交叉口信号控制评价指标体系
2020-03-11熊文华
周 沛， 熊文华
(广州市交通规划研究院， 广州 510000)
信号控制交叉口一般是城市交通运行的瓶颈，也是国内外专家、学者理论与优化技术研究的重点[1-3]，目前在理论与实践中都取得了较好的应用。然而对于信号控制交叉口的运行效果评价，基本上仍以各进口道延误时间、排队长度、停车次数等[4-8]为基础的仿真指标为主，仅考虑了机动车在交叉口的通行效率，评价指标较为单一，且评价指标获取的直观性不强，没有办法定量、规范地评估信号控制交叉口的运行效果。
为解决这一问题，臧超[9]基于浮动车数据对单交叉口内不同车道引入了分车道的扩展评价指标，但仍是以平均速度、延误时间和排队长度为基础指标；于泉等[10]基于组合赋权法确定权重评价城市交叉口交通状态，但仅采用了交通量和时间占有率2个评价指标，评价体系稍欠全面；马庆禄等[11]利用交叉口平均车辆延误及排队长度作为评价指标；高建杰等[12]利用平均信号控制延误、平均排队长度、停车次数作为评价指标来评价交叉口交通组织及信号控制优化方案，采用的评价指标也不够全面。
总体而言，随着各类型数据来源的增多，目前并没有完整的信号控制交叉口的运行效果评价体系[13-15]，各评价指标也缺乏相应的计算方法，无法客观判断交叉口的运行效果，实际工作的实用性非常有限。
本文通过分析交通信号控制工作中实用的评价指标，结合常用的VISSIM、SYNCHRO等交通仿真软件及互联网交通大数据，建立信号控制交叉口的运行效果评价指标体系，以满足实际工作中评价信号控制交叉口优化前后运行效果评价需要。
1 交叉口运行效果评价指标体系
以往研究中对交通信号控制运行效果评价仅考虑类似延误时间、排队长度、停车次数等机动车相关指标，然而行人的通行效率也是实际工作中需要考虑的重要因素之一。本次研究将评价指标性质分为正向指标(指标值越大越好)和负向指标(指标值越小越好)2大部分，并按照评价内容归纳为机动车通行指标或行人通行指标，构建指标体系如图1所示。
图1 交叉口信号控制评价指标体系
各指标含义及反映内涵如下：
1) 高峰小时通过车辆数I1
交通信号控制交叉口在早晚高峰小时通过的车辆数量，反映交叉口高峰时段的通行效率。
2) 白天12 h通过车辆数I2
交通信号控制交叉口在8:00—20:00通过的机动车数量，反映交叉口运行的整体效率。
3) 各流向平均饱和度I3
交通信号控制交叉口各流向绿灯时间利用效率的平均值，反映交叉口绿灯时间分配的合理性。
4) 交叉口平均延误I4
一周期内车辆通过路口范围的平均延误，反映交通信号控制交叉口对交通流的阻碍程度。
5) 交叉口平均排队长度I5
一周期内车辆在各进口的平均排队长度，反映交通信号控制交叉口信号控制方案与车辆到达特性的匹配程度。
6) 各流向饱和度均衡系数I6
交通信号控制交叉口各流向绿灯时间利用效率的方差，反映交叉口控制方案与车流分布特性的匹配程度。
7) 行人相位最大绿灯间隔时间I7
交通信号控制交叉口行人相位中绿灯间隔最长的时间，反映交叉口行人过街等待时间的最大忍耐值。
8) 行人相位平均绿灯间隔时间I8
所有交通信号控制交叉口行人相位绿灯间隔时间的平均值，反映交叉口整体过街等待时间的设置合理性。
9) 行人过街平均等待时间I9
一周期内行人过街平均等候时间，反映了交叉口行人相位方案与人流分布特性的匹配程度。
2 交叉口运行效果评价指标计算方法
2.1 机动车通行正向指标
1) 高峰小时通过车辆数I1
I1-AM=max (Q8,Q9…Q12)
(1)
I1-PM=max (Q15,Q16…Q12)
(2)
式中：I1-AM为早高峰小时通过车辆数；I1-PM为晚高峰小时通过车流数；Qi为第i-1小时通过路口的车辆数，可通过车流检测器或者现场调查获得。
2) 白天12 h通过车辆数I2
(3)
3) 各流向平均饱和度I3
(4)
式中：n为路口流向总数；qi为第i个流向通过的车辆数；DSi为第i个流向的进口道饱和度。
2.2 机动车通行负向指标
1) 交叉口平均延误I4
(5)
式中：TDi为第i个流向的进口道延误。
各个流量方向的延误TDi可由抽样跟车调查后确定，具体操作时也常用交通仿真软件建模分析交叉口平均延误。
(6)
式中：m为跟车调查样本总数；Tj为样本车辆通过路口时间；ts为通畅运行(无延误)时该流向车辆通过时间。
2) 交叉口平均排队长度I5
(7)
式中：Li为第i个流向的进口道排队长度，可通过视频监控或路口调查获取。
具体操作时，也常用交通仿真软件建模分析路口各个进口道排队长度。
3) 各流向饱和度均衡系数I6
(8)
式中：Di为各流向平均饱和度；DSi为第i个流向的进口道饱和度，可由交通信号控制系统直接给出，或由下式确定：
(9)
式中：λi为分配给第i个流向的绿信比；MFi为第i个流向的最大通行能力。
2.3 行人通行负向指标
1) 行人相位最大绿灯间隔时间I7
I7=maxMIi
(10)
MIi=max(Gi,j+1-Gi,j-Wi,j)
(11)
式中：MIi为第i个行人过街最大绿灯间隔时间；Gi,j为第i个行人过街第j次出现的时间点；Wi,j为第i个行人过街第j次绿灯持续时间(不包括绿闪时间)。
2) 行人相位平均绿灯间隔时间I8
(12)
(13)
式中：SIi为第i个行人过街总时间间隔；x为行人过街灯组总数；m为所选定评价时段内，第i个行人过街出现次数；其余各参数意义与I7相同。
3) 行人过街平均等待时间I9
(14)
式中：Ni,j为第i个行人过街第j次过街人数；Di,j为第i个行人过街第j次过街总等待时间；其余各参数意义与I7相同。
根据对行人过街特性的分析，单个周期内行人过街到达-等待时间的关系如图2所示。
图2 单个周期内第i组行人的到达-等待时间关系
假设行人到达数量与时间的函数关系为fi(t)，则
假定行人均匀到达，则单个周期内第i个行人灯组对应的时间-累积人流量关系如图3所示。
根据图3，假设fi(t)=Ai×t,Ai为行人灯组i对应的到达率，则
Ni,j=(SIi,j+Wi,j)×Ai
则(14)为：
在实际操作时，为简化处理，行人到达率Ai可以通过调查分析得出，或者可以通过估算各人行相位人流量的倍数关系替代到达率。
(a) 时间-累积人流量
(b) 时间-等待人流量
3 指标使用说明
3.1 机动车通行正向指标
1) 高峰小时通过车辆数I1
I1主要采用对比分析法来对前后效果进行比较，取百分数作为单位，判断标准分4个等级，该指标一般是评价交叉口改善效果最重要的指标。高峰小时通过车辆数判断标准如表1所示。
表1 高峰小时通过车辆数判断标准
2) 白天12 h通过车辆数I2
I2与I1类似，判断标准分4个等级。通过车辆数判断标准如表2所示。
表2 白天12 h通过车辆数判断标准
3) 各流向平均饱和度I3
该指标主要是改善前后的数值与1的比较，更接近的值为更优，差距值的判断标准如表3所示。
表3 各流向平均饱和度判断标准对比
3.2 机动车通行负向指标
1) 交叉口平均延误I4
该指标作为交叉口通行能力的指标，这里采用美国全国通用的交叉口通行能力评价指标，根据延误评定不同的服务水平，分为6级，详细的判断标准如表4所示。
表4 交叉口平均延误判断标准
2) 交叉口平均排队长度I5
该指标作为交叉口通行效率的指标，一般进口道平均每个车道排队车辆的长度，取一个标准车停车长度为6 m，详细的判断标准如表5所示。
表5 交叉口平均排队长度判断标准
3) 各流向饱和度均衡系数I6
该指标主要是作为I3的附加指标，用来辅助判断改善前后控制效果的情况，其取值越小越好，各流向饱和度均衡系数判断标准如表6所示。
表6 各流向饱和度均衡系数判断标准
3.3 行人通行负向指标
1) 行人相位最大绿灯间隔时间I7
该指标主要是检验路口最不理想的行人灯组让行人等待的心理极限(国外为60 s)的关系，取值越小越好，行人相位最大绿灯间隔时间判断标准如表7所示。
表7 行人相位最大绿灯间隔时间判断标准
2) 行人相位平均绿灯间隔时间I8
该指标主要是检验路口行人灯组时间设置的总体优劣情况，取值越小越好，行人相位平均绿灯间隔时间判断标准如表8所示。
3) 行人过街平均等待时间I9
该指标是反映路口行人灯组时间设置与行人流量分布的协调程度，取值越小越好，行人过街平均等待判断标准如表9所示。
表8 行人相位平均绿灯间隔时间判断标准
表9 行人过街平均等待时间判断标准
4 案例分析
选取道路一、道路二交叉口作为信号控制方案优化前与优化后的效果评价示例，该交叉口为“十字”交叉口，交通布局如图4所示。优化前交叉口采用单进口放行方式，优化后东西进口采用搭接放行方式，南北方向直行采用对称放行方式，优化前后相位如图5所示。通过交叉口车辆检测器流量获取高峰小时通过车辆数I1、白天12 h通过车辆数I2，通过视频监控获取交叉口平均排队长度I5，根据仿真软件计算结果获取各流向平均饱和度I3、交叉口平均延误I4、行人过街平均等待时间I9，根据上述交叉口运行效果评价指标计算方法计算得出各流向饱和度均衡系数I6，根据优化前后信号配时方案计算行人相位最大绿灯间隔时间I7、行人相位平均绿灯间隔时间I8，利用本文提出的判断标准对评价指标I1～I9进行分析评价，得出优化前后效果对比评价结果，如表10所示。
图4 交叉口布局
图5 优化前后信号配时方案
表10 优化前后效果对比
由表10可知，相比优化前，优化后高峰小时通过车辆数、白天12 h通过车辆数、各流向饱和度均衡系数都存在一定程度提升，交叉口平均延误、交叉口平均排队长度、行人相位最大绿灯间隔时间等指标也有下降，交通通行状况有了较大改善。
5 结束语
本文结合常用的交通仿真软件及互联网交通大数据，全面考虑机动车与行人的通行效率，建立高峰小时通过车辆数、白天12 h通过车辆数、各流向平均饱和度3类机动车通行正向指标及交叉口平均延误、交叉口平均排队长度、各流向饱和度均衡系数、行人相位最大绿灯间隔时间、行人相位平均绿灯间隔时间、行人过街平均等待时间6类机动车通行、行人通行负向指标，由此构建了交叉口信号控制评价指标体系，并给出各类指标的计算方法或获取方法；同时结合工程实际，给出交叉口信号控制方案优化前后9类评价指标优化程度的判断标准。经工程实例证明，本文提出的评价指标体系及判断标准具有实际操作的可行性。
