一种信号交叉口直行待行区长度设计方法及系统

1.本发明涉及道路交通设计领域，具体涉及一种直行待行区长度设计方法及系统。


背景技术：

2.为了适应生产运输活动的发展，必须不断提升城市道路交叉口的通行能力，以缓解城市交叉口拥堵的困境。考虑到城市土地资源稀缺，对于现有的道路进行扩建困难，且修改城市交叉口渠化设计对于相关配套设施更新的成本需求较高。所以，优化交叉口的设计是改善道路交叉口通行能力的主要方向。在城市道路交叉口路段，直行车流交通流最大，调节直行车道将极大改善交叉口的通行能力。充分利用闲置的空间资源，设置直行待行区，可以提高交叉口运行效率、改善城市交叉口拥堵的现象。
3.目前国内外很多学者对优化等待区提高交叉口通行能力面进行了研究，但大多集中于验证设置直行等待区后的通行效率提升，缺少对于交叉口直行待行区长度的研究，且对公路平面交叉口直行待行区等候段规定不够具体，无法直接使用。因此，需提出一种计算信号交叉口直行待行区长度的方法，能合理分配车流量，有效改善交叉口处的交通堵塞情况，进而提高生活效率和促进社会交通发展。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题：提供一种信号交叉口直行待行区长度设计方法及系统，分析红灯时长，运用格林希尔兹线性关系模型及最大排队长度计算直行等待区红灯时长内车辆排队长度。
5.本发明为解决以上技术问题而采用以下技术方案：
6.本发明提出一种信号交叉口直行待行区长度设计方法，具体包括以下步骤：
7.s1、采集交通数据；
8.s2、建立交叉口停车线处直行车道的格林希尔兹线性关系模型；
9.s3、根据交通流三参数之间的基本关系，以及当交通流密度适中时，速度与密度的格林希尔兹线性关系模型，计算交叉口停车线处直行车道的极大流量qm；
10.s4、结合交叉口停车线处直行车道的极大流量qm，计算在红灯时的交叉口停车线处直行车道极大车辆数nm，并结合交叉口信号配时的实际情况，计算在红灯间隔内直行车辆的排队长度l；
11.s5、去掉进口车道禁止变换车道线长度，计算出交叉口的直行待行区长度s。
12.进一步，步骤s1中，采集的交通数据包括：交叉口入口处直行车道车辆的车速，红灯时长t，交叉口直行车道车辆的平均车长l1，交叉口进口车道禁止变换车道线的长度x。
13.进一步，步骤s2中，模型的建立包括：通过交叉口直行车道车辆的平均车长l1与红灯停车时相邻两辆车之间的安全距离l2，计算出交叉口停车线处直行车道阻塞密度kj，将kj带入到格林希尔兹线性关系模型中，即可完成建模；kj和格林希尔兹线性关系模型的具体公式如下：
[0014][0015][0016]
其中，v为交叉口停车线处直行车道车辆的速度；vf为交叉口停车线处直行车道车流密度趋于0，车辆的畅行速度；k为交叉口停车线处直行车道车辆的密度，h
d阻
为交叉口停车线处直行车道车辆的阻塞车头间距，即红灯期间停止在直行弯车道上相邻两辆车之间的车头距离。
[0017]
进一步，步骤s3中，交叉口停车线处直行车道的极大流量qm的计算过程如下：
[0018]
s301、得到速度与密度的格林希尔兹线性关系模型：
[0019][0020]
s302、对密度求一阶导数得：
[0021][0022]
s303、一阶导数为0时，得到此时q有极大值，则：
[0023][0024]
进一步，步骤s4中，在红灯时的极大直行车辆数nm、在红灯间隔内直行车辆的排队长度l的计算公式如下：
[0025][0026][0027]
进一步，步骤s5中，交叉口的直行待行区长度s的计算公式如下：
[0028]
s＝l-x＝250tv
f-l
2-x。
[0029]
进一步，本发明还提出一种信号交叉口直行待行区长度设计系统，包括：
[0030]
数据采集模块，用于采集包括交叉口入口处直行车道车辆的车速、红灯时长t、交叉口直行车道车辆的平均车长l1、交叉口进口道禁止变换车道线的长度x的数据；
[0031]
待行区长度计算模块，用于建立交叉口停车线处直行车道的格林希尔兹线性关系模型，计算交叉口停车线处直行车道的极大流量qm；计算在红灯时的交叉口停车线处直行车道极大车辆数nm，并结合交叉口信号配时的实际情况，计算在红灯间隔内直行车辆的排队长度l；最终计算出交叉口的直行待行区长度s。
[0032]
进一步，待行区长度计算模块中，所述建立交叉口停车线处直行车道的格林希尔兹线性关系模型，模型的具体的公式如下：
[0033][0034][0035]
其中，kj为交叉口停车线处直行车道阻塞密度；l1为交叉口直行车道车辆的平均车长，l2为红灯停车时相邻两辆车之间的安全距离；v为交叉口停车线处直行车道车辆的速度；vf为交叉口停车线处直行车道车流密度趋于0时，车辆的畅行速度；k为交叉口停车线处直行车道车辆的密度；为交叉口停车线处直行车道车辆的阻塞车头间距，即红灯期间停止在直行车道上相邻两辆车之间的车头距离。
[0036]
进一步，基于所述的待行区长度计算模块中的交叉口停车线处直行车道的格林希尔兹线性关系模型，qm、nm、l、s的具体计算公式如下：
[0037]
(1)qm计算过程如下：
[0038]
步骤1、得到速度与密度的格林希尔兹线性关系模型：
[0039][0040]
步骤2、对密度求一阶导数得：
[0041][0042]
步骤3、一阶导数为0时，得到此时q有极大值，则：
[0043][0044]
(2)nm计算过程如下：
[0045][0046]
(3)l计算过程如下：
[0047][0048]
(4)s计算过程如下：
[0049]
s＝l-x＝250tv
f-l
2-x。
[0050]
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，其显著技术效果如下：
[0051]
本发明为道路设计者们提供了一种基于格林希尔兹线性关系模型的直行待行区长度设计方法，弥补目前关于国内直行待行区长度设计方面的空白，提升了交叉口的道路服务水平；本发明可以缓解交叉口公交车车辆拥堵；本发明在交叉口设施建设情况的充分的分析调查的基础上，综合考虑了车流高峰期时车流密度，为车辆设置了足够的长度。
附图说明
[0052]
图1为本发明直行待转区示意图。
[0053]
图2为本发明数据测量位置示意图。
[0054]
图3为本发明实例测得的85％位车速。
[0055]
图4交叉口的直行待行区长度细节图。
具体实施方式
[0056]
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
[0057]
为实现上述目的，本发明提供一种交叉口直行待行区长度设计方法，包括以下步骤：
[0058]
s1、采集交叉口直行待行区和交叉口偏置直行车道车俩的临界速度采集点处的交通数据，具体位置如图1、图2所示，采集的数据包括：交叉口直行车道车辆的85％位车速，红灯时长t，交叉口直行车道车辆的平均车长l1，交叉口进口道禁止变换车道线的长度x。
[0059]
在交叉口停车线处设置调查点。首先，调查车辆在一个红灯时长内的红灯时长并记录；然后在调查点处，以每3分钟为时间间隔连续调查通过偏置直行车道的大、中、小型车的高峰小时交通量。将所有车辆区分大、中、小型车，进行分种调查，对采集的大、中、小型车的各自交通量进行统计并换算成当量小汽车交通量，以此来计算出交叉口车辆的平均车长，换算的计算方法为：q＝∑q
iei
，其中q为换算后的当量小汽车交通量、ei为i类车辆换算系数、qi为i类车辆的交通量。
[0060]
s2、建立交叉口停车线处直行车道的格林希尔兹线性关系模型。
[0061]
选择交通流密度较大的交叉口，根据交通流微观参数阻塞车头时距计算得出交叉口停车线处直行车道的阻塞密度kj，当交通流密度适中时，速度与密度的关系为格林希尔兹线性关系，此时交叉口停车线处直行车道格林希尔兹线性模型公式为：
[0062][0063]
其中，其中，v为交叉口停车线处直行车道车辆的速度，单位：千米/小时；vf为交叉口停车线处直行车道车流密度趋于0，车辆可以畅行无阻时的平均速度，即交叉口停车线处直行车道车辆的畅行速度，单位：千米/小时；kj为交叉口停车线处直行车道阻塞密度，单位：辆/千米；k为交叉口停车线处直行车道车辆的密度，单位：辆/千米；为交叉口停车线处直行车道车辆的阻塞车头间距，即红灯期间停止在直行车道上相邻两辆车之间的车头距离，单位：米/辆；l1为交叉口停车线处直行车道上的车辆的平均车长，单位：米；l2为红灯停车时相邻两辆车之间的安全距离，单位：米，红灯停车时车辆间的安全距离保持在1-2米最佳，本实施例中为使直行待行区长度尽可能大，安全距离选择2米。
[0064]
s3、根据交通流三参数之间的基本关系，即交通量等于行车速度与车流密度的乘积，以及当交通流密度适中时，速度与密度的格林希尔兹线性关系，计算交叉口停车线处直行车道的极大流量qm，具体计算过程如下：
[0065]
步骤1、得到速度与密度的格林希尔兹线性关系模型：
[0066][0067]
步骤2、对密度求一阶导数得：
[0068][0069]
步骤3、一阶导数为0时，得到此时q有极大值，则：
[0070][0071]
式中，qm的单位：辆/小时。
[0072]
s4、结合交叉口停车线处直行车道的极大流量qm，计算在红灯时的极大直行车辆数nm，并结合交叉口信号配时的实际情况，计算在红灯间隔内直行车辆的排队长度l，公式如下：
[0073][0074][0075]
式中，nm的单位：辆；t是红灯时长，单位为秒；l的单位：米。
[0076]
s5、去掉进口车道禁止变换车道线长度，计算交叉口的直行待行区长度s，公式如下：
[0077]
s＝l-x＝250tv
f-l
2-x；
[0078]
式中，交叉口的直行待行区长度s，单位：米；交叉口进口道禁止变换车道线的长度x，单位：米。
[0079]
以淮安市清江浦区承德南路与明远路交叉口为例，该交叉口设有渠化岛，南北方向承德路为双向五车道，东西方向枚乘路为双向六车道，该交叉口进口道有4条车道，分别为一条专用左转车道，两条直行车道和一条右转车道，该交叉口已设置交叉口进口道禁止变换车道线，但未设置直行待行区，直行待行区长度的确定步骤为：
[0080]
1、在红灯时长调查点记录直行车道的红灯时长，测得红灯时长t为38秒；
[0081]
2、测量交叉口进口道禁止变换车道线长度x，得交叉口进口道禁止变换车道线长度x为95米；
[0082]
3、利用雷达测速仪在85％位车速调查点测量直行车道车辆经过停车线时的85％车速，测得数据如图3所示，85％位车速vf为28千米/小时，代入公式可得该交叉口的直行待行区长度s为0.012千米，即直行待转区为12米。交叉口的直行待行区长度s的细节图如图4所示。
[0083]
本发明实施例还提出一种信号交叉口直行待行区长度设计系统，包括数据采集模块、待行区长度计算模块及可在处理器上运行的计算机程序。需要说明的是，上述系统中的
各个模块对应本发明实施例所提供的方法的具体步骤，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。
[0084]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种信号交叉口直行待行区长度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、采集交通数据；s2、建立交叉口停车线处直行车道的格林希尔兹线性关系模型；s3、根据交通流三参数之间的基本关系，以及当交通流密度适中时，速度与密度的格林希尔兹线性关系模型，得到交叉口停车线处直行车道的极大流量q
m
；s4、通过步骤s3中得出的q
m
，得到在红灯时的交叉口停车线处直行车道极大车辆数n
m
，并结合交叉口信号配时的情况，得到在红灯间隔内直行车辆的排队长度l；s5、去掉进口车道禁止变换车道线长度，获得交叉口的直行待行区长度s。2.根据权利要求1所述的一种信号交叉口直行待行区长度设计方法，其特征在于，步骤s1中，采集的交通数据包括：交叉口入口处直行车道车辆的车速，红灯时长t，交叉口直行车道车辆的平均车长l1，交叉口进口车道禁止变换车道线的长度x。3.根据权利要求2所述的一种信号交叉口直行待行区长度设计方法，其特征在于，步骤s2中，模型的建立包括：通过l1与红灯停车时相邻两辆车之间的安全距离l2，计算出交叉口停车线处直行车道阻塞密度k
j
，将k
j
带入到格林希尔兹线性关系模型中，即可完成建模；k
j
和格林希尔兹线性关系模型的具体公式如下：和格林希尔兹线性关系模型的具体公式如下：其中，v为交叉口停车线处直行车道车辆的速度；v
f
为交叉口停车线处直行车道车流密度趋于0时，车辆的畅行速度；k为交叉口停车线处直行车道车辆的密度；为交叉口停车线处直行车道车辆的阻塞车头间距，即红灯期间停止在直行车道上相邻两辆车之间的车头距离。4.根据权利要求3所述的一种信号交叉口直行待行区长度设计方法，其特征在于，步骤s3中，q
m
的计算过程如下：s301、得到速度与密度的格林希尔兹线性关系模型：q＝vk,s302、对密度求一阶导数得：s303、一阶导数为0时，得到此时q有极大值，则：5.根据权利要求4所述的一种信号交叉口直行待行区长度设计方法，其特征在于，在步
骤s4中，红灯时的交叉口停车线处直行车道极大车辆数n
m
、在红灯间隔内直行车辆的排队长度l的计算公式如下：长度l的计算公式如下：6.根据权利要求5所述的一种信号交叉口直行待行区长度设计方法，其特征在于，步骤s5中，交叉口的直行待行区长度s的计算公式如下：s＝l-x＝250tv
f-l
2-x。7.一种信号交叉口直行待行区长度设计系统，其特征在于，包括：数据采集模块，用于采集包括交叉口入口处直行车道车辆的车速、红灯时长t、交叉口直行车道车辆的平均车长l1、交叉口进口道禁止变换车道线的长度x的数据；待行区长度计算模块，用于建立交叉口停车线处直行车道的格林希尔兹线性关系模型，计算交叉口停车线处直行车道的极大流量q
m
；计算在红灯时的交叉口停车线处直行车道极大车辆数n
m
，并结合交叉口信号配时的实际情况，计算在红灯间隔内直行车辆的排队长度l；最终计算出交叉口的直行待行区长度s。8.根据权利要求7所述的一种信号交叉口直行待行区长度设计系统，其特征在于，待行区长度计算模块中，所述建立交叉口停车线处直行车道的格林希尔兹线性关系模型，模型的具体的公式如下：的具体的公式如下：其中，k
j
为交叉口停车线处直行车道阻塞密度；l1为交叉口直行车道车辆的平均车长，l2为红灯停车时相邻两辆车之间的安全距离；v为交叉口停车线处直行车道车辆的速度；v
f
为交叉口停车线处直行车道车流密度趋于0时，车辆的畅行速度；k为交叉口停车线处直行车道车辆的密度；为交叉口停车线处直行车道车辆的阻塞车头间距，即红灯期间停止在直行车道上相邻两辆车之间的车头距离。9.根据权利要求8所述的一种信号交叉口直行待行区长度设计系统，其特征在于，基于所述的待行区长度计算模块中的交叉口停车线处直行车道的格林希尔兹线性关系模型，q
m
、n
m
、l、s的具体计算公式如下：(1)q
m
计算过程如下：步骤1、得到速度与密度的格林希尔兹线性关系模型：q＝vk,步骤2、对密度求一阶导数得：
步骤3、一阶导数为0时，得到此时q有极大值，则：(2)n
m
计算过程如下：(3)l计算过程如下：(4)s计算过程如下：s＝l-x＝250tv
f-l
2-x。

技术总结
本发明公开了一种信号交叉口直行待行区长度设计方法及系统，该方法包括：采集相关交通数据；根据交通流三参数之间的基本关系，以及交通流密度适中时，速度与密度的格林希尔兹线性关系，计算在该道路口红灯时停车线后的最大直行排队车辆数；最后将该车辆数换算成以米为单位的直行车辆平均排队长度，计算最大排队车辆长度，去掉进口车道禁止变换车道线长度，即为直行待行区的长度。本发明可以很大程度上解决城市交通资源浪费问题，并且对交叉口处的交通堵塞情况有了针对性的改善方法，同时能快速提高生活效率和社会交通发展。速提高生活效率和社会交通发展。速提高生活效率和社会交通发展。


技术研发人员：高文萱 周君 梁坤 石欣蕾 刘芳芳 邓佳丽 吴雪瑄 李天照 吴昊
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/6/27