专利名称：一种提高城市环行交叉口车辆通行能力的方法
技术领域：
本发明涉及城市大型环行交叉口的交通控制技术。
众所周知，在早期道路交叉口设计中，为避免交通流的冲突，在用地条件许可的条件下，不少交叉口被设计成环行交叉口，既可大大提高车辆运行的安全性，同时又可维持较高的通行能力。这种设计方法，在交通量相对较小的情况下，确实是实用且有效的，曾在一些国家被广泛地采用。我国不少城市的出入口修建成这类交叉口。
然而，随着道路上交通需求量的不断增加，环行交叉口通行能力的有限性逐渐显现出来了，特别是车辆在环道上的交织造成了较大的延误。为了改善环行交叉口交通拥挤和堵塞情况，通常采用了如下几种方法一.建造立交这种方法虽然能够较大幅度地增加环交的通行能力，但有两个主要的局限性首先，造立交工程量大，造价高；其次，造立交对环境的破坏较大。
二.信号控制为了减少或消除环行道上不同流向的车流在时间和空间上的交织、干扰，通常采用以下两种不同的信号控制方法(针对最为典型的四路环行交叉口)(1)在不拆除环岛的情形下，采用常规的二相位控制，这种控制方式虽然能减少环行道上的交织段个数，但仍然存在直行车流和对向左转车流的交织。而且对于大型环交，车流绕环行道的时间损失较大，空间资源也未得到充分的利用；因此该控制方式对环行道的通行能力的提高效果不明显，而且可能导致延误增加较大。
(2)拆除环岛，对交叉口重新进行交通渠化组织及信号控制。该方法通过对不同流向的交通流在时间和空间上彻底的分离，消除了不同流向车流交织，能够较为明显地提高通行能力；但工程量仍较大，代价高，而且对环行道中心的绿地破坏严重，给城市环境带来不利影响。同时，由于采用多相位，周期较长，造成延误较大。
三.拓宽、增加进口道和环行道在保留环岛的前提下，该方法对增加环交的通行能力无明显的效果，甚至会适得其反。环行道的通行能力主要取决于交织段的长度，在环行道半径不变的情况下，增加进口道或环行道的车道数会导致车流的交织更严重，往往会进一步降低环交的通行能力。
经发明人长期研究发现，影响城市大型交叉口的车辆通行能力的主要问题是各进口道不同流向车流在环行道上的交织运行，以及现有的信号控制造成的空间和时间资源的浪费。
本发明的目的是提出一种利用现有环岛，通过对交叉口实行不同相位控制、对左转车实行二次停车控制来消除不同流向车辆间的交织，来提高环行交叉口车辆通行能力的方法。
为了达到上述目的，本发明是这样进行的A.首先，对车道、停车线和信号灯进行布置a.车道分进口道和环行道按各进口道的原来宽度、环岛半径大小及流量和流向需求，在各进口道上可设置1-3条左转车道、2-5条直行车道、1条右转车道；在环行道上可设置1-3条左转车道、2-5条直行车道；车道的重新布置使不同、不同流向的车流在空间上进行了分流；b.停车线分直行和左转排队等侯的第一停车线和专门为左转车设置的、为避免与对向直行车冲突而再次停车等候的第二停车线，第一停车线的位置为平行于与进口道中线垂直的环行道外切线，并后移1-3米，第二停车线设置在各环行道上的贴近环岛边的进口道左转交通流与直行交通流冲突点断面向后退1-3米处；c.信号灯设置在第一停车线和第二停车线车辆可视的位置，第一停车线前的信号灯设有直行和左转方向指示箭头，第二停车线前设有左转信号灯，该两组信号灯由信号机联动控制；B.接着，确定信号相位方案先通过对第一停车线处的左转车流相对于同一进口道的直行车流延迟启动(迟启)，消除与相邻进口道的左转车流在第二停车线的信号灯绿灯末期的尾车间的干扰第一停车线处的左转车流启动后，利用同一进口道直行车流的通行时间到达第二停车线，在第二停车线处排队等候，当对向的直行车流的绿灯结束后，经过一个第二次左转车与对向直行车之间的绿灯间隔后，位于第二停车线前排队的左转车启动；此时该进口道直行车流在绿灯末期的尾车还未到达东西相与南北相直行车流的冲突点，即此时正处于两相位间的绿灯间隔时间，因此，该第二停车线前左转车的通行实际上利用了两个直行车流之间的绿灯间隔时间，经过该一个绿灯间隔后，下一相位的直行车启动；当第二次左转车在上一相位的绿灯时间不够时，第二次左转车的绿灯时间可以延续到下一相位(即第二次左转的绿灯时间未结束，下一相位的直行车流实际上利用了该左转车流的后一部分绿灯时间(即直行车流的“早启”))，如此循环下去达到利用时空效应提高交通通行能力；C.最后，根据一天24小时的流量特征，确定3-6个信号配时时段，并通过自动检测或人工统计的方法，确定上述不同时段内的流量数据，然后计算各时段内各相位的最大设计流量比总和(该总和要求≤0.9)，由于左转车在交叉口的通行是利用两相位的直行车的绿灯间隔时间通行的，因此，在计算最大设计流量总和时，只考虑不同相位不同进口道的直行车流量，而不计算左转车的流量；然后，计算绿灯间隔时间和信号总损失时间，这样就可以得出各相位车辆通过交叉口一次所需的一个最佳信号灯周期、并按照各相位的流量比计算各相位绿灯信号时间(即各相位直行绿灯时间)及直行车绿灯显示时间，然后确定同一进口道左转车相对直行车的迟启时间、确定第一停车线处左转车的有效绿灯时间、确定第二停车线处左转车的有效绿灯时间，最后根据相位设计以及上述计算得到的各相位绿灯显示时间就得出了完整的信号设计及配时方案，将上述不同时段的配时方案输入信号机内；该配时方案也可应用到自适应控制系统中。
第一停车线处左转车的有效绿灯时间，分下述两种情况确定当进口道处的左转车的设计交通流量大于环行道上所能容纳的排队左转车的最大数时，以环行道上所能容纳的排队左转车的最大数完全通过第一停车线来确定第一停车线处的右转车的有效绿灯时间；当进口道处的左转车的设计交通流量小于环行道上所能容纳的左转车的最大数时，以第一停车线处左转车流量完全通过第一停车线来确定左转车的有效绿灯时间。
第二停车线处左转车的有效绿灯时间的确定是根据第一停车线处计算左转车的绿灯时间的两种情况下的左转车完全通过第二停车线的有效时间，即为第二停车线处左转车的有效绿灯时间。
最后，通过与信号机连接的交叉口现场设有的检测器或人工观察到的不同时段中不同流量情况，选择信号灯内预先储存的不同控制方案。
上述两种绿灯间隔时间的确定如下在确定位于第二次停车线的左转车与同一进口道直行车之间的绿灯间隔时间时，应保证在绿灯末期驶出进口道停车线的直行车尾车到达冲突点时，与第二停车线绿灯初期驶出的左转车之间有一个安全时间间隔；在确定东西向与南北向直行车之间的绿灯间隔时间时，应保证在绿灯末期驶出进口道停车线的直行车尾车到达冲突点时，与相邻进口道绿灯初期驶出的直行车之间有一个安全时间间隔；依次类推。
该配时方法也可应用在自适应控制系统中。
本发明具有如下优点1.由于将不同流向的车流在车行道上划分开来，特别是左转车在第二停车线处的第二次停车，在空间上避免了与直行车流之间的交织与干扰；同时，将左转车专用的第二停车线设置在环行道上，让左转车在环行道上排队，既利用了环行道上的有效空间又利用了时间空间资源，提高左转车流通行能力、缩短其延误时间，而对直行交通流来讲避免了因交织引起的延误，实际上是充分利用了“时空”资源，大大提高了通行能力。
2.由于在确定最佳信号周期时，左转车没有占用专门的相位，所以与十字交叉口多相位控制相比较，信号周期就大大缩短，减少了延误。特别是当进口道处的直行车流量比左转车流量大时，同一进口道上对左转车绿灯采用迟启、对直行车采用衔接良好的早断技术，使左转车从第一停车线处利用同一进口道直行车的一部分绿灯时间行驶到第二停车线处时正好获得通行权，能不停车(或少停车)地在环行道绿灯信号启亮时，直接通过交叉口。同样，另一相位的进口道上的直行车也可以利用该左转车的后一部分绿灯时间予以通行，使本发明的方法与传统方法相比，通行能力提高2倍以上。
图1为四路环行交叉口车行道，停车线和信号灯布置示意2为四路环行交叉口组成的两相位信号灯相序示意3为信号相位配时流程图结合附图对本发明作进一步说明实施例1，在环岛半径大于20米的标准四路环行交叉口上实施本发明的提高车辆通行能力的方法。
先请参阅图1和图2。
首先，将原有的四路环行交叉口的每一个进口道的左转车、直行车、右转车分离开来重新布置为进口道两边外侧划分出对称的、方向相反的右转车道各1条，中间布置为方向相反的左转车道各1条，左、右车道之间各布置为方向相反的2条直行车道；环行道上布置1条左转车道、2条直行车道。
停车线分第一停车线1’、4’、6’、10’，第二停车线2’、5’、9’、11’(环行道上左转车辆停车线)。第一停车线设置在每一个进口道上，其位置平行于与进口道中线垂直的环行道外切线，并后退1米，即距最近的环行道外切线＋1米，其宽度按照环行道的宽度(2条直行道和1条左行道之和)。第二条停车线是对应于左转交通流而言的，是进口道车道线向交叉口内的延伸，即左转交通流在环行道上到达第二停车线前，若另一相仍有直行车流通过，则左转车需在第二停车线处排队，等候绿灯才能通行。其位置布置在最靠近环岛的环行车行道线上，与左转车行道形成相交断面(即冲突断面)后退1米处，该停车线宽度是1条左转车道的宽度。
四路环行交叉口的信号控制分南北相位12、14和东西相位13、15两个相位，其中南北相位12和14的进口道第一停车线1’、6’可见位置上分别设有信号灯1、6、直行信号灯1a、6a和左转信号灯1b、6b，第二停车线5’和11’可见位置上分别设有左转信号灯5和11；另一相为东西相位13、15的进口道第一停车线4’10’可见位置上分别设有信号灯4、10、直行信号灯4a、10a和左转信号灯4b、10b，第二停车线2’和9’可见位置上分别设有左转信号灯2和9；上述信号灯与信号机输出端相连接。也可以在信号机输入端与埋在路面的检测器8相连接，通过计算机在自适应控制系统中作实时控制指挥。
环岛直径较大的环行交叉口，进口道与出口道的间距也较大，所以交通信号相位切换的衔接时间若仅采用3秒黄灯时间，可能会导致黄灯末通过停车线的直行车辆与另一相位初期驶出的车辆(左转车或直行车)冲突，因而必需重新确定绿灯间隔时间与黄灯时长，最佳周期时间、总有效绿灯时间、以及所有信号灯显示绿灯时间分白天夜晚行驶高峰和低峰4个时段的信号配时流程。
先确定多段式信号配时的时段，划分为上述4个时段；然后根据上述配时时段确定配时时段内各进口道不同流向(直行和左转)的设计交通量；确定各进口道的渠化方案，即车道布置；确定(直行和左转)信号相位方案。接下去根据估算各相直行车道的设计饱和流量和直行车道设计交通量确定各相直行车道的设计流量比，当计算出的各相最大设计流量比总和≤0.9时，结合计算出的绿灯间隔时间和车辆启动等造成的信号总损失时间，计算得到最佳周期时间，如果各相最大设计流量比总和不是≤0.9，则需要返回重新估算。
关于绿灯间隔时间，如果只考虑机动车之间的绿灯间隔时间，则可近似于直行尾车(最后一辆车)自停车线驶至交通冲突点3的时间，减去相交道路直行头车(第一辆车)自停车线驶至交通冲突点7所用的时间，并加5秒。其他的类推。
接下去按照最佳周期时间可计算出总有效绿灯时间，然后算出各相直行车有效绿灯时间，各相绿灯信号比及直行车显示绿灯时间。为了使对向直行车刚好或已经全部通过第二停车线前的冲突断面，让左转车可以不用二次停车，而一次通过交叉口，采用确定同一进口道左转车相对直行车的“迟启”时间，确定第一停车线处左转车的有效绿灯时间，确定第二停车线处左转车有效绿灯时间，从而得到所有信号灯显示绿灯时间，上述各显示绿灯配时如果满足最短绿灯时间，并且满足服务水平要求，则信号相位及配时方案是可以接受的，将其储存在信号机内依此完成本发明的方法，也可在信号机输入端连接交叉口现场设有的检测器8，进行实时计算与信号配时。如果各显示绿灯时间不满足最短绿灯时间，不能达到本发明的目的，信号配时返回到计算最佳周期时间，如果服务水平不能满足要求则返回渠化和相位方案，直到满足要求。
确定第二停车线前的左转车排队空间是提高左转车的通行能力的关键，具体地讲，每一个信号灯周期是以该进口道左转道上允许排队车辆数为约束条件加以确定的，环岛直径是一定的，环行道上允许停放的左转车辆数也是一定的，因而每个周期的左转车最大通行能力也是一定的，所以，左转车流量较大时，各相位的有效绿灯信号时间，也是依各相位的环行道上允许的左转车停放车辆之比来确定和分配；同样，若直行车流量较大时，则可依据各相位直行车流量比来确定与分配有效绿灯时间。
环行交叉口信号相位的设计如图2所示，进口道12、14的第一停车线1’、6’的位置上直行信号灯1a、6a启亮，停车线1’、6’前的直行车获得通行权，停车线1’、6’前的左转车滞后一段时间后，其对应信号灯1b、6b启亮，此时第一停车线1’、6’处的左转车和直行车一起运行，当左转车到达环行道的左转车专用的第二停车线5’、11’前，若遇红灯则停车待行；若停车线1’、6’前的左转车流量大于环道所能容纳的最大停车容量，则信号灯1b、6b对左转车实行早断；此时停车线1’、6’处的直行车继续通行。当该相位直行车通行结束后，经过南北向12、14和第二停车线5’、11’的左转车之间的绿灯间隔时间后，第二停车线5’、11’的左转车获得通行权，即信号灯5、11绿灯启亮；经过南北向12、14和东西向13、15的直行车之间的绿灯间隔时间后，东西向13、15的直行车信号灯4a、10a绿灯启亮，第一停车线4’、10’处的直行车获得通行权，当第二次左转车在上一相位的绿灯时间不够时，第二次左转车的绿灯时间可以延续到下一相位，下一相位的直行车流实际上利用了该左转车流的后一部分绿灯时间，即直行车流“早启”。以此类推下一相位的运行。
最后，根据各相位的直行、左转车流量瞬间变化交通流的安全与最大通行的需求，结合对环行道上的车速限制，对配时方案作适当调整，以确定实际的绿灯信号显示时间，并通过信号机将绿灯“早启迟断”或“迟启早断”及时动态地调整同一进口道和同一相位的左转和直行的绿灯信号显示时间，减少了时间损失，协调进口道上的左转、直行交通流通过交叉口，以及环行道上第二停车线前的左转交通流通过环行交叉口，避免了左转车辆与直行车辆的冲突，充分利用了“时空”资源，达到环行交叉口车辆通行的畅通。
实施例2为本发明的方法应用于某市环形交叉口。
该交叉口中心环岛直径为70米，其间矗立一座大型雕像且绿化优美。交叉口四周人行道及非机动车道皆较宽，行人和非机动车流量较小且利用天桥过街。现状交叉口东、南、北三个方向的进出口道车道数为三进三出；西进口道车道数为两进两出。已采用常规的两相位信号灯控制，代表性周期时间为140秒，南北相绿灯时间为77秒，东西相绿灯时间为55秒。
根据交叉口空间条件，考虑到该交叉口非机动车流量较小，周围人行道较宽，将非机动车交通移至人行道行驶，原有非机动车道改作机动车右转专用道；同时，将进口道宽度适当压缩为3.25m，进一步增加一个进口道。因此，各进出口道的车道数及车道功能划分，皆为五条进口道两左、二直、一右和四条出口道，共计九条车道，环道上的交通空间划分为两左、两直四条车行道。根据该交叉口的实际交通需求及运行特征，经分析计算取信号控制周期时间为120秒、黄灯时间为3秒、全红时间为5秒，再依各进口道直行车流量比进行配时，得南北相绿灯时间为57秒、东西相绿灯信号时间为47秒。
最后，根据各方向直行车、左转车比例以及环道上各方向左转车的允许排队长度要求，制定交通控制方案对各流向的启动时间及显示绿灯时长进行协调，即同一进口道、同一相位的左转和直行信号显示时长可以不一致。
本发明与“左转车非两次控制方案”(A方案)、“拆除环岛方案”(B方案)的交通效益加以比较(交通效益评价中不包含右转交通流)，基于交叉口基本相同(进口道车道数、车道功能划分、信号周期及绿信比)的条件，相应的效益指标计算结果归纳于表-1。
表-1不同方案各进口道通行能力汇总
从表-1中可以看出在相同现状下，A、B方案的通行能力也有一定程度的提高，但本发明的提高幅度最大。通行能力高出89.6％(本发明高出B)，这是因为虽然方案A同样增加了进口道车道数，但由于左转交通流与对向(包括左转与直行)交通流之间存在冲突，使得通行能力无法大幅度提高，特别是左转交通流往往占用另一相的绿初信号时间，因此影响了另一相位的通行能力，而且这种影响是相互的；方案B与方案A相比，通行能力高出18.4％(B高出A)，这是因为拆除环道后，车流不再绕行，在交叉口内行驶距离缩短，且采用多相位使得交通流有序行驶，所以通行能力有所提高；与方案B相比，本发明的通行能力高出60.2％，这是因为拆除环岛后，B方案左转交通流同对向流入交叉口的直行、左转车流之间的冲突现象比有环岛时更为严重，为解决这一矛盾有必要设置多相位，因此反而导致了停车延误增加，通行能力提高有限的负面问题。总之，本发明能避免方案A和B的弊端，充分提高环道内的时空利用率，从而可明显地提高通行能力，并降低延误。本发明实施后，与现状相比各项效益评价指标均有明显的改善，可参见表-2。
表-2各效益评价指标计算结果
权利要求
1.一种提高城市环行交叉口车辆通行能力的方法，其特征是A.首先，对车道、停车线和信号灯进行布置a.车道分进口道和环行道按环岛直径和相位数目，进口道上可设有1-3条左转车道、2-5条直行车道、1条右转车道；环行道上可设有1-3条左转车道、2-5条直行车道；b.停车线分可供直行和左转排队等侯的第一停车线(1’)、(4’)、(6’)、(10’)和专门为左转车设置的、能避免与对向直行车冲突而再次停车等候的第二停车线(2’)、(5’)、(9’)、(11’)；第一停车线(1’)、(4’)、(6’)、(10’)的位置为平行于与进口道中线垂直的环行道外切线，并后移1-3米，第二停车线(2’)、(5’)、(9’)、(11’)设置在各环行道上的贴近环岛边的进口道左转交通流与直行交通流冲突点断面向后退1-3米处；c.信号灯设置在第一停车线(1’)、(4’)、(6’)、(10’)和第二停车线(2’)、(5’)、(9’)、(11’)处车辆可视的位置，第一停车线(1’)、(4’)、(6’)、(10’)前的信号灯设有直行和左转方向指示箭头，第二停车线(2’)、(5’)、(9’)、(11’)前设有左转信号灯，该两组信号灯由信号机联动控制；B.接着，确定信号相位方案首先，通过对第一停车线(1’)、(6’)处的左转车流相对于同一进口道的直行车流延迟启动，消除与环行交叉口相邻进口道的左转车流在第二停车线(2’)、(9’)、的信号灯(2)、(9)绿灯未期的尾车间的干扰第一停车线(1’)、(6’)处的左转车流启动后，利用同一进口道直行车流的通行时间到达第二停车线(5’)、(11’)，在第二停车线(5’)、(11’)处排队等候，当对向的直行车流的绿灯(6a)、(1a)结束后，经过一个第二次左转车与对向直行车的绿灯间隔后，位于第二停车线(5’)、(11’)前排队的左转车启动，此时该进口道(12)、(14)的直行车流在绿灯未期的尾车还未到达东西向(13)(15)与南北向(12)(14)直行车流的冲突点(3)、(7’)，即此时正处于两相位的绿灯间隔时间，因此该第二停车线(5’)、(11’)前左转车的通行实际上利用了两个冲突的直行车流之间的绿灯间隔时间，经过该绿灯间隔后，下一相位的直行车启动，当第二次左转车在上一相位的绿灯(5)、(11)时间不够时，第二次左转车的绿灯时间可以延续到下一相位，下一相位的直行车流实际上利用了该左转车流的后一部分绿灯时间，即直行车流“早启”，如此循环下去达到利用时空效应提高交通通行能力；C.最后，根据一天24小时的流量特征，确定3-6个信号配时时段，并通过自动检测或人工统计的方法，确定上述不同时段内的流量数据，然后计算各时段内各相位的最大设计流量比总和满足≤0.9要求，计算绿灯间隔时间和信号总损失时间，这样就可以得出各相位车辆通过交叉口一次所需的一个最佳信号灯周期，并按照各相位的流量比计算各相位直行车绿灯(1a)、(4a)、(6a)、(10a)显示时间，然后确定同一进口道左转车相对直行车的迟启时间、确定第一停车线(1’)、(4’)、(6’)、(10’)处左转车的显示绿灯时间(1b)、(4b)、(6b)、(10b)确定第二停车线(2’)、(5’)、(9’)、(11’)处左转车的有效绿灯时间(2)、(5)、(9)、(11)；最后根据相位设计以及上述计算得到的各相位显示绿灯时间就得出了完整的信号设计及配时方案，将上述不同时段的方案输入信号机内；通过与信号机连接的交叉口现场设有的检测器或人工观察到的不同时段中不同流量情况，选择信号灯内预先储存的不同控制方案；
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的第一停车线(1’)、(4’)、(6’)、(10’)处左转车的有效绿灯时间(1b)、(4b)、(6b)、(10b)的确定分两种情况当进口道处的左转车的设计交通流量大于环行道上所能容纳的左转车的最大数时，以环行道上所能容纳的左转车数量通过进口道停车线所需的时间为左转车的有效绿灯时间(1b)、(4b)、(6b)、(10b)；当进口道处的左转车的设计交通流量小于环行道上所能容纳的左转车的最大数时，以第一停车线(1’)、(4’)、(6’)、(10’)处左转车流量通过进口道停车线所需的时间为左转车的有效绿灯时间(1b)、(4b)、(6b)、(10b)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的第二停车线(2’)、(5’)、(9’)、(11’)处左转车信号灯(2)、(5)、(9)、(11)的有效绿灯时间的确定是根据第一停车线(1’)、(4’)、(6’)、(10’)处计算左转车信号灯(1b)、(4b)、(6b)、(10b)的有效绿灯时间的两种情况下的左转车完全通过第二停车线(2’)、(5’)、、(11’)的有效时间，为第二停车线(2’)、(5’)、(9)、(11’)处左转车的有效绿灯时间(2)、(5)、(9)、(11)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于；所述的两种绿灯间隔时间如下在确定东西向(13)、(15)位于第二次停车线(2’)、(9’)的左转车与东西向(13)、(15)直行车之间的绿灯间隔时间时，应保证在绿灯末期驶出进口道停车线的直行车尾车到达冲突点(3)、(7’)时，与第二停车线绿灯初期驶出的左转车之间有一个安全时间间隔；在确定东西向(13)、(15)与南北向(14)、(12)直行车之间的绿灯间隔时间时，应保证在绿灯末期驶出进口道停车线的直行车尾车到达冲突点(7)、(3’)时，与相邻进口道绿灯初期驶出的直行车之间有一个安全时间间隔；其他的依次类推。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的配时方法也可以应用在自适应控制系统中。
全文摘要
一种提高城市环行交叉口车辆通行能力的方法,涉及城市大型环行交叉口的交通控制技术。首先,进行车道、停车线和信号灯的布置,使左转车进行两次停车,避免了与直行车在空间上的冲突;接着,进行信号相位设计,分时段计算信号周期进行配时方案设计;最后,按照直行和左转车不同的流量,采用迟启早断或早启迟断动态控制环行交叉口车辆通行,避免了不同车流在时间上的冲突,可达到充分利用时空资源,提高环行交叉口车辆通行能力2倍以上。可广泛应用于改进现有的城市环行交叉口通行能力。
文档编号G08G1/00GK1328314SQ00116469
公开日2001年12月26日 申请日期2000年6月13日 优先权日2000年6月13日
发明者杨晓光, 边经卫, 陈炳炎 申请人:同济大学