本发明涉及一种借道左转交叉口预停车线及预信号设置方法，针对采用借道左转的信号控制交叉口，对其特有的预停车线及预信号设置进行集成优化，在保障通行安全的基础上，提高通行能力；该优化设置方法以通行能力最大作为优化目标，考虑排队长度、车辆清空和优化参数取值范围等约束条件，建立线性规划模型进行优化。该方法能将借道左转交叉口特有的预停车线及预信号设置的关键参数整合在一个统一的优化模型中，进行同步优化，从而充分发挥借道左转交叉口通行效率，缓解交通拥堵。
1.一种借道左转交叉口预停车线及预信号设置方法，其特征在于：将借道左转交叉口特有的预停车线及预信号设置的关键参数整合在一个统一的优化模型中，进行同步优化，从而在保障通行安全的基础上提高通行能力，该优化模型用线性规划模型表述，以通行能力最大作为优化目标，并考虑排队长度、车辆清空和优化参数取值范围约束条件，其中：所述优化模型的输入参数包括：sp，预停车线处进入借道左转车道的饱和流率，veh/h；
sI，借道左转车道在交叉口停车线处的饱和流率，veh/h；n，借道左转车道数，条；CI，主信号周期时长，s；gI，主信号左转绿灯开始时刻，s；λI，主信号左转绿信比；r′I，所研究进口的右侧进口主信号左转红灯开始时刻，s；v，平均车速，m/s；vmin，最小车速，m/s；vw，排队消散波波速，m/s；d，排队车辆平均车头空距，m；δ，安全时间间隔，s；
所述优化模型的输出参数包括：L，预停车线与交叉口停车线间距，m；Cp，预信号周期时长，s；gp，预信号绿灯开始时刻，s；λp，预信号绿信比；
所述优化目标函数为最大化借道左转车道的通行能力，如式(1)所示；
max spλp (1)所述排队长度的约束，要求借道左转车道长度应大于等于进入该车道左转车辆的排队长度，即满足式(2)要求；
一是预信号绿灯开始时刻应满足所有使用出口道的车辆均已通过预停车线所在断面，即满足式(3)要求；
二是借道左转车道在交叉口停车线处的通行能力应大于等于借道左转车道的通行能力，以保障进入该车道的左转车辆可在同一相位内通过交叉口，不发生车辆滞留，即满足式(4)要求；
sIλI≥spλp (4)三是预信号绿灯结束时刻与主信号相应的左转绿灯结束时刻的时间间隔应大于等于左转车辆通过借道左转车道的行驶时间，以保障在预信号绿灯末期进入借道左转车道的车辆也能在该相位内通过交叉口，即满足式(5)要求；
四是交叉口主预信号周期时长应一致，以保证主预信号有良好的协调控制效果，即满足式(6)要求；
CI＝Cp (6)所述优化参数取值范围应满足以下四个约束条件：一是优化参数均非负，即满足式(7)要求；
L,gp,λp,Cp≥0 (7)二是预信号绿灯开始时刻不应大于周期时长，即满足式(8)要求；
gp≤Cp (8)三是预信号绿信比不得大于1，即满足式(9)要求；
λp≤1 (9)四是预信号有效绿灯结束时刻为进口左转车道排队消散到达预停车线的时刻，即满足式(10)要求。
2.根据权利要求1所述的借道左转交叉口预停车线及预信号设置方法，其特征在于：上述优化过程中需要考虑：(1)从排队长度约束角度看，预停车线位置设置在距离交叉口停车线越远越好，可容纳更多的排队车辆；(2)从车辆清空约束角度看，预停车线位置设置在距离交叉口停车线越近越好，可减少车辆清空时间；本优化设置方法考虑这两方面的矛盾，将其建立在一个统一的优化模型中，从而在保障通行安全的基础上使借道左转交叉口这种交叉口设计模式的通行效率得到充分发挥。
借道左转交叉口预停车线及预信号设置方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种交通信号控制交叉口停车线、信号配时设置方法，更具体地说，涉及一种借道左转交叉口预停车线及预信号设置方法。
背景技术
[0002] 平面交叉口是城市道路交通的瓶颈节点，为了提高交叉口时空资源的利用效率，一种采用“借道左转”的非常规交叉口被提出。然而，目前的设计方法主要沿用一般平面交叉口的设计方法，对于借道左转交叉口特有的预停车线和预信号主要凭借经验取值，未见有针对性的优化设置方法，并且也未检索到这类方法的发明专利。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，有关信号控制平面交叉口的优化设计方法，主要有以下几种：
[0004] 1、常规的信号控制交叉口几何设计。具体包括交叉口停车线位置设计、车道功能划分、交叉口展宽段长度设计等。中国的《城市道路交叉口规划规范GB50647-2011》、《城市道路工程设计规范CJJ 37-2012》、《城市道路交叉口设计规程CJJ 152-2010》中对其有相关规定。
[0005] 2、常规的信号控制交叉口信号控制。具体包括信号相位相序、周期时长、各流向绿灯时间分配等。在中国的代表性著作包括《城市交通控制》、《交通管理与控制》。
[0006] 3、借道左转交叉口设计。借道左转交叉口是一种非常规的交叉口设计方法，它将出口车道的部分区域设置为综合功能区，利用预信号控制，将综合功能区在信号周期的不同阶段作为出口车道或进口左转车道使用，为左转交通提供额外的路权，从而提高交叉口的通行能力。该设计方法在发明专利申请“一种十字路口借道左转的交通指示系统及控制方法”(申请号201510675428.0)中进行了介绍；发明专利申请“借道对向出口道左转的交叉口交通组织与信号配时方法”(申请号201410276115.3)中对其交通组织和信号配时进行了介绍；并根据新浪网消息，借道左转交叉口在河北邯郸得到了实际应用(http://news.sina.com.cn/c/p/2014-05-16/165130151057.shtml)。
[0007] 方法1和方法2均是针对常规信号控制交叉口的设计方法，目前已有了较为成熟的技术成果。
[0008] 方法3提出了借道左转这种交叉口类型，通过对出口车道的动态使用，可提高交叉口的通行能力。在交叉口上游设置预停车线并对其进行预信号控制是该交叉口类型有别与常规信号控制交叉口的关键设计内容。但目前主要沿用常规信号控制交叉口的设计方法，依次进行预停车线位置和预信号配时设计。其中，预停车线一般采用方法1中《城市道路交叉口规划规范GB50647-2011》中平面交叉口进口道展宽段长度取值，发明专利申请201410276115.3中根据经验建议取30-60m；预信号控制一般采用方法2中交叉口主信号相同的配时方法，发明专利申请201410276115.3和201510675428.0中主要在信号相位方面提出相应要求。
[0009] 常规的设计方法未考虑预停车线位置、预信号配时、交叉口主信号配时间相互关联，未认识到借道左转交叉口的预停车线和预信号设置存在以下矛盾：从排队长度约束角度看，预停车线与交叉口停车线间距应越大越好，可容纳更多的车辆，提高运行效率；但从车辆清空约束角度看，预停车线与交叉口停车线间距应越小越好，可减少车辆清空时间，提高运行效率。因此，现有技术缺乏针对借道左转交叉口所特有的预停车线和预信号控制较为科学合理的设置方法。
发明内容
[0010] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的是要提供一种借道左转交叉口预停车线及预信号设置方法，该方法针对借道左转交叉口在预停车线和预信号设置中的上述矛盾，将其预停车线位置和预信号配时关键参数整合在一个统一的优化模型中，进行同步优化，从而在保障通行安全的基础上提高通行能力。
[0011] 本发明的技术方案如下：
[0012] 一种借道左转交叉口预停车线及预信号设置方法，通过求解下述优化模型，同步优化预停车线位置和预信号配时。优化模型用线性规划模型表述，以通行能力最大作为优化目标，并考虑排队长度、车辆清空和优化参数取值范围约束条件，其中：
[0013] 所述优化模型的输入参数包括：sp，预停车线处进入借道左转车道的饱和流率，veh/h；sI，借道左转车道在交叉口停车线处的饱和流率，veh/h；n，借道左转车道数，条；CI，主信号周期时长，s；gI，主信号左转绿灯开始时刻，s；λI，主信号左转绿信比；rI'，所研究进口的右侧进口主信号左转红灯开始时刻，s；v，平均车速，m/s；vmin，最小车速，m/s；vw，排队消散波波速，m/s；d，排队车辆平均车头空距，m；δ，安全时间间隔，s；
[0014] 所述优化模型的输出参数包括：L，预停车线与交叉口停车线间距，m；Cp，预信号周期时长，s；gp，预信号绿灯开始时刻，s；λp，预信号绿信比；
[0015] 所述优化目标函数为最大化借道左转车道的通行能力，如式(1)所示；
[0016] max spλp (1)[0017] 所述排队长度的约束，要求借道左转车道长度应大于等于进入该车道左转车辆的排队长度，即满足式(2)要求；
[0018]
[0019] 所述车辆清空的约束，要求满足以下四个约束条件：
[0020] 一是预信号绿灯开始时刻应满足所有使用该出口道的车辆均已通过预停车线所在断面，即满足式(3)要求；
[0021]
[0022] 二是借道左转车道在交叉口停车线处的通行能力应大于等于借道左转车道的通行能力，以保障进入该车道的左转车辆可在同一相位内通过交叉口，不发生车辆滞留，即满足式(4)要求；
[0023] sIλI≥spλp (4)[0024] 三是预信号绿灯结束时刻与主信号相应的左转绿灯结束时刻的时间间隔应大于等于左转车辆通过借道左转车道的行驶时间，以保障在预信号绿灯末期进入借道左转车道的车辆也能在该相位内通过交叉口，即满足式(5)要求；
[0025]
[0026] 四是交叉口主预信号周期时长应一致，以保证主预信号有良好的协调控制效果，即满足式(6)要求；
[0027] CI＝Cp (6)[0028] 所述优化参数取值范围应满足以下四个约束条件：
[0029] 一是优化参数均非负，即满足式(7)要求；
[0030] L,gp,λp,Cp≥0 (7)[0031] 二是预信号绿灯开始时刻不应大于周期时长，即满足式(8)要求；
[0032] gp≤Cp (8)[0033] 三是预信号绿信比不得大于1，即满足式(9)要求；
[0034] λp≤1 (9)[0035] 四是预信号有效绿灯结束时刻为进口左转车道排队消散到达预停车线的时刻，即满足式(10)要求。
[0036]
[0037] 上述优化过程中需要考虑：(1)从排队长度约束角度看，预停车线位置设置在距离交叉口停车线越远越好，可容纳更多的排队车辆；(2)从车辆清空约束角度看，预停车线位置设置在距离交叉口停车线越近越好，可减少车辆清空时间；本优化设置方法考虑这两方面的矛盾，将其建立在一个统一的优化模型中，从而在保障通行安全的基础上使借道左转交叉口这种交叉口设计模式的通行效率得到充分发挥。
[0038] 本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
[0039] 1、本发明提供了一种针对借道左转交叉口的预停车线和预信号设置方法。
[0040] 2、本发明的方法无需改变交叉口主信号配时，可在给定的主信号配时条件下，实现对借道左转交叉口预停车线和预信号的优化设置。
[0041] 3、本发明的方法考虑了排队长度约束和车辆清空约束这对矛盾，可在保障通行安全的基础上，最大化借道左转车道的通行能力。
附图说明
[0042] 图1为本发明中主要参数示意图；
[0043] 图2为本发明中车辆清空约束的示意图；
[0044] 图3为本发明实施例1中交叉口几何条件示意图。
具体实施方式
[0045] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0046] 一种借道左转交叉口预停车线及预信号设置方法，通过求解下述优化模型，同步优化预停车线位置和预信号配时；优化模型用线性规划模型表述，以通行能力最大作为优化目标，并考虑排队长度、车辆清空和优化参数取值范围约束条件。模型的主要参数示意如图1所示，其中：1为主信号、2为预信号、3为所研究进口、A为预停车线、4为借道左转车道、5为进口左转车道、6为所研究进口的右侧进口。
[0047] 优化模型的输入参数包括：sp，预停车线处进入借道左转车道的饱和流率，veh/h；sI，借道左转车道在交叉口停车线处的饱和流率，veh/h；n，借道左转车道数，条；CI，主信号周期时长，s；gI，主信号左转绿灯开始时刻，s；λI，主信号左转绿信比；rI'，所研究进口的右侧进口主信号左转红灯开始时刻，s；v，平均车速，m/s；vmin，最小车速，m/s；vw，排队消散波波速，m/s；d，排队车辆平均车头空距，m；δ，安全时间间隔，s；
[0048] 优化模型的输出参数包括：L，预停车线与交叉口停车线间距，m；Cp，预信号周期时长，s；gp，预信号绿灯开始时刻，s；λp，预信号绿信比；
[0049] 所述目标函数为最大化借道左转车道的通行能力，如式(1)所示；
[0050] max spλp (1)[0051] 排队长度的约束，要求借道左转车道长度应大于等于进入该车道左转车辆的排队长度，即满足式(2)要求；
[0052]
[0053] 车辆清空的约束，要求满足以下四个约束条件(如图2所示，其中：A为预停车线、B为交叉停车线、D为所研究进口的右侧进口的主信号左转绿灯相位、R为主信号左转绿灯相位、F为预信号绿灯相位)：
[0054] 一是预信号绿灯开始时刻应满足所有使用该出口道的车辆均已通过预停车线所在断面，即满足式(3)要求；
[0055]
[0056] 二是借道左转车道在交叉口停车线处的通行能力应大于等于借道左转车道的通行能力，以保障进入该车道的左转车辆可在同一相位内通过交叉口，不发生车辆滞留，即满足式(4)要求；
[0057] sIλI≥spλp (4)[0058] 三是预信号绿灯结束时刻与主信号相应的左转绿灯结束时刻的时间间隔应大于等于左转车辆通过借道左转车道的行驶时间，以保障在预信号绿灯末期进入借道左转车道的车辆也能在该相位内通过交叉口，即满足式(5)要求；
[0059]
[0060] 四是交叉口主预信号周期时长应一致，以保证主预信号有良好的协调控制效果，即满足式(6)要求；
[0061] CI＝Cp (6)[0062] 优化参数取值范围应满足以下四个约束条件：
[0063] 一是优化参数均非负，即满足式(7)要求；
[0064] L,gp,λp,Cp≥0 (7)[0065] 二是预信号绿灯开始时刻不应大于周期时长，即满足式(8)要求；
[0066] gp≤Cp (8)[0067] 三是预信号绿信比不得大于1，即满足式(9)要求；
[0068] λp≤1 (9)[0069] 四是预信号有效绿灯结束时刻为进口左转车道排队消散到达预停车线的时刻，即满足式(10)要求。
[0070]
[0071] 上述优化过程中需要考虑：(1)从排队长度约束角度看，预停车线位置设置在距离交叉口停车线越远越好，可容纳更多的排队车辆；(2)从车辆清空约束角度看，预停车线位置设置在距离交叉口停车线越近越好，可减少车辆清空时间；本优化设置方法考虑这两方面的矛盾，将其建立在一个统一的优化模型中，从而在保障通行安全的基础上使借道左转交叉口这种交叉口设计模式的通行效率得到充分发挥。
[0072] 具体实施例：
[0073] 本发明实施例中交叉口几何条件如图3所示，其中：E为东进口、S为南进口、N为北进口、W为西进口。交叉口主信号配时如表1所示。现西进口拟设置1条借道左转车道，采用本发明中的方法，按设置借道左转车道后其通行能力最大为目标，进行预停车线位置及预信号配时优化，并与传统交叉口设计进行对比。设计输入参数为：预停车线处进入借道左转车道的饱和流率，sp，取1600veh/h；借道左转车道在交叉口停车线处的饱和流率，sI，取1800veh/h；主信号周期时长，CI取120s；主信号左转绿灯开始时刻，gI，取60s；主信号左转绿信比，λI，取0.25；南进口主信号左转红灯开始时刻，rI'，取20s；平均车速，v，取10m/s；最小车速，vmin，取6m/s；排队消散波波速，vw，取4.5m/s；排队车辆平均车头空距，d，取7m；安全时间间隔，δ，取2s。
[0074] 表1
[0075]
[0076] 具体过程简述如下：
[0077] 步骤1：将上述输入参数代入本发明建立的数学规划模型。
[0078]
[0079] 步骤2：上述模型为线性规划模型，可采用单纯形法或最优化问题求解软件(如LINGO)进行求解。优化结果为预停车线位置设置在距交叉口停车线L＝72.0m处，预信号周期时长(Cp)为120s，预信号绿灯开始时刻(gp)为50s，预信号绿信比(λp)为0.21。
[0080] 步骤3：设计方案评价。将通行能力作为评价指标，对传统设计方案和本发明改进方案进行对比。交叉口各车道组的通行能力如式(11)所示。传统设计方案中，预停车线与交叉口停车线间距参考《城市道路交叉口规划规范GB50647-2011》中展宽段长度取60m，预信号配时与交叉口西进口左转信号配时相同。
[0081] ci＝siniλi (11)[0082] 式中：ci为交叉口各车道组的通行能力，veh/h；si为交叉口各车道组的饱和流率，统一取1800veh/h；ni为交叉口各车道组的车道数；λi为交叉口各流向的绿信比。
[0083] 如表2所示，按本发明方法，对西进口借道左转车道的预停车线位置及预信号配时进行优化，可以使本实施例在交叉口其它车道组通行能力均保持不变的情况下，西进口借道左转车道通行能力提高57.7％，该流向合计通行能力提高18.6％，使借道左转交叉口通行效率得到了充分发挥。
[0084] 表2
[0085]
[0086] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这一实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
