王雪雪 王冬冬

（上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司，上海 200063）

城市經(jīng)濟的快速發(fā)展帶動機動車擁有量的急劇增長，造成交通擁堵日益嚴重，交通事故頻發(fā)。受到道路紅線的限制，城市道路進一步拓寬的空間十分有限。通過擴大路網(wǎng)規(guī)模來緩解交通擁堵的方法已經(jīng)得不到廣泛應用，因此，需要進一步提高路網(wǎng)的通行效率。路網(wǎng)內(nèi)的交通擁堵絕大部分發(fā)生在道路交匯路段，對交叉口運行情況進行研判分析，為提高交叉口通行效率打好基礎，勢在必行。

由于交通問題本身的復雜性以及區(qū)域的差異性，導致目前尚無統(tǒng)一的交通運行評價標準和完整的研判分析指標計算模型。國外對交叉口研判分析的交通運行評價指標主要包括[1]：交通流參數(shù)指標、服務水平指標、擁堵定義指標、出行影響指標和其他指標等。國內(nèi)對交通運行評價指標的研究較少，主要集中在交通流參數(shù)的分析，包括飽和度、流量、車速的分析[2]。羅旭江[3]提出了一種基于交叉口是否存在二次排隊，將交叉口劃分為未飽和與飽和兩種狀態(tài)，分別選擇飽和度、延誤和排隊長度作為研判指標以及選擇二次停車率、飽和度標準差和效率系數(shù)作為研判指標的效率評價方法。紀錚翔[4]根據(jù)國內(nèi)外交通流的運行特點，建立了一種多種類、多層次的年報月報評價指標體系，提出評價城市道路交通運行可靠性的指標。魏立夏[5]充分考慮了道路的運輸能力，路網(wǎng)OD需求兩個關鍵因素，結合運行速度參數(shù)全面分析路網(wǎng)交通狀態(tài)。另外，還有部分學者以車輛延誤[6-9]和車輛排隊長度[10]為評價指標，通過優(yōu)化信號配時提高交叉口運行效率。

現(xiàn)有交叉口的車流狀態(tài)沒有具體的數(shù)據(jù)指標，無法得到交叉口的通行能力和通行效率等具體數(shù)據(jù)。本研究建立了關于交叉口通行能力、車輛平均延誤、平均停車次數(shù)、排隊長度等指標的計算模型，作為路口交通研判分析評價的數(shù)據(jù)指標依據(jù)。基于雷達監(jiān)測器、復合視頻檢測器、固定線圈檢測器等收集到的數(shù)據(jù)信息，通過預處理剔除無效數(shù)據(jù)，對有效數(shù)據(jù)研判分析，計算得到交叉口的通行能力、車輛平均延誤、平均停車次數(shù)、排隊長度等效益指標。該方法包括路口數(shù)據(jù)預處理、路口車道級研判分析、路口進口道級研判分析、路口級研判分析。通過車道級、進口道級、路口級的研判分析計算，輸出路口交通態(tài)勢評價指標，結合路口不均衡系數(shù)指標，為交通工程師、交通管理者在信號相位優(yōu)化、配時參數(shù)優(yōu)化、交通組織優(yōu)化、潮汐車道判別等方面提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理是保證研判分析結果準確性必不可少的過程，通過數(shù)據(jù)工程進行交通流量數(shù)據(jù)質(zhì)量的判別。

1.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量判別

閾值計算：在全局參數(shù)表中，讀取車道流量設定的閾值。

數(shù)據(jù)質(zhì)量判別：出現(xiàn)以下3種情況時，判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量出現(xiàn)問題：

讀取到設備存在告警信息；連續(xù)m個周期采集流量為0；連續(xù)k個周期采集流量不在設定閾值范圍內(nèi)。

1.2 數(shù)據(jù)修補

通過數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷信息，如果數(shù)據(jù)質(zhì)量完好，則直接將采集的車道流量值錄入車道流量表；如果數(shù)據(jù)質(zhì)量差則采用歷史數(shù)據(jù)修補的方式對數(shù)據(jù)進行修補。

2 車道級研判分析

路口車道級研判分析，通過輸入車道級別的交通數(shù)據(jù)，包括號牌號碼、過車時間、動態(tài)排隊長度、實時相位運行信息，完成實時研判分析，輸出車道通行能力、車道飽和度、車道平均延誤、車道平均停車次數(shù)、車道排隊長度的路口車道級數(shù)據(jù)指標。

2.1 車道通行能力

某一交叉口第i進口道第j車道的通行能力即通過該車道的最大允許通行能力，即在單位時間內(nèi)能夠通過該車道的車輛總數(shù)，一般與飽和度相結合，來判別路口是否為瓶頸路段，是否需要通過采取一些措施緩解當前擁堵，是否各車道飽和度不均衡等。計算公式如下：

式中：sij——進口道i車道j的飽和流量（pcu/s）；cij——進口道i車道j的通行能力（pcu/s）；geij——進口道i車道j的綠燈時間（s）；C——交叉口周期時長（s）；λij——進口道i車道j的綠信比。

2.2 車道飽和度

車道飽和度是指車道內(nèi)的實際交通量與該車道通行能力的比值，反映車道的擁堵程度，當車道飽和度大于臨界飽和度時，車道開始出現(xiàn)車輛排隊。車道飽和度越大，車道擁堵越嚴重。路口實際運行中，最理想的狀況是，各個車道飽和度均衡，即各車道車輛享有公平的時間權力通過交叉口。

式中：qij——進口道i車道j的車流量（pcu/s）；xij——進口道i車道j的飽和度。

2.3 時間段T內(nèi)各車道指標

車道指標主要包括各車道的車輛延誤、平均停車次數(shù)和平均排隊長度等。

延誤是反映道路交通擁堵的一個重要指標，不同的路口，結合交叉口空間和時間特性，以及交通流量的多少，其延誤可能相差很大。

停車次數(shù)與車輛在交叉口的燃油消耗和尾氣排放緊密相關，交叉口擁堵越嚴重，車輛平均停車次數(shù)越多。正確的評價每輛車在交叉口的平均停車次數(shù)是有效控制交叉口的前提[11]。

排隊長度是一個交叉口擁堵嚴重程度，道路渠化、交通控制方式、綠信比分配是否合理的直觀反映，路口實際運行中，排隊長度越小越好。

以各車道的延誤為例，建立模型。Akcelik R等[12]提出了一種能夠應用于不同交通需求情形下的交通延誤模型，該模型能夠計算所有情形下的車輛延誤，包括在研判分析開始時已經(jīng)存在車輛排隊的過飽和情形。

首先確定交叉口各進口道各車道的臨界飽和度，見式（4）及式（5）。式（5）中，當車道飽和度大于臨界飽和度時，該車道上的車輛開始滯留，并出現(xiàn)車輛排隊；當車道飽和度小于等于臨界飽和度時，車輛全部通過交叉口，滯留車輛數(shù)為0。

根據(jù)車道飽和度和車道臨界飽和度之間的關系，將時間段T內(nèi)各車道車輛的平均延誤表示如式（7）所示。

式中：xij0——車道飽和度臨界點；N0——時間段T內(nèi)，車道周期平均過剩滯留車輛數(shù)（pcu）；dij——時間段T內(nèi)各車道車輛平均延誤（s）；C——交叉口周期時長（s）；T——時間持續(xù)長度（s）；yij——進口道i車道j的流量比，yij=qij/sij；rij——進口道i車道j的相位紅燈時間（s），rij=Cgij（s）；gij——進口道i車道j的有效綠燈時間（s），gij=geijyellowij-allredij；yellowij——進口道i車道j的黃燈時間（s）；allredij——進口道i車道j的全紅時間（s）。

3 進口道研判分析

路口進口道研判分析，在車道級通行能力分析結果之上，對于整個進口道進行研判分析計算，輸出進口道通行能力、進口道飽和度、進口道平均延誤、進口道平均停車次數(shù)、進口道排隊長度等路段交通分析指標。

4 路口級研判分析

路口級研判分析，在路口車道級、路口進口道級研判分析結果的基礎上，對于整個路口運行狀態(tài)進行計算，輸出路口通行能力、路口飽和度、路口平均延誤、路口平均停車次數(shù)、路口不均衡指數(shù)、道路雙向不均衡指數(shù)等路口交通分析指標。

5 案例分析

典型十字交叉口示例見圖1。通過該文建立的模型進行交叉口交通研判分析。該交叉口信號控制為四相位組合，分別為南北向直行和右轉57 s，南北向左轉42 s，以及東西向直行和右轉43 s，東西向左轉27 s，周期時長為180 s。

圖1 案例交叉口

經(jīng)過該交叉口晚高峰交通量的數(shù)據(jù)調(diào)查結果，各進口道的交通量見表1。根據(jù)車道綠信比和車道飽和流量計算各車道通行能力。

根據(jù)模型，得到交叉口各車道的研判分析指標（見表2）。

根據(jù)模型，得到交叉口各進口道的研判分析指標（見表3）。

表1 交叉口各車道原始數(shù)據(jù)

表2 車道級研判分析指標

表3 進口道級研判分析指標

根據(jù)模型，得到整個交叉口的各項研判分析指標以及交叉口相交道路、主干道方向性的不均衡指數(shù)（見表4）。

表4 路口研判分析指標

通過對選擇路口的復合視頻檢測器采集的視頻數(shù)據(jù)，現(xiàn)場選取并標記若干位置點，對周期內(nèi)到達與通過車輛的統(tǒng)計分析得到，計算結果與實際相差不大（見表5）。

表5 路口實測數(shù)據(jù)研判分析指標

舉例交叉口所有車道的研判分析指標（見表2），交叉口的南進口直行、東進口右轉對應車道的飽和度較大，停車次數(shù)和排隊長度指標也較大，而南進口右轉車道、東進口直行飽和度較小，同時直行和右轉位于同一相位，且南進口直行排隊較長，可以考慮將南進口和東進口的直行和右轉渠化車道合并為直右車道，提高路口通行效率。表3以進口道為單位，記錄了一個交叉口各個進口道的研判分析指標。分析可得，東西進行進口道的飽和度、延誤、停車次數(shù)、排隊長度相對高于南北向，但其流量卻較少，結合配時發(fā)現(xiàn)，東西向給予時間偏短，交通工程師應適當優(yōu)化。表4記錄了整個交叉口的各項指標，根據(jù)延誤和停車次數(shù)指標調(diào)整周期時長；結合不均衡指數(shù)確定建議調(diào)整相位相序。

6 結語

通過模型計算得到的交叉口車道、進口道以及整個交叉口的通行能力、飽和度、延誤、停車次數(shù)、排隊長度等效益指標，以及路口不均衡系數(shù)，可以分析各個路口的運行情況，如路口是否存在較頻繁飽和度過高、現(xiàn)有的承載能力、通過路口的平均時間、停車等待綠燈啟亮的次數(shù)以及紅燈等待在路口的排隊車輛數(shù)等，從而為交通工程師和交通管理者分析路口現(xiàn)有交通組織、信號配時等提供數(shù)據(jù)支撐。