基于累計因素法的平交口信號燈設(shè)置依據(jù)研究

摘要：以往的交叉口機(jī)動車信號燈設(shè)置依據(jù)主要是考慮單一因素為主的離散模型方法，而信號燈的設(shè)置是一個涉及眾多因素的問題。為克服這一局限性，通過實(shí)地調(diào)查和交通仿真，基于交叉口的道路特征、交通流量以及交通環(huán)境等多種影響因素，采用累計因素模型的方法構(gòu)建平交口信號燈設(shè)置依據(jù)模型，并給出了信號燈設(shè)置閾值。與傳統(tǒng)設(shè)置依據(jù)相比，該方法通過添加一系列調(diào)整要素，減少了管理或設(shè)計者數(shù)據(jù)采集帶來的負(fù)擔(dān)，從而簡化了交叉口信號燈設(shè)置依據(jù)，實(shí)現(xiàn)在相應(yīng)的交叉口合理設(shè)置機(jī)動車信號燈。

關(guān)鍵詞：交通控制;信號燈設(shè)置依據(jù);累計因素法;交叉口延誤

中圖分類號：U491

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

交叉口作為路網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，是道路系統(tǒng)的重要組成部分。由于車輛在交叉口處的合流以及分流影響，使得交叉口在整個路網(wǎng)中成為交通瓶頸和事故易發(fā)點(diǎn)。交叉口信號燈的設(shè)置是提升道路交通安全、保障道路暢通的重要措施之一。如果信號燈如果設(shè)置不當(dāng)，則會違背駕駛者的期望，造成過度的延誤、事故率增加。

針對信號燈設(shè)置依據(jù)的研究，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了積極的探索。FITZPATRICK等依照規(guī)范提出了潛在的信號燈設(shè)置依據(jù)改善方法[1]。SAMPSON使用排隊(duì)理論研究交叉口的信號燈設(shè)置依據(jù)，綜合考慮道路特征等要素，提出以4輛車和6輛車排隊(duì)作為信號燈設(shè)置的閾值條件[2]。WEUDOREE利用可接受間隙理論，提出了3條信號燈安裝依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[3]。國內(nèi)研究雖起步較晚，但也取得不少成果，我國《道路交通信號燈安裝規(guī)范》制定了基于高峰小時流量、12小時流量的信號燈設(shè)置依據(jù)[4]。李銳等總結(jié)各種臨界間隙下需安裝信號燈的流量條件，提出了基于延誤理論的信號燈設(shè)置的判別依據(jù)[5]。張碧琴等研究了交叉口延誤參數(shù)的相關(guān)獲取，運(yùn)用層次分析法得出各判別參數(shù)的權(quán)重值，通過綜合性評判方法，確定交叉口信號燈安裝的條件[6]。楊曉光等對不同流量條件下交叉口的交通沖突次數(shù)進(jìn)行了理論分析，給出了全無控制交叉口設(shè)置機(jī)動車信號燈交通流量臨界曲線[7]。

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以往的交叉口機(jī)動車信號燈設(shè)置主要是離散因素法，該方法只需滿足其中某一特定的因素考慮設(shè)置機(jī)動車信號燈。而交叉口機(jī)動車信號燈的設(shè)置是一個涉及眾多因素的問題，如相交道路交通量、車輛構(gòu)成、車速、交通安全等因素，因此本文在分析道路交通需求的復(fù)雜性和多樣性基礎(chǔ)上，基于交叉口的道路特征、交通流量以及交通環(huán)境等多種影響因素，采用累計因素法來構(gòu)建機(jī)動車信號燈設(shè)置依據(jù)模型，為交通管理者提供決策和參考。

1交叉口信號燈設(shè)置依據(jù)理論模型

1.1影響因素分析

交叉口的條件不同，對信號燈設(shè)置的影響不同，其主要影響因素如表1所示，包括交通特征、道路特征、交通環(huán)境。通過分析交叉口交通流特征及其沖突行為，決定是否設(shè)置機(jī)動車交通信號燈，關(guān)鍵因素是交通特征因素，具體為主路上的車輛與次路上車輛的沖突以及主路車輛與穿越主路的行人沖突之間的沖突。

1.2理論模型構(gòu)建

通過分析交叉口的道路特征、交通流量以及交通環(huán)境等多種影響因素，建立基于累計因素法的交叉口機(jī)動車信號燈設(shè)置依據(jù)模型。累計因素模型Cumulative Factors Method （簡稱CFM模型）常用于建立因變量與自變量之間的統(tǒng)計關(guān)系，其中因變量為是否設(shè)置機(jī)動車信號燈。即：

2模型參數(shù)確定

2.1交通量

交通量是影響交叉口機(jī)動車信號燈設(shè)置的主要因素，當(dāng)主要道路的交通量過大時，次要道路的交通流需要等待機(jī)會穿越。交通量達(dá)到臨界值時，造成交叉口延誤過大，此時需要考慮設(shè)置信號燈。交通量參數(shù)包括主路雙向進(jìn)口道平均車流量（輛）Qm、次路最高進(jìn)口道平均車流量（輛）Qs、穿越主路的平均行人流量Pc。選取的調(diào)查時段包括6個小時時段（7：00-9：00，11：00-13：00，17：00-19：00）的平均小時交通流量。

2.2交叉口間距影響因子

當(dāng)交叉口設(shè)置機(jī)動車信號燈時，需要考慮相鄰交叉口的影響。上下游交叉口信號燈設(shè)置與否對道路交通運(yùn)行情況有很大影響，利用Synchro仿真軟件模擬得出，當(dāng)交叉口的間距由200 m增加到800 m時，其通行能力可提高80%左右[8]。在相同條件下，當(dāng)交叉口的距離不斷變化時，影響因子的范圍從0.92到1.04，而間距200 m為一個分隔點(diǎn)，如圖1所示。

2.3主要道路車道寬度響因子

車道寬度對行車速度有很大影響，將3.5 m寬的車道寬度作為無信號交叉口控制的標(biāo)準(zhǔn)值[9]，當(dāng)車道寬度小于或大于該標(biāo)準(zhǔn)值時，行車速度會改變，交叉口的通行能力也會受到影響。因此依據(jù)文獻(xiàn)[10]得出交叉口車道寬度對通行能力的影響系數(shù)ηl。

式中：ηl表示進(jìn)口道車道寬度對交叉口通行能力的修正值;l表示車道實(shí)際寬度（m）。

為簡化模型計算，取進(jìn)口道寬度使用值來計算車道寬度影響因子Cl，當(dāng)車道寬度為標(biāo)準(zhǔn)值3.5 m時，Cl=1。得到車道寬度對信號燈設(shè)置的影響因子如表2所示。

2.4主要道路速度影響因子

結(jié)合規(guī)范[11]，分析速度對通行效率的影響，運(yùn)用VISSIM軟件仿真得出：當(dāng)交叉口限制速度為50 km/h時，交叉口的運(yùn)行效率開始發(fā)生很大的變化。因此取50 km/h的速度為速度變化閾值，以該車速下的通行能力作為交叉口道路標(biāo)準(zhǔn)通行能力[12]。如圖2所示。

2.5大型車比例影響因子

不同類型的車輛由于外形和動能等方面的差異，影響著交叉口的運(yùn)行效率[13]。本文將車型分為小型車和大型車，并將小型車作為車輛換算系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)車輛類型。運(yùn)用VISSIM進(jìn)行仿真，在相同車道和控制方式下，分析不同的大型車比例對交叉口延誤的影響，結(jié)果如圖3所示。

2.6交叉口地理特征影響因子

信號燈設(shè)置應(yīng)該考慮到交叉口所處位置的社會人口數(shù)，在大社區(qū)到小社區(qū)中，駕駛者在交叉口的期望和性能不同[14]。根據(jù)美國MUTCD手冊中交叉口所在地區(qū)社會人口是否少于10000，信號燈設(shè)置依據(jù)的臨界流量條件會發(fā)生變化，以及《中小城市綠皮書：中國中小城市發(fā)展報告2016》對于城市類型的劃分，結(jié)合已有的根據(jù)社會人口分類的信號燈設(shè)置分析，得到交叉口地理特征因素對信號燈設(shè)置的影響關(guān)系模型。

2.7交叉口行人特征影響因子

交叉口所在區(qū)域的土地利用性質(zhì)不同，過街行人群體帶有差異性。不同的過街行人組成會影響交叉口的整體運(yùn)行效率，考慮交叉口所在區(qū)域的行人特性對信號燈設(shè)置的影響。行人統(tǒng)計要素取值范圍取決于交叉口所在的土地利用性質(zhì)。取值范圍為：

1.2附近有學(xué)校（小學(xué)或中學(xué)）

1.1附近有老年活動中心或商業(yè)區(qū)

2.8車輛調(diào)整系數(shù)

交叉口不同車道間的交通流彼此會產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時會造成擁堵，因此需要添加一個調(diào)整系數(shù)。加拿大學(xué)者GUEBERT研究在交叉口的運(yùn)行中，車輛與車輛沖突流量約占交叉口運(yùn)行的70%左右，行人與車輛沖突流量約占剩余的30%左右[15]，行人流量取值使用GUEBERT所提出的平均每小時50～60人[16]，該值取決于交叉口道路交通特征。通過擬合分析，得到模型中兩個調(diào)整系數(shù)為：

3信號燈設(shè)置依據(jù)判定流程

3.1判定流程

對于某一個具體的交叉口，通過數(shù)據(jù)采集獲取交叉口相關(guān)信息，提取相關(guān)參數(shù)，基于累計因素模型建立交叉口選擇信號燈的依據(jù)值與所提取參數(shù)之間的關(guān)系式，計算相應(yīng)交叉口信號燈設(shè)置值W，接著通過分析該類交叉口設(shè)置信號燈的閾值W0，通過比較值W與該閾值W0大小，判斷是否需要設(shè)置信號燈。判別流程如圖4所示。

3.2閾值的確定

基于延誤理論對閾值進(jìn)行分析，當(dāng)交叉口的延誤達(dá)到一定值時，則需要考慮設(shè)置信號燈。假設(shè)經(jīng)過交叉口的流量相同，比較交叉口在無信號控制下的延誤du和信號控制下的延誤ds的大小，考慮約束條件：du>ds，du≤dmax，當(dāng)du=dmax時，交叉口主路和次路的交通量為信號燈設(shè)置判別條件的臨界流量。即服務(wù)水平達(dá)到E時，則需要考慮交叉口設(shè)置信號燈，本文選取該服務(wù)水平等級下的35 s延誤值作為信號燈設(shè)置的臨界條件。選定此時的閾值W0=100，當(dāng)計算交叉口的W值大于閾值W0時，則需要考慮設(shè)置信號燈。

4模型有效性驗(yàn)證

通過對比的方法來驗(yàn)證該模型的正確性，在實(shí)際調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)范[4]，將離散因素法與累計因素法進(jìn)行對比，驗(yàn)證本模型的可靠性。調(diào)查南京市15個無信號交叉口，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，使用三種方法分別判斷交叉口是否需要設(shè)置信號燈，得到結(jié)果如表3所示。

由調(diào)查結(jié)果可以看出，累計因素法的匹配比例比離散因素法高26.6%。圖5是按照依據(jù)值大小進(jìn)行排序，擬合而成的線性曲線。從圖中可以看出匹配度能體現(xiàn)出現(xiàn)有模型的精準(zhǔn)度和適應(yīng)度，累計因素法和離散因素法對研究結(jié)果有很好的相關(guān)性。

5實(shí)例應(yīng)用

選擇南京市江寧區(qū)天源路與萊茵達(dá)路一無信號交叉口為研究對象，對該交叉口進(jìn)行了連續(xù)高峰小時的交通量觀測。該交叉口的道路特征及地理特征如表4所示。

6結(jié)論

根據(jù)上述探討，本文得出以下結(jié)論：

（1） 通過研究交叉口交通流特征，結(jié)合實(shí)地調(diào)查，研究得出機(jī)動車信號燈設(shè)置的主要影響因素。運(yùn)用累計因素法，對交叉口的間距、車道數(shù)、車道寬度、大型車比例、主次路交通流量、行人流量以及交叉口的地理特征與行人特征等影響因素進(jìn)行分析，構(gòu)建了平交口機(jī)動車信號燈設(shè)置依據(jù)模型， 并對設(shè)置依據(jù)模型的各個參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。

（2） 構(gòu)建了機(jī)動車信號燈設(shè)置依據(jù)判定流程，并運(yùn)用延誤理論，結(jié)合交叉口實(shí)際情況，確定機(jī)動車信號燈設(shè)置閾值，當(dāng)機(jī)動車信號燈的設(shè)置值W>W0時，需要考慮設(shè)置信號燈。當(dāng)W

（3）本研究未考慮交叉口幾何條件及視距對信號燈設(shè)置的影響，在后續(xù)研究中將進(jìn)一步分析該因素，使設(shè)置依據(jù)模型更加完善;在模型參數(shù)標(biāo)定方面，采用的是南京地區(qū)交叉口的數(shù)據(jù)，在為了研究中將收集更完善的資料，使設(shè)置依據(jù)模型更加準(zhǔn)確及穩(wěn)定。

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3.

（責(zé)任編輯：于慧梅）