基于骑行交通流膨胀特性的非机动车左转专用道调控方法

1.本发明属于非机动车调控领域，具体的说是一种基于骑行交通流膨胀特性的非机动车左转专用道调控方法。


背景技术：

2.随着可持续发展绿色交通理念的进一步普及，非机动车在交通组成中的占有比例较多，且随着通信技术的发展和智能驾驶的日趋成熟，我国道路交通中机动车与机动车之间的冲突可以大幅减少，但由于受客观条件的影响，非机动车与非机动车之间的冲突仍然存在，尤其在交叉口非机动车与机动车左转一体化时，双向非机动车之间的影响较大。当交叉口绿灯通行相位开始后，由于非机动车操作十分灵活，且非机动车急于在有限的绿灯时间内优先通过路口，通过交叉口时会像流体一般向两边扩散占据交叉口的空间，非机动车流整体出现膨胀现象，因此，非机动车与非机动车之间的冲突就出现了。
3.目前一方面非机动车二次过街实施效果并不理想，非机动车与机动车左转一体化时双向非机动车之间的冲突较大；另一方面目前的城市道路存在一些非机动车道未划分左转专用车道和直右车道，各方向的随机停放造成了一定的延误，甚至道路资源的浪费，也加大了非机动车流通过交叉口的危险性。


技术实现要素：

4.本发明为克服现有技术存在的不足之处，提出了一种基于骑行交通流膨胀特性的非机动车左转专用道调控方法，以期能在保证交通运行安全的前提下，动态调控非机动车左转专用车道的数量和左转相位红灯时长来缩小非机动车流的膨胀宽度，以减少交叉口双向非机动车流之间的交通摩擦或交通事故，并提高非机动车交通运行的安全性和道路通行能力。
5.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
6.本发明一种基于骑行交通流膨胀特性的非机动车左转专用道调控方法，其应用场景是网联环境下的十字形信号交叉口，所述网联环境下的机动车为网联自动驾驶车辆，非机动车为非网联车辆；在所述十字形交叉口处设置专用左转相位的四相位信号灯，以控制交叉口四个方向的机动车和非机动车；所述交叉口处的每个方向上的车道通过双黄线划分为进口道和出口道，并将每个进口道和出口道通过白色标线各划分为n条机动车道和m条非机动车道，且每个方向的进口道上有一条机动车左转专用车道，发光道钉布设在每个方向进口道上的m+1条非机动车道线上；其特点在于，所述动态调控方法包括以下步骤：
7.步骤1、建立平面直角坐标系：
8.将十字形交叉口任一方向编号为i，并按照顺时针方向将余下三个方向依次编号为i+1、i+2、i+3，以信号交叉口中心点作为原点o，将方向i+3上出口道车辆的行驶方向作为x轴的正方向，并反向延伸，将方向i+2上出口道车辆的行驶方向作为y轴的正方向，并反向延伸，从而建立平面直角坐标系xoy；
9.步骤2、确定方向i和方向i+2的左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点坐标：
10.步骤2.1、以方向i上进口道的机动车左转专用道停止线中点位置作为左转机动车行驶轨迹的起点s0，所述左转机动车行驶轨迹的终点e0在方向i+1上的出口道最外侧机动车道上，将终点e0与方向i上的进口道的停止线的垂线距离作为半径，所述起点s0与终点e0之间的圆弧作为方向i上的左转机动车行驶轨迹；
11.步骤2.2、方向i上左转机动车行驶轨迹的圆心与交叉口对角线之间的垂线在圆弧上所形成的交点作为方向i上左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点o1，切点坐标为
12.步骤2.3、以方向i+2上进口道的机动车左转专用道停止线中点位置作为左转机动车行驶轨迹的起点s0′
，所述左转机动车行驶轨迹的终点e0′
在方向i+3上的出口道最外侧机动车道上，将终点e0′
与方向i+2上的进口道的停止线的垂线距离作为半径，所述起点s0′
与终点e0′
之间的圆弧作为方向i+2上的左转机动车行驶轨迹；
13.步骤2.4、方向i+2上左转机动车行驶轨迹的圆心与交叉口对角线之间的垂线在圆弧上所形成的交点作为方向i+2上左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点o2，切点坐标为
[0014][0015]
步骤3、确定方向i和方向i+2的非机动车流左转轨迹方程：
[0016]
步骤3.1、获取交叉口相关数据：交叉口路缘石转弯半径为rr，非机动车道宽度为l
nmv
，机动车道宽度为lv；
[0017]
步骤3.2、确定方向i的非机动车流左转轨迹方程：
[0018]
步骤3.2.1、将方向i上进口道的机非分隔线与方向i上进口道的停止线交点作为左转非机动车流的起点s1，该起点s1在平面直角坐标系xoy下的坐标为s1(nlv,-nl
v-l
nmv-rr)；将方向i+1上进口道的停止线与方向i+1上出口道的机非分隔线的交点作为左转非机动车流的终点e1，该终点e1在平面直角坐标系xoy下的坐标为e1(-nl
v-l
nmv-rr,nlv)；
[0019]
步骤3.2.2、利用式(1)得到方向i上进口道的左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点坐标o
′1(x,y)；
[0020][0021]
式(1)中，(x,y)表示方向i上进口道左转非机动车流轨迹相对于所述原点o处的切点在平面直角坐标系下的位置坐标；d
v-nmv
表示车辆行进过程中的横向安全宽度；
[0022]
步骤3.2.3、将由起点s1、终点e1和切点o
′1拟合的二次函数作为方向i的非机动车流的左转轨迹；其中，二次函数的二次项系数a1、一次项系数b1和常数项c1由式(2)得到：
[0023]
[0024]
步骤3.3、确定方向i+2的非机动车流左转轨迹方程：
[0025]
步骤3.3.1、将方向i+2上进口道的机非分隔线与方向i+2上进口道的停止线交点作为左转非机动车流的起点s
′1，该起点s
′1在平面直角坐标系xoy下的坐标为s
′1(-nlv,nlv+l
nmv
+rr)；将方向i+3上进口道的停止线与方向i+3上出口道的机非分隔线的交点作为左转非机动车流的终点e
′1，该终点e
′1在平面直角坐标系xoy下的坐标为e
′1(nlv+l
nmv
+rr,-nlv)；
[0026]
步骤3.3.2、利用式(3)得到方向i+2上进口道的左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点坐标o
′2(x
′
,y
′
)；
[0027][0028]
式(3)中，(x
′
,y
′
)表示方向i+2上进口道左转非机动车流轨迹相对于所述原点o处的切点在平面直角坐标系下的位置坐标；
[0029]
步骤3.3.3、将由起点s
′1、终点e
′1和切点o
′2拟合的二次函数作为方向i+2的非机动车流的左转轨迹；其中，二次函数的二次项系数a2、一次项系数b2和常数项c2由式(4)得到：
[0030][0031]
步骤4、确定方向i和方向i+2左转非机动车流的最大膨胀宽度：
[0032]
步骤4.1、利用式(5)求出非机动车车道数m：
[0033][0034]
式(5)中，l0表示交叉口单辆非机动车行驶的安全宽度，为向下取整；
[0035]
步骤4.2、定义方向i上进口道的非机动车左转专用道车道数为mi，并初始化mi＝m-1；定义方向i+2上进口道的非机动车左转专用道车道数为m
i+2
，并初始化m
i+2
＝m-1；
[0036]
步骤4.3、利用式(6)计算方向i上进口道的非机动车左转专用车道宽度和方向i+2上进口道的非机动车左转专用车道宽度
[0037][0038]
步骤4.4、获取相关数据：非机动车流起点和终点的直线距离l，第t个周期方向i上进口道的左转相位绿灯时长tg(t)和左转相位红灯时长tr(t)，第t个周期下方向i上进口道的左转机动车辆的到达率第t个周期下方向i+2上进口道的左转机动车辆的到达率第t个周期下方向i上进口道的左转非机动车辆的到达率第t个周期下方向i
+2上进口道的左转非机动车辆的到达率
[0039]
步骤4.5、利用公式(7)计算第t个周期左转相位红灯时长tr(t)内方向i上进口道积累的左转机动车辆数第t个周期左转相位红灯时长tr(t)内方向i+2上进口道积累的左转机动车辆数
[0040][0041]
利用式(8)计算第t个周期左转相位红灯时长tr(t)内方向i上进口道的左转非机动车辆数第t个周期左转相位红灯时长tr(t)内方向i+2上进口道的左转非机动车辆数
[0042][0043]
利用式(9)计算第t个周期下方向i上进口道的非机动车并行排队车辆数第t个周期下方向i+2上进口道的非机动车并行排队车辆数
[0044][0045]
步骤4.6、根据式(10)计算第t个周期下方向i上进口道的左转非机动车流的最大膨胀宽度wi(t)、第t个周期下方向i+2上进口道的左转非机动车流的最大膨胀宽度w
i+2
(t)：
[0046][0047]
式(10)中，为影响方向i上的最大膨胀宽度的常数项，为影响方向i+2上的最大膨胀宽度的常数项，为影响方向i上的最大膨胀宽度的第j类因素的系数，为影响方向i+2上的最大膨胀宽度的第j类因素的系数；
[0048]
步骤5、确定左转非机动车流轨迹之间的最短距离及判断其是否满足安全间距要求：
[0049]
步骤5.1、左转非机动车流的最大膨胀宽度发生在左转车流的中间区域，双向左转非机动车流之间的最短间距也处于中间区域，而双向左转非机动车流之间最危险情况也即为左转车流的最大膨胀宽度发生在车流轨迹之间的最短间距处，利用式(11)得到第t个周期下方向i的非机动车流的左转轨迹与方向i+2的非机动车流的左转轨迹之间的最短距离w(t)
min
：
[0050][0051]
式(11)中，表示方向i的非机动车流的左转轨迹上点的坐标，且是最危险情
况下方向i上进口道的左转非机动车流最大膨胀宽度wi(t)所形成的点；表示方向i+2的非机动车流的左转轨迹上点的坐标，且是最危险情况下方向i+2上进口道的左转非机动车流最大膨胀宽度w
i+2
(t)所形成的点；
[0052]
步骤5.2、若式(12)成立，则进入步骤8；若式(12)不成立，进入步骤6；
[0053]
w(t)
min
＞wi(t)+w
i+2
(t)+d
nmv-nmv (12)
[0054]
式(12)中，d
nmv-nmv
表示非机动车辆行进过程中的横向安全宽度；
[0055]
步骤6、调整非机动车左转专用车道数来保障双向进口道非机动车左转膨胀空间安全；
[0056]
步骤6.1、利用式(13)计算第t个周期内左转相位红灯时间内非机动车来车数在左转相位绿灯时间内完全通过交叉口所需要的设置的方向i上的非机动车左转专用道数ki(t)和方向i+2上的非机动车左转专用道数k
i+2
(t)；
[0057][0058]
式(13)中，c为一条非机动车道的路段最大通行能力；为向上取整；
[0059]
步骤6.2、若mi＞ki(t)且m
i+2
＞k
i+2
(t)，则根据式(14)和式(15)进行赋值操作后，返回步骤4.3顺序执行；
[0060][0061][0062]
步骤6.3、若mi＞ki(t)且m
i+2
≤k
i+2
(t)，则根据式(14)进行赋值操作后，返回步骤4.3顺序执行；
[0063]
步骤6.4、若mi≤ki(t)且m
i+2
＞k
i+2
(t)，则根据式(15)进行赋值操作后，返回步骤4.3顺序执行；
[0064]
步骤6.5、若mi≤ki(t)且m
i+2
≤k
i+2
(t)，则执行步骤7；
[0065]
步骤7、根据式(16)进行赋值操作后，返回步骤4.4顺序执行；
[0066]
tr(t)
←
tr(t)-δt(16)
[0067]
式(16)中，δt为一个红灯时间步长；
[0068]
步骤8、利用式(17)计算每一条左转专用车道发光道钉启用长度：
[0069]
lq(t)＝tg(t)
·c·
l
s (17)
[0070]
式(17)中，lq(t)表示第t个周期每一条左转专用车道发光道钉启用长度；ls表示一辆非机动车安全停放长度；
[0071]
步骤9、坐标轴以原点为旋转中心顺时针旋转90
°
，将y轴反方向记为非机动车所在方向i，并按照顺时针方向将余下三个方向依次编号为i+1、i+2、i+3，从而按照步骤2～步骤
8的顺序调控交叉口未调控的进口道的非机动车辆的膨胀宽度；
[0072]
步骤10、将t+1赋值给t后，返回步骤1顺序执行，从而调控下一个周期交叉口的非机动车辆的膨胀宽度。
[0073]
本发明一种非机动车左转专用道调控设备的特点在于，接收并存储无线通信方式传输过来的数据，在交叉口处建立平面直角坐标系，并利用已知数据计算所述的机动车轨迹以及非机动车轨迹方程；建立一个非机动车流左转最大膨胀宽度和其影响因素之间的数理关系，即多元回归方程，并得出最大膨胀宽度；从而根据对向非机动车轨迹最短间距要求，判断是否需要调整非机动车左转专用道数量或者调节左转相位红灯时长，利用无线通信方式反馈给发光道钉或者智能信号机。
[0074]
与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在：
[0075]
1、本发明通过路侧智能采集设备和信息处理中心之间的信息交互实时获取并处理相关数据，判断双向非机动车轨迹之间最短距离是否满足最低要求，在保证交通运行安全的前提下，动态控制非机动车左转专用车道条数和红灯时长以控制非机动车流的膨胀宽度，减少了交叉口处双向非机动车流之间的冲突，提高了非机动车左转膨胀空间的安全和高道路通行能力。
[0076]
2、本发明从非机动车角度出发，根据不同的场景采用不同的判定条件来判断每一周期下的非机动车左转专用车道条数以及是否需要调整红灯时长，提高了判别的准确性。
[0077]
3、本发明利用发光道钉实现了非机动车左转专用车道数的动态变化，克服了传统交通环境下非机动车道静态分配的不足，提高了道路的通行能力。
附图说明
[0078]
图1为本发明的总体流程图；
[0079]
图2为本发明的细节流程图；
[0080]
图3为本发明的交叉口示意图；
[0081]
图4为本发明的非机动车道细节图。
具体实施方式
[0082]
在本实施例中，实施场景为十字形信号交叉口且只有一条左转专用道，但本发明的技术思路不仅限于十字形交叉口以及单条左转非机动车道，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。本实施例中，如图1所示，为减少双向非机动车之间的冲突，提高交通运行的安全性和道路的整体通行能力，一种基于骑行交通流膨胀特性的非机动车左转专用道调控方法，是按照以下步骤进行的：
[0083]
步骤1、无线通信技术将路侧智能采集设备采集的道路基本情况传输给信息处理中心，信息处理中心在该交叉口建立合适的直角坐标系，如图3所示，建立平面直角坐标系：
[0084]
将十字形交叉口任一方向编号为i，并按照顺时针方向将余下三个方向依次编号为i+1、i+2、i+3，以信号交叉口中心点作为原点o，将方向i+3上出口道车辆的行驶方向作为x轴的正方向，并反向延伸，将方向i+2上出口道车辆的行驶方向作为y轴的正方向，并反向延伸，从而建立平面直角坐标系xoy；
[0085]
步骤2、信息处理中心建立如图3所示的平面直角坐标系之后，按如下步骤确定方向i和方向i+2的左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点坐标：
[0086]
步骤2.1、以方向i上进口道的机动车左转专用道停止线中点位置作为左转机动车行驶轨迹的起点s0，所述左转机动车行驶轨迹的终点e0在方向i+1上的出口道最外侧机动车道上，将终点e0与方向i上的进口道的停止线的垂线距离作为半径，所述起点s0与终点e0之间的圆弧作为方向i上的左转机动车行驶轨迹；
[0087]
步骤2.2、方向i上左转机动车行驶轨迹的圆心与交叉口对角线之间的垂线在圆弧上所形成的交点作为方向i上左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点o1，切点坐标为
[0088]
步骤2.3、以方向i+2上进口道的机动车左转专用道停止线中点位置作为左转机动车行驶轨迹的起点s0′
，所述左转机动车行驶轨迹的终点e0′
在方向i+3上的出口道最外侧机动车道上，将终点e0′
与方向i+2上的进口道的停止线的垂线距离作为半径，所述起点s0′
与终点e0′
之间的圆弧作为方向i+2上的左转机动车行驶轨迹；
[0089]
步骤2.4、方向i+2上左转机动车行驶轨迹的圆心与交叉口对角线之间的垂线在圆弧上所形成的交点作为方向i+2上左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点o2，切点坐标为
[0090][0091]
步骤3、确定方向i和方向i+2的非机动车流左转轨迹方程：
[0092]
步骤3.1、通过路侧智能采集设备获取交叉口相关数据：交叉口路缘石转弯半径为rr，非机动车道宽度为l
nmv
，机动车道宽度为lv；
[0093]
步骤3.2、确定方向i的非机动车流左转轨迹方程：
[0094]
步骤3.2.1、信息处理中心跟路侧智能采集设备进行信息交互，如图3所示，将方向i上进口道的机非分隔线与方向i上进口道的停止线交点作为左转非机动车流的起点s1，该起点s1在平面直角坐标系xoy下的坐标为
[0095]
s1(nlv,-nl
v-l
nmv-rr)；将方向i+1上进口道的停止线与方向i+1上出口道的机非分隔线的交点作为左转非机动车流的终点e1，该终点e1在平面直角坐标系xoy下的坐标为e1(-nl
v-l
nmv-rr,nlv)；
[0096]
步骤3.2.2、利用式(1)得到方向i上进口道的左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点坐标o1′
(x,y)；
[0097][0098]
式(1)中，(x,y)表示方向i上进口道左转非机动车流轨迹相对于所述原点o处的切点在平面直角坐标系下的位置坐标；d
v-nmv
表示车辆行进过程中的横向安全宽度；
[0099]
步骤3.2.3、将由起点s1、终点e1和切点o1′
拟合的二次函数作为方向i的非机动车流的左转轨迹；其中，二次函数的二次项系数a1、一次项系数b1和常数项c1由式(2)得到：
[0100][0101]
步骤3.3、确定方向i+2的非机动车流左转轨迹方程：
[0102]
步骤3.3.1、信息处理中心跟路侧智能采集设备进行信息交互，如图3所示，将方向i+2上进口道的机非分隔线与方向i+2上进口道的停止线交点作为左转非机动车流的起点s1′
，该起点s1′
在平面直角坐标系xoy下的坐标为
[0103]
s1′
(-nlv,nlv+l
nmv
+rr)；将方向i+3上进口道的停止线与方向i+3上出口道的机非分隔线的交点作为左转非机动车流的终点e1′
，该终点e1′
在平面直角坐标系xoy下的坐标为e1′
(nlv+l
nmv
+rr,-nlv)；
[0104]
步骤3.3.2、利用式(3)得到方向i+2上进口道的左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点坐标o2′
(x
′
,y
′
)；
[0105][0106]
式(3)中，(x
′
,y
′
)表示方向i+2上进口道左转非机动车流轨迹相对于所述原点o处的切点在平面直角坐标系下的位置坐标；
[0107]
步骤3.3.3、将由起点s1′
、终点e1′
和切点o2′
拟合的二次函数作为方向i+2的非机动车流的左转轨迹；其中，二次函数的二次项系数a2、一次项系数b2和常数项c2由式(4)得到：
[0108][0109]
步骤4、确定方向i和方向i+2左转非机动车流的最大膨胀宽度：
[0110]
步骤4.1、利用式(5)求出非机动车车道数m：
[0111][0112]
式(5)中，l0表示交叉口单辆非机动车行驶的安全宽度，为向下取整；
[0113]
步骤4.2、信息处理中心定义方向i上进口道的非机动车左转专用道车道数为mi，并根据细节流程图2初始化mi＝m-1；定义方向i+2上进口道的非机动车左转专用道车道数为m
i+2
，并根据细节流程图2初始化m
i+2
＝m-1；
[0114]
步骤4.3、信息处理中心利用式(6)计算方向i上进口道的非机动车左转专用车道
宽度和方向i+2上进口道的非机动车左转专用车道宽度
[0115][0116]
步骤4.4、通过路侧智能采集设备获取相关数据：非机动车流起点和终点的直线距离l，第t个周期方向i上进口道的左转相位绿灯时长tg(t)和左转相位红灯时长tr(t)，第t个周期下方向i上进口道的左转机动车辆的到达率第t个周期下方向i+2上进口道的左转机动车辆的到达率第t个周期下方向i上进口道的左转非机动车辆的到达率第t个周期下方向i+2上进口道的左转非机动车辆的到达率
[0117]
步骤4.5、利用公式(7)计算第t个周期左转相位红灯时长tr(t)内方向i上进口道积累的左转机动车辆数第t个周期左转相位红灯时长tr(t)内方向i+2上进口道积累的左转机动车辆数
[0118][0119]
利用式(8)计算第t个周期左转相位红灯时长tr(t)内方向i上进口道的左转非机动车辆数第t个周期左转相位红灯时长tr(t)内方向i+2上进口道的左转非机动车辆数
[0120][0121]
利用式(9)计算第t个周期下方向i上进口道的非机动车并行排队车辆数第t个周期下方向i+2上进口道的非机动车并行排队车辆数
[0122][0123]
步骤4.6、在红灯期间内，所有的非机动车在停止线后排队等候，当被给予通行权后，非机动车急于在有限的绿灯时间内优先通过路口，非机动车流会像流体一般向两边扩散，最后车流轨迹整体呈纺锤形分布。信息处理中心根据影响非机动车膨胀宽度的相关显著性变量左转非机动车辆数、非机动车排队并行数、左转机动车辆数、非机动车道宽度、左转绿灯信号时长和非机动车流起点和终点的直线距离建立一个左转非机动车流膨胀宽度回归模型来反映一个因变量和多个自变量间的数理关系。即根据式(10)计算第t个周期下方向i上进口道的左转非机动车流的最大膨胀宽度wi(t)、第t个周期下方向i+2上进口道的左转非机动车流的最大膨胀宽度w
i+2
(t)：
[0124][0125]
式(10)中，为影响方向i上的最大膨胀宽度的常数项，为影响方向i+2上的最大膨胀宽度的常数项，为影响方向i上的最大膨胀宽度的第j类因素的系数，为影响方向i+2上的最大膨胀宽度的第j类因素的系数；
[0126]
步骤5、确定左转非机动车流轨迹之间的最短距离及判断其是否满足安全间距要求：
[0127]
步骤5.1、左转非机动车流的最大膨胀宽度发生在左转车流的中间区域，双向左转非机动车流之间的最短间距也处于中间区域，而双向左转非机动车流之间最危险情况也即为左转车流的最大膨胀宽度发生在车流轨迹之间的最短间距处，连接方向i上进口道左转非机动车流起点和方向i+2上进口道左转非机动车流终点，信息处理中心以千分之一为步长沿垂直于交叉口对角线方向平移该连线，寻找出符合最短间距的两点，即利用式(11)得到第t个周期下方向i的非机动车流的左转轨迹与方向i+2的非机动车流的左转轨迹之间的最短距离w(t)
min
：
[0128][0129]
式(11)中，表示方向i的非机动车流的左转轨迹上点的坐标，且是最危险情况下方向i上进口道的左转非机动车流最大膨胀宽度wi(t)所形成的点；表示方向i+2的非机动车流的左转轨迹上点的坐标，且是最危险情况下方向i+2上进口道的左转非机动车流最大膨胀宽度w
i+2
(t)所形成的点；
[0130]
步骤5.2、若式(12)成立，则进入步骤8；若式(12)不成立，进入步骤6；
[0131]
w(t)
min
＞wi(t)+w
i+2
(t)+d
nmv-nmv (12)
[0132]
式(12)中，d
nmv-nmv
表示非机动车辆行进过程中的横向安全宽度；
[0133]
步骤6、当对向非机动车轨迹之间的间距不满足情况时，信息处理中心通过计算来调整非机动车左转专用车道数来保障双向进口道非机动车左转膨胀空间安全；
[0134]
步骤6.1、利用式(13)计算第t个周期内左转相位红灯时间内非机动车来车数在左转相位绿灯时间内完全通过交叉口所需要的设置的方向i上的非机动车左转专用道数ki(t)和方向i+2上的非机动车左转专用道数k
i+2
(t)；
[0135][0136]
式(13)中，c为一条非机动车道的路段最大通行能力；为向上取整；
[0137]
步骤6.2、根据细节流程图2可知，若mi＞ki(t)且m
i+2
＞k
i+2
(t)，则根据式(14)和式
(15)进行赋值操作后，返回步骤4.3顺序执行；
[0138][0139][0140]
步骤6.3、根据细节流程图2可知，若mi＞ki(t)且m
i+2
≤k
i+2
(t)，则根据式(14)进行赋值操作后，返回步骤4.3顺序执行；
[0141]
步骤6.4、根据细节流程图2可知，若mi≤ki(t)且m
i+2
＞k
i+2
(t)，则根据式(15)进行赋值操作后，返回步骤4.3顺序执行；
[0142]
步骤6.5、根据细节流程图2可知，若mi≤ki(t)且m
i+2
≤k
i+2
(t)，则执行步骤7；
[0143]
步骤7、根据式(16)进行赋值操作后，返回步骤4.4顺序执行；
[0144]
tr(t)
←
tr(t)-δt(16)
[0145]
式(16)中，δt为一个红灯时间步长；
[0146]
步骤8、信息处理中心利用式(17)计算每条左转专用车道发光道钉启用长度，具体形式可见图4：
[0147]
lq(t)＝tg(t)
·c·
l
s (17)
[0148]
式(17)中，lq(t)表示第t个周期每一条左转专用车道发光道钉启用长度；ls表示一辆非机动车安全停放长度；
[0149]
本实施例中，一种基于骑行交通流膨胀特性的非机动车左转专用道调控装置，是通过无线通信技术将路侧智能采集设备、信息处理中心、发光道钉和智能信号机连接起来，实现了信息的实时交互，提高信息的传递效率，具体包括：
[0150]
一种路侧智能采集设备，能快速准确地采集交叉口道路几何特征相关数据以及车流量等数据，利用无线通信技术发送信息处理中心。
[0151]
一种发光道钉是均匀地设置在各方向上的每条进口非机动车道上，在接收到信息处理中心的计算结果后，快速地做出反应，开启左转专用车道上的发光道钉。
[0152]
一种智能信号机，是在双向非机动车道数不能改变的情况下，智能调节左转相位红灯时间步长以改变膨胀宽度，保障双向非机动车左转膨胀空间的安全。
[0153]
一信息处理中心，是接收并存储无线通信技术传输过来的数据，在交叉口处建立合适的平面直角坐标系，利用已知数据计算网联车轨迹以及非机动车轨迹方程；建立一个非机动车流左转最大膨胀宽度和其影响因素之间的数理关系，即多元回归方程，且得出最大膨胀宽度；并根据对向非机动车轨迹最短间距要求，判断是否需要调整非机动车左转专用道数量或者调节左转相位红灯时长，利用无线通信技术反馈给发光道钉或者智能信号机。

技术特征：
1.一种基于骑行交通流膨胀特性的非机动车左转专用道调控方法，其应用场景是网联环境下的十字形信号交叉口，所述网联环境下的机动车为网联自动驾驶车辆，非机动车为非网联车辆；在所述十字形交叉口处设置专用左转相位的四相位信号灯，以控制交叉口四个方向的机动车和非机动车；所述交叉口处的每个方向上的车道通过双黄线划分为进口道和出口道，并将每个进口道和出口道通过白色标线各划分为n条机动车道和m条非机动车道，且每个方向的进口道上有一条机动车左转专用车道，发光道钉布设在每个方向进口道上的m+1条非机动车道线上；其特征在于，所述动态调控方法包括以下步骤：步骤1、建立平面直角坐标系：将十字形交叉口任一方向编号为i，并按照顺时针方向将余下三个方向依次编号为i+1、i+2、i+3，以信号交叉口中心点作为原点o，将方向i+3上出口道车辆的行驶方向作为x轴的正方向，并反向延伸，将方向i+2上出口道车辆的行驶方向作为y轴的正方向，并反向延伸，从而建立平面直角坐标系xoy；步骤2、确定方向i和方向i+2的左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点坐标：步骤2.1、以方向i上进口道的机动车左转专用道停止线中点位置作为左转机动车行驶轨迹的起点s0，所述左转机动车行驶轨迹的终点e0在方向i+1上的出口道最外侧机动车道上，将终点e0与方向i上的进口道的停止线的垂线距离作为半径，所述起点s0与终点e0之间的圆弧作为方向i上的左转机动车行驶轨迹；步骤2.2、方向i上左转机动车行驶轨迹的圆心与交叉口对角线之间的垂线在圆弧上所形成的交点作为方向i上左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点o1，切点坐标为步骤2.3、以方向i+2上进口道的机动车左转专用道停止线中点位置作为左转机动车行驶轨迹的起点s0′
，所述左转机动车行驶轨迹的终点e0′
在方向i+3上的出口道最外侧机动车道上，将终点e0′
与方向i+2上的进口道的停止线的垂线距离作为半径，所述起点s0′
与终点e0′
之间的圆弧作为方向i+2上的左转机动车行驶轨迹；步骤2.4、方向i+2上左转机动车行驶轨迹的圆心与交叉口对角线之间的垂线在圆弧上所形成的交点作为方向i+2上左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点o2，切点坐标为步骤3、确定方向i和方向i+2的非机动车流左转轨迹方程：步骤3.1、获取交叉口相关数据：交叉口路缘石转弯半径为r
r
，非机动车道宽度为l
nmv
，机动车道宽度为l
v
；步骤3.2、确定方向i的非机动车流左转轨迹方程：步骤3.2.1、将方向i上进口道的机非分隔线与方向i上进口道的停止线交点作为左转非机动车流的起点s1，该起点s1在平面直角坐标系xoy下的坐标为s1(nl
v
,-nl
v-l
nmv-r
r
)；将方向i+1上进口道的停止线与方向i+1上出口道的机非分隔线的交点作为左转非机动车流的终点e1，该终点e1在平面直角坐标系xoy下的坐标为e1(-nl
v-l
nmv-r
r
,nl
v
)；步骤3.2.2、利用式(1)得到方向i上进口道的左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点坐标o1′
(x,y)；
式(1)中，(x,y)表示方向i上进口道左转非机动车流轨迹相对于所述原点o处的切点在平面直角坐标系下的位置坐标；d
v-nmv
表示车辆行进过程中的横向安全宽度；步骤3.2.3、将由起点s1、终点e1和切点o1′
拟合的二次函数作为方向i的非机动车流的左转轨迹；其中，二次函数的二次项系数a1、一次项系数b1和常数项c1由式(2)得到：步骤3.3、确定方向i+2的非机动车流左转轨迹方程：步骤3.3.1、将方向i+2上进口道的机非分隔线与方向i+2上进口道的停止线交点作为左转非机动车流的起点s1′
，该起点s1′
在平面直角坐标系xoy下的坐标为s1′
(-nl
v
,nl
v
+l
nmv
+r
r
)；将方向i+3上进口道的停止线与方向i+3上出口道的机非分隔线的交点作为左转非机动车流的终点e1′
，该终点e1′
在平面直角坐标系xoy下的坐标为e1′
(nl
v
+l
nmv
+r
r
,-nl
v
)；步骤3.3.2、利用式(3)得到方向i+2上进口道的左转机动车轨迹相对于所述原点o的切点坐标o2′
(x
′
,y
′
)；式(3)中，(x
′
,y
′
)表示方向i+2上进口道左转非机动车流轨迹相对于所述原点o处的切点在平面直角坐标系下的位置坐标；步骤3.3.3、将由起点s1′
、终点e1′
和切点o2′
拟合的二次函数作为方向i+2的非机动车流的左转轨迹；其中，二次函数的二次项系数a2、一次项系数b2和常数项c2由式(4)得到：步骤4、确定方向i和方向i+2左转非机动车流的最大膨胀宽度：步骤4.1、利用式(5)求出非机动车车道数m：式(5)中，l0表示交叉口单辆非机动车行驶的安全宽度，为向下取整；
步骤4.2、定义方向i上进口道的非机动车左转专用道车道数为m
i
，并初始化m
i
＝m-1；定义方向i+2上进口道的非机动车左转专用道车道数为m
i+2
，并初始化m
i+2
＝m-1；步骤4.3、利用式(6)计算方向i上进口道的非机动车左转专用车道宽度和方向i+2上进口道的非机动车左转专用车道宽度进口道的非机动车左转专用车道宽度步骤4.4、获取相关数据：非机动车流起点和终点的直线距离l，第t个周期方向i上进口道的左转相位绿灯时长t
g
(t)和左转相位红灯时长t
r
(t)，第t个周期下方向i上进口道的左转机动车辆的到达率第t个周期下方向i+2上进口道的左转机动车辆的到达率第t个周期下方向i上进口道的左转非机动车辆的到达率第t个周期下方向i+2上进口道的左转非机动车辆的到达率步骤4.5、利用公式(7)计算第t个周期左转相位红灯时长t
r
(t)内方向i上进口道积累的左转机动车辆数第t个周期左转相位红灯时长t
r
(t)内方向i+2上进口道积累的左转机动车辆数机动车辆数利用式(8)计算第t个周期左转相位红灯时长t
r
(t)内方向i上进口道的左转非机动车辆数第t个周期左转相位红灯时长t
r
(t)内方向i+2上进口道的左转非机动车辆数(t)内方向i+2上进口道的左转非机动车辆数利用式(9)计算第t个周期下方向i上进口道的非机动车并行排队车辆数第t个周期下方向i+2上进口道的非机动车并行排队车辆数周期下方向i+2上进口道的非机动车并行排队车辆数步骤4.6、根据式(10)计算第t个周期下方向i上进口道的左转非机动车流的最大膨胀宽度w
i
(t)、第t个周期下方向i+2上进口道的左转非机动车流的最大膨胀宽度w
i+2
(t)：式(10)中，为影响方向i上的最大膨胀宽度的常数项，为影响方向i+2上的最大
膨胀宽度的常数项，为影响方向i上的最大膨胀宽度的第j类因素的系数，为影响方向i+2上的最大膨胀宽度的第j类因素的系数；步骤5、确定左转非机动车流轨迹之间的最短距离及判断其是否满足安全间距要求：步骤5.1、左转非机动车流的最大膨胀宽度发生在左转车流的中间区域，双向左转非机动车流之间的最短间距也处于中间区域，而双向左转非机动车流之间最危险情况也即为左转车流的最大膨胀宽度发生在车流轨迹之间的最短间距处，利用式(11)得到第t个周期下方向i的非机动车流的左转轨迹与方向i+2的非机动车流的左转轨迹之间的最短距离w(t)
min
：式(11)中，表示方向i的非机动车流的左转轨迹上点的坐标，且是最危险情况下方向i上进口道的左转非机动车流最大膨胀宽度w
i
(t)所形成的点；表示方向i+2的非机动车流的左转轨迹上点的坐标，且是最危险情况下方向i+2上进口道的左转非机动车流最大膨胀宽度w
i+2
(t)所形成的点；步骤5.2、若式(12)成立，则进入步骤8；若式(12)不成立，进入步骤6；w(t)
min
＞w
i
(t)+w
i+2
(t)+d
nmv-nmv (12)式(12)中，d
nmv-nmv
表示非机动车辆行进过程中的横向安全宽度；步骤6、调整非机动车左转专用车道数来保障双向进口道非机动车左转膨胀空间安全；步骤6.1、利用式(13)计算第t个周期内左转相位红灯时间内非机动车来车数在左转相位绿灯时间内完全通过交叉口所需要的设置的方向i上的非机动车左转专用道数k
i
(t)和方向i+2上的非机动车左转专用道数k
i+2
(t)；式(13)中，c为一条非机动车道的路段最大通行能力；为向上取整；步骤6.2、若m
i
＞k
i
(t)且m
i+2
＞k
i+2
(t)，则根据式(14)和式(15)进行赋值操作后，返回步骤4.3顺序执行；骤4.3顺序执行；步骤6.3、若m
i
＞k
i
(t)且m
i+2
≤k
i+2
(t)，则根据式(14)进行赋值操作后，返回步骤4.3顺序执行；步骤6.4、若m
i
≤k
i
(t)且m
i+2
＞k
i+2
(t)，则根据式(15)进行赋值操作后，返回步骤4.3顺
序执行；步骤6.5、若m
i
≤k
i
(t)且m
i+2
≤k
i+2
(t)，则执行步骤7；步骤7、根据式(16)进行赋值操作后，返回步骤4.4顺序执行；t
r
(t)
←
t
r
(t)-δt(16)式(16)中，δt为一个红灯时间步长；步骤8、利用式(17)计算每一条左转专用车道发光道钉启用长度：l
q
(t)＝t
g
(t)
·
c
·
l
s (17)式(17)中，l
q
(t)表示第t个周期每一条左转专用车道发光道钉启用长度；l
s
表示一辆非机动车安全停放长度；步骤9、坐标轴以原点为旋转中心顺时针旋转90
°
，将y轴反方向记为非机动车所在方向i，并按照顺时针方向将余下三个方向依次编号为i+1、i+2、i+3，从而按照步骤2～步骤8的顺序调控交叉口未调控的进口道的非机动车辆的膨胀宽度；步骤10、将t+1赋值给t后，返回步骤1顺序执行，从而调控下一个周期交叉口的非机动车辆的膨胀宽度。2.一种非机动车左转专用道调控设备，其特征在于，接收并存储无线通信方式传输过来的数据，在交叉口处建立平面直角坐标系，并利用已知数据计算权利要求1所述的机动车轨迹以及非机动车轨迹方程；建立一个非机动车流左转最大膨胀宽度和其影响因素之间的数理关系，即多元回归方程，并得出最大膨胀宽度；从而根据对向非机动车轨迹最短间距要求，判断是否需要调整非机动车左转专用道数量或者调节左转相位红灯时长，利用无线通信方式反馈给发光道钉或者智能信号机。

技术总结
本发明公开了一种基于骑行交通流膨胀特性的非机动车左转专用道调控方法，适用于受四相位信号灯控制的非机动车左转一次过街的十字交叉口，该交叉口由发光道钉区分非机动车左转专用道和直右专用道，并包括：1建立平面直角坐标系；2找到左转机动车轨迹相对于信号交叉口中心点处的切点坐标以确定非机动车流的左转轨迹；3确定左转非机动车流的最大膨胀宽度以及轨迹之间的最短距离；4根据间距要求动态调整非机动车左转专用车道的数量和红灯时长。本发明能有助于减少交叉口处非机动车之间的冲突，提高交叉口处非机动车左转安全以及通行能力，为信号交叉口左转非机动车的交通组织优化提供方法支撑。化提供方法支撑。化提供方法支撑。


技术研发人员：张卫华 甘杨阳 柏海舰 张凡 施康 田立斌 朱文佳 祝凯
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/7/19