基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號優(yōu)化效果評價研究

吳裕鋒 鄭淑鑒

摘 要：交通信號優(yōu)化是城市交通管理中的一項(xiàng)重要工作，為定量化評估信號控制的優(yōu)化效果、輔助優(yōu)化信號控制方案以進(jìn)一步提升路口的通行能力，基于交通調(diào)查的數(shù)據(jù)建立一套評價信號優(yōu)化效果的指標(biāo)體系，體系從路口、路段兩個層面對機(jī)動車和行人分別構(gòu)建指標(biāo)，并重點(diǎn)闡述了各個指標(biāo)如何利用調(diào)查數(shù)據(jù)計算獲得以及各個指標(biāo)代表的數(shù)值意義，最后通過案例驗(yàn)證說明了該評價方法的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：交通工程；信號控制；交通調(diào)查；優(yōu)化效果評價

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市機(jī)動車保有量不斷增加，交通擁堵日趨嚴(yán)重。交通信號控制是對城市交通進(jìn)行調(diào)節(jié)最直接的渠道，科學(xué)合理的信號控制方案能有效提高交通運(yùn)行效率，是最為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的緩堵措施。

2016年公安部發(fā)布了《推進(jìn)城市道路交通信號燈配時智能化工作方案》，更是推進(jìn)了全國各地開展對交通信號控制的整改和優(yōu)化工作，然而，信號控制的優(yōu)化效果卻一直缺乏標(biāo)準(zhǔn)、量化的指標(biāo)，使得工作的成效無法確切體現(xiàn)。

國內(nèi)外專家、學(xué)者在這方面做出了大量的研究，如王爽提出了國內(nèi)信號控制交叉口服務(wù)水平的評價方法[ 1 ]，高云峰利用微觀仿真建立了交通控制評價指標(biāo)和實(shí)時計算模型[ 2 ]，汪湛提出了四種不同交通狀況下的信號控制交叉口服務(wù)水平評價指標(biāo)體系、并使用VISSIM微觀仿真軟件對部分指標(biāo)進(jìn)行仿真研究[ 3 ]，柴干提出利用微觀仿真軟件建立干道的評價指標(biāo)和體系[ 4 ]，姚樹申提出了信號控制系統(tǒng)評價指標(biāo)、方法[ 5 ]，馬暢從平均行程延誤、排隊(duì)長度、停車率、行程車速及飽和度方面建立干道運(yùn)行效率評價指標(biāo)[ 6 ]，胡繼華利用VISSIM仿真平臺研究SCATS系統(tǒng)和定時控制系統(tǒng)的控制延誤情況[ 7 ]。

從這些研究可以看出，現(xiàn)有的研究大部分提出了信號控制的評價體系和方法，但對評價的數(shù)據(jù)來源卻沒有說明，或者是直接以仿真模擬的數(shù)據(jù)來評價信號優(yōu)化前后的效果，而事實(shí)上仿真與實(shí)際有一定的不同，仿真的結(jié)果并不能代表實(shí)際的優(yōu)化效果，因此現(xiàn)有研究無法在實(shí)際中有效應(yīng)用。基于此，本文構(gòu)建了一套基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號優(yōu)化效果評價方法，以期應(yīng)用于實(shí)際分析信號優(yōu)化的效果。

1 基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號優(yōu)化評價體系

交通信號優(yōu)化效果評價是對路口信號配時方案及其運(yùn)行效果進(jìn)行評判，基本方法是通過采集反映信號控制交叉口運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)（如延誤、交叉口實(shí)際通行能力、平均停車次數(shù)、平均行程時間、行人相位綠燈間隔時間等），對比分析其在交通信號優(yōu)化前后的變化，評判優(yōu)化效果的好壞。根據(jù)評價對象的不同，可以分為路口評價和路段評價，其中路口和路段中包括機(jī)動車和行人，故可以再細(xì)分為機(jī)動車指標(biāo)和行人指標(biāo)，結(jié)合可以實(shí)際交通調(diào)查的數(shù)據(jù)，建立基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號優(yōu)化評價體系如下圖所示。

2 路口信號優(yōu)化效果評價研究

根據(jù)相關(guān)的研究，可用于路口信號控制優(yōu)化效果評價的指標(biāo)有很多，如通行能力、飽和度、行駛時間、延誤、停車次數(shù)、停車率、排隊(duì)長度、燃油消耗、環(huán)境污染等。

從指標(biāo)值的可采集性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度以及評價工作的可持續(xù)性等各方面綜合考慮，路口優(yōu)化效果評價指標(biāo)主要選取交叉口車輛的平均延誤、實(shí)際通行能力、平均停車次數(shù)、排隊(duì)溢出率和行人相位間隔時間五個指標(biāo)。

2.1 車輛平均延誤

延誤是反映車輛行駛時間損失、受阻的指標(biāo)，是判定交叉口的通行效率重要指標(biāo)。對于每個車道的延誤可以分為兩種情況分析：

2.1.1車道沒有排隊(duì)車輛

綠燈放行后車道沒有排隊(duì)車輛時，本周期車輛的總延誤為三角形ABC的面積，如圖3所示，通過調(diào)查紅燈時間、最大排隊(duì)車輛以及放行車輛數(shù)三個參數(shù)可以計算得到：

2.1.2車道有排隊(duì)車輛

綠燈放行后車道有排隊(duì)車輛時，本周期車輛的總延誤為四邊形ABCH的面積，如圖4所示，通過調(diào)查車道的最長排隊(duì)車輛數(shù)、放行車輛數(shù)以及周期三個參數(shù)的數(shù)據(jù)可以計算得到：

交叉口車輛的平均延誤d可由各車道的平均延誤及其校正流量加權(quán)平均得到：

2.2 交叉口實(shí)際通行能力

信號控制交叉口的通行能力是指在定的交通、車行道和信號設(shè)計條件下，某一進(jìn)口車道上單位時間內(nèi)所能通過的最大交通流量。

交叉口的實(shí)際通行能力為各進(jìn)口車道的通行能力之和，它反映的是交叉口對交通疏導(dǎo)的最大能力。

2.3 平均停車次數(shù)

平均停車次數(shù)是指所有車輛在行駛過程中由于控制信號或前方車輛影響而停車的平均次數(shù)。《GA115-1995道路交通阻塞度及評價方法》中將停車次數(shù)作為評價信號控制交叉口阻塞程度的評定指標(biāo)：車輛行至信號燈控制交叉路口，3次綠燈顯示未通過路口為阻塞；5次綠燈顯示未通過路口為嚴(yán)重阻塞。因此平均停車次數(shù)可反映出交叉口通行效率、擁堵程度等運(yùn)行情況。

2.4 排隊(duì)溢出率

排隊(duì)溢出率表示交叉口溢出影響到上游的交叉口，當(dāng)出現(xiàn)排隊(duì)溢出時，上游的車流在交叉口綠燈放行時間里無法通行，因此，用無法通行的綠燈時間來衡量排隊(duì)溢出對上游交叉口的影響程度，定義為排隊(duì)溢出率：

當(dāng)影響到多個交叉口時，排隊(duì)溢出率為多個交叉口的排隊(duì)溢出率的總和。

排隊(duì)溢出率數(shù)值越大，表示對交叉口的影響程度越大。

2.5 行人相位平均間隔時間

上述各項(xiàng)指標(biāo)以優(yōu)化的時段（早高峰、晚高峰或者平峰）為對象調(diào)查5～10個周期的數(shù)值計算獲得。

行人相位平均間隔時間該指標(biāo)主要是檢驗(yàn)路口行人燈組時間設(shè)置的總體優(yōu)劣情況，取值越小越好，判斷標(biāo)準(zhǔn)如下表。

3 路段信號協(xié)調(diào)優(yōu)化效果評價研究

協(xié)調(diào)控制路段關(guān)系到兩個或兩個以上的交叉口，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制優(yōu)化考慮路段整體的協(xié)調(diào)效果、相交路段的運(yùn)行效率以及對行人過街的影響，基于此制定協(xié)調(diào)控制路段優(yōu)化效果評價指標(biāo)體系如下。

評價指標(biāo)按協(xié)調(diào)控制的實(shí)施效果分為協(xié)調(diào)方向、非協(xié)調(diào)方向，分別采用路段和路口的運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行評價。協(xié)調(diào)控制中路口的非協(xié)調(diào)方向的通行效率一般是被犧牲掉的，但也不能無限制地降低，因此評價指標(biāo)中加入非協(xié)調(diào)方向的評價作為協(xié)調(diào)優(yōu)化的約束條件。此外，考慮對行人的影響，加入了協(xié)調(diào)路段行人的評價指標(biāo)。

3.1 協(xié)調(diào)方向評價指標(biāo)（路段）

3.1.1平均停車次數(shù)

停車次數(shù)是指沿協(xié)調(diào)控制路段的協(xié)調(diào)方向行車遇到紅燈需要停下來等待的次數(shù)，多次測量取算術(shù)平均即為此路段的平均停車次數(shù)。

3.1.2平均行程時間

行程時間是指沿協(xié)調(diào)控制路段的協(xié)調(diào)方向按設(shè)計車速行駛，從進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)控制路段的第一個口到離開最后一個路口所經(jīng)歷的時間，多次測量取算術(shù)平均即為此路段的平均行程時間。

3.2 非協(xié)調(diào)方向評價指標(biāo)（路口）

3.2.1最大排隊(duì)長度

測量各非協(xié)調(diào)方向的最大排隊(duì)長度Li，各進(jìn)口引道可用于排隊(duì)的距離Di，要求排隊(duì)不回溢，即要滿足：

3.2.2平均停車次數(shù)

參照《GA115-1995道路交能阻塞度及評價方法》中阻塞度的評價方法，要求非協(xié)調(diào)方向的平均停車次數(shù)不大于3次，即路口不阻塞。

3.3 協(xié)調(diào)路段行人評價指標(biāo)

采用與路口行人指標(biāo)同樣的計算方法，但指標(biāo)為各個路口行人指標(biāo)的平均值。

上述各項(xiàng)指標(biāo)以優(yōu)化的時段（早高峰、晚高峰或者平峰）為對象調(diào)查5～10個周期的數(shù)值計算獲得。

4 基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號優(yōu)化效果評價流程

針對信號優(yōu)化的內(nèi)容及實(shí)施方式，評價的主要工作流程描述如下：

（1）在信號優(yōu)化實(shí)施之前，對交叉口/路段的基本情況進(jìn)行摸底調(diào)研，針對交叉口調(diào)查延誤、通行能力、排隊(duì)長度等指標(biāo)，針對路段調(diào)查行程時間、停車次數(shù)等指標(biāo)，各指標(biāo)調(diào)查次數(shù)不少于5個周期。

（2）優(yōu)化方案下發(fā)并穩(wěn)定運(yùn)行一周之后，再次對交叉口/路段的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)研，需要獲取的數(shù)據(jù)及操作方法與優(yōu)化前的調(diào)研方法一致。

（3）分析對比信號優(yōu)化前后交叉口運(yùn)行狀態(tài)的變化，評價信號優(yōu)化的效果。

5 案例分析

某路口是城市重要交通節(jié)點(diǎn)，高峰期交通流量較大，根據(jù)交通調(diào)查顯示，該路口運(yùn)行周期較大，各進(jìn)口道的車輛延誤時間長，另外由于與上游路口的通行時間不匹配，路段排隊(duì)長度長，易溢出到上游路口。經(jīng)研判，采取實(shí)施了一些優(yōu)化措施，具體包括簡化路口相位降低周期、優(yōu)化調(diào)整各相位的綠信比、協(xié)調(diào)上下游路口的配時方案。

利用論文提出的針對路口機(jī)動車信號優(yōu)化的評價方法，在實(shí)施優(yōu)化前后分別到路口進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查并采集相關(guān)的數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)如下表所示，調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果表明：優(yōu)化后路口車均延誤由62.13秒降低至56.75秒，降幅8.66%；路口通行能力有所提升，由2657 PCU增加至2792 PCU，增幅5.08%；沒有再出現(xiàn)排隊(duì)溢出現(xiàn)象，排隊(duì)溢出率由0.4降至0；路口平均停車次數(shù)由1.88次下降至1.63次，降幅13.33%。通過現(xiàn)場觀察，路口有明顯的交通改善，而評價指標(biāo)數(shù)據(jù)也定量化體現(xiàn)了路口整體的優(yōu)化效果。

6 結(jié)論

交通信號控制是城市交通管理的重要手段，而信號配時的優(yōu)化是日常的交通管理工作之一，但卻一直缺乏定量化的評價指標(biāo)分析。

本文提出了一套基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)的信號優(yōu)化效果評價方法，其中從路口、路段的機(jī)動車指標(biāo)和行人指標(biāo)的調(diào)查內(nèi)容和計算方法進(jìn)行了闡述，并說明了各指標(biāo)代表的等級意義，最后通過案例驗(yàn)證說明了該方法的可行性與有效性。

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