城市道路交叉口智能研判分析方法研究

王雪雪 王冬冬

（上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司，上海 200063）

城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶動(dòng)機(jī)動(dòng)車擁有量的急劇增長(zhǎng)，造成交通擁堵日益嚴(yán)重，交通事故頻發(fā)。受到道路紅線的限制，城市道路進(jìn)一步拓寬的空間十分有限。通過(guò)擴(kuò)大路網(wǎng)規(guī)模來(lái)緩解交通擁堵的方法已經(jīng)得不到廣泛應(yīng)用，因此，需要進(jìn)一步提高路網(wǎng)的通行效率。路網(wǎng)內(nèi)的交通擁堵絕大部分發(fā)生在道路交匯路段，對(duì)交叉口運(yùn)行情況進(jìn)行研判分析，為提高交叉口通行效率打好基礎(chǔ)，勢(shì)在必行。

由于交通問(wèn)題本身的復(fù)雜性以及區(qū)域的差異性，導(dǎo)致目前尚無(wú)統(tǒng)一的交通運(yùn)行評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和完整的研判分析指標(biāo)計(jì)算模型。國(guó)外對(duì)交叉口研判分析的交通運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括[1]：交通流參數(shù)指標(biāo)、服務(wù)水平指標(biāo)、擁堵定義指標(biāo)、出行影響指標(biāo)和其他指標(biāo)等。國(guó)內(nèi)對(duì)交通運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究較少，主要集中在交通流參數(shù)的分析，包括飽和度、流量、車速的分析[2]。羅旭江[3]提出了一種基于交叉口是否存在二次排隊(duì)，將交叉口劃分為未飽和與飽和兩種狀態(tài)，分別選擇飽和度、延誤和排隊(duì)長(zhǎng)度作為研判指標(biāo)以及選擇二次停車率、飽和度標(biāo)準(zhǔn)差和效率系數(shù)作為研判指標(biāo)的效率評(píng)價(jià)方法。紀(jì)錚翔[4]根據(jù)國(guó)內(nèi)外交通流的運(yùn)行特點(diǎn)，建立了一種多種類、多層次的年報(bào)月報(bào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出評(píng)價(jià)城市道路交通運(yùn)行可靠性的指標(biāo)。魏立夏[5]充分考慮了道路的運(yùn)輸能力，路網(wǎng)OD需求兩個(gè)關(guān)鍵因素，結(jié)合運(yùn)行速度參數(shù)全面分析路網(wǎng)交通狀態(tài)。另外，還有部分學(xué)者以車輛延誤[6-9]和車輛排隊(duì)長(zhǎng)度[10]為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化信號(hào)配時(shí)提高交叉口運(yùn)行效率。

現(xiàn)有交叉口的車流狀態(tài)沒(méi)有具體的數(shù)據(jù)指標(biāo)，無(wú)法得到交叉口的通行能力和通行效率等具體數(shù)據(jù)。本研究建立了關(guān)于交叉口通行能力、車輛平均延誤、平均停車次數(shù)、排隊(duì)長(zhǎng)度等指標(biāo)的計(jì)算模型，作為路口交通研判分析評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)指標(biāo)依據(jù)。基于雷達(dá)監(jiān)測(cè)器、復(fù)合視頻檢測(cè)器、固定線圈檢測(cè)器等收集到的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)預(yù)處理剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，對(duì)有效數(shù)據(jù)研判分析，計(jì)算得到交叉口的通行能力、車輛平均延誤、平均停車次數(shù)、排隊(duì)長(zhǎng)度等效益指標(biāo)。該方法包括路口數(shù)據(jù)預(yù)處理、路口車道級(jí)研判分析、路口進(jìn)口道級(jí)研判分析、路口級(jí)研判分析。通過(guò)車道級(jí)、進(jìn)口道級(jí)、路口級(jí)的研判分析計(jì)算，輸出路口交通態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合路口不均衡系數(shù)指標(biāo)，為交通工程師、交通管理者在信號(hào)相位優(yōu)化、配時(shí)參數(shù)優(yōu)化、交通組織優(yōu)化、潮汐車道判別等方面提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是保證研判分析結(jié)果準(zhǔn)確性必不可少的過(guò)程，通過(guò)數(shù)據(jù)工程進(jìn)行交通流量數(shù)據(jù)質(zhì)量的判別。

1.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量判別

閾值計(jì)算：在全局參數(shù)表中，讀取車道流量設(shè)定的閾值。

數(shù)據(jù)質(zhì)量判別：出現(xiàn)以下3種情況時(shí)，判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題：

讀取到設(shè)備存在告警信息；連續(xù)m個(gè)周期采集流量為0；連續(xù)k個(gè)周期采集流量不在設(shè)定閾值范圍內(nèi)。

1.2 數(shù)據(jù)修補(bǔ)

通過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷信息，如果數(shù)據(jù)質(zhì)量完好，則直接將采集的車道流量值錄入車道流量表；如果數(shù)據(jù)質(zhì)量差則采用歷史數(shù)據(jù)修補(bǔ)的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)。

2 車道級(jí)研判分析

路口車道級(jí)研判分析，通過(guò)輸入車道級(jí)別的交通數(shù)據(jù)，包括號(hào)牌號(hào)碼、過(guò)車時(shí)間、動(dòng)態(tài)排隊(duì)長(zhǎng)度、實(shí)時(shí)相位運(yùn)行信息，完成實(shí)時(shí)研判分析，輸出車道通行能力、車道飽和度、車道平均延誤、車道平均停車次數(shù)、車道排隊(duì)長(zhǎng)度的路口車道級(jí)數(shù)據(jù)指標(biāo)。

2.1 車道通行能力

某一交叉口第i進(jìn)口道第j車道的通行能力即通過(guò)該車道的最大允許通行能力，即在單位時(shí)間內(nèi)能夠通過(guò)該車道的車輛總數(shù)，一般與飽和度相結(jié)合，來(lái)判別路口是否為瓶頸路段，是否需要通過(guò)采取一些措施緩解當(dāng)前擁堵，是否各車道飽和度不均衡等。計(jì)算公式如下：

式中：sij——進(jìn)口道i車道j的飽和流量（pcu/s）；cij——進(jìn)口道i車道j的通行能力（pcu/s）；geij——進(jìn)口道i車道j的綠燈時(shí)間（s）；C——交叉口周期時(shí)長(zhǎng)（s）；λij——進(jìn)口道i車道j的綠信比。

2.2 車道飽和度

車道飽和度是指車道內(nèi)的實(shí)際交通量與該車道通行能力的比值，反映車道的擁堵程度，當(dāng)車道飽和度大于臨界飽和度時(shí)，車道開(kāi)始出現(xiàn)車輛排隊(duì)。車道飽和度越大，車道擁堵越嚴(yán)重。路口實(shí)際運(yùn)行中，最理想的狀況是，各個(gè)車道飽和度均衡，即各車道車輛享有公平的時(shí)間權(quán)力通過(guò)交叉口。

式中：qij——進(jìn)口道i車道j的車流量（pcu/s）；xij——進(jìn)口道i車道j的飽和度。

2.3 時(shí)間段T內(nèi)各車道指標(biāo)

車道指標(biāo)主要包括各車道的車輛延誤、平均停車次數(shù)和平均排隊(duì)長(zhǎng)度等。

延誤是反映道路交通擁堵的一個(gè)重要指標(biāo)，不同的路口，結(jié)合交叉口空間和時(shí)間特性，以及交通流量的多少，其延誤可能相差很大。

停車次數(shù)與車輛在交叉口的燃油消耗和尾氣排放緊密相關(guān)，交叉口擁堵越嚴(yán)重，車輛平均停車次數(shù)越多。正確的評(píng)價(jià)每輛車在交叉口的平均停車次數(shù)是有效控制交叉口的前提[11]。

排隊(duì)長(zhǎng)度是一個(gè)交叉口擁堵嚴(yán)重程度，道路渠化、交通控制方式、綠信比分配是否合理的直觀反映，路口實(shí)際運(yùn)行中，排隊(duì)長(zhǎng)度越小越好。

以各車道的延誤為例，建立模型。Akcelik R等[12]提出了一種能夠應(yīng)用于不同交通需求情形下的交通延誤模型，該模型能夠計(jì)算所有情形下的車輛延誤，包括在研判分析開(kāi)始時(shí)已經(jīng)存在車輛排隊(duì)的過(guò)飽和情形。

首先確定交叉口各進(jìn)口道各車道的臨界飽和度，見(jiàn)式（4）及式（5）。式（5）中，當(dāng)車道飽和度大于臨界飽和度時(shí)，該車道上的車輛開(kāi)始滯留，并出現(xiàn)車輛排隊(duì)；當(dāng)車道飽和度小于等于臨界飽和度時(shí)，車輛全部通過(guò)交叉口，滯留車輛數(shù)為0。

根據(jù)車道飽和度和車道臨界飽和度之間的關(guān)系，將時(shí)間段T內(nèi)各車道車輛的平均延誤表示如式（7）所示。

式中：xij0——車道飽和度臨界點(diǎn)；N0——時(shí)間段T內(nèi)，車道周期平均過(guò)剩滯留車輛數(shù)（pcu）；dij——時(shí)間段T內(nèi)各車道車輛平均延誤（s）；C——交叉口周期時(shí)長(zhǎng)（s）；T——時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)度（s）；yij——進(jìn)口道i車道j的流量比，yij=qij/sij；rij——進(jìn)口道i車道j的相位紅燈時(shí)間（s），rij=Cgij（s）；gij——進(jìn)口道i車道j的有效綠燈時(shí)間（s），gij=geijyellowij-allredij；yellowij——進(jìn)口道i車道j的黃燈時(shí)間（s）；allredij——進(jìn)口道i車道j的全紅時(shí)間（s）。

3 進(jìn)口道研判分析

路口進(jìn)口道研判分析，在車道級(jí)通行能力分析結(jié)果之上，對(duì)于整個(gè)進(jìn)口道進(jìn)行研判分析計(jì)算，輸出進(jìn)口道通行能力、進(jìn)口道飽和度、進(jìn)口道平均延誤、進(jìn)口道平均停車次數(shù)、進(jìn)口道排隊(duì)長(zhǎng)度等路段交通分析指標(biāo)。

4 路口級(jí)研判分析

路口級(jí)研判分析，在路口車道級(jí)、路口進(jìn)口道級(jí)研判分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)于整個(gè)路口運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，輸出路口通行能力、路口飽和度、路口平均延誤、路口平均停車次數(shù)、路口不均衡指數(shù)、道路雙向不均衡指數(shù)等路口交通分析指標(biāo)。

5 案例分析

典型十字交叉口示例見(jiàn)圖1。通過(guò)該文建立的模型進(jìn)行交叉口交通研判分析。該交叉口信號(hào)控制為四相位組合，分別為南北向直行和右轉(zhuǎn)57 s，南北向左轉(zhuǎn)42 s，以及東西向直行和右轉(zhuǎn)43 s，東西向左轉(zhuǎn)27 s，周期時(shí)長(zhǎng)為180 s。

圖1 案例交叉口

經(jīng)過(guò)該交叉口晚高峰交通量的數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果，各進(jìn)口道的交通量見(jiàn)表1。根據(jù)車道綠信比和車道飽和流量計(jì)算各車道通行能力。

根據(jù)模型，得到交叉口各車道的研判分析指標(biāo)（見(jiàn)表2）。

根據(jù)模型，得到交叉口各進(jìn)口道的研判分析指標(biāo)（見(jiàn)表3）。

表1 交叉口各車道原始數(shù)據(jù)

表2 車道級(jí)研判分析指標(biāo)

表3 進(jìn)口道級(jí)研判分析指標(biāo)

根據(jù)模型，得到整個(gè)交叉口的各項(xiàng)研判分析指標(biāo)以及交叉口相交道路、主干道方向性的不均衡指數(shù)（見(jiàn)表4）。

表4 路口研判分析指標(biāo)

通過(guò)對(duì)選擇路口的復(fù)合視頻檢測(cè)器采集的視頻數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)選取并標(biāo)記若干位置點(diǎn)，對(duì)周期內(nèi)到達(dá)與通過(guò)車輛的統(tǒng)計(jì)分析得到，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差不大（見(jiàn)表5）。

表5 路口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研判分析指標(biāo)

舉例交叉口所有車道的研判分析指標(biāo)（見(jiàn)表2），交叉口的南進(jìn)口直行、東進(jìn)口右轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)車道的飽和度較大，停車次數(shù)和排隊(duì)長(zhǎng)度指標(biāo)也較大，而南進(jìn)口右轉(zhuǎn)車道、東進(jìn)口直行飽和度較小，同時(shí)直行和右轉(zhuǎn)位于同一相位，且南進(jìn)口直行排隊(duì)較長(zhǎng)，可以考慮將南進(jìn)口和東進(jìn)口的直行和右轉(zhuǎn)渠化車道合并為直右車道，提高路口通行效率。表3以進(jìn)口道為單位，記錄了一個(gè)交叉口各個(gè)進(jìn)口道的研判分析指標(biāo)。分析可得，東西進(jìn)行進(jìn)口道的飽和度、延誤、停車次數(shù)、排隊(duì)長(zhǎng)度相對(duì)高于南北向，但其流量卻較少，結(jié)合配時(shí)發(fā)現(xiàn)，東西向給予時(shí)間偏短，交通工程師應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化。表4記錄了整個(gè)交叉口的各項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)延誤和停車次數(shù)指標(biāo)調(diào)整周期時(shí)長(zhǎng)；結(jié)合不均衡指數(shù)確定建議調(diào)整相位相序。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模型計(jì)算得到的交叉口車道、進(jìn)口道以及整個(gè)交叉口的通行能力、飽和度、延誤、停車次數(shù)、排隊(duì)長(zhǎng)度等效益指標(biāo)，以及路口不均衡系數(shù)，可以分析各個(gè)路口的運(yùn)行情況，如路口是否存在較頻繁飽和度過(guò)高、現(xiàn)有的承載能力、通過(guò)路口的平均時(shí)間、停車等待綠燈啟亮的次數(shù)以及紅燈等待在路口的排隊(duì)車輛數(shù)等，從而為交通工程師和交通管理者分析路口現(xiàn)有交通組織、信號(hào)配時(shí)等提供數(shù)據(jù)支撐。