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        針對施工期交叉口提出的排陣式信號控制設(shè)計優(yōu)化方法

        2018-10-17 09:12:26馬曉旦,秦旗
        物流科技 2018年10期
        關(guān)鍵詞:清空左轉(zhuǎn)綠燈

        0 引言

        城市占道施工的實施不僅會對施工路段本身產(chǎn)生影響,還會對周圍路網(wǎng)產(chǎn)生影響,對施工路段交通組織不到位,將會導(dǎo)致路網(wǎng)局部乃至全局的交通供求不平衡,從而引發(fā)交通擁擠加劇、交通事故增多、城市環(huán)境惡化、能源消耗增加的問題。為了更好地解決交叉口占道施工期間所帶來的交通擁堵等問題,深入系統(tǒng)地分析占道施工對于交叉口的影響就很有必要了。對此,作者參考了一些國內(nèi)外文獻(xiàn),對目前的研究現(xiàn)狀有了一定的了解,并做了相應(yīng)的歸納總結(jié)。下面主要從國外和國內(nèi)兩方面進(jìn)行介紹。

        國外相對于國內(nèi)而言,在此問題上研究起步較早,主要是針對于高速公路施工區(qū)的研究。研究方向也可以分為道路施工區(qū)交通流特性研究和施工區(qū)通行能力研究。在道路施工區(qū)交通流特性研究層面上,一批國外專家進(jìn)行了關(guān)于施工區(qū)車輛運行速度的詳細(xì)研究,研究結(jié)果表明施工區(qū)的車速取決于交通量、封閉車道的位置、交通控制方式和施工地點[1-4]。另外,也有從流量—速度關(guān)系研究,分析了典型道路施工區(qū)域的交通流特征[5-6]。在通行能力方面,文獻(xiàn)提出了許多影響因素,如封閉車道數(shù),車道封閉形式,大型車比例,距離封閉車道的側(cè)向距離,施工區(qū)長度,坡度,施工作業(yè)強(qiáng)度,臨時性的施工標(biāo)志標(biāo)線,駕駛員類型,施工作業(yè)持續(xù)時間,天氣情況以及作業(yè)時間等等[7-12]。

        國內(nèi)對于此類問題研究起步較晚,最早是對高速公路施工區(qū)的研究,而對于城市占道施工,則主要是從交通組織方向進(jìn)行研究。在通行能力研究方面,學(xué)者們以實際案例與仿真相結(jié)合,得出影響因素有大車率、坡度、施工區(qū)長度、施工區(qū)限速以及施工區(qū)封閉車道數(shù)等[13-17]。而交通組織方面,則是根據(jù)施工特點,提出了通過建立交通微循環(huán)系統(tǒng)改善施工地點周邊路網(wǎng)交通狀況的原則、方法和流程。

        綜上所述,目前城市占道施工交叉口通行能力計算的文獻(xiàn)較為豐富,有很多的參考模型,而對交叉口進(jìn)行優(yōu)化的文獻(xiàn)較少,對于如何提高施工期交叉口通行能力的針對性方案較為匱乏,面對施工區(qū)所占車道數(shù)的不同,存在很多的固定措施,缺乏靈活性,沒有充分利用好現(xiàn)有資源,造成浪費。面對現(xiàn)有文獻(xiàn)的不足,本文提出了基于預(yù)信號控制的非常規(guī)設(shè)計方法,在不進(jìn)行大量改建的前提下,充分利用現(xiàn)有資源,最大程度的優(yōu)化交叉口,提高通行能力。

        1 方法介紹

        本文以施工區(qū)域在交叉口西側(cè)為例,如圖1所示。西側(cè)道路雙向6車道,現(xiàn)因為道路施工占用了2條車道,西側(cè)進(jìn)出口各只有2條車道可用。對于原先而言,交通量不變,必然導(dǎo)致延誤增高。為了降低延誤,本文提出基于預(yù)信號控制的排陣式信號控制這種非常規(guī)設(shè)計方法,如圖2所示。在信號交叉口進(jìn)口道停車線前設(shè)置排序區(qū),同時設(shè)置預(yù)信號控制上游車流的進(jìn)入。排陣式控制下的路口,各方向車流的運行均經(jīng)過“放入—待行—放行—清空”的過程。該區(qū)域內(nèi)的車道將根據(jù)預(yù)信號控制供不同流向車輛使用。

        圖1 一般施工情況示意圖

        圖2 排陣式信號控制優(yōu)化方法示意圖

        幾何設(shè)計要求排序區(qū)域設(shè)置在主信號停車線前面,而預(yù)信號設(shè)置在排序區(qū)之后,目的控制進(jìn)口道車輛進(jìn)入排序區(qū)域,并與預(yù)信號前設(shè)置停車線。以這種排陣式信號控制,通過主、預(yù)信號協(xié)調(diào)控制,保證不同流向的車輛,在規(guī)定時間內(nèi),可以在區(qū)域內(nèi)排空,不會造成交通影響。具體操作如下所示,分為4個階段。

        (1)當(dāng)主信號下一個相位為左轉(zhuǎn)通過時,預(yù)信號對左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)行放行,讓其進(jìn)入排序區(qū),等待放行。這個過程稱為左轉(zhuǎn)車輛流入階段。如圖3中(a)所示。

        (2)左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入排序區(qū)后,主信號左轉(zhuǎn)信號開啟,車輛通過交叉口,直至排序區(qū)內(nèi)所有車輛清空,此時預(yù)信號左轉(zhuǎn)信號燈變紅,停止繼續(xù)放行。此過程稱之為左轉(zhuǎn)車輛清空階段。如圖3中(b)所示。

        (3)左轉(zhuǎn)車輛全部清空后,預(yù)信號直行信號燈開啟,放行直行車輛到達(dá)排序區(qū),等待直行放行。此過程稱之為直行車輛流入階段。如圖3中(c)所示。

        (4)直行車輛進(jìn)入排序區(qū)后,主信號直行信號開啟,車輛通過交叉口,直至排序區(qū)內(nèi)所有車輛清空,此時預(yù)信號直行信號燈變紅,停止繼續(xù)放行。此過程稱之為直行車輛清空階段。如圖3中(d)所示。此輪循環(huán)結(jié)束,返回步驟(1),開始下一個循環(huán)。

        圖3 排陣式交通控制過程

        排陣式信號控制思想理念與傳統(tǒng)信號控制有所不同,主要表現(xiàn)于引進(jìn)了預(yù)信號控制方式,增加了排陣區(qū)域這一概念,將傳統(tǒng)車道固定功能方式轉(zhuǎn)變?yōu)榻粨Q式可變車道功能,改變了固有思想,最大程度利用了現(xiàn)有資源,提高了排序區(qū)內(nèi)車道的使用頻率,對交叉口的運行效率有所提高,降低了交叉口延誤。

        血液中甘油三酯含量反映了機(jī)體對脂類的利用情況,甘油三酯含量越低意味著對機(jī)體脂肪的利用率越高。本試驗添加過瘤胃脂肪后,處理組甘油三酯含量均較對照組低(P>0.05),說明處理組脂肪利用率較對照組高。

        2 模型建立

        為了更好地表達(dá)和實現(xiàn)控制方案,故建立以下數(shù)學(xué)模型,以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

        2.1 目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量

        在滿足最大飽和度要求的前提下,信號控制方案中綠信比越小,則可以分配的綠燈時間越多,那么通行能力也必然增大,延誤則會有所降低。因此,本文為了降低施工期交叉口延誤水平,則需要建立以主信號綠燈時間之和最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型,來達(dá)到優(yōu)化目的。具體函數(shù)表達(dá)式為:

        式中:GL表示主信號完整周期內(nèi)左轉(zhuǎn)綠燈時長;GT表示主信號完整周期內(nèi)直右綠燈時長。

        式(1)可能會導(dǎo)致出現(xiàn)不唯一相位差結(jié)果,所以可以采用相位差越小,即預(yù)信號起始時間越小,那么主信號排隊時間越小原則??梢詫⒛繕?biāo)函數(shù)改寫為:

        式中:表示預(yù)信號早亮?xí)r間,由主信號與預(yù)信號時間差所得。

        2.2 約束條件

        (1)總周期時間約束:為了保證主、預(yù)信號達(dá)到協(xié)調(diào)控制的要求,必須保證主信號和預(yù)信號總周期時間相等:

        式中:RL表示主信號左轉(zhuǎn)綠燈之后紅燈時長;RT表示主信號直右綠燈之后紅燈時長;gL表示預(yù)信號周期內(nèi)左轉(zhuǎn)綠燈總時長;gT表示預(yù)信號周期內(nèi)直右綠燈總時長;rL為預(yù)信號左轉(zhuǎn)綠燈之后紅燈時長;rT為預(yù)信號直右綠燈之后紅燈時長。

        (2)排陣區(qū)域清空約束:為了確保排陣區(qū)域內(nèi)車輛清空,預(yù)信號相位時間與主信號相位時間應(yīng)具有以下關(guān)系:

        (3)綠燈時間約束:主信號綠燈時長必須滿足最大時間和最小時間,預(yù)信號同理:

        (4)通行能力約束:為避免排陣區(qū)域過飽和,主信號通行能力滿足不小于預(yù)信號通行能力的要求:

        式中:nL為預(yù)信號控制左轉(zhuǎn)車道數(shù);NL為主信號控制左轉(zhuǎn)車道數(shù);sL為預(yù)信號控制左轉(zhuǎn)車道飽和流量;SL為主信號控制左轉(zhuǎn)車道飽和流量。

        (5)早亮?xí)r間約束:避免時間資源浪費,需要讓預(yù)停車線車輛提前進(jìn)入排陣區(qū)域,約束條件如下:

        3 案例分析

        為了驗證本文中優(yōu)化設(shè)計方法的效益,本文選取了上海市某施工交叉口為例,現(xiàn)狀如圖4所示,信號配時如圖5所示,交通量如表1所示。

        針對此交叉口,采用本設(shè)計方法,對其幾何設(shè)計和信號控制進(jìn)行優(yōu)化,并與現(xiàn)狀情況進(jìn)行對比,優(yōu)化示意圖和優(yōu)化信號配時見圖6和圖7。

        將模型與案例相結(jié)合,得出最優(yōu)解,并將數(shù)據(jù)帶入仿真軟件VISSIM中進(jìn)行仿真驗證,得出結(jié)果如圖8所示。比較排陣式信號控制方法前后的實驗數(shù)據(jù),可以看到該方法的實施在一定程度上改善了該占道施工交叉口的現(xiàn)狀,平均延誤降低了15.5%,證明本方法切實有效。

        4 結(jié)論與展望

        本文針對交叉口占道施工的特點,在對現(xiàn)有大量文獻(xiàn)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,提出排陣式信號控制方法對施工期交叉口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在不對現(xiàn)有道路進(jìn)行大量改建的前提下,充分利用道路資源,加入預(yù)信號控制。形成主、預(yù)信號協(xié)調(diào)控制的模式,改變了傳統(tǒng)車道固定功能的思想,轉(zhuǎn)變?yōu)榻粨Q式可變車道功能。并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,以得出最優(yōu)解的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。最后,采用實際案例,進(jìn)行優(yōu)化前后的延誤對比,驗證出本設(shè)計方法真實有效。

        圖4 現(xiàn)狀交叉口幾何示意圖

        圖5 現(xiàn)狀交叉口信號配時

        表1 現(xiàn)狀交叉口交通流量

        圖6 優(yōu)化后交叉口幾何示意圖

        圖7 優(yōu)化后交叉口信號配時

        但是由于城市道路交叉口的形式各有不同,占道施工區(qū)域也有所區(qū)別,現(xiàn)有道路資源和交通量也不盡相同,交叉口的實時狀況也在不斷發(fā)生改變,因此上述模型不能包含所有的情況和條件,仍需進(jìn)一步深入研究。

        圖8 仿真結(jié)果對比圖

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