李路遙，韓智強，晉民杰，李華騰，賈慶林

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024)

在城市交通系統(tǒng)中，交叉口作為連接不同方向道路的節(jié)點，能夠保障車輛在路網(wǎng)中的自由行駛與安全交匯，對整個城市道路網(wǎng)的運轉(zhuǎn)具有重要作用。交叉口的實際交通狀態(tài)不僅影響車輛的行駛與安全，而且也影響駕駛?cè)说鸟{駛感受。因此，合理地評價交叉口的交通狀態(tài)，對于改善車輛行駛環(huán)境，提高交通服務(wù)質(zhì)量具有深遠意義。

道路服務(wù)水平是描述出行者從道路環(huán)境、交通管理、車輛駕駛等方面所得服務(wù)程度的一項指標[1]，可以將復(fù)雜的交通狀態(tài)劃分為多個等級，從而直觀地反映道路的實際狀態(tài)。本文選取合適的評價指標，構(gòu)建交叉口的道路服務(wù)水平評價體系，為交叉口的管理與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 交叉口服務(wù)水平評價指標的建立

1.1 交叉口服務(wù)水平的影響因素

服務(wù)水平能夠反映道路在各種因素的影響下，為使用者所服務(wù)的質(zhì)量等級，而平面交叉口是不同方向的交通流交匯的節(jié)點，影響其服務(wù)水平的因素復(fù)雜多樣。針對平面交叉口的特點，通常根據(jù)速度、飽和度、延誤時間以及排隊長度等定量指標確定服務(wù)水平。美國由《道路通行手冊》(HCM)[1]中的標準，選取延誤時間作為交叉口服務(wù)水平的評價指標，將交叉口的服務(wù)水平分為六級；日本采用飽和度(V/C)劃分服務(wù)水平等級，將交叉口的服務(wù)水平分為三級[2]。由于交通具有顯著的地域性，不同地區(qū)的交通具有不同的特點，所以美國等西方國家的評價指標以及評價標準并不完全符合我國目前的交通狀況。

1.2 評價指標的確定

道路服務(wù)水平不僅體現(xiàn)交通運行的客觀狀態(tài)，而且也包含著出行者的通行感受。因此，在選取評價指標時，既要考慮交叉口處車輛的行駛情況，也要考慮駕駛員的駕駛感受，從多個角度進行綜合選取。

從交通運行的客觀狀態(tài)來看，平面交叉口的交通運行復(fù)雜，考慮到交叉口的設(shè)施運行狀態(tài)和車輛運行情況，根據(jù)中國推薦的評價指標和相關(guān)研究[3-7]，選取飽和度和停車延誤作為評價指標。參考評價指標和評價標準如表1所示。

表1 中國推薦的交叉口服務(wù)水平評價指標和評價標準

(1)飽和度。飽和度也稱交通負荷度，反映了道路對實際交通量的承受能力。當數(shù)值接近1時，表明通行車輛較多，行駛自由度降低；當數(shù)值接近0時，表明道路上行駛的車輛較少，車輛行駛自由；當數(shù)值超過1時，表明道路上行駛的車輛數(shù)超過道路設(shè)計的容量，交通負荷大，道路將出現(xiàn)擁堵。本文通過對交叉口進行交通量調(diào)查，將實際交通量以小客車為標準車型進行換算得到當量交通量，根據(jù)交叉口設(shè)計規(guī)范中的方法計算通行能力。

(2)停車延誤。停車延誤是車輛因為交通控制、道路擁堵等因素而停止行駛所產(chǎn)生的延誤[8]，可以將車輛在交叉口處多消耗的時間直觀地呈現(xiàn)出來。停車延誤能夠在一定程度上將交叉口的信號控制、車輛運行以及服務(wù)經(jīng)濟性反映出來，是平面交叉口服務(wù)水平評價的重要指標。本文通過點樣本法進行延誤調(diào)查，通過觀測15 s內(nèi)的停車數(shù)量，記錄平面交叉口入口處車輛的停車時間，然后根據(jù)車輛數(shù)和時間間隔計算延誤指標。

從出行者的行車感受和安全來看，車輛速度是道路運行的重要參數(shù)，其數(shù)值的大小與道路通行能力、交通管控、交叉口安全性均有密切的關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)研究[9-10]，出行者在駕駛車輛駛?cè)虢徊婵诘倪^程中，如果兩路段車速差值較大，車輛在行駛中一般會進行多次減速或者進行換道，嚴重降低出行者的舒適度，也會為行車帶來危險，降低交叉口的安全性，這無疑會影響出行者對交叉口服務(wù)水平的評價。所以本文選取速度連續(xù)性作為評價指標，進而反映車輛駛進交叉口的安全性與出行者的感受。運行速度差值與事故之間關(guān)系如表2所示。

表2 運行速度差值與事故率

(3)速度連續(xù)性。速度連續(xù)性是指車輛在相鄰兩個路段上行駛時速度的變化幅度。有研究表明[11]：在相鄰路段上，隨著車輛的運行速度差值的增大，車輛發(fā)生碰撞事故的幾率也增大，隨著差值減小，事故發(fā)生率也逐漸減小。同時從感覺與知覺的角度來看，出行者能夠敏銳地感覺到車速的變化，準確率約為60%，而出行者對車流量的變化，感受并不明顯[12]。本文選取相鄰兩路段的第85%速度為運行速度，根據(jù)計算公式求得其速度差，利用速度差值的大小反映兩路段的車輛行駛的速度連續(xù)性，進而反映行駛安全性與駕駛員的感受。其公式如下：

Δv=|vi-vi-1|

(1)

其中Δv為兩路段之間第85%速度差值；vi為調(diào)查路段的；vi-1為前一段路段的第85%速度。

綜上所述，本文選用飽和度(V/C)、停車延誤及速度連續(xù)性這三個參數(shù)作為服務(wù)水平評價的指標。

2 灰色聚類分級模型的構(gòu)建

灰色系統(tǒng)理論是研究缺乏數(shù)據(jù)與信息的不確定系統(tǒng)的新手段，針對系統(tǒng)“樣本小”“信息少”的特點，利用已掌握的數(shù)據(jù)與信息，對其生成與開發(fā)，獲得有價值的新數(shù)據(jù)，從而對系統(tǒng)運行進行描述與監(jiān)控[13]?？紤]到城市平面交叉口的交通運行混雜，且部分信息隱蔽，評價指標不同，因此本文選用灰色定權(quán)聚類分級法，判斷不同方向的路口所屬的灰類，確定其服務(wù)水平。

2.1 建立評價矩陣

根據(jù)所研究的對象，設(shè)有n個聚類對象，即交叉口的各個進口，m個聚類指標，構(gòu)造評價矩陣：

X=(xij)

(2)

式中：xij—第i個聚類對象的第j個指標的觀測值；

i=1,2,…，n；

j=1,2…，m；

2.2 確定白化權(quán)函數(shù)

白化權(quán)函數(shù)一般與研究者所探討的實際問題有關(guān)，可以由研究者的主觀判斷來確定。在面對實際問題時，可以從個體的角度，分析研究對象，確定白化權(quán)函數(shù)，也能從整體考慮，綜合分析來確定白化權(quán)函數(shù)[14]。白化權(quán)函數(shù)圖像如圖1所示。

圖1 白化權(quán)函數(shù)

本文根據(jù)所研究交叉口的實況，確定k(k=1、2、3、4、5)個灰類等級，并參考表1以及相關(guān)研究確定不同指標的閾值與界限，并構(gòu)造白化權(quán)函數(shù)。白化權(quán)函數(shù)節(jié)點值如表3所示。

表3 白化權(quán)函數(shù)節(jié)點值

(1)第1灰類

(3)

(2)第2、3、4灰類

(4)

(3)第5灰類

(5)

2.3 確定各指標權(quán)重

指標的權(quán)重不僅反映各項指標影響評價對象的大小，而且也表示不同指標在同一個評價對象中的重要程度。平面交叉口是一個復(fù)雜的交通系統(tǒng)，系統(tǒng)中各種因素相互關(guān)聯(lián)和制約，在評價過程中，只有合理地分析從而確定不同指標在系統(tǒng)中的重要性，才能確保評價結(jié)果準確與合理。

目前，確定指標權(quán)重的方法可以分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法三大類。根據(jù)平面交叉口地域性的特點以及影響因素的復(fù)雜性，選用主觀賦權(quán)法對系統(tǒng)中的各個指標進行分析，從而確定不同指標權(quán)重的合適值。層次分析法作為主觀賦權(quán)法的一種，可以為研究這類系統(tǒng)提供一種簡明實用的決策方法。

因此本文采用層次分析法，針對已建立的平面交叉口服務(wù)水平的各項指標進行主觀賦權(quán)。

基于已建立的平面交叉口服務(wù)水平評價體系，通過Santy的1-9標度法得出判斷矩陣，利用層次分析法計算停車延誤、飽和度和速度連續(xù)性三個指標的權(quán)重ωj，分別為0.548，0.211和0.241.判斷矩陣如表4所示。

表4 判斷矩陣

2.4 計算灰類聚類系數(shù)

灰色定權(quán)聚類系數(shù)：

(6)

2.5 聚類評價

3 案例分析

本文選取太原市某平面交叉口作為研究對象，應(yīng)用本文所提出的方法，對該平面交叉口的服務(wù)水平進行研究。與典型的十字交叉口相比，該交叉口中的各個路口都建有提前右轉(zhuǎn)車道，東西進口道禁止左轉(zhuǎn)，南北進口道上游路段與高架相交，交叉口及周邊環(huán)境較為復(fù)雜。對該交叉口進行為期三天的交通調(diào)查，重點調(diào)查其交通量、延誤以及相鄰路段的車速。部分調(diào)查數(shù)據(jù)經(jīng)過分析整理于圖2、表5.

圖2 交叉口交通量流向圖

表5 平面交叉口調(diào)查數(shù)據(jù)匯總

基于灰色定權(quán)聚類分級法與評價指標對該平面交叉口的不同路口服務(wù)水平進行分級評價，計算出各評價對象的聚類向量，矩陣如下：

本文中將平面交叉口分為五個灰類等級，即將平面交叉口服務(wù)水平從高到低依次分為A、B、C、D、E五個服務(wù)水平。

由以上結(jié)果可知在該平面交叉口中，東進口屬于A級，西進口屬于C級，南進口屬于C級，北進口屬于D級。評價結(jié)果對比如表6所示。

表6 評價結(jié)果對比

(1)通過與HCM2010評價方法以及中國推薦的評價方法所得結(jié)果對比可以看出，本研究模型所得出的評價等級與常用的兩種方法所得的結(jié)果基本一致，能夠在一定程度上反映交叉口實際的服務(wù)水平。

(2)在同一交叉口處，當不同方向進口的延誤時間相近時，HCM2010評價方法與中國推薦的評價方法所得出的結(jié)果都不能明顯地區(qū)分東西進口的實際服務(wù)水平，失去了評價意義。本研究模型同時考慮飽和度、延誤與速度連續(xù)，可以更加客觀地反映實際的交通狀態(tài)，區(qū)分不同方向的道路服務(wù)水平。

(3)在特殊情況下(如南進口的飽和度較大但延誤較小)，HCM2010評價方法與中國推薦的評價方法所得評價結(jié)果都會產(chǎn)生一定偏差，與觀察到的交通運行狀態(tài)不符。本模型基于速度連續(xù)性，考慮運行安全與駕駛感受，可以減小偏差，更好地反映與實際運行相符的服務(wù)水平。

4 結(jié)論

(1)灰色定權(quán)聚類分級法對平面交叉口服務(wù)水平的分級，綜合考慮了多個因素對交通狀態(tài)的影響，體現(xiàn)了平面交叉口處交通運行的復(fù)雜性，避免了單一指標在評價時的片面性。

(2)考慮平面交叉口的速度連續(xù)性的評價方法可以較好地減小評價結(jié)果與實際交通之間的偏差，提高評價精確度，對交叉口服務(wù)評價體系的研究具有一定參考意義，同時也為平面交叉口的優(yōu)化與改善提供新思路。