城市交通信號(hào)控制綜合評(píng)價(jià)體系研究

王道強(qiáng), 吳祥龍, 楊 銘

(黑龍江萬(wàn)象交通科技有限公司, 哈爾濱 150081)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,機(jī)動(dòng)車(chē)的保有量持續(xù)上升,根據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2022年全國(guó)新注冊(cè)登記機(jī)動(dòng)車(chē)3 478萬(wàn)輛,機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)4.17億輛[1],全國(guó)各地為了緩解緊張的交通狀況,逐步加大信號(hào)燈建設(shè)和信號(hào)設(shè)施的改擴(kuò)建投入,信號(hào)控制路口規(guī)模實(shí)現(xiàn)了“量”的擴(kuò)張. 近年來(lái),隨著科技的進(jìn)步,信號(hào)控制也逐步趨向智能化,交通檢測(cè)智能化設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)+、交通大腦、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)與信號(hào)控制結(jié)合也更加緊密.

2020年10月,公安部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市道路交通信號(hào)控制應(yīng)用工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確提出要加強(qiáng)信號(hào)控制方案調(diào)優(yōu)和效果評(píng)估. 行業(yè)需要1套具有指導(dǎo)意義的評(píng)價(jià)體系,以合理評(píng)估城市道路交通信號(hào)控制的效果,并獲得廣泛認(rèn)可,從而提高信號(hào)控制優(yōu)化工作的價(jià)值;另一方面,雖然學(xué)術(shù)界在交通信號(hào)控制研究領(lǐng)域取得了豐碩的成果,但國(guó)家與行業(yè)層面始終沒(méi)能形成 1套完整的信號(hào)控制評(píng)價(jià)程序,無(wú)法對(duì)信號(hào)優(yōu)化工作進(jìn)行指導(dǎo). 因此,為了解決以上需求,針對(duì)城市交通信號(hào)控制建立1套科學(xué)有效、實(shí)用可行的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法,更有利于交通管理者進(jìn)行決策,進(jìn)一步提高城市道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)的精細(xì)化運(yùn)行管理水平.

1 研究背景

1.1 研究現(xiàn)狀

近年來(lái),學(xué)者們針對(duì)城市交通信號(hào)控制評(píng)價(jià)體系已有很多的研究,提出了一系列不同類(lèi)別的城市交通信號(hào)控制評(píng)價(jià)指標(biāo),如交通建設(shè)、交通管理、交通運(yùn)行效率、交通安全、交通環(huán)境等. 吳海燕等[2]選擇一系列影響交叉口交通的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等建立了11個(gè)指標(biāo)的交叉口綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;劉慶濤等[3]從城市交叉口運(yùn)行效率、安全和環(huán)境出發(fā),建立了9個(gè)指標(biāo)的城市交叉口綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;連星宇[4]從交叉口、路段、路網(wǎng)3個(gè)層次,對(duì)城市區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)的交通信號(hào)控制效果進(jìn)行全面綜合的評(píng)價(jià);朱志威等[5]分別從單點(diǎn)信號(hào)控制與路段協(xié)調(diào)控制兩個(gè)層面,建立了15個(gè)指標(biāo)信號(hào)控制優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;王修光[6]從交通運(yùn)行狀況、時(shí)間資源利用、交通安全及環(huán)境污染4個(gè)層面建立了19個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的交叉口與干線(xiàn)協(xié)調(diào)信號(hào)控制效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;周沛等[7]對(duì)交通信號(hào)控制運(yùn)行效果進(jìn)行分析,分別從正向、負(fù)向建立了9個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系;趙星等[8]基于城市平面交叉口信號(hào)控制策略,對(duì)交叉口交通效率、安全和環(huán)境3方面效益的綜合影響,針對(duì)各效益建立了包括延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度、效率系數(shù)、沖突點(diǎn)面密度、污染物排放、噪聲在內(nèi)的多級(jí)指標(biāo)體系;劉東波等[9]通過(guò)對(duì)交通場(chǎng)景的核心特征進(jìn)行分析,將城市道路劃分為多方式交通、非飽和交通、過(guò)飽和交通3大類(lèi)共14種典型交通場(chǎng)景,并凝練基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性?xún)纱箢?lèi)共6類(lèi)場(chǎng)景,建立了32個(gè)指標(biāo)的整體交通系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)體系.

學(xué)術(shù)界在信號(hào)控制理論及其評(píng)價(jià)方法中的獲得了比較豐富的成果. 首先,學(xué)者們提出了許多基于數(shù)學(xué)建模的城市交通信號(hào)控制評(píng)價(jià)模型,如馬爾可夫模型、混合模型和改進(jìn)的馬爾可夫模型[10],基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的交通流量檢測(cè)技術(shù),智能交通系統(tǒng)的控制和優(yōu)化算法,智能交通控制策略,城市交通網(wǎng)絡(luò)狀況評(píng)估,城市交通擁堵模型[11]等. 這些模型提供了一種通用的城市交通信號(hào)控制評(píng)價(jià)方法,可有效指導(dǎo)城市交通管理者,實(shí)施有效的交通控制措施.

國(guó)家與行業(yè)也出臺(tái)了很多相關(guān)的規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),例如《道路交通信號(hào)控制方式 第2部分:通行狀態(tài)與控制效益評(píng)估指標(biāo)及方法》(GB/T 527.2—2016)、《城市交通運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)規(guī)范》(GB/T 33171—2016)、《道路交通擁堵度評(píng)價(jià)方法》(GB/T 115—2020)等,可更加全面地指導(dǎo)評(píng)估城市交通控制的效果,從而更好地服務(wù)政府的交通管理工作.

1.2 現(xiàn)有指標(biāo)體系的不足

現(xiàn)有的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,主要存在6個(gè)方面不足:

1)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系比較單一,內(nèi)容覆蓋不全面

目前城市交通信號(hào)控制評(píng)價(jià)指標(biāo)體系僅集中在流量控制和安全性能指標(biāo),沒(méi)有考慮到城市可持續(xù)發(fā)展的各個(gè)方面,缺乏計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)和模型模擬能力.

2)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用范圍比較局限

城市交通信號(hào)控制評(píng)價(jià)指標(biāo)體系沒(méi)有考慮到不同城市的實(shí)際情況,沒(méi)有考慮到交通信號(hào)控制的復(fù)雜性、多變性和動(dòng)態(tài)性.

3)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不能有效評(píng)價(jià)

目前的指標(biāo)體系不能有效地衡量交通信號(hào)控制的效果,缺乏定量分析能力.

4)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不能及時(shí)更新

目前的指標(biāo)體系不能及時(shí)反映交通信號(hào)控制系統(tǒng)的變化,缺乏必要的技術(shù)支持.

5)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系需要大量的數(shù)據(jù)

對(duì)于小型城市來(lái)說(shuō),可能無(wú)法獲取足夠的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià).

6)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系易遭到外部要素影響

比如城市規(guī)劃、交通管理等,評(píng)價(jià)結(jié)果可能不夠準(zhǔn)確.

2 城市信號(hào)控制綜合評(píng)價(jià)思路

2.1 整體思路

1)設(shè)定評(píng)價(jià)層面

將城市道路交通信號(hào)控制效果評(píng)價(jià)設(shè)定為7個(gè)類(lèi)別:

①交通運(yùn)行效率;

②信號(hào)燈設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化;

③交通信號(hào)運(yùn)維管理;

④智能化交通管理水平;

⑤交通安全;

⑥行人與非機(jī)動(dòng)車(chē)出行環(huán)境;

⑦環(huán)保低碳.

2)針對(duì)不同層面,分別設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)

①針對(duì)不同的評(píng)價(jià)層面,考慮到與城市道路交通信號(hào)控制效果的密切相關(guān)性、分析從交通管理者與交通參與者的不同視角進(jìn)行分析,設(shè)定對(duì)應(yīng)層面的評(píng)價(jià)指標(biāo);

②評(píng)價(jià)指標(biāo)的不僅可進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià),還可對(duì)未來(lái)指標(biāo)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè).

3)確定指標(biāo)計(jì)算方法

通過(guò)調(diào)查、文獻(xiàn)查閱、現(xiàn)代信息技術(shù)等手段獲取或計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的結(jié)果,并參照類(lèi)似規(guī)模城市的指標(biāo)平均值進(jìn)行評(píng)價(jià).

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景

1)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)城市道路交通信號(hào)控制現(xiàn)狀,與類(lèi)似規(guī)模的城市進(jìn)行比較,同時(shí)提取、整理信號(hào)控制政策上的研究課題.

2)分析指標(biāo)結(jié)果,設(shè)定目標(biāo)值

對(duì)指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行分析預(yù)測(cè),并與類(lèi)似規(guī)模城市的信號(hào)控制效果進(jìn)行比較與評(píng)價(jià),預(yù)測(cè)未來(lái)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值,制定未來(lái)信號(hào)控制的發(fā)展策略,合理設(shè)定目標(biāo)值.

3)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

例如每隔1 a,基于各種信號(hào)控制建設(shè)及優(yōu)化調(diào)整的進(jìn)展?fàn)顩r,根據(jù)以前設(shè)定的目標(biāo)值的完成情況進(jìn)行驗(yàn)證.

2.3 評(píng)價(jià)流程

按照不同類(lèi)別的指標(biāo)分別進(jìn)行評(píng)價(jià),具體操作流程如圖1所示.

圖1 評(píng)價(jià)方法的操作流程

2.4 應(yīng)用意義

在構(gòu)建評(píng)價(jià)體系的過(guò)程中,除了與交通運(yùn)行效率層面的直接關(guān)系之外,還考慮到日常的交通參與者、城市交通管理者的視角設(shè)定了多層次的評(píng)價(jià)指標(biāo),通過(guò)靈活運(yùn)用,也期待著以下的應(yīng)用意義:

1)可與自身或其他城市信號(hào)控制現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)照檢查,對(duì)未來(lái)城市信號(hào)控制優(yōu)化提供對(duì)策與建議

關(guān)于城市道路交通信號(hào)控制評(píng)價(jià)結(jié)果,通過(guò)與類(lèi)似規(guī)模城市平均值和其他領(lǐng)域的評(píng)價(jià)結(jié)果的相互比較,可客觀、定量地把握信號(hào)控制的優(yōu)化方向,設(shè)定工作目標(biāo),合理的提出改善對(duì)策與建議.

另外,關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的一部分,可按區(qū)域、路段、路口進(jìn)行評(píng)價(jià),從而得到更詳細(xì)的改善思路.

2)可提升交通運(yùn)輸效能,減緩交通擁堵

評(píng)價(jià)指標(biāo)選取是以交通運(yùn)行效率為核心,與信號(hào)控制緊密相關(guān),因此,通過(guò)著眼于該指標(biāo),采取相應(yīng)的優(yōu)化措施,改善其數(shù)值,從而達(dá)到提高城市交通的運(yùn)輸效率,緩解交通擁堵的目的.

3)通過(guò)不同層面的評(píng)價(jià),可反映城市交通的綜合實(shí)力

評(píng)價(jià)指標(biāo)是考慮到各方交通參與者、交通管理者的視角而設(shè)定的,不僅可評(píng)價(jià)信號(hào)控制效果,還可從信號(hào)燈設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化、交通信號(hào)運(yùn)維管理、智能化交通管理水平、交通事故、行人與非機(jī)動(dòng)車(chē)出行環(huán)境、環(huán)保低碳等多角度評(píng)價(jià)城市交通的綜合能力.

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 評(píng)價(jià)層面劃分

將受到城市信號(hào)控制效果影響的主體分成交通參與者與交通管理者兩大類(lèi)人群,并站在不同人群的視角,根據(jù)城市道路交通信號(hào)控制的關(guān)聯(lián)因素,將評(píng)價(jià)內(nèi)容劃分為交通運(yùn)行效率、信號(hào)燈設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化、交通信號(hào)運(yùn)維管理、智能化交通管理水平、交通安全、行人與非機(jī)動(dòng)車(chē)出行環(huán)境、環(huán)保低碳七大類(lèi)別進(jìn)行分析,具體情況詳見(jiàn)表1.

表1 評(píng)價(jià)主體視角分析

并分別從正、反2個(gè)方面對(duì)不同類(lèi)別帶來(lái)的效果進(jìn)行分析,具體情況詳見(jiàn)圖2.

圖2 城市信號(hào)控制影響效果分析圖

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則

1)相關(guān)性

要明確控制的目標(biāo)和期望效果,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用最具代表性,與信號(hào)控制效果有直接聯(lián)系的,最能反應(yīng)評(píng)價(jià)效果的核心指標(biāo).

2)可比性

評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)具有普遍的統(tǒng)計(jì)意義,評(píng)價(jià)結(jié)果能直觀反應(yīng)信號(hào)控制前后的變化情況,便于相互比較.

3)可操作性

評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)通俗易懂,表達(dá)方式要簡(jiǎn)便易行,數(shù)據(jù)來(lái)源要便于采集,盡可能采用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段獲取,要充分考慮到日常操作中的便利程度,降低實(shí)施難度和運(yùn)行成本.

4)多樣性

評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)分成不同的層面,并能從不同的應(yīng)用場(chǎng)景、不用的角度出發(fā),多維度的反應(yīng)城市道路交通控制效果.

5)可持續(xù)性

評(píng)價(jià)指標(biāo)可被長(zhǎng)期使用,并能進(jìn)行滾動(dòng)評(píng)價(jià),應(yīng)具有可持續(xù)性.

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

通過(guò)上述分析,根據(jù)指標(biāo)的選取原則,針對(duì) 7個(gè)層面共設(shè)定33個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),指標(biāo)具體情況詳見(jiàn)圖3.

圖3 xxx城市交通信號(hào)控制評(píng)價(jià)雷達(dá)圖

4 應(yīng)用示例

4.1 現(xiàn)狀評(píng)價(jià)步驟

關(guān)于城市道路交通信號(hào)控制效果的現(xiàn)狀評(píng)價(jià),主要分成4個(gè)步驟:

1)按照評(píng)價(jià)城市規(guī)模劃分原則[15]選取類(lèi)似規(guī)模城市的指標(biāo)平均值

考慮到不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況,可將進(jìn)行評(píng)價(jià)的城市按照信號(hào)燈的數(shù)量、機(jī)動(dòng)車(chē)保有量、人口或中國(guó)城市分級(jí)名單劃分成不同的評(píng)價(jià)等級(jí),建立評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù),評(píng)價(jià)城市按照類(lèi)似規(guī)模城市的平均值進(jìn)行評(píng)價(jià). 考慮到樣本量、數(shù)據(jù)不足等因素,評(píng)價(jià)結(jié)果也可同時(shí)參照高等級(jí)或者低等級(jí)規(guī)模城市的平均值作為偏差分析的基準(zhǔn)值.

2)將評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與類(lèi)似規(guī)模城市平均值進(jìn)行比較,繪制雷達(dá)圖[16]

雷達(dá)圖是由相同坐標(biāo)下的多個(gè)同心圖形組成的圖表,可對(duì)多維度的不同指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析.

3)提取雷達(dá)圖中產(chǎn)生偏差的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)確認(rèn)雷達(dá)圖表的凹凸,分析不同指標(biāo)類(lèi)別的優(yōu)化方向,提出合理的改善對(duì)策與建議.

4)通過(guò)產(chǎn)生偏差的關(guān)鍵性評(píng)價(jià)指標(biāo)著手,合理制定未來(lái)信號(hào)控制的優(yōu)化方向,提出階段性、針對(duì)性強(qiáng)的改善對(duì)策

另外,雖然評(píng)價(jià)基本上是以整個(gè)城市為對(duì)象的,但評(píng)價(jià)指標(biāo)的一部分也可按區(qū)域、路段、路口進(jìn)行評(píng)價(jià),從而得到更加詳細(xì)的改善思路.

4.2 指標(biāo)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

將各指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果按照評(píng)價(jià)類(lèi)別與類(lèi)似規(guī)模城市的平均值進(jìn)行比較,制作對(duì)照表.

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果表示

將指標(biāo)值與類(lèi)似規(guī)模城市的平均值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,制作雷達(dá)圖,如圖3所示.

4.4 偏差分析

對(duì)雷達(dá)圖中產(chǎn)生偏差的指標(biāo)與對(duì)應(yīng)的類(lèi)別進(jìn)行提取,詳見(jiàn)表2.

表2 xxx城市評(píng)價(jià)結(jié)果偏差分析表

4.5 改善對(duì)策

根據(jù)偏差分析的結(jié)果,結(jié)合雷達(dá)圖的表示的凹凸曲線(xiàn),分析現(xiàn)狀信號(hào)控制優(yōu)化改善方向并根據(jù)分析結(jié)果,制定不同類(lèi)別的信號(hào)控制優(yōu)化改善對(duì)策.

5 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)城市交通信號(hào)控制效果的整體評(píng)價(jià),本文分別從交通運(yùn)行效率、信號(hào)燈設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化、交通信號(hào)運(yùn)維管理、智能化交通管理水平、交通安全、行人與非機(jī)動(dòng)車(chē)出行環(huán)境、環(huán)保低碳7個(gè)不同層面,構(gòu)建了33個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集. 相對(duì)于現(xiàn)有的評(píng)價(jià)指標(biāo),本文提出的指標(biāo)集能簡(jiǎn)單、直觀、多維度的反映城市交通信號(hào)控制的整體效果,具有更好的實(shí)際操作與應(yīng)用推廣能力,能直觀地反映配時(shí)優(yōu)化工作的實(shí)際效果,便于交通決策者進(jìn)行管理,進(jìn)一步提高城市道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)的精細(xì)化運(yùn)行管理水平. 但仍有以下需要繼續(xù)進(jìn)行研究的方向:

1)研究確定不同規(guī)模評(píng)價(jià)城市的劃分標(biāo)準(zhǔn)

本文雖然提供了一套完整的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法,但未對(duì)不同規(guī)模評(píng)價(jià)城市的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確的說(shuō)明,需要進(jìn)一步研究確定.

2)研究建立不同城市規(guī)模的指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)

本文采用的評(píng)價(jià)對(duì)照指標(biāo),選取的是與評(píng)價(jià)城市類(lèi)似規(guī)模城市的指標(biāo)平均值,需要依據(jù)大量穩(wěn)定的數(shù)據(jù)獲得,而且各指標(biāo)的預(yù)測(cè)也要基于一定的數(shù)據(jù)樣本量,所以要進(jìn)一步研究建立對(duì)不同城市規(guī)模的指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù).