基于速度連續(xù)性的平面交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)

李路遙，韓智強(qiáng)，晉民杰，李華騰，賈慶林

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024)

在城市交通系統(tǒng)中，交叉口作為連接不同方向道路的節(jié)點(diǎn)，能夠保障車輛在路網(wǎng)中的自由行駛與安全交匯，對(duì)整個(gè)城市道路網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要作用。交叉口的實(shí)際交通狀態(tài)不僅影響車輛的行駛與安全，而且也影響駕駛?cè)说鸟{駛感受。因此，合理地評(píng)價(jià)交叉口的交通狀態(tài)，對(duì)于改善車輛行駛環(huán)境，提高交通服務(wù)質(zhì)量具有深遠(yuǎn)意義。

道路服務(wù)水平是描述出行者從道路環(huán)境、交通管理、車輛駕駛等方面所得服務(wù)程度的一項(xiàng)指標(biāo)[1]，可以將復(fù)雜的交通狀態(tài)劃分為多個(gè)等級(jí)，從而直觀地反映道路的實(shí)際狀態(tài)。本文選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建交叉口的道路服務(wù)水平評(píng)價(jià)體系，為交叉口的管理與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

1.1 交叉口服務(wù)水平的影響因素

服務(wù)水平能夠反映道路在各種因素的影響下，為使用者所服務(wù)的質(zhì)量等級(jí)，而平面交叉口是不同方向的交通流交匯的節(jié)點(diǎn)，影響其服務(wù)水平的因素復(fù)雜多樣。針對(duì)平面交叉口的特點(diǎn)，通常根據(jù)速度、飽和度、延誤時(shí)間以及排隊(duì)長(zhǎng)度等定量指標(biāo)確定服務(wù)水平。美國(guó)由《道路通行手冊(cè)》(HCM)[1]中的標(biāo)準(zhǔn)，選取延誤時(shí)間作為交叉口服務(wù)水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將交叉口的服務(wù)水平分為六級(jí)；日本采用飽和度(V/C)劃分服務(wù)水平等級(jí)，將交叉口的服務(wù)水平分為三級(jí)[2]。由于交通具有顯著的地域性，不同地區(qū)的交通具有不同的特點(diǎn)，所以美國(guó)等西方國(guó)家的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不完全符合我國(guó)目前的交通狀況。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

道路服務(wù)水平不僅體現(xiàn)交通運(yùn)行的客觀狀態(tài)，而且也包含著出行者的通行感受。因此，在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，既要考慮交叉口處車輛的行駛情況，也要考慮駕駛員的駕駛感受，從多個(gè)角度進(jìn)行綜合選取。

從交通運(yùn)行的客觀狀態(tài)來(lái)看，平面交叉口的交通運(yùn)行復(fù)雜，考慮到交叉口的設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)和車輛運(yùn)行情況，根據(jù)中國(guó)推薦的評(píng)價(jià)指標(biāo)和相關(guān)研究[3-7]，選取飽和度和停車延誤作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。參考評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 中國(guó)推薦的交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)飽和度。飽和度也稱交通負(fù)荷度，反映了道路對(duì)實(shí)際交通量的承受能力。當(dāng)數(shù)值接近1時(shí)，表明通行車輛較多，行駛自由度降低；當(dāng)數(shù)值接近0時(shí)，表明道路上行駛的車輛較少，車輛行駛自由；當(dāng)數(shù)值超過(guò)1時(shí)，表明道路上行駛的車輛數(shù)超過(guò)道路設(shè)計(jì)的容量，交通負(fù)荷大，道路將出現(xiàn)擁堵。本文通過(guò)對(duì)交叉口進(jìn)行交通量調(diào)查，將實(shí)際交通量以小客車為標(biāo)準(zhǔn)車型進(jìn)行換算得到當(dāng)量交通量，根據(jù)交叉口設(shè)計(jì)規(guī)范中的方法計(jì)算通行能力。

(2)停車延誤。停車延誤是車輛因?yàn)榻煌刂?、道路擁堵等因素而停止行駛所產(chǎn)生的延誤[8]，可以將車輛在交叉口處多消耗的時(shí)間直觀地呈現(xiàn)出來(lái)。停車延誤能夠在一定程度上將交叉口的信號(hào)控制、車輛運(yùn)行以及服務(wù)經(jīng)濟(jì)性反映出來(lái)，是平面交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。本文通過(guò)點(diǎn)樣本法進(jìn)行延誤調(diào)查，通過(guò)觀測(cè)15 s內(nèi)的停車數(shù)量，記錄平面交叉口入口處車輛的停車時(shí)間，然后根據(jù)車輛數(shù)和時(shí)間間隔計(jì)算延誤指標(biāo)。

從出行者的行車感受和安全來(lái)看，車輛速度是道路運(yùn)行的重要參數(shù)，其數(shù)值的大小與道路通行能力、交通管控、交叉口安全性均有密切的關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)研究[9-10]，出行者在駕駛車輛駛?cè)虢徊婵诘倪^(guò)程中，如果兩路段車速差值較大，車輛在行駛中一般會(huì)進(jìn)行多次減速或者進(jìn)行換道，嚴(yán)重降低出行者的舒適度，也會(huì)為行車帶來(lái)危險(xiǎn)，降低交叉口的安全性，這無(wú)疑會(huì)影響出行者對(duì)交叉口服務(wù)水平的評(píng)價(jià)。所以本文選取速度連續(xù)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而反映車輛駛進(jìn)交叉口的安全性與出行者的感受。運(yùn)行速度差值與事故之間關(guān)系如表2所示。

表2 運(yùn)行速度差值與事故率

(3)速度連續(xù)性。速度連續(xù)性是指車輛在相鄰兩個(gè)路段上行駛時(shí)速度的變化幅度。有研究表明[11]：在相鄰路段上，隨著車輛的運(yùn)行速度差值的增大，車輛發(fā)生碰撞事故的幾率也增大，隨著差值減小，事故發(fā)生率也逐漸減小。同時(shí)從感覺(jué)與知覺(jué)的角度來(lái)看，出行者能夠敏銳地感覺(jué)到車速的變化，準(zhǔn)確率約為60%，而出行者對(duì)車流量的變化，感受并不明顯[12]。本文選取相鄰兩路段的第85%速度為運(yùn)行速度，根據(jù)計(jì)算公式求得其速度差，利用速度差值的大小反映兩路段的車輛行駛的速度連續(xù)性，進(jìn)而反映行駛安全性與駕駛員的感受。其公式如下：

Δv=|vi-vi-1|

(1)

其中Δv為兩路段之間第85%速度差值；vi為調(diào)查路段的；vi-1為前一段路段的第85%速度。

綜上所述，本文選用飽和度(V/C)、停車延誤及速度連續(xù)性這三個(gè)參數(shù)作為服務(wù)水平評(píng)價(jià)的指標(biāo)。

2 灰色聚類分級(jí)模型的構(gòu)建

灰色系統(tǒng)理論是研究缺乏數(shù)據(jù)與信息的不確定系統(tǒng)的新手段，針對(duì)系統(tǒng)“樣本小”“信息少”的特點(diǎn)，利用已掌握的數(shù)據(jù)與信息，對(duì)其生成與開(kāi)發(fā)，獲得有價(jià)值的新數(shù)據(jù)，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行描述與監(jiān)控[13]?？紤]到城市平面交叉口的交通運(yùn)行混雜，且部分信息隱蔽，評(píng)價(jià)指標(biāo)不同，因此本文選用灰色定權(quán)聚類分級(jí)法，判斷不同方向的路口所屬的灰類，確定其服務(wù)水平。

2.1 建立評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)所研究的對(duì)象，設(shè)有n個(gè)聚類對(duì)象，即交叉口的各個(gè)進(jìn)口，m個(gè)聚類指標(biāo)，構(gòu)造評(píng)價(jià)矩陣：

X=(xij)

(2)

式中：xij—第i個(gè)聚類對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)的觀測(cè)值；

i=1,2,…，n；

j=1,2…，m；

2.2 確定白化權(quán)函數(shù)

白化權(quán)函數(shù)一般與研究者所探討的實(shí)際問(wèn)題有關(guān)，可以由研究者的主觀判斷來(lái)確定。在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)，可以從個(gè)體的角度，分析研究對(duì)象，確定白化權(quán)函數(shù)，也能從整體考慮，綜合分析來(lái)確定白化權(quán)函數(shù)[14]。白化權(quán)函數(shù)圖像如圖1所示。

圖1 白化權(quán)函數(shù)

本文根據(jù)所研究交叉口的實(shí)況，確定k(k=1、2、3、4、5)個(gè)灰類等級(jí)，并參考表1以及相關(guān)研究確定不同指標(biāo)的閾值與界限，并構(gòu)造白化權(quán)函數(shù)。白化權(quán)函數(shù)節(jié)點(diǎn)值如表3所示。

表3 白化權(quán)函數(shù)節(jié)點(diǎn)值

(1)第1灰類

(3)

(2)第2、3、4灰類

(4)

(3)第5灰類

(5)

2.3 確定各指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)的權(quán)重不僅反映各項(xiàng)指標(biāo)影響評(píng)價(jià)對(duì)象的大小，而且也表示不同指標(biāo)在同一個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象中的重要程度。平面交叉口是一個(gè)復(fù)雜的交通系統(tǒng)，系統(tǒng)中各種因素相互關(guān)聯(lián)和制約，在評(píng)價(jià)過(guò)程中，只有合理地分析從而確定不同指標(biāo)在系統(tǒng)中的重要性，才能確保評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確與合理。

目前，確定指標(biāo)權(quán)重的方法可以分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法三大類。根據(jù)平面交叉口地域性的特點(diǎn)以及影響因素的復(fù)雜性，選用主觀賦權(quán)法對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，從而確定不同指標(biāo)權(quán)重的合適值。層次分析法作為主觀賦權(quán)法的一種，可以為研究這類系統(tǒng)提供一種簡(jiǎn)明實(shí)用的決策方法。

因此本文采用層次分析法，針對(duì)已建立的平面交叉口服務(wù)水平的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主觀賦權(quán)。

基于已建立的平面交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)體系，通過(guò)Santy的1-9標(biāo)度法得出判斷矩陣，利用層次分析法計(jì)算停車延誤、飽和度和速度連續(xù)性三個(gè)指標(biāo)的權(quán)重ωj，分別為0.548，0.211和0.241.判斷矩陣如表4所示。

表4 判斷矩陣

2.4 計(jì)算灰類聚類系數(shù)

灰色定權(quán)聚類系數(shù)：

(6)

2.5 聚類評(píng)價(jià)

3 案例分析

本文選取太原市某平面交叉口作為研究對(duì)象，應(yīng)用本文所提出的方法，對(duì)該平面交叉口的服務(wù)水平進(jìn)行研究。與典型的十字交叉口相比，該交叉口中的各個(gè)路口都建有提前右轉(zhuǎn)車道，東西進(jìn)口道禁止左轉(zhuǎn)，南北進(jìn)口道上游路段與高架相交，交叉口及周邊環(huán)境較為復(fù)雜。對(duì)該交叉口進(jìn)行為期三天的交通調(diào)查，重點(diǎn)調(diào)查其交通量、延誤以及相鄰路段的車速。部分調(diào)查數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析整理于圖2、表5.

圖2 交叉口交通量流向圖

表5 平面交叉口調(diào)查數(shù)據(jù)匯總

基于灰色定權(quán)聚類分級(jí)法與評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)該平面交叉口的不同路口服務(wù)水平進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，計(jì)算出各評(píng)價(jià)對(duì)象的聚類向量，矩陣如下：

本文中將平面交叉口分為五個(gè)灰類等級(jí)，即將平面交叉口服務(wù)水平從高到低依次分為A、B、C、D、E五個(gè)服務(wù)水平。

由以上結(jié)果可知在該平面交叉口中，東進(jìn)口屬于A級(jí)，西進(jìn)口屬于C級(jí)，南進(jìn)口屬于C級(jí)，北進(jìn)口屬于D級(jí)。評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比如表6所示。

表6 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

(1)通過(guò)與HCM2010評(píng)價(jià)方法以及中國(guó)推薦的評(píng)價(jià)方法所得結(jié)果對(duì)比可以看出，本研究模型所得出的評(píng)價(jià)等級(jí)與常用的兩種方法所得的結(jié)果基本一致，能夠在一定程度上反映交叉口實(shí)際的服務(wù)水平。

(2)在同一交叉口處，當(dāng)不同方向進(jìn)口的延誤時(shí)間相近時(shí)，HCM2010評(píng)價(jià)方法與中國(guó)推薦的評(píng)價(jià)方法所得出的結(jié)果都不能明顯地區(qū)分東西進(jìn)口的實(shí)際服務(wù)水平，失去了評(píng)價(jià)意義。本研究模型同時(shí)考慮飽和度、延誤與速度連續(xù)，可以更加客觀地反映實(shí)際的交通狀態(tài)，區(qū)分不同方向的道路服務(wù)水平。

(3)在特殊情況下(如南進(jìn)口的飽和度較大但延誤較小)，HCM2010評(píng)價(jià)方法與中國(guó)推薦的評(píng)價(jià)方法所得評(píng)價(jià)結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生一定偏差，與觀察到的交通運(yùn)行狀態(tài)不符。本模型基于速度連續(xù)性，考慮運(yùn)行安全與駕駛感受，可以減小偏差，更好地反映與實(shí)際運(yùn)行相符的服務(wù)水平。

4 結(jié)論

(1)灰色定權(quán)聚類分級(jí)法對(duì)平面交叉口服務(wù)水平的分級(jí)，綜合考慮了多個(gè)因素對(duì)交通狀態(tài)的影響，體現(xiàn)了平面交叉口處交通運(yùn)行的復(fù)雜性，避免了單一指標(biāo)在評(píng)價(jià)時(shí)的片面性。

(2)考慮平面交叉口的速度連續(xù)性的評(píng)價(jià)方法可以較好地減小評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際交通之間的偏差，提高評(píng)價(jià)精確度，對(duì)交叉口服務(wù)評(píng)價(jià)體系的研究具有一定參考意義，同時(shí)也為平面交叉口的優(yōu)化與改善提供新思路。