效率安全協(xié)同導(dǎo)向的城市道路交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

曾 榮 張存保 曹 雨 白家安 王厚沂

(武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢 430063)

0 引 言

城市道路交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)與其通行效率和安全性密切相關(guān)，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城市道路交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)展開了大量的研究.Su等[1]采用模糊均值(FCM)算法和模糊熵權(quán)法進(jìn)行分析，提出基于模糊熵權(quán)法分別計(jì)算路段、道路和路網(wǎng)交通狀態(tài)的方法.Dakic等[2]考慮到周期長(zhǎng)度和綠燈時(shí)間的可變性，從通行效率的角度對(duì)自適應(yīng)交叉口進(jìn)行了評(píng)價(jià).蔣歡昕等[3]利用視頻檢測(cè)技術(shù)獲取交叉口實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，結(jié)合可拓物元法和層次分析法提出一種交叉口綜合評(píng)價(jià)方法.吳仁良等[4]選取交叉口綠燈利用率、平均車輛延誤和關(guān)鍵車道的排隊(duì)長(zhǎng)度等指標(biāo)，通過加權(quán)平均法綜合得出交叉口信號(hào)控制運(yùn)行效益.

基于通行效率評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，針對(duì)交叉口的安全性方面，Barthauer等[5]利用碰撞時(shí)間和侵蝕后時(shí)間等沖突指標(biāo)評(píng)估預(yù)信號(hào)交叉口的交通安全性.王晨等[6]通過極大閾值方法預(yù)測(cè)交叉口年平均事故率，并基于極值理論與微觀仿真提出一種評(píng)價(jià)交叉口安全狀況的方法.上述研究對(duì)于交叉口安全性方面的評(píng)價(jià)方法大多基于傳統(tǒng)的事故數(shù)據(jù)，交通事故隨機(jī)性較強(qiáng)且事故數(shù)據(jù)的收集時(shí)間長(zhǎng)，不適合新建交叉口的安全評(píng)價(jià).交通沖突技術(shù)是替代事故數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)交通安全的有效方法[7]，隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)能夠支持獲取海量高分辨率的車輛軌跡數(shù)據(jù)，并提取車輛的坐標(biāo)、速度等信息，進(jìn)而獲取交叉口的交通沖突數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于交通沖突技術(shù)的交叉口安全性評(píng)價(jià).Tang等[8]提出了一種張量分解的方法來估計(jì)信號(hào)交叉口的采樣車輛軌跡.Liu等[9]采用基于車輛軌跡的兩種先進(jìn)碰撞風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)各交通狀態(tài)下的安全性能，并探討不同交通流變量對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的影響.邢璐[10]基于軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算交通沖突結(jié)果，對(duì)收費(fèi)站分流區(qū)的交通安全性進(jìn)行評(píng)價(jià).

綜上所述，現(xiàn)有研究大多只考慮交通效率或安全單方面的評(píng)價(jià)，綜合考慮兩者的評(píng)價(jià)方法較少，并且安全評(píng)價(jià)指標(biāo)大多基于傳統(tǒng)的交通事故數(shù)據(jù)，難以獲取交通沖突等精細(xì)化的安全評(píng)價(jià)指標(biāo).文中綜合考慮交通效率和安全兩個(gè)方面來構(gòu)建交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并基于軌跡數(shù)據(jù)提取交叉口交通沖突數(shù)據(jù).結(jié)合物元可拓模型與熵權(quán)法，提出效率安全協(xié)同導(dǎo)向的城市道路交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)分層次多維度綜合評(píng)價(jià).

1 道路交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

將綜合運(yùn)行指數(shù)作為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，將效率指標(biāo)和安全指標(biāo)作為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo).通過對(duì)各二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行多指標(biāo)融合得到綜合運(yùn)行指數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)分層次多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見圖1.

圖1 交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

1) 平均車輛延誤 交叉口車輛延誤為車輛實(shí)際通過交叉口的時(shí)間與車輛以自由流狀態(tài)通過交叉口的時(shí)間之差，平均車輛延誤為

(1)

2) 二次停車率 二次停車率為產(chǎn)生兩次停車通過交叉口的車輛數(shù)占交叉口總通過車輛數(shù)的比值，其計(jì)算表達(dá)式為

(2)

式中：Ws為二次停車率；wij為有效樣本中二次停車樣本數(shù)；Gij為有效樣本數(shù).

3) 平均排隊(duì)長(zhǎng)度 車道組排隊(duì)長(zhǎng)度能夠反映交叉口不同功能車道的供需差異性，有利于提取更精細(xì)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)，各車道組排隊(duì)長(zhǎng)度不同，因此該車道組的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)最大的排隊(duì)長(zhǎng)度，交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度的計(jì)算表達(dá)式為

(3)

式中：Li為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)進(jìn)口道i的平均排隊(duì)長(zhǎng)度；n為交叉口的進(jìn)口道數(shù).

近年來，在國家教育部門發(fā)布的中明確要求，對(duì)職業(yè)教育領(lǐng)域探索混合所有制提出了明確的要求。在校企共建產(chǎn)業(yè)學(xué)院時(shí)，在產(chǎn)權(quán)配置結(jié)構(gòu)上，應(yīng)盡量吸納不同股東進(jìn)行多方面入股：隨著混合所有制實(shí)踐在職業(yè)教育領(lǐng)域的不斷推進(jìn)，相關(guān)制度不斷完善，逐步承認(rèn)混合所有制二級(jí)產(chǎn)業(yè)學(xué)院法人地位，必將會(huì)使得校企共建產(chǎn)業(yè)學(xué)院模式向外推廣，得到重視，極大程度改善政府辦學(xué)經(jīng)費(fèi)投入不足的問題。

4) 相位清空率 相位清空率為指定時(shí)段內(nèi)能夠完成車輛清空的相位數(shù)與該時(shí)段內(nèi)各個(gè)周期相位總數(shù)的百分比，其計(jì)算方法為

(4)

式中：Pc為相位清空率；pt(i)為第i個(gè)周期完成清空的相位數(shù)；pT(i)為第i個(gè)周期的信號(hào)相位總數(shù)；n為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)的周期數(shù)，n≥10.

5) 機(jī)動(dòng)車沖突率 本文基于車輛軌跡數(shù)據(jù)提取機(jī)動(dòng)車沖突數(shù)據(jù)，車輛軌跡數(shù)據(jù)包括車輛的位置(經(jīng)緯度)、時(shí)間、車輛的ID、車輛速度及方位角等信息.基于軌跡數(shù)據(jù)提取機(jī)動(dòng)車交通沖突數(shù)的思路如下：根據(jù)兩機(jī)動(dòng)車之間是否具有碰撞風(fēng)險(xiǎn)來判別兩機(jī)動(dòng)車是否有沖突，首先基于軌跡數(shù)據(jù)特征信息提取機(jī)動(dòng)車沖突發(fā)生時(shí)的瞬時(shí)速度，沖突角度(雙方行駛形成的夾角)和沖突距離(雙方距離沖突點(diǎn)的距離)，然后根據(jù)機(jī)動(dòng)車沖突判別方法得出交叉口的機(jī)動(dòng)車交通沖突數(shù).

提出一種基于TDTC指標(biāo)的機(jī)動(dòng)車沖突判別方法，TDTC的值可以反映交叉口機(jī)動(dòng)車發(fā)生碰撞的可能性.其計(jì)算公式為

(5)

式中：d1和d2分別為兩機(jī)動(dòng)車到達(dá)潛在沖突點(diǎn)的距離；v1和v2分別為兩機(jī)動(dòng)車的瞬時(shí)車速.

將機(jī)動(dòng)車沖突樣本的TDTC數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)分布，見圖2.頻率曲線在90%處出現(xiàn)拐點(diǎn)，選取拐點(diǎn)處累計(jì)頻率對(duì)應(yīng)的TDTC值作為機(jī)動(dòng)車沖突判別閾值，得到TDTC的閾值為1.5 s.因此，基于軌跡數(shù)據(jù)環(huán)境下的交叉口機(jī)動(dòng)車沖突判別原則為：交叉口兩機(jī)動(dòng)車保持當(dāng)前速度和軌跡到達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)間差TDTC小于1.5 s.

圖2 機(jī)動(dòng)車沖突樣本TDTC累計(jì)頻率圖

綜合考慮機(jī)動(dòng)車交通沖突數(shù)和當(dāng)量交通量來評(píng)估城市道路交叉口交通安全水平.交叉口機(jī)動(dòng)車沖突率計(jì)算公式為

(6)

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為四個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)[11-12]，見表1.

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)及其等級(jí)劃分

2 道路交叉口綜合運(yùn)行指數(shù)計(jì)算方法

2.1 整體流程

選擇將物元可拓模型與熵權(quán)法相結(jié)合作為綜合運(yùn)行指數(shù)計(jì)算方法.其中熵權(quán)法根據(jù)客觀定量數(shù)據(jù)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，屬于客觀賦權(quán)法，能很大程度避免人為主觀性的影響.交叉口綜合運(yùn)行指數(shù)計(jì)算的整體流程見圖3.

圖3 綜合運(yùn)行指數(shù)計(jì)算方法流程圖

2.2 基于物元可拓模型的綜合運(yùn)行指數(shù)計(jì)算方法

1) 確定交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)經(jīng)典域物元矩陣 城市道路交叉口交通組織方案運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的經(jīng)典域物元矩陣由其各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)的取值范圍組成，其第j級(jí)經(jīng)典域矩陣記為Rj，為

(7)

式中：Nj為交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)第j級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)；C1，C2，C3，C4，C5分別為平均車輛延誤，二次停車率，平均排隊(duì)長(zhǎng)度，相位清空率和機(jī)動(dòng)車沖突率5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；V1j，V2j，V3j，V4j，V5j分別表示5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在第j級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)的取值范圍；[aij,bij]，i=1,2,3,4，5為第j級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)的取值范圍.

2) 構(gòu)建待評(píng)價(jià)交叉口物元矩陣 待評(píng)價(jià)交叉口物元包括交叉口整體、交叉口進(jìn)口道、進(jìn)口道轉(zhuǎn)向車流三個(gè)層次.在計(jì)算權(quán)重和關(guān)聯(lián)度之前，需將待評(píng)價(jià)交叉口的各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值通過矩陣的形式表達(dá)，構(gòu)建待評(píng)價(jià)交叉口物元矩陣R0，為

(8)

式中：N0為待評(píng)價(jià)交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)；V10，V20，V30，V40，V50為待評(píng)價(jià)交叉口平均車輛延誤，二次停車率，平均排隊(duì)長(zhǎng)度，相位清空率和機(jī)動(dòng)車沖突率的實(shí)際值.

3) 標(biāo)準(zhǔn)化處理 對(duì)交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)經(jīng)典域物元矩陣Rj進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可得：

(9)

對(duì)待評(píng)價(jià)交叉口物元矩陣R0進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可得：

(10)

4) 確定權(quán)重 基于熵權(quán)法計(jì)算交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，首先構(gòu)建交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)水平矩陣，接著對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)水平矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值及定義差異系數(shù)，最后通過熵值和定義差異系數(shù)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重.

5) 計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度 為了確定待評(píng)價(jià)交叉口運(yùn)行狀態(tài)與各等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度，運(yùn)用貼近度原則計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度為

(bij/biN-aij/biN)/2

(11)

(12)

式中：dj(Vi0)為待評(píng)價(jià)交叉口物元與經(jīng)典域之間的距離；Vi0為第i個(gè)指標(biāo)的交叉口實(shí)際值；[aij,bij]為第i個(gè)指標(biāo)的第j級(jí)取值范圍；ViN第i個(gè)指標(biāo)的全體評(píng)價(jià)等級(jí)的取值范圍；[aiN,biN]第i個(gè)指標(biāo)的全體評(píng)價(jià)等級(jí)的取值范圍；Xj(R0)為待評(píng)價(jià)交叉口與評(píng)價(jià)等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度；wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重.

6) 確定評(píng)價(jià)等級(jí)并計(jì)算綜合運(yùn)行指數(shù) 計(jì)算出待評(píng)價(jià)交叉口與各等級(jí)運(yùn)行狀態(tài)的綜合關(guān)聯(lián)度，得到最大的綜合關(guān)聯(lián)度，即Xmax=max{Xj(R0)}，最大關(guān)聯(lián)度對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)j即為待評(píng)價(jià)交叉口的評(píng)價(jià)等級(jí).為了計(jì)算綜合運(yùn)行指數(shù)，并判斷同等評(píng)價(jià)等級(jí)的差異，又令：

(13)

(14)

式中：j′為待評(píng)價(jià)交叉口物元R0的綜合運(yùn)行指數(shù)，可判斷同級(jí)交叉口運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)劣，有效的提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性.

3 實(shí)例分析

3.1 交叉口概況

選擇湖北省十堰市房縣的3個(gè)實(shí)例交叉口為研究對(duì)象，見圖4.

圖4 實(shí)例交叉口概況圖

3.2 交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)

1) 統(tǒng)計(jì)交叉口評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果 通過實(shí)測(cè)獲取交叉口晚高峰效率評(píng)價(jià)指標(biāo)和相位清空率指標(biāo)，提取各交叉口晚高峰車輛軌跡數(shù)據(jù)，根據(jù)上文中的機(jī)動(dòng)車沖突判別規(guī)則確定交叉口機(jī)動(dòng)車沖突數(shù)并計(jì)算機(jī)動(dòng)車沖突率，通過計(jì)算分析，整理得到交叉口晚高峰各評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果見表2.

表2 交叉口晚高峰各評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果

2) 交叉口整體運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià) 根據(jù)上文基于物元可拓模型的綜合運(yùn)行指數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算交叉口綜合關(guān)聯(lián)度，確定評(píng)價(jià)等級(jí)并計(jì)算綜合運(yùn)行指數(shù)，得到各交叉口晚高峰評(píng)價(jià)結(jié)果見表3.房陵大道—神農(nóng)路交叉口的評(píng)價(jià)等級(jí)為C，綜合運(yùn)行指數(shù)為3.320 8；房陵西大道—詩經(jīng)大道交叉口的評(píng)價(jià)等級(jí)為C，綜合運(yùn)行指數(shù)為3.008 8；南寧路—房陵西路交叉口的評(píng)價(jià)等級(jí)為B，綜合運(yùn)行指數(shù)為2.626 8.因此，本文方法通過有效融合交通效率和安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，可得出每個(gè)交叉口的綜合運(yùn)行指數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)，便于不同交叉口方案之間的比選.

表3 交叉口晚高峰評(píng)價(jià)結(jié)果

3) 交叉口進(jìn)口道級(jí)及轉(zhuǎn)向級(jí)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià) 以房陵西大道—詩經(jīng)大道交叉口晚高峰為例，統(tǒng)計(jì)其各進(jìn)口道各轉(zhuǎn)向的評(píng)價(jià)結(jié)果見表4，交叉口各進(jìn)口轉(zhuǎn)向綜合運(yùn)行指數(shù)的計(jì)算方法同上.

表4 房陵西大道—詩經(jīng)大道交叉口晚高峰評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可知：

1) 從交叉口級(jí)運(yùn)行評(píng)價(jià)結(jié)果可知，晚高峰房陵西大道—詩經(jīng)大道交叉口總體處于等級(jí)C，綜合運(yùn)行指數(shù)為3.008 8，處于等級(jí)C但接近等級(jí)B的狀態(tài)，因此，交叉口整體處于一般可接受水平.

2) 從交叉口進(jìn)口道級(jí)運(yùn)行評(píng)價(jià)結(jié)果可知，除北進(jìn)口處于等級(jí)B以外，交叉口其他進(jìn)口均處于等級(jí)C，尤其是東進(jìn)口運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)較差，綜合運(yùn)行指數(shù)最大為3.689 5.

3) 從交叉口轉(zhuǎn)向級(jí)運(yùn)行評(píng)價(jià)結(jié)果可知，北進(jìn)口左轉(zhuǎn)及南進(jìn)口直行運(yùn)行相對(duì)較好，運(yùn)行指數(shù)最低，評(píng)價(jià)等級(jí)均為B.南進(jìn)口左轉(zhuǎn)運(yùn)行相對(duì)較差，運(yùn)行指數(shù)為3.596 3，評(píng)價(jià)等級(jí)為C，且與直行失衡較為突出(失衡指數(shù)由同一進(jìn)口不同轉(zhuǎn)向運(yùn)行指數(shù)求方差而得)，從實(shí)際觀察可知南進(jìn)口晚高峰時(shí)左轉(zhuǎn)車流量較大，但南進(jìn)口左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間較短，難以滿足交通需求，因此本方法評(píng)價(jià)結(jié)果能夠反映其真實(shí)運(yùn)行狀況.

4 結(jié) 論

1) 通過提取交叉口軌跡數(shù)據(jù)能夠有效的計(jì)算交叉口機(jī)動(dòng)車沖突數(shù)，為微觀評(píng)價(jià)交叉口的安全性提供數(shù)據(jù)支撐.

2) 本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)交叉口整體、交叉口進(jìn)口道、進(jìn)口道轉(zhuǎn)向車流三個(gè)層面的綜合評(píng)價(jià)，并能夠根據(jù)交叉口各進(jìn)口各轉(zhuǎn)向的效率和安全評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果計(jì)算交叉口進(jìn)口轉(zhuǎn)向失衡指數(shù)，實(shí)現(xiàn)交叉口更精細(xì)化的評(píng)價(jià).

在當(dāng)前研究的基礎(chǔ)上，下一步工作綜合考慮非機(jī)動(dòng)車和行人等方面，研究影響交叉口交通效率和安全的因素，選取更加全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從而實(shí)現(xiàn)更深入、全面的綜合評(píng)價(jià).