顧金剛 付 強 胡建偉

（公安部交通管理科學研究所 江蘇 無錫 214151）

0 引 言

交通擁堵是由于車輛的通行需求超過道路通行能力或受交通事件等影響，車輛被迫降低車速行駛或停止，造成車輛積壓超過一定程度的交通現象。對于城市交通管理者而言，如何快速準確發(fā)現交通擁堵，并根據其擁堵程度及時采取有效的應對措施對緩解交通擁堵起著重要作用。Wright 等[1]的研究指出，即使在非高峰的自由車流條件下，能夠提前1 min獲得交通擁堵狀態(tài)，并采取有效控制措施，可至少減少4～5 min 的交通延誤。因此，建立有效的交通擁堵評價方法，及時準確發(fā)現交通擁堵狀況就顯得尤為重要。

目前，不同地區(qū)不同城市對擁堵的評價方法和標準尚不統(tǒng)一[2]。在宏觀路網層面，國外有道路擁堵指數（road congestion index，RCI）[3]、擁堵持續(xù)指標（lane kilometer duration index，LKDI）[4]、出行時間指數（travel time index，TTI）[5]、擁堵嚴重度（congestion severity index，CSI）[6]等評估道路交通運行情況。我國多以交通運行指數（traffic performance index，TPI）[7]評價城市路網交通擁堵，該指數是基于嚴重擁堵里程比例、行程時間比、延誤時間比等歸一化評價指標構建的評價模型；有部分城市在該指標的基礎上，結合本地實際建立了相應的交通擁堵評價指標[8]；王永燊等[9]基于TPI指標，結合擁堵持續(xù)時間、擁堵路段分布，以及行程時間可靠性提出了路網的整體實時動態(tài)評價方法；也有采用對路口和路段賦予不同權重，通過路口和路段交通狀態(tài)，獲取城市路網的交通狀態(tài)[10]。在路段擁堵方面，美國芝加哥運輸局從道路占有率方面將某車道的占有率超過30%并且時間持續(xù)5 min以上認為是擁堵[11]；日本將普通道路和高速公路行車速度分別小于20 km/h和40 km/h 的狀態(tài)視為交通擁堵[12]。我國有標準將路段平均行程速度小于自由流速度的50%或30%分別定義為輕度擁堵和嚴重擁堵[7]。董春嬌等[13]和邢姍姍等[14]依據密度和速度對城市快速路等路段交通狀態(tài)進行評價。在路口擁堵方面，美國《道路通行能力手冊（Highway Capacity Manual，HCM）》[15]根據路口所有方向交通延誤的不同將服務水平分為A～F共6 個級別，其服務水平一定程度上表征了交通擁堵程度。我國有行業(yè)標準[16]以車輛在路口等候信號燈周期的個數來評價信號控制路口的交通擁堵，該評價方法一定程度上能夠反映駕駛人在路口的擁堵感受，但數據獲取方式只能依靠人工，且沒有考慮路口信號周期的影響，難以用于不同城市路口擁堵的橫向比較；有研究利用車頭時距方差和時間占有率[17]，排隊長度[18]，或基于流量、車速、占有率、排隊長度等融合指標[19]對交通狀態(tài)進行判別，但這些方法僅針對特定對象，缺少普遍性，且均沒有考慮行車感受，如排隊長度反映的是一種狀態(tài)，往往與實際擁堵感受并不一致，特別是受路口渠化、車道數量、綠燈放行時間等影響，同樣的排隊長度在不同城市產生的駕駛感受存在明顯差別，車輛通過路口所花費的時間也不同。

從交通擁堵評價的相關研究看，現有評價方法主要集中在道路和道路網等方面的評價，相關評價指標主要包括延誤、速度、排隊、車流密度等狀態(tài)性指標，沒有結合駕駛人的實際行車感受。在很多情況下，基于交通指數等指標得到的擁堵結果與駕駛人對交通擁堵的實際感受存在較大差異。隨著交通采集技術的進步，特別是視頻檢測、車輛位置定位、運行軌跡等技術的發(fā)展，可以為實時交通擁堵狀態(tài)評價提供豐富數據來源。本文從行車感受的角度出發(fā)，以車輛通過路口所花費的時間為基礎，并結合了路口信號配時情況，提出以排隊時間指數為指標對信號控制路口擁堵狀況進行評價，可用于不同城市不同信號控制路口交通擁堵評價和對比分析。

1 評價指標

1.1 指標定義及計算

為了反映駕駛人的行車感受，本文提出以排隊時間指數（queueing time index，QTI）為指標對信號控制路口擁堵狀況進行評價。排隊時間指數，即信號控制路口排隊車輛從首次停車開始直至通過路口所花費的時間與信號控制周期的比值，其中，通過路口以通過停止線或待行區(qū)停止線為準。排隊時間指數越大，則擁堵越嚴重。該指標結合了車輛通過路口所花費的時間和信號控制周期等參數，體現了延誤和等燈次數，能夠反映駕駛人行車過程中的擁堵感受。

式中：QTI為排隊時間指數；Tko為信號控制路口車輛k首次停車的時刻；Tkd為信號控制路口車輛k通過路口停止線或待行區(qū)停止線的時刻；Ck,i為車輛k通過路口時刻之前第i個信號周期時長,s；n為信號周期個數。

為及時發(fā)現路口擁堵并采取措施，以路口各進口道中擁堵最嚴重的進口道擁堵結果作為路口的結果，即取一定時間間隔內各進口道中排隊時間指數的最大值作為路口的排隊時間指數，其計算方法見式（2）。

式中：QTImax為一定時間間隔內各進口道排隊時間指數的最大值，其結果即為路口排隊時間指數；QTIj為一定時間間隔內第j進口道的排隊時間指數；Tj,ko為一定時間間隔內第j進口道車輛k首次停車的時刻；Tj,kd為一定時間間隔內第j進口道車輛k通過路口停止線或待行區(qū)停止線的時刻；Ck,i為車輛k通過路口時刻之前第i個信號周期時長,s；m為路口進口道數。

若車輛不停車通過路口，則其排隊時間指數為零。為減少采用感應或自適應控制路口信號控制周期變化的影響，周期的取車輛通過路口之前的連續(xù)n個周期的平均值，一般取n＝3。

排隊時間指數考慮了車輛通過路口所花費的時間和信號周期，從時間角度反映了車輛通過路口的難度，貼近實際行車感受，該指標一定程度上能夠減少不同城市不同區(qū)域信號配時產生的影響。

1.2 指標有效性分析

為分析排隊時間指數作為評價信號控制路口交通擁堵指標的有效性，分別采集了上海、南京、廣州、哈爾濱、西安、寧波等不同城市高峰時段典型信號控制路口交通流數據，數據包括每周期排隊車輛首次排隊的時刻Tkd以及通過路口的時刻Tko、信號控制周期Ck,i、每周期最大排隊長度、路口限速。其中，選取樣本車輛的原則是：每個周期排隊長度接近最大時，選擇排隊尾部的車輛作為測定樣本，記錄車輛停車的時刻，同時記錄車輛品牌顏色及車牌等信息，告知停止線處采集人員尋找該車輛并記錄其通過停止線的時刻，2時刻之間的間隔即為對應周期內車輛通過路口花費的時間；排隊長度采用手持滾輪式測距儀進行測量，記錄由停止線開始至車輛排隊位置的距離即為排隊長度。

1.2.1 排隊時間指數與延誤對比分析

本文在計算延誤時，假設自由流狀態(tài)下車輛以限速通過路口，且不考慮啟動延誤，以測定的最大排隊車輛通過路口花費的時間減去車輛以路口限速通過路口所需要的時間作為該車輛的延誤。對于車均延誤，人工測量一般采用點樣本法或牌照法[20]，由于其操作較為復雜，本文在測定最大排隊車輛通過路口時間的基礎上，將排隊末尾車輛延誤的一半近似作為車均延誤。所得近似車均延誤和排隊時間指數的關系見圖1，通過分析可以發(fā)現，二者呈現明顯的線性關系（R2=0.7562），由于延誤是評判路口交通狀態(tài)的在用指標之一，HCM也是采用車均延誤評價路口服務水平，結果表明，排隊時間指數評價路口擁堵是有效的，且比車均延誤測定更加簡便。

圖1 排隊時間指數與近似車均延誤的關系Fig.1 The relationship between QTI and approximate time delay

另外，當路口某流向存在綠信比設置過小，與該方向交通流通行需求不符時，對應進口道排隊車輛通過路口的時間Tkd-Tko會明顯增大，而信號周期Ck,i保持不變（固定配時路口）或以最大周期運行（感應或自適應控制路口），此時，該進口道排隊時間指數QTI結果會明顯增大，可及時對交通擁堵作出預警，有助于交通管理部門實時發(fā)現擁堵路口。通過對擁堵預警路口的信號配時周期、各相位綠信比進行分析，可發(fā)現信號配時中存在的不合理問題。因此，排隊時間指數有助于交通管理者發(fā)現路口潛在的配時不合理的情況。

1.2.2 排隊時間指數與排隊長度對比分析

采集的不同城市信號控制路口排隊時間指數指標與排隊長度的關系見圖2。

圖2 排隊時間指數與排隊長度的關系Fig.2 The relationship between QTI and queue length

由圖2可知，當排隊長度小于100 m時，排隊時間指數大部分在1 以下，均值為0.482，標準差為0.271；排隊長度在100～200 m 范圍時，部分路口的排隊時間指數超過1.5，均值為0.754，標準差為0.374；排隊長度在200～400 m 時，排隊時間指數均值為1.393，標準差為0.404；排隊長度大于400 m時，排隊時間指數均值為1.550，標準差為0.484。排隊時間指數與排隊長度沒有呈現明顯線性關系，路口的排隊車輛通過路口的實際時間與信號相位、周期、綠信比等有關，僅僅靠排隊長度指標難以判斷車輛通過路口所需的時間。

為進一步驗證不同路口排隊長度與車輛通過路口的時間并無必然因果關系，以采集的數據為樣本，排隊長度與車輛通過路口的時間Tkd-Tko的關系見圖3。

圖3 排隊長度與車輛通過路口花費時間關系Fig.3 The relationship between queue length and time spend to across the intersection

圖3 表明，排隊長度與車輛通過路口花費的時間也并無明顯關系，排隊長度在200～400 m 時，通過時間在200 s左右，排隊超過400 m時，通過時間也并未明顯增大。分析其原因，部分路口因排隊長，會增大其綠信比比，或調整相位設置（如禁止左轉），使得車輛通過路口的干擾變小，效率提高，其結果是車輛通過路口花費的時間并不會明顯增大。因此，排隊時間指數以車輛從排隊開始至通過路口的時間為基礎，貼近駕駛人的時間消耗感受，比排隊長度更貼近路口擁堵狀況。

另外，在評價短連接路口交通擁堵時，排隊時間指數也更具有優(yōu)勢。對于短連接路口，發(fā)生排隊溢出時，容易發(fā)生死鎖效應，擁堵狀態(tài)會急劇惡化，一般認為此時的路口是處在嚴重擁堵狀態(tài)，但由于路口間距較短的原因，此時的排隊長度卻并不長，產生排隊長度與擁堵狀態(tài)不符的情況。對于排隊時間指數而言，當路口發(fā)生排隊溢出、產生死鎖時，車輛通行緩慢甚至不能通行，車輛通過路口的花費的時間也會急劇增加，排隊時間指數也相應急劇增大，因此，排隊時間指數能夠反映此時路口的交通擁堵狀態(tài)。

2 評價方法

2.1 擁堵分級

為表征路口所處的不同狀態(tài)，路口狀態(tài)可分為擁堵和暢通，針對擁堵而言，也有不同的程度，現有相關評價標準和地方發(fā)布的擁堵指數，均將擁堵狀態(tài)分為3 級，即嚴重擁堵、中度擁堵、輕度擁堵。因此，筆者參考現有擁堵分級方法，將路口擁堵狀態(tài)劃分為嚴重擁堵、中度擁堵、輕度擁堵，外加暢通狀態(tài)，共計4 種不同交通狀態(tài)。為方便表示路口狀態(tài)，分別用Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級表示嚴重擁堵、中度擁堵、輕度擁堵、暢通。

2.2 狀態(tài)閾值

為了確定不同擁堵級別下排隊時間指數的閾值，根據采集到的不同城市的數據，采用聚類分析方法對不同擁堵狀態(tài)閾值進行分析，結合排隊長度和得到的近似車均延誤，結果見圖4。

圖4 排隊時間指數聚類分析結果Fig.4 The cluster analysis result of QTI

在排隊時間指數在0.8以下時，車輛排隊基本在200 m以下，近似車均延誤主要分布在55 s以下；排隊時間指數在0.8～1.5 之間時，車均延誤主要集中在55～100 s，但車輛排隊長度的離散較大，分布在100～500 m之間；排隊時間指數在1.5～2.1之間時，近似車均延誤主要分布在100～145 s，車輛排隊長度結果同樣較為離散，主要分布在200～550 m 之間；但排隊時間指數大于2.1 時，近似車均延誤均在145 s以上，延誤較大，排隊長度離散性也較大，部分排隊在200 m以下，這也表明排隊長度是一種狀態(tài)，不同路口的車輛排隊長度和延誤沒有必然聯系。最終確定排隊時間指數與擁堵狀態(tài)的關系見表1。

表1 信號控制路口最大排隊時間指數與交通擁堵狀態(tài)的對應關系Tab. 1 The relationship between the QTImax and the traffic status in signal controlled intersection

3 案例分析

以無錫市錢榮路-錢胡路路口、太湖大道-青祁路路口為例，分別采集路口高峰車輛排隊長度和通過路口花費的時間數據，計算排隊時間指數，并進行分析。

3.1 數據采集

因此前已知城區(qū)晚高峰的具體時段為17：00—18：30，路口較擁堵方向分別為錢榮路-錢胡路南進口、太湖大道-青祁路西進口，因此，在在對路口進行數據采集時，直接測定17：00—18：00時間段內的路口較擁堵進口的車輛從停車到通過路口的時間、信號周期等數據，調查方法采用人工現場調查，測定樣本為排隊尾部車輛，測定時間間隔設定為5 min，計算得到的結果作為路口最大排隊時間指數結果。

3.2 結果分析

經處理得到的路口最大排隊時間指數，以及根據最大排隊時間指數得到的路口擁堵狀態(tài)結果見表2。

由結果可知，互聯網地圖顯示的擁堵狀態(tài)和變化趨勢與基于排隊時間指數得到的擁堵級別及變化趨勢具有較高的一致性。太湖大道-青祁路西進口在17：45—17：50 時段內，基于QTI指標得到的擁堵等級為中度擁堵，而互聯網地圖結果為嚴重擁堵，二者之間有一定差異，經現場調查人員反饋，此時段內，排隊尾部車輛可在2 個信號周期內通過路口，較之前時段內交通擁堵程度有所減輕，調查結果較好的反映了路口實際擁堵狀態(tài)。因此，基于QTI指標的測定結果比互聯網地圖顯示結果更精準。另外，需要指出是，在開展實時擁堵狀態(tài)測定時，由于需要連續(xù)實時的路口數據，此時人工調查方法已不能滿足需要，可結合浮動車、網約車、路口視頻等多源數據，實時計算指標結果，以便開展路口擁堵評價，得到準確的結果，從而為交通管理決策提供支持。

表2 采用最大排隊時間指數路口擁堵等級結果Tab.2 The congestion levels of typical intersections based on QTImax in peak hour

4 結束語

本文構建了以排隊時間指數為評價指標的信號控制路口擁堵評價方法，給出了排隊時間指數的計算方法，并分析了將其作為信號控制路口交通擁堵程度評價指標的有效性，對比了其與延誤的相關性，通過分析可知，排隊時間指數與車輛延誤呈正相關關系，不但考慮了駕駛人的實際行車感受，且能夠及時發(fā)現路口信號配時不合理造成的擁堵等潛在管理問題，因此，排隊時間指數作為路口擁堵的評價指標是合理有效的。根據現有路口擁堵程度的劃分方法，將擁堵狀態(tài)分為4 個不同級別，利用采集的不同城市典型路口高峰數據，通過聚類分析，得到了不同擁堵等級情況下排隊時間指數的閾值。排隊時間指數指標可以為城市開展信號控制路口交通擁堵評價提供新的思路和借鑒，同時也可以為不同城市路口交通擁堵橫向比較提供一種途徑和方法。

路口仍然是今后城市道路交通管理的重點，而路口擁堵的及時發(fā)現和處置也將是交通管理者關注的重點。借助越來越完備的智能交通檢測設備和互聯網車輛通行數據，可以有效獲得不同路口交通的時空特點，如何利用這些數據對路口交通通行狀態(tài)進行精準畫像將是今后研究的方向。