专利名称：港区道路交叉口最小间距确定方法
技术领域：
本发明属于道路设计技术领域，涉及一种港区道路交叉口最小间距确定方法。
背景技术：
从国内外相关文献阅读可知，现有道路交叉口最小间距研究技术以路网通行效率和交通安全设计为基础，路网通行效率主要关注交叉口最小间距与整体路网通行能力、服务水平等指标之间的关系，交通安全主要关注交叉口最小间距与交叉口渠化设计、标志标线设计、交叉口视距等交叉口交通设计之间的关系。美国运输研究委员会(TRB)在1994 公布的国家合作高速公路研究项目(NCHRP)研究报告ftOject 3_33，用于交通量调查和数据统计分析技术证明了，交叉口间距与道路自由流速度、道交通事故具有密切关系，并运用 TTC(time to collision)、PET(post-encroachmenttime)等微观仿真软件研究交叉口间距如何影响交叉口交通安全，并提出优化措施。马永峰博士在《公路平面交叉口合理间距研究》中从满足交叉口识别距离要求、满足交通标志设置有效性要求、满足车辆换道要求、满足超车视距要求、满足交叉口视距和考虑车辆行车轨迹要求六个方面计算交叉口间距，并结合安全间距理论分析、信号控制、转角净距等因素综合分析交叉口合理间距。卢凯等在 《经典干道协调控制信号配时数解算法的改进》中运用信号协调控制方法，基于最大绿波带设计理论确定干道沿线交叉口的合理间距；毛大德在《考虑排队长度的道路信号交叉最小间距问题》中为解决相邻交叉口间距太小造成交叉口交通拥堵问题，运用排队长度估算方法确定交叉口最小间距。从已有相关文献阅读分析可知，针对道路交叉口最小间距研究的已有技术具有以下特点(1)道路交叉口最小间距研究对象是以城市小汽车为主，未发现针对港区大型车辆的道路出入口间距研究的相关文献；(2)现有技术对车辆进入交叉口功能范围内驾驶行为、交通冲突的影响机制研究不明晰，即车辆单体车道变换、车辆跟驰等，而车辆单体在交叉口功能区的驾驶行为、交通冲突研究是探究交叉口间距与路网通行效率和交通安全之间相互关系的基础，这一过程的描述是非常复杂的，特别是港口大型车辆。根据上述背景技术分析可知，现有国内外道路交叉口最小间距研究技术包括数据统计分析、微观交通仿真软件、安全间距计算、最大绿波设计、排队长度估算等，未对港区大型车辆在交叉口功能区复杂驾驶行为、交通冲突的影响机制深入研究，进而现状研究技术缺乏基础研究支撑。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种能够更为细致和准确地描述港区大型车辆在交叉口复杂交通环境下驾驶行为和交通冲突行为特征，继而获取合理的港区道路交叉口最小间距的方法，以此指导港区道路设计。本发明的技术方案如下
一种港区道路交叉口最小间距确定方法，该方法对与交叉口相连的港区道路的换道频繁区域以及交叉口进行二维元胞划分，其它部分采用一维元胞，构建交叉口附近港区道路的元胞模型，包括下列的步骤(1)构建驾驶员感知模块1)前方车道的拥堵感知将不同范围内的拥堵对感知的影响采用权重来表示，并对其进行标定，通过车辆占有元胞占感知范围元胞总数的比例来计算前方各车道的感知道路占有率，具体方法如下设仁表示驾驶员的感知-反应距离；/丨表示第i个感知范围的长度山表示视距半
Sis
径，则驾驶员i在t时刻车道1的感知交通拥堵程度ρ (i，1，t)可表示为;KAU) = ￡ ωιΛ，
J=ISls表示车道1感知范围的分段数量；ω 表示车道1第j个感知范围的对总体感知的影响权重；Olj表示车道1第j个感知范围的估计占有率；如果p(i，l，t)-p(i，l_l，t) > Coleft，则 hw(i，t+l) = hw(i，t)+Shr ；如果 p(i，1， t)-p(i, 1+1, t) > COright，则 hw(i，t+l) :=hw(i，t)+srr，其中，
ω left' ω right 表示由于拥堵
而产生的向左、向右换道意愿的阈值，hw(i，t)表示第i个驾驶员t时刻的换道意愿，Shr表示拥堵对r类驾驶员换道的影响系数，=表示利用符号右侧的参数对左侧变量进行替换；2)信号灯的感知1)如果驾驶员在视距范围内看到的当前车道的信号灯为红灯，Vf e
，如果 ξ彡Pr(r)，则hw(i，t+1) :=hw(i，，其中ρ>)表示红灯对r类驾驶员换道意愿的影响概率，δ rr表示红灯对r类驾驶员换道的影响系数。2)如果驾驶员在视距范围内看到当前车道的信号灯为黄闪状态，则Vf e
，如果ξ <Py(r)JjV(i，t+1) = v(i, t)+ar, py(r)表示黄闪对r类驾驶员加速意愿的影响概率，v(i,t)表示第i辆车t时刻的速度，ar表示黄闪对r类驾驶员加速的影响系数。3)相邻车辆状态设C表示当前车辆，LB, LF, F，RB, RF分别表示位于当前车辆左后、左前、前、右后、 右前位置的相邻车辆，元胞长度1。，道路允许的最大车速为Vmax，将车辆速度离散为Nv = VmJlc个区间，则每个感知点速度的等级数为Nv个，分别表示的实际车速范围为[(k-1) Ic, klj，k = 1，2，· · ·，Nv ；(2)行为模块1)建立跟驰行为规则2)建立换道行为规则设t时刻对应位置C，LB, LF, F，RB, RF的车辆速度分别为ve (t)，vLB (t)， Vlf (t)，Vf (t)，Veb (t)，vKF (t)，其所在元胞位置分别为 Pc (t)，Plb (t)，Plf (t)，pF (t)，Peb (t)， PKF(t)，则向左换道时不发生碰撞需要满足的条件为V。(t+Ι)(t+1) >pLB(t)-pc(t), vLF (t+1)-Vc (t+1) >pe(t)-pm(t)，驾驶员可加减速以满足换道条件，即 vc(t+l) e Sc (t+1), Sc (t+1) = {vc(t)-l，vc(t)，vc(t)+l}，考虑其它车辆行驶速度，当前车换道时存在以下几种状态
Ll 车辆LB减速或勻速行驶，，LF加速或勻速行驶，进行换道的条件为 VvcO+ l)e 知0 + 1)，使得 pLB ⑴+vLB (t)-Pc (t) < vc(t+l) < vLF(t)+pLF(t)-pc (t)；L2 车辆LB加速行驶，LF勻速行驶，可进行换道的条件为Vvc(i +1) e+1)，使得 pLB (t)+vLB (t)+l-pc (t) < vc(t+l) < vLF (t)+pLF (t)-pc (t)；L3 车辆LB勻速行驶，LF减速行驶，可进行换道的条件为Vvc(i +1) e+1)，使 HpLB(t)+vLB(t)-pc(t)+l < vc(t+l) < vLF(t)+pLF(t)-pc(t)-l ；L4 车辆LB加速行驶，LF减速行驶，可进行换道的条件为Vvc(i ++1)，使 HpLB(t)+vLB(t)-pc(t)+l < vc(t+l) < vLF(t)+pLF(t)-pc(t)-l ；港区驾驶员的换道意愿的产生公式=KU + 1X(M)+Σ夂，式’式中Sh表
^H1，
示第k类换道规则对r类驾驶员换道的影响系数，H1表示满足的换道条件集合。2)超车行为将超车行为模拟为两次换道行为，设当前车所在车道为A车道，发生超车的车道为B车道，则将超车行为分解为从A车道到B车道的换道行为和从B车道到A车道的换道行为，每一个换道行为按照上述的换道行为来描述。3)牵引车-半挂车左转和直行相互行为设C2为通过交叉口时直行的车辆，Cl为正在左转并与C2发生相互影响的牵引车-半挂车，当直行车辆刹车时，会影响左转车辆的正常行驶轨迹，Cl必须采用紧急制动措施来避免与C2发生碰撞，此时Cl沿与C2轨迹成β角度的方向行驶，制动后行进到与车辆
1V2
C2碰撞的最长距离s = v0(t2 +$ 3) + ^，式中，Y0表示直行车辆初速度；t2表示开始踏下
7 max
踏板到直行车辆上出现制动力所经过的时间，t3表示制动力增长时间，Jfflax表示汽车最大制动减速度，t2、t3、jmax可以通过不同类型车辆的动态特性实验得到；(3)设定除了牵引车-半挂车之外的仿真车型的元胞长度及各种车型在主路上出现的比例、速度及各种车辆发车频率，在不同交叉口间距和发车频率条件下进行仿真实验， 通过分析仿真得到交通流时空图和车辆延误数据，得到不同交通条件下合适的交叉口最小间距。本发明采用二维元胞自动机模型模拟仿真港区大型车辆在交叉口复杂交通环境下驾驶行为和交通冲突行为特征，为不同条件下的港区道路交叉口最小间距规划设计提供指导。具体而言，本发明的优点在于1)以往港区道路交叉口间距设置基本采用城市道路标准，没有对港区大型车辆比例大等特定交通条件没有进行充分考虑。本发明通过交通微观模型对大型车辆道路行驶和接近交叉口等行为进行了更细致的描述，通过条件输入、仿真、评价和反馈几个步骤来确定不同条件下的最小交叉口间距，技术创新性强。2)本发明在道路换道频繁区域和交叉口划分为二维元胞，能够更细致刻画大型车辆轨迹，而在道路其他位置用一维元胞进行分割，通过将一维和二维元胞模型相结合的方法，能兼顾仿真真实性和仿真效率。
图1道路和交叉口元胞划分。图中，ds表示标志识别距离，dq表示标志牵制距离， dx信号灯识别距离，dh换道频繁区域。图2前方车道的拥堵感知示意图。图3相邻车辆感知点位置。图4 (a) t时刻车辆接近道路交叉口的换道示意图。图4 (b) t+Ι时刻车辆接近道路交叉口的换道示意图。图5牵引车-半挂车左转和直行相互影响轨迹。图6仿真框架。图7仿真路网。图8不同仿真条件下的平均延误。图9出入口间距与平均延误关系图。图 IOL = 500m, f = 1040pcu/h/ln 的交通流时空图。图 IlL = 700m, f = 1040pcu/h/ln 的交通流时空图。图 12L = 1000m, f = 1040pcu/h/ln 的交通流时空图。图13不同车型比例和交叉口间距下车辆的平均延误。图14车型比例4 1,L = 650m的交通流时空图。图15车型比例4 1,L = 710m的交通流时空图。图16车型比例4 1,L = 800m的交通流时空图。
具体实施例方式(1)道路元胞的划分对车辆在与靠近交叉口港区道路上换道频繁区域以及交叉口进行二维元胞划分， 其它部分采用一维元胞进行构建。本发明道路和交叉口元胞划分方法如图1所示，在换道频繁区域和交叉口进行二维元胞划分的原因是由于大型车辆的特殊性，其转弯时间较长， 轨迹比较复杂，一维元胞在一个步长内将车辆置于相邻元胞的过程不足以刻画大型车辆的换道和转弯过程。(2)感知模块的构建1)前方车道的拥堵感知车辆接近道路交叉口时，前方各车道车辆的影响程度对车辆的换道选择有很大的影响，本发明采用前方各车道的感知道路占有率表示，不同范围内的拥堵对感知的影响采用权重来表示，并可以通过现场实验加以标定。如图2所示，L表示驾驶员的感知-反应距离，它是速度的函数；ζ表示第i个感知范围的长度；lv表示视距半径。则t时刻车道1的感知交通拥堵程度ρ (1，t)可表示为
权利要求
1. 一种港区道路交叉口最小间距确定方法，其特征在于，该方法对与交叉口相连的港区道路的换道频繁区域以及交叉口进行二维元胞划分，其它部分采用一维元胞，构建交叉口附近港区道路的元胞模型，包括下列的步骤(1)构建驾驶员感知模块1)前方车道的拥堵感知将不同范围内的拥堵对感知的影响采用权重来表示，并对其进行标定，通过车辆占有元胞占感知范围元胞总数的比例来计算前方各车道的感知道路占有率，具体方法如下设k表示驾驶员的感知-反应距离；表示第i个感知范围的长度山表示视距半径，Sis则驾驶员i在t时刻车道1的感知交通拥堵程度ρ (i，1，t)可表示为;KAU) = ￡ ωιΛ，J=ISls表示车道1感知范围的分段数量；ωυ表示车道1第j个感知范围的对总体感知的影响权重；Olj表示车道1第j个感知范围的估计占有率；如果 p(i，1，t)-p(i，1-1，t) > Coleft，则 hw(i，t+1) =hw(i，；如果 p(i，1， t)-p(i, 1+1, t) > Coright，则 hw(i，t+1) :=hw(i，t)+Srr，其中，ω left' ω right 表示由于拥堵而产生的向左、向右换道意愿的阈值，hw(i，t)表示第i个驾驶员t时刻的换道意愿，Shr表示拥堵对r类驾驶员换道的影响系数，=表示利用符号右侧的参数对左侧变量进行替换；2)信号灯的感知1)如果驾驶员在视距范围内看到的当前车道的信号灯为红灯，Vfe
，如果 ξ彡pjr)，则hw(i，t+1) :=hw(i，，其中ρ>)表示红灯对r类驾驶员换道意愿的影响概率，δ rr表示红灯对r类驾驶员换道的影响系数。2)如果驾驶员在视距范围内看到当前车道的信号灯为黄闪状态，则Vfe
，如果 I <Py(r)JjV(i，t+1) = v(i, t)+ar, py(r)表示黄闪对r类驾驶员加速意愿的影响概率，ν (i，t)表示第i辆车t时刻的速度，ar表示黄闪对r类驾驶员加速的影响系数。3)相邻车辆状态设C表示当前车辆，LB, LF, F，RB, RF分别表示位于当前车辆左后、左前、前、右后、右前位置的相邻车辆，元胞长度1。，道路允许的最大车速为Vmax，将车辆速度离散为Nv = VaJlc 个区间，则每个感知点速度的等级数为Nv个，分别表示的实际车速范围为[(k-1) lc, klj，k =1，2，· · ·，Nv ；(2)行为模块1)建立跟驰行为规则2)建立换道行为规则设t时刻对应位置C，LB, LF, F，RB, RF的车辆速度分别为vc(t)，vLB(t)，vLF(t)，vF(t)， Veb (t)，vEF ⑴，其所在元胞位置分别为 Pc (t)，pLB (t)，pLF (t)，pF (t)，pEB (t)，pEF (t)，则向左换道时不发生碰撞需要满足的条件为 vc (t+1) -vLB (t+1) > pLB (t) -pc (t)，vLF(t+1) -vc (t+1) > pe(t)-pw(t)，驾驶员可加减速以满足换道条件，即 v。(t+l) e Sc (t+1), Sc (t+1) = {vc(t)-l, v。(t)，v。(t)+l}，考虑其它车辆行驶速度，当前车换道时存在以下几种状态Ll 车辆LB减速或勻速行驶，，LF加速或勻速行驶，进行换道的条件为 VvcO+ l)e 知0 + 1)，使得 pLB ⑴+vLB (t)-Pc (t) < Vc (t+1) < vLF(t)+pLF(t)-pc (t)；L2 车辆LB加速行驶，LF勻速行驶，可进行换道的条件为++ ，使得Plb (t)+vLB (t)+l-pc (t) < vc(t+l) < vLF (t)+pLF (t)-pc (t)；L3 车辆LB勻速行驶，LF减速行驶，可进行换道的条件为++ ，使得Plb ⑴+vLB(t)_pc(t)+l < vc(t+l) < vLF(t)+pLF(t)-pc(t)-l ；L4 车辆LB加速行驶，LF减速行驶，可进行换道的条件为++ ，使得Plb ⑴+vLB(t)_pc(t)+l < vc(t+l) < vLF(t)+pLF(t)-pc(t)-l ；港区驾驶员的换道意愿的产生公式=KU+1X(M)+I ‘+式’式中Sh表示第^H1k类换道规则对r类驾驶员换道的影响系数，H1表示满足的换道条件集合。2)超车行为将超车行为模拟为两次换道行为，设当前车所在车道为A车道，发生超车的车道为B车道，则将超车行为分解为从A车道到B车道的换道行为和从B车道到A车道的换道行为，每一个换道行为按照上述的换道行为来描述。3)牵引车-半挂车左转和直行相互行为设C2为通过交叉口时直行的车辆，Cl为正在左转并与C2发生相互影响的牵引车-半挂车，当直行车辆刹车时，会影响左转车辆的正常行驶轨迹，Cl必须采用紧急制动措施来避免与C2发生碰撞，此时Cl沿与C2轨迹成β角度的方向行驶，制动后行进到与车辆C2碰撞的最长距离
全文摘要
本发明属于道路设计技术领域，涉及一种港区道路交叉口最小间距确定方法，该方法对与交叉口相连的港区道路的换道频繁区域以及交叉口进行二维元胞划分，其它部分采用一维元胞，构建交叉口附近港区道路的元胞模型，包括下列的步骤(1)构建驾驶员感知模块(2)构建行为模块(3)设定各种车型在主路上出现的比例、速度及各种车辆发车频率，在不同交叉口间距和发车频率条件下进行仿真实验，通过分析仿真得到交通流时空图和车辆延误数据，得到不同交通条件下合适的交叉口最小间距。本发明能够较为精确地反映交叉口间距对港区道路通行能力的影响，从而为不同条件下的港区道路交叉口间距的确定提供方法。
文档编号E01C1/00GK102433811SQ201110312718
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月15日 优先权日2011年10月15日
发明者代茂华, 冯炜, 刘伟, 刘大为, 刘虹, 周骊巍, 张占领, 张国梁, 张洋, 张磊, 曾伟, 李 东, 李伟, 李明剑, 杜鹏, 杨福增, 柯水平, 段绪斌, 狄升贯, 王晓华, 王海燕, 白子建, 练象平, 赵巍, 邢锦, 郑利, 靳灿章 申请人:天津市市政工程设计研究院