城市交通信号控制综合评价体系研究

王道强, 吴祥龙, 杨 铭

(黑龙江万象交通科技有限公司, 哈尔滨 150081)

0 引言

随着社会经济的发展,机动车的保有量持续上升,根据公安部统计数据显示,2022年全国新注册登记机动车3 478万辆,机动车保有量达4.17亿辆[1],全国各地为了缓解紧张的交通状况,逐步加大信号灯建设和信号设施的改扩建投入,信号控制路口规模实现了“量”的扩张. 近年来,随着科技的进步,信号控制也逐步趋向智能化,交通检测智能化设备、互联网+、交通大脑、车联网等新技术与信号控制结合也更加紧密.

2020年10月,公安部发布《关于进一步加强城市道路交通信号控制应用工作的指导意见》中明确提出要加强信号控制方案调优和效果评估. 行业需要1套具有指导意义的评价体系,以合理评估城市道路交通信号控制的效果,并获得广泛认可,从而提高信号控制优化工作的价值;另一方面,虽然学术界在交通信号控制研究领域取得了丰硕的成果,但国家与行业层面始终没能形成 1套完整的信号控制评价程序,无法对信号优化工作进行指导. 因此,为了解决以上需求,针对城市交通信号控制建立1套科学有效、实用可行的评价指标体系与评价方法,更有利于交通管理者进行决策,进一步提高城市道路交通信号控制系统的精细化运行管理水平.

1 研究背景

1.1 研究现状

近年来,学者们针对城市交通信号控制评价体系已有很多的研究,提出了一系列不同类别的城市交通信号控制评价指标,如交通建设、交通管理、交通运行效率、交通安全、交通环境等. 吴海燕等[2]选择一系列影响交叉口交通的技术、经济、环境等建立了11个指标的交叉口综合评价指标体系;刘庆涛等[3]从城市交叉口运行效率、安全和环境出发,建立了9个指标的城市交叉口综合评价指标体系;连星宇[4]从交叉口、路段、路网3个层次,对城市区域交通网络的交通信号控制效果进行全面综合的评价;朱志威等[5]分别从单点信号控制与路段协调控制两个层面,建立了15个指标信号控制优化的评价指标体系;王修光[6]从交通运行状况、时间资源利用、交通安全及环境污染4个层面建立了19个评价指标的交叉口与干线协调信号控制效果的评价指标体系;周沛等[7]对交通信号控制运行效果进行分析,分别从正向、负向建立了9个指标的评价体系;赵星等[8]基于城市平面交叉口信号控制策略,对交叉口交通效率、安全和环境3方面效益的综合影响,针对各效益建立了包括延误、排队长度、效率系数、冲突点面密度、污染物排放、噪声在内的多级指标体系;刘东波等[9]通过对交通场景的核心特征进行分析,将城市道路划分为多方式交通、非饱和交通、过饱和交通3大类共14种典型交通场景,并凝练基础性、系统性两大类共6类场景,建立了32个指标的整体交通系统综合评价体系.

学术界在信号控制理论及其评价方法中的获得了比较丰富的成果. 首先,学者们提出了许多基于数学建模的城市交通信号控制评价模型,如马尔可夫模型、混合模型和改进的马尔可夫模型[10],基于计算机视觉的交通流量检测技术,智能交通系统的控制和优化算法,智能交通控制策略,城市交通网络状况评估,城市交通拥堵模型[11]等. 这些模型提供了一种通用的城市交通信号控制评价方法,可有效指导城市交通管理者,实施有效的交通控制措施.

国家与行业也出台了很多相关的规范与技术标准,例如《道路交通信号控制方式 第2部分:通行状态与控制效益评估指标及方法》(GB/T 527.2—2016)、《城市交通运行状况评价规范》(GB/T 33171—2016)、《道路交通拥堵度评价方法》(GB/T 115—2020)等,可更加全面地指导评估城市交通控制的效果,从而更好地服务政府的交通管理工作.

1.2 现有指标体系的不足

现有的评价指标体系,主要存在6个方面不足:

1)评价指标体系比较单一,内容覆盖不全面

目前城市交通信号控制评价指标体系仅集中在流量控制和安全性能指标,没有考虑到城市可持续发展的各个方面,缺乏计算机辅助评价和模型模拟能力.

2)评价指标体系应用范围比较局限

城市交通信号控制评价指标体系没有考虑到不同城市的实际情况,没有考虑到交通信号控制的复杂性、多变性和动态性.

3)评价指标体系不能有效评价

目前的指标体系不能有效地衡量交通信号控制的效果,缺乏定量分析能力.

4)评价指标体系不能及时更新

目前的指标体系不能及时反映交通信号控制系统的变化,缺乏必要的技术支持.

5)评价指标体系需要大量的数据

对于小型城市来说,可能无法获取足够的数据来进行评价.

6)评价指标体系易遭到外部要素影响

比如城市规划、交通管理等,评价结果可能不够准确.

2 城市信号控制综合评价思路

2.1 整体思路

1)设定评价层面

将城市道路交通信号控制效果评价设定为7个类别:

①交通运行效率;

②信号灯设施标准化;

③交通信号运维管理;

④智能化交通管理水平;

⑤交通安全;

⑥行人与非机动车出行环境;

⑦环保低碳.

2)针对不同层面,分别设定评价指标

①针对不同的评价层面,考虑到与城市道路交通信号控制效果的密切相关性、分析从交通管理者与交通参与者的不同视角进行分析,设定对应层面的评价指标;

②评价指标的不仅可进行现状评价,还可对未来指标发展进行预测.

3)确定指标计算方法

通过调查、文献查阅、现代信息技术等手段获取或计算各个评价指标的结果,并参照类似规模城市的指标平均值进行评价.

2.2 应用场景

1)现状评价

评价城市道路交通信号控制现状,与类似规模的城市进行比较,同时提取、整理信号控制政策上的研究课题.

2)分析指标结果,设定目标值

对指标结果进行分析预测,并与类似规模城市的信号控制效果进行比较与评价,预测未来指标的评价值,制定未来信号控制的发展策略,合理设定目标值.

3)监测评价

例如每隔1 a,基于各种信号控制建设及优化调整的进展状况,根据以前设定的目标值的完成情况进行验证.

2.3 评价流程

按照不同类别的指标分别进行评价,具体操作流程如图1所示.

图1 评价方法的操作流程

2.4 应用意义

在构建评价体系的过程中,除了与交通运行效率层面的直接关系之外,还考虑到日常的交通参与者、城市交通管理者的视角设定了多层次的评价指标,通过灵活运用,也期待着以下的应用意义:

1)可与自身或其他城市信号控制现状进行对照检查,对未来城市信号控制优化提供对策与建议

关于城市道路交通信号控制评价结果,通过与类似规模城市平均值和其他领域的评价结果的相互比较,可客观、定量地把握信号控制的优化方向,设定工作目标,合理的提出改善对策与建议.

另外,关于评价指标的一部分,可按区域、路段、路口进行评价,从而得到更详细的改善思路.

2)可提升交通运输效能,减缓交通拥堵

评价指标选取是以交通运行效率为核心,与信号控制紧密相关,因此,通过着眼于该指标,采取相应的优化措施,改善其数值,从而达到提高城市交通的运输效率,缓解交通拥堵的目的.

3)通过不同层面的评价,可反映城市交通的综合实力

评价指标是考虑到各方交通参与者、交通管理者的视角而设定的,不仅可评价信号控制效果,还可从信号灯设施标准化、交通信号运维管理、智能化交通管理水平、交通事故、行人与非机动车出行环境、环保低碳等多角度评价城市交通的综合能力.

3 评价指标体系

3.1 评价层面划分

将受到城市信号控制效果影响的主体分成交通参与者与交通管理者两大类人群,并站在不同人群的视角,根据城市道路交通信号控制的关联因素,将评价内容划分为交通运行效率、信号灯设施标准化、交通信号运维管理、智能化交通管理水平、交通安全、行人与非机动车出行环境、环保低碳七大类别进行分析,具体情况详见表1.

表1 评价主体视角分析

并分别从正、反2个方面对不同类别带来的效果进行分析,具体情况详见图2.

图2 城市信号控制影响效果分析图

3.2 评价指标选取原则

1)相关性

要明确控制的目标和期望效果,应当优先选用最具代表性,与信号控制效果有直接联系的,最能反应评价效果的核心指标.

2)可比性

评价指标应具有普遍的统计意义,评价结果能直观反应信号控制前后的变化情况,便于相互比较.

3)可操作性

评价指标应通俗易懂,表达方式要简便易行,数据来源要便于采集,尽可能采用现代化信息技术手段获取,要充分考虑到日常操作中的便利程度,降低实施难度和运行成本.

4)多样性

评价指标应分成不同的层面,并能从不同的应用场景、不用的角度出发,多维度的反应城市道路交通控制效果.

5)可持续性

评价指标可被长期使用,并能进行滚动评价,应具有可持续性.

3.3 评价指标体系构建

通过上述分析,根据指标的选取原则,针对 7个层面共设定33个评价指标,指标具体情况详见图3.

图3 xxx城市交通信号控制评价雷达图

4 应用示例

4.1 现状评价步骤

关于城市道路交通信号控制效果的现状评价,主要分成4个步骤:

1)按照评价城市规模划分原则[15]选取类似规模城市的指标平均值

考虑到不同地区的经济发展情况,可将进行评价的城市按照信号灯的数量、机动车保有量、人口或中国城市分级名单划分成不同的评价等级,建立评价数据库,评价城市按照类似规模城市的平均值进行评价. 考虑到样本量、数据不足等因素,评价结果也可同时参照高等级或者低等级规模城市的平均值作为偏差分析的基准值.

2)将评价指标计算结果与类似规模城市平均值进行比较,绘制雷达图[16]

雷达图是由相同坐标下的多个同心图形组成的图表,可对多维度的不同指标进行对比分析.

3)提取雷达图中产生偏差的关键评价指标

通过确认雷达图表的凹凸,分析不同指标类别的优化方向,提出合理的改善对策与建议.

4)通过产生偏差的关键性评价指标着手,合理制定未来信号控制的优化方向,提出阶段性、针对性强的改善对策

另外,虽然评价基本上是以整个城市为对象的,但评价指标的一部分也可按区域、路段、路口进行评价,从而得到更加详细的改善思路.

4.2 指标计算结果对比

将各指标的计算结果按照评价类别与类似规模城市的平均值进行比较,制作对照表.

4.3 评价结果表示

将指标值与类似规模城市的平均值进行转换,制作雷达图,如图3所示.

4.4 偏差分析

对雷达图中产生偏差的指标与对应的类别进行提取,详见表2.

表2 xxx城市评价结果偏差分析表

4.5 改善对策

根据偏差分析的结果,结合雷达图的表示的凹凸曲线,分析现状信号控制优化改善方向并根据分析结果,制定不同类别的信号控制优化改善对策.

5 结束语

为了实现对城市交通信号控制效果的整体评价,本文分别从交通运行效率、信号灯设施标准化、交通信号运维管理、智能化交通管理水平、交通安全、行人与非机动车出行环境、环保低碳7个不同层面,构建了33个评价指标集. 相对于现有的评价指标,本文提出的指标集能简单、直观、多维度的反映城市交通信号控制的整体效果,具有更好的实际操作与应用推广能力,能直观地反映配时优化工作的实际效果,便于交通决策者进行管理,进一步提高城市道路交通信号控制系统的精细化运行管理水平. 但仍有以下需要继续进行研究的方向:

1)研究确定不同规模评价城市的划分标准

本文虽然提供了一套完整的评价指标体系及评价方法,但未对不同规模评价城市的划分标准进行明确的说明,需要进一步研究确定.

2)研究建立不同城市规模的指标数据库

本文采用的评价对照指标,选取的是与评价城市类似规模城市的指标平均值,需要依据大量稳定的数据获得,而且各指标的预测也要基于一定的数据样本量,所以要进一步研究建立对不同城市规模的指标数据库.