非机动车闯红灯行为的异型信号交叉口通行能力模型修整系数算法

本发明涉及非机动车闯红灯行为的异型信号交叉口通行能力模型修整系数算法，属于交通工程。

背景技术：

1、交叉口是道路交通网络中的重要节点，各种方向和类型的交通流在此汇聚，交通冲突严重.受地形、建筑等因素影响，异型交叉口在城市中较为常见.根据《中国重点城市道路网结构画像报告》异型交叉口在城市交叉口中占比38.8％.由于其形状不规则、车道线形不流畅及视距不理想等，相较于常规交叉口，其交通组织难度更大，通行能力更加不足，更易成为交通拥堵和事故易发点.信号异型交叉口常通过时间分隔来化解机非冲突，然而非机动车具有灵活性高及违章成本低等特点，因此闯红灯行为频发.这不仅增加事故风险，还会对异型交叉口的通行能力造成严重影响.

2、陈晓明等分别在行人及非机动车影响情况下对信号交叉口的通行能力进行研究；孙锋等基于排队论和间隙理论对直线式和港湾式公交站点影响下的路段通行能力进行研究；秦丽辉等对平行式公交停靠干扰条件下的城市干路通行能力及自行车干扰情况下城市主、次干路的通行能力展开研究；叶晓飞等研究了路内停车对非机动车道通行能力的影响；zhao等则提出了路边停车对交叉口通行能力影响的量化模型；成卫等及mathew等分别运用间隙接受理论、修正hcm方程探究了混合交通流条件下环形交叉口的通行能力；黄艳国等基于车头时距修正系数建立非机动车干扰下信号交叉口通行能力模型；hong等为探究交通事故发生后城市快速路的通行能力，提出了基于vissim通行能力评价法；王嘉文等则基于多层模糊模型对交通事件影响下的路段通行能力进行研究；alshabibi等研究了纽约市短期工作区对信号交叉口通行能力的影响；kota等研究了混合交通下右转车辆对城市无控制交叉口通行能力的影响.现有的通行能力研究绝大多数是关于路段或者正常交叉口，对于异型交叉口的研究较少，关于非机动车闯红灯行为情况下异型交叉口通行能力的研究则更少，因此，弥补这一空白具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明提供一种非机动车闯红灯行为的异型信号交叉口通行能力模型修整系数算法，为异型信号交叉口的组织优化和信号配时提供了重要的参考。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、非机动车闯红灯行为的异型信号交叉口通行能力模型修整系数算法，具体包括以下步骤：

4、步骤s1：数据的采集与整理，针对异型交叉口，收集异型交叉口的基本信息、非机动车违章行为数据以及有无非机动车违章行为影响下机动车数据；

5、步骤s2：根据步骤s1收集的非机动车违章行为数据，分析非机动车违章行为时空特征，所述时空特征包括时间特征以及空间特征，即从时间特征以及空间特征两个角度进行分析，并将分析的因素作为对机动车车流的可能影响因素，对这些可能影响因素进行初步筛选，筛选得到对机动车饱和车流造成影响的关键影响因素；

6、步骤s3：以步骤s1中收集的有无非机动车违章行为影响下机动车数据为基础，对步骤s2中筛选得到的关键影响因素分别进行分析，得到不同关键影响因素对有无非机动车违章行为影响下机动车运行特征的影响系数；

7、步骤s4：对步骤s3中不同的影响系数进行整合，确定机动车饱和车头时距和加速损失时间的修正系数，建立非机动车违章行为影响下的信号控制异型交叉口通行能力修正模型；

8、步骤s5：对建立的通行能力修正模型进行验证；

9、作为本发明的进一步优选，步骤s1中，异型交叉口是指在交叉口位置中，其中一个道路夹角小于75°；

10、异型交叉口的基本信息包括根据道路夹角及转向将车道分为小角度左转车道、大角度左转车道、小角度右转车道以及大角度右转车道；

11、还包括周期、相位、黄灯时长、绿灯时长以及红灯时长，提供计算有效绿灯时间所需要的各种参数；

12、非机动车违章行为数据包括非机动车在通行权和非通行权时，非机动车类型、非机动车到达时刻、非机动车违章时刻、非机动车停止违章时刻、违章距离、违章持续时长以及机动车平均饱和车头时距；

13、机动车数据包括机动车类型、机动车到达停止线时刻以及有无违章非机动车；

14、作为本发明的进一步优选，步骤s1中，以信号灯相位为单位，通过机动车到达停止线时刻计算得到两辆机动车的车头时距、启动损失时间、加速时间及清道时间；

15、违章距离为非机动车前端距机动车车流的最短距离；

16、违章持续时长为非机动车违章时刻与非机动车停止违章时刻的差；

17、根据采集到的车头时距，对每个相位中每一排队机动车的平均车头时距进行统计分析，若相邻位置排队机动车的平均车头时距没有显著差异，则认为车头时距在该位置后保持稳定，即此后的车头时距平均值为饱和车头时距，并以此饱和车头时距为基础判断不同类型车道车流达到饱和车流时的机动车位置；

18、作为本发明的进一步优选，步骤s2中，所述时间特征包括非机动车违章开始时刻以及非机动车违章持续时长比，空间特征包括非机动车相对位置、非机动车群体违章数量以及违章距离；

19、将上述时间特征以及空间特征作为研究非机动车违章行为对机动车饱和车头时距的可能影响因素，采用二项logistic回归模型进行因素筛选，得到对机动车饱和车流造成影响的关键影响因素包括非机动车相对位置、非机动车群体违章数量、违章持续时长比以及违章距离；

20、作为本发明的进一步优选，违章持续时长比为非机动车违章持续时长与非机动车违章时相应红灯相位时长之比；

21、定义违章持续时长比为λ，非机动车违章持续时间为t1，单位为s，非机动车违章时相应红灯相位时长为t2，单位为s，则计算公式为：

22、

23、作为本发明的进一步优选，步骤s3中，将非机动车违章行为对机动车车流的影响分为内侧影响和外侧影响，采用k均值聚类法以及数据拟合法对步骤s2中筛选得到的关键影响因素分析，得到饱和车头时距影响系数，所述饱和车头时距影响系数包括不同违章持续时长比对于饱和车头时距的影响系数、违章距离对饱和车头时距的影响系数；

24、以步骤s1中收集的有无非机动车违章行为影响下机动车数据为基础，采用数据拟合法对绿灯损失时间影响系数进行分析，得到机动车加速损失时间的影响系数；

25、作为本发明的进一步优选，采用k均值聚类法将对不同违章持续时长比对于饱和车头时距的影响进行分类，接着将不同类型车道的聚类成员区间进行合并处理，得到异型交叉口违章持续时长比为λ的四个范围，分别为λ∈[0,0.22)、λ∈[0.22,0.48)、λ∈[0.48,0.75)以及λ∈[0.75,1.5]；根据无违章情况下不同类型车道的饱和车头时距分别计算不同类型车道下四个范围的违章持续时长比对于饱和车头时距的影响系数；

26、采用weibull函数模型拟合不同类型车道内外侧违章距离对饱和车头时距的影响，函数表示为：

27、

28、公式中，h为机动车车流饱和车头时距，单位s；l为违章距离，单位m；a、b、c、k均为参数；

29、继续采用k均值聚类法对异型交叉口按照不同类型车道的违章距离进行分类，得到四个等级，分别为l∈[0,1.3)；l∈[1.3,2.2)；l∈[2.2,3.2)；l∈[3.2,4.5]；分别计算不同范围下不同类型车道饱和车头时距的影响系数；

30、采用线性模型对有无非机动车违章行为影响下的机动车启动时间进行数据拟合，确定机动车启动时间，公式为：

31、t启＝a×k+b

32、公式中，t启为排队车辆启动时间，单位s；k为排队车辆位于排队的位置；a、b为参数；

33、采用gompertz模型对机动车加速过程进行拟合，获得不同异型交叉口和不同违章影响组合下的不同类型车道的机动车加速时间，公式为：

34、

35、公式中，v(t)为机动车启动后的速度，单位m/s；t为机动车启动后时间序列，单位s；a、b、c为参数；

36、采集有无非机动车违章行为影响下最后一辆机动车通过停止线的时刻减去通行相位红灯亮起的时刻得清道损失时间，以样本期望值作为清道损失时间，公式为：

37、t清＝e(ta-tb)

38、式中：t清为清道损失时间，单位s；e为样本的期望值；ta为机动车通行相位红灯亮起时刻，单位s；tb为最后一辆机动车通过停止线时刻，单位s；

39、作为本发明的进一步优选，实际交叉口排队机动车启动加速过程中，需要一定时间才能达到饱和流状态，在黄灯时间内机动车便开始启动加速，因此黄灯时间也是有效绿灯时间的组成部分.同时由于受到非机动车违章行为的影响，机动车饱和车头时距及加速损失时间也应进行修正，最终在步骤s4中，建立的通行能力修正模型为：

40、

41、公式中，ci为一条车道的通行能力，单位pcu/h；n为t加时间内通过停车线的车辆数；t为周期时长，a为黄灯时间，tg为绿灯时间，t启为启动损失时间，t加为加速损失时间，t清为清道损失时间，h为饱和车头时距，单位均为s；为加速损失时间修正系数；为饱和车头时距修正系数；

42、作为本发明的进一步优选，机动车饱和车头时距的修正系数，公式如下：

43、

44、公式中，为饱和车头时距修正系数；ft为不同违章持续时长比对机动车饱和车头时距的影响系数；fl为不同违章距离比对机动车饱和车头时距的影响系数；

45、加速损失时间修正系数，公式如下：

46、

47、公式中，为加速损失时间修正系数；t加有为不同非机动车违章行为影响组合下的加速损失时间；t加无为无非机动车违章行为影响下的加速损失时间，无非机动车违章行为影响下的加速损失时间范围为λ∈[0,0.22)、l∈[3.2,4.5]；

48、作为本发明的进一步优选，步骤s5中，对通行能力修正模型的验证包括对通行能力修正模型进行实测通行能力和修正通行能力误差验证以及实测通行通能力和未修正通行能力误差验证。

49、通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

50、本发明提供的非机动车闯红灯行为的异型信号交叉口通行能力模型修整系数算法，充分考虑了异型交叉口非机动车违章的持续时间长短、交叉角度导致的转弯角度不同造成的转弯车道通行能力的不同以及绿灯损失的时间等实际工况，能够提高模型的预测精度。