基于交通噪聲與延誤的平面交叉口綜合評價(jià)＊

王 璐 蔡 銘

（中山大學(xué)工學(xué)院廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510275）

0 引 言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，交通量迅速增長，城市交通出現(xiàn)了日趨緊張的局面.而突出癥結(jié)表現(xiàn)在城市干道交叉口處，由于車流匯合交織，常出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，從而引起了嚴(yán)重的延誤、噪聲、大氣污染、能源浪費(fèi)等問題.近年來，多數(shù)研究只針對上述單一的問題來對交叉口的控制方式進(jìn)行評價(jià)，美國2000年版的HCM 利用平均延誤來評價(jià)交叉口［1］；日本根據(jù)飽和度指標(biāo)將信號交叉口的服務(wù)水平劃分為3個等級；前蘇聯(lián)則利用速度系數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)［2］.然而這些評價(jià)方法不僅數(shù)據(jù)調(diào)查困難，而且評價(jià)指標(biāo)單一，只考慮了看得見的損失，未考慮隱性的成本，交通噪聲這一社會公害往往被人們所忽視.采用微觀交通仿真的手段能較好的解決數(shù)據(jù)調(diào)查困難的問題，李喆等人采用仿真工具進(jìn)行交叉口延誤的計(jì)算［3］，吳碩賢、王永泉、李鋒等［4－6］也利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了對交通噪聲的模擬，但將不同評價(jià)指標(biāo)綜合考慮的研究較為少見.本文也將從微觀交通仿真的角度出發(fā)，利用Paramics仿真軟件模擬復(fù)雜實(shí)變的交通噪聲，在交通延誤的基礎(chǔ)上利用經(jīng)濟(jì)損失估算的方法比較交叉口不同管理方式的優(yōu)劣，對交叉口進(jìn)行綜合評價(jià).

1 交叉口評價(jià)方法

1.1 交叉口交通噪聲及延誤的計(jì)算機(jī)模擬方法

微觀交通仿真系統(tǒng)能動態(tài)的模擬“人－車－路－環(huán)境”的相互關(guān)系，反映出交通管理手段、交通流控制策略等對交通流的影響［7］.并行微觀仿真器Paramics是由英國Quadstone公司開發(fā)的用于微觀交通仿真的軟件包，它具有實(shí)時(shí)動態(tài)的三維可視化用戶界面，對單一車輛進(jìn)行微觀處理的能力，多用戶并行計(jì)算支持，以及功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口.Paramics能夠適應(yīng)各種規(guī)模的路網(wǎng)，從單節(jié)點(diǎn)到全國規(guī)模的路網(wǎng)，能支持100萬個節(jié)點(diǎn)，400萬個路段、32000個區(qū)域［8］.

Paramics為用戶提供了豐富的API函數(shù)，本研究中通過C 語言編寫插件調(diào)用這些函數(shù)，提取Paramics仿真時(shí)的各種實(shí)時(shí)更新的內(nèi)部信息，并利用仿真得到的每秒輸出的車速、加速度、坐標(biāo)等信息對交通噪聲和交叉口延誤進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬.因?yàn)镻aramics的坐標(biāo)有內(nèi)、外部坐標(biāo)之分［9］，當(dāng)我們在利用插件計(jì)算噪聲時(shí)就需要先將內(nèi)部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為外部坐標(biāo).該插件程序中關(guān)于交通噪聲的計(jì)算流程見圖1.

圖1 交通噪聲計(jì)算機(jī)模擬流程圖

通過在各進(jìn)口道和出口道設(shè)置車輛檢測器，當(dāng)車輛通過檢測器時(shí)就記錄下它的車輛ID 號和時(shí)間，仿真結(jié)束后將檢測器記錄下的具有相同ID號的時(shí)間相減便得到車輛通過交叉口的時(shí)間.流程見圖2，利用該方法仿真模擬得到車輛在理想情況下的通行時(shí)間，利用實(shí)際通行時(shí)間減去理想通行時(shí)間，便得到了車輛通過交叉口的延誤.

圖2 交叉口延誤計(jì)算機(jī)模擬流程圖

1.2 基于噪聲和延誤的交叉口綜合評價(jià)方法

將不同管理方式的交叉口的交通噪聲轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)損失將更為直觀的反映各種交叉口的優(yōu)劣，同時(shí)也提供了一種與交叉口延誤有效結(jié)合的方式，使得對交叉口的評價(jià)更為全面.

由于交通噪聲污染的復(fù)雜性，估算其對經(jīng)濟(jì)造成的損失是比較困難的.目前國內(nèi)外對噪聲污染經(jīng)濟(jì)損失的研究較為重視，提出了多種估算經(jīng)濟(jì)損失的方法，其中主要有3 種：損害費(fèi)用法（DC法）；意愿調(diào)查評估法（CV 法）；防護(hù)費(fèi)用法（PC法）［10］.

2009年，香港曾采用意愿調(diào)查法（CV 法）就居民對減少噪聲的支付意愿進(jìn)行了調(diào)查研究，調(diào)查結(jié)果見表1［11］.

表1 香港每戶家庭為降低1dB（A）噪聲的支付意愿

通過線性回歸，擬合出噪聲等級和支付意愿之間的關(guān)系為：y＝0.11x－3.05.式中：y 為每戶每月愿意為降低1dB支付的錢；x 為噪聲級.

根據(jù)《區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》的環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)值，采用2 類別的噪聲標(biāo)準(zhǔn)值的晝夜平均值55 dB作為評判此交叉口噪聲是否超標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算時(shí)僅對超標(biāo)部分的噪聲值進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失估算.

美國德克薩斯運(yùn)輸學(xué)院在2004年度報(bào)告中提出了交通擁擠外部成本計(jì)算模型［12－13］.本研究在對延誤進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失估算時(shí)將根據(jù)實(shí)際情況對此模型進(jìn)行簡化，利用平均行車延誤乘以一小時(shí)通過交叉口的車輛數(shù)，再乘以人均GDP和每輛車載客率作為時(shí)間延誤成本.其中年人均GDP采用國家統(tǒng)計(jì)局公布的2009 年廣州市人均GDP 40748元，每輛車載客率按2人計(jì)算.

2 數(shù)據(jù)的驗(yàn)證及分析

2.1 實(shí)例選取

為了驗(yàn)證本文評價(jià)方法的合理性、可行性，本研究將利用廣州市海珠區(qū)寶崗大道和江南西路的交叉口的實(shí)測交通量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).通過對此交叉口的交通量進(jìn)行0.05倍、0.1倍、0.5倍、1倍、1.5倍、2倍和3倍的適當(dāng)放大、縮小作為仿真交通量，繪制平面交叉口延誤－流量曲線，判斷一定流量下用Paramics仿真數(shù)據(jù)計(jì)算交通噪聲的準(zhǔn)確性，同時(shí)繪制平面交叉口噪聲－流量關(guān)系曲線；利用經(jīng)濟(jì)損失估算的方法比較在各種交通場景下3種交叉口管理方式的控制效益.

利用Paramics仿真軟件建立該交叉口的仿真模型，交叉口中心坐標(biāo)為（500，0），設(shè)置接收點(diǎn)坐標(biāo)為（480，10），并設(shè)接收點(diǎn)有0.5 m 的高度，車輛檢測器距離交叉口200m.模擬時(shí)，Paramics軟件自動計(jì)算出每時(shí)刻路網(wǎng)上各車輛的坐標(biāo)、速度、加速度以及車輛通過車輛檢測器的時(shí)間.計(jì)算噪聲時(shí)，車輛在相應(yīng)接受點(diǎn)處的聲級采用以下實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停盒⌒蛙嘗os＝19.24＋31.77lg V；中型車Lom＝4.8＋43.7lg V；大型車Lol＝18.00＋38.10lg V［13］.

2.2 基于Paramics的交通噪聲模擬方法驗(yàn)證

在Paramics里設(shè)置仿真交叉口的參數(shù)和實(shí)際情況一致，并以每10 min為單位，將調(diào)查得到的交通量換算成小時(shí)交通量在Paramics里進(jìn)行模擬，繪制實(shí)測噪聲與等效噪聲的關(guān)系曲線見圖3.

圖3 實(shí)測噪聲與等效噪聲的關(guān)系圖

從以上關(guān)系圖可以看出，通過Paramics仿真計(jì)算得到的交叉口等效噪聲與實(shí)則的噪聲值具有相同的變化趨勢，且兩者之間的差值小于3dB，吻合較好，因此驗(yàn)證了基于微觀交通仿真的交叉口交通噪聲的計(jì)算具一定的可靠性.

2.3 交叉口流量與噪聲和延誤的關(guān)系分析

將選取的交叉口的實(shí)際交通量進(jìn)行0.05倍、0.1倍、0.5倍、1倍、1.5倍、2倍和3倍的適當(dāng)放大、縮小作為Paramics仿真的交通量，分別設(shè)置該交叉口為無控制交叉口、信號控制交叉口和環(huán)形交叉口，其中信號控制交叉口設(shè)置為兩相位，采用韋伯斯特方法進(jìn)行信號配時(shí)，通過Paramics仿真計(jì)算得到各種交叉口控制方式的延誤和噪聲值，見表2.

繪制流量與延誤關(guān)系曲線見圖4.

表2 不同流量下交叉口延誤和噪聲數(shù)據(jù)表

圖4 流量與延誤關(guān)系圖

從圖4中可以看出交叉口延誤隨著交通量的增大而增大.當(dāng)各進(jìn)口道平均流量小于700 輛／h時(shí)，交叉口延誤隨交通量的變化不明顯，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)交通量較小，交叉口處于暢通狀態(tài).當(dāng)交通量超過700 輛／h 時(shí)，交叉口延誤變化幅度明顯.而當(dāng)交通量繼續(xù)增大到1500 輛／h時(shí)交叉口流量已經(jīng)達(dá)到了飽和流量，車輛排隊(duì)長度超過了所設(shè)線圈的位置，延誤隨流量的變化逐漸減緩，交叉口呈極度擁堵狀態(tài)，車輛運(yùn)行較為困難.

從圖中不難發(fā)現(xiàn)無信號交叉口延誤隨流量的增大呈線性增長的趨勢，當(dāng)交通量達(dá)到飽和流量后，并沒有出現(xiàn)排隊(duì)長度超過線圈位置、車輛運(yùn)行困難等情況車輛仍然能較順利的通過交叉口，同時(shí)不論交通量如何變化，無信號交叉口的延誤始終小于信號交叉口和環(huán)形交叉口，這和實(shí)際情況是不相符的.因此Paramics模擬的無信號交叉口與實(shí)際交叉口存在差距.

流量與噪聲關(guān)系曲線見圖5.

圖5 流量與噪聲關(guān)系圖

由圖5可見，環(huán)形交叉口與信號控制交叉口的等效噪聲隨交通量的增大而增大，當(dāng)交通量達(dá)到飽和流量后噪聲值趨于平穩(wěn)，而無信號交叉口的噪聲隨交通量的變化出現(xiàn)不規(guī)則的波動，考慮到以上提到的用Paramics模擬的無信號交叉口與實(shí)際情況存在差距，在利用Paramics仿真數(shù)據(jù)對交叉口進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失估算時(shí)將不考慮無信號交叉口.

2.4 交叉口延誤與噪聲的綜合評價(jià)研究

利用經(jīng)濟(jì)損失估算方法，計(jì)算得該交叉口的各種管理方式的經(jīng)濟(jì)損失見表3.

表3 經(jīng)濟(jì)損失估算表

分別繪制流量與延誤、流量與噪聲經(jīng)濟(jì)損失關(guān)系圖，見圖6和圖7.

圖6 流量與延誤經(jīng)濟(jì)損失關(guān)系圖

圖7 流量與噪聲經(jīng)濟(jì)損失關(guān)系圖

從圖中可以看出，當(dāng)流量較小時(shí)，延誤的經(jīng)濟(jì)損失并沒有隨流量的增大而出現(xiàn)明顯變化的趨勢，相反噪聲對交叉口經(jīng)濟(jì)損失的影響相對較大.當(dāng)流量超過700 輛／h時(shí)，因延誤帶來的經(jīng)濟(jì)損失隨流量的增大而劇增，而噪聲的經(jīng)濟(jì)損失逐漸趨于平衡，當(dāng)交通量超過飽和流量時(shí)甚至出現(xiàn)下降的趨勢，這種下降的趨勢主要是由于交叉口嚴(yán)重?fù)矶?，車輛緩慢跟行所造成的.因此當(dāng)流量較大時(shí)噪聲對交叉口經(jīng)濟(jì)的影響相對較大.

綜合考慮噪聲與延誤對交叉口的影響，繪制流量與總經(jīng)濟(jì)損失關(guān)系圖，見圖8.

圖8 流量與總經(jīng)濟(jì)損失關(guān)系圖

通過比較圖5和圖7，本研究發(fā)現(xiàn)總經(jīng)濟(jì)損失與延誤的經(jīng)濟(jì)損失隨流量的增大基本成相同的變化趨勢，而噪聲的經(jīng)濟(jì)損失占總經(jīng)濟(jì)損失的比重較小，在對交叉口管理方式進(jìn)行評價(jià)時(shí)噪聲的影響不明顯.但是由于在低流量時(shí)，隨著流量的增大，噪聲的經(jīng)濟(jì)損失呈劇增的趨勢，而延誤基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，因此交叉口流量較小時(shí)更適合選擇產(chǎn)生噪聲較小的環(huán)形交叉口，不僅降低了噪聲，同時(shí)也美化了環(huán)境.當(dāng)交叉口流量較大時(shí)，雖然環(huán)形交叉口的噪聲經(jīng)濟(jì)損失較小，但因延誤帶來的經(jīng)濟(jì)損失已遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過了噪聲，加之隨著流量的增大噪聲的變化趨于平穩(wěn)，因此應(yīng)選擇信號控制交叉口更為合理.

3 結(jié) 論

1）當(dāng)交叉口流量小于700 輛／h 時(shí)，交叉口管理方式選擇環(huán)形交叉口能有效的減小噪聲；當(dāng)交通量逐漸增大后，交叉口因延誤產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噪聲的經(jīng)濟(jì)損失，此時(shí)宜選擇能有效降低延誤的信號控制交叉口.

2）總的來說，在對交叉口管理方式進(jìn)行評價(jià)時(shí)交通噪聲的影響不明顯，更多情況宜根據(jù)延誤的損失來評價(jià)交叉口.

3）由于數(shù)據(jù)調(diào)查比較困難，本研究中對噪聲的經(jīng)濟(jì)損失的估算直接采用的是香港的調(diào)查數(shù)據(jù)，這與廣州的經(jīng)濟(jì)情況存在一定的偏差，在日后的研究中將會進(jìn)行進(jìn)一步的修正.

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