一种采用间歇式车道的交叉口信号控制方法
技术领域
本发明属于交通设计与控制
技术领域
，具体涉及一种采用间歇式车道的交叉口信号控制方法。背景技术
交叉口几何设计与信号协调控制优化是交通工程师解决城市交通拥堵，提升城市道路通行效率、降低出行延误与空气污染的主要手段。左转车辆作为影响交叉口运行效率的关键因素，如何通过协调左转相位与直行相位时长配比、提升车道利用效率，进而降低交叉口停车次数与车辆延误，仍是当前交通领域的一个热点。
传统方法为消除左转车辆带来的影响，提出了对称交叉口、U-turn、超级街道和待行区等交叉口几何设计方案，其中，待行区已应用于实际，取得较好的研究成果，待行区的设置可以使车辆提前通过交叉口停止线，待主信号开启时令车辆在更短时间内通过交叉口，从而提高交叉口运行效率，但是诸多研究表明，增设待行区会增加车辆的停车次数，带来多次启动与加速，从而增加车辆的燃料消耗和尾气排放，且待行区的设计需要考虑车流、交通冲突等影响。
在交叉口信号控制方面，信号协调控制、预信号设置等是现在的研究重点，可以实现车辆绿波通行、减少停车次数。由此提出了变导向车道、出口道左转交叉口、连续流交叉口、排阵式交叉口等非常规交叉口，其中排阵式交叉口结合了待行区排队原理和预信号控制，成为现状研究热点。排阵式交叉口在入口道上游设置预信号对车流进行重组排列，在不同相位下放行不同流向车辆进入排队区，该方法可以充分利用进口道，提高交叉口通行能力，但在短时间内车辆在排队区内产生多次变道行为，驾驶员的不适应性易造成排队区滞留问题，从而降低车辆通行效率。排队区的长度设置也需要考虑流量、时间差、车辆清空时间等因素。
综上所述，现有控制方案中交叉口服务水平受到待行区、排队区域长度限制，并且车辆会产生二次停车和多次变道等问题，存在较大的环境污染、安全隐患。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，为解决二次停车和安全隐患问题，提高左转车辆通行能力并兼顾交叉口整体运行效率，提出一种基于主、预信号相位协调，采用间歇式车道的交叉口控制方法，且间歇区长度不受限于交叉口车流量与道路长度，能最大限度地提升交叉口容量，疏散交叉口内部车辆，降低停车次数，减少车辆在交叉口的延误成本与油耗成本。
本发明的技术方案是：
一种采用间歇式车道的交叉口信号控制方法，用于多车道交叉口，多车道至少包括左转专用车道和直行专用车道，其特征在于，将与左转专用车道相邻的直行专用车道设置为间歇式车道；间歇式车道的设置方法是，在对应直行专用车道上设置间歇区停车线，将间歇区停车线和交叉口停车线之间的区域定义为间歇区，间歇区是指在信号控制下，左转车辆和直行车辆交替驶入；所述信号控制方法为：
S1、为间歇区停车线和交叉口停车线均设置控制信号，分别定义为间歇区预信号和主信号，将交叉口四条道路按顺时针方向依次定义为A1、A2、A3、A4，则A1与A3的控制信号一致，A2和A4的控制信号一致；根据间歇区定义，间歇区预信号包括直行预信号和左转预信号，所述直行预信号是指直行车辆根据直行预信号进入间歇区，所述左转预信号是指左转车辆根据左转预信号进入间歇区，对应的主信号包括直行信号和左转信号；
S2、将直行车辆根据直行预信号进入间歇区的信号相位定义为直行预信号相位P1，在直行预信号相位P1中，A1和A3的直行车辆进入间歇区，将A1和A3中直行车辆根据直行信号通过交叉口的信号相位定义为直行相位P1，在直行相位P1中，A1和A3的间歇区车道中位于间歇区内的直行车辆通过交叉口，并且位于间歇区外的直行车辆直接进入间歇区并通过交叉口；所述直行相位P1的开始与结束时间均晚于直行预信号相位P1；
S3、在间歇区直行相位P1结束后，进入左转预信号相位P2，在左转预信号相位P2中，A1和A3的左转车辆进入间歇区，将A1和A3中左转车辆根据左转信号通过交叉口的信号相位定义为左转相位P2，在左转相位P2中，A1和A3的间歇区车道中位于间歇区内的左转车辆通过交叉口，并且位于间歇区外的左转车辆直接进入间歇区并通过交叉口；所述左转相位P2的开始与结束时间均晚于左转预信号相位P2；
S4、在左转预信号相位P2结束后，进入直行预信号相位P3，在直行预信号相位P3中，A2和A4的的直行车辆进入间歇区，将A2和A4中直行车辆根据直行信号通过交叉口的信号相位定义为主直行相位P3，在直行相位P3中，A2和A4的间歇区车道中位于间歇区内的直行车辆通过交叉口，并且位于间歇区外的直行车辆直接进入间歇区并通过交叉口；所述直行相位P3的开始与结束时间均晚于直行预信号相位P3；
S5、在间歇区直行相位P3结束后，进入左转预信号相位P4，在左转预信号相位P4中，A2和A4的左转车辆进入间歇区，将A2和A4中左转车辆根据左转信号通过交叉口的信号相位定义为左转相位P4，在左转相位P4中，A2和A4的间歇区车道中位于间歇区内的左转车辆通过交叉口，并且位于间歇区外的左转车辆直接进入间歇区并通过交叉口；所述左转相位P4的开始与结束时间均晚于左转预信号相位P4；
S6、左转预信号相位P4结束后，继续直行预信号相位P1。
与现有技术相比，本发明的优点和效果为：
(1)能减少待行区交叉口存在二次停车的问题，并兼顾交叉口整体通行效率，可以适用于多种交通条件。
(2)相较于普通待行区交叉口、信号协调待行区交叉口，在饱和度相同状态下，本发明能有效降低交叉口总延误、油耗成本与停车次数。
(3)本发明在交叉口总流量较高、左转车流占比较大的情况下，能在保证交叉口延误水平不上升的状态下，最大程度降低交叉口饱和度、增强交叉口的鲁棒性能。
附图说明
图1为间歇式车道交叉口相位时序图；
图2为信号相位期间车辆放行示意图，其中，(a)为相位4与相位1切换期间；(b)为相位1期间；(c)为相位1与相位2切换期间；(d)为相位2期间；
图3为间歇式车道交叉口信号灯样式图。
具体实施方式
下面将结合附图实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，以便本领域的技术人员能够更好地理解本发明。
本发明主要是基于间歇式车道，基于待行区交叉口的间歇式车道信号控制是指将最左侧直行车道后退一定距离作为间歇区，左转车流和直行车流利用预信号与主信号之间的协调控制有序进入间歇区并通过交叉口，其余车道根据主信号指引离开交叉口。以四车道交叉口为例，从左至右分别为左转专用车道、间歇式车道、直行专用车道、右转专用车道。车道交通流组织如下：
①间歇式车道：间歇区后方的左转车辆在左转预信号绿灯时利用地面导流线从最左侧车道经过一次变道进入间歇区；直行车辆在间歇区预停止线处排队等候，在直行预信号绿灯时进入间歇区。因此间歇区随信号周期变化的车道利用状况分为：直行占用，左转占用，未占用。
②左转专用车道：供左转车辆行驶，无预信号控制，除占用人行横道外可排队至左转待行区。左转车辆排队过程中若间歇区左转绿灯开启，左转车辆可依次变道进入间歇区。
③直行专用车道：供直行车辆行驶，与现实交叉口直行车道交通流组织相同，车辆可排队至直行待行区。
④右转专用车道：考虑到右转车辆不会和其他车辆发生交织冲突，可直接通过交叉口。
如图1所示，为各阶段的相位时序，在该模式中由于左转与直行车辆均可使用间歇区，为了保证车辆之间不会相互冲突，交叉口的主、预信号设计为可变信息板，以供驾驶员了解当前可进入与离开间歇区的车辆类型。
交叉口相一个周期内运行模式描述如下：
①东西方向间歇区直行预信号开启，间歇区后方排队的直行车流进入间歇区。
②东西方向直行主信号为直行车辆提供绿信号，其中间歇区内的直行车辆不发生二次停车匀速通过交叉口。
③东西方向间歇区直行预信号关闭，左转预信号开启，间歇区后方的左转车辆变道进入间歇区。
④东西方向左转主信号开启，释放左转车辆，其中，间歇区内左转车辆将不发生二次停车匀速通过交叉口，随后左转主信号变为红灯。
⑤南北方向上的间歇区直行预信号开启，间歇区后方排队的直行车流进入间歇区。
⑥南北方向直行主信号为直行车辆提供绿信号，其中间歇区内的直行车辆不发生二次停车匀速通过交叉口。
⑦南北方向间歇区直行预信号关闭，左转预信号开启，间歇区后方的左转车辆变道进入间歇区。
⑧南北方向左转主信号开启，释放左转车辆，其中，间歇区内左转车辆将不发生二次停车匀速通过交叉口，随后左转主信号变为红灯。
特别地是，各方向上左转专用道与直行专用道的预信号保持绿色，车辆可以进入其待行区等待主信号放行。图2示意了各相位车辆的行驶流线，黄色线条表示左转车流，红色线条表示直行车流。图3中1-3分别示意了左转信号的红灯、绿灯与黄灯样式；4-6分别示意了直行信号的红灯、绿灯与黄灯样式。
本发明方案应用于实际情况是所涉及的参数主要包括待行区长度、间歇区长度、相位全红时间、主、预信号相位差，具体的计算方式以四车道交叉口为例：
为便于理解，以南向进口道为例。先定义以下常用参数：j表示交叉口车道，从左往右方向命名。VI(j)为各车道行驶速度；g(m,k)表示绿灯时间，y(m,k)表示相位黄灯时间，r(m,k)表示相位全红时间，一般取3s。其中m∈{1,2},k∈{1,2,3,4}，m＝1为主信号，m＝2为预信号，k∈{1,3}为直行相位，k∈{2,4}为左转相位。
相关参数约束描述如下：
(1)间歇区PL长度：Lb≤PL≤100
Lb为车流形成饱和车流时排队车辆的行驶距离，一般取35m。
(2)主、预信号相位差
①直行主预信号相位差
间歇区直行信号提前开启时间△gk,1：
t2为直行车流通过预信号停止线前的匀速行驶时间，t3为预信号绿灯开启到直行车流通过预信号停止线所需要的时间,a(2)为直行车流的加速度。
间歇区直行信号提前关闭时间△gk,2：
②左转主预信号相位差：
△gk',1＝△gk,2+y(1,k)+r(1,k)-y(2,k),k'∈{2,4},k∈{1,3}
本发明方案目的还包括成本问题，结合成本问题，本发明还提出最优信号方案的计算方式。
(1)延误成本，以一小时内的交叉口乘客延误成本作为计量指标：
dj为车道累积延误，可以采用延误三角形进行计算，cp是单位小时成本。
(2)油耗成本
W1是交叉口车流能耗、cg为汽油价格，W是汽油的热值。
(3)优化模型
min M＝Md+Mg
其中约束条件为：
max(g1min,g2min)≤g(m,k)≤g2max
g1min为行人最小绿灯时长设计规范；g2min为车辆最小绿灯时长设计规范；g2min为车辆最大绿灯时长设计规范。
求解上述问题可采用遗传算法搜寻最优解，算法流程如下：
Step1：生成初始种群。对待求参数进行实数编码。
Step2：适应度计算。综合成本(延误成本与油耗成本)计算，结束循环的条件是达到最大迭代次数或相邻1000次适应度误差不大于0.1％。
Step3：优势个体选择。使用轮盘赌来选择保留个体，并保留最优个体为精英种群，不参与交叉、突变过程。
Step4：交叉互换。根据交叉概率选择部分种群进行基因交叉操作。
Step5：数值突变。基于模拟退火调节变异概率，并随机选择个体参数重新生成参数。
Step6：返回Step2。
