一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法技术

本发明专利技术公开了一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法，包括步骤：1)选定研究的交叉口，获取交叉口几何信息、交叉口管理策略、信号配时方案、交叉口交通流数据及车辆相关参数；2)在选定交叉口的设计图形上均匀划分栅格单元；3)建立各进口道车流轨迹方程，确定轨迹冲突区域内的栅格作为研究对象；4)建立各车道车辆横向偏移和到达概率模型，计算各流向车辆出现在对象栅格中心点的概率；5)以信号配时方案与车流运行特征为基础，将信号周期划分为若干个信号阶段；6)用不同的颜色可视化输出交叉口所有对象栅格不同阶段的冲突概率数值。本发明专利技术可解决信号控制交叉口内部区域的冲突概率预测问题。

A method for predicting vehicle collision probability at signalized intersection

The invention discloses a method for predicting vehicle collision probability at signalized intersections, which comprises the following steps: 1) selecting and studying intersections, obtaining intersection geometry information, intersection management strategy, signal timing scheme, intersection traffic flow data and vehicle related parameters; 2) evenly dividing the design graphics of selected intersections. Grid element; 3) Establish the vehicle flow trajectory equation of each inlet lane to determine the grid in the conflict area of the trajectory as the research object; 4) Establish the lateral deviation and arrival probability models of vehicles in each lane, and calculate the probability of vehicles in each direction appearing at the center of the object grid; 5) Based on the signal timing scheme and the characteristics of vehicle flow operation, the information is obtained. The period of the sign is divided into several signal stages; 6) Visualize the collision probability values of all object grids at intersections in different stages with different colors. The invention can solve the problem of predicting the conflict probability in the internal area of signal controlled intersections.

【技术实现步骤摘要】
一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法
本专利技术涉及城市道路信号交叉口安全设计与评价的
，尤其是指一种考虑实体车辆运行微观特征的信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法。
技术介绍
信号控制交叉口作为道路的连接点，交通流众多，运行复杂。虽然信号控制交叉口已经通过信号配时对交叉口的车流通行权进行了时间上的隔离划分，但是仍存在大量的交通冲突问题，例如：直行和左转车流的交叉冲突、相位切换时不同相位的车流冲突以及各种合流冲突，从而导致交通事故频发以及通行效率的降低，大大削减了交叉口安全系数。目前，关于信号控制交叉口交通冲突安全预测方法的研究大致概括为两个方面：1)部分学者致力于研究交通事故发生机理，分析道路交通安全的影响因素，总结事故发生规律，以冲突概率为指标对采集到的冲突数据进行分析处理，进而对考察对象的交通安全状况进行定量定性地描述，主要包括冲突数、冲突率，从而达到预测交叉口安全程度的目的；2)有些学者关注交叉口安全评价指标体系和评价方法的构建。除了事故强度或安全度法、事故率法、当量事故法和综合事故率法等传统交通安全评价方法，还形成了基于层次分析法、灰色聚类法、主成分分析法、神经网络法、模糊数学理论法等交通安全预评价方法。国内研究大多数基于交通冲突进行安全评价及预测，并对冲突点、冲突角度、冲突概率模型进行了研究，但大部分模型都过于单一，未考虑信号配时方案、排队车流与后续车流的到达规律以及各进口道车流量对冲突概率的影响。故本专利技术将在此基础上，将信号控制交叉口质点运动产生的冲突点问题转化为实体车辆行驶产生的潜在冲突区域问题，考虑实体车辆的尺寸和运行轨迹、横向偏移、纵向到达分布特性以及信号配时方案、相位切换等信号控制交叉口实际运行中不可忽视的因素，确定潜在冲突区域及其对应的冲突概率。建立信号控制交叉口机动车冲突区域概率预测模型，详细分析信号周期内各阶段冲突情况及类型并计算其冲突概率，综合考虑时间因素提出了一种将随时间周期性变化的冲突概率进行常量化方法，从而计算交叉口内任一栅格可能产生的车辆冲突概率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提出了一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法，突破常规计算交叉口机动车冲突概率时将车辆抽象成质点，并结合车辆在交叉口内部的微观运行特征与信号控制两个重要影响因素，提出了信号控制交叉口冲突概率的预测方法，可以对交叉口设计、组织以及信号配时等提出安全方面的反馈，有利于提高信号控制交叉口的安全情况。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法，包括以下步骤：1)选定研究的信号控制交叉口，获取交叉口几何信息、交叉口管理策略、信号配时方案、交叉口交通流数据及车辆相关参数；2)将选定信号控制交叉口平面的均匀划分m×n个栅格单元，将每个栅格单元中心处出现机动车冲突的概率作为该栅格单元机动车冲突的概率；3)建立信号控制交叉口各股车流的轨迹方程，选定轨迹冲突区域内的栅格作为研究对象；4)建立各股车流车辆横向偏移和到达概率模型，计算各流向车辆出现在对象栅格内的到达概率；5)根据信号控制交叉口一个信号周期内不同信号阶段对象栅格单元被两股及以上的车流占用的概率计算冲突概率，并对栅格赋值，作为该栅格的冲突概率；6)用不同颜色表示信号控制交叉口内所有栅格在不同阶段的冲突概率数值，进行可视化显示。在步骤1)中，所述交叉口几何信息包括交叉口类型、交叉口范围、各进口道的车道数及宽度设置、设计半径，从交叉口基本设计方案获得几何信息资料；所述交叉口管理策略包括交叉口的车道功能设置、转向限制、设计车速，从交叉口交通管理方案获得管理策略资料；所述信号配时方案包括相位方案、各相位绿灯时间、黄灯时间、绿灯间隔时间、周期大小，从现状信号控制交叉口现场调研获得信号配时方案，从而分析相位切换时不同交通冲突情况及综合计算冲突概率；所述交叉口交通流数据指交叉口各进口道车辆到达率，从交通量预测数据得到研究交叉口的各流向交通量数据，从而计算各进口道车辆到达率；所述车辆相关参数包括车辆的长度、车辆的宽度、车辆的偏移量。在步骤2)中，根据选定的交叉口对其进行栅格处理，包括以下步骤：2.1)建立坐标系：以交叉口东西向道路中心线与南北向道路中心线交汇处为坐标原点，其中东西方向为X轴，南北方向为Y轴建立平面直角坐标系；2.2)栅格划分：在交叉口的X轴与Y轴上分别均匀插入m-1、n-1个分点，把交叉口分割成m×n个栅格，其中m、n均为正整数且其取值必须使得每一个栅格长度与宽度均小于车辆宽度，才能够反映车辆的到达，具体数值取值可视交叉口几何大小而定；其中xj为第j列分点的横坐标，yi为第i行分点纵坐标，设交叉口长度为2a，宽度为2b，记为：-a＝x1＜x2＜x3＜…＜xj＜…＜xm＜xm+1＝a-b＝y1＜y2＜y3＜…＜yi＜…＜yn＜yn+1＝b2.3)近似化处理：用车辆出现在栅格形心的概率作为车辆出现在该栅格单元中的概率，第i行第j列的栅格记为Rec(xij,yij)，其形心坐标(xij,yij)记为：式中：xj为第j列分点的横坐标，yi为第i行分点的纵坐标。在步骤3)中，根据所得到的交叉口各进口车道功能设置情况，建立交叉口各股车流的轨迹方程，包括以下步骤：3.1)获得交叉口各进口道功能设置情况：确定各进口的车道数N，以各进口道最内侧车道为起点由内到外对各车道从小到大按顺序编号h，其中h＝1，2，…，N；3.2)建立车流轨迹方程：分析各进口车道车辆可能的运行轨迹，建立轨迹方程，并以此确定冲突区域，各进口道直行、左右转车辆轨迹方程的具体表达式如下：式中：xij、yij分别为栅格Rec(xij,yij)的横纵坐标；D为车道宽度；A为中央分隔带宽度，若无中央分隔带则取0；Rdw为各进口车辆转弯轨迹半径，R′dw为各进口车辆转弯设计半径；(xdw,ydw)为各进口车辆转弯圆心坐标；Rdw、R′dw、xdw、ydw中的d表示进口道方向，d＝{d1,d2,d3,d4}，其中d1表示东，d2表示西，d3表示南，d4表示北；Rdw、R′dw、xdw、ydw中的w表示左右转，w＝{w1,w2}，其中w1表示左，w2表示右。在步骤4)中，分析在信号控制情况下各进口道车道的车流到达规律与车辆运行时的横向偏移，建立各车道车辆横向偏移和到达概率模型并以此为基础构建车辆出现在各栅格单元的概率模型，计算各流向车辆出现在对象栅格中心点的概率，包括以下步骤：4.1)计算各流向车辆在交叉口内某栅格出现的概率，设车辆到达交叉口的时候某一部分占据了某一栅格Rec(x′ij,y′ij)，发生侧向偏移后该部分占据的栅格变为Rec(xij,yij)；用表示某车辆沿轨迹k出现在栅格Rec(xij,yij)的概率，则：式中：xij、yij分别为栅格Rec(xij,yij)的横纵坐标；；为车流沿轨迹k出现在栅格Rec(xij,yij)的概率；分别为车流沿轨迹k出现在栅格Rec(xij,yij)的横向偏移概率与车辆到达概率。4.2)确定横向偏移概率，即交叉口车辆轨迹范围内栅格因车辆侧向偏移而有车辆出现的概率；假设有车辆到达且车道宽度不大于车辆宽度的两倍，车辆的侧向偏移属于人的操作误差，不失一般性，认为其服从正态分布；此时，直行、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选定研究的信号控制交叉口，获取交叉口几何信息、交叉口管理策略、信号配时方案、交叉口交通流数据及车辆相关参数；2)将选定信号控制交叉口平面的均匀划分m×n个栅格单元，将每个栅格单元中心处出现机动车冲突的概率作为该栅格单元机动车冲突的概率；3)建立信号控制交叉口各股车流的轨迹方程，选定轨迹冲突区域内的栅格作为研究对象；4)建立各股车流车辆横向偏移和到达概率模型，计算各流向车辆出现在对象栅格内的到达概率；5)根据信号控制交叉口一个信号周期内不同信号阶段对象栅格单元被两股及以上的车流占用的概率计算冲突概率，并对栅格赋值，作为该栅格的冲突概率；6)用不同颜色表示信号控制交叉口内所有栅格在不同阶段的冲突概率数值，进行可视化显示。

【技术特征摘要】
1.一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选定研究的信号控制交叉口，获取交叉口几何信息、交叉口管理策略、信号配时方案、交叉口交通流数据及车辆相关参数；2)将选定信号控制交叉口平面的均匀划分m×n个栅格单元，将每个栅格单元中心处出现机动车冲突的概率作为该栅格单元机动车冲突的概率；3)建立信号控制交叉口各股车流的轨迹方程，选定轨迹冲突区域内的栅格作为研究对象；4)建立各股车流车辆横向偏移和到达概率模型，计算各流向车辆出现在对象栅格内的到达概率；5)根据信号控制交叉口一个信号周期内不同信号阶段对象栅格单元被两股及以上的车流占用的概率计算冲突概率，并对栅格赋值，作为该栅格的冲突概率；6)用不同颜色表示信号控制交叉口内所有栅格在不同阶段的冲突概率数值，进行可视化显示。2.根据权利要求1所述的一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法，其特征在于：在步骤1)中，所述交叉口几何信息包括交叉口类型、交叉口范围、各进口道的车道数及宽度设置、设计半径，从交叉口基本设计方案获得几何信息资料；所述交叉口管理策略包括交叉口的车道功能设置、转向限制、设计车速，从交叉口交通管理方案获得管理策略资料；所述信号配时方案包括相位方案、各相位绿灯时间、黄灯时间、绿灯间隔时间、周期大小，从现状信号控制交叉口现场调研获得信号配时方案，从而分析相位切换时不同交通冲突情况及综合计算冲突概率；所述交叉口交通流数据指交叉口各进口道车辆到达率，从交通量预测数据得到研究交叉口的各流向交通量数据，从而计算各进口道车辆到达率；所述车辆相关参数包括车辆的长度、车辆的宽度、车辆的偏移量。3.根据权利要求1所述的一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法，其特征在于：在步骤2)中，根据选定的交叉口对其进行栅格处理，包括以下步骤：2.1)建立坐标系：以交叉口东西向道路中心线与南北向道路中心线交汇处为坐标原点，其中东西方向为X轴，南北方向为Y轴建立平面直角坐标系；2.2)栅格划分：在交叉口的X轴与Y轴上分别均匀插入m-1、n-1个分点，把交叉口分割成m×n个栅格，其中m、n均为正整数且其取值必须使得每一个栅格长度与宽度均小于车辆宽度，才能够反映车辆的到达，具体数值取值可视交叉口几何大小而定；其中xj为第j列分点的横坐标，yi为第i行分点纵坐标，设交叉口长度为2a，宽度为2b，记为：-a＝x1＜x2＜x3＜…＜xj＜…＜xm＜xm+1＝a-b＝y1＜y2＜y3＜…＜yi＜…＜yn＜yn+1＝b2.3)近似化处理：用车辆出现在栅格形心的概率作为车辆出现在该栅格单元中的概率，第i行第j列的栅格记为Rec(xij,yij)，其形心坐标(xij,yij)记为：式中：xj为第j列分点的横坐标，yi为第i行分点的纵坐标。4.根据权利要求1所述的一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法，其特征在于：在步骤3)中，根据所得到的交叉口各进口车道功能设置情况，建立交叉口各股车流的轨迹方程，包括以下步骤：3.1)获得交叉口各进口道功能设置情况：确定各进口的车道数N，以各进口道最内侧车道为起点由内到外对各车道从小到大按顺序编号h，其中h＝1，2，…，N；3.2)建立车流轨迹方程：分析各进口车道车辆可能的运行轨迹，建立轨迹方程，并以此确定冲突区域，各进口道直行、左右转车辆轨迹方程的具体表达式如下：式中：xij、yij分别为栅格Rec(xij,yij)的横纵坐标；D为车道宽度；A为中央分隔带宽度，若无中央分隔带则取0；Rdw为各进口车辆转弯轨迹半径，R′dw为各进口车辆转弯设计半径；(xdw,ydw)为各进口车辆转弯圆心坐标；Rdw、R′dw、xdw、ydw中的d表示进口道方向，d＝{d1,d2,d3,d4}，其中d1表示东，d2表示西，d3表示南，d4表示北；Rdw、R′dw、xdw、ydw中的w表示左右转，w＝{w1,w2}，其中w1表示左，w2表示右。5.根据权利要求1所述的一种信号控制交叉口机动车冲突概率预测方法，其特征在于：在步骤4)中，分析在信号控制情况下各进口道车道的车流到达规律与车辆运行时的横向偏移，建立各车道车辆横向偏移和到达概率模型并以此为基础构建车辆出现在各栅格单元的概率模型，计算各流向车辆出现在对象栅格中心点的概率，包括以下步骤：4.1)计算各流向车辆在交叉口内某栅格出现的概率，设车辆到达交叉口的时候某一部分占据了某一栅格Rec(x′ij,y′ij)，发生侧向偏移后该部分占据的栅格变为Rec(xij,yij)；用表示某车辆沿轨迹k出现在栅格Rec(xij,yij)的概率，则：式中：xij、yij分别为栅格Rec(xij,yij)的横纵坐标；；为车流沿轨迹k出现在栅格Rec(xij,yij)的概率；分别为车流沿轨迹k出现在栅格Rec(xij,yij)的横向偏移概率与车辆到达概率。4.2)确定横向偏移概率，即交叉口车辆轨迹范围内栅格因车辆侧向偏移而有车辆出现的概率；假设有车辆到达且车道宽度不大于车辆宽度的两倍，车辆的侧向偏移属于人的操作误差，不失一般性，认为其服从正态分布；此时，直行、左右转车辆因横向偏移而出现在栅格Rec(xij,yij)的横向偏移概率PD(xij，yij)分别由下式计算所得；式中：B为车身宽度；h为车道编号，即以各进口道最内侧车道为起点由内到外对各车道从小到大按顺序编号，其中h＝1，2，…，N；μ为车辆中心线与车道中心线偏移量的均值；σ2为车辆中心线与车道中心线的纵坐标偏移量方差，通过观测统计得到；其余车流同理可求；xij、yij分别为栅格Rec(xij,yij)的横纵坐标；D为车道宽度；A为中央分隔带宽度，若无中央分隔带则取0；Rdw为各进口车辆转弯轨迹半径，R′dw为各进口车辆转弯设计半径；(xdw,ydw)为各进口车辆转...

【专利技术属性】
技术研发人员：马莹莹，吴嘉彬，管海霞，温沉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44