基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號(hào)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)研究

吳裕鋒 鄭淑鑒

摘 要：交通信號(hào)優(yōu)化是城市交通管理中的一項(xiàng)重要工作，為定量化評(píng)估信號(hào)控制的優(yōu)化效果、輔助優(yōu)化信號(hào)控制方案以進(jìn)一步提升路口的通行能力，基于交通調(diào)查的數(shù)據(jù)建立一套評(píng)價(jià)信號(hào)優(yōu)化效果的指標(biāo)體系，體系從路口、路段兩個(gè)層面對(duì)機(jī)動(dòng)車和行人分別構(gòu)建指標(biāo)，并重點(diǎn)闡述了各個(gè)指標(biāo)如何利用調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算獲得以及各個(gè)指標(biāo)代表的數(shù)值意義，最后通過案例驗(yàn)證說明了該評(píng)價(jià)方法的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：交通工程；信號(hào)控制；交通調(diào)查；優(yōu)化效果評(píng)價(jià)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市機(jī)動(dòng)車保有量不斷增加，交通擁堵日趨嚴(yán)重。交通信號(hào)控制是對(duì)城市交通進(jìn)行調(diào)節(jié)最直接的渠道，科學(xué)合理的信號(hào)控制方案能有效提高交通運(yùn)行效率，是最為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的緩堵措施。

2016年公安部發(fā)布了《推進(jìn)城市道路交通信號(hào)燈配時(shí)智能化工作方案》，更是推進(jìn)了全國(guó)各地開展對(duì)交通信號(hào)控制的整改和優(yōu)化工作，然而，信號(hào)控制的優(yōu)化效果卻一直缺乏標(biāo)準(zhǔn)、量化的指標(biāo)，使得工作的成效無法確切體現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者在這方面做出了大量的研究，如王爽提出了國(guó)內(nèi)信號(hào)控制交叉口服務(wù)水平的評(píng)價(jià)方法[ 1 ]，高云峰利用微觀仿真建立了交通控制評(píng)價(jià)指標(biāo)和實(shí)時(shí)計(jì)算模型[ 2 ]，汪湛提出了四種不同交通狀況下的信號(hào)控制交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、并使用VISSIM微觀仿真軟件對(duì)部分指標(biāo)進(jìn)行仿真研究[ 3 ]，柴干提出利用微觀仿真軟件建立干道的評(píng)價(jià)指標(biāo)和體系[ 4 ]，姚樹申提出了信號(hào)控制系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)、方法[ 5 ]，馬暢從平均行程延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度、停車率、行程車速及飽和度方面建立干道運(yùn)行效率評(píng)價(jià)指標(biāo)[ 6 ]，胡繼華利用VISSIM仿真平臺(tái)研究SCATS系統(tǒng)和定時(shí)控制系統(tǒng)的控制延誤情況[ 7 ]。

從這些研究可以看出，現(xiàn)有的研究大部分提出了信號(hào)控制的評(píng)價(jià)體系和方法，但對(duì)評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)來源卻沒有說明，或者是直接以仿真模擬的數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)信號(hào)優(yōu)化前后的效果，而事實(shí)上仿真與實(shí)際有一定的不同，仿真的結(jié)果并不能代表實(shí)際的優(yōu)化效果，因此現(xiàn)有研究無法在實(shí)際中有效應(yīng)用?；诖耍疚臉?gòu)建了一套基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號(hào)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)方法，以期應(yīng)用于實(shí)際分析信號(hào)優(yōu)化的效果。

1 基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號(hào)優(yōu)化評(píng)價(jià)體系

交通信號(hào)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)是對(duì)路口信號(hào)配時(shí)方案及其運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)判，基本方法是通過采集反映信號(hào)控制交叉口運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)（如延誤、交叉口實(shí)際通行能力、平均停車次數(shù)、平均行程時(shí)間、行人相位綠燈間隔時(shí)間等），對(duì)比分析其在交通信號(hào)優(yōu)化前后的變化，評(píng)判優(yōu)化效果的好壞。根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的不同，可以分為路口評(píng)價(jià)和路段評(píng)價(jià)，其中路口和路段中包括機(jī)動(dòng)車和行人，故可以再細(xì)分為機(jī)動(dòng)車指標(biāo)和行人指標(biāo)，結(jié)合可以實(shí)際交通調(diào)查的數(shù)據(jù)，建立基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號(hào)優(yōu)化評(píng)價(jià)體系如下圖所示。

2 路口信號(hào)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)研究

根據(jù)相關(guān)的研究，可用于路口信號(hào)控制優(yōu)化效果評(píng)價(jià)的指標(biāo)有很多，如通行能力、飽和度、行駛時(shí)間、延誤、停車次數(shù)、停車率、排隊(duì)長(zhǎng)度、燃油消耗、環(huán)境污染等。

從指標(biāo)值的可采集性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度以及評(píng)價(jià)工作的可持續(xù)性等各方面綜合考慮，路口優(yōu)化效果評(píng)價(jià)指標(biāo)主要選取交叉口車輛的平均延誤、實(shí)際通行能力、平均停車次數(shù)、排隊(duì)溢出率和行人相位間隔時(shí)間五個(gè)指標(biāo)。

2.1 車輛平均延誤

延誤是反映車輛行駛時(shí)間損失、受阻的指標(biāo)，是判定交叉口的通行效率重要指標(biāo)。對(duì)于每個(gè)車道的延誤可以分為兩種情況分析：

2.1.1車道沒有排隊(duì)車輛

綠燈放行后車道沒有排隊(duì)車輛時(shí)，本周期車輛的總延誤為三角形ABC的面積，如圖3所示，通過調(diào)查紅燈時(shí)間、最大排隊(duì)車輛以及放行車輛數(shù)三個(gè)參數(shù)可以計(jì)算得到：

2.1.2車道有排隊(duì)車輛

綠燈放行后車道有排隊(duì)車輛時(shí)，本周期車輛的總延誤為四邊形ABCH的面積，如圖4所示，通過調(diào)查車道的最長(zhǎng)排隊(duì)車輛數(shù)、放行車輛數(shù)以及周期三個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到：

交叉口車輛的平均延誤d可由各車道的平均延誤及其校正流量加權(quán)平均得到：

2.2 交叉口實(shí)際通行能力

信號(hào)控制交叉口的通行能力是指在定的交通、車行道和信號(hào)設(shè)計(jì)條件下，某一進(jìn)口車道上單位時(shí)間內(nèi)所能通過的最大交通流量。

交叉口的實(shí)際通行能力為各進(jìn)口車道的通行能力之和，它反映的是交叉口對(duì)交通疏導(dǎo)的最大能力。

2.3 平均停車次數(shù)

平均停車次數(shù)是指所有車輛在行駛過程中由于控制信號(hào)或前方車輛影響而停車的平均次數(shù)?！禛A115-1995道路交通阻塞度及評(píng)價(jià)方法》中將停車次數(shù)作為評(píng)價(jià)信號(hào)控制交叉口阻塞程度的評(píng)定指標(biāo)：車輛行至信號(hào)燈控制交叉路口，3次綠燈顯示未通過路口為阻塞；5次綠燈顯示未通過路口為嚴(yán)重阻塞。因此平均停車次數(shù)可反映出交叉口通行效率、擁堵程度等運(yùn)行情況。

2.4 排隊(duì)溢出率

排隊(duì)溢出率表示交叉口溢出影響到上游的交叉口，當(dāng)出現(xiàn)排隊(duì)溢出時(shí)，上游的車流在交叉口綠燈放行時(shí)間里無法通行，因此，用無法通行的綠燈時(shí)間來衡量排隊(duì)溢出對(duì)上游交叉口的影響程度，定義為排隊(duì)溢出率：

當(dāng)影響到多個(gè)交叉口時(shí)，排隊(duì)溢出率為多個(gè)交叉口的排隊(duì)溢出率的總和。

排隊(duì)溢出率數(shù)值越大，表示對(duì)交叉口的影響程度越大。

2.5 行人相位平均間隔時(shí)間

上述各項(xiàng)指標(biāo)以優(yōu)化的時(shí)段（早高峰、晚高峰或者平峰）為對(duì)象調(diào)查5～10個(gè)周期的數(shù)值計(jì)算獲得。

行人相位平均間隔時(shí)間該指標(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，判斷標(biāo)準(zhǔn)如下表。

3 路段信號(hào)協(xié)調(diào)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)研究

協(xié)調(diào)控制路段關(guān)系到兩個(gè)或兩個(gè)以上的交叉口，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制優(yōu)化考慮路段整體的協(xié)調(diào)效果、相交路段的運(yùn)行效率以及對(duì)行人過街的影響，基于此制定協(xié)調(diào)控制路段優(yōu)化效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如下。

評(píng)價(jià)指標(biāo)按協(xié)調(diào)控制的實(shí)施效果分為協(xié)調(diào)方向、非協(xié)調(diào)方向，分別采用路段和路口的運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。協(xié)調(diào)控制中路口的非協(xié)調(diào)方向的通行效率一般是被犧牲掉的，但也不能無限制地降低，因此評(píng)價(jià)指標(biāo)中加入非協(xié)調(diào)方向的評(píng)價(jià)作為協(xié)調(diào)優(yōu)化的約束條件。此外，考慮對(duì)行人的影響，加入了協(xié)調(diào)路段行人的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1 協(xié)調(diào)方向評(píng)價(jià)指標(biāo)（路段）

3.1.1平均停車次數(shù)

停車次數(shù)是指沿協(xié)調(diào)控制路段的協(xié)調(diào)方向行車遇到紅燈需要停下來等待的次數(shù)，多次測(cè)量取算術(shù)平均即為此路段的平均停車次數(shù)。

3.1.2平均行程時(shí)間

行程時(shí)間是指沿協(xié)調(diào)控制路段的協(xié)調(diào)方向按設(shè)計(jì)車速行駛，從進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)控制路段的第一個(gè)口到離開最后一個(gè)路口所經(jīng)歷的時(shí)間，多次測(cè)量取算術(shù)平均即為此路段的平均行程時(shí)間。

3.2 非協(xié)調(diào)方向評(píng)價(jià)指標(biāo)（路口）

3.2.1最大排隊(duì)長(zhǎng)度

測(cè)量各非協(xié)調(diào)方向的最大排隊(duì)長(zhǎng)度Li，各進(jìn)口引道可用于排隊(duì)的距離Di，要求排隊(duì)不回溢，即要滿足：

3.2.2平均停車次數(shù)

參照《GA115-1995道路交能阻塞度及評(píng)價(jià)方法》中阻塞度的評(píng)價(jià)方法，要求非協(xié)調(diào)方向的平均停車次數(shù)不大于3次，即路口不阻塞。

3.3 協(xié)調(diào)路段行人評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用與路口行人指標(biāo)同樣的計(jì)算方法，但指標(biāo)為各個(gè)路口行人指標(biāo)的平均值。

上述各項(xiàng)指標(biāo)以優(yōu)化的時(shí)段（早高峰、晚高峰或者平峰）為對(duì)象調(diào)查5～10個(gè)周期的數(shù)值計(jì)算獲得。

4 基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號(hào)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)流程

針對(duì)信號(hào)優(yōu)化的內(nèi)容及實(shí)施方式，評(píng)價(jià)的主要工作流程描述如下：

（1）在信號(hào)優(yōu)化實(shí)施之前，對(duì)交叉口/路段的基本情況進(jìn)行摸底調(diào)研，針對(duì)交叉口調(diào)查延誤、通行能力、排隊(duì)長(zhǎng)度等指標(biāo)，針對(duì)路段調(diào)查行程時(shí)間、停車次數(shù)等指標(biāo)，各指標(biāo)調(diào)查次數(shù)不少于5個(gè)周期。

（2）優(yōu)化方案下發(fā)并穩(wěn)定運(yùn)行一周之后，再次對(duì)交叉口/路段的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)研，需要獲取的數(shù)據(jù)及操作方法與優(yōu)化前的調(diào)研方法一致。

（3）分析對(duì)比信號(hào)優(yōu)化前后交叉口運(yùn)行狀態(tài)的變化，評(píng)價(jià)信號(hào)優(yōu)化的效果。

5 案例分析

某路口是城市重要交通節(jié)點(diǎn)，高峰期交通流量較大，根據(jù)交通調(diào)查顯示，該路口運(yùn)行周期較大，各進(jìn)口道的車輛延誤時(shí)間長(zhǎng)，另外由于與上游路口的通行時(shí)間不匹配，路段排隊(duì)長(zhǎng)度長(zhǎng)，易溢出到上游路口。經(jīng)研判，采取實(shí)施了一些優(yōu)化措施，具體包括簡(jiǎn)化路口相位降低周期、優(yōu)化調(diào)整各相位的綠信比、協(xié)調(diào)上下游路口的配時(shí)方案。

利用論文提出的針對(duì)路口機(jī)動(dòng)車信號(hào)優(yōu)化的評(píng)價(jià)方法，在實(shí)施優(yōu)化前后分別到路口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并采集相關(guān)的數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)如下表所示，調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果表明：優(yōu)化后路口車均延誤由62.13秒降低至56.75秒，降幅8.66%；路口通行能力有所提升，由2657 PCU增加至2792 PCU，增幅5.08%；沒有再出現(xiàn)排隊(duì)溢出現(xiàn)象，排隊(duì)溢出率由0.4降至0；路口平均停車次數(shù)由1.88次下降至1.63次，降幅13.33%。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察，路口有明顯的交通改善，而評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)也定量化體現(xiàn)了路口整體的優(yōu)化效果。

6 結(jié)論

交通信號(hào)控制是城市交通管理的重要手段，而信號(hào)配時(shí)的優(yōu)化是日常的交通管理工作之一，但卻一直缺乏定量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)分析。

本文提出了一套基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號(hào)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)方法，其中從路口、路段的機(jī)動(dòng)車指標(biāo)和行人指標(biāo)的調(diào)查內(nèi)容和計(jì)算方法進(jìn)行了闡述，并說明了各指標(biāo)代表的等級(jí)意義，最后通過案例驗(yàn)證說明了該方法的可行性與有效性。

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