基于复杂度控制的交叉口空间设计方法

摘要

本发明公开一种基于复杂度控制的交叉口空间设计方法，包括如下步骤：(一)基础资料收集；(二)交叉口空间设计：根据已有交通因素设计方法，生成初步设计方案；(三)复杂度计算及评价：计算初步设计方案中冲突点冲突概率、冲突点复杂度和交叉口的复杂度，并分析冲突点复杂度和交叉口复杂度是否符合条件；若不符合则返回步骤(二)，符合则进入下一步；(四)方案评价：通过计算交叉口延误，判断交叉口服务水平是否满足服务水平要求，若不符合则返回步骤(二)；(五)方案评价符合要求则生成交叉口空间设计方案。本发明提出一个综合性指标来从整体上对交叉口空间设计进行指导，提高交叉口的安全、效率，本发明提出一套新的交叉口空间设计方法，更加科学合理。

说明书

技术领域

本发明属于交通设计领域，具体涉及一种利用复杂度对交叉口进行设计的方法。

背景技术

平面交叉口是城市道路交通的瓶颈，混合交通流是我国城市交通的基本特点，不同转向、不同种类的交通流在交叉口交织、交叉，使得交叉口的运行状况非常复杂。

交叉口空间设计是交叉口设计的重要内容之一，是根据一定的设置依据在交叉口功能区对机动车通行空间、非机动车通行空间、行人通行空间进行设计。

以往的交叉口空间设计主要针对某一具体设计要素的设计方法，设置依据进行局部研究或者从一个角度出发进行交叉口空间设计，使得交叉口空间设计整体协调性和指导性不够，缺乏一个综合性的指标从整体上来指导交叉口的空间设计。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有交叉口空间设计方法存在的不足，提出一种提高交叉口安全、效率的基于复杂度控制的交叉口空间设计方法。

技术方案：本发明所述的基于复杂度控制的交叉口空间设计方法，包括如下步骤：

(一)基础资料收集：通过分析与交叉口相交道路等级和交叉口周边环境确定交叉口型式和交通量。

分两种情况：

第一种情况：对于规划交叉口，基础资料收集指根据相交道路等级以及交叉口周边环境确定该交叉口各类设计交通量。

第二种情况：对于改造交叉口，通过实地勘测，获得交叉口道路条件，机动车、非机动车、行人交通量，信号控制方案。

(二)交叉口空间设计：根据已有交通因素设计方法设计交叉口机动车、非机动车、行人通行空间，生成初步设计方案。

具体包括如下步骤：

(21)根据相交道路等级以及设计交通量，确定初始信号相位方案；

(22)交叉口功能区确定：确定交叉口的设计范围，即交叉口进出口道展宽起始位置以内的整个区域；

(23)交叉口横断面资源分配：确定机动车、非机动车和行人的通行空间以及占用行车道宽；

(24)机动车通行空间设计：确定机动车车道数目、车道功能；如果设置专用左转车道，确定左转车道的设置形式、左转车道宽度、左转车道减速段长度、左转车道的存储长度、左转等待区的设置、左转导流线的设置；如果设置专用右转车道，确定专用右转车道的设置形式、车道长度、转弯半径、缘石半径、交通岛设置；

(25)非机动车通行空间设计：确定非机动车停车线位置；确定左转非机动车过街方式；确定右转非机动车处理方式；

(26)行人通行空间设计：确定行人过街方式以及行人安全岛设置。

(三)复杂度计算及评价：依据交叉口交通、信号、流量条件，计算初步设计方案中冲突点冲突概率及冲突点复杂度和交叉口的复杂度，并分析冲突点复杂度和交叉口复杂度是否符合条件；若不符合则返回步骤(二)，符合则进入下一步。

具体包括如下步骤：

(31)统计交叉口内部冲突点的数目N，每个冲突点有三个参数：冲突点类型、优先交通流量、次级交通流量，记为i(k，Q，Q)；

(32)判断第i个冲突点的类型；冲突点的类型有五类：合流冲突点、分流冲突点、交叉冲突点、机动车与非机动车冲突点、机动车与行人冲突点；

(33)根据第i个冲突点的类型，将冲突流流量一、冲突流流量二代入到相应的冲突点冲突概率p计算模型，再乘以相对应权重系数计算第i个冲突点复杂度p′。

具体计算公式如下：

①交叉冲突点冲突概率：

$p=1-e^{1(1.588*{10}^{-8}{Q_1}^2+2.526*{10}^{-5}{Q}_1)Q_2}$

其中，p-冲突点冲突概率；

Q₁-优先交通流流量(pcu/h)；

Q₂-次级交通流流量(pcu/h)。

②合流冲突点冲突概率：

$p=0.55(1-e^{1(1.588*{10}^{-8}{Q_1}^2+2.526*{10}^{-5}{Q}_1)Q_2}),$

其中，p、Q₁、Q₂意义同前。

③分流冲突点冲突概率：

$p=0.33(1-e^{1(1.588*{10}^{-8}{Q_1}^2+2.526*{10}^{-5}{Q}_1)Q_2}),$

其中，p、Q₁、Q₂意义同前。

④机动车-非机动车冲突点冲突概率：

$p=1-e^{-\frac{Q_1}{60}*(-0.2{Q_2}^3+0.7{Q_2}^2-0.7Q_2+1.2)},$

其中，p-冲突点冲突概率；

Q₁-优先交通流量，即机动车交通流量(pcu/min)；

Q₂-次级交通流量，即非机动车交通流量(辆/min)。

⑤机动车-行人冲突点冲突概率：

$p=1-e^{-\frac{Q_1}{60}*(-0.003{Q_2}^3+0.025Q_3+0.595)}$

p-冲突点冲突概率；

Q₁-优先交通流量，即机动车交通流量(pcu/min)；

Q₃-次级交通流量，即行人交通流量(人/m/min)。

(34)判断是否所有冲突点冲突概率都计算完毕，即判断i是否等于N，是则继续下一步，否则返回步骤(32)，计算第i+1个冲突点冲突概率；

(35)计算冲突点复杂度和交叉口复杂度：将各冲突点冲突概率乘以不同权重，得到冲突点复杂度p′，再加和求解出交叉口复杂度C，计算公式如下：

p′_i＝k_jp_i

$C=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_i^{\prime }$

其中，k_j，j＝1，2，3，分别代表机动车和机动车冲突，机动车和非机动车冲突，机动车和行人冲突，不同类型冲突点权重系数见表1。

表1不同类型冲突点权重系数

  冲突类型  k₁  k₂  k₃  权重  1  1.3  1.7

对计算出的交叉口复杂度C进行分析，将C与合理复杂度范围C₀(如表2所示)进行比较，评价该复杂度值对应的交叉口空间布局方案是否合理；对各冲突点复杂度p′进行分析，评价交通流冲突是否均衡；若通过分析诊断现有空间布局存在问题，则返回步骤(二)进行再设计，若符合要求则进入下一步。

表2典型交叉口合理复杂度范围

①若C＜C₀，则交叉口复杂度在合理复杂度范围之内，进入下一步骤进行方案评价。

②若C＞C₀，则交叉口复杂度过大，交叉口安全性能不能保障，效率低下，应返回步骤(二)对设计方案进行调整。

③若p′＞0.25，则该冲突点冲突情况严重，应加以调整控制。

(四)方案评价：通过计算交叉口延误，判断交叉口服务水平是否满足服务水平要求，若不符合则返回步骤(二)。

其中，机动车延误采用如下公式计算：

1.各车道延误可由下式估算：

d＝d₁+d₂+d₃

式中：d-各车道每车平均信控延误(s/pcu)；

d1-各车道每车平均信控延误(s/pcu)；

d2-随机附加延误(s/pcu)，即车辆随机到达并引起超饱和周期所产生的附加延误；

d3-初始排队附加延误(s/pcu)，即在延误分析期初停有上一时段留下积余车辆的初始排队使后续车辆经受的附加延误。

d1按下式计算：

$d_1=d_s\frac{t_u}{T}+f_a{d}_u\frac{T-t_u}{T}$

式中：ds-饱和延误；

d_s＝0.5C(1-λ)

d_u-非饱和延误；

$d_u=0.5C\frac{{(1-\lambda )}^2}{1-\min [1,X]\lambda }$

C-周期时长(s)；

λ-绿信比，交通流有效绿灯时间与周期时长的比；

X-饱和度；

T-分析时段所持续时长(h)；

t_u-在T中积余车辆的持续时间(h)；

$t_u=\min [T,\frac{Q_b}{C_p[1-\min [1,X\left]\right]}]$

Q_b-分析期初始积余车辆(pcu)，须实测；

C_p-所计算车道的通行能力(pcu/h)；

f_a-绿灯期车流到达率较正系数；

$f_a=\frac{1-P}{1-\lambda }$

P-绿灯期到达车辆占整周期到达量之比，可实地观测。

d₂按下式计算：

$d_2=900[(X-1)+\sqrt{{(X-1)}^2+T\frac{8\mathrm{eX}}{C_p}}]$

式中：e-单个交叉口信号控制类型校正系数，定时信号取e＝0.5；感应信号e随饱和度与绿灯时长时间而变，绿灯时长时间为2～5s时建议的平均e值列于表3-4中[40]；

其它符号意义同前。

表3单个交叉口信号控制类型校正系数建议值

 饱和度X  e  e的平均值  ≤0.5  0.04～0.23  0.13  0.6  0.13～0.28  0.20  0.7  0.22～0.34  0.28  0.8  0.32～0.39  0.35  0.9  0.41～0.45  0.43  ＞1.0  0.5  0.5

d₃算得的在T中积余车辆的持续时间tu而定，具体按下式计算：

2.各进口道的平均信控延误

按该进口道中各车道延误的加权平均估算：

$d_A=\underset{i}{\Sigma }{d}_i{q}_i/\underset{i}{\Sigma }{q}_i$

式中：d_A-进口道A的平均信控延误(s/pcu)；

d_i-进口道A中第i车道的平均信控延误(s/pcu)；

q_i-进口道A中第i车道的小时交通量换算为其中高峰15min的交通流率。

3.整个交叉口的平均信号控制延误

该交叉口各进口道延误的加权数估算：

$d_1=\underset{A}{\Sigma }{d}_A{q}_A/\underset{A}{\Sigma }{q}_A$

式中：d₁-交叉口每车的平均信控延误(s/pcu)；

q_A-进口道A的高峰15min交通流率。

非机动车延误采用如下公式计算：

$d_b=\frac{0.5·C·{(1-\frac{g_b}{C})}^2}{1-[\frac{g_b}{C}·\min (\frac{V_b}{{C_p}^b},1.0)]}$

式中，d_b-非机动车延误(s)；

C-信号周期时长；

g_b-非机动车相位绿灯时长；

V_b-非机动车流率；

C_p^b-非机动车进口通行能力。

行人延误采用如下公式计算：

$d_p=\frac{{(C-g)}^2}{2C}$

式中，d_p-行人延误(s)；

C-周期长度(s)；

g-行人的有效绿灯时间(s)。

(五)当复杂度评价满足要求，服务水平满足要求，则生成交叉口空间设计方案。

上述步骤适用于规划交叉口，对于改造交叉口，则跳过步骤(二)先直接进入步骤(三)，即复杂度计算及评价，而后再返回步骤(二)进行空间布局设计。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：1、本发明提出一个综合性指标来从整体上对交叉口空间设计进行指导，提高交叉口的安全、效率，本发明提出一套新的交叉口空间设计方法，更加科学合理；2、本发明方法简化了交叉口空间设计过程，不需要频繁计算交叉口的通行能力、延误、排队长度等评价指标，只需根据交叉口空间布局与复杂度之间的关系，经过简单的估算，即可预见空间布局的变动对交叉口运行状态的影响，从而提高了交叉口空间设计的工作效率。

附图说明

图1为本发明设计方法流程图。

图2为基础资料收集示意图。

图3为交叉口空间布局设计流程图。

图4为复杂度计算方法示意图。

图5为复杂度评价方法示意图。

图6为交叉口评价示意图。

图7为实施例中改造前交叉口道路空间设计。

图8为实施例中进香河路-学府路交叉口信号配时(单位：s)。

图9为实施例中改造后交叉口道路空间设计。

图10为实施例中中间方案一的配时图(单位：s)。

具体实施方式

下面以南京市进香河路-学府路交叉口空间设计为例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

具体设计步骤如下：

(一)交叉口基础资料收集

进香河路-学府路交叉口位于南京市中心地带，由东西向的学府路和南北向的进香河路相交而成。

1.交叉口道路条件

该交叉口的空间布局及其几何特征如表4和图7所示。

表4进香河路-学府路交叉口现状几何条件汇总表

注：1.L、T、R、TL、TR、TLR分别代表左转、直行、右转、直左、直右、直左右车道；2.进口道和出口宽度是以道路中心线向两侧排列。

2.交叉口信号控制条件

该交叉口采用二相位信号灯控制，信号相位设计如图8所示：

注：1、该交叉口有行人信号灯，无非机动车信号灯；2、7:00～11:00信号配时相同。

3.交叉口流量条件

该交叉口在高峰时段的交通量较大，尤其是在早高峰上学时段和晚高峰放学时段。交叉口的调查时间为工作日上午7:00～11:00，调查期间天气情况良好。

通过对录像资料进行统计分析，可以得到该交叉口高峰小时的机动车交通量(表5)、非机动车交通量(表6)和行人交通量(表7)。其中机动车将中型车和大型车已经换算成标准小客车当量。

表5进香河路-学府路交叉口各进口车道机动车交通量

表6进香河路-学府路交叉口各进口非机动车交通量

表7进香河路-学府路交叉口各进口人行横道行人交通量

本实施例属于改造交叉口，先直接进入原步骤(三)，即复杂度计算及评价，然后再返回原步骤(二)进行空间布局设计。

(三)复杂度计算及评价

1.该交叉口冲突点计算

通过统计，可以得到不同交通方式之间的冲突点数目，如表8所示：

表8不同类型冲突点数目

2.交叉口复杂度计算

依据调查所得交通流量，将交通流量按照流线分配到各冲突点上，计算交叉口各冲突点的冲突概率：

(1)机动车-机动车冲突

交叉冲突：例如第一相位，西进口直行和东进口左转发生交叉冲突，交通量分别为175pcu/h和69pcu/h，将其代入公式：

$p_{a-a,j}=1-e^{(1.588\times {10}^{-8}{Q_1}^2+2.526\times {10}^{-5}{Q}_1)Q_2}=1-e^{(1.588\times {10}^{-8}\times {175}^2+2.526\times {10}^{-5}\times 175)\times 69}=0.2872$

合流冲突：例如第一相位，西进口直行和南进口右转发生合流冲突，交通量分别为175pcu/h，148pcu/h，将其代入公式：

$p_{a-a,m}=0.55[1-e^{(1.588\times {10}^{-8}{Q_1}^2+2.526\times {10}^{-5}{Q}_1)Q_2}]=0.55\times [1-e^{(1.588\times {10}^{-8}\times {175}^2+2.526\times {10}^{-5}\times 175)\times 148}]=0.2581$

分流冲突：例如第一相位，东进口直行和左转发生分流冲突，交通量分别为172pcu/h，69pcu/h，将其代入公式：

$p_{a-a,d}=0.33\times [1-e^{(1.588\times {10}^{-8}{Q_1}^2+2.526\times {10}^{-5}{Q}_1)Q_2}]=0.33\times [1-e^{(1.588\times 10^{-8}\times {172}^2+2.526\times {10}^{-5}\times 172)\times 69}]=0.1413$

计算结果详见表9。

表9机动车-机动车冲突点复杂度计算结果

(2)机动车-非机动车冲突

代入下式计算，例如第一相位，东进口直行机动车和东进口左转非机动车发生机非冲突，交通量分别为172pcu/h，11辆/h，将其代入公式：

$p=1-e^{-\frac{Q_1}{60}(-0.2{Q_2}^3+0.7{Q_2}^2-0.7Q_2+1.2)}=1-e^{-\frac{172/60}{60}\times [-0.2\times {\left(\frac{11}{60}\right)}^3+0.7\times {\left(\frac{11}{60}\right)}^2-0.7\times \frac{11}{60}+1.2]}=0.0509$

计算结果详见表10。

表10机动车-非机动车冲突点复杂度计算结果

(3)机动车-行人冲突

按照交叉口的实际情况，选择代入下式计算。例如：第一相位，东进口左转和南进口行人发生机人冲突，交通量分别为72pcu/h，1047人/h，交叉口通行条件良好，故：

$p=1-e^{-\frac{Q_1}{60}(0.003{Q_3}^2-0.025Q_3+0.595)}=1-e^{-\frac{72/60}{60}\times [0.003\times {\left(\frac{1047}{60}\right)}^2-0.025\times \frac{1047}{60}+0.595]}=0.1212$

计算结果详见表11。

表11机动车-行人冲突点复杂度计算结果

计算结果汇总如表12所示：

表12现状复杂度计算结果

该交叉口的复杂度大小为8.45。

3.交叉口复杂度评价

香河-学府路交叉口属于次干道和支路相交的交叉口，东西向学府路为支路，东进口有一条进口车道，西进口有两条进口车道，南北向进香河路为次干道，各有三条进口道。该交叉口兼顾集散和服务的功能。该类交叉口合理复杂度范围为≤10.6，由此可见目前交叉口复杂度在合理复杂度范围之内。但是从以上计算过程和结果，可以看出该交叉口目前存在一定的问题：

该交叉口第一相位复杂度为2.82，第二相位复杂度为5.63，第二相位复杂度远大于第一相位复杂度。这是由于第二相位交叉口内部冲突点数目较多，各冲突点的复杂度较大。另外，第二相位中的机-机冲突所产生的复杂度比例最高。通过分析发现，该交叉口复杂度最大的10个冲突点几乎全部都是来自第二相位(即南北相位)的机-机冲突点。冲突点复杂度大于0.25的有10个，如下所示：

表13复杂度较大冲突点

由上表可以看出，直行机动车和对向左转转机动车之间的冲突严重，其中南北进口道的冲突尤为严重。由于该交叉口南北方向的直行交通流流量较大，对向左转交通流在绿灯期间找到合适的间隙穿越冲突点的机会较少。虽然直行交通流通过交叉口的优先级高于左转交通流，但在实际的运行过程中，一旦有合适的间隙使得第一辆左转机动车通行，后面排队的左转机动车就会紧随第一辆左转机动车连续通过冲突点，迫使与之冲突的直行车流中断，对直行交通流造成阻碍。因此，应该采取必要的措施减少南北向直左冲突点处的冲突车流量，以降低直左冲突的概率，保证左转车辆能够找到合适的临界间隙，降低左转交通流对直行交通流的干扰。

通过分析机-非冲突复杂度，左转非机动车所产生的机-非冲突点数目最多，并且其复杂度也是最大的，因此应该采取一定的措施减少左转非机动车和机动车之间的冲突点数目以及发生冲突的概率。

由于机-人冲突点数目较少，并且该交叉口尺寸较小，行人可以在绿灯时间内寻找合适的间隙通过交叉口，该交叉口机-人运行状态良好。

返回步骤(二)，进行交叉口空间布局设计

首先考虑从车道功能划分入手，考虑将原有的共用车道拓宽为专用车道，以消除共用车道内的分流冲突：将南进口道原来的直左车道改造为左转专用车道；北进口直右车道改造为右转专用车道，直左车道改造为直行专用车道。具体改造如图9所示。

再进入步骤(三)进行复杂度计算及评价：

将交通量分配到各冲突点，选择合适的计算公式代入计算复杂度，计算方法同上，计算得交叉口复杂度为6.56

改造后该交叉口的复杂度为6.56，小于改造前的复杂度。可认为通过复杂度控制对交叉口空间设计进行改造取得了良好的效果。但是通过分析可以发现，南北向直行和左转机动车之间的复杂度依然很大，可见，通过调整机动车道功能划分虽然减少了冲突点的数目，但是冲突点复杂度大的情况并没有得到改善。通过进一步分析发现，在目前流量和相位条件下，空间布局的调整已经难以解决交叉口复杂度较大的问题，需要寻求时间资源的配合。南北向左转机动车流量分别为252pcu/h，73pcu/h，其中南进口左转机动车流量较大。虽然南北进口设置了左转专用车道，但是由于没有设置左转保护相位，左转专用车道的功能并没有得到充分发挥，左转车流和直行车流之间的冲突依然存在，影响到了整个交叉口运行效率。对初始方案进行方案再设计。对初始方案进行方案再设计，考虑增加加一个左转保护相位，以消除南北进口道的左转与对向直行车流的冲突，记为中间方案一。

再返回步骤(二)进行交叉口空间布局设计：中间方案一交叉口信号相位如图10所示。

再进入步骤(三)进行复杂度计算及评价：按照方案调整，将流量重新分配计算，可以得到中间方案一中的交叉口复杂度为4.61。交叉口内部冲突点复杂度比较均衡，基本解决了南北向机动车交通冲突严重的问题，并且减少了左转非机动车和机动车之间的复杂度。

(四)方案评价

改造后交叉口各进口道运行状况如下所示：

表14中间方案一中交叉口通行能力及服务水平

从上表可以看出，虽然东进口服务水平较差，但是整个交叉口运行状态良好，满足C级服务水平。

(五)生成方案

对于改造交叉口，目标是使得该交叉口内部冲突点数目减少、复杂度减少且趋于均衡，并且保证整个交叉口服务水平不低于C级。考虑到该交叉口的功能是兼顾集散和服务，主要服务对象为机动车交通和慢行交通并重，故取复杂度最小且服务水平符合要求的方案，以最大限度保证交叉口使用者的安全。取中间方案一为最优方案，其空间设计布局如图9所示。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。