城市道路交叉口智能研判分析方法研究

王雪雪 王冬冬

（上海電科智能系統股份有限公司，上海 200063）

城市經濟的快速發展帶動機動車擁有量的急劇增長，造成交通擁堵日益嚴重，交通事故頻發。受到道路紅線的限制，城市道路進一步拓寬的空間十分有限。通過擴大路網規模來緩解交通擁堵的方法已經得不到廣泛應用，因此，需要進一步提高路網的通行效率。路網內的交通擁堵絕大部分發生在道路交匯路段，對交叉口運行情況進行研判分析，為提高交叉口通行效率打好基礎，勢在必行。

由于交通問題本身的復雜性以及區域的差異性，導致目前尚無統一的交通運行評價標準和完整的研判分析指標計算模型。國外對交叉口研判分析的交通運行評價指標主要包括[1]：交通流參數指標、服務水平指標、擁堵定義指標、出行影響指標和其他指標等。國內對交通運行評價指標的研究較少，主要集中在交通流參數的分析，包括飽和度、流量、車速的分析[2]。羅旭江[3]提出了一種基于交叉口是否存在二次排隊，將交叉口劃分為未飽和與飽和兩種狀態，分別選擇飽和度、延誤和排隊長度作為研判指標以及選擇二次停車率、飽和度標準差和效率系數作為研判指標的效率評價方法。紀錚翔[4]根據國內外交通流的運行特點，建立了一種多種類、多層次的年報月報評價指標體系，提出評價城市道路交通運行可靠性的指標。魏立夏[5]充分考慮了道路的運輸能力，路網OD需求兩個關鍵因素，結合運行速度參數全面分析路網交通狀態。另外，還有部分學者以車輛延誤[6-9]和車輛排隊長度[10]為評價指標，通過優化信號配時提高交叉口運行效率。

現有交叉口的車流狀態沒有具體的數據指標，無法得到交叉口的通行能力和通行效率等具體數據。本研究建立了關于交叉口通行能力、車輛平均延誤、平均停車次數、排隊長度等指標的計算模型，作為路口交通研判分析評價的數據指標依據。基于雷達監測器、復合視頻檢測器、固定線圈檢測器等收集到的數據信息，通過預處理剔除無效數據，對有效數據研判分析，計算得到交叉口的通行能力、車輛平均延誤、平均停車次數、排隊長度等效益指標。該方法包括路口數據預處理、路口車道級研判分析、路口進口道級研判分析、路口級研判分析。通過車道級、進口道級、路口級的研判分析計算，輸出路口交通態勢評價指標，結合路口不均衡系數指標，為交通工程師、交通管理者在信號相位優化、配時參數優化、交通組織優化、潮汐車道判別等方面提供依據。

1 數據預處理

數據預處理是保證研判分析結果準確性必不可少的過程，通過數據工程進行交通流量數據質量的判別。

1.1 數據質量判別

閾值計算：在全局參數表中，讀取車道流量設定的閾值。

數據質量判別：出現以下3種情況時，判斷數據質量出現問題：

讀取到設備存在告警信息；連續m個周期采集流量為0；連續k個周期采集流量不在設定閾值范圍內。

1.2 數據修補

通過數據質量判斷信息，如果數據質量完好，則直接將采集的車道流量值錄入車道流量表；如果數據質量差則采用歷史數據修補的方式對數據進行修補。

2 車道級研判分析

路口車道級研判分析，通過輸入車道級別的交通數據，包括號牌號碼、過車時間、動態排隊長度、實時相位運行信息，完成實時研判分析，輸出車道通行能力、車道飽和度、車道平均延誤、車道平均停車次數、車道排隊長度的路口車道級數據指標。

2.1 車道通行能力

某一交叉口第i進口道第j車道的通行能力即通過該車道的最大允許通行能力，即在單位時間內能夠通過該車道的車輛總數，一般與飽和度相結合，來判別路口是否為瓶頸路段，是否需要通過采取一些措施緩解當前擁堵，是否各車道飽和度不均衡等。計算公式如下：

式中：sij——進口道i車道j的飽和流量（pcu/s）；cij——進口道i車道j的通行能力（pcu/s）；geij——進口道i車道j的綠燈時間（s）；C——交叉口周期時長（s）；λij——進口道i車道j的綠信比。

2.2 車道飽和度

車道飽和度是指車道內的實際交通量與該車道通行能力的比值，反映車道的擁堵程度，當車道飽和度大于臨界飽和度時，車道開始出現車輛排隊。車道飽和度越大，車道擁堵越嚴重。路口實際運行中，最理想的狀況是，各個車道飽和度均衡，即各車道車輛享有公平的時間權力通過交叉口。

式中：qij——進口道i車道j的車流量（pcu/s）；xij——進口道i車道j的飽和度。

2.3 時間段T內各車道指標

車道指標主要包括各車道的車輛延誤、平均停車次數和平均排隊長度等。

延誤是反映道路交通擁堵的一個重要指標，不同的路口，結合交叉口空間和時間特性，以及交通流量的多少，其延誤可能相差很大。

停車次數與車輛在交叉口的燃油消耗和尾氣排放緊密相關，交叉口擁堵越嚴重，車輛平均停車次數越多。正確的評價每輛車在交叉口的平均停車次數是有效控制交叉口的前提[11]。

排隊長度是一個交叉口擁堵嚴重程度，道路渠化、交通控制方式、綠信比分配是否合理的直觀反映，路口實際運行中，排隊長度越小越好。

以各車道的延誤為例，建立模型。Akcelik R等[12]提出了一種能夠應用于不同交通需求情形下的交通延誤模型，該模型能夠計算所有情形下的車輛延誤，包括在研判分析開始時已經存在車輛排隊的過飽和情形。

首先確定交叉口各進口道各車道的臨界飽和度，見式（4）及式（5）。式（5）中，當車道飽和度大于臨界飽和度時，該車道上的車輛開始滯留，并出現車輛排隊；當車道飽和度小于等于臨界飽和度時，車輛全部通過交叉口，滯留車輛數為0。

根據車道飽和度和車道臨界飽和度之間的關系，將時間段T內各車道車輛的平均延誤表示如式（7）所示。

式中：xij0——車道飽和度臨界點；N0——時間段T內，車道周期平均過剩滯留車輛數（pcu）；dij——時間段T內各車道車輛平均延誤（s）；C——交叉口周期時長（s）；T——時間持續長度（s）；yij——進口道i車道j的流量比，yij=qij/sij；rij——進口道i車道j的相位紅燈時間（s），rij=Cgij（s）；gij——進口道i車道j的有效綠燈時間（s），gij=geijyellowij-allredij；yellowij——進口道i車道j的黃燈時間（s）；allredij——進口道i車道j的全紅時間（s）。

3 進口道研判分析

路口進口道研判分析，在車道級通行能力分析結果之上，對于整個進口道進行研判分析計算，輸出進口道通行能力、進口道飽和度、進口道平均延誤、進口道平均停車次數、進口道排隊長度等路段交通分析指標。

4 路口級研判分析

路口級研判分析，在路口車道級、路口進口道級研判分析結果的基礎上，對于整個路口運行狀態進行計算，輸出路口通行能力、路口飽和度、路口平均延誤、路口平均停車次數、路口不均衡指數、道路雙向不均衡指數等路口交通分析指標。

5 案例分析

典型十字交叉口示例見圖1。通過該文建立的模型進行交叉口交通研判分析。該交叉口信號控制為四相位組合，分別為南北向直行和右轉57 s，南北向左轉42 s，以及東西向直行和右轉43 s，東西向左轉27 s，周期時長為180 s。

圖1 案例交叉口

經過該交叉口晚高峰交通量的數據調查結果，各進口道的交通量見表1。根據車道綠信比和車道飽和流量計算各車道通行能力。

根據模型，得到交叉口各車道的研判分析指標（見表2）。

根據模型，得到交叉口各進口道的研判分析指標（見表3）。

表1 交叉口各車道原始數據

表2 車道級研判分析指標

表3 進口道級研判分析指標

根據模型，得到整個交叉口的各項研判分析指標以及交叉口相交道路、主干道方向性的不均衡指數（見表4）。

表4 路口研判分析指標

通過對選擇路口的復合視頻檢測器采集的視頻數據，現場選取并標記若干位置點，對周期內到達與通過車輛的統計分析得到，計算結果與實際相差不大（見表5）。

表5 路口實測數據研判分析指標

舉例交叉口所有車道的研判分析指標（見表2），交叉口的南進口直行、東進口右轉對應車道的飽和度較大，停車次數和排隊長度指標也較大，而南進口右轉車道、東進口直行飽和度較小，同時直行和右轉位于同一相位，且南進口直行排隊較長，可以考慮將南進口和東進口的直行和右轉渠化車道合并為直右車道，提高路口通行效率。表3以進口道為單位，記錄了一個交叉口各個進口道的研判分析指標。分析可得，東西進行進口道的飽和度、延誤、停車次數、排隊長度相對高于南北向，但其流量卻較少，結合配時發現，東西向給予時間偏短，交通工程師應適當優化。表4記錄了整個交叉口的各項指標，根據延誤和停車次數指標調整周期時長；結合不均衡指數確定建議調整相位相序。

6 結語

通過模型計算得到的交叉口車道、進口道以及整個交叉口的通行能力、飽和度、延誤、停車次數、排隊長度等效益指標，以及路口不均衡系數，可以分析各個路口的運行情況，如路口是否存在較頻繁飽和度過高、現有的承載能力、通過路口的平均時間、停車等待綠燈啟亮的次數以及紅燈等待在路口的排隊車輛數等，從而為交通工程師和交通管理者分析路口現有交通組織、信號配時等提供數據支撐。