周 沛， 熊文華

(廣州市交通規(guī)劃研究院， 廣州 510000)

信號(hào)控制交叉口一般是城市交通運(yùn)行的瓶頸，也是國內(nèi)外專家、學(xué)者理論與優(yōu)化技術(shù)研究的重點(diǎn)[1-3]，目前在理論與實(shí)踐中都取得了較好的應(yīng)用。然而對(duì)于信號(hào)控制交叉口的運(yùn)行效果評(píng)價(jià)，基本上仍以各進(jìn)口道延誤時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度、停車次數(shù)等[4-8]為基礎(chǔ)的仿真指標(biāo)為主，僅考慮了機(jī)動(dòng)車在交叉口的通行效率，評(píng)價(jià)指標(biāo)較為單一，且評(píng)價(jià)指標(biāo)獲取的直觀性不強(qiáng)，沒有辦法定量、規(guī)范地評(píng)估信號(hào)控制交叉口的運(yùn)行效果。

為解決這一問題，臧超[9]基于浮動(dòng)車數(shù)據(jù)對(duì)單交叉口內(nèi)不同車道引入了分車道的擴(kuò)展評(píng)價(jià)指標(biāo)，但仍是以平均速度、延誤時(shí)間和排隊(duì)長(zhǎng)度為基礎(chǔ)指標(biāo)；于泉等[10]基于組合賦權(quán)法確定權(quán)重評(píng)價(jià)城市交叉口交通狀態(tài)，但僅采用了交通量和時(shí)間占有率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)體系稍欠全面；馬慶祿等[11]利用交叉口平均車輛延誤及排隊(duì)長(zhǎng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；高建杰等[12]利用平均信號(hào)控制延誤、平均排隊(duì)長(zhǎng)度、停車次數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)交叉口交通組織及信號(hào)控制優(yōu)化方案，采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)也不夠全面。

總體而言，隨著各類型數(shù)據(jù)來源的增多，目前并沒有完整的信號(hào)控制交叉口的運(yùn)行效果評(píng)價(jià)體系[13-15]，各評(píng)價(jià)指標(biāo)也缺乏相應(yīng)的計(jì)算方法，無法客觀判斷交叉口的運(yùn)行效果，實(shí)際工作的實(shí)用性非常有限。

本文通過分析交通信號(hào)控制工作中實(shí)用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合常用的VISSIM、SYNCHRO等交通仿真軟件及互聯(lián)網(wǎng)交通大數(shù)據(jù)，建立信號(hào)控制交叉口的運(yùn)行效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以滿足實(shí)際工作中評(píng)價(jià)信號(hào)控制交叉口優(yōu)化前后運(yùn)行效果評(píng)價(jià)需要。

1 交叉口運(yùn)行效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

以往研究中對(duì)交通信號(hào)控制運(yùn)行效果評(píng)價(jià)僅考慮類似延誤時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度、停車次數(shù)等機(jī)動(dòng)車相關(guān)指標(biāo)，然而行人的通行效率也是實(shí)際工作中需要考慮的重要因素之一。本次研究將評(píng)價(jià)指標(biāo)性質(zhì)分為正向指標(biāo)(指標(biāo)值越大越好)和負(fù)向指標(biāo)(指標(biāo)值越小越好)2大部分，并按照評(píng)價(jià)內(nèi)容歸納為機(jī)動(dòng)車通行指標(biāo)或行人通行指標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 交叉口信號(hào)控制評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

各指標(biāo)含義及反映內(nèi)涵如下：

1) 高峰小時(shí)通過車輛數(shù)I1

交通信號(hào)控制交叉口在早晚高峰小時(shí)通過的車輛數(shù)量，反映交叉口高峰時(shí)段的通行效率。

2) 白天12 h通過車輛數(shù)I2

交通信號(hào)控制交叉口在8:00—20:00通過的機(jī)動(dòng)車數(shù)量，反映交叉口運(yùn)行的整體效率。

3) 各流向平均飽和度I3

交通信號(hào)控制交叉口各流向綠燈時(shí)間利用效率的平均值，反映交叉口綠燈時(shí)間分配的合理性。

4) 交叉口平均延誤I4

一周期內(nèi)車輛通過路口范圍的平均延誤，反映交通信號(hào)控制交叉口對(duì)交通流的阻礙程度。

5) 交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度I5

一周期內(nèi)車輛在各進(jìn)口的平均排隊(duì)長(zhǎng)度，反映交通信號(hào)控制交叉口信號(hào)控制方案與車輛到達(dá)特性的匹配程度。

6) 各流向飽和度均衡系數(shù)I6

交通信號(hào)控制交叉口各流向綠燈時(shí)間利用效率的方差，反映交叉口控制方案與車流分布特性的匹配程度。

7) 行人相位最大綠燈間隔時(shí)間I7

交通信號(hào)控制交叉口行人相位中綠燈間隔最長(zhǎng)的時(shí)間，反映交叉口行人過街等待時(shí)間的最大忍耐值。

8) 行人相位平均綠燈間隔時(shí)間I8

所有交通信號(hào)控制交叉口行人相位綠燈間隔時(shí)間的平均值，反映交叉口整體過街等待時(shí)間的設(shè)置合理性。

9) 行人過街平均等待時(shí)間I9

一周期內(nèi)行人過街平均等候時(shí)間，反映了交叉口行人相位方案與人流分布特性的匹配程度。

2 交叉口運(yùn)行效果評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

2.1 機(jī)動(dòng)車通行正向指標(biāo)

1) 高峰小時(shí)通過車輛數(shù)I1

I1-AM=max (Q8,Q9…Q12)

(1)

I1-PM=max (Q15,Q16…Q12)

(2)

式中：I1-AM為早高峰小時(shí)通過車輛數(shù)；I1-PM為晚高峰小時(shí)通過車流數(shù)；Qi為第i-1小時(shí)通過路口的車輛數(shù)，可通過車流檢測(cè)器或者現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲得。

2) 白天12 h通過車輛數(shù)I2

(3)

3) 各流向平均飽和度I3

(4)

式中：n為路口流向總數(shù)；qi為第i個(gè)流向通過的車輛數(shù)；DSi為第i個(gè)流向的進(jìn)口道飽和度。

2.2 機(jī)動(dòng)車通行負(fù)向指標(biāo)

1) 交叉口平均延誤I4

(5)

式中：TDi為第i個(gè)流向的進(jìn)口道延誤。

各個(gè)流量方向的延誤TDi可由抽樣跟車調(diào)查后確定，具體操作時(shí)也常用交通仿真軟件建模分析交叉口平均延誤。

(6)

式中：m為跟車調(diào)查樣本總數(shù)；Tj為樣本車輛通過路口時(shí)間；ts為通暢運(yùn)行(無延誤)時(shí)該流向車輛通過時(shí)間。

2) 交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度I5

(7)

式中：Li為第i個(gè)流向的進(jìn)口道排隊(duì)長(zhǎng)度，可通過視頻監(jiān)控或路口調(diào)查獲取。

具體操作時(shí)，也常用交通仿真軟件建模分析路口各個(gè)進(jìn)口道排隊(duì)長(zhǎng)度。

3) 各流向飽和度均衡系數(shù)I6

(8)

式中：Di為各流向平均飽和度；DSi為第i個(gè)流向的進(jìn)口道飽和度，可由交通信號(hào)控制系統(tǒng)直接給出，或由下式確定：

(9)

式中：λi為分配給第i個(gè)流向的綠信比；MFi為第i個(gè)流向的最大通行能力。

2.3 行人通行負(fù)向指標(biāo)

1) 行人相位最大綠燈間隔時(shí)間I7

I7=maxMIi

(10)

MIi=max(Gi,j+1-Gi,j-Wi,j)

(11)

式中：MIi為第i個(gè)行人過街最大綠燈間隔時(shí)間；Gi,j為第i個(gè)行人過街第j次出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)；Wi,j為第i個(gè)行人過街第j次綠燈持續(xù)時(shí)間(不包括綠閃時(shí)間)。

2) 行人相位平均綠燈間隔時(shí)間I8

(12)

(13)

式中：SIi為第i個(gè)行人過街總時(shí)間間隔；x為行人過街燈組總數(shù)；m為所選定評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)，第i個(gè)行人過街出現(xiàn)次數(shù)；其余各參數(shù)意義與I7相同。

3) 行人過街平均等待時(shí)間I9

(14)

式中：Ni,j為第i個(gè)行人過街第j次過街人數(shù)；Di,j為第i個(gè)行人過街第j次過街總等待時(shí)間；其余各參數(shù)意義與I7相同。

根據(jù)對(duì)行人過街特性的分析，單個(gè)周期內(nèi)行人過街到達(dá)-等待時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 單個(gè)周期內(nèi)第i組行人的到達(dá)-等待時(shí)間關(guān)系

假設(shè)行人到達(dá)數(shù)量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系為fi(t)，則

假定行人均勻到達(dá)，則單個(gè)周期內(nèi)第i個(gè)行人燈組對(duì)應(yīng)的時(shí)間-累積人流量關(guān)系如圖3所示。

根據(jù)圖3，假設(shè)fi(t)=Ai×t,Ai為行人燈組i對(duì)應(yīng)的到達(dá)率，則

Ni,j=(SIi,j+Wi,j)×Ai

則(14)為：

在實(shí)際操作時(shí)，為簡(jiǎn)化處理，行人到達(dá)率Ai可以通過調(diào)查分析得出，或者可以通過估算各人行相位人流量的倍數(shù)關(guān)系替代到達(dá)率。

(a) 時(shí)間-累積人流量

(b) 時(shí)間-等待人流量

3 指標(biāo)使用說明

3.1 機(jī)動(dòng)車通行正向指標(biāo)

1) 高峰小時(shí)通過車輛數(shù)I1

I1主要采用對(duì)比分析法來對(duì)前后效果進(jìn)行比較，取百分?jǐn)?shù)作為單位，判斷標(biāo)準(zhǔn)分4個(gè)等級(jí)，該指標(biāo)一般是評(píng)價(jià)交叉口改善效果最重要的指標(biāo)。高峰小時(shí)通過車輛數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 高峰小時(shí)通過車輛數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)

2) 白天12 h通過車輛數(shù)I2

I2與I1類似，判斷標(biāo)準(zhǔn)分4個(gè)等級(jí)。通過車輛數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 白天12 h通過車輛數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)

3) 各流向平均飽和度I3

該指標(biāo)主要是改善前后的數(shù)值與1的比較，更接近的值為更優(yōu)，差距值的判斷標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 各流向平均飽和度判斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

3.2 機(jī)動(dòng)車通行負(fù)向指標(biāo)

1) 交叉口平均延誤I4

該指標(biāo)作為交叉口通行能力的指標(biāo)，這里采用美國全國通用的交叉口通行能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)延誤評(píng)定不同的服務(wù)水平，分為6級(jí)，詳細(xì)的判斷標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 交叉口平均延誤判斷標(biāo)準(zhǔn)

2) 交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度I5

該指標(biāo)作為交叉口通行效率的指標(biāo)，一般進(jìn)口道平均每個(gè)車道排隊(duì)車輛的長(zhǎng)度，取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)車停車長(zhǎng)度為6 m，詳細(xì)的判斷標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度判斷標(biāo)準(zhǔn)

3) 各流向飽和度均衡系數(shù)I6

該指標(biāo)主要是作為I3的附加指標(biāo)，用來輔助判斷改善前后控制效果的情況，其取值越小越好，各流向飽和度均衡系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 各流向飽和度均衡系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)

3.3 行人通行負(fù)向指標(biāo)

1) 行人相位最大綠燈間隔時(shí)間I7

該指標(biāo)主要是檢驗(yàn)路口最不理想的行人燈組讓行人等待的心理極限(國外為60 s)的關(guān)系，取值越小越好，行人相位最大綠燈間隔時(shí)間判斷標(biāo)準(zhǔn)如表7所示。

表7 行人相位最大綠燈間隔時(shí)間判斷標(biāo)準(zhǔn)

2) 行人相位平均綠燈間隔時(shí)間I8

該指標(biāo)主要是檢驗(yàn)路口行人燈組時(shí)間設(shè)置的總體優(yōu)劣情況，取值越小越好，行人相位平均綠燈間隔時(shí)間判斷標(biāo)準(zhǔn)如表8所示。

3) 行人過街平均等待時(shí)間I9

該指標(biāo)是反映路口行人燈組時(shí)間設(shè)置與行人流量分布的協(xié)調(diào)程度，取值越小越好，行人過街平均等待判斷標(biāo)準(zhǔn)如表9所示。

表8 行人相位平均綠燈間隔時(shí)間判斷標(biāo)準(zhǔn)

表9 行人過街平均等待時(shí)間判斷標(biāo)準(zhǔn)

4 案例分析

選取道路一、道路二交叉口作為信號(hào)控制方案優(yōu)化前與優(yōu)化后的效果評(píng)價(jià)示例，該交叉口為“十字”交叉口，交通布局如圖4所示。優(yōu)化前交叉口采用單進(jìn)口放行方式，優(yōu)化后東西進(jìn)口采用搭接放行方式，南北方向直行采用對(duì)稱放行方式，優(yōu)化前后相位如圖5所示。通過交叉口車輛檢測(cè)器流量獲取高峰小時(shí)通過車輛數(shù)I1、白天12 h通過車輛數(shù)I2，通過視頻監(jiān)控獲取交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度I5，根據(jù)仿真軟件計(jì)算結(jié)果獲取各流向平均飽和度I3、交叉口平均延誤I4、行人過街平均等待時(shí)間I9，根據(jù)上述交叉口運(yùn)行效果評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法計(jì)算得出各流向飽和度均衡系數(shù)I6，根據(jù)優(yōu)化前后信號(hào)配時(shí)方案計(jì)算行人相位最大綠燈間隔時(shí)間I7、行人相位平均綠燈間隔時(shí)間I8，利用本文提出的判斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)I1～I(xiàn)9進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，得出優(yōu)化前后效果對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果，如表10所示。

圖4 交叉口布局

圖5 優(yōu)化前后信號(hào)配時(shí)方案

表10 優(yōu)化前后效果對(duì)比

由表10可知，相比優(yōu)化前，優(yōu)化后高峰小時(shí)通過車輛數(shù)、白天12 h通過車輛數(shù)、各流向飽和度均衡系數(shù)都存在一定程度提升，交叉口平均延誤、交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度、行人相位最大綠燈間隔時(shí)間等指標(biāo)也有下降，交通通行狀況有了較大改善。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合常用的交通仿真軟件及互聯(lián)網(wǎng)交通大數(shù)據(jù)，全面考慮機(jī)動(dòng)車與行人的通行效率，建立高峰小時(shí)通過車輛數(shù)、白天12 h通過車輛數(shù)、各流向平均飽和度3類機(jī)動(dòng)車通行正向指標(biāo)及交叉口平均延誤、交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度、各流向飽和度均衡系數(shù)、行人相位最大綠燈間隔時(shí)間、行人相位平均綠燈間隔時(shí)間、行人過街平均等待時(shí)間6類機(jī)動(dòng)車通行、行人通行負(fù)向指標(biāo)，由此構(gòu)建了交叉口信號(hào)控制評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并給出各類指標(biāo)的計(jì)算方法或獲取方法；同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際，給出交叉口信號(hào)控制方案優(yōu)化前后9類評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)工程實(shí)例證明，本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及判斷標(biāo)準(zhǔn)具有實(shí)際操作的可行性。