基于交通調查數據的信號優化效果評價研究

吳裕鋒 鄭淑鑒

摘 要：交通信號優化是城市交通管理中的一項重要工作，為定量化評估信號控制的優化效果、輔助優化信號控制方案以進一步提升路口的通行能力，基于交通調查的數據建立一套評價信號優化效果的指標體系，體系從路口、路段兩個層面對機動車和行人分別構建指標，并重點闡述了各個指標如何利用調查數據計算獲得以及各個指標代表的數值意義，最后通過案例驗證說明了該評價方法的可行性與有效性。

關鍵詞：交通工程；信號控制；交通調查；優化效果評價

隨著經濟的發展，城市機動車保有量不斷增加，交通擁堵日趨嚴重。交通信號控制是對城市交通進行調節最直接的渠道，科學合理的信號控制方案能有效提高交通運行效率，是最為經濟實惠的緩堵措施。

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

國內外專家、學者在這方面做出了大量的研究，如王爽提出了國內信號控制交叉口服務水平的評價方法[ 1 ]，高云峰利用微觀仿真建立了交通控制評價指標和實時計算模型[ 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水平評價指標體系、并使用VISSIM微觀仿真軟件對部分指標進行仿真研究[ 3 ]，柴干提出利用微觀仿真軟件建立干道的評價指標和體系[ 4 ]，姚樹申提出了信號控制系統評價指標、方法[ 5 ]，馬暢從平均行程延誤、排隊長度、停車率、行程車速及飽和度方面建立干道運行效率評價指標[ 6 ]，胡繼華利用VISSIM仿真平臺研究SCATS系統和定時控制系統的控制延誤情況[ 7 ]。

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

1 基于交通調查數據的信號優化評價體系

交通信號優化效果評價是對路口信號配時方案及其運行效果進行評判，基本方法是通過采集反映信號控制交叉口運行狀態的參數（如延誤、交叉口實際通行能力、平均停車次數、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化前后的變化，評判優化效果的好壞。根據評價對象的不同，可以分為路口評價和路段評價，其中路口和路段中包括機動車和行人，故可以再細分為機動車指標和行人指標，結合可以實際交通調查的數據，建立基于交通調查數據的信號優化評價體系如下圖所示。

2 路口信號優化效果評價研究

根據相關的研究，可用于路口信號控制優化效果評價的指標有很多，如通行能力、飽和度、行駛時間、延誤、停車次數、停車率、排隊長度、燃油消耗、環境污染等。

從指標值的可采集性、數據準確度以及評價工作的可持續性等各方面綜合考慮，路口優化效果評價指標主要選取交叉口車輛的平均延誤、實際通行能力、平均停車次數、排隊溢出率和行人相位間隔時間五個指標。

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，是判定交叉口的通行效率重要指標。對于每個車道的延誤可以分為兩種情況分析：

2.1.1車道沒有排隊車輛

綠燈放行后車道沒有排隊車輛時，本周期車輛的總延誤為三角形ABC的面積，如圖3所示，通過調查紅燈時間、最大排隊車輛以及放行車輛數三個參數可以計算得到：

2.1.2車道有排隊車輛

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

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平均得到：

2.2 交叉口實際通行能力

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

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

2.3 平均停車次數

平均停車次數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。《GA115-1995道路交通阻塞度及評價方法》中將停車次數作為評價信號控制交叉口阻塞程度的評定指標：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重阻塞。因此平均停車次數可反映出交叉口通行效率、擁堵程度等運行情況。

2.4 排隊溢出率

排隊溢出率表示交叉口溢出影響到上游的交叉口，當出現排隊溢出時，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溢出對上游交叉口的影響程度，定義為排隊溢出率：

當影響到多個交叉口時，排隊溢出率為多個交叉口的排隊溢出率的總和。

排隊溢出率數值越大，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

上述各項指標以優化的時段（早高峰、晚高峰或者平峰）為對象調查5～10個周期的數值計算獲得。

行人相位平均間隔時間該指標主要是檢驗路口行人燈組時間設置的總體優劣情況，取值越小越好，判斷標準如下表。

3 路段信號協調優化效果評價研究

協調控制路段關系到兩個或兩個以上的交叉口，進行協調控制優化考慮路段整體的協調效果、相交路段的運行效率以及對行人過街的影響，基于此制定協調控制路段優化效果評價指標體系如下。

評價指標按協調控制的實施效果分為協調方向、非協調方向，分別采用路段和路口的運行狀態指標進行評價。協調控制中路口的非協調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，因此評價指標中加入非協調方向的評價作為協調優化的約束條件。此外，考慮對行人的影響，加入了協調路段行人的評價指標。

3.1 協調方向評價指標（路段）

3.1.1平均停車次數

停車次數是指沿協調控制路段的協調方向行車遇到紅燈需要停下來等待的次數，多次測量取算術平均即為此路段的平均停車次數。

3.1.2平均行程時間

行程時間是指沿協調控制路段的協調方向按設計車速行駛，從進入協調控制路段的第一個口到離開最后一個路口所經歷的時間，多次測量取算術平均即為此路段的平均行程時間。

3.2 非協調方向評價指標（路口）

3.2.1最大排隊長度

測量各非協調方向的最大排隊長度Li，各進口引道可用于排隊的距離Di，要求排隊不回溢，即要滿足：

3.2.2平均停車次數

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，要求非協調方向的平均停車次數不大于3次，即路口不阻塞。

3.3 協調路段行人評價指標

采用與路口行人指標同樣的計算方法，但指標為各個路口行人指標的平均值。

上述各項指標以優化的時段（早高峰、晚高峰或者平峰）為對象調查5～10個周期的數值計算獲得。

4 基于交通調查數據的信號優化效果評價流程

針對信號優化的內容及實施方式，評價的主要工作流程描述如下：

（1）在信號優化實施之前，對交叉口/路段的基本情況進行摸底調研，針對交叉口調查延誤、通行能力、排隊長度等指標，針對路段調查行程時間、停車次數等指標，各指標調查次數不少于5個周期。

（2）優化方案下發并穩定運行一周之后，再次對交叉口/路段的運行情況進行調研，需要獲取的數據及操作方法與優化前的調研方法一致。

（3）分析對比信號優化前后交叉口運行狀態的變化，評價信號優化的效果。

5 案例分析

某路口是城市重要交通節點，高峰期交通流量較大，根據交通調查顯示，該路口運行周期較大，各進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，路段排隊長度長，易溢出到上游路口。經研判，采取實施了一些優化措施，具體包括簡化路口相位降低周期、優化調整各相位的綠信比、協調上下游路口的配時方案。

利用論文提出的針對路口機動車信號優化的評價方法，在實施優化前后分別到路口進行現場調查并采集相關的數據。具體數據如下表所示，調查數據結果表明：優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%；沒有再出現排隊溢出現象，排隊溢出率由0.4降至0；路口平均停車次數由1.88次下降至1.63次，降幅13.33%。通過現場觀察，路口有明顯的交通改善，而評價指標數據也定量化體現了路口整體的優化效果。

6 結論

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分析。

本文提出了一套基于交通調查數據的信號優化效果評價方法，其中從路口、路段的機動車指標和行人指標的調查內容和計算方法進行了闡述，并說明了各指標代表的等級意義，最后通過案例驗證說明了該方法的可行性與有效性。

參考文獻：

[1] 王爽，周彤梅.信號控制交叉口服務水平的評價方法研究[J].中國人民公安大學學報（自然科學版），2007，53（3）.

[2] 高云峰，胡華，陳紅潔，楊曉光.交叉口群交通控制實時評價模型仿真研究[J].系統仿真學報，2007，19（24）：5607-5612.

[3] 汪湛.信號控制交叉口服務水平研究[D].上海：同濟大學，2009.

[4] 柴干，趙倩，方程煒.城市干線交通信號控制的微觀仿真評價[J].系統仿真學報，2009，21（21）：6842-6845.

[5] 姚樹申，苑雷，祖永昶.王長君.城市交通信號控制系統評價方法研究[J].交通信息與安全，2009，27（2）：39-42.

[6] 馬暢，敖谷昌，邵毅明.信號協調控制下城市干道運行效率評價研究[J].交通信息與安全，2012，30（4）：62-65.

[7] 胡繼華，鄧俊，黃澤，程智鋒.基于數據擬合和Vissim仿真的關鍵交叉口SCATS信號控制評價研究[J].交通信息與安全，2013，31（3）：1-5.