi,j[GKi+intg(Ki,Ri)-dbg(Ri,Kj)]=C---(2)]]>⑷根据相位显示顺序和相位冲突关系，利用公式3、4、5计算进口道机动车相位、环道机动车相位的绿灯启亮和结束时刻；EG_Ri=BG_Ki-intg(Ri,Ki)                                    (3)EG_Ki=BG_Ki+G_Ki=BG_Ri-intg(Ki,Ri)                           (4)BG_Kj=BG_Ri-dbg(Ri,Kj)                                     (5)⑸根据相位显示顺序和相位冲突关系，利用公式6、7计算行人相位的绿灯启亮和结束时刻；BG_Fi=max[EG_Ki+intg(Ki,Fi),EG_Rj+intg(Rj,Fi)]              (6)EG_Fi=BG_Rj-intg(Fi,Rj)                                    (7)（二）信号配时设计1）进口道机动车相位的设计饱和度设计饱和度是进口道机动车相位的最大允许饱和度，表征了进口道机动车相位通行能力的期望富余程度；流率比，即设计流率与饱和流率的比值，给定流率比下，设计饱和度越高，通行能力的期望富余程度越低，进口道机动车相位获得的绿灯时间越少；设计饱和度的建议取值为0.80、0.85、0.90、0.95；可以利用流率比与设计饱和度的比值表征进口机动车相位可能承载的最大通行时间资源需求水平，并将其作为进口机动车相位绿灯显示时间计算的主要依据；流率比与设计饱和度比值的引入使得不同进口道机动车相位对于通行时间资源的设计需求具备了横向可比性；流率比与设计饱和度的比值应保留小数点后3位有效数字；2）进口道机动车相位的绿灯早启时间根据入环左转和直行车辆的交通运行特性，进口道机动车相位的绿灯启亮后，入环车辆将以车队的形式进入环道；入环车队的头车一旦受到环道信号灯的阻滞，后续车辆将依次受到阻滞效应的影响而减速或停车；环道信号灯的绿灯启亮后，入环车队的头车及后续车辆依次加速至期望车速，环道信号灯对于入环车队的阻滞效应逐渐消失；根据常规相位显示顺序可知，进口道机动车相位将先于逆时针方向相邻的第1个环道机动车相位启亮绿灯；进口道机动车相位的绿灯早启时间应允许入环车队的头车经历的一定阻滞时间，同时，应确保阻滞效应不会传递至进口道停止线断面，即入环车辆通过进口道停止线时不会受到前方车辆的阻滞而减速或停车；利用公式8计算进口道机动车相位与逆时针方向相邻的第1个环道机动车相位的绿灯启亮时间差；dbg(Ri,Kj)=l(Ri,Kj)v(Ri,Kj)+d(Ri,Kj)---(8)]]>3）行人相位的最小绿灯显示时间设置行人过街安全岛后，人行横道被分为两段；行人相位的最小绿灯显示时间应保证绿灯初期进入人行横道的行人和非机动车能够到达另一段人行横道的中央位置；4）进口道机动车相位的最小绿灯显示时间进口道机动车相位的最小绿灯显示时间应保证行车安全、一定数量的排队车辆顺利消散以及并发行人相位的最小绿灯显示时间，见公式9；Gmin_Ki,S和Gmin_Ki,QC通常取为经验值，Gmin_Ki,P的取值与相位显示顺序、进口道机动车相位的绿灯早启时间和绿灯间隔时间密切相关；Gmin_Ki=max[Gmin_Ki,S,Gmin_Ki,QC,Gmin_Ki,P](9)根据通行权供给的时间特性，Gmin_Kj,P与Gmin_Fi的数值关系，如公式10所示；将公式11、12带入公式10，得到进口道机动车相位的最小绿灯显示时间计算方法；intg(Rj,Kj)+Gmin_Kj,P+intg(Kj,Rj)=(BG_Fi-EG_Rj)+Gmin_Fi+intg(Fi,Rj)        (10)(BG_Fi-EG_Rj)=max[(EG_Ki-EG_Rj)+intg(Ki,Fi),intg(Rj,Fi)]                   (11)(EG_Ki-EG_Rj)=intg(Rj,Kj)+dbg(Ri,Kj)-intg(Ki,Ri)                         (12)5）信号周期时间边界值最大信号周期时间的取值范围为120～150s；将进口道机动车相位的绿灯显示时间取为其最小绿灯显示时间，根据公式2得到最小信号周期时间的计算方法，见公式13；Cmin=Σi,j[GminKi+intg(Ki,Ri)-dbg(Ri,Kj)]---(13)]]>6）进口道机动车相位的绿灯显示时间假定进口道机动车相位的绿灯前损失时间等于绿灯后补偿时间，即有效绿灯时间等于绿灯显示时间；给定信号周期时间下，利用公式2和14计算进口道机动车相位的绿灯显示时间；GK1:GK2:GK3:GK4=QK1dSK1XK1d:QK2dSK2XK2d:QK3dSK3XK3d:QK4dSK4XK4d---(14)]]>7）最佳信号周期时间将最佳信号周期时间解读为根据通行权供给的时间特性，在信号周期时间边界值、进口道机动车相位的最小绿灯显示时间和设计饱和度的约束下，能够满足所有道路使用者的通行时间资源需求的最小信号周期时间；由于受到诸多因素的制约，最终确定的最佳信号周期时间需要经过多轮试算；8）信号配时设计的技术流程步骤1：确定d(Ri,Kj)，利用公式8计算dbg(Ri,Kj)，执行步骤2；步骤2：确定Gmin_Fi，利用公式10～12计算Gmin_Kj,P，执行步骤3；步骤3：确定Gmin_Ki,S、Gmin_Ki,QC，利用公式9计算Gmin_Ki，执行步骤4；步骤4：利用公式13计算Cmin，令t=1；Co^t=Cmin，执行步骤5；步骤5：若Co^t≤Cmax，利用公式2和14计算执行步骤6，否则，执行步骤8；步骤6：若GKit≥GminKi]]>且QKidCotSKiGKit≤XKid,]]>令Co=Co^t；GKi=GKit,]]>执行步骤7，否则，令t=t+1；Co^t=Co^t+1，执行步骤5；步骤7：令BG_K1=0，利用公式3～6计算BG_Ki、EG_Ki、BG_Ri、EG_Ri、BG_Fi、EG_Fi，生成信号配时图；步骤8：重新进行交通组织和渠化设计，执行步骤1；的计算结果应保留小数点后2位有效数字并进行取整；小数点后第1位有效数字为0时，向下取整，反之，根据小数点后第1位有效数字，进行4舍5入取整；取整后，若不满足公式2，应按照小数点后2位有效数字从大到小的顺序，较大的向上取整，较小的向下取整，直至满足公式2的要求。