信號交叉口飽和流率確定方法研究

程建梅

摘 ?要：飽和流率作為交叉口通行能力和信號配時(shí)的基礎(chǔ)參數(shù)，在交通管控中起著關(guān)鍵作用，應(yīng)盡量采用實(shí)測數(shù)據(jù)，但需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。因此，文章開展城市平面交叉口飽和流率研究，從城市道路交叉口類型、車道功能劃分及有無干擾等方面選擇典型的信號控制交叉口，采用不同的方法測算車道飽和流率，并對測算結(jié)果進(jìn)行對比分析，找出更貼近于實(shí)測的估算方法，為城市其它同類型車道估算飽和流率提供參考，為交通管理部門交通管控提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：交通工程;飽和流率;車頭時(shí)距;異常數(shù)據(jù)

中圖分類號：U491.5 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）25-0121-03

Abstract： As the basic parameter of intersection capacity and signal timing， saturated flow rate plays a key role in traffic control. The measured data should be used as far as possible， but it takes a lot of time and manpower. Therefore， this paper studies the saturation flow rate of urban intersections， selects typical signal-controlled intersections from the types of urban road intersections， lane function division and whether there is interference or not， and uses different methods to calculate lane saturation flow rates. The measured results are compared and analyzed to find out the estimation method which is closer to the actual measurement， so as to provide a reference for other similar lanes in the city to estimate the saturated flow rate and technical support for traffic control of traffic management departments.

Keywords： traffic engineering; saturated flow rate; headway; abnormal data

近年來，隨著城市化建設(shè)不斷加快，城市車輛保有量快速增長，城市道路資源越來越少，導(dǎo)致交通擁堵問題日益突出。為了緩解城市道路的交通擁堵問題，應(yīng)當(dāng)對城市道路交通流特性與道路通行能力進(jìn)行系統(tǒng)、深入研究，而作為城市道路重要組成部分的交叉口是主要的研究對象，其中交叉口的通行能力、信號配時(shí)作為研究的主要內(nèi)容。飽和流率是信號配時(shí)的重要參數(shù)，是確定交叉口通行能力的基礎(chǔ)[1]，因此飽和流率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，應(yīng)當(dāng)盡量采用實(shí)測數(shù)據(jù)，暫不說交叉口各車道車輛排隊(duì)長度是否滿足測量條件，倘若對每個(gè)交叉口均采用實(shí)測法來測算飽和流率勢必會(huì)造成大量的人力資源浪費(fèi)，耗時(shí)耗力。

飽和流率隨著城市天氣、地形、駕駛員的行為習(xí)慣不同，每個(gè)城市是不一樣的。本文探討城市道路平面交叉口飽和流率的確定方法，根據(jù)城市道路交叉口類型、車道功能劃分、有無干擾等情況選擇代表性交叉口[2]，分別運(yùn)用實(shí)測法、基本飽和流率法、修正系數(shù)法測算車道飽和流率，并對三種測算結(jié)果進(jìn)行對比分析，找到一種準(zhǔn)確、高效的城市平面交叉口飽和流率測算方法，較為簡便的測算出平面交叉口的飽和流率。并將此種算法加以推廣，為城市的同類型車道飽和流率測算提供依據(jù)，為其它各大城市找到適合本城市飽和流率測算提供思路和方法。

1 飽和流率測算方法

飽和流率測算方法主要有以下三種：實(shí)地觀測方法、基本飽和流率法、校正系數(shù)法[3]。

1.1 實(shí)地觀測法

車輛飽和車頭時(shí)距可以通過實(shí)地觀測法獲取，再將測得的飽和車頭時(shí)距換算成車道飽和流率。飽和流率S與飽和車頭時(shí)距h0的關(guān)系如式（1）所示：

式中：S-車道飽和流率，pcu/h;h0-飽和車頭時(shí)距，s。

從（1）式可以看出，計(jì)算飽和流率S的關(guān)鍵就是確定飽和車頭時(shí)距h0。飽和車頭時(shí)距指的是在一次連續(xù)的綠燈信號時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)定行駛的連續(xù)流的車頭時(shí)距。

1.2 基本飽和流率法

基本飽和流率是指在理想條件下交叉口進(jìn)口道所能穩(wěn)定通行的最大飽和流率?！冻鞘械缆方徊婵谝?guī)劃規(guī)范》（GB50647-2011）給出了信號控制交叉口基本飽和流率參考值[4]，如表1所示。

1.3 飽和流率修正系數(shù)法

結(jié)合進(jìn)口道寬度、進(jìn)口道坡度、重車率及轉(zhuǎn)彎車道的轉(zhuǎn)彎半徑等因素，對基本飽和流率進(jìn)行修正，稱為飽和流率修正系數(shù)法。其中基本飽和流率和大車校正系數(shù)估算準(zhǔn)確性尤其重要。飽和流率用平均基本飽和流率乘以各影響因素校正系數(shù)的方法估算[4]，即

Sf=Sb×f（F） ? ? ? ? ?（2）

式中：Sf-車道估算飽和流率，pcu/h;Sb-車道基本飽和流量，pcu/h;f（F）-車道對應(yīng)的校正系數(shù)。

《城市道路交叉口規(guī)劃規(guī)范》（GB50647-2011）還給出了專用相位下各種車道飽和流率修正計(jì)算方法及各修正系數(shù)取值建議，若無專用相位時(shí)，還需要在此基礎(chǔ)上乘以左轉(zhuǎn)、行人及自行車校正系數(shù)，若為合用車道還需要乘以合流校正系數(shù)。

2 調(diào)查方案設(shè)計(jì)思路

2.1 實(shí)地觀測法

由式（1）可知，飽和流率的確定主要是獲取飽和車頭時(shí)距，而實(shí)測法調(diào)查飽和車頭時(shí)距，需要解決三個(gè)關(guān)鍵問題：一是調(diào)查時(shí)段的確定;二是調(diào)查方法的選擇;三是數(shù)據(jù)的采集與處理。

（1）調(diào)查時(shí)段的確定

飽和車頭時(shí)距要有足夠的樣本量，而在綠燈剛啟亮?xí)r，進(jìn)口引道上前幾輛車都會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)延誤。在對交叉口實(shí)施調(diào)查時(shí)，一般從第5輛車開始調(diào)查，故交叉口引道上要有足夠的車輛排隊(duì)，為此一般會(huì)選擇高峰時(shí)期調(diào)查飽和車頭時(shí)距。

（2）調(diào)查方法選擇

實(shí)測法包括現(xiàn)場調(diào)查法和攝像記錄法兩種。現(xiàn)場調(diào)查法存在人為誤差，所以為了提高調(diào)查精度，建議采用攝像記錄法。攝像記錄法利用攝像機(jī)記錄交叉口進(jìn)口引道上車輛運(yùn)行情況，然后將調(diào)查的視頻數(shù)據(jù)，通過電腦軟件逐幀分析，記錄車頭時(shí)距。

（3）數(shù)據(jù)采集與處理

車頭時(shí)距數(shù)據(jù)采集過程中難免會(huì)出現(xiàn)一些奇異數(shù)據(jù)，駕駛員駕駛水平不一、隨意變道、注意力分配等都會(huì)影響車頭時(shí)距，因此需要對調(diào)查的車頭時(shí)距數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可以采用截尾取平均和正態(tài)分布法兩種常用方法[5]進(jìn)行奇異數(shù)據(jù)剔除。本文以地點(diǎn)編號為1的進(jìn)口直行車道小車車頭時(shí)距為例，用正態(tài)分布法對數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，形成正態(tài)分布直方圖，如圖1所示，分析結(jié)果見表2。

從表2可以看出，通過正態(tài)分布法剔除異常數(shù)據(jù)后，剩余觀測數(shù)為117個(gè)，均值2.35s，方差為0.22，通過數(shù)據(jù)處理可得地點(diǎn)編號為1的進(jìn)口直行車道飽和流率S=1532pcu/h。

2.2 實(shí)際路口飽和流量測算分析

選擇城市具有典型意義的信號交叉口進(jìn)行飽和流量測算分析，這里特別要注意應(yīng)選擇流量較大的路口進(jìn)行調(diào)查。路口選擇要盡可能全面，類型要涵蓋T型路口、十字路口、X型路口等幾種常見路口，然后從車道功能及與對向車流是否存在干擾情況進(jìn)行分組。本文給出了6種車道功能下的標(biāo)本選擇類型建議，如表3所示。

（1）實(shí)地觀測法。采用攝像記錄法對車頭時(shí)距進(jìn)行調(diào)查，主要確定調(diào)查時(shí)間、數(shù)據(jù)樣本量，及剔除異常數(shù)據(jù)。

（2）基本飽和流率法?！冻鞘械缆方徊婵谝?guī)劃規(guī)范》（GB50647-2011）中給出了基本飽和流率的參考取值范圍，而不是準(zhǔn)確的參考值。在進(jìn)行飽和流量測算時(shí)，應(yīng)將飽和流量在參考范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，找到更貼近城市交通實(shí)際情況的基本飽和流率值。

（3）飽和流率修正系數(shù)法。飽和流率校正包括車道寬度校正、大車校正、坡度校正等。由于校正系數(shù)太多，計(jì)算復(fù)雜，需要對所有的校正系數(shù)進(jìn)行對比分析，找出起關(guān)鍵作用的系數(shù)。在不同的國家、地區(qū)和城市，關(guān)鍵校正系數(shù)往往是不一樣的，因此有必要找出適合城市實(shí)際情況的關(guān)鍵修正系數(shù)。

2.3 飽和流量測算方法對比分析

對樣本交叉口進(jìn)口車道分別采用三種飽和流率方法進(jìn)行測算，會(huì)得到不同類型不同干擾情況下的車道飽和流率值。將基本流率法和飽和流率修正系數(shù)法估算的結(jié)果與實(shí)測法的結(jié)果進(jìn)行對比分析，找出更貼近于實(shí)測的估算方法，最終形成適合城市交通情況的飽和流率估算方法。

3 結(jié)論

本文通過對交叉口飽和流率調(diào)查方法進(jìn)行對比分析，設(shè)計(jì)出了一個(gè)低成本、高準(zhǔn)確度的調(diào)查方法，該方法能為城市交叉口飽和流率的確定提供數(shù)據(jù)參考，為混合交通條件下交叉口通行能力的計(jì)算和信號配時(shí)方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。未來將考慮選擇實(shí)際的交叉口進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與分析，以驗(yàn)證方法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳兵，李曄.交通管理與控制[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]聶磊，馬萬經(jīng).基于車道等飽和度的交叉口車道功能優(yōu)化模型[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，48（01）：42-50.

[3]李瑞敏，章立輝.城市交通信號控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市道路交叉口規(guī)劃規(guī)范：GB50647-2011[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[5]陳俊.城市道路交通流非均衡運(yùn)行特性及時(shí)空資源協(xié)同控制方法[M].北京：人民交通出版社，2014.