效率安全协同导向的城市道路交叉口交通运行状态评价方法

曾 荣 张存保 曹 雨 白家安 王厚沂

(武汉理工大学智能交通系统研究中心 武汉 430063)

0 引 言

城市道路交叉口交通运行状态与其通行效率和安全性密切相关，国内外学者针对城市道路交叉口交通运行状态的评价展开了大量的研究.Su等[1]采用模糊均值(FCM)算法和模糊熵权法进行分析，提出基于模糊熵权法分别计算路段、道路和路网交通状态的方法.Dakic等[2]考虑到周期长度和绿灯时间的可变性，从通行效率的角度对自适应交叉口进行了评价.蒋欢昕等[3]利用视频检测技术获取交叉口实时交通数据，结合可拓物元法和层次分析法提出一种交叉口综合评价方法.吴仁良等[4]选取交叉口绿灯利用率、平均车辆延误和关键车道的排队长度等指标，通过加权平均法综合得出交叉口信号控制运行效益.

基于通行效率评价的基础上，针对交叉口的安全性方面，Barthauer等[5]利用碰撞时间和侵蚀后时间等冲突指标评估预信号交叉口的交通安全性.王晨等[6]通过极大阈值方法预测交叉口年平均事故率，并基于极值理论与微观仿真提出一种评价交叉口安全状况的方法.上述研究对于交叉口安全性方面的评价方法大多基于传统的事故数据，交通事故随机性较强且事故数据的收集时间长，不适合新建交叉口的安全评价.交通冲突技术是替代事故数据评价交通安全的有效方法[7]，随着车联网技术的不断发展，现有技术已经能够支持获取海量高分辨率的车辆轨迹数据，并提取车辆的坐标、速度等信息，进而获取交叉口的交通冲突数据，实现基于交通冲突技术的交叉口安全性评价.Tang等[8]提出了一种张量分解的方法来估计信号交叉口的采样车辆轨迹.Liu等[9]采用基于车辆轨迹的两种先进碰撞风险指标评价各交通状态下的安全性能，并探讨不同交通流变量对碰撞风险的影响.邢璐[10]基于轨迹数据计算交通冲突结果，对收费站分流区的交通安全性进行评价.

综上所述，现有研究大多只考虑交通效率或安全单方面的评价，综合考虑两者的评价方法较少，并且安全评价指标大多基于传统的交通事故数据，难以获取交通冲突等精细化的安全评价指标.文中综合考虑交通效率和安全两个方面来构建交叉口交通运行状态评价指标体系，并基于轨迹数据提取交叉口交通冲突数据.结合物元可拓模型与熵权法，提出效率安全协同导向的城市道路交叉口交通运行状态评价方法，实现对城市道路交叉口交通运行状态分层次多维度综合评价.

1 道路交叉口交通运行状态评价指标体系构建

1.1 评价指标体系

将综合运行指数作为一级评价指标，将效率指标和安全指标作为二级评价指标.通过对各二级指标进行多指标融合得到综合运行指数，实现对城市道路交叉口交通运行状态分层次多指标综合评价，评价指标体系见图1.

图1 交叉口交通运行状态评价指标体系

1.2 二级评价指标计算方法

1) 平均车辆延误 交叉口车辆延误为车辆实际通过交叉口的时间与车辆以自由流状态通过交叉口的时间之差，平均车辆延误为

(1)

2) 二次停车率 二次停车率为产生两次停车通过交叉口的车辆数占交叉口总通过车辆数的比值，其计算表达式为

(2)

式中：Ws为二次停车率；wij为有效样本中二次停车样本数；Gij为有效样本数.

3) 平均排队长度 车道组排队长度能够反映交叉口不同功能车道的供需差异性，有利于提取更精细化的评价指标，在评价时段内，各车道组排队长度不同，因此该车道组的车辆排队长度为评价时段内最大的排队长度，交叉口平均排队长度的计算表达式为

(3)

式中：Li为评价时段内进口道i的平均排队长度；n为交叉口的进口道数.

近年来，在国家教育部门发布的中明确要求，对职业教育领域探索混合所有制提出了明确的要求。在校企共建产业学院时，在产权配置结构上，应尽量吸纳不同股东进行多方面入股：随着混合所有制实践在职业教育领域的不断推进，相关制度不断完善，逐步承认混合所有制二级产业学院法人地位，必将会使得校企共建产业学院模式向外推广，得到重视，极大程度改善政府办学经费投入不足的问题。

4) 相位清空率 相位清空率为指定时段内能够完成车辆清空的相位数与该时段内各个周期相位总数的百分比，其计算方法为

(4)

式中：Pc为相位清空率；pt(i)为第i个周期完成清空的相位数；pT(i)为第i个周期的信号相位总数；n为评价时段内的周期数，n≥10.

5) 机动车冲突率 本文基于车辆轨迹数据提取机动车冲突数据，车辆轨迹数据包括车辆的位置(经纬度)、时间、车辆的ID、车辆速度及方位角等信息.基于轨迹数据提取机动车交通冲突数的思路如下：根据两机动车之间是否具有碰撞风险来判别两机动车是否有冲突，首先基于轨迹数据特征信息提取机动车冲突发生时的瞬时速度，冲突角度(双方行驶形成的夹角)和冲突距离(双方距离冲突点的距离)，然后根据机动车冲突判别方法得出交叉口的机动车交通冲突数.

提出一种基于TDTC指标的机动车冲突判别方法，TDTC的值可以反映交叉口机动车发生碰撞的可能性.其计算公式为

(5)

式中：d1和d2分别为两机动车到达潜在冲突点的距离；v1和v2分别为两机动车的瞬时车速.

将机动车冲突样本的TDTC数据进行累计分布，见图2.频率曲线在90%处出现拐点，选取拐点处累计频率对应的TDTC值作为机动车冲突判别阈值，得到TDTC的阈值为1.5 s.因此，基于轨迹数据环境下的交叉口机动车冲突判别原则为：交叉口两机动车保持当前速度和轨迹到达冲突点的时间差TDTC小于1.5 s.

图2 机动车冲突样本TDTC累计频率图

综合考虑机动车交通冲突数和当量交通量来评估城市道路交叉口交通安全水平.交叉口机动车冲突率计算公式为

(6)

1.3 评价指标等级划分

将评价指标体系中各二级评价指标划分为四个评价等级[11-12]，见表1.

表1 各评价指标及其等级划分

2 道路交叉口综合运行指数计算方法

2.1 整体流程

选择将物元可拓模型与熵权法相结合作为综合运行指数计算方法.其中熵权法根据客观定量数据计算各评价指标权重，属于客观赋权法，能很大程度避免人为主观性的影响.交叉口综合运行指数计算的整体流程见图3.

图3 综合运行指数计算方法流程图

2.2 基于物元可拓模型的综合运行指数计算方法

1) 确定交通运行状态评价指标经典域物元矩阵 城市道路交叉口交通组织方案运行状态评价指标的经典域物元矩阵由其各级评价指标等级的取值范围组成，其第j级经典域矩阵记为Rj，为

(7)

式中：Nj为交叉口交通运行状态第j级评价等级；C1，C2，C3，C4，C5分别为平均车辆延误，二次停车率，平均排队长度，相位清空率和机动车冲突率5个评价指标；V1j，V2j，V3j，V4j，V5j分别表示5个评价指标在第j级评价等级的取值范围；[aij,bij]，i=1,2,3,4，5为第j级评价等级的取值范围.

2) 构建待评价交叉口物元矩阵 待评价交叉口物元包括交叉口整体、交叉口进口道、进口道转向车流三个层次.在计算权重和关联度之前，需将待评价交叉口的各评价指标实际值通过矩阵的形式表达，构建待评价交叉口物元矩阵R0，为

(8)

式中：N0为待评价交叉口交通运行状态；V10，V20，V30，V40，V50为待评价交叉口平均车辆延误，二次停车率，平均排队长度，相位清空率和机动车冲突率的实际值.

3) 标准化处理 对交叉口交通运行状态评价指标经典域物元矩阵Rj进行标准化处理，可得：

(9)

对待评价交叉口物元矩阵R0进行标准化处理，可得：

(10)

4) 确定权重 基于熵权法计算交叉口交通运行状态评价指标权重，首先构建交叉口交通运行状态评价指标水平矩阵，接着对评价指标水平矩阵进行标准化处理，并计算每个评价指标的熵值及定义差异系数，最后通过熵值和定义差异系数计算各评价指标的权重.

5) 计算综合关联度 为了确定待评价交叉口运行状态与各等级评价指标的关联程度，运用贴近度原则计算综合关联度为

(bij/biN-aij/biN)/2

(11)

(12)

式中：dj(Vi0)为待评价交叉口物元与经典域之间的距离；Vi0为第i个指标的交叉口实际值；[aij,bij]为第i个指标的第j级取值范围；ViN第i个指标的全体评价等级的取值范围；[aiN,biN]第i个指标的全体评价等级的取值范围；Xj(R0)为待评价交叉口与评价等级j的综合关联度；wi为第i个指标的权重.

6) 确定评价等级并计算综合运行指数 计算出待评价交叉口与各等级运行状态的综合关联度，得到最大的综合关联度，即Xmax=max{Xj(R0)}，最大关联度对应的评价等级j即为待评价交叉口的评价等级.为了计算综合运行指数，并判断同等评价等级的差异，又令：

(13)

(14)

式中：j′为待评价交叉口物元R0的综合运行指数，可判断同级交叉口运行状态的优劣，有效的提高了评价的准确性.

3 实例分析

3.1 交叉口概况

选择湖北省十堰市房县的3个实例交叉口为研究对象，见图4.

图4 实例交叉口概况图

3.2 交叉口交通运行状态评价

1) 统计交叉口评价指标结果 通过实测获取交叉口晚高峰效率评价指标和相位清空率指标，提取各交叉口晚高峰车辆轨迹数据，根据上文中的机动车冲突判别规则确定交叉口机动车冲突数并计算机动车冲突率，通过计算分析，整理得到交叉口晚高峰各评价指标结果见表2.

表2 交叉口晚高峰各评价指标结果

2) 交叉口整体运行状态评价 根据上文基于物元可拓模型的综合运行指数计算方法，计算交叉口综合关联度，确定评价等级并计算综合运行指数，得到各交叉口晚高峰评价结果见表3.房陵大道—神农路交叉口的评价等级为C，综合运行指数为3.320 8；房陵西大道—诗经大道交叉口的评价等级为C，综合运行指数为3.008 8；南宁路—房陵西路交叉口的评价等级为B，综合运行指数为2.626 8.因此，本文方法通过有效融合交通效率和安全评价指标，可得出每个交叉口的综合运行指数及运行状态评价等级，便于不同交叉口方案之间的比选.

表3 交叉口晚高峰评价结果

3) 交叉口进口道级及转向级运行状态评价 以房陵西大道—诗经大道交叉口晚高峰为例，统计其各进口道各转向的评价结果见表4，交叉口各进口转向综合运行指数的计算方法同上.

表4 房陵西大道—诗经大道交叉口晚高峰评价结果

由表4可知：

1) 从交叉口级运行评价结果可知，晚高峰房陵西大道—诗经大道交叉口总体处于等级C，综合运行指数为3.008 8，处于等级C但接近等级B的状态，因此，交叉口整体处于一般可接受水平.

2) 从交叉口进口道级运行评价结果可知，除北进口处于等级B以外，交叉口其他进口均处于等级C，尤其是东进口运行状态相对较差，综合运行指数最大为3.689 5.

3) 从交叉口转向级运行评价结果可知，北进口左转及南进口直行运行相对较好，运行指数最低，评价等级均为B.南进口左转运行相对较差，运行指数为3.596 3，评价等级为C，且与直行失衡较为突出(失衡指数由同一进口不同转向运行指数求方差而得)，从实际观察可知南进口晚高峰时左转车流量较大，但南进口左转绿灯时间较短，难以满足交通需求，因此本方法评价结果能够反映其真实运行状况.

4 结 论

1) 通过提取交叉口轨迹数据能够有效的计算交叉口机动车冲突数，为微观评价交叉口的安全性提供数据支撑.

2) 本文方法能够实现交叉口整体、交叉口进口道、进口道转向车流三个层面的综合评价，并能够根据交叉口各进口各转向的效率和安全评价指标结果计算交叉口进口转向失衡指数，实现交叉口更精细化的评价.

在当前研究的基础上，下一步工作综合考虑非机动车和行人等方面，研究影响交叉口交通效率和安全的因素，选取更加全面的评价指标，完善评价指标体系，从而实现更深入、全面的综合评价.