基于速度连续性的平面交叉口服务水平评价

李路遥，韩智强，晋民杰，李华腾，贾庆林

(太原科技大学 交通与物流学院，太原 030024)

在城市交通系统中，交叉口作为连接不同方向道路的节点，能够保障车辆在路网中的自由行驶与安全交汇，对整个城市道路网的运转具有重要作用。交叉口的实际交通状态不仅影响车辆的行驶与安全，而且也影响驾驶人的驾驶感受。因此，合理地评价交叉口的交通状态，对于改善车辆行驶环境，提高交通服务质量具有深远意义。

道路服务水平是描述出行者从道路环境、交通管理、车辆驾驶等方面所得服务程度的一项指标[1]，可以将复杂的交通状态划分为多个等级，从而直观地反映道路的实际状态。本文选取合适的评价指标，构建交叉口的道路服务水平评价体系，为交叉口的管理与优化提供科学依据。

1 交叉口服务水平评价指标的建立

1.1 交叉口服务水平的影响因素

服务水平能够反映道路在各种因素的影响下，为使用者所服务的质量等级，而平面交叉口是不同方向的交通流交汇的节点，影响其服务水平的因素复杂多样。针对平面交叉口的特点，通常根据速度、饱和度、延误时间以及排队长度等定量指标确定服务水平。美国由《道路通行手册》(HCM)[1]中的标准，选取延误时间作为交叉口服务水平的评价指标，将交叉口的服务水平分为六级；日本采用饱和度(V/C)划分服务水平等级，将交叉口的服务水平分为三级[2]。由于交通具有显著的地域性，不同地区的交通具有不同的特点，所以美国等西方国家的评价指标以及评价标准并不完全符合我国目前的交通状况。

1.2 评价指标的确定

道路服务水平不仅体现交通运行的客观状态，而且也包含着出行者的通行感受。因此，在选取评价指标时，既要考虑交叉口处车辆的行驶情况，也要考虑驾驶员的驾驶感受，从多个角度进行综合选取。

从交通运行的客观状态来看，平面交叉口的交通运行复杂，考虑到交叉口的设施运行状态和车辆运行情况，根据中国推荐的评价指标和相关研究[3-7]，选取饱和度和停车延误作为评价指标。参考评价指标和评价标准如表1所示。

表1 中国推荐的交叉口服务水平评价指标和评价标准

(1)饱和度。饱和度也称交通负荷度，反映了道路对实际交通量的承受能力。当数值接近1时，表明通行车辆较多，行驶自由度降低；当数值接近0时，表明道路上行驶的车辆较少，车辆行驶自由；当数值超过1时，表明道路上行驶的车辆数超过道路设计的容量，交通负荷大，道路将出现拥堵。本文通过对交叉口进行交通量调查，将实际交通量以小客车为标准车型进行换算得到当量交通量，根据交叉口设计规范中的方法计算通行能力。

(2)停车延误。停车延误是车辆因为交通控制、道路拥堵等因素而停止行驶所产生的延误[8]，可以将车辆在交叉口处多消耗的时间直观地呈现出来。停车延误能够在一定程度上将交叉口的信号控制、车辆运行以及服务经济性反映出来，是平面交叉口服务水平评价的重要指标。本文通过点样本法进行延误调查，通过观测15 s内的停车数量，记录平面交叉口入口处车辆的停车时间，然后根据车辆数和时间间隔计算延误指标。

从出行者的行车感受和安全来看，车辆速度是道路运行的重要参数，其数值的大小与道路通行能力、交通管控、交叉口安全性均有密切的关系。

根据现有相关研究[9-10]，出行者在驾驶车辆驶入交叉口的过程中，如果两路段车速差值较大，车辆在行驶中一般会进行多次减速或者进行换道，严重降低出行者的舒适度，也会为行车带来危险，降低交叉口的安全性，这无疑会影响出行者对交叉口服务水平的评价。所以本文选取速度连续性作为评价指标，进而反映车辆驶进交叉口的安全性与出行者的感受。运行速度差值与事故之间关系如表2所示。

表2 运行速度差值与事故率

(3)速度连续性。速度连续性是指车辆在相邻两个路段上行驶时速度的变化幅度。有研究表明[11]：在相邻路段上，随着车辆的运行速度差值的增大，车辆发生碰撞事故的几率也增大，随着差值减小，事故发生率也逐渐减小。同时从感觉与知觉的角度来看，出行者能够敏锐地感觉到车速的变化，准确率约为60%，而出行者对车流量的变化，感受并不明显[12]。本文选取相邻两路段的第85%速度为运行速度，根据计算公式求得其速度差，利用速度差值的大小反映两路段的车辆行驶的速度连续性，进而反映行驶安全性与驾驶员的感受。其公式如下：

Δv=|vi-vi-1|

(1)

其中Δv为两路段之间第85%速度差值；vi为调查路段的；vi-1为前一段路段的第85%速度。

综上所述，本文选用饱和度(V/C)、停车延误及速度连续性这三个参数作为服务水平评价的指标。

2 灰色聚类分级模型的构建

灰色系统理论是研究缺乏数据与信息的不确定系统的新手段，针对系统“样本小”“信息少”的特点，利用已掌握的数据与信息，对其生成与开发，获得有价值的新数据，从而对系统运行进行描述与监控[13]。考虑到城市平面交叉口的交通运行混杂，且部分信息隐蔽，评价指标不同，因此本文选用灰色定权聚类分级法，判断不同方向的路口所属的灰类，确定其服务水平。

2.1 建立评价矩阵

根据所研究的对象，设有n个聚类对象，即交叉口的各个进口，m个聚类指标，构造评价矩阵：

X=(xij)

(2)

式中：xij—第i个聚类对象的第j个指标的观测值；

i=1,2,…，n；

j=1,2…，m；

2.2 确定白化权函数

白化权函数一般与研究者所探讨的实际问题有关，可以由研究者的主观判断来确定。在面对实际问题时，可以从个体的角度，分析研究对象，确定白化权函数，也能从整体考虑，综合分析来确定白化权函数[14]。白化权函数图像如图1所示。

图1 白化权函数

本文根据所研究交叉口的实况，确定k(k=1、2、3、4、5)个灰类等级，并参考表1以及相关研究确定不同指标的阈值与界限，并构造白化权函数。白化权函数节点值如表3所示。

表3 白化权函数节点值

(1)第1灰类

(3)

(2)第2、3、4灰类

(4)

(3)第5灰类

(5)

2.3 确定各指标权重

指标的权重不仅反映各项指标影响评价对象的大小，而且也表示不同指标在同一个评价对象中的重要程度。平面交叉口是一个复杂的交通系统，系统中各种因素相互关联和制约，在评价过程中，只有合理地分析从而确定不同指标在系统中的重要性，才能确保评价结果准确与合理。

目前，确定指标权重的方法可以分为主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法三大类。根据平面交叉口地域性的特点以及影响因素的复杂性，选用主观赋权法对系统中的各个指标进行分析，从而确定不同指标权重的合适值。层次分析法作为主观赋权法的一种，可以为研究这类系统提供一种简明实用的决策方法。

因此本文采用层次分析法，针对已建立的平面交叉口服务水平的各项指标进行主观赋权。

基于已建立的平面交叉口服务水平评价体系，通过Santy的1-9标度法得出判断矩阵，利用层次分析法计算停车延误、饱和度和速度连续性三个指标的权重ωj，分别为0.548，0.211和0.241.判断矩阵如表4所示。

表4 判断矩阵

2.4 计算灰类聚类系数

灰色定权聚类系数：

(6)

2.5 聚类评价

3 案例分析

本文选取太原市某平面交叉口作为研究对象，应用本文所提出的方法，对该平面交叉口的服务水平进行研究。与典型的十字交叉口相比，该交叉口中的各个路口都建有提前右转车道，东西进口道禁止左转，南北进口道上游路段与高架相交，交叉口及周边环境较为复杂。对该交叉口进行为期三天的交通调查，重点调查其交通量、延误以及相邻路段的车速。部分调查数据经过分析整理于图2、表5.

图2 交叉口交通量流向图

表5 平面交叉口调查数据汇总

基于灰色定权聚类分级法与评价指标对该平面交叉口的不同路口服务水平进行分级评价，计算出各评价对象的聚类向量，矩阵如下：

本文中将平面交叉口分为五个灰类等级，即将平面交叉口服务水平从高到低依次分为A、B、C、D、E五个服务水平。

由以上结果可知在该平面交叉口中，东进口属于A级，西进口属于C级，南进口属于C级，北进口属于D级。评价结果对比如表6所示。

表6 评价结果对比

(1)通过与HCM2010评价方法以及中国推荐的评价方法所得结果对比可以看出，本研究模型所得出的评价等级与常用的两种方法所得的结果基本一致，能够在一定程度上反映交叉口实际的服务水平。

(2)在同一交叉口处，当不同方向进口的延误时间相近时，HCM2010评价方法与中国推荐的评价方法所得出的结果都不能明显地区分东西进口的实际服务水平，失去了评价意义。本研究模型同时考虑饱和度、延误与速度连续，可以更加客观地反映实际的交通状态，区分不同方向的道路服务水平。

(3)在特殊情况下(如南进口的饱和度较大但延误较小)，HCM2010评价方法与中国推荐的评价方法所得评价结果都会产生一定偏差，与观察到的交通运行状态不符。本模型基于速度连续性，考虑运行安全与驾驶感受，可以减小偏差，更好地反映与实际运行相符的服务水平。

4 结论

(1)灰色定权聚类分级法对平面交叉口服务水平的分级，综合考虑了多个因素对交通状态的影响，体现了平面交叉口处交通运行的复杂性，避免了单一指标在评价时的片面性。

(2)考虑平面交叉口的速度连续性的评价方法可以较好地减小评价结果与实际交通之间的偏差，提高评价精确度，对交叉口服务评价体系的研究具有一定参考意义，同时也为平面交叉口的优化与改善提供新思路。