摘 要：對(duì)仿真系統(tǒng)的交通運(yùn)行評(píng)價(jià)可以反映仿真系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確性和控制結(jié)果的有效性。通過(guò)對(duì)交叉口車輛運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性分析，建立了行車延誤、平均排隊(duì)長(zhǎng)度、平均停車次數(shù)、二次排隊(duì)率等4個(gè)相對(duì)獨(dú)立有效的交叉口仿真系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)。在對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的仿真屬性分析的基礎(chǔ)上提出了系統(tǒng)中評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法與具體實(shí)現(xiàn)原理。

關(guān)鍵詞：交叉口；關(guān)聯(lián)性；評(píng)價(jià)指標(biāo);可視化控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0315802

Analysis of Evaluating Criterions for Microcosmic Simulation System at Signal Intersection

YANG Jie，ZHAO Junbo

(Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou，311112，China)

Abstract：Evaluating the transportation running of simulation system reflects the accuracy of simulating and the validity of controlling.By analyzing the relationship of the evaluating criterions at intersection，this paper establishes the relatively independence and effective criterions.On the basis of analyzing the simulation attribute of each evaluating criterions，it describes the calculation method and the theory of carrying out these evaluating criterions in simulation system.

Keywords：intersection;correlation;evaluating criterions;visual control system

城市平面交叉口是削弱道路網(wǎng)絡(luò)通行能力的“滯點(diǎn)”，對(duì)于他們的交通運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)是城市交通的研究重點(diǎn)。對(duì)交叉口交通運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，有助于完成交叉口運(yùn)行狀況的分析和交通控制的優(yōu)化。本課題利用交通仿真技術(shù)開發(fā)了城市交叉口可視化控制系統(tǒng)(Visual Intersection Control system，VICs)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以動(dòng)態(tài)、直觀、逼真地模擬交叉口交通運(yùn)行的各種交通現(xiàn)象，分析交通流各要素之間的交通特性，仿真交叉口交通運(yùn)行。對(duì)仿真系統(tǒng)的交通運(yùn)行評(píng)價(jià)，可以反映仿真系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確性和控制結(jié)果的有效性。本文旨在針對(duì)信號(hào)交叉口計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，分析仿真系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并提出系統(tǒng)中評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)原理與計(jì)算方法。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)性

評(píng)價(jià)指標(biāo)除應(yīng)有科學(xué)性、全面性、客觀性等基本要求外，同時(shí)在評(píng)價(jià)決策中還要求指標(biāo)具有獨(dú)立性。如果評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)，評(píng)價(jià)結(jié)果就會(huì)具有傾向性[1]。如圖1所示，假設(shè)有A、B兩指標(biāo)是關(guān)聯(lián)的，其關(guān)聯(lián)性大小用其包含部分C表示，消除量綱且歸一化后，A指標(biāo)的數(shù)量為 Na+Nc，B指標(biāo)的數(shù)量為Nb+Nc；Wa，Wb為A，B兩指標(biāo)的權(quán)重，綜合效應(yīng)為Wa×Na+Wb×Nb+(Wa+Wb)Nc，其效應(yīng)夸大了(Wa×Nc)或(Wb×Nc)，可見，夸大的效應(yīng)與兩指標(biāo)的權(quán)重和關(guān)聯(lián)性大小有關(guān)系。為確保評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，避免評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性是至關(guān)重要的，同時(shí)還要求評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的示意性和代表性。

圖1 效應(yīng)與指標(biāo)關(guān)聯(lián)性關(guān)系

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分析

交叉口控制評(píng)價(jià)指標(biāo)通常應(yīng)涵蓋安全、效率、環(huán)保等多方面的綜合指標(biāo)，計(jì)算機(jī)交通控制仿真軟件主要針對(duì)效率優(yōu)化而設(shè)計(jì)，而交通運(yùn)行效率層面的指標(biāo)如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

考察此6個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性:行車延誤(指標(biāo)1)與行程速度(指標(biāo)2)成一定的線性關(guān)系，因在城市交通網(wǎng)絡(luò)中，行車延誤是間斷交通流的一個(gè)關(guān)鍵運(yùn)行性能指標(biāo)，是車輛在通過(guò)交叉口的過(guò)程中所造成的時(shí)間損失，他不僅反映了交叉口的通暢狀況，也反映了交叉口的服務(wù)水平，是所有指標(biāo)中最重要的指標(biāo)，因此系統(tǒng)選取指標(biāo)1。停車次數(shù)(指標(biāo)3)與停車時(shí)間(指標(biāo)4)都是延誤方面的指標(biāo)，由于停車次數(shù)是體現(xiàn)交叉口控制效果的指標(biāo)，并且仿真系統(tǒng)對(duì)此指標(biāo)能較準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，故采用。排隊(duì)長(zhǎng)度(指標(biāo)5)是所有指標(biāo)中最能形象、直觀地反映交叉口擁堵情況的數(shù)據(jù)，故采用。二次排隊(duì)率(指標(biāo)6)是交通管理中需要嚴(yán)格控制的指標(biāo)，故選用。

綜上分析，系統(tǒng)建立包括平均行車延誤、平均排隊(duì)長(zhǎng)度、平均停車次數(shù)和二次排隊(duì)率的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.3 仿真模型中評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)

評(píng)價(jià)指標(biāo)在仿真系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，需要建立相關(guān)的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)。VICs系統(tǒng)設(shè)置OD、狀態(tài)、停車次數(shù)、時(shí)間等屬性，以便仿真系統(tǒng)有效地進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)。車輛OD屬性控制車輛的入口和出口。狀態(tài)屬性是指車輛是否已經(jīng)通過(guò)交叉口的一個(gè)開關(guān)控制量，未通過(guò)交叉口的車輛狀態(tài)為1，已經(jīng)通過(guò)交叉口的車輛狀態(tài)為0。停車次數(shù)屬性是記錄車輛停車次數(shù)的計(jì)數(shù)參數(shù)，用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)平均停車次數(shù)和二次排隊(duì)率等指標(biāo)。時(shí)間屬性記錄車輛在交叉口的時(shí)間，車輛出現(xiàn)在交叉口時(shí)，該車狀態(tài)屬性為1，開始計(jì)時(shí)；車輛于交叉口消失時(shí)，該車狀態(tài)屬性為0，停止計(jì)時(shí)。時(shí)間屬性用于評(píng)價(jià)行車延誤。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分析和實(shí)現(xiàn)

2.1 行車延誤

行車延誤是假設(shè)交叉口沒有信號(hào)燈控制，車輛在交叉口不停車而通過(guò)所需時(shí)間與實(shí)際所需時(shí)間之差，其影響因素主要有車輛到達(dá)率和交叉口通行能力兩個(gè)方面。行車延誤是評(píng)價(jià)信號(hào)交叉口的運(yùn)行效率和服務(wù)水平的重要度量。VICs系統(tǒng)以交通延誤最小作為控制指標(biāo)，因此以行車延誤為主來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，本文對(duì)其作詳細(xì)分析，并采用兩種方法實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 Webster法

在分析中，假設(shè)車輛到達(dá)率在一定時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定，交叉口進(jìn)口道通行能力為常數(shù)，車輛受信號(hào)阻擋所造成的行車延誤與車輛到達(dá)率的相互關(guān)系不變且無(wú)長(zhǎng)期排隊(duì)。延誤分均衡相位延誤與隨機(jī)延誤兩部分[2]。

由Webster理論，車輛總延誤時(shí)間表達(dá)為：

其中α是從車流模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出的修正項(xiàng)，由于數(shù)值較小，可忽略不計(jì)。因此，通過(guò)對(duì)均衡相位延誤和隨機(jī)延誤的實(shí)現(xiàn)，將此二延誤相加可求得各相位行車延誤，再以相位求得平均，即可得出平均行車延誤。

2.1.2 時(shí)間差法

根據(jù)延誤的定義，平均行車延誤亦可用VICs系統(tǒng)中時(shí)間屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)。車輛的時(shí)間屬性記錄了每輛車在交叉口的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間即可用于延誤計(jì)算。系統(tǒng)以周期為單位，計(jì)算車輛在交叉口的總時(shí)間，減去理論通行時(shí)間，再取平均，即可得到一周期內(nèi)的平均行車延誤。

通過(guò)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，Webster法與時(shí)間差法擬合度較高，從而證明本系統(tǒng)對(duì)行車延誤的實(shí)現(xiàn)方法科學(xué)合理，能對(duì)控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 平均排隊(duì)長(zhǎng)度

平均排隊(duì)長(zhǎng)度能形象、直觀地反映交叉口擁堵情況。信號(hào)交叉口的排隊(duì)長(zhǎng)度計(jì)算[3]，按流量飽和與非飽和分成兩類:

(1) 進(jìn)口道車流量不飽和時(shí)，綠燈啟亮?xí)r的初始排隊(duì)車輛數(shù)N為：

N = qtER

(2) 進(jìn)口道車流量飽和時(shí)，綠燈啟亮?xí)r的平均排隊(duì)車輛數(shù)等于整個(gè)周期的平均排隊(duì)車輛數(shù)加上周期性變化的平均變程之半，則飽和綠燈啟亮?xí)r的初始排隊(duì)車輛數(shù)N為：

N = qti + qtER/2

如果進(jìn)口道恰好飽和時(shí)，ti = tER/2，N = qtER。

系統(tǒng)以相位為單位計(jì)算排隊(duì)長(zhǎng)度，將獲得通行權(quán)的相位的排隊(duì)長(zhǎng)度記為0，其余相位計(jì)算實(shí)際排隊(duì)長(zhǎng)度，再以車道平均，即可得到每車道的平均排隊(duì)長(zhǎng)度。

2.3 平均停車次數(shù)

平均停車次數(shù)可以直觀地反映交叉口延誤情況和服務(wù)水平。系統(tǒng)利用車輛屬性中的停車次數(shù)屬性記錄了每輛車在交叉口的停車次數(shù)，以周期為單位，計(jì)算一周期內(nèi)所有車輛的停車次數(shù)之和，再求平均，即可得到一周期內(nèi)的平均停車次數(shù)。

2.4 二次排隊(duì)率

二次排隊(duì)率能夠直觀地反映交叉口是否擁堵，是交通管理中需要嚴(yán)格控制的指標(biāo)。在交叉口進(jìn)口道上，經(jīng)過(guò)交叉口的車輛連續(xù)二次或二次以上遇到紅燈而導(dǎo)致車輛二次或二次以上的停車排隊(duì)，將這輛車定義為二次排隊(duì)車輛。二次排隊(duì)示意圖如圖2所示。

圖2 二次排隊(duì)示意圖

二次排隊(duì)率[4]是指一個(gè)周期內(nèi)停車二次或二次以上的車輛數(shù)與該周期綠燈時(shí)間內(nèi)的駛離車輛數(shù)之比。

VICs系統(tǒng)利用車輛屬性中的停車次數(shù)屬性，以周期為單位，計(jì)算停車次數(shù)≥2的車輛數(shù)，再除以一周期內(nèi)的車輛總數(shù)，即可得到一周期內(nèi)的二次排隊(duì)率。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)交叉口車輛運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性分析，建立了行車延誤、平均排隊(duì)長(zhǎng)度、平均停車次數(shù)、二次排隊(duì)率等4個(gè)相對(duì)獨(dú)立有效的交叉口仿真系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)。在對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的仿真屬性分析的基礎(chǔ)上，本課題提出了系統(tǒng)中評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法與具體實(shí)現(xiàn)原理。經(jīng)系統(tǒng)初步調(diào)試驗(yàn)證，本指標(biāo)體系能基本評(píng)價(jià)交叉口交通運(yùn)行狀況，能作為本課題“城市交叉口可視化控制系統(tǒng)(Visual Intersection Control system，VICs)”的車輛運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊曉光，云美萍.城市交通控制系統(tǒng)交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo)及其關(guān)聯(lián)性研究[J].公路交通科技，2004(10):81—84.

[2]尹宏賓，徐建閩.道路交通控制技術(shù)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2000.

[3]何寧，楊濤，李朝陽(yáng)，等.信號(hào)交叉口延誤及排隊(duì)長(zhǎng)度的實(shí)證研究和應(yīng)用[J].公路交通科技，2002，19(5):106—109.

[4]張建華，林航飛.平面信號(hào)交叉口車輛兩次停車率研究[J].交通科技，2004(3):96—98.

作者簡(jiǎn)介 楊 潔 女，1980年出生，同濟(jì)大學(xué)在讀工程碩士，浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。