一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法与流程

本发明涉及交通设计技术领域，特别是一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法。

背景技术：

城市道路交叉口是交通系统的瓶颈所在，信号控制与交通渠化是目前提高交叉口通行效率最基本且最有效的方法。信号控制是通过交通信号控制设施，根据交通流的变化特性，指挥不同类型、不同流向交通流的通行。交叉口渠化通过布设交通标志标线，采用物理隔离方式如隔离带、护栏、高出路面的交通岛，减少交叉口范围内的冲突点，对车流进行隔离与引导。

目前道路交叉口渠化设计方法大多仅给出定性的设计意见或设计参数的极限值，缺少一套完整的面向通行效率提升的定量化渠化设计方法。进行交叉口渠化设计一方面前期需要进行大量繁琐的交通量调查、道路几何参数测量等工作，效率相对低下；另一方面主观化程度较大，主要针对交叉口的局部进行设计，缺少方便可靠且高效的渠化设计技术。目前道路交叉口渠化设计方法无法实现与交通仿真数据平台的有效结合，无法根据交通仿真数据平台提供的流量数据与道路信息计算出交叉口渠化设计参数，进而反馈给交通仿真数据平台自动生成交叉口几何拓扑形态。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法，根据信号交叉口转向流量数据与道路条件，设计城市道路交叉口通行效率最大化的渠化方案，从而形成一套完整的渠化设计流程与定量化渠化参数计算方法的目标。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法，包括以下步骤：

步骤一、采集交叉口的交通数据，采集的交通数据包括交叉口高峰小时转向交通量数据、交叉口上游路段车道数和道路等级数据；

步骤二、设置进口道直行与右转车道功能，具体如下：

根据步骤一采集的交叉口高峰小时转向交通量数据中、各个进口道直行与右转交通量，分别计算直行车道、右转专用车道和直行右转合用车道的数量；

步骤三、计算车道的流量，具体如下：

左转车道数量确定之前，假设设置一条左转专用车道，不设直行左转合用车道，根据步骤二中进口道直行与右转车道功能的设置情况，计算各类型车道的流量；

步骤四、根据进口道车道功能的设置情况，设计信号相位；设计的方法具体如下：

不设右转专用相位，右转车流服从直行相位；未设置左转专用车道或设置直行左转合用车道时，交叉口采用两相位信号控制方式；

当设置左转专用车道，且未设直行左转合用车道时，需设置左转专用相位，交叉口采用四相位信号控制方式，且左转专用相位位于同进口道直行相位之后；

若两进口道设置左转专用车道情况不同，不设置左转专用相位，交叉口采用两相位信号控制方式；

步骤五、根据步骤四中信号相位设置方式，和步骤三中各类型车道的流量，计算不同车道组的临界车道的流量；

步骤六、设计信号配时；具体如下：

根据步骤五交叉口进口道临界车道的流量，计算各信号相位的绿信比，并计算道路交叉口的最佳信号周期时长，若信号周期时长大于预设的时长或小于0，则对左转流量占比超过预设比例的进口道，增加一条左转专用车道，转入步骤三；

步骤七、设计进口道左转车道功能；具体如下：

计算左转专用车道、直行左转合用车道的数量，并根据采集的交叉口上游路段车道数，调整直行车道、右转专用车道和直行右转合用车道的数量，判断是否需要设置偏置右转与左转专用车道；若车道功能设置发生变化，则转入步骤三；

步骤八、根据步骤二和步骤七的各类型车道的数量，设计出口道车道功能；具体如下：

计算交叉口出口道车道数，若出口道车道数大于路段车道数，则设置展宽出口车道；

步骤九、根据步骤三的各类型车道的流量、步骤六的相位的绿信比和信号周期时长，结合步骤一采集的道路等级数据，计算交叉口进口道渠化几何参数，交叉口进口道渠化几何参数包括偏置右转与左转专用车道的渐变段长度、偏置右转与左转专用车道的展宽段长度和禁止变换车道线长度；

步骤十、根据步骤八的出口道车道功能，结合步骤一采集的道路等级数据，计算出口展宽车道的渐变段与展宽段长度。

作为本发明所述的一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法进一步优化方案，步骤二具体如下：

(1)直行车道与右转车道总数计算

其中nsr为直行车道与右转车道总数，vs为直行车道的高峰小时交通量，vr为右转车道的高峰小时交通量，int(*)为取整函数；mod(*)为取余函数；

(2)直行车道数计算

其中ns为直行车道数量；

(3)直行右转合用车道数计算

其中nsr为直行右转合用车道数量；

(4)右转专用车道数计算

nr＝nsr-ns-nsr

其中nr为右转专用车道数量。

作为本发明所述的一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法进一步优化方案，步骤三中各类型车道的流量计算方法，具体如下：

(1)直行车道流量计算

其中qs为直行车道流量，nsl为直行左转合用车道数量；

(2)左转专用车道流量计算

其中ql为左转专用车道流量，vl为左转高峰小时交通量，nl为左转专用车道数量；

(3)右转专用车道流量计算

其中qr为右转专用车道流量；

(4)直行左转合用车道流量计算

其中qsl为直行左转合用车道流量；

(5)直行右转合用车道流量计算

其中qsr为直行左转合用车道流量；

(6)直行左转右转合用车道流量计算

其中qslr为直行左转右转合用车道流量，v为进口道总交通量，nslr直行左转右转合用车道数量。

作为本发明所述的一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法进一步优化方案，步骤五临界车道的流量计算，具体如下：

(1)四相位信号交叉口临界车道的流量计算

qgs＝max(qs，qr,qsr)

qms＝max(qgs,q'gs)

qml＝max(ql，q'l)

其中qgs为直行右转车道组最大车道流量，q'gs为对向直行右转车道组最大车道流量，qms为直行相位临界车道的流量，qml为左转相位临界车道的流量，q'l为对向左转车道流量；

(2)两相位信号交叉口临界车道的流量计算

qg＝max(qs，ql，qr，qsl，qsr,qslr)

qm＝max(qg,q'g)

其中qg为车道组最大车道流量，q'g为对向车道组最大车道流量，qm为临界车道的流量。

作为本发明所述的一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法进一步优化方案，步骤六信号配时设计，具体如下：

(1)信号周期时长计算

其中tc为信号周期时间，n为相位数量，qmj为第j个相位临界车道的流量，shj为第j个相位临界车道的基本饱和流量；

(2)四相位信号交叉口相位绿信比计算

其中λs为直行相位绿信比，λl为左转相位绿信比；

(3)两相位信号交叉口相位绿信比计算

其中λ为相位绿信比。

作为本发明所述的一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法进一步优化方案，步骤七进口道左转车道功能设计，具体如下：

(1)每周期左转流量计算

其中ql为每周期左转交通量，若ql≤2，不设置左转专用车道；若2＜ql＜10设置一条左转专用车道；若ql≥10设置两条左转专用车道；

(2)不同类型车道数量调整；

若左转专用车道数为0，将一条直行车道调整为直行左转合用车道，或直行右转合用车道调整为直行左转右转合用车道；若左转专用车道数大于0，且总进口道车道数超过路段车道数的2倍，将一条左转专用车道与直行车道合并为一条直行左转合用车道，或将一条直行右转合用车道合并为一条直行左转右转合用车道；若左转专用车道数大于0，但总进口道车道数未超过路段车道数的2倍，各类型车道数保持不变。

作为本发明所述的一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法进一步优化方案，步骤八出口道车道功能设计，具体如下：

n出＝max(n对s n对sl n对sr,n左l n左sl,n右r n右sr)

其中n出为出口道车道数，n对s为对向进口道直行车道数，n对sl为对向进口道直行左转合用车道数，n对sr为对向进口道直行右转合用车道数，n左l为左侧进口道左转车道数，n左sl为左侧进口道直行左转合用车道数，n右r为右侧进口道右转车道数，n右sr为右侧进口道直行右转合用车道数。

作为本发明所述的一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法进一步优化方案，步骤九交叉口进口道渠化几何参数计算，具体如下：

(1)偏置右转与左转专用车道的渐变段长度计算

其中l1为渐变段长度，v为路段设计速度，l1min为渐变段长度最小值；

(2)偏置右转与左转专用车道的展宽段长度计算

其中l2l为左转展宽段长度，l2r为右转展宽段长度；l2min为渐变段长度最小值；

(3)各车道禁止变换车道线长度计算

其中l3i为第i个转向类型车道的禁止变换车道线长度，qi为第i个转向类型车道的车道流量，λi为第i个转向类型车道对应相位绿信比；

(4)进口道禁止变换车道线长度计算

l3＝maxl3i

其中l3为进口道禁止变换车道线长度。

作为本发明所述的一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法进一步优化方案，步骤十中，出口展宽车道展宽段长度l4计算方法如下：

其中l4为展宽段长度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明形成的一套完整的渠化设计流程与定量化渠化参数计算方法，可以更好地服务于城市道路基础设施建设的实际工作和城市交通规划与管理；

(2)本发明可与交通仿真数据平台相结合，根据交通仿真数据平台提供的流量数据与道路信息，计算出交叉口渠化设计参数，进而反馈给交通仿真数据平台自动生成交叉口几何拓扑形态；通过进一步的编程，可实现道路信号交叉口的一键式自动渠化设计。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为实施例中交叉口转向流量图。

图3为实施例中原始交叉口图。

图4为实施例中信号配时方案图。

图5为实施例中交叉口渠化设计图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例一

如图1所示为一种面向通行效率提升的道路信号交叉口渠化设计方法的总体流程图。下面结合图1对本发明方法作更进一步的说明。

步骤一，交叉口交通调查和数据采集，采集的数据包括交叉口高峰小时转向交通量数据、交叉口上游路段车道数与道路等级，也可以直接基于大数据技术从互联网直接下载或者抓取；

所述交叉口高峰小时转向交通量数据如图2所示，北进口直行1200pcu/h，左转200pcu/h，右转600pcu/h；东进口直行300pcu/h，左转500pcu/h，右转200pcu/h；南进口直行1000pcu/h，左转200pcu/h，右转400pcu/h；西进口直行300pcu/h，左转400pcu/h，右转100pcu/h；

所述道路条件数据如图3所示，南北向道路为主干道，路段车道数3条；东西向道路为次干道，路段车道数2条；

步骤二，进口道直行与右转车道功能设计；根据步骤一采集的交叉口高峰小时转向交通量数据中，各个进口道直行与右转交通量，分别计算直行车道、右转专用车道和直行右转合用车道的数量；

步骤二1)直行车道与右转车道总数计算；

其中nsr为直行车道与右转车道总数，vs为直行车道的高峰小时交通量，vr为右转车道的高峰小时交通量，int为取整函数；mod为取余函数；

北进口直行车道与右转车道总数4条，东进口直行车道与右转车道总数2条，南进口直行车道与右转车道总数4条，西进口直行车道与右转车道总数1条；

步骤二2)直行车道数计算；

其中ns为直行车道数量；

北进口直行车道数2条，东进口直行车道数1条，南进口直行车道数3条，西进口直行车道数0条；

步骤二3)直行右转合用车道数计算；

其中nsr为直行右转合用车道数量；

北进口直行右转合用车道数1条，东进口直行右转合用车道数1条，南进口直行右转合用车道数0条，西进口直行右转合用车道数1条；

步骤二4)右转专用车道数计算；

nr＝nsr-ns-nsr

其中nr为右转专用车道数量；

北进口右转专用车道数1条，东进口右转专用车道数0条，南进口右转专用车道数1条，西进口右转专用车道数0条；

步骤三，车道流量计算；左转车道数量确定之前，假设设置一条左转专用车道，不设直行左转合用车道，根据步骤二进口道车道功能的设置情况，计算各类型车道的流量；

步骤三1)直行车道流量计算；

其中qs为直行车道流量，nsl为直行左转合用车道数量；

北进口直行车道流量480pcu/h/ln，东进口直行车道流量200pcu/h/ln，南进口直行车道流量333.3pcu/h/ln，西进口直行车道流量0pcu/h/ln；

步骤三2)左转专用车道流量计算；

其中ql为左转专用车道流量，vl为左转高峰小时交通量，nl为左转专用车道数量；

北进口左转专用车道流量200pcu/h/ln，东进口左转专用车道流量500pcu/h/ln，南进口左转专用车道流量200pcu/h/ln，西进口左转专用车道流量400pcu/h/ln；

步骤三3)右转专用车道流量计算；

其中qr为右转专用车道流量；

北进口右转专用车道流量400pcu/h/ln，东进口右转专用车道流量0pcu/h/ln，南进口右转专用车道流量400pcu/h/ln，西进口右转专用车道流量0pcu/h/ln；

步骤三4)直行左转合用车道流量计算；

其中qsl为直行左转合用车道流量；

四个进口道未设置行左转合用车道，流量均为0pcu/h/ln；

步骤三5)直行右转合用车道流量计算；

其中qsr为直行左转合用车道流量；

北进口直行左转合用车道流量440pcu/h/ln，东进口直行左转合用车道流量300pcu/h/ln，南进口直行左转合用车道流量0pcu/h/ln，西进口直行左转合用车道流量400pcu/h/ln；

步骤三6)直行左转右转合用车道流量计算；

其中qslr为直行左转右转合用车道流量，v为进口道总交通量，nslr直行左转右转合用车道数量；

四个进口道未设置行直行左转右转合用车道，流量均为0pcu/h/ln；

步骤四，信号相位设计；根据进口道车道功能的设置情况，设计的方法具体如下：不设右转专用相位，右转车流服从直行相位；未设置左转专用车道或设置直行左转合用车道时，交叉口采用两相位信号控制方式；当设置左转专用车道，且未设直行左转合用车道时，需设置左转专用相位，交叉口采用四相位信号控制方式，且左转专用相位位于同进口道直行相位之后；若两进口道设置左转专用车道情况不同，不设置左转专用相位，交叉口采用两相位信号控制方式；

实施例一设置左转专用车道，且未设直行左转合用车道，需设置左转专用相位，交叉口采用四相位信号控制方式；

步骤五，根据步骤四信号相位设置方式，和步骤三各类型车道的流量，计算不同车道组的临界车道的流量；临界车道指在同一信号相位中，流量最大的车道；

qgs＝max(qs,qr,qsr)

qms＝max(qgs,q'gs)

qml＝max(ql,q'l)

其中qgs为直行右转车道组最大车道流量，q'gs为对向直行右转车道组最大车道流量，qms为直行相位临界车道的流量，qml为左转相位临界车道的流量，q'l为对向左转车道流量；

北进口直行相位临界车道的流量480pcu/h/ln，左转相位临界车道的流量200pcu/h/ln；东进口直行相位临界车道的流量400pcu/h/ln，左转相位临界车道的流量500pcu/h/ln，南进口直行相位临界车道的流量480pcu/h/ln，左转相位临界车道的流量200pcu/h/ln，西进口直行相位临界车道的流量400pcu/h/ln，左转相位临界车道的流量500pcu/h/ln；

步骤六，信号配时设计；根据步骤五交叉口进口道临界车道的流量，计算各信号相位的绿信比，并使用webster模型计算道路交叉口的最佳信号周期时长，若信号周期时长大于预设的时长或小于0，则对左转流量占比超过预设比例的进口道，增加一条左转专用车道，转入步骤三；

步骤六中预设比例为40％。

步骤六1)信号周期时长计算；

其中tc为信号周期时间，n为相位数量，qmj为第j个相位临界车道的流量，shj为第j个相位临界车道的基本饱和流量，直行车道取1650pcu/h，右转专用车道取1550pcu/h，左转专用车道取1450pcu/h,直行右转车道取1600pcu/h，直行左转合用车道取1550pcu/h，直行左转右转合用车道取1550pcu/h。

实施例一信号周期时间为-401s，对左转流量占比超过40％的东进口与西进口进口道，左转专用车道数量调整为两条，转入步骤三；

步骤三2)左转专用车道流量计算；

北进口左转专用车道流量200pcu/h/ln，东进口左转专用车道流量250pcu/h/ln，南进口左转专用车道流量200pcu/h/ln，西进口左转专用车道流量200pcu/h/ln；

步骤四，信号相位设计，设置左转专用车道，且未设直行左转合用车道，交叉口采用四相位信号控制方式；

步骤五，根据步骤四信号相位设置方式，和步骤三各类型车道的流量，计算不同车道组的临界车道的流量；

qgs＝max(qs,qr,qsr)

qms＝max(qgs,q'gs)

qml＝max(ql,q'l)

北进口直行相位临界车道的流量480pcu/h/ln，左转相位临界车道的流量200pcu/h/ln；东进口直行相位临界车道的流量400pcu/h/ln，左转相位临界车道的流量250pcu/h/ln，南进口直行相位临界车道的流量480pcu/h/ln，左转相位临界车道的流量200pcu/h/ln，西进口直行相位临界车道的流量400pcu/h/ln，左转相位临界车道的流量250pcu/h/ln；

步骤六，信号配时设计；根据步骤五交叉口进口道临界车道的流量，计算各信号相位的绿信比，并使用webster模型计算道路交叉口的最佳信号周期时长，若信号周期时长大于预设的时长或小于0，则对左转流量占比超过预设比例的进口道，增加一条左转专用车道，转入步骤三；

步骤六中预设比例为40％。

步骤六1)信号周期时长计算；

实施例一信号周期时间为155s；

步骤六2)四相位信号交叉口相位绿信比计算；

其中λs为直行相位绿信比，λl为左转相位绿信比；

南北向直行相位绿信比0.361，左转相位绿信比0.150；东西向直行相位绿信比0.301，左转相位绿信比0.188，信号配时设计如图4所示；

步骤七，设计进口道左转车道功能；具体如下：

计算左转专用车道、直行左转合用车道的数量，并根据采集的交叉口上游路段车道数，调整直行车道、右转专用车道和直行右转合用车道的数量，判断是否需要设置偏置右转与左转专用车道；若车道功能设置发生变化，则转入步骤三；

步骤七1)每周期左转流量计算；

其中ql为每周期左转交通量。若ql≤2，不设置左转专用车道；若2＜ql＜10设置一条左转专用车道；若ql≥10设置两条左转专用车道；

北进口每周期左转交通量8.6pcu/h，设置一条左转专用车道；东进口每周期左转交通量21.5pcu/h，设置两条左转专用车道；南进口每周期左转交通量8.6pcu/h，设置一条左转专用车道；西进口每周期左转交通量17.2pcu/h，设置两条左转专用车道；

步骤七2)不同类型车道数量调整；

若左转专用车道数为0，将一条直行车道调整为直行左转合用车道，或直行右转合用车道调整为直行左转右转合用车道；若左转专用车道数大于0，且总进口道车道数超过路段车道数的2倍，将一条左转专用车道与直行车道合并为一条直行左转合用车道，或将一条直行右转合用车道合并为一条直行左转右转合用车道；若左转专用车道数大于0，但总进口道车道数未超过路段车道数的2倍，各类型车道数保持不变；

实施例一左转专用车道数大于0，但总进口道车道数未超过路段车道数的2倍，各类型车道数保持不变；

步骤八，根据步骤二和步骤七的各类型车道的数量，设计出口道车道功能；具体如下：

计算交叉口出口道车道数，若出口道车道数大于路段车道数，则要进行出口道展宽；

n出＝max(n对s n对sl n对sr,n左l n左sl,n右r n右sr)

其中n出为出口道车道数，n对s为对向进口道直行车道数，n对sl为对向进口道直行左转合用车道数，n对sr为对向进口道直行右转合用车道数，n左l为左侧进口道左转专用车道数，n左sl为左侧进口道直行左转合用车道数，n右r为右侧进口道右转专用车道数，n右sr为右侧进口道直行右转合用车道数；

北出口道车道数为3，东出口道车道数为1，南出口道车道数为3，西出口道车道数为2，不超过路段车道数，不进行步骤十出口道展宽设计；

步骤九，根据步骤三的各类型车道的流量、步骤六的相位绿信比和信号周期时长，结合步骤一采集的道路等级数据，计算交叉口进口道渠化几何参数；具体如下；

步骤九1)渐变段长度计算；

其中l1为渐变段长度；v为路段设计速度，对不同等级道路设置了预设值，快速路取60km/h，主干道取50km/h，次干道取40km/h，支路取30km/h；l1min为渐变段长度最小值，对不同等级道路设置了预设值，快速路与主干道为30m，次干道为25m，支路为20m。

南北向偏置转向专用车道渐变段长度33.6m，东西向偏置转向专用车道渐变段长度25.2m；

步骤九2)展宽段长度计算；

其中l2l为左转展宽段长度，l2r为右转展宽段长度；l2min为渐变段长度最小值，对不同等级道路设置了预设值，与主干路或次干路相交的主干路为90m，与支路相交的主干路为70m，与主干路或次干路相交的次干路为70m，与支路相交的次干路为50m，与主干路或次干路相交的支路为40m，与支路相交的支路为30m；

北进口左转展宽车道储存段长度90m，右转展宽车道储存段长度104.4m；东进口左转展宽车道储存段长度75.6m，右转展宽车道储存段长度77.3m；南进口左转展宽车道储存段长度90m，右转展宽车道储存段长度104.4m；西进口左转展宽车道储存段长度70m，右转展宽车道储存段长度95.3m；

步骤九3)各车道禁止变换车道线长度计算；

其中l3i为第i个转向类型车道的禁止变换车道线长度，qi为第i个转向类型车道的车道流量，λi为第i个转向类型车道对应相位绿信比；

北进口直行禁止变换车道线长度77.4m，左转禁止变换车道线长度42m，右转禁止变换车道线长度64.5m；东进口直行禁止变换车道线长度34.6m，左转禁止变换车道线长度49.9m，右转禁止变换车道线长度52.7m；南进口直行禁止变换车道线长度53.3m，左转禁止变换车道线长度42m，右转禁止变换车道线长度64.5m；西进口直行禁止变换车道线长度70.7m，左转禁止变换车道线长度39m；

步骤九4)进口道禁止变换车道线长度计算；

l3＝maxl3i

其中l3为进口道禁止变换车道线长度；

北进口禁止变换车道线长度77.4m，东进口禁止变换车道线长度52.7m，南进口禁止变换车道线长度64.5m，西进口禁止变换车道线长度70.7m；

实施例一的交叉口渠化设计方案如图5所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。