信号交叉口右转专用车道实时动态控制方法

摘要

本发明涉及一种信号交叉口右转专用车道实时动态控制方法，旨在解决我国城市交叉口右转专用车道信号控制动态时间确定问题。该方法包括以下步骤：1）预测本周期到达的右转机动车、非机动车以及行人流量；2）计算综合费用最小时对应的基本控制时间；3）按照右转基本控制时间执行右转红灯信号；4）动态检测冲突区内集聚度大小；5）确定是否需要延长右转控制时间，如果需要则延长，否则如达到右转控制时间，则解除右转红灯信号。该方法综合考虑了非机动车、行人以及右转机动车实际的通行需求，不仅减少了各交通流通过交叉口的延误，而且确保各交通参与者冲突最小化。在保障冲突方向非机动车及行人安全的同时，提高了右转机动车通行效率。

权利要求

1.一种信号交叉口右转专用车道实时动态控制方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）根据前几个周期到达的右转机动车流量 、非机动车流量 以及行人流量，对之进行加权平均，获得本周期预测到达的右转机动车流量 、非机动车流量以及行人流量 ；

（2）据步骤(1)所述的本周期预测到达的右转机动车流量、非机动车流量以及行人流量，计算让行延误费用 ，冲突费用 ，信控延误费用 ；并计算最小综合费用；

（3）根据步骤(1)所述的本周期预测到达的右转机动车流量、非机动车流量以及行人流量，以及上述三个流量与控制时间关系，确定非机动车基本控制时间 、行人流基本控制时间 ；

（4）根据预控制交叉口的渠化设计方案，得到右转车到达非机动车冲突区域时间 和右转车到达行人冲突区域时间 ，并确定右转车基本控制时间；

（5）以1秒为单位时间开始运行右转禁行信号控制，在基本控制时间结束时，开始实时检测冲突区域的非机动车集聚度值 、行人集聚度值 ；

（6）比较当前检测的非机动车集聚度值 与非机动车临界控制集聚度阈值 、以及行人集聚度值 与行人临界控制集聚度阈值 来确定是否需要延长单位控制时间，即判断是否 大于 或者 大于 ；只要满足其一则延长一个△t，并返回至步骤(5)继续运行，直到均不满足时解除右转信号控制。

说明书

信号交叉口右转专用车道实时动态控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于城市交叉口信号控制领域的方法，更具体的说，本发明涉及一种基于流量-集聚度的信号交叉口右转专用车道实时动态控制方法，属于交通信号控制领域的应用创新。

背景技术

[0002] 交叉口信号控制是改善交叉口运行安全和效率的核心手段。目前，在制定交通控制方案时，人们往往更加关注直行和左转交通流，而对于右转交通流，则往往不对其进行信号控制。其理由是按照《道路交通安全法》规定：“机动车行经人行横道时，应当减速行驶；遇行人正在通过人行横道，应当停车让行”。但事实上，据统计只有不到1/3的右转车会主动让行非机动车和行人。在混合交通交叉口，机动车道绿灯起亮后，如果右转机动车不受控制，右转机动车轨迹将与按机动车绿灯行驶的非机动车与行人形成大量潜在冲突，同时很难出现供右转机动车穿越的间隙。若右转机动车强行穿越，势必会大大增加右转机动车与非机动车以及右转机动车与行人之间的冲突；同时右转机动车、非机动车及行人三者因避让引起的延误也会增加。因此，需要对右转车流进行动态的信号控制，以避开绿灯初期的饱和非机动车流和行人流，同时综合考虑右转机动车、直行非机动车、行人的延误和安全。右转机动车控制与传统的左转、直行机动车控制有本质区别，右转车流的动态信号控制方法一直缺乏量化研究。

[0003] 欧美国家由于自行车以及行人的过街需求量较小，且右转机动车都需要停车让行，因而鲜见有相关右转车流信号控制方面的文献。而国内对此问题重视不够，导致右转机动车与非机动车、行人在争抢通行权的过程中屡屡有事故发生。因而建立右转车流信号控制方法对当前我国城市交通秩序的改善，以及交叉口安全和效益提升均大有裨益。

[0004] 综上所述，当前研究还存在如下问题和挑战：

[0005] （1）在混合交通交叉口，同相位放行的右转车流与非机动车和行人都存在冲突，在进行右转机动车信号控制时，必须同时考虑两种冲突（机非冲突，机人冲突），因而也需要考虑两种冲突分别引发的延误；

[0006] （2）机动车右转时，要先后“穿越”非机动车流和双向“行人流”，因此在制定信号控制方案时，必须考虑机动车与非机动车、行人之间的时间-位移关系，以此修正控制时间；

[0007] （3）在进行右转车流控制效果评价时，不仅要考虑交通效率指标-延误，更需考虑由于冲突改善（恶化）带来的安全效益（损失）。也即同时兼顾和权衡安全（冲突）以及效率（延误）两个指标进行右转车流信号控制。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种信号交叉口右转专用车道实时动态控制方法。

[0009] 本发明提出的信号交叉口右转专用车道实时动态控制方法，具体步骤如下： [0010] （1）根据前几个周期到达的右转机动车流量 、非机动车流量 以及行人流量 ，对之进行加权平均，获得本周期预测到达的右转机动车流量 、非机动车流量 以及行人流量 ；

[0011] （2）据步骤(1)所述的本周期预测到达的右转机动车流量、非机动车流量以及行人流量，计算让行延误费用 ，冲突费用 ，信控延误费用 ；并计算最小综合费用 ；

[0012] （3）根据步骤(1)所述的本周期预测到达的右转机动车流量、非机动车流量以及行人流量，以及三个流量与控制时间关系，确定非机动车基本控制时间 、行人流基本控制时间 ；

[0013] （4）根据预控制交叉口的渠化设计方案，得到右转车到达非机动车冲突区域时间 和右转车到达行人冲突区域时间 ，并确定右转车基本控制时间；

[0014] （5）以1秒为单位时间开始运行右转禁行信号控制，在基本控制时间结束时，开始实时检测冲突区域的非机动车集聚度值 、行人集聚度值 ；

[0015] （6）比较当前检测的非机动车集聚度值 与非机动车临界控制集聚度阈值 、以及行人集聚度值 与行人临界控制集聚度阈值 来确定是否需要延长单位控制时间，即判断是否 大于 或者 大于 。只要满足其一则延长一个△t，并返回至步骤(5)继续运行，直到均不满足时解除右转信号控制。

[0016] 本发明中，步骤(2)中所述最小综合费用包括让行延误费用、冲突费用和信控延误费用；让行延误费用中所述的延误包括右转机动车让行延误，非机动车延误和行人延误，冲突费用中所述的冲突包括机动车-非机动车冲突和机动车-行人冲突，信控处误费用中所述信控延误包括右转机动车信控延误；

[0017] 步骤（3）中基本控制时间的确定是通过比较不同控制时间下，不同到达流量（右转机动车、非机动车以及行人）通过冲突区综合费用的最小值来确定最优的右转车-非机动车基本控制时间初始值 以及右转车-行人基本控制时间 。

[0018] 对典型的四相位交叉口，其相位放行形式以及右转机动车与非机动车、行人的冲突如表1所示。右转机动车与非机动车及行人的冲突在相位1相位2、相位3均存在。三个冲突相位如图1所示。相位1、相位3情况下，右转机动车与非机动车流、行人流存在穿插冲突以及追尾冲突；相位2情况下右转机动车与非机动车存在严重的交叉冲突。

[0019] 表1 四相位交叉口右转车流冲突分析

[0020]

[0021] 注： 为行人相位，非机动车相位与机动车相位相同。

[0022] 目前国内右转信号控制一般有三种模式：右转允许相位、右转保护相位、允许/禁止（或禁止/允许）右转相位。目前绝大部分交叉口是右转允许相位，本发明内容是如何在右转车流与其他交通流冲突严重的相位，加上禁止相位。也即使右转车流变成禁止-允许相位：在禁止相位时段，右转机动车停在停车线前，禁止通行；在允许相位时段，右转车流具有通行权。在禁止-允许相位下，核心是确定禁止相位的时长。

[0023] 针对上述问题，根据非机动车流和行人流运动的群体特性，本发明提出了基于流量-集聚度的右转车流信号控制方法，通过预测当前周期的非机动车流和行人流量的到达量，宏观上得到右转车流的基本控制时间；然后以冲突和延误归一化综合费用为指标，建立了不同控制时间下的右转机动车与非机动车/行人的集聚度-综合费用模型，并根据集聚度-控制时间曲线来动态延长控制时间。该方法在输入层同时考虑了不同非机动车和行人流量的影响；在模型层，协同考虑了非机动车和行人的时间-位移关系，同时通过集聚度描述了右转车流穿越冲突交通流时的风险；在评价层，综合考虑了效率和安全指标，可方便的用于目前的混合交叉口信号控制系统中。

[0024] 当前交叉口右转车流控制方式常见的有三种：无控制，全控制和固定时长控制，其中大多数交叉口为无控制，固定时长控制不多见，上海少数交叉口采取固定10秒的右转禁止控制时间。与现有技术相比，本发明的创新是：

[0025] （1）在进行右转车流与冲突交通流聚集度计算时，考虑了右转机动车先后“穿越”非机动车、行人的时间位移关系；

[0026] （2）本发明采用的综合费用模型，不仅考虑了由于冲突引起的各向交通流延误问题，还用交通冲突与事故的转化关系考虑了潜在的安全风险；

[0027] （3）本发明提出的方法，既可离线标定交叉口的相关参数，进行右转车流定时控制；又可在线通过视频摄像机、环形线圈等检测设备实时检测交通量及冲突区域的集聚度进行感应式右转控制。

[0028] （4）本发明权衡考虑安全指标（冲突）和效率指标（延误），并且更加关注非机动车和行人过街安全问题，以人为本。

[0029] 本发明提出流量-集聚度模型，流量（包括右转机动车、非机动车以及行人）用来界定基本控制时间，集聚度则用于在基本控制时间的基础上动态延长。

[0030] 本发明根据交叉口尺寸和渠化，建立右转机动车与非机动车、行人时空关系并以此确定冲突区域及集聚度大小。

[0031] 本发明以冲突和延误双重指标实时动态的确定右转专用信号的控制时间。

[0032] 本发明以临界集聚度阈值作为判断是否需要延长右转红灯控制时间的依据。

[0033] 本发明将冲突数（次）和延误时间（秒）均转化为综合费用值。

[0034] 本发明以最小综合费用为最终判定依据，动态确定每周期右转车流最优信号控制时间。

附图说明

[0035] 图1为右转车流控制步骤。

[0036] 图2为右转机动车穿越非机动车与穿越行人的费用图。

[0037] 图3为右转车流冲突区域示意图。

[0038] 图4为右转车流与冲突交通流时间-空间关系。

[0039] 图5为非机动车/行人集聚度随时间变化曲线。其中：(a)为非机动车集聚度随时间变化曲线，(b)为行人集聚度随时间变化曲线。

[0040] 图6为右转机动车信号控制具体实施流程。

[0041] 图7为实施例中控制时间对集聚度的实时响应图。

[0042] 图8 为实施例中不同方案综合费用对比。

具体实施方式

[0043] 下面通过实施例结合附图进一步描述本发明。

[0044] 本发明中右转信号控制时间的由基本控制时间和动态延长控制时间两部分构成，下面结合附图1描述本发明所述的基于流量-集聚度的交叉口右转专用车道信号控制方法的工作流程。

[0045] 1. 基本控制时间确定

[0046] 1.1.基本控制时间的初始值

[0047] 本发明以延误作为效率指标，以冲突数为安全指标，根据人均收入、冲突与交通事故的关系、以及公安部关于道路交通事故等级划分及赔偿标准，将右转机动车信控延误、右转机动车让行延误，非机动车延误、行人延误、机动车-非机动车冲突、机动车-行人冲突统一为一个量纲——综合费用。基本控制时间的确定则是通过比较不同控制时间下，不同到达流量（右转机动车、非机动车以及行人）通过冲突区产生综合费用的最小值来确定最优的右转车-非机动车基本控制时间初始值 以及右转车-行人基本控制时间 。

[0048] 通过大量实际调查，可得到不同右转流量下，不同非机动车/行人流量等级下的回归综合费用曲线图。附图2所示为右转车流量为800pcu/时，分别改变非机动车流量（图2（a））和行人流量（图2（b））等级，检测不同流量下的冲突数和延误时间，按照表2所述延误与综合费用、冲突与综合费用的转换关系，得到对应的单位（1秒）延误费用和单位（1次）冲突费用，再将其相加后得到的单位综合费用曲线（图2中各线所示）。

[0049] 在无控制的情况下，机动车右转过程产生的费用包括右转机动车、非机动车和行人相互避让的总延误费用，以及右转机动车与非机动车、行人之间的总冲突费用；而右转控制时，综合费用为信号控制引起的右转机动车延误；当然也应包括控制解除后的让行和冲突费用，这部分费用的算法与无控制下综合费用得算法相同，下面分别介绍之。

[0050] （1）延误与综合费用的转换

[0051] 由于信号控制引起的右转机动车延误可利用HCM 2000方法计算（考虑到右转机动车几乎没有二次排队，因此不考虑期初排队延误）。其公式为：

[0052] （1）

[0053] （2）

[0054] （3）

[0055] 式中：d——信号控制延误（秒）；

[0056] d1——均匀延误（秒）；

[0057] d2——随机附加延误（秒）；

[0058] c——周期时长（秒）；

[0059] ——所计算车道的绿信比；

[0060] x——所计算车道的饱和度；

[0061] CAP——所计算车道的通行能力（pcu/h）；

[0062] T——分析时段的持续时长（h）取；0.25h；

[0063] e——交叉口信号控制类型校正系数，定时信号取0.5。

[0064] 得到各延误值后，将其分别转化为费用值。延误时间与费用的转化关系参见下式（4）。

[0065] （4）

[0066] 其中：fd——延误费用，元；

[0067] b——载客率；

[0068] d——延误时间，秒；

[0069] Cd——人均收入，元。

[0070] （2）冲突与综合费用的转换

[0071] 机动车在右转过程中先后与非机动车、行人发生冲突，由于冲突对象、冲突角度、冲突严重程度等的差异使得直接的冲突数加和无法真实反映右转机动车的运行带来的安全量化值，因此也需要将其按下式（5）转化为费用。

[0072] （5）

[0073] 其中：fc——冲突费用，元；

[0074] a——冲突与事故转换系数；

[0075] f(n)——各类事故费用，秒；

[0076] M,N——冲突、事故总数。

[0077] 冲突和延误的转化过程中参数的建议取值如表2所示。在实际应用时，根据交叉口现场情况和社会经济发展，可再具体修正。

[0078] 表2 冲突、延误费用转化建议参数取值

[0079]

[0080] 是否需要对右转车流实行控制以及控制多长时间，就看红灯控制综合费用是否超过了无控制的综合费用，以及红灯控制时间多长综合费用最低。图2中曲线即为不同流量等级下最小费用对应的右转车-非机动车基本控制时间 和右转车-行人基本控制时间。

[0081] 1.2．基本控制时间的修正

[0082] 机动车右转时，要先后“穿越”非机动车流和双向“行人流”，图3为右转车流与非机动车流以及行人车流之间存在的冲突区域。在进行右转信号控制时长计算时，除了要考虑冲突各方的流量大小外，还需要根据交叉口实际渠化方案对控制时间进行修正，也即需要考虑车流抵达冲突区域的时间。

[0083] 右转车流与冲突交通流时间-空间关系参阅图4，其中各参数含义如下：

[0084] t1——右转机动车到达与非机动车冲突区域的时间

[0085] t2——右转机动车到达与行人冲突区域的时间

[0086] tw——右转机动车“穿越”非机动车的时间

[0087] ——右转机动车“穿越”行人的时间

[0088] tb——非机动车群从停车线到达冲突区域的时间

[0089] tn——距离右转车流停车线较近一端的行人到达冲突区域的时间

[0090] tf——距离右转车流停车线较远一端的行人到达冲突区域的时间

[0091] 根据图4，右转机动车与非机动车的遭遇时间td1、与行人的遭遇时间td2可表达为：

[0092] 非机动车遭遇时间：td1=t1-tb 　 　（6）

[0093] 行人遭遇时间：td2=t1+tw+t2-tf 　 （7）

[0094] 因此，最终的基本控制时间由到达流量对应的控制时间初始值加上遭遇时间的修正两部分构成。最后，通过对非机动车、行人对应的控制时间取最大值来得到最终的基本控制时间，即：

[0095] （8）

[0096] 2.控制时间的延长时间确定

[0097] 集聚度是指右转车与非机动车/行人冲突区域内单位面积的非机动车或行人数。经过大量的混合交通交叉口视频数据统计分析，非机动车流量在（包括但不限于）200-2600pcu/h、行人流量在200-4400人/h范围，在一个周期内通过冲突区域的集聚度变化情况遵循图5所示的特征规律。其中图5描述的是右转车流量800pcu/h和非机动车
600pcu/h，以及行人流量400人/h/单向的场景下的非机动车与行人集聚度随时间变化特例。需要说明的是，其他流量对应的变化曲线图总能找到如图5中虚线所示的集聚度突变值。

[0098] 本发明中称图5中由虚线界定的值为不需要对右转机动车进行控制对应的临界集聚度阈值。不同流量对应的达到临界集聚度阈值时的时间不同，也即抛物曲线的开口大小不同。但分别改变非机动车流量以及行人流量，非机动车临界集聚度阈值Cb0以及行人临界集聚度阈值Cp0均不发生明显变化，本发明中建议非机动车的临界集聚度阈值Cb0=0.1辆2 2
/m，行人临界集聚度阈值Cp0=0.5辆/m。在基本控制时间结束的时，检测得到的非机动车与行人集聚度中满足任一个大于其临界阈值则控制时间延长1秒，并继续检测判定是否需要延长，直到低于临界阈值。

[0099] 综合以上论述，对于任意一个交叉口右转专用车道，其详细的信号控制流程可以参阅图6。具体步骤如下：

[0100] （1）根据前3个周期到达的右转机动车流量 、非机动车流量 以及行人流量 ，对之进行加权平均（ ），获得本周期预测到达的右转机动车 、非机动车 以及行人流量 ；

[0101] （2）据步骤(1)所述的本周期右转机动车、非机动车以及行人流量，通过图（2）及公式（4）、（5）计算让行延误费用 ，冲突费用 ；通过公式（1）~（4）计算信控延误费用 ；并计算最小综合费用 ；

[0102] （3）通过图2（a）、（b）得到不同流量下最小综合费用对应的右转车-非机动车控制时间 和右转车-行人控制时间 ；

[0103] （4）分别根据图（4）及公式（6）、（7）所述，得到右转车到达非机动车和行人冲突区域时间 及 ，并确定右转车基本控制时间 ；

[0104] （5）以1秒为单位时间开始运行右转禁行信号控制，在基本控制时间结束时，开始实时检测冲突区域的非机动车、行人集聚度值 、 ；

[0105] （6）比较当前检测的非机动车集聚度 和行人集聚度 与非机动车、行人临界控制集聚度阈值 、 来确定是否需要延长单位控制时间，即判断是否：

[0106] Cb>Cb0 （ 9）

[0107] Cp>Cp0 （ 10）

[0108] 只要满足式(9)、(10)任意一个成立则延长一个△t，并返回至第五步继续运行，直到式(9)、(10)均不满足时解除右转信号控制。实施例

[0109] 本实施例以上海市某交叉口右转专用车道控制为案例，收集了该交叉口的渠化设计方案、信控方案等基本资料，并进行了高峰小时的交通量调查。四个相位绿灯时间分别为75s、25s、60s、48s，周期时长220s。本实施例以西进口道为例，右转车QPHF=466PCU/h。需要注意的是，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0110] 图7表征了每个周期受控制的西进口道右转机动车、非机动车以及行人的不同流量情况下，平均集聚度和控制时间的变化情况。如实验中计算第10周期的基本控制时间为25秒；在执行该基本控制时间时，动态检测基本控制时间结束时的非机动车和行人集聚度值，由于非机动车集聚度大于临界阈值则延长了控制时间，图7给出了最终该周期实际的控制时间为28秒。

[0111] 为全面评价右转机动车信号控制效果，设计了对比方案及评价对象如表3所示。其中方案1为目前该交叉口通常采取的右转控制方案；方案2为上海部分交叉口实际采用的右转定时控制方式；方案3为本发明按照集聚度计算模型实时动态响应的优化控制方式；方案4为右转完全禁行控制。

[0112] 表3 不同右转控制方案对比

[0113]

[0114] 参阅图8，四种验证方案中，方案3的综合费用均小于其他三个方案。在小流量场景（非机动车流量400辆/h，行人双向800人/h）下，基于流量-集聚度变化的感应控制与无信号控制、定长时间和全控制控制相比，综合费用分别下降了58%、35%和42%；大流量场景下（非机动车流量1800，行人双向2000人/h）综合费用分别下降70%、59%和17%，其中右转机动车流量均为800pcu/h。另外，实验还反映了由冲突引起的费用对总的综合费用影响非常大。这表明在进行右转信号控制的时候不仅要考虑效率，更要牢固树立“安全第一”的原则。