城市多车道环形交叉口通行控制方法及系统

1.本发明涉及城市交通运营管理技术领域，具体涉及一种城市多车道环形交叉口通行控制方法及系统。


背景技术：

2.环形交叉口是一种常见的道路平面交叉形式，车辆遵循“入环让行”的行驶规则，连续有序地进入交叉口，逆时针绕岛行驶。传统的环形交叉口不受信号控制，在交通需求量较低的情况下，环形交叉口有延误较小、通行效率高的优势，但随着城市道路交通需求量的增加，许多环形交叉口达到饱和，甚至过饱和状态，自组织的环形交叉口难以承载交通负荷较大的情况。
3.目前关于城市环形交叉口通行效率的提升方法，主要包括增加环形交叉口环道和进口车道数和增设交通信号控制设施。
4.对于常规交叉口，提升通行效率最简单直观的方法就是增加交叉口的规模(增加车道数)，但该方法对于环形交叉口通行效率的提升效果一般，由于增加环道数导致环内交织严重，在环岛交通流量饱和之后，反而可能导致环形交叉口运行状况变差，且改造成本相对较大，性价比较低。增加环形交叉口环道和进口车道数要求交叉有较大的空间容纳更多的车道建设，这在道路资源非常紧张的大城市中是几乎是很难实现的，这无疑需要对环形交叉口进行较大的改造，成本相对较高，且对于无信号环形交叉口而言，更多的环道数或进口道量意味着更复杂的交织，不一定能够有效地提升无信号环形交叉的通行效率。
5.对于增设交通信号控制设施，现有的环形交叉口信号控制技术主要包括：1)左转一次停车法：一般为各进口轮流放行或各进口协调放行。所有入环车辆仅在环形交叉口入口处停车一次，绿灯时即可通行。该方法适用性较广，但周期一般较长。其相位控制方案如图1(单口轮放)和图2(各进口协调控制)所示。2)左转二次停车法：对于左转车辆，需二次停车。左转与直行车辆同时进入环道，直行车辆可直接通过交叉口，但左转车流需在环道内停车二次等待信号灯。该方法减少了不同流向车流的冲突，大大提高了环形交叉口的通行效率与通行能力，适用于左转流量较小、中心岛半径较大的环形交叉口。其相位控制方案如图3所示。3)左转顺时针绕行法：控制方式与平面十字交叉口类似，左转车辆不逆时针绕行环岛，而是直接沿中心岛路缘石左转，因此该方法仅适用于左转流量较大的四路环形交叉口，且中心岛半径不能过大。其相位控制方案如图4所示。
6.尽管增设信号控制的手段对于提升通行效率与通行能力是十分有效的，但是增设信号控制也是需要成本的，此外对于交通需求并不那么大的环形交叉口，增设信号控制设施会导致车辆的停车延误增加，无信号控制环形交叉口原本特有的优势则无法体现。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种无需增设交通信号控制，有效缓解非信号控制环形交叉口通行能力小及安全隐患大的问题，节省了建设资金以及后续运营管理与维护的成本与
工作量的城市多车道环形交叉口通行控制方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
8.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
9.一方面，本发明提供一种城市多车道环形交叉口通行控制方法，包括：
10.基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点；
11.基于环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点，分析该环形交叉口各进口道各方向的流量需求空间分布特征；
12.结合等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分，按照功能划分结果获得通行方案。
13.可选的，分析环形交叉口各进口道各方向的流量需求空间分布特征，得到该环形交叉口各进口中左转、直行、右转的流量占该进口总流量的比例；基于环形交叉口各进口中左转、直行、右转的流量占该进口总流量的比例，结合等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分。
14.可选的，进行车道功能划分包括：基于环形交叉口的几何布局确定各进口道的车道组数量；计算车道数大于一条的车道组等排队长度流量；按照由左向右的顺序依次确定车道功能。
15.可选的，计算车道数大于一条的车道组等排队长度流量包括：
[0016][0017]
式中，是车道组lg的等排队长度流量；v
id
是调查得到的d进口道i流向的高峰小时流量；n
lg
为车道组lg包含的车道数。
[0018]
可选的，根据等排队长度流量va的约束，依次将转向流量分配到车道上，根据流量转向确定车道功能。
[0019]
可选的，根据环形交叉口各进口道的车道功能，设计环形交叉口专用进口道车道功能指示标志牌。
[0020]
第二方面，本发明提供一种城市多车道环形交叉口通行控制系统，包括：
[0021]
获取模块，用于基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点；
[0022]
分析模块，用于基于环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点，分析该环形交叉口各进口道各方向的流量需求空间分布特征；
[0023]
确定模块，用于结合等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分，按照功能划分结果获得通行方案。
[0024]
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如上所述的城市多车道环形交叉口通行控制方法。
[0025]
第四方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述
程序指令执行如上所述的城市多车道环形交叉口通行控制方法。
[0026]
第五方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的城市多车道环形交叉口通行控制方法。
[0027]
本发明有益效果：基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点，基于等排队长度原理，对环形交叉口进口道进行车道功能划分。环形交叉口左转与直行车辆可以有序进入环道，减少其因交织产生的冲突，降低环形交叉口内车辆延误，提高通行效率，降低安全隐患，同时节省了建设资金与运维成本。
[0028]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1为现有技术中左转一次停车信号控制方法(单口轮放)示意图。
[0031]
图2为现有技术中左转一次停车信号控制方法(各进口协调放行)示意图。
[0032]
图3为现有技术中左转二次停车信号控制方法示意图。
[0033]
图4为现有技术中左转顺时针绕行信号控制方法示意图。
[0034]
图5为本发明实施例所述的进行车道功能划分的流程示意图。
[0035]
图6为本发明实施例所述的环形交叉口通行结构示意图。
[0036]
图7为本发明实施例所述的环形交叉口专用进口道车道功能指示标志牌示意图。
[0037]
图8为本发明实施例所述的仿真实验路网结构示意图。
[0038]
图9为本发明实施例所述的不同左转比例情况下的车均延误优化结果示意图。
[0039]
图10为本发明实施例所述的仿真实验的不同左转比例下的车均延误(交通负荷较大时)结果示意图。
[0040]
图11为本发明实施例所述的不同左转比例下的车均延误增长幅度(交通负荷较大时)结果示意图。
具体实施方式
[0041]
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0042]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
[0043]
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0044]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一
个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
[0045]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0046]
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0047]
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例1提供一种城市多车道环形交叉口通行控制系统，包括：
[0050]
获取模块，用于基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点；
[0051]
分析模块，用于基于环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点，分析该环形交叉口各进口道各方向的流量需求空间分布特征；
[0052]
确定模块，用于结合等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分，按照功能划分结果获得通行方案。
[0053]
本实施例1中，利用上述的系统实现了一种城市多车道环形交叉口通行控制方法，包括：
[0054]
基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点；
[0055]
基于环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点，分析该环形交叉口各进口道各方向的流量需求空间分布特征；
[0056]
结合等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分，按照功能划分结果获得通行方案。
[0057]
其中，分析环形交叉口各进口道各方向的流量需求空间分布特征，得到该环形交叉口各进口中左转、直行、右转的流量占该进口总流量的比例；基于环形交叉口各进口中左转、直行、右转的流量占该进口总流量的比例，结合等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分。
[0058]
进行车道功能划分包括：基于环形交叉口的几何布局确定各进口道的车道组数量；计算车道数大于一条的车道组等排队长度流量；按照由左向右的顺序依次确定车道功能。
[0059]
计算车道数大于一条的车道组等排队长度流量包括：
[0060][0061]
式中，是车道组lg的等排队长度流量；v
id
是调查得到的d进口道i流向的高峰小时流量；n
lg
为车道组lg包含的车道数。
[0062]
根据等排队长度流量va的约束，依次将转向流量分配到车道上，根据流量转向确定车道功能。
[0063]
最终，根据环形交叉口各进口道的车道功能，设计环形交叉口专用进口道车道功能指示标志牌。
[0064]
实施例2
[0065]
本实施例2提供一种提高环形交叉口通行效率的方法，用以解决现有技术中建设成本和运维成本相对较高的技术问题。本实施例2所述的方法技术方案具体如下：
[0066]
基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点。采集环形交叉口某一典型工作日的流量数据，获取环形交叉口各进口道各流向的高峰小时流量，并将不同类型的车辆换算为标准当量小汽车(pcu)。
[0067]
基于环形交叉口各进口道各流向的高峰小时流量，分析获得该环形交叉口各进口道各流向的流量需求空间分布特征，得到该环形交叉口各进口中，左转、直行、右转的流量占该进口总流量的比例。
[0068]
基于等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分，使环形交叉口左转与直行车辆有序进入环道，包括以下步骤：
[0069]
以常规四路环形交叉口为例，但本发明不限于常规四路环形交叉口。
[0070]
s1：基于环形交叉口的几何布局确定各进口道的车道组数量；
[0071]
s2：计算车道数大于一条的车道组等排队长度流量va；
[0072][0073]
式中，是车道组lg的等排队长度流量；v
id
是调查得到的d进口道i流向的高峰小时流量；n
lg
为车道组lg包含的车道数。
[0074]
s3：按照由左向右的顺序依次确定车道功能：根据等排队长度流量va的约束，依次将转向流量分配到车道上，根据流量转向确定车道功能，具体流程如图5所示。图中，va是该车道组等排队长度流量；vi为该车道组包含流向的高峰小时流量(1-3序号按照靠近道路中心线的流向)；n为该车道组包含车道数；ln为该车道组所包含的靠近道路中心线侧第n条车道。
[0075]
s4：根据环形交叉口各进口道的车道功能，设计环形交叉口专用进口道车道功能指示标志牌。为使驾驶员清楚辨别环形交叉口内的行驶流线，本实施例中可设计带有环岛标识和能够示意左转和直行实际流线的车道功能指示标志。该标志牌设计应包括该进口道所有车道的功能指示，同时应配有相关的说明文字辅助驾驶员识认标志牌信息。
[0076]
本实施例所述的方法在实际应用中，对于非信号控制环形交叉口的交通组织优化，优先采用的方法一般是增设交通信号控制设施，同时也会进行车道功能划分，但少有交
通工程师会通过进行车道功能划分这一措施提升非信号环形交叉口通行效率。
[0077]
实施例3
[0078]
本实施例3中提供了一种环形交叉口交通流组织与管理方法，不需要对环形交叉口增设交通信号控制设施，提高了环形交叉口的通行效率，且建设及运维成本低，补充了环形交叉口的交通组织优化逻辑。
[0079]
在本实施例3中，基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点，基于等排队长度原理，对环形交叉口进口道进行车道功能划分。环形交叉口左转与直行车辆可以有序进入环道，减少其因交织产生的冲突，降低环形交叉口内车辆延误，提高通行效率，降低安全隐患，同时节省了建设资金与运维成本。
[0080]
(1)某环形交叉口几何布局如图6所示，北、南、西进口有三条车道用于左转和直行车辆，一条车道用于右转并提前分流，东进口共有三条车道供左转、直行、右转车辆行驶。
[0081]
(2)获取该环形交叉口各进口道各流向的高峰小时流量需求，如表1所示。
[0082]
表1四路非信号控制环形交叉口各进口道各流向的高峰小时流量需求
[0083][0084]
(3)根据交叉口进口道几何布局确定车道组：
[0085]
1)北、南、西进口均包括一条右转专用车道，因此将右转专用车道划分为一个单独的车道组，分别记为：lgn1、lgs1、lgw1，将另外三车道(左转和直行)划分为一个车道组lgn2、lgs2、lgw2；东进口三条车道(左转直行右转)划分为一个车道组lge1。
[0086]
2)基于等排队原理，计算每条车道的等排队长度流量va。如表2所示。
[0087]
北进口：
[0088]
南进口：
[0089]
东进口：
[0090]
西进口：
[0091]
表2四路非信号控制环形交叉口车道组划分及其等排队长度流量
[0092][0093]
3)根据所述车道功能划分方法依次确定车道功能：
[0094]
北进口：由北进口最内侧车道n1为直左合用车道；n2、n3为直行专用车道；
[0095]
南进口：由南进口最内侧车道s1为左转专用车道，由n2为直左合用车道，n3为直行专用车道；
[0096]
西进口：由西进口最内侧车道w1为左转专用车道，由n2为直左合用车道，n3为直行专用车道；
[0097]
东进口：由e1为左转专用车道，由e2为直左合用车道，由e3为直右合用车道。
[0098]
表3四路非信号控制环形交叉口车道功能划分
[0099][0100]
以西进口为例，其车道功能指示标志牌如图7所示。
[0101]
设计仿真实验，利用vissim仿真对本发明作进一步说明，实验设计如下。
[0102]
利用vissim建立无信号控制环形交叉口模型(划分车道功能和不划分车道功能两个场景)，如图8所示。
[0103]
本试验是在均衡od条件下设计的，且不考虑行人和非机动车的影响。由于右转车对交通性能的影响较小，系统的整体性能实际上主要由直行车和左转车决定，所以仿真试验是针对固定的右转比例情况下(25％)，改变左转和直行的比例，对比划分车道功能和不划分车道功能的延误，修改随机种子进行15组试验取平均值以降低结果的随机影响。表4为流向比例的实验设计条件。
[0104]
表4流向比例的实验设计
[0105]
[0106]
实验结果显示：
[0107]
(1)由图9所示，在环形交叉口交通负荷水平中等的情况下，划分车道功能对不同左转比例情景下的环形交叉口车均延误均有一定的优化效果，但由于vissim模型仿真随机性的影响以及车均延误的绝对数值相对较小，优化幅度随左转比例的变化有一定的波动,且峰值相对不明显。
[0108]
(2)在环形交叉口交通负荷水平较高的情况下：
[0109]
1)由图9所示，随着环形交叉口各进口道左转比例的增加，划分车道功能对交叉口车均延误的优化效果先增加后减小，优化效果在左转比例约为35％-45％之间最显著，说明划分车道功能这一管理措施适用于环形交叉口进口道左转比例与直行比例接近的交通情景。
[0110]
2)由图9所示，车均延误优化效果峰值大约出现在40％-45％之间，而非左转直行比例更接近于1的区间30％-35％，是由于左转车辆对环形交叉口的影响更大造成的。
[0111]
3)由图10所示，随着左转比例增加，环形交叉口的车均延误逐渐增加，其曲线增长趋势为：左转比例在30％以下时，车均延误增长幅度较为缓慢；左转比例在30％-50％之间时，车均延误增长较快，左转比例在50％以上时，车均延误增长逐渐减缓。
[0112]
4)由图11可知，划分车道功能的车均延误增长幅度曲线相比不划分车道功能的曲线有明显的滞后性，说明针对环形交叉口左转车辆造成的延误，划分车道功能这一措施具有显著的优化功能。
[0113]
实施例4
[0114]
本发明实施例4提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行城市多车道环形交叉口通行控制方法，该方法包括如下流程步骤：
[0115]
基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点；
[0116]
基于环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点，分析该环形交叉口各进口道各方向的流量需求空间分布特征；
[0117]
结合等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分，按照功能划分结果获得通行方案。
[0118]
实施例5
[0119]
本发明实施例5提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现城市多车道环形交叉口通行控制方法，该方法包括如下流程步骤：
[0120]
基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点；
[0121]
基于环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点，分析该环形交叉口各进口道各方向的流量需求空间分布特征；
[0122]
结合等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分，按照功能划分结果获得通行方案。
[0123]
实施例6
[0124]
本发明实施例6提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行城市多车道环形交叉口通行控制方法，该方法包括如下步骤：
[0125]
基于环形交叉口的流量数据，分析获得环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点；
[0126]
基于环形交叉口各进口道各方向的流量需求及其时空分布特点，分析该环形交叉口各进口道各方向的流量需求空间分布特征；
[0127]
结合等排队长度原理，对环形交叉口进口处进行车道功能划分，按照功能划分结果获得通行方案。
[0128]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0129]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0130]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0131]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0132]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。