信號交叉口微觀仿真系統評價指標分析

摘 要：對仿真系統的交通運行評價可以反映仿真系統模擬的準確性和控制結果的有效性。通過對交叉口車輛運行評價指標的關聯性分析，建立了行車延誤、平均排隊長度、平均停車次數、二次排隊率等4個相對獨立有效的交叉口仿真系統運行評價指標。在對各評價指標的仿真屬性分析的基礎上提出了系統中評價指標的計算方法與具體實現原理。

關鍵詞：交叉口；關聯性；評價指標;可視化控制系統

中圖分類號：U491 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0315802

Analysis of Evaluating Criterions for Microcosmic Simulation System at Signal Intersection

YANG Jie，ZHAO Junbo

(Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou，311112，China)

Abstract：Evaluating the transportation running of simulation system reflects the accuracy of simulating and the validity of controlling.By analyzing the relationship of the evaluating criterions at intersection，this paper establishes the relatively independence and effective criterions.On the basis of analyzing the simulation attribute of each evaluating criterions，it describes the calculation method and the theory of carrying out these evaluating criterions in simulation system.

Keywords：intersection;correlation;evaluating criterions;visual control system

城市平面交叉口是削弱道路網絡通行能力的“滯點”，對于他們的交通運行狀況評價是城市交通的研究重點。對交叉口交通運行進行動態模擬，有助于完成交叉口運行狀況的分析和交通控制的優化。本課題利用交通仿真技術開發了城市交叉口可視化控制系統(Visual Intersection Control system，VICs)。計算機仿真技術可以動態、直觀、逼真地模擬交叉口交通運行的各種交通現象，分析交通流各要素之間的交通特性，仿真交叉口交通運行。對仿真系統的交通運行評價，可以反映仿真系統模擬的準確性和控制結果的有效性。本文旨在針對信號交叉口計算機仿真系統，分析仿真系統的評價指標，建立有效的評價指標體系，并提出系統中評價指標的具體實現原理與計算方法。

1 評價指標體系

1.1 評價指標關聯性

評價指標除應有科學性、全面性、客觀性等基本要求外，同時在評價決策中還要求指標具有獨立性。如果評價指標關聯，評價結果就會具有傾向性[1]。如圖1所示，假設有A、B兩指標是關聯的，其關聯性大小用其包含部分C表示，消除量綱且歸一化后，A指標的數量為 Na+Nc，B指標的數量為Nb+Nc；Wa，Wb為A，B兩指標的權重，綜合效應為Wa×Na+Wb×Nb+(Wa+Wb)Nc，其效應夸大了(Wa×Nc)或(Wb×Nc)，可見，夸大的效應與兩指標的權重和關聯性大小有關系。為確保評價結果的客觀性，避免評價指標的關聯性是至關重要的，同時還要求評價指標具有一定的示意性和代表性。

圖1 效應與指標關聯性關系

1.2 評價指標體系分析

交叉口控制評價指標通常應涵蓋安全、效率、環保等多方面的綜合指標，計算機交通控制仿真軟件主要針對效率優化而設計，而交通運行效率層面的指標如表1所示。

表1 評價指標

考察此6個指標的關聯性:行車延誤(指標1)與行程速度(指標2)成一定的線性關系，因在城市交通網絡中，行車延誤是間斷交通流的一個關鍵運行性能指標，是車輛在通過交叉口的過程中所造成的時間損失，他不僅反映了交叉口的通暢狀況，也反映了交叉口的服務水平，是所有指標中最重要的指標，因此系統選取指標1。停車次數(指標3)與停車時間(指標4)都是延誤方面的指標，由于停車次數是體現交叉口控制效果的指標，并且仿真系統對此指標能較準確實現，故采用。排隊長度(指標5)是所有指標中最能形象、直觀地反映交叉口擁堵情況的數據，故采用。二次排隊率(指標6)是交通管理中需要嚴格控制的指標，故選用。

綜上分析，系統建立包括平均行車延誤、平均排隊長度、平均停車次數和二次排隊率的評價指標體系。

1.3 仿真模型中評價指標實現的基礎

評價指標在仿真系統中的實現，需要建立相關的統計基礎。VICs系統設置OD、狀態、停車次數、時間等屬性，以便仿真系統有效地進行系統指標評價。車輛OD屬性控制車輛的入口和出口。狀態屬性是指車輛是否已經通過交叉口的一個開關控制量，未通過交叉口的車輛狀態為1，已經通過交叉口的車輛狀態為0。停車次數屬性是記錄車輛停車次數的計數參數，用于評價系統平均停車次數和二次排隊率等指標。時間屬性記錄車輛在交叉口的時間，車輛出現在交叉口時，該車狀態屬性為1，開始計時；車輛于交叉口消失時，該車狀態屬性為0，停止計時。時間屬性用于評價行車延誤。

2 評價指標分析和實現

2.1 行車延誤

行車延誤是假設交叉口沒有信號燈控制，車輛在交叉口不停車而通過所需時間與實際所需時間之差，其影響因素主要有車輛到達率和交叉口通行能力兩個方面。行車延誤是評價信號交叉口的運行效率和服務水平的重要度量。VICs系統以交通延誤最小作為控制指標，因此以行車延誤為主來進行系統評價，本文對其作詳細分析，并采用兩種方法實現。

2.1.1 Webster法

在分析中，假設車輛到達率在一定時間段內穩定，交叉口進口道通行能力為常數，車輛受信號阻擋所造成的行車延誤與車輛到達率的相互關系不變且無長期排隊。延誤分均衡相位延誤與隨機延誤兩部分[2]。

由Webster理論，車輛總延誤時間表達為：

其中α是從車流模擬實驗計算得出的修正項，由于數值較小，可忽略不計。因此，通過對均衡相位延誤和隨機延誤的實現，將此二延誤相加可求得各相位行車延誤，再以相位求得平均，即可得出平均行車延誤。

2.1.2 時間差法

根據延誤的定義，平均行車延誤亦可用VICs系統中時間屬性來實現。車輛的時間屬性記錄了每輛車在交叉口的時間，這個時間即可用于延誤計算。系統以周期為單位，計算車輛在交叉口的總時間，減去理論通行時間，再取平均，即可得到一周期內的平均行車延誤。

通過系統實測數據驗證，Webster法與時間差法擬合度較高，從而證明本系統對行車延誤的實現方法科學合理，能對控制效果進行評價。

2.2 平均排隊長度

平均排隊長度能形象、直觀地反映交叉口擁堵情況。信號交叉口的排隊長度計算[3]，按流量飽和與非飽和分成兩類:

(1) 進口道車流量不飽和時，綠燈啟亮時的初始排隊車輛數N為：

N = qtER

(2) 進口道車流量飽和時，綠燈啟亮時的平均排隊車輛數等于整個周期的平均排隊車輛數加上周期性變化的平均變程之半，則飽和綠燈啟亮時的初始排隊車輛數N為：

N = qti + qtER/2

如果進口道恰好飽和時，ti = tER/2，N = qtER。

系統以相位為單位計算排隊長度，將獲得通行權的相位的排隊長度記為0，其余相位計算實際排隊長度，再以車道平均，即可得到每車道的平均排隊長度。

2.3 平均停車次數

平均停車次數可以直觀地反映交叉口延誤情況和服務水平。系統利用車輛屬性中的停車次數屬性記錄了每輛車在交叉口的停車次數，以周期為單位，計算一周期內所有車輛的停車次數之和，再求平均，即可得到一周期內的平均停車次數。

2.4 二次排隊率

二次排隊率能夠直觀地反映交叉口是否擁堵，是交通管理中需要嚴格控制的指標。在交叉口進口道上，經過交叉口的車輛連續二次或二次以上遇到紅燈而導致車輛二次或二次以上的停車排隊，將這輛車定義為二次排隊車輛。二次排隊示意圖如圖2所示。

圖2 二次排隊示意圖

二次排隊率[4]是指一個周期內停車二次或二次以上的車輛數與該周期綠燈時間內的駛離車輛數之比。

VICs系統利用車輛屬性中的停車次數屬性，以周期為單位，計算停車次數≥2的車輛數，再除以一周期內的車輛總數，即可得到一周期內的二次排隊率。

3 結 語

本文通過對交叉口車輛運行評價指標的關聯性分析，建立了行車延誤、平均排隊長度、平均停車次數、二次排隊率等4個相對獨立有效的交叉口仿真系統運行評價指標。在對各評價指標的仿真屬性分析的基礎上，本課題提出了系統中評價指標的計算方法與具體實現原理。經系統初步調試驗證，本指標體系能基本評價交叉口交通運行狀況，能作為本課題“城市交叉口可視化控制系統(Visual Intersection Control system，VICs)”的車輛運行評價指標。

參考文獻

[1]楊曉光，云美萍.城市交通控制系統交通效益評價指標及其關聯性研究[J].公路交通科技，2004(10):81—84.

[2]尹宏賓，徐建閩.道路交通控制技術[M].廣州：華南理工大學出版社，2000.

[3]何寧，楊濤，李朝陽，等.信號交叉口延誤及排隊長度的實證研究和應用[J].公路交通科技，2002，19(5):106—109.

[4]張建華，林航飛.平面信號交叉口車輛兩次停車率研究[J].交通科技，2004(3):96—98.

作者簡介 楊 潔 女，1980年出生，同濟大學在讀工程碩士，浙江交通職業技術學院，助教。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。