出入口纵深长度确定方法 【技术领域】
本发明属于道路设计技术领域， 具体涉及一种无信号控制的出入口纵深长度的设计方法。 背景技术 道路周围的接入单位有一下几种， 一种是办公区域， 进出车辆一般为小型客车， 交 通生成主要为通勤等稳定交通流。第二种是大型购物场所， 交通流主要集中在晚上及节假 日， 车辆构成全部为小型车。第三种是大型物流公司堆场， 保税区等， 进出车辆一般是大型 集装箱车， 交通生成主要取决于集港船舶达到时间、 集港货物量等。 另外随着地区和国际贸 易的发展， 道路交通拥堵现象日益严重， 而接入单位的出入口往往是形成交通拥堵的瓶颈。
接入单位的出入口与其连接的道路处， 还有一段距离， 接入道路需要足够的长度 让车辆在远离靠近主路的停车线处排队或者停靠， 这段距离就是 “纵深长度” 。如图 1 所示。 纵深长度不足会导致出入接入道路的车辆在开口处运行无序甚至交织运行， 极大地影响了 主路交通运行 ； 充足的道路纵深长度保证了接入道路与主路间的交通连接顺畅， 运行有序。
合适的纵深长度是协调土地开发与交通需求的保证， 从目前的研究情况来看， 还 没有人针对出入口纵深长度的确定方法进行过研究， 实际工程中的取值都是根据经验得来 的， 因此本设计通过建立仿真模型， 得到一个简单容易操作的出入口纵深长度的确定方法。
发明内容 本发明的目的是克服现有技术的上述不足， 提出一种出入口纵深长度的设计方 法， 为此本发明采用的方案如下 ：
一种出入口纵深长度确定方法， 包括下列步骤 ：
(1) 出入口分析 ： 将出入口看作是无信号 T 型交叉口中的双向停车控制交叉口， 建 立出入口的服务水平与车辆控制延误之间关系的度量标准， 并确定出入口交通组织方法 ；
(2) 建立驾驶员感知规则
1) 将驾驶员分为三种类型， 保守型， 一般型和激进型， 对不同类型的驾驶员设定不 同的敏感系数 q ；
2) 确定车辆与前车的期望间距 h ＝ L+10+qvt+bq(ut-vt)2， 式中 ： L 为前导车辆的车 身长 ； q 为跟驰车驾驶员的敏感系数 ； vt 为跟驰车的运行速度 ； ut 为前导车辆的运行速度 ； b
为待定常数， 定义为 ：
3) 确定直行车流的跟驰车加速度 ： 式中 ： xt+δ 为前导车辆在时刻 t+δ 的位置； yx 为跟驰车在时刻 t 的位置 ； ut+δ 为前导车辆在时刻 t+δ 的运行速度 ；
4) 确定转弯车流的车辆加速度 ：4CN 102505593 A说明书式中， σ 表示加速度干扰值，2/8 页(3) 建立交通冲突模型
1) 确定出入口处的交通流优先次序 ；
2) 确定车辆行驶的临界间隙和跟车时间 ；
(4) 将出入口分为 3 个区域 ： T 型交叉口区域， 接入道路区域和接入单位内部冲突 区域。利用一维元胞自动机模型对该区域的交通流进行描述， 根据车辆的行驶路线绘制车 辆的行驶轨迹， 并按照大小对其进行划分形成元胞， 在交叉口区域与接入单位内部区域， 车 流交汇形成交通冲突区域， 在接入道路区域， 车辆直行并根据目的地的不同有换道行为， 建 立出入口车辆的运行规则如下 ：
1) 跟驰规则
①车辆行驶时的加速度为 a， 下一时刻的速度为 v(t+1) ＝ v(t)+a， 其中， a＝ max(-6， acar)， 且 a ＝ min(e， acar)， e ＝ 0.25 ；
②随机减速 ： 车辆以 pr 的概率减速， 即 v(t+1) ＝ v(t)-1 ；
③限制最大与最小车速 ： v ＝ max(v， 0)， 且 v ＝ min(vmax， v) ；
2) 换道规则
根据车辆的目的地属性判断该车是否在目标车道上， 若需要换道， 则同时满足以 下条件时可以执行换道行为。
①车辆与目标车道上前导车辆的距离大于期望间距， 即 hother1 ＞ h ；
②车辆与目标车道上的跟驰车辆也能够保证足够的安全间距， 即 hother2 ＞ h ；
3) 避让规则
根据根据出入口交通组织方法和交通流优先次序确定避让规则 ；
(5) 进行仿真实验并选取合适的纵深长度。利用上述步骤 (2) 至 (4) 建立建立出 入口交通流仿真模型， 对已知流量与交通组织形式的接入区域进行仿真， 根据纵深长度与 车辆控制延误时间的关系得到合适的纵深长度。
本发明的出入口纵深长度确定方法， 驾驶员敏感系数 q 的取值可为激进型 ： 0.9， 一般型 ： 1， 保守型 ： 1.1。
可以按照下表确定车辆行驶的临界间隙和跟车时间。
车辆交通流 主路左转 次路右转 次路左转 理想临界间隙 (s) 4.1 6.9 7.5 理想跟车时间 (s) 2.2 4.0 3.5所述的避让规则可以为 ： 主路上的直行车辆有最高等级的行驶权， 无需避让， 主路 上的左转车辆需要停车等待主路直行车流的车辆间隙大于临界间隙时再通过 ； 次路上的左 转车流行驶等级最低， 要等待主路直行车流及主路的左转车流都有足够安全间隙时才可以 通过 ； 次路的右转车流汇入主路时等待主路的直行车流有足够的安全间隙时通过。
本发明的优点如下 ：
1. 本发明建立的仿真模型准确地模拟了出入口接入道路交叉口处的交通环境， 使 车辆的加、 减速以及交叉口处的冲突与现实相符， 弥补了这一研究领域的空白 ；
2. 以往对纵深长度的取值来源于经验， 而本发明通过交通仿真能够得到纵深长度 与控制延误时间的关系， 进而通过综合分析道路的接入对主路服务水平的影响与交叉口组 织形式能够确定出合适的纵深长度， 具有高精确性和便利性。 附图说明
图1： 纵深长度示意图。 图2： 出入口纵深长度设计方法框架图。 图3： 无信号交叉口车流时空图， (a)(b)(c)(d)(e) 各为一种车流时空图。 图4： 无信号控制交叉口固定主路流量时纵深长度与控制延误时间关系。 图5： 无信号控制交叉口固定接入道路流量时纵深长度与控制延误时间关系。 图6： 出入口交通流等级示意图， (a)(b)(c) 分别为等级 1、 等级 2、 等级 3 示意图。具体实施方式
出入口是单位内部道路与城市道路的衔接点。 纵深长度不足会导致出入接入道路 的车辆在开口处运行无序甚至交织运行， 极大地影响了主路交通运行。本发明通过分析出 入口的交通特性， 建立仿真模型， 最终通过主路期望服务水平得到合适的纵深长度。 这一设 计能够弥补出入口纵深长度设计领域的空白， 指导工程实践。
下面对本发明做详细说明。
一、 出入口分析
1. 出入口交通特性分析
由于接入单位的性质不同， 引发的交通需求也是不同的， 主要有通勤需求， 娱乐需 求， 货物运输需求等。道路的接入产生的交通流会对主路的交通产生影响， 为了简化模型， 本发明只考虑机动车的行驶情况， 不考虑人流及自行车流。
2. 道路的服务水平
服务水平是使用者根据交通流状况， 在速度、 舒适、 方便、 经济和安全等方面所得 到的服务程度。出入口可以抽象为一个 T 型交叉口， 又可以细分为信号交叉口和无信号交 叉口。本发明主要针对无信号交叉口中的双向停车控制 (TWSC) 交叉口进行分析。
TWSC 交叉口的服务水平是由控制延误来确定， 包括初始减速延误、 排队移动时间、 停车延误和加速延误。表 1 为服务水平度量标准。
表 1 无信号交叉口服务水平度量标准
服务水平可靠性是指接入道路后， 使主路的服务水平维持在预期服务水平的概 率。当服务水平可靠性大于 0.8 时， 认为在这种情况下交叉口造成的延误是可以接受的， 若 小于 0.8， 则表明控制延误时间过长， 道路接入不合理。
3. 出入口交通组织方法
为了提高道路的通行能力、 安全性、 运行效率及驾驶员的舒适性， 需要对交叉口进 行交通组织。本发明中涉及的是减速让行或停车让行标志管制的 T 型交叉口， 是指主要道 路与接入道路相交， 用减速让行标志或停车让行标志来组织分配相冲突交通流的通行时 间， 规定接入道路车辆在进入出入口前必须减速或停车嘹望、 让主要道路车辆先行， 确认安 全后方可通过。
二、 建立驾驶员的感知规则
1. 驾驶员的分类
本发明将驾驶员分为三种类型， 保守型， 一般型和激进型。由于驾驶员的性格， 年 龄， 对道路的熟悉程度的不同， 会出现不同的驾驶行为。 有些因为脾气急躁或对道路很熟悉 而表现的很激进， 有些因为安全意识强， 驾驶经验不足而表现的很保守。区别主要体现在 ： 车辆加减速度、 临界间隙、 期望间距、 随机慢化概率、 最大速度这几个方面。 激进型的驾驶员 具有较大的加减速度， 较小的临界间隙， 较小的期望间距， 较小的随机慢化概率及较大的最 大速度， 表现为驾驶行为较为激进。
2. 期望间距
车辆在 T 型交叉口的跟驰行为主要受与前车间距大小的影响， Halati 提出了著 名的车辆跟驰模型， 当车辆与前车的间距大于期望间距时， 车辆会加速直到达到期望间距， 当车辆与前车的间距小于期望间距时， 车辆会减速直到间距拉开至期望间距。公式表示如 下：
h ＝ L+10+qvt+bq(ut-vt)2
式中 ： h 为前车与跟驰车的期望间距 ； L 为前车的车身长 ； q 为跟驰车驾驶员的敏 感系数 ； vt 为跟驰车的运行速度 ； ut 为前导车辆的运行速度 ； b 为待定常数， 定义为 ：
在本发明中， 驾驶员分为激进， 一般， 保守三类， 不同类型的驾驶员的期望间距不 同， 主要由驾驶员的敏感系数 q 来体现。q 的取值为激进型 ： 0.9， 一般型 ： 1， 保守型 ： 1.1。当车辆换道时不仅要考虑与旁边道路前方车辆的距离， 也要估计与旁边道路后方 车辆的距离。
3. 直行车流的车辆加速度
根据期望间距的公式， 可以得出跟驰车的加速度公式如下 ：
式中 ： xt+δ 为前车在时刻 t+δ 的位置 ； yt 为跟驰车在时刻 t 的位置 ； q 为驾驶员对 前车的敏感度衡量因子。
4. 转弯车流的车辆加速度
根据 Jones 和 Potts 提出的加速度干扰数学方程 ：
式中 ： σ 表示加速度干扰值， T 表示车辆运行总时间， a(ti) 表示 i 时刻的加速度， 表示平均加速度。将该式代入圆曲线， 经推导可得到在圆曲线上行驶车辆的近似加速度 干扰值的近似计算公式为 ：
式中 ： V 表示车辆行驶速度， R 表示圆曲线半径。 一般认为当加速度干扰大于 1.5m/ s 时， 车辆的行驶舒适性和安全性很差， 当加速度干扰小于 0.7m/s2 时， 舒适性比较好， 存在 2 潜在的安全隐患的可能性较低。因此当加速干扰大于 0.7m/s 时， 车辆必须减速行驶。
加速度干扰值越大， 驾驶员所采取的减速度也越大， 两者存在非线性的正比例关 系。当加速度干扰值超过 0.7 时， 应考虑加速度干扰对驾驶员减速度的影响， 因此得到车辆 的加速度为 ：
2
上述的公式表示， 当加速度干扰大于 1.7m/s2 时， 车辆以最大的减速度减速 ； 当车 2 辆的加速度干扰大于 0.7m/s 时， 驾驶员的舒适度和前方路况决定了驾驶员的驾驶行为， 即 2 不管前方路况如何都采取减速的措施 ； 当加速度干扰小于 0.7m/s 时， 驾驶员所采取的决策 主要受到前方路况的影响。
三、 建立交通冲突模型
1. 交通流优先次序
出入口处的车流分为三个等级， 具体如图 6 所示， 等级低的车流要给等级高的车 流让路或让行。 主路上的直行车流具有最高行驶等级， 无需让行， 接入道路的右转车流及主 路的左转车流要等待主路的直行车流有足够的安全间隙时才能通过， 接入道路的左转车流 需要等待主路的直行车流及左转车流同时有足够的安全间隙时才能通过。
2. 临界间隙和跟车时间
临界间隙 tc 是主路交通流中可提供次路一辆车驶入交叉口的最小时间间隔。因 而， 驾驶人的临界间隙是可接受的最小间隙。临界间隙的计算值是根据实验观测的最大拒 绝间隙和最小接受间隙确定。
针对本发明中涉及的 T 型交叉口， 根据美国研究的临界间隙计算方法， 得到如下 公式 ：
tc_x ＝ tc0+2-te
式中 ： tc_x——交通流向 x 的临界间隙 (s) ；
tc0——理想临界间隙 (s) ；
te——修正参数， 当车流为次路左转时， 该值为 1.7， 其他情况为 0 ；
在次路车流为饱和车流的情况下， 即该车流行驶速度较低， 车头间距较小， 速度趋 于一致的车队， 次路中相邻两辆车使用主路同一间隙驶离交叉口的时间， 称作跟车时间 tf。 若高等级的流向没有冲突车辆时， tf 为该车道饱和流率的车头时距。计算公式如下 ：
tf_x ＝ tf0+1
式中 ： tf_x——次路交通流向 x 的跟车时间 (s) ；
车辆交通流 主路左转 次路右转 次路左转
理想临界间隙 (s) 4.1 6.9 7.5 理想跟车时间 (s) 2.2 4.0 3.5tf0——理想跟车时间 (s) ； 下表给出了理想临界间隙和跟车时间的取值。 表 3 车辆行驶的临界间隙和跟车时间四、 车辆运行规则
以接入单位大门为界， 将外部抽象为一个 T 型交叉口。 如图 1 所示， 分为 3 个区域， T 型交叉口区域， 接入道路区域， 接入单位内部冲突区域。利用一维元胞自动机模型对该区 域的交通流进行描述， 根据车辆的行驶路线绘制车辆的行驶轨迹， 并按照大小对其进行划 分形成元胞。
在交叉口区域与接入单位内部区域， 车流交汇形成交通冲突区域， 车辆在到达该 区域时会遵从一定的规则运行。在接入道路区域， 车辆直行并根据目的地的不同有换道行 为。
通过以上的分析， 建立出入口仿真模型， 车辆的运行规则如下 ：
1. 跟驰规则
①车辆行驶时的加速度为 a， 下一时刻的速度为 v(t+1) ＝ v(t)+a。其中， a＝ max(-6， acar)， 且 a ＝ min(e， acar)， e ＝ 0.25。
②随机减速。车辆以 pr 的概率减速， 即 v(t+1) ＝ v(t)-1。
③限制最大与最小车速。v ＝ max(v， 0)， 且 v ＝ min(vmax， v)。2. 换道规则
根据车辆的目的地属性判断该车是否在目标车道上， 若需要换道， 则同时满足以 下条件时可以执行换道行为 ：
①车辆与目标车道上前导车辆的距离大于期望间距， 即 hother1 ＞ h ；
②车辆与目标车道上的跟驰车辆也能够保证足够的安全间距， 即 hother2 ＞ h ；
3. 避让规则
主路上的直行车辆有最高等级的行驶权， 无需避让， 主路上的左转车辆需要停车 等待主路直行车流有足够的安全间隙时再通过。次路上的左转车流行驶等级最低， 要等待 主路直行车流及主路的左转车流都有足够安全间隙时才可以通过。 次路的右转车流汇入主 路时等待主路的直行车流有足够的安全间隙时通过。
五、 仿真实验分析
本发明利用前面建立的仿真模型， 模拟接入道路区域的真实交通流， 并通过参数 的调整， 得到出入口纵深长度与控制延误时间的关系。
首先分析车辆在仿真区域中的交通行为， 取纵深长度为 100m 时的情况， 对车辆的 行为进行分析， 为取得精确的仿真结果， 选取仿真时长为 10000s， 并抽取中间 200s 的交通 流状态进行分析。得到 5 个车流的时空图， 如图 5 所示。
对比车流 1 和车流 2 的时空图， 可以观察到车辆的换道和减速行为。对比车流 1， 2， 5 的时空图， 可以观察到交叉口冲突区域的减速避让行为， 对比车流 2 和车流 3 的时空图， 可以观察到出入口内部冲突区域的减速避让行为。
由此可以说明， 本发明的仿真模型是可以表达车辆在出入口区域的交通行为的， 因此设计仿真实验对纵深长度的设置进行分析。选取几组典型的流量组合， 在不同流量组 合条件下， 设置纵深长度由 50m 变化到 150m， 对交叉口区域交通流进行仿真， 得到对应的控 制延误时间。
主路流量为 1200 辆 / 小时的情况下， 改变接入道路的流量， 流量组合分别为， (1200， 700)， (1200， 500)， (1200， 300)， 单位是辆 / 小时， 得到纵深长度与控制延误时间的 关系如图 6 所示。同样， 若固定接入道路的流量为 700 辆 / 小时， 改变主路的交通流量， 流 量组合分别为， (1200， 700)， (1000， 700)， (800， 700)， (500， 700)， 单位是辆 / 小时， 得到纵 深长度与控制延误时间的关系如图 7 所示。
可得到如下结论 ：
(1) 当主路与接入道路交通流量都达到饱和时， 纵深长度的增加不能提高接入道 路的通行能力和服务水平， 需要考虑其他类型的交叉口交通组织形式， 例如禁止车辆左转 或加设信号灯控制等。
(2) 在既定的流量组合条件下， 控制延误时间随纵深长度的增加而降低， 观察图中 的交通组合 (1200， 500) 的情况下， 可以看出控制延误时间随着纵深长度的增加由 22s 降低 到了 8s， 与前文中道路服务水平的度量标准对比发现， 纵深长度的增加使主路的服务水平 由 C 上升到 A。
(3) 对比不同的流量组合， 发现当流量较小时， 纵深长度对控制延误有较大的影 响， 而且在纵深长度增加的前半段控制延误时间下降速度较快， 到一定的数值时， 控制延误 时间趋于缓和， 这种情况下可以确定转折点对应的数值即为最小纵深长度。本发明建立了出入口的交通仿真模型， 在该模型中输入主路与接入道路的交通流 量， 并设定交叉口的交通组织方式， 利用该模型进行仿真实验后， 可以通过道路的预期服务 水平判断出最小纵深长度。这种方法弥补了这一研究领域的空白， 为道路出入口纵深长度 的取值提供了依据。