交叉口通行能力

交叉口通行能力（共8篇）

交叉口通行能力 篇1

1引言

平面交叉口是车辆、行人汇聚、转向和疏散的必经之地,是道路交通的咽喉,同时是交通阻塞和事故的多发地。在道路交叉口交通流量不大时,交叉口的通行秩序可以由交通主体自行组织,此时交叉口交通流运行顺畅,服务水平较高;当交叉口的交通量达到一定限度时,可以通过设置交通信号加以组织疏导,提高交叉口的通行能力和服务水平;如果交叉口交通量很大,无法通过信号控制提高交叉口的通行能力,需要设置立体交叉来解决平面交叉口通行能力不足的问题。目前中国交叉口延误占总延误的比例高达80%以上,由此可见,交叉口通行能力的分析与研究十分重要。

2概况

224省道昆山北段位于昆山城区北部,采用主辅路断面,主路双向六车道,辅路双向两车道,外侧增设非机动车道。为昆山市往北方向重要的出城道路,路段交通量较大,相交道路较多。因此,交叉口通行能力对于全线通行能力及服务水平影响较大,本次以224省道昆山北段与城北路交叉口为例,对信号交叉口通行能力进行分析与评价,为交叉口设计方案提供一定的支撑。

①交叉口平面布置方案如图1所示。

②交叉口采用固定周期式信号控制方式,采用四相位信号控制方案,如图2所示。

③交叉口预测高峰小时交通量如图3所示。

3信号交叉口通行能力计算方法

目前计算信号交叉口通行能力的方法较多,主要有美国的饱和流率模型、《城市道路设计规范》中介绍的方法、停车线法、冲突点法等。本次研究采用《城市道路设计规范》中介绍的方法对该交叉口通行能力进行分析。

3.1 通行能力计算方法

交叉口入口车道的设计通行能力等于各车道设计通行能力之和。

3.1.1 各种直行车道的设计通行能力

①直行车道设计通行能力计算公式

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式中:Ns——一条直行车道的设计通行能力(pcu/h);

tc——信号周期(s);

tg——信号周期内的绿灯时间(s);

t1——变为绿灯后第一辆车启动并通过停止线的时间(s);

tis——直行或右行车辆通过停止线的平均间隔时间(s/pcu);

φs——直行车道通行能力折减系数。

②直右车道设计通行能力计算公式

Nsr=Ns

式中:Nsr—— 一条直右车道的设计通行能力(pcu/h);

③直左车道设计通行能力计算公式

Nsl=Ns(1-β′1/2)

式中:Nsl—— 一条直左车道的设计通行能力(pcu/h);

β′1——直左车道中左转车所占比例。

④直左右车道设计通行能力计算公式

Nslr=Nsl

式中:Nslr—— 一条直左右车道的设计通行能力(pcu/h);

3.1.2 进口道设有专用左转与专用右转车道

①进口道设计通行能力计算公式

Nelr=∑Ns/(1-βl-βr)

式中:Nelr——设有专用左转与专用右转车道时,本面进口道的设计通行能力(pcu/h);

∑Ns——本面直行车道设计通行能力之和(pcu/h);

βl——左转车占本面进口道车辆的比例;

βl——右转车占本面进口道车辆的比例;

②专用左转车道设计通行能力计算公式

Nl=Nelr·βl

式中:Nl——专用左转车道的设计通行能力(pcu/h);

③专用右转车道设计通行能力计算公式

Nr=Nelr·βr

式中:Nr——专用右转车道的设计通行能力(pcu/h);

3.1.3 进口道设有专用左转车道而未设专用右转车道时,专用左转车道的设计通行能力计算公式

Nl=Nel·βl

Nel=∑Nsr/(1-βl)

式中:Nel——设有专用左转车道时,本面进口道设计通行能力(pcu/h);

∑Nsr——本面直行车道及直右车道设计通行能力之和(pcu/h);

3.1.4 进口道设有专用右转车道而未设专用左转车道时,专用右转车道的设计通行能力计算公式

Nr=Ner·βr

Ner=∑Nsl/(1-βr)

3.2 交叉口延误计算方法

①各车道延误可用下式计算

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式中:d—— 各车道没车平均信控延误(s/pcu);

d1—— 均匀延误,即车辆均匀到达所产生的延误(s/pcu);

d2—— 随机附加延误,即车辆随机到达并引起超饱和周期所产生的附加延误(s/pcu);

C—— 周期时长(s);

λ—— 所计算车道的绿信比;

x—— 所计算车道的饱和度;

CAP——所计算车道的通行能力(pcu/h);

T—— 分析时段的持续时长(h);

e—— 单个交叉口信号控制类型校正系数。

②各进口车道的平均信控延误,按该进口道中各车道延误的加权平均数估算

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式中:dA—— 进口道A的平均信控延误(s/pcu);

di—— 进口道A中第车道的平均信控延误(s/pcu);

qi —— 进口道A中第车道的小时交通量换算为其中高峰15的交通流率 (辆/15min)。

③整个交叉口的平均信控延误,按该交叉口中各进口道延误的加权数估算

undefined式中:dl—— 交叉口每车的平均信控延误(s/pcu);

qA—— 进口道A的高峰15交通流率(辆/15min)。

4计算结果分析与评价

根据该交叉口布设、预测高峰小时交通量及信号灯控制方案等,运用以上方法计算该交叉口通行能力为9696pcu/h。在分析交叉口通行能力的基础上,采用交叉口延误指标来对交叉口的服务水平进行评价,得出采用该平面交叉布设方案时该信号控制交叉口的延误时间及服务水平,如表1所示。

由以上结果可以看出,北进口及南进口延误相对较长,整个交叉口的延误时间为18.03 s/pcu,服务水平为B级,满足交叉口服务水平要求。

5结束语

随着经济的快速发展及机动车拥有量的不断增加,道路拥挤现象将渐趋明显,而交叉口是道路通行能力的瓶颈所在。因此,对交叉口通行能力的分析及评价是交叉口设计方案的关键所在。本文通过对信号控制交叉口进行通行能力分析与评价,确保了交叉口通行能力及服务水平能够满足未来道路出行的需求,为交叉口设计方案提供了数据的支撑与指导。

摘要：平面交叉口是道路通行能力的瓶颈所在。文中对信号交叉口进行通行能力分析与评价,确保了交叉口通行能力及服务水平能够满足未来道路出行的需求,对信号交叉口设计方案有着重要的意义。

关键词：信号交叉口,通行能力,延误

参考文献

[1]交通管理与控制[M].北京:人民交通出版社,2008,5.

[2]信号交叉口通行能力算法考量[J].交通标准化,2006,(06).

交叉口通行能力 篇2

很多人记不住没有交通信号控制的交叉路口的避让规则，是因为不明白道理。现整理并说明原因。

在没有交通信号和标志时，很多国家规定，只有你的车能够开过路口不会被迫停止在路口内，才能进入路口。进入路口按四个方向顺次进入一辆车的原则进行。所以有些国家路很堵，路口不堵，纽约大停电路口也不会堵死。如果你从国外回来，按这个原则开车，车多时估计你过不了路口。国内的原则是这样：

交通标志最大，有标志，遵守，没标志，如下处理。

1.左转让直行。左转与直行发生事故，左转负全责。转弯要低速，直行速度快，这样规定直行车辆可以快速通过路口，提高通行效率。

2.右转让对面来的左转车辆，因为右转的时机很多，对车辆通行影响最小，而左转车辆机会少，等在路口影响交通，故如此规定。如发生事故，右转负全责。

交叉口通行能力 篇3

对交叉口通行能力的研究, 具有重要意义: (1) 通过对现有信号交叉口通行能力研究分析, 为交叉口的改扩建提供重要依据; (2) 为道路交叉口路段渠划和路段车道数提供决策依据; (3) 交叉口通行能力作为交叉口型式选取的依据, 为交通管制、交通运营提供选择依据。

本文通过常用的两种通行能力计算方法, 以两个典型的十字交叉口为例, 对比分析计算结果, 探讨适合我国不同交通状况和交通流情况下的信号交叉口通行能力计算方法。

1 研究方法

1.1 城市道路设计规范

该方法是针对我国交通的实际情况提出的计算方法, 主要内容:先计算各车道组通行能力, 根据不同的系数对各车道组的通行能力进行修正, 最后累加各进口道通行能力, 即交叉口的通行能力。

1) 一条直行车道的通行能力计算式:

式中:Cs为一条直行车道的通行能力, pcu/h;T为信号灯周期, s;tg为信号每周期内的绿灯时间, s;t0为绿灯亮后第一辆车启动、通过停车线的时间, s, 经验取值2.3s;ti是直行或右转车辆通过停车线的平均时间, s, 经验取值2.5s;φ是折减系数, 可用0.9。

2) 直右车道通行能力计算式:

式中:Csr为一条直右车道的通行能力, pcu/h。

3) 进口道设有专用左转车道而未设专用右转车道, 进口道通行能力计算式:

式中:Cslr为设有专用左转车道而未设专用右转车道、进口道的通行能, pcu/h;∑Cs为直行车道通行能力之和, pcu/h;Cr为直右车道通行能力, pcu/h;βl为左转车占本进口道车辆的比例。专用左转车道的通行能力按下式计算:

式中:Cl为专用左转车道的通行能力, pcu/h。

1.2 停车线法

停车线法以进口处车道的停车线为基准面, 凡是通过该基准面的车辆, 被认可已通过交叉口, 具体计算如下。

1) 一条直行车道的通行能力计算式:

式中:Cs为一条直行车道的通行能力, pcu/h;t损为一个周期内的绿灯损失时间取2.3s;ti为前后两车辆通过停车线的平均时间, 取2.5s;

2) 一条左转车道的通行能力计算式:

式中:Cl为一条左转专用车道的通行能力, pcu/h;vl为左转车辆通过交叉口的行车速度, km/h;tl为一个信号周期内左转显示的时间, s;t0为左转车辆连续通过交叉口的平均车头时距, 取2.5s;a是机动车的启动加速度, m/s2, 小汽车为0.6~0.7m/s2;

3) 一条直右车道的通行能力计算式:

式中:Csr为一条直右车道的通行能力, pcu/h;βr为该车道中右转车比例;k为折减系数, 取0.7~0.9。

2 实例分析

位于新疆克拉玛依市克拉玛依区的两个典型十字交叉口为例, 运用城市道路设计规范和停车线法, 计算分析该信号交叉口通行能力, 并将计算结果进行比较。

2.1 基础数据

两个交叉口道路断面形式均为三幅路, 双向4车道, 根据实测, 得交叉口平面布局示意图和信号相位配时图, 如图1~图2, 表1~表2所示。

2.2 过程分析

结合表3, 根据式 (1) ~式 (7) , 分析城市道路设计规范与停车线法, 得交叉口通行能力及服务水平分析表, 见表4和表5。

由表4可看出:昆仑路与友谊路交叉口饱和度为0.75, 低于准噶尔路与友谊路交叉口饱和度。原因有两方面, 第一, 受交叉口信号配时影响, 昆仑路与友谊路交叉口各个进口道通行能力较大;第二, 昆仑路与友谊路交叉口的车流量整体比准噶尔路与友谊路交叉口车流量大。

城市道路设计规范, 以现有路况的不同转向车流实测数据以及交叉口信号周期为主要影响因素, 分别计算交叉口通行能力, 由结果看出, 在计算趋于饱和的信号交叉口时, 可优先考虑城市道路设计规范。

由表5, 实例中的两个典型交叉口的饱和度均大于1, 由于停车线法以停车线为控制断面, 凡通过停车线均认为通过交叉口, 而实际这些车辆有可能在冲突点前受阻滞而未能通过交叉口, 造成其他车辆延误, 降低信号交叉口的通行能力, 导致交叉口饱和度偏大, 因此, 在计算交通量较大的信号交叉口时, 该方法不适宜。

3 结束语

随着城市道路交通发展状况, 交通规划成了一项长期而艰巨的工作, 而通行能力作为其中一个关键参数, 其计算方法众多, 且各有优势。以两个典型十字交叉口 (克拉玛依市准噶尔路与友谊路交叉口、昆仑路与友谊路交叉口) 为例, 分别运用城市道路设计规范、停车线法计算交叉口通行能力, 并对计算结果进行对比分析, 结果显示, 对于趋于饱和的信号交叉口的通行能力计算, 城市道路设计规范计算结果最接近交叉口实际服务状况。因条件所限, 只对常见的十字交叉口进行研究, 其他情况有待进一步研究。

参考文献

[1]温璐茜, 胡永举, 周静.干线交叉口信号灯控系统配时设计实例分析[J].交通科技与经济, 2011, 11 (5) :86-87.

[2]史琴, 方钰堃.信号交叉口通行能力分析及评价[J].物流工程与管理, 2011, 33 (11) :85-87.

[3]褚建萍.典型城市信号交叉口通行能力及交通仿真分析[D].西安:长安大学, 2009.

[4]陈宽民, 严宝杰.道路通行能力分析[M].北京:人民交通出版社, 2003.

[5]王维锋.平面信号交叉口通行能力及系统仿真研究[D].西安:长安大学, 2006.

[6]袁晶矜, 袁振洲.信号交叉口通行能力计算方法的比较分析[J].公路交通技术, 2006 (5) :125-126.

[7]赵林.城市道路信号交叉口通行能力及其影响因素研究[D].北京:北京工业大学, 2008.

[8]徐立群, 吴聪, 杨兆升.信号交叉口通行能力计算方法[J].交通运输工程学报, 2001, 1 (1) :82-85.

交叉口通行能力 篇4

随着中国经济的飞速发展和城市进程的日益加快, 机动车辆保有量快速增长, 道路基础设施的建设相对滞后, 城市道路的用地空间有限, 造成了现今交通拥堵问题日趋严重。城市道路平面交叉口作为城市交通网络的重要组成部分, 最易成为交通拥堵严重的区域。由于交通量增长速度较快, 以前的信号配时设计方案很有可能已不适合交通量急剧变化后的交叉口。以鞍山市园林———二一九路的T型交叉口为例, 通过对平面信号交叉口交通数据的实地采集与分析, 利用理论分析同VISSIM交通仿真系统相结合逐步调整信号灯配时方案, 为提高道路交通能力提供科学合理的建议。

2 VISSIM城市交叉口的仿真模拟流程

VISSIM软件系统能分析在车道类型、交通组成、交通信号控制、停让控制等众多条件下的交通运行情况, 具有分析、评价、优化交通网络、设计方案比较等功能, 是分析许多交通问题的有效工具[1]。采用VISSIM进行城市交叉口的仿真模拟流程如下:

(1) 确定研究对象, 并对其进行实地的调查分析和数据采集 (各个车道宽、车道数、车流量及行人数量、信号配时) ;

(2) 对实地收集的数据进行有效的分析与合理的处理;

(3) 运用CAD绘制交叉口的现状图;

(4) 把绘制好的现状图正确的导入VISSIM中从而构建路网;

(5) 根据前面所得数据对VISSIM进行参数标定, 输入车道宽、车道数、相位、车流量等仿真数据;

(6) 仿真结果输出 (优化后行车延误、排队长度、时间占有率) ;

(7) 对现状和改善方案进行仿真分析并得出结论。[2]

3 园林路———二一九平面交叉口现状

二一九平面交叉口位于鞍山市二一九公园出入口西侧, 二一九公园是最受市民青睐的活动场所, 人流量较大。自二一九路向西行驶可以进入市中心、胜利广场、大型超市、火车站等重要场所。园林路为南北走向的交通要道:南边同鞍山市教育局、中小学校和居民集中区相连, 北边同鞍山市十五中、金普医院、烟草公司和通往高新区的主干道相连。二一九路为双向八车道、园林路为北进口五车道, 南进口的四车道。

二一九平面交叉口附近有较多的小区、商铺、银行、保险公司等, 交通流量很大, 每天上下班高峰期时段都会出现交通拥堵现象, 尤其是南入口和西入口的拥堵最为严重。该交叉口的高峰期时段经常堵塞极易引起相邻道路的大面积交通的拥堵。

4 信号交叉口仿真

4.1 高峰期流量调查数据

交通流的调查高峰期 (7:00-8:00) 的分流向的机动车流量调查数据, 各个方向的重型车按照《公路工程技术标准》转化成标准车。

4.2 最佳周期的确定

根据优化方案和延误数据折线统计图确定最佳周期为190s, 有效绿灯时间181s。各相位实际显示的绿灯时间:

4.3 仿真结果及评价

利用微观仿真软件VISSIM对平面交叉口的仿真实验, 选取车辆的平均延误时间、排队长度、时间占有率为指标。仿真时间取3600s, 仿真间隔取90, 仿真距离为200m。整理输出结果, 得出该交叉口优化前后的数据并进行比较, 如表2 所示。

经VISSIM交通模拟仿真软件对该交叉口进行模拟仿真。通过比较可以看出每一个路口的三个指标都有一定幅度的提升, 原来最为拥堵的南进口改善最为明显, 其排队长度改善幅度最大, 如园林路南进口直行优化前为34m, 优化后减少为7m, 在一定程度上提高了人们时间利用率、减少了人们在焦急等待中产生的负面情绪。人们出行更加顺畅, 心情更加舒畅。通过信号配时优化, 使得原来比较拥堵的路口得到改善, 延误和排队长度均有所减少, 提高了该交叉口的时间占有率, 减轻了交通拥堵状况, 提高了通行能力。

5 结束语

针对城市部分平面交叉口存在的信号配时不够合理的现实, 结合具体实例, 通过运用VISSIM仿真软件建立了交叉口交通控制模型, 在调查分析的基础上, 找出存在的问题, 提出改善方案。通过理论分析同VISSIM交通仿真系统相结合的方法, 从处理问题上看, 它可以做到高效精准, 从时间占有率、平均延误和排队长度指标上可以看出交叉口的交通改善状况, 缓解交通压力, 为城市信号交叉口的优化和通行能力的提高提供有效的参考。

摘要：城市道路平面交叉口是道路系统中的重要的组成部分, 一旦交叉口发生堵塞, 会影响交通的有效运行。以辽宁省鞍山市园林——二一九路的T型交叉口为研究对象, 通过理论分析与VISSIM交通仿真系统相结合的方法, 进行仿真和评价, 可以为城市信号交叉口的优化和通行能力的提高提供有效的参考。

关键词：城市交通,VISSIM,交叉口,配时,仿真

参考文献

[1]盖春英.VISSIM微观仿真系统及在道路交通中的应用[J].公路, 2005, 8 (8) :121

交叉口通行能力 篇5

随着城市规模的扩建及汽车保有量的高速增长, 交通拥堵已成为社会问题。受交通信号灯管控的平面交叉口往往交通压力大, 拥堵严重, 如何更好的改善目前城市道路交叉口的规划设计已迫在眉睫。目前城市道路交叉口普遍存在如下问题:

1) 左右转机动车与行人、自行车的冲突导致的通行能力低下;

2) 行人过街距离超长导致清空时间长;

3) 多相位信号控制及行人控制的清空要求导致信号周期超长;

4) 长周期导致行人红灯时间超长、增加行人闯红灯行为;

5) 城市道路交叉口建设用地的限制。

在城市建成区, 受交叉口既有建设用地限制, 可结合道路及周边地块改造逐步改善交叉口通行能力;在城市规划区, 建议合理规划城市用地, 预留交叉口规划用地, 以便下一步道路交叉口规划设计, 提高交叉口通行能力。

2交叉口设计方案分析

根据太原市总体规划将打造晋阳新区, 为将晋阳新区打造成一个充满魅力、活力无限的城市新区, 合理完善的规划设计为其必要前提。现以其晋阳湖周边路网环湖西路与环湖北路交叉口作为规划设计方案进行相应分析。

方案一:设置行人安全岛 (安全岛面积小) , 采用机动车与非机动车统一信号方式 (见图1) 。

方案二:设置人非安全岛 (安全岛面积大) , 行人与非机动车统一信号控制方式 (见图2) 。

设计方案:信号周期T=140 s;东西向及南北向直行绿灯时间tg=40 s;东西向及南北向左转绿灯tg=20 s;该交叉口共设有4个相位。

环湖西路:大车∶小车=3∶7, 查表《交通工程》知ti=2.96 s/pcu。

ti为直行或右行车辆通过停车线的平均时间, s/pcu。

环湖北路:大车∶小车=2∶8, 查表《交通工程》知ti=2.65 s/pcu。

t0:绿灯亮后, 第一辆车启动、通过停车线的时间, 可采用2.3 s;

假设东西向专用左转车道的通行能力占东西向总通行能力的比例为βl=0.2;

南北向专用左转车道的通行能力占南北向总通行能力的比例为βl=0.23;

交叉口高峰小时通行能力预测为6 834 pcu/h。

对方案一、二进行对比分析, 经分析可知共同点:都有右转专用车道、左转专用车道;

区别:方案一, 右转专用车道的机动车在进入交叉口时同直行非机动车、右转非机动车、过街行人发生冲突, 存在3个冲突点;

方案二:右转专用车道的机动车在进入交叉口时同过街行人发生冲突, 存在1个冲突点;

所以交叉口通行能力的区别主要在于右转专用车道的通行能力。

方案一:

1) 东西向, 东进口:

a.1条直行车道的设计通行能力:

所以4条直行车的设计通行能力为4Cs=4×318=1 272 pcu/h。

b.1条专用右转车道的设计通行能力:

参考论文《信号交叉口通行能力分析及软件设计》P33知右转机动车与非机动车、行人1个冲突点的, 因为方案一专用右转车道与非机动车、行人存在3个冲突点, 所以1条专用右转车道的通行能力为:

c.1条专用左转车道的设计通行能力:

所以C东=1 272+572+461=2 305 pcu/h, C西=C东=2 305 pcu/h。

2) 南北向, 北进口:

a.1条直行车道的设计通行能力:

所以3条直行车道的设计通行能力为3Cs=3×352=1 056 pcu/h。

b.1条专用右转车道的设计通行能力:

参考论文《信号交叉口通行能力分析及软件设计》P33知右转机动车与非机动车、行人1个冲突点的, 因为方案一专用右转车道与非机动车、行人存在3个冲突点, 所以1条专用右转车道的通行能力为:

c.1条专用左转车道的设计通行能力:

所以C北=1 056+572+486=2 114 pcu/h, C南=C北=2 114 pcu/h。

所以C交=2×2 305+2×2 114=8 838 pcu/h。

所以, 该方案交叉口属于D级服务水平。

方案二:

1) 东西向, 东进口:

a.1条直行车道的设计通行能力:

所以4条直行车道的设计通行能力为4Cs=4×318=1 272 pcu/h。

b.1条专用右转车道的设计通行能力:

参考论文《信号交叉口通行能力分析及软件设计》P33知右转机动车与非机动车、行人1个冲突点的, 因为方案二专用右转车道与非机动车、行人存在1个冲突点, 所以1条专用右转车道的通行能力为:

c.1条专用左转车道的设计通行能力:

所以C东=1 272+857+532=2 661 pcu/h, C西=C东=2 661 pcu/h。

2) 南北向, 北进口:

a.1条直行车道的设计通行能力:

所以3条直行车道的设计通行能力为3Cs=3×352=1 056 pcu/h。

b.1条专用右转车道的设计通行能力:

参考论文《信号交叉口通行能力分析及软件设计》P33知右转机动车与非机动车、行人1个冲突点的, 因为方案二专用右转车道与非机动车、行人存在1个冲突点, 所以1条专用右转车道的通行能力为:

c.1条专用左转车道的设计通行能力:

所以C北=1 056+857+571=2 484 pcu/h, C南=C北=2 484 pcu/h。

所以C交=2×2 661+2×2 484=10 290 pcu/h。

所以, 该方案交叉口属于C级服务水平。

3结语

通过对目前太原既有交叉口形式及规划设计交叉口通行能力分析, 可见新型交叉口通行能力大, 可有效缓解交叉口交通压力。故建议相关规划设计部门进一步合理规划城市交叉口建设用地, 预留规划用地, 以便下一步道路设计部门合理布设交叉口形式, 从而将晋阳新区打造成一个充满魅力、活力无限的城市新区。

摘要：通过分析目前城市道路交叉口普遍存在的问题, 对太原市晋阳湖周边路网环湖西路与环湖北路交叉口规划设计方案进行了研究, 并分析了两种交叉口设计方案的通行能力, 以缓解道路交通压力, 改善居民出行条件。

关键词：道路,交叉口,通行能力,方案

参考文献

[1]王炜, 过秀成.交通工程学[M].南京:东南大学出版社, 2000.

[2]黄娟.信号交叉口通行能力分析及软件设计[D].南京:东南大学, 2004.

[3]GB 50647-2011, 城市道路交叉口规划规范[S].

交叉口通行能力 篇6

在交叉口的新建与改建过程中,经常需要对交叉口的服务水平进行评价。常用的评价指标有通行能力、饱和度、排队长度、延误等。其中,通行能力是最重要的评价指标之一,许多评价指标都是在通行能力的基础上得到的,例如饱和度、排队长度。目前,国内外现有的平面信号交叉口通行能力计算方法主要有美国的通行能力手册法(简称HCM法)[1]、英国的Webster法[2]、澳大利亚的改进Webster法[3]、中国的停止线法[4]。美国的HCM法基于饱和流量计算通行能力,这种方法需要诸多的饱和流量修正系数。虽然美国交通研究委员会(TRB)对这些系数进行持续不断的研究与修正,但是这些系数始终存在繁杂性、非精确性以及区域局限性等缺陷。英国的Webster法在计算通行能力时,仅仅依赖于车道宽度。此后以澳大利亚道路研究委员会(ARRB)成员为代表的研究者对Webster公式进行改进,但只停留在参数修正的层面,并未深入挖掘通行能力的内在影响因素。相比之下,中国的停止线法以信号相位、车头时距等通行能力影响因素为依据进行计算,得到的计算结果更加合理、准确。此外,这种方法计算简便、通用性强,并且被中国的《城市道路设计规范》推荐采用[5]。

本文以停止线法为研究对象,通过合理性分析,挖掘该方法在计算平面信号交叉口通行能力时存在的局限性。并参考该领域的研究成果[6,7,8,9],通过数学推导、类比法、理论论证等手段,对现有停止线法进行改进。最后,通过案例分析,对改进方法的实施效果进行评价。

1 停止线法简介

1) 1条直行车道的通行能力。

$C{}_{\text{s}}=\frac{3600}{{\rm T}}(\frac{t{}_{\text{g}}-t{}_0}{t{}_{\text{i},\text{s}}}+1)\phi (1)$

式中:T为信号周期长度,s;tg为每周期内的绿灯时间,s;t0 为绿灯亮后,第1辆车启动并通过停车线的时间,s,需实测,参考值为 2.3 s;ti, s为直行车辆通过停车线的平均间隔时间,即车头时距,s/pcu;φ为折减系数,取0.9。

2) 1条直右车道的通行能力。

$C{}_{\text{s}\text{r}}=C{}_{\text{s}}(2)$

3) 1条直左车道的通行能力。

$C{}_{\text{s}\text{l}}=C{}_{\text{s}}\cdot (1-\beta {}_{{\text{l}}^{\prime }}/2)(3)$

式中:βl′为直左车道中左转车所占比例。

4) 1条直左右车道的通行能力。

$C{}_{\text{s}\text{l}\text{r}}=C{}_{\text{s}\text{l}}(4)$

5) 当设有专用左转车道而未设专用右转车道时,进口道、专用左转车道通行能力计算如下。

$\{\begin{array}{l}C{}_{\text{e}\text{l}}=({\displaystyle \sum C}{}_{\text{s}}+C{}_{\text{s}\text{r}})/(1-\beta {}_{\text{l}})\\ C{}_{\text{l}}=C{}_{\text{e}\text{l}}\cdot \beta {}_{\text{l}}\end{array}(5)$

式中:Cel为此类进口道通行能力;Cl为专用左转车道通行能力;βl为左转车占本面进口道车辆的比例。

6) 当设有专用右转车道而未设专用左转车道时,进口道、专用右转车道通行能力计算如下:

$\{\begin{array}{l}C{}_{\text{e}\text{r}}=({\displaystyle \sum C}{}_{\text{s}}+C{}_{\text{s}\text{l}})/(1-\beta {}_{\text{r}})\\ C{}_{\text{r}}=C{}_{\text{e}\text{r}}\cdot \beta {}_{\text{r}}\end{array}(6)$

式中:Cel为此类进口道通行能力;Cr为专用右转车道通行能力;βr为右转车占本面进口道车辆的比例。

7) 当同时设有专用左转车道和专用右转车道时,进口道、专用左转车道、专用右转车道通行能力计算如下。

$\{\begin{array}{l}C{}_{\text{e}\text{l}\text{r}}={\displaystyle \sum C}{}_{\text{s}}/[1-(\beta {}_{\text{l}}+\beta {}_{\text{r}})]\\ C{}_{\text{l}}=C{}_{\text{e}\text{l}\text{r}}\cdot \beta {}_{\text{l}}\\ C{}_{\text{r}}=C{}_{\text{e}\text{l}\text{r}}\cdot \beta {}_{\text{r}}\end{array}(7)$

式中:Celr为此类进口道通行能力。

2 停止线法的合理性分析

2.1 停止线法的科学性

停止线法的科学性主要体现在式(1)~(4),具体分析如下:

式(1)合理地表达了通行能力的定义。就交叉口进口车道而言,通行能力指在一定的道路、环境与交通控制条件下,单位时间(1 h)内所能通过进口车道停止线的最大车辆数。在式(1)中,3 600/T表示单位时间内的信号周期数,(tg-t0)/ti,s+1表示1个周期内通过停止线的车辆数。两者的乘积构成了式(1)的主体部分,它表征了单位时间内通过停止线的车辆数,与通行能力定义相符。此外,式(1)既体现了信号配时对通行能力的影响,又运用了车头时距这一变量。信号配时和车头时距是进口车道通行能力最本质性的影响因素,信号配时决定进口车道分配到的通行时间,车头时距则表征车辆对通行时间的利用效率。车头时距越大,表明每辆车所需的通行时间越长,车辆对通行时间的利用效率越低。在交叉口通行能力中,许多因素(例如车道宽度、引道坡度、驾驶员素质等)都是通过影响车头时距来改变进口道的通行能力。因此,与美国《道路通行能力手册》法相比,式(1)直接运用车头时距的实测值或由大量工程实践得到的参考值,而不是运用诸多其它因素的修正系数进行间接修正,既避免了繁杂的运算,又使计算结果更为精准。

对于直右车道,直行与右转车辆混行,信号配时、车头时距与直行车道相同或相差甚微,因而式(2)成立;对于直左车道,直行与左转车辆混行,故没有专用左转相位。这种情况下,左转车辆需利用对面直行车辆的间隙通过交叉口,其车头时距要明显高于直行车辆,因而车辆对通行时间的整体利用效率下降,进口车道通行能力产生折减,且折减程度随着左转车辆比例的上升而增大,这与式(3)的表达相吻合。综合对式(2)、(3)的分析,即可解释式(4)的科学性。

2.2 停止线法的局限性

停止线法的局限性主要体现在式(5)~(7),具体分析如下。

对式(5)进行如下推导:

式$\begin{array}{l}(5)\iff 1-\beta {}_l=\frac{{\displaystyle \sum C}{}_{\text{s}}+C{}_{\text{s}\text{r}}}{C{}_{\text{e}\text{l}}}\\ \iff \frac{v{}_{\text{s}}+v{}_{\text{r}}}{v{}_{\text{s}}+v{}_{\text{r}}+v{}_{\text{l}}}=\frac{{\displaystyle \sum C}{}_{\text{s}}+C{}_{\text{s}\text{r}}}{C{}_{\text{e}\text{l}}}\\ \iff \frac{v{}_{\text{s}}+v{}_{\text{r}}}{{\displaystyle \sum C}{}_{\text{s}}+C{}_{\text{s}\text{r}}}=\frac{v{}_{\text{s}}+v{}_{\text{r}}+v{}_{\text{l}}}{{\displaystyle \sum C}{}_{\text{s}}+C{}_{\text{s}\text{r}}+C{}_{\text{l}}}\\ \iff \frac{v{}_{\text{s}}+v{}_{\text{r}}}{{\displaystyle \sum C}{}_{\text{s}}+C{}_{\text{s}\text{r}}}=\frac{v{}_{\text{l}}}{C{}_{\text{l}}}\\ \iff x{}_{\text{s},\text{s}\text{r}}=x{}_{\text{l}}\end{array}$(8)

式中:vs、vl、vr分别为进口道直行、左转、右转的交通量;x为饱和度;xl为专用左转车道的饱和度;xs, sr为直行与直右车道的整体饱和度。其余符号意义同前。

上述推导过程的每一步都是等价变换,因此,只有在式(8)成立的情况下,式(5)才成立。换言之,只有在实际交通流达到1种特定的理想状态时,才能够运用式(5)计算进口道以及专用左转车道通行能力。在这种理想状态下,同一进口道内,专用左转车道饱和度和直行、直右车道的整体饱和度相同或相近,即各进口车道的饱和度相同或相近,交通流在各车道均衡分布。

同理,对式(6)、(7)进行推导与分析,得到了相同的结论。然而,在实际中,许多交叉口进口道交通流达不到上述的理想状态,甚至相差甚远。在这种情况下,若用式(5)~(7)计算专用左(右)转车道通行能力,其结果必然会严重偏离实际情况。这就是停止线法的局限性。

3 停止线法的改进

2.2节中指出,停止线法在计算专用左转、专用右转车道通行能力时存在较大的局限。但是,经过2.1节的分析,不难发现,对于直行车道通行能力的计算,现有公式并不存在2.2节中所指的局限性。因此,可以考虑运用类比的方法,参考式(1),对专用左转、专用右转车道的通行能力计算方法进行改进。

由定义可知,通行能力的本质是1种特殊的交通量。对于交叉口而言,各进口车道分配到的通行时间的不同、各进口车道车辆利用通行时间效率的不同导致了各车道通行能力的不同,这是平面信号交叉口进口车道通行能力的内涵与实质所在。车辆行驶方向等交通行为都是通过影响车辆利用通行时间的效率,即车头时距来影响车道通行能力。因此,虽然对于专用左(右)转车道而言,其车辆行驶方向等微观交通行为与直行车道的交通流不同,但其通行能力与直行车道通行能力之间并无本质区别,都是信号配时与车头时距的函数,都可以表示成单位时间内的信号周期数(由信号周期决定)、1个周期内通过的车辆数(由绿灯时间和车头时距决定)以及折减系数的乘积,具体如下:

$\{\begin{array}{l}C{}_{\text{l}}=\frac{3600}{{\rm T}}(\frac{t{}_{\text{g}}-t{}_0}{t{}_{\text{i},\text{l}}}+1){\phi }^{\prime }\\ C{}_{\text{r}}=\frac{3600}{{\rm T}}(\frac{t{}_{\text{g}}-t{}_0}{t{}_{\text{i},\text{r}}}+1){\phi }^{″}\end{array}(9)$

式中:ti, l、ti, r为专用左转、专用右转车道中,车辆通过停车线的平均间隔时间,即车头时距,s/pcu。车头时距等于单位时长与饱和流量的比值。以各类进口车道各有其专用相位时饱和流量参考值为基础[11],得到车头时距ti, d的参考值,见表1。

φ′、φ″为折减系数。由于在式(9)中,已经直接代入了车头时距这一变量,因此φ′、φ″表征与车头时距无关的因素(如公共汽车在交叉口范围内停车阻塞)对通行能力的折减。依据通行能力理论[10],这些影响因素对不同类型进口车道通行能力的折减程度没有差异。因此,取φ′=φ″=φ=0.9。

可见,式(9)是类比式(1)得到的。2.1节分析了式(1)的科学性;本节前面部分论述了类比法的理论依据,即阐释了类比过程的科学性。综上可得,式(9)具有科学性。与现有停止线法相比,在计算专用左(右)转车道通行能力时,现有方法中的式(5)~(7)是建立在对各车道饱和度之间关系的理想假定的基础之上的,而改进方法中的式(9)是由通行能力的2个本质性影响因素——信号配时与车头时距得到的。因此,在式(9)中,专用左(右)转车道通行能力的计算不受2.2节中式(8)的约束,即无论各进口车道的饱和度是否相同或相近,均可以运用式(9)计算专用左(右)转车道的通行能力,从而解除了现有停止线法的局限性。

综合以上研究,对平面信号交叉口通行能力计算方法进行整合,得到改进的停止线法,具体如下:

1) 1条直行、左转专用或右转专用车道的通行能力:

$C{}_d=\frac{3600}{{\rm T}}(\frac{t{}_g-t{}_0}{t{}_{i,d}}+1)\phi (10)$

其中,d=s, l 或r。

2) 1条直右、直左、直左右车道的通行能力采用式(2)~(4)进行计算。

3) 依据《城市道路设计规范》:交叉口进口道的通行能力等于进口道各车道通行能力之和;交叉口通行能力等于交叉口各进口道通行能力之和。

4 案例分析

以某平面信号交叉口为案例,分析停止线法改进前后的实施效果。交叉口平面图和信号相位图见图1、图2。图中南北进口道除直行车道数外,其他条件均相同。

对此交叉口南北进口道进行研究。两进口道的各转向交通量均相同,其中直行交通量为400 pcu/h,右转交通量为100 pcu/h,左转交通量从50 pcu/h逐次递增,每次增幅为10 pcu/h直至左转交通量达到220 pcu/h为止。运用改进前后2种方法对不同左转交通量时的左转车道通行能力进行计算,结果见表2。表2中车头时距取表1参考值中的平均值。

从以下3方面对表2中的计算结果进行比较与分析。

4.1 从定义的角度

依据通行能力定义,平面信号交叉口通行能力受道路、环境与交通控制条件的影响,与交通需求无关。因此,在只改变左转交通量的情况下,通行能力不发生改变。原始方法的计算结果表明左转车道通行能力随着交通量的递增而增大,这与通行能力定义不符;改进方法的计算结果与定义相符。

4.2 从理论的角度

依据道路通行能力理论,设有专用左转相位的交叉口,其左转车道的通行能力不受本面或对面直行进口车道数的影响。因此,虽然北进口道比南进口道多1条直行车道,但2者的左转车道通行能力没有差异。原始方法的计算结果与理论不符,改进方法则相符。

4.3 从数值的角度

在此例中,南北方向左转车流每小时分配到的绿灯时间为tg=3 600×18/112 s=578 s。由表1可得,左转饱和流的平均车头时距为2.0~2.8 s,即每辆左转车辆占用的绿灯时间为2.0~2.8 s。因此,1 h内,通过交叉口左转车辆数的大致范围是200~290。对于原始方法,只有当南进口道的交通量为120~170 pcu/h以及北进口道的交通量在80~110 pcu/h时,通行能力计算结果在此范围内。随着左转交通量朝着更大或更小的方向发展,计算结果偏离此范围的程度逐渐增大。改进方法的计算值都在此范围内。

原始方法的计算结果出现以上不合理之处的原因是方法本身的局限性。如2.2节所述,它只适用于同一进口道内,各车道饱和度相同或相近的情况。对于单个进口道,由于直行、直右车道的饱和度不变,在式(8)的约束下,左转车道的饱和度成为定值,从而造成左转车道通行能力随交通量增减而增减的结果;当交通量过大或过小时,通行能力计算值无法落在合理的取值范围内。在上述②中,对于南、北两进口道,在进口道各转向交通量相同的情况下,不同的直行车道数使得两者的直行、直右车道饱和度不同,在式(8)的约束下,左转车道的饱和度随之不同,从而得到不同的通行能力值。相比之下,由于改进方法不受各车道饱和度之间关系的约束,因此无论从定义、理论还是数值的角度,改进方法的计算结果都比原始方法更加科学。此外,当对设有专用右转车道的平面信号交叉口进口道进行案例分析时,亦会得到上述结论,在此不重复叙述。

5 结束语

对平面信号交叉口通行能力停止线计算法的物理含义进行挖掘,发现该方法在计算专用左、右转车道通行能力时具有局限性,即它受各进口车道饱和度之间关系的限制,只有在实际运行状态下各进口车道的饱和度相同或相近时,才能运用现有停止线法的计算公式得到合理、准确的专用左、右转车道通行能力值。在此基础上,通过数学推导、类比比较、理论论证、案例分析等手段,提出改进的停止线法,解除了现有停止线法的上述局限性。本文的研究成果可以为设计者提供更加准确、具有更强适用性的平面信号交叉口通行能力计算方法。

本文没有对直左、直左右车道通行能力进行定量研究。在这两类车道中,由于左转车辆需利用对面直行车辆的行驶间隙穿越交叉口,因此对直左、直左右车道中车头时距的研究较为复杂。在本文研究成果的基础上,结合间隙穿插理论对直左、直左右车道通行能力进行定量挖掘,这就是本文所研究问题的进一步研究方向。

摘要：为了更加合理地计算平面信号交叉口通行能力,对停止线法的计算公式进行改进。对停止线法进行合理性分析,发现在计算专用左转车道和专用右转车道通行能力时,停止线法受到各车道饱和度之间关系的限制,而其他类型车道的通行能力计算公式没有这种局限性。在挖掘信号配时、车头时距等通行能力影响因素的基础上,类比直行车道通行能力计算方法,重新构造专用左、右转车道通行能力计算公式,标定其中的折减系数以及相关变量的参考值,并对各类型车道通行能力计算公式进行整合,得到改进的停止线法。通过案例分析,比较现有方法和改进方法的实施效果,结果表明:改进方法能够弥补现有停止线法的上述不足之处。

关键词：道路通行能力,停止线法,类比法,平面信号交叉口,车头时距

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交叉口通行能力 篇7

随着交通需求的快速增长,信号交叉口左转交通需求进一步增加。为了解决左转交通问题,双左转车道的应用也越来越广泛。一方面,设置双左转车道可减少分配给左转相位的绿灯时间,缩短整个信号周期的长度,降低各个进口车辆的延误,提高信号交叉口的服务水平;另一方面,双左转车道的设置可以使更多的左转车辆在单位绿灯时间内通过信号交叉口,降低由于左转车辆增加带来的延误和排队,从而提高信号交叉口的通行能力。此外,设置双左转车道可以减少左转车辆排队长度,缩短左转车道存储区需要的空间长度,从而减少因左转排队过长而导致对上游交叉口的干扰。

尽管双左转车道具有上述优点,并已在我国城市道路信号交叉口得到了广泛应用,但针对双左转车道交通运行特性和通行能力的研究成果相对较少,并且仅有的研究成果也主要是针对进口无拓宽情形下的。周洁针对保护相位下专用双左转车道通行能力进行了研究,发现保护相位下专用双左转车道的通行能力为1条左转车道的2倍[1]。邵长桥对无拓宽专用双左转车道的交通流特性进行了研究[2]。Ray研究发现增加第2条左转专用车道可使左转通行能力提高75%[3]。Shaik等研究了单一左转车道和双左转车道交通运行特性,认为增加1条左转车道(双左转车道)可以减少交叉口延误时间6%～37%[4]。美国通行能力手册(HCM2000)以直行车道作为基准车道,对左转车进行修正,得出具有保护相位的专用双左转车道的修正系数为0.95[5]。Stokes[6]、Kagolanu和Szplett[7]等在研究专用双左转车道时同样以直行车道作为基准车道,然后得出了左转车道的修正系数。

总之,国内外学者针对信号交叉口专用双左转车道通行能力进行了研究,并取得一定成果,但这些研究成果不是针对进口拓宽情形下的研究,没有考虑信号配时与内侧左转车道长度对拓宽条件下的专用双左转车道通行能力的影响,如美国通行能力手册就没有给出拓宽影响修正系数。这与我国城市道路信号交叉口实际情况不符合:由于受到用地的限制,信号交叉口双左转车道一般采用进口拓宽的方式。这给信号交叉口的规划、设计、建设和运营管理带来诸多不便。因此,有必要针对拓宽条件下专用双左转车道的交通运行特性和通行能力进行研究。

1 数据采集与处理

为了研究拓宽条件下专用双左转车道的交通运行特性,在北京市选取了车道坡度为零、有左转保护相位、车流量大、交通组成相对单一、进口区域内无路边停车和公交停靠站、运行车辆受行人和自行车影响较小、禁止车辆掉头、无左转待行区、绿灯放行期间交叉口下游不存在交通拥堵现象的交叉口进行数据采集。具体选取的数据采集点见表1。

在高峰时段采用视频摄像与现场人工记录相结合的方法,记录拓宽双左转车道车辆的释放过程。为了全面了解路口拓宽情形下左转车辆的运行特性,在现场视频摄像的同时,对驾驶人换车道行为和车道选择行为进行了观察。发现当渐变段下游2条左转车道内的排队车辆开始释放后,渐变段上游1条左转车道内的排队车辆在选择车道时,会出现明显的随机性。比如当上游左转排队车辆开始向左转车道输入车辆时,第1辆车选择内侧车道,其后有连续k辆车选择外侧车道(k≥2),第(k+1)辆车选择内侧车道,使得第1辆车与第(k+1)辆车的车头间距较大,第(k+1)辆车的车头时距增大,同时渐变段下游2条左转车道对应的交通密度下降。

在数据处理时,逐一记录每1辆左转车辆通过停车线的时刻和车头时距。为了消除交通组成、绿灯初期车辆启动延误对计算释放流率的影响,在计算饱和车头时距时将每周期前未达到稳定状态的车头时距以及含有大中型车辆的周期剔除[8]。

2 数据分析

2.1 车头时距分析

图1～图3分别给出了不同数据采集点内、外侧左转车道上排队车辆释放车头时距的分布情况。由图可见,排队释放的车头时距分布明显呈现出“两阶段”特性:第一阶段车头时距相对平稳;第二阶段则发生了明显的“稀疏”变化。并且,当内侧左转车道长度不同时(长度分别为50、68、112 m),车头时距开始发生明显变化,所对应的车辆排队位置也不同(排队位置分别为7、8、15),并且随着内侧左转车道拓宽长度的增加,发生明显变化的车头时距位置越靠后(即车头时距维持平稳状态的时间越长)。

结合车头时距的“两阶段”特性,分别对2个阶段车头时距进行了分析,分析结果见表2和表3。分析发现:第一阶段,车辆由于以排队流率释放,车头时距标准差较小,车头时距比较稳定;第二阶段,车头时距均值要比第一阶段车头时距均值大,车头时距标准差较大,离散程度较高。因此,统计分析的结果也表明,在拓宽情形下,双左转车道排队车辆释放的车头时距可划分为2个阶段:内、外侧左转排队车辆以较高流率释放阶段、渐变段下游排队车辆释放完后的较低流率阶段。

结合上述数据分析结果和现场观测发现:车头时距呈现“两阶段性”是因为当内侧(拓宽)左转车道红灯时间内到达排队车辆释放完后,外侧左转车道(渐变段上游)车辆部分进入内侧车道(拓宽部分),见图4。此时,由于行驶在外侧左转车道上的车辆可以选择内侧车道(拓宽部分)行驶,部分外侧车道车辆进入内侧车道,使得外侧车道上车头时距变大;同样,进入内侧车道上的车辆车头时距比红灯期间到达的排队车辆释放车头时距要大。

2.2 释放流率分析

为了研究拓宽情况下专用双左转车道的通行能力,对左转车道释放流率进行了分析。应用车头时距方法计算释放流率[9,10]

$S=\frac{{\rm N}}{t}\times 3600(1)$

式中:S为释放流率,pcu/h;N为观测时段内通过的标准车辆数,辆;t为观测时长,s。

统计结果见表4。结果表明:内外侧车道释放流率和车头时距一样也呈现出明显的“两阶段”特性。

以2 s为间隔,统计每周期该间隔内通过停车线的车辆数。根据表4处理的结果,绘制如图5所示的释放流率两阶段图。由图可以发现:内外侧车道释放流率之和呈现出明显的“两阶段”特性,在第一阶段和第二阶段转换之间,存在过渡阶段。

通过上述分析发现,双左转车道释放流率具有以下特点:

1) 在绿灯起亮后的t0时间内,双左转释放流率(内、外侧左转车道流率之和)较高。

2) 在绿灯起亮后的t0时间到g-t0内,双左转车道释放流率出现了一定的下降。

3) 根据图5的统计分析结果发现,在第一阶段和第二阶段转换之间,存在过渡阶段,其时间维持在3 s,过渡阶段释放车辆数为 2 辆。

因此,对于拓宽情况下,在不同的(绿灯)时间内,双左转车道释放流率是不一样的。这主要取决于拓宽长度和信号配时(左转绿灯时长)的影响,在分析和计算通行能力时应考虑这一特性的影响。

3 模型建立

通过对双左转车道交通特性分析发现,其释放流率由于受到内侧车道拓宽长度和绿灯时间的影响呈现出阶段特性。在分析双左转车道通行能力时应考虑这一特性的影响。建立模型如下。

1) 双左转专用绿灯相位时间小于内侧车道(拓宽部分)排队车辆释放时间t0。在这种情形下,由于g<t0,双左转车道通行能力只与外侧车道和内侧车道(拓宽部分)排队车辆释放流率有关,其通行能力与无拓宽情形下专用双左转车道通行能力的计算方法一致。

$\begin{array}{l}c=S\times \frac{g\text{'}}{C}(2)\\ g\text{'}=g-t{}_l(3)\end{array}$

式中:c为拓宽专用双左转车道的通行能力,pcu/h;S为双左转车道的释放流率,pcu/h;g′为有效绿灯时间,s;C为周期长度,s ;g为左转绿灯时长,s;tl为损失时间,s。

2) 双左转专用绿灯相位时间大于内侧车道(拓宽部分)排队车辆释放时间t0。在这种情形下,由于g>t0,双左转车道释放流率呈现两阶段特性。其通行能力计算如下。

$\begin{array}{l}c=S{}_0\times \frac{t{}_0\text{'}}{C}+n+S{}_1\times \frac{t{}_1}{C}(4)\\ t{}_0\text{'}=t{}_c-t{}_l(5)\\ t{}_1=g-t{}_c-t{}_t(6)\end{array}$

式中:c为拓宽专用双左转车道的通行能力,pcu/h;S0为(第一阶段)双左转车道内的排队车辆通过停车线所用时间t0内释放流率,pcu/h;n为过渡阶段释放的车辆数,pcu,取2;t0'为时间t0内的有效绿灯时间,s; S1为(第二阶段)1条左转车道内的车辆开始释放后的流率,pcu/h;t1为剩余绿灯时间,s;tc为第一阶段两左转车道内的排队车辆通过停车线所需的时间,s;tt为过渡阶段持续的时间,s,取3。

根据Carroll J Messer研究[11] ,正常情况下第N标准车通过停车线所需的时间为

$\begin{array}{l}t{}_{\text{c}}=t{}_l+\overline{t}{}_{\text{h}}\times {\rm N}(7)\\ {\rm N}=\frac{L}{l}(8)\end{array}$

式中:$\overline{t}$h为饱和车头时距;L为内侧左转车道的长度,m;l为排队期间标准车辆占用车道的平均长度,m。

4 模型验证

为了验证模型的合理性,采用Vissim仿真软件进行了分析。将知春路和中关村大街交叉口东进口的各种几何及交通参数,输入到仿真模型并进行模型参数标定。仿真过程中,左转绿灯时间固定为42 s,左转车道(拓宽)初始长度设定为50 m,以10 m为步长逐步增加内侧车道长度分析其对释放流率影响。其他输入参数见表5。

4.1 释放流率特性

仿真过程中,以2 s为间隔,统计每周期该间隔内通过停车线的车辆数。得到如图6所示的两阶段特性图。由图可以发现:内外侧车道释放流率之和呈现出明显的两阶段特性,在第一阶段和第二阶段转换之间,存在过度阶段。

4.2 通行能力模型

将Vissim输出的数据,利用HCM提出的饱和流率法及文中提出的模型分别进行计算。为了更准确的描述2种方法之间的差别,分别利用平均绝对百分差、均方根误差来量化2种方法差异的大小[12],见式(9)和式(10)。结果见表6及图7。

$\begin{array}{l}{\rm M}A{\rm P}E=(\frac{1}{{\rm N}}{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}\frac{|x{}_i-\widehat{x}{}_i|}{x{}_i}})\times 100\%(9)\\ R{\rm M}SE=\sqrt{(\frac{1}{{\rm N}}{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}(}x{}_i-\widehat{x}{}_i){}^2}(10)\end{array}$

式中:N为样本量;xi为HCM方法算得的通行能力值,pcu/h;$\widehat{x}$i为文中模型算得的通行能力值,pcu/h。

通过表6及图7的对比发现,文中提出的模型能很好的反映出由于渐变段处车辆输入时产生的瓶颈对通行能力的影响。在信号配时固定的情形下,内侧左转车道越短,渐变段上游1条左转车道内的车辆向渐变下游两条左转车道输入车辆持续的时间越长,相应地其通行能力值越小。HCM方法没有考虑拓宽长度与信号配时的影响,当拓宽段内侧左转车道过短,左转绿灯时间较长时,会过高估计拓宽双左转车道的通行能力。

5 结束语

利用实测数据,对拓宽情形下专用双左转车道的车头时距和释放流率进行了分析。分析发现,拓宽双左转车道的释放流率明显呈现出两阶段特性。在考虑上述特性基础上,建立了专用双左转车道通行能力计算模型。Vissim仿真结果表明该模型给出的结果相比美国通行能力手册(HCM)方法给出的结果更合理。需要指出的是,本论文主要针对较理想情形下拓宽双左转车道通行能力的计算方法进行了研究,对于其他影响因素,如交通组成、掉头车辆、左转待行区等尚未考虑。在下一步研究中,将结合以上影响因素,对模型进行进一步完善。

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交叉口通行能力 篇8

随着城市汽车保有量的增加, 交通拥挤问题日益凸显。交通拥挤的根本原因在于道路的容量不能适应汽车高速增长趋势, 但是通过增加道路数量和扩宽道路宽度解决城市交通拥堵问题, 周期过长, 成本过高。解决交通拥堵问题的一个重要而有效途径是提高城市道路的利用率, 而限制城市道路利用率的一个重要因素为交叉路口。交叉路口的信号灯设计不合理, 或者信号灯的正时不能适应交通流量的变化等因素都会限制城市道路利用率。许多研究都就交通信号灯正时和相位的设计展开。这些研究通过检测路口的实时车辆流量来调整交通灯相位, 以达到交通信号与车辆配合的目的[1]。在这种方法中, 检测车辆数量是可能的, 但预测车辆在红灯前的队列是不准确的, 造成交通相位优化非最优, 因此不能实现道路与车辆的完全配合。从车辆的角度来说, 如果能事先获得交叉路口信号灯的正时和相位信息, 通过算法计算出通行车速, 也能实现车辆与信号灯的协同, 有效缓解交通拥挤问题。

交叉路口除了对城市拥堵问题造成影响外, 还对交通安全产生不利影响。由于交叉路口车流量较大, 行车方向各不相同, 道路环境十分复杂, 极易造成交通事故, 给人民的生命和财产造成极大损失。而且交叉路口的交通事故会进一步使交通拥堵问题恶化。据中国交通管理有关部门《2004 年关于各种路口路段类型的事故情况统计》, 交叉路口的交通事故次数占事故总次数的比例超过20%, 直接财产损失超过4 亿元, 占总财产损失的比例超过15%。车路协同的研究可以使车辆在交叉路口减少违章和由此引发的交通事故[2]。因此, 研究交叉路口车路协同通行辅助系统具有重要意义。

本文基于车联网技术提出一种交叉口通行辅助算法, 当单一车辆靠近交叉口的时候可以获得包括车速、位置、交通信号灯相位和配时等信息, 寻找最优油耗速度轨迹。

1 交叉口通行辅助算法

目前国内外对于交叉口通行辅助算法已经进行了很多的相关研究, 实现的功能主要包括安全、节能、舒适度等。而本文提出的算法则是以油耗为优化目标, 在特定的场景下, 寻找最优的速度轨迹。

1.1 车辆运动模型

交叉口通行辅助算法可以预测车辆靠近交叉口时的最佳油耗速度轨迹, 并且可以提供实时的最佳行驶速度。车联网技术的发展使车车、车路之间的信息交互成为可能, 当车辆驶向交叉口时, 行驶车辆可以提前获得交叉口信号灯的相位和配时信息, 是本算法功能实现的基础[3]。例如在天气晴朗、路况良好的平坦道路上, 一辆普通小轿车驶近一个有红绿灯的交叉口, 并且无其他车辆干扰。当车辆行驶至与信号灯有效的通讯距离X时, 此时车辆当前的速度V0, 信号灯的相位和配时信息以及车辆的位置会出现以下四种情况[4]:当车辆接收到信号灯信息时, 若车辆以当前速度匀速行驶, 则车辆到达交叉口时信号灯为绿灯, 车辆可以顺利通过交叉口;当车辆接收到信号灯信息时, 但是车辆若以当前速度匀速行驶, 车辆到达交叉口时信号灯相位为红灯, 车辆不能够通过交叉口, 并且车辆必须通过减速停车等待下一个绿灯出现, 才能通过交叉口;当车辆接收到信号灯信息时, 此时信号灯相位为红灯, 若车辆以当前速度匀速行驶, 则车辆到达交叉口时信号灯为红灯, 但是车辆通过一定的减速行驶则可以在红灯变绿的时刻 (TTG) 通过交叉口;当车辆接收到信号灯信息时, 此时信号灯相位为绿灯, 若车辆以当前速度行驶, 则车辆到达交叉口时信号灯为红灯, 但是车辆通过一定的加速行驶则可以在绿灯变红的时刻 (TTR) 通过交叉口。

本文对第4 种情况中的场景进行研究, 假设车辆的加速行驶阶段为匀加速行驶, 并且车辆行驶至与信号灯有效的通讯距离X时, 此时车辆的速度为V0, 绿灯剩余时间为T , 将车辆的速度轨迹分为加速行驶阶段和匀速行驶阶段[5], 如图1 所示:

图中实线为车辆以最小加速度行驶通过交叉口时的速度轨迹, 这种情况下车辆将没有匀速行驶阶段, 在TTR时刻车辆通过交叉口的速度 (Vs) 最大;虚线为车辆最大加速度情况下行驶速度轨迹, 这种情况下车辆将匀速通过交叉口并且车辆通过交叉口时的速度 (Vs) 最小。在这两条行驶速度轨迹之间还有无数条不同的由匀加速行驶和匀速行驶组成的速度轨迹曲线, 本算法的目的就是从这些速度轨迹曲线中寻找最佳油耗的行驶速度轨迹。行驶速度曲线的一般数学表达式如下:

1) 加速行驶阶段车辆的动力学模型

式中:Xd为加速阶段车辆行驶的距离, m;Td为加速阶段车辆行驶的时间, s;d为车辆的加速度, m/s2。

2) 匀速运动阶段车辆的动力学模型

式中:Xu为匀速阶段车辆行驶的距离, m;Tu为匀速阶段车辆行驶的时间, s。

3) 距离, 时间和速度分别满足下式

从而可以得到任意车辆行驶速度轨迹的关于加速度d和通过交叉口的瞬时速度V3的一般表达式

利用上式 (6) 可以得到对应不同加速度的每条速度轨迹曲线的各个参数, 可以准确绘制每条速度轨迹曲线。

1.2 车辆的动力模型

汽车在水平道路上行驶时, 必须克服来自地面的滚动阻力 (Ff) 、来自空气的空气阻力 (Fw) , 汽车加速行驶时还需要克服加速阻力 (Fj) , 因此汽车行驶的总的阻力为:

将滚动阻力、空气阻力和加速阻力的公式分别带入, 则上式可写成:

式中:f为车辆的滚动阻力系数;CD为车辆的空气阻力系数;A为车辆的迎风面积, m2;V是车辆的瞬时速度, m/s;φ 为车辆的旋转质量换算系数;m是车辆的车身质量, kg。

由功率和速度关系式P =F V可以得到车辆行驶时的功率为:

1.3 油耗Map图

油耗图的绘制非常重要, 对算法的精度和准确性有重要的影响。本文将要绘制的Map图是一条油耗率和功率的二次曲线, 结合车辆的运动模型和动力模型就可以求得每条运动轨迹的总油耗。

Carsim是专门针对车辆动力学的仿真软件, 可以仿真车辆对驾驶员、路面及空气动力学输入的响应, 主要用来预测和仿真汽车整车的操纵稳定性、制动性、平顺性、动力性和经济性, 同时被广泛地应用于现代汽车控制系统的开发。Car Sim可以方便灵活地定义试验环境和试验过程, 详细定义整车各系统的特性参数和特性文件[6]。因此, 该软件中的车辆参数及动力学参数均可以满足研究要求。在Carsim中选取D类普通轿车参数作为油耗Map图的绘制基础, 可以查车辆的参数, 包括车身质量为1 529.98 kg, 正面迎风面积为2.51 m2, 空气阻力系数为0.28, 汽车的旋转质量换算系数为1.06, 滚动阻力系数取0.02。将以上参数带入到式 (9) 中, 可以得到

P = (299.876+0.033 V2+1 621.779d) V (10)

通过Carsim车辆模型的运动仿真, 设定车辆在平直的标准公路上, 晴朗无风的天气条件下, 轿车分别以不同的加速度从速度为0 加速到130 km/h, 可以得到加速度从0.2 m/s2到1.9 m/s2的间隔为0.1m/s2的18 组油耗率和速度的数据, 结合式 (10) 可以得到18 组油耗率和瞬时功率的数据[7]。通过二次拟合可以得到图2。

曲线的二次函数表达式为:

f = 4.066 6×10-7p2+0.010 82p +628.420 2 (11)

由于任意一条速度轨迹曲线都包括加速行驶和匀速行驶两个阶段, 在加速行驶阶段的速度:

结合式 (10) (11) (12) 可以得到一个油耗率关于时间的6 次函数式, 对此函数式进行时间的积分, 便可以得到加速阶段的油耗:

在匀速行驶阶段的速度Vu=Vs, 此时油耗率是一条关于速度的6 次函数, 当前车速的油耗率和行驶时间相乘便可以得到匀速行驶阶段的油耗:

于是整个行驶过程的总油耗为:

通过计算以不同加速度行驶到交叉口的油耗, 算法便可以实现找到最佳油耗行驶速度轨迹的目的。

2仿真实验

在Matlab中进行算法的仿真实验, 运用枚举法在有限条行驶轨迹中寻找油耗最优轨迹, 实现算法的功能。

假设一辆普通轿车行驶在一条没有坡度的水泥路面, 天气良好。当车辆行驶到距离交叉口300 m时, 接收到了交叉口信号灯的信息, 此时信号灯为绿灯并且将在15 s后变为红灯, 车速为11 m/s[8]。如果车辆继续以当前车速行驶, 将不能在绿灯变为红灯之前通过交叉口, 需要在停止线前停车等待, 所以车辆必须加速通过交叉口。若车辆在保证能通过交叉口的情况下, 以最小加速度行驶, 此时车辆将不会有匀速行驶阶段, 可以得到最小加速度为1.19 m/s2, 车辆通过交叉口时的速度为29 m/s。为了简化运算的复杂度, 提高算法的效率, 采用枚举法分别选取加速度为1.2~1.8 m/s2间隔为0.1 m/s2的7 条车辆行驶曲线进行研究, 在所选行驶轨迹中寻找油耗最优轨迹, 则在Matlab中可以得到各条曲线的表现数据如表1。

从实验结果中可以得到几个结论:在通行时间一定的前提下, 随着加速度的增加, 车辆通过交叉口的速度越来越小;在通行时间一定的前提下, 随着加速度的增加, 加速阶段的时间越来越短, 而匀速运动的时间越来越多;汽车在加速行驶时的燃油消耗能力要远大于匀速行驶阶段, 并且随着加速的增加, 加速行驶阶段的油耗越来越小, 而匀速行驶阶段的油耗会增加;此场景下, 随着加速度的增加, 车辆行驶的总的燃油消耗量越来越小。

通常认为在一定的距离下, 随着车辆加速度的增加, 车辆的燃油消耗量会变大[9], 然而在本算法的特定场景下, 车辆的行驶时间一定, 随着车辆加速度的不断增加, 导致用于加速度行驶时间不断减少, 而用于匀速行驶的时间不断增加, 这是导致加速度变大而燃油消耗量不断减少的原因。当然实际行车中遇到这种场景, 并不是加速度越大越好, 需要考虑到舒适度、安全性和效率等问题。

3结语

目前, 已经有很多基于车联网的交叉口通行辅助算法的研究, 但是大多数都运用约束优化算法, 使用简单的优化目标, 例如利用最小化加速度、最小化加速时间或者增加绿灯相位时间来达到节油的目的。极少有人提出使用明确的目标函数寻找最佳油耗速度轨迹。本算法主要研究在车辆当前车速不足以在剩余绿灯时间内通过交叉口这种特定场景下的最佳油耗速度轨迹, 研究结果表明, 此场景下适当提高加速度可以提高燃油经济性, 对后续的相关场景研究打下了很好的基础。后续可以考虑到舒适度, 在保证车辆于绿灯剩余时间内通过交叉口的场景下进行相关研究, 提高算法的实用性。

参考文献

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