行人違章行為對交叉口通行能力影響分析

程加琪 徐良杰

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

交叉口是多個方向和多種類型的交通流交匯、沖突嚴(yán)重的區(qū)域，信號交叉口以信號控制的手段通過時間分隔化解過街行人與機動車的沖突.由于違章成本高，查處手段完善，機動車在信號交叉口極少闖紅燈，然而在信號交叉口等待過街的行人中卻不乏冒著自身安全的風(fēng)險闖紅燈者.由行人原因造成的交通事故在信號交叉口占有一定比例，而且由于行人本身缺乏保護，一旦發(fā)生事故致死致傷率極高，根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計行人在交通事故中的死亡率達0.5人/起.而我國城市交通典型特征是混合交通，且城市交通實踐中存在著“重機動車交通而輕步行交通”的思想，步行交通規(guī)劃落后，行人設(shè)施管理、規(guī)劃不完善，導(dǎo)致大量行人交通違章穿越，交通事故時有發(fā)生，嚴(yán)重影響城市交通系統(tǒng)運行效率.

行人交通靈活性強，行人本身也容易受環(huán)境影響產(chǎn)生心理變化，目前國內(nèi)外學(xué)者對行人違章行為的研究，對行人違章的原因[1]、行為特征[2]、行人等待[3]、行人心理[4-5]等人的本身因素做了大量分析；也有學(xué)者利用博弈論[6]、計劃行為理論[7-8]、閾值模型[9-10]等試圖構(gòu)造行人過街的行為模型，但缺乏行人違章行為對于交通系統(tǒng)的影響研究.針對行人違章行為與機動車的沖突，和機動車在交叉口產(chǎn)生的延誤，該文結(jié)合武漢市信號交叉口行人違章調(diào)查數(shù)據(jù)，建立行人違章影響下通行能力修正模型，量化行人違章行為對信號交叉口通行效率的影響，對于優(yōu)化信號交叉口的交通組織，提高行人在交叉口處的安全性具有重要意義，為行人穿越創(chuàng)造更好的交通環(huán)境，促進人、車、路三者的和諧.

1 行人違章行為劃分

1.1 機動車延誤分析

車流均勻穩(wěn)定到達情況下，行人違章行為一般是在行人信號的綠尾紅燈剛啟亮的頭幾秒，和綠初紅燈尚未結(jié)束的一個較短的時段內(nèi).此時行人利用可接受的車流間隙來穿越車流達到過街的目的.在交叉口未飽和狀態(tài)下車流間隙通常較大，人群中部分大膽的行人便會尋找合適的時機違章過街，另一部分從眾行人跟隨前者也違章過街，車輛在通過交叉口時為避免碰撞一般會采取減速措施，因此，增加了行車的均勻延誤.

行人紅燈前期加速通過行為使得車輛啟動損失增加，有效綠燈時長減少，降低車道的通行能力.行人紅燈末尾搶行行為可能阻礙車隊末尾車輛的通行，使得停車線后的排隊車輛在依此綠燈時間內(nèi)不能放空，造成二次排隊，即過飽和現(xiàn)象.行人違章行為增加了進口道的這種隨機過飽和出現(xiàn)的概率，過飽和狀態(tài)下的交叉口車輛多，車流間隙小，行人出于自身安全考慮較少地打斷車流違章過街.

1.2 行人違章行為劃分

根據(jù)不同紅燈期間的行人違章行為對車流的影響不同，將不同紅燈期間的違章行為劃分為三種：紅燈前期加速行為、紅燈中期通過行為和紅燈末期搶行行為.

1) 紅燈前期加速行為是指在行人信號綠燈結(jié)束、紅燈起亮?xí)r進入人行橫道過街.若將行人信號紅燈起亮的時間設(shè)為起始時間0；則紅燈前期加速行為的時間區(qū)間TE=[0,tE].通過觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，紅燈前期加速通過行為多發(fā)生在紅燈起亮后0～4 s的時間，因此取tE=4.行人紅燈前期加速通過行為使得車輛啟動損失增加，有效綠燈時長減少，降低車道的通行能力.

2) 紅燈末期搶行行為是指在行人信號燈綠燈還未起亮、紅燈倒計時進入人行橫道過街.記行人紅燈信號的總時長為T；則紅燈末期搶行行為的時間區(qū)間TL=[tL,T].通過觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，紅燈末期搶行行為多發(fā)生在綠燈起亮前0～3 s的時間，因此取tL=T-3.行人紅燈末期搶行行為可能阻礙車隊末尾車輛的通行，使得停車線后的排隊車輛在依此綠燈時間內(nèi)不能放空，造成二次排隊，即過飽和現(xiàn)象.

3) 紅燈中期通過行為是指在上述兩個期間之外的紅燈期進入人行橫道過街，可得紅燈中期通過行為的時間區(qū)間TM=[tE,tL].在交叉口未飽和狀態(tài)下車流間隙通常較大，人群中部分大膽的行人便會尋找合適的時機違章過街，此時行人與車輛的距離較遠，行人違章過街的行為對車輛造成影響較小，因此，本文不討論此種違章行為對交通的影響.

2 進口道通行能力修正模型

交叉口的機動車通行能力是對每個進口道規(guī)定的，它是在現(xiàn)行的交通狀況、車行道和信號設(shè)計的條件下，某一指定進口道所能通過交叉口的最大流量.信號控制交叉口的通行能力以飽和流量為基礎(chǔ)進行計算，指定進口道的通行能力為

Ci=Si×(g/c)i

(1)

式中：Ci為進口道i(或第i車道組)的通行能力，pcu/h；Si為進口道i(或第i車道組)的飽和流量，pcu/h；(g/c)i為進口道i(或第i車道組)的綠信比.

其中飽和流量是影響機動車通行能力的因素之一.飽和流量是假定進口道車輛在全綠情況下所能通過的最大流量.在實際計算中，先選擇基本飽和流量[11].各進口道基本飽和流量見表1.

表1 各類進口道基本飽和流量

考慮行人的影響，美國《道路通行能力手冊》(HCM)中關(guān)于行人因素校正系數(shù)模型，根據(jù)沖突點行人占用率對飽和流率進行折減，從而計算通行能力.

行人校正系數(shù)可表示為

fRpb=1.0-PRT(1-ApbT)(1-PRTA)

(2)

fLpb=1.0-PLT(1-ApbT)(1-PLTA)

(3)

式中：fRpb為行人對右轉(zhuǎn)車流影響的校正系數(shù)；fLpb為行人對左轉(zhuǎn)車流影響的校正系數(shù)；PRT為車道組中右轉(zhuǎn)車輛所占的比例；PLT為車道組中左轉(zhuǎn)車輛所占的比例；ApbT為非保護相位下行人影響因子；PRTA為保護相位內(nèi)右轉(zhuǎn)通行時長所占的比例；PLTA為保護相位內(nèi)左轉(zhuǎn)通行時長所占的比例.

以下通過分析不同行人違章行為對影響因子ApbT的影響，從而得出考慮行人違章行為情況下信號交叉口通行能力的折減系數(shù).

2.1 紅燈末期搶行行為

稱紅燈末期搶行的違章行為情境一，這種情況下影響了這一相位清尾車輛的通行，引起本可以通過交叉口的車輛的延誤，影響機動車的通行效率.通過觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，紅燈末期搶行行為多發(fā)生在綠燈起亮前1～3 s的時間，取其平均值r1.那么行人通行相位時長gp應(yīng)增加為(gp+r1)，得到qpedg1和此類違章行為下行人影響因子ApbT1計算公式：

qpedg1=qped×c/(gp+r1)

(4)

式中：qpedg1為情景一行人通行的流率，ped/h；qped為分析時段內(nèi)的行人交通量，ped,g/h；c為信號周期時長，s；gp為行人通行相位時長，s；r1為搶行時間，s.

(5)

式中：OCCpedg1為情景一機動車與行人沖突區(qū)域的行人占有率；qpedg1同前.

(6)

式中：ApbT1為情景一的行人影響因子；Nrec為左轉(zhuǎn)車流或右轉(zhuǎn)車流的出口道數(shù)量；Nturn為左轉(zhuǎn)車流或右轉(zhuǎn)車流在進口道的數(shù)量；OCCpedg1同前.

2.2 紅燈前期加速通過行為

稱紅燈前期加速通過的違章行為情境二.這種情況下影響了機動車的啟動，增加啟動時間.通過實際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，紅燈前期加速通過行為多發(fā)生在紅燈起亮后0～4 s的時間，取其平均值r2.那么行人通行相位時長gp應(yīng)增加為(r2+gp)，得到此類違章行為下行人影響因子ApbT2計算公式為

qpedg2=qped×c/(r2+gp)

(7)

式中：qpedg2為情景二行人通行的流率，ped/h；qped為分析時段內(nèi)的行人交通量，peds/h；c為信號周期時長，s；r2為行人紅燈起亮后時間，s；gp為行人通行相位時長，s.

(8)

式中：OCCpedg2為情景二機動車與行人沖突區(qū)域的行人占有率；qpedg2同前.

(9)

式中：ApbT2為情景二的行人影響因子；Nrec為左轉(zhuǎn)車流或右轉(zhuǎn)車流的出口道數(shù)量；Nturn為左轉(zhuǎn)車流或右轉(zhuǎn)車流在進口道的數(shù)量；OCCpedg2同前.

2.3 通行能力修正模型

(10)

得到考慮行人違章行為的信號交叉口進口道通行能力修正模型：

(11)

(12)

(13)

3 模型適用性分析

3.1 數(shù)據(jù)調(diào)查

選擇沒有特殊的地理和幾何影響因素的具備較好觀測條件的典型信號交叉口，調(diào)查時間選取工作日的07：00—09：00，以及高峰時段17：00—7：30，且保證每個交叉口至少1 h的觀察時間進行調(diào)查.

調(diào)查選取武漢市友誼大道-才華街交叉口，為主次相交路口，見圖1.主路友誼大道南向雙向10車道，北向雙向7車道，才華街雙向4車道.交叉口道路線形為直線，路面縱坡為0，行車道寬度為3.5 m，人行橫道的寬度8 m，機動車設(shè)計速度為40～60 km/h.交叉口采用三相位信號控制(相位一：友誼大道車輛直行與右轉(zhuǎn)；相位二：友誼大道車輛左轉(zhuǎn)；相位三：才華街車輛直行、右轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn))，信號燈周期為120 s， 黃燈時間為3 s，全紅時間為1 s，相位一綠燈時間為46 s，相位二綠燈時間為32 s，相位三綠燈時間為30 s.

圖1 交叉口車道示意圖

調(diào)查獲取了各進口道的行人過街交通量和各進口車道的機動車交通量，見表2.

表2 交叉口各進口道流量

3.2 仿真建模

基于行人違章過街調(diào)查數(shù)據(jù)，建立行人違章行為與通行效率模型，量化行人違章行為對信號交叉口交通運行的影響.利用VISSIM仿真環(huán)境和仿真原理，對信號交叉口行人違章穿越行為進行模擬分析.

在信號控制交叉口，到達路口的各交通個體如果完全遵照交通規(guī)則使用自己的路權(quán)通行，那么交叉口總體延誤達到最小，但現(xiàn)實是總會有違章者擾亂交叉口的秩序，進而造成交叉口延誤.在仿真系統(tǒng)中設(shè)置交叉口信號控制規(guī)則時，在人行橫道處設(shè)置兩個路段：一個路段選擇信號控制方式，在此路段所有行人是遵規(guī)過街的.另一個路段則選擇無信號控制方式，且設(shè)置優(yōu)先規(guī)則，定義為行人讓行機動車，可看作行人在無信號控制人行橫道上選擇可穿越間隙穿插過街的情景.以此來做行人違章穿越行為的仿真.此時，兩個路段的行人流量比例即為遵章行人數(shù)與違章行人數(shù)之比.

3.3 結(jié)論與分析

基于實測數(shù)據(jù)，使用SPSS軟件對式(10)中的模型參數(shù)進行標(biāo)定，擬合結(jié)果R方為0.992，證明模型具有較高的擬合度，算例中考慮行人違章行為的影響因子為

(11)

將武漢市友誼大道—才華街交叉口南進口機動車運行效率分別以美國《道路通行能力手冊》行人因素校正系數(shù)模型(HCM基礎(chǔ)模型)、修正模型和VISSIM仿真實驗數(shù)據(jù)相對比，其結(jié)果見表3.

表3 不同模型車道通行能力對比 pcu/h

分析不同模型計算得到的各車道通行能力值，HCM基礎(chǔ)模型計算得到車道1，4、5的通行能力值分別為315，310和510 pcu/h，由該文修正模型得到的通行能力值分別為296，291，497 pcu/h；計算模型計算值與仿真實驗數(shù)據(jù)的誤差.HCM基礎(chǔ)模型的誤差分別為5.15%，8.01%，6.90%；本文提出的修正模型誤差分別為2.47%，3.14%，2.07%.該文考慮行人違章行為的交叉口通行能力修正模型與仿真結(jié)果誤差均在5%以下，說明該修正模型更接近交叉口交通運行狀態(tài)，具有較強的適用性.

4 結(jié) 束 語

為了研究行人違章行為對機動車延誤的影響，根據(jù)不同時期的行人違章行為對交通流產(chǎn)生的影響不同，將其劃分為紅燈前期加速行為、紅燈中期通過行為和紅燈末期搶行行為三種類型，并針對其中紅燈前期加速行為和紅燈末期搶行行為兩種行為，對進口車道交通流的影響建立了通行能力修正模型，最后通過對比仿真數(shù)據(jù)和HCM基礎(chǔ)模型、本文修正模型計算值，得到修正模型誤差值均優(yōu)于HCM基礎(chǔ)模型，可為信號交叉口行人交通組織的優(yōu)化提供參考依據(jù)，也可對交叉口信號控制方案提供參考.后續(xù)研究將對紅燈中期通過行為對交叉口通行效率的影響做深入分析，從行人違章與機動車沖突的角度出發(fā)，建立基于人機沖突的交叉口通行效率模型.

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