高萬晨

信號配時對交通噪聲和延誤的影響研究——以明光橋交叉口為例

高萬晨

（遼寧對外經貿學院 信息管理學院，遼寧 大連 116052）

以北京明光橋交叉口為研究對象，基于工作日早高峰（7:00—8:00）實際調查的交通量、渠化方案、聲功率級、相位等數據，運用Webster和交通噪聲預測模型，利用Matlab2018b和VISSIM6.0軟件，研究不同信號配時方案對明光橋交叉口交通噪聲和延誤的影響規(guī)律，研究表明，隨著信號周期的增加，各監(jiān)測點的交通噪聲值隨之增大，整個交叉口的交通噪聲值也隨之增加，交叉口的總延誤以最佳信號周期0為分界點，先減小后增大。

交通工程；信號配時；交通噪聲；延誤

交通擁堵通常發(fā)生在城市路網的關鍵節(jié)點處，或僅在某個交叉口出現(xiàn)擁堵，即“點擁堵”。如果這類交通擁堵沒有得到及時、有效地解決，那么將會呈現(xiàn)出“點–線–面”的蔓延趨勢，影響整個城市路網的運行效率。為此學者針對城市道路交叉口擁堵問題開展了一系列研究，如通過對渠化方案[1]、信號配時模型[2]、求解算法[3]等方面的設計與優(yōu)化，以緩解城市道路交叉口的擁堵。

近年來，隨著城市道路瓶頸處緩堵措施的科學應用與不斷優(yōu)化，城市路網交通擁堵在某種程度上得到了緩解，例如，2018年北京市路網交通指數為5.7（即為輕度擁堵水平）較2010年降低6.6%。雖然交通擁堵得到了緩解，但是在交叉口附近的交通噪聲污染問題日益凸顯，逐漸受到各國政府和人們的廣泛關注，交通噪聲的負面影響主要體現(xiàn)在社會經濟、公眾衛(wèi)生和城市環(huán)境3個方面。

在公眾衛(wèi)生方面：交通噪聲不僅對人們生理、心理產生影響，還可以干擾人們的睡眠和交流。在城市環(huán)境方面：我國環(huán)境保護部發(fā)布的《2017年中國環(huán)境噪聲污染防治報告》顯示，2016年，全國322個地級及以上城市開展聲環(huán)境質量監(jiān)測，晝間區(qū)域聲環(huán)境質量達到1級的城市16個，占5%。2016年相關部門共收到環(huán)境投訴119萬件，其中噪聲投訴52.2萬件，占環(huán)境投訴總量43.9%。在社會經濟方面：噪聲污染不僅可以導致房地產貶值，還可以造成車輛貶值等損失[4]，根據相關部門估計，我國每年由交通噪聲造成的經濟損失約為216億元[5]。

因此，本文以交叉口為研究對象，研究不同信號配時方案對交通噪聲和延誤的影響規(guī)律，利用發(fā)現(xiàn)的規(guī)律制定出合理的信號配時方案，以期降低交通噪聲對交叉口及其附近居民工作和生活的影響，同時，降低交叉口延誤，緩解城市交通瓶頸處的擁堵，真正做到以人為本，而不是以車為本。

1 基礎數據調查與處理

本文以北京市海淀區(qū)學院南路（東西方向）與西土城路（南北方向）的信號交叉口為研究對象，該交叉口屬于多段定時控制，具體的車道數量、轉向及交通噪聲監(jiān)測點如圖1所示。

圖1 明光橋區(qū)域

1.1 信號控制參數

通過實際調查獲取該交叉口的基礎數據，如幾何尺寸、信號配時、交通量等數據。該交叉口工作日早高峰時段（7:00—8:00）采用五相位信號系統(tǒng)，具體信號相位如圖2所示，信號周期為227 s，信號配時方案如圖3所示，交通量統(tǒng)計數據見表1。

圖2 明光橋交叉口相位設計

圖3 信號配時方案

表1 7:00—8:00明光橋交叉口各進口道實際交通量

1.2 交通噪聲參數

按照環(huán)保部于2008年10月19日發(fā)布的《聲環(huán)境質量標準》[6]要求，選取4個噪聲監(jiān)測點，使用聲級計(WS 1361—12)測量明光橋信號交叉口工作日早高峰時段(7:00—8:00)的交通噪聲，監(jiān)測時間間隔為1 s的連續(xù)測量。針對交通噪聲缺失數據，采用3次樣條插值方法進行補全。本文后續(xù)需要進行交通噪聲預測，其所需相關參數包括各進口道方向的車輛到達率、車輛消散率加速度、等效距離、聲功率級、速度、停車概率等。

2 模型分析

以明光橋交叉口為研究對象，研究不同信號配時方案對交叉口交通噪聲和延誤的影響，主要包括交通噪聲模型和信號配時模型。

2.1 交通噪聲模型

為了降低交通噪聲的監(jiān)測成本，美國、德國、英國、法國建立了適用于本國的交通噪聲預測模型，并得到了廣泛的應用。而中國的交通噪聲模型大都基于國外預測模型在具體情況下修訂而得，目前主要有環(huán)保部模型和交通部模型。對于交叉口而言，運用上述模型進行預測精度較低，主要因為上述模型對路段進行預測精度較高。因此，本文采用基于交叉口建立的模型[7]對交通噪聲進行預測，該模型預測精度較高，如下所示。

式中：L為等效聲級；為信號周期，該交通噪聲模型是基于信號控制交叉口建立的，考慮了交叉口的信號配時、不同方向不同車型的到達率和消散率、加速度、等效距離等因素，所以預測精度較高，模型具體變形詳見文獻[7]。

2.2 信號配時模型

Webster模型是信號交叉口定時控制的最基本配時方法，它是以車輛延誤時間最小為目標函數，是目前比較常用的方法，其延誤公式為：

式中：為車輛平均延誤；為周期時長；為綠信比；為流量；為飽和度。

則交叉口總延誤為=，若使總延誤（Webster延誤公式）最小，則：

用近似解法，可以得到定時信號（近似）最佳信號周期時長：

式中：為每個周期的總損失時間；為組成周期的全部信號相位的各個最大值之和。

3 信號配時對噪聲和延誤的影響分析

本文以明光橋交叉口工作日早高峰時段(7:00—8:00)為例，基于上述交通噪聲和信號配時模型研究不同信號配時方案對明光橋信號控制交叉口交通噪聲和延誤的影響規(guī)律。

3.1 信號配時方案

基于交通量、渠化、相位等基礎數據，利用Webster信號配時模型計算得出，該交叉口工作日早高峰時段(7:00—8:00)的最佳信號周期0為462 s，具體信號配時方案如圖4所示。本文僅研究信號交叉口周期變化、其余參數不變的情況下，不同信號配時方案對交叉口交通噪聲和延誤的影響。因此，選取C(最小信號周期)、0.750、0、1.20和1.505個信號周期（從左至右依次遞增），分別求出各周期的信號配時方案，信號周期為C、0.750、1.20和1.50的具體信號配時方案如圖5~圖8所示。

3.2 交通噪聲計算

本文使用的交通噪聲模型的預測精度已在之前研究成果中得到驗證[8]，因此基于交叉口幾何尺寸、交通量、交通噪聲等數據，利用交通噪聲模型中[詳見公式(1)]，并運用Matlab2018b編程對交叉口4個噪聲監(jiān)測點的交通噪聲進行求解，再根據能量疊加原理，計算得到整個交叉口的交通噪聲值。

圖4 周期為C0的信號配時方案

圖5 周期為Cm的信號配時方案

圖6 周期為0.75C0的信號配時方案

圖7 周期為1.2C0的信號配時方案

圖8 周期為1.5C0的信號配時方案

圖9(a)~(d)分別代表明光橋交叉口4個交通噪聲監(jiān)測點在C、0.750、0、1.20和1.505個信號周期下交通噪聲值的變化情況。由圖可知，隨著信號周期的增加，信號交叉口各監(jiān)測點交通噪聲值也隨之增大。因為針對同一相位而言，當信號交叉口信號周期增加時，分配給該相位的綠燈時間也隨之增加，單位綠燈時間內通過的車輛也隨之增加，又因為車輛在加速行駛時的交通噪聲值大于車輛在停車等待時的交通噪聲值，因此隨著信號周期的增加（本文僅研究信號交叉口周期變化、其余參數不變的情況下），交叉口的交通噪聲值隨之增加。

圖9 不同信號周期對交叉口各監(jiān)測點噪聲的影響

為進一步證實上述規(guī)律適用于整個交叉口，根據能量疊加原理，將C、0.750、0、1.20和1.505個信號周期下的4個交通噪聲監(jiān)測點噪聲值進行疊加處理后得到整個交叉口的交通噪聲值，研究結果如圖10所示。研究發(fā)現(xiàn)，隨著信號周期的增加，整個交叉口的交通噪聲也隨之增加。

圖10 不同信號周期對交叉口噪聲的影響

3.3 延誤計算

基于交叉口交通量、渠化方案、5個信號周期的信號配時方案等數據，利用VISSIM6.0對明光橋交叉口C、0.750、0、1.20和1.505個信號周期下的延誤進行仿真，仿真結果如圖11所示。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著信號周期的增加，明光橋交叉口的總延誤以最佳信號周期0為分界點先減小后增大。因為交叉口最佳信號周期是以總延誤最小為目標，所以此時交叉口總延誤最小。當信號周期小于0時，因為給各相位分配的綠燈時間越少，單位綠燈時間內通過的車輛數減少，車輛停車次數增加，所以導致交叉口的總延誤增加。當信號周期大于0時，因為給某一相位分配的綠燈時間增加，其余相位分配的綠燈時間減少，所以導致整個交叉口的總延誤增加。

圖11 不同信號周期對交叉口延誤的影響

4 結論

基于交叉口幾何尺寸、交通量、交通噪聲等數據，運用交通噪聲模型和Webster模型，利用Matlab2018b和VISSIM6.0軟件研究不同信號配時方案對明光橋交叉口交通噪聲和延誤的影響，研究表明，隨著信號周期的增加，各監(jiān)測點交通噪聲值也隨之增大，整個交叉口的交通噪聲值也隨之增加，交叉口的總延誤以最佳信號周期0為分界點，先減小后增大。

因此，決策者根據研究區(qū)域的具體情況，通過改變信號配時方案，使研究區(qū)域的交通噪聲值達到環(huán)保部提出《聲環(huán)境質量標準》中對應的不同聲環(huán)境功能區(qū)的交通噪聲要求。通過上述研究，可以為政府及環(huán)保部門提供合理的科學依據，為決策者制定合理的交通噪聲控制措施提供有效的方法。

[1] 胡超凡, 許奇, 朱錦. 平面交叉口渠化設計方法研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息, 2011, 11(S1): 36-42.

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[8] 高萬晨. 城市道路交通噪聲評價、預測與控制方法研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2016.

Research on Influence of Signal Timing on Traffic Noise and Delay --Taking the Intersection of Mingguang Bridge as an Example

GAO Wan-chen

（School of Information Management, Liaoning University of International Business and Economics, Dalian 116052, China）

This paper takes the intersection of Beijing Mingguang Bridge as the research object, and uses Webster and traffic noise prediction model based on the actual traffic volume, channelization scheme, sound power level and phase data in the morning peak (7:00-8:00). Matlab2018b and VISSIM6.0 software used to study the influence of different signal timing schemes on the traffic noise and delay of Mingguang Bridge intersection, the research shows that with the increase of signal period, the traffic noise value of each monitoring point increases. The traffic noise value of the entire intersection also increases, and the total delay of the intersection is determined by the optimal signal period0as the demarcation point, first decreasing and then increasing.

traffic engineering; signal timing; traffic noise; delay

U491.91

A

1674-3261(2020)02-0084-04

10.15916/j.issn1674-3261.2020.02.004

2019-12-04

遼寧對外經貿學院校級青年科研項目(2019XJLXQN004)

高萬晨(1989-)，男，遼寧大連人，助教，碩士。

責任編校：孫 林