信號(hào)交叉口HCM2000法延誤計(jì)算修正模型研究

趙雨旸，曹立志，遲秋玲，姜曉宏

（1.黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150050；2.蕪湖市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽蕪湖 241000）

信號(hào)交叉口HCM2000法延誤計(jì)算修正模型研究

趙雨旸1，曹立志2，遲秋玲1，姜曉宏1

（1.黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150050；2.蕪湖市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽蕪湖 241000）

判定信號(hào)交叉口信號(hào)配時(shí)方案設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù)是進(jìn)行延誤分析與定量計(jì)算。美國(guó)HCM2000延誤算法是國(guó)際上很經(jīng)典的一種延誤計(jì)算模型，但因不同地域交通條件的變化，在不同地域應(yīng)用時(shí)延誤計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值會(huì)有不同程度的誤差。采用點(diǎn)樣本法在對(duì)哈爾濱市部分信號(hào)交叉口進(jìn)行延誤調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用HCM2000算法對(duì)所調(diào)查各交叉口進(jìn)行延誤計(jì)算，通過將延誤理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較分析發(fā)現(xiàn)HCM2000算法與實(shí)測(cè)值有較大差異。而后文中基于建立與哈爾濱市交通情況相適應(yīng)的延誤計(jì)算模型的思想，使用SPSS軟件建立HCM2000算法延誤計(jì)算修正模型，為哈爾濱市信號(hào)交叉口控制研究和道路系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)中延誤的分析與計(jì)算提供一種適用的延誤計(jì)算模型。

信號(hào)交叉口；HCM2000延誤模型；修正模型；SPSS軟件

交通延誤是指車輛在行駛中，由于受到駕駛員無法控制的或意外的其他車輛的干擾或交通控制設(shè)施等的阻礙所損失的時(shí)間［1］。評(píng)價(jià)信號(hào)交叉口交通服務(wù)水平和運(yùn)營(yíng)效率的重要指標(biāo)是信號(hào)交叉口延誤，它不僅反映了車輛通過信號(hào)交叉口時(shí)多損失的時(shí)間，還反映了信號(hào)交叉口在城市道路系統(tǒng)中的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。信號(hào)交叉口運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，則延誤較低；反之信號(hào)交叉口運(yùn)營(yíng)狀態(tài)不好，則延誤高。因此，進(jìn)行信號(hào)交叉口延誤分析對(duì)城市道路規(guī)劃、道路設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)信號(hào)配時(shí)方案至關(guān)重要［2］。但信號(hào)交叉口的延誤分析又是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。信號(hào)交叉口延誤的影響因素包括信號(hào)周期、信號(hào)配時(shí)、交通量及隨機(jī)因素等，它是假設(shè)交叉路口無信號(hào)、車輛在交叉路口無需停車通過時(shí)間與交叉路口有信號(hào)車輛實(shí)際通過所需時(shí)間之差值［3－4］。目前，用于信號(hào)控制交叉口進(jìn)口道延誤計(jì)算模型國(guó)際上主要有美國(guó)的HCM2000法、英國(guó)的Webster法、澳大利亞的ARRB法等［5－6］。我國(guó)現(xiàn)在常用的方法之一是美國(guó)的HCM2000法，很多城市在使用該方法時(shí)，會(huì)結(jié)合不同城市交通狀況對(duì)模型進(jìn)行修正，譬如“上海綜合算法”主要就是基于美國(guó)的HCM2000法新創(chuàng)建的模型［7－8］。

本文針對(duì)哈爾濱市部分信號(hào)控制交叉口分別采用點(diǎn)樣本法實(shí)地調(diào)查和美國(guó)HCM2000延誤算法計(jì)算對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)HCM2000算法在哈爾濱市應(yīng)用具有一定的局限性。為使美國(guó)HCM2000延誤算法能夠適用于哈爾濱的交通條件，在分析的基礎(chǔ)上，文中使用SPSS軟件建立了HCM2000算法延誤計(jì)算修正模型。

1 信號(hào)交叉口延誤實(shí)測(cè)值的調(diào)查

本文采用點(diǎn)樣本方法進(jìn)行交叉口延誤調(diào)查，以確保交叉口延誤的調(diào)查數(shù)據(jù)更真實(shí)、更準(zhǔn)確。交通信息調(diào)查采用的是人工計(jì)數(shù)法，分別對(duì)哈爾濱市東大直街與果戈里大街、花園街與大成街、紅旗大街與長(zhǎng)江路、嵩山路與長(zhǎng)江路、華山路與長(zhǎng)江路等交叉口的15s停車、1min停車、1min不停車、綠燈到達(dá)車輛、紅燈到達(dá)車輛、綠燈結(jié)束時(shí)積余車輛進(jìn)行調(diào)查，此外還調(diào)查了各相位的綠燈、黃燈、紅燈時(shí)長(zhǎng)。

采用點(diǎn)樣本法基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的調(diào)查，作為實(shí)際的交叉口延誤，也就是交叉口延誤的實(shí)測(cè)值，作為其他延誤算法結(jié)果偏差對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)［9－10］。

2 信號(hào)交叉口延誤理論值的計(jì)算與分析

本文主要利用所調(diào)查5個(gè)典型交叉口的交通調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)各交叉口若干進(jìn)口道應(yīng)用HCM2000信號(hào)配時(shí)延誤算法進(jìn)行延誤理論值計(jì)算，以文中應(yīng)用點(diǎn)樣本延誤算法計(jì)算結(jié)果為車道延誤實(shí)際值，并將理論計(jì)算值與交叉口延誤實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 信號(hào)交叉口延誤理論值的計(jì)算

由于篇幅有限，本文沒有將HCM2000延誤算法計(jì)算公式、點(diǎn)樣本延誤計(jì)算公式和所計(jì)算的各交叉口延誤計(jì)算過程一一列出，只列出嵩山路與長(zhǎng)江路信號(hào)交叉口計(jì)算數(shù)據(jù)，見表1，表中P為綠燈到達(dá)與到達(dá)車輛比值，N0為平均溢流排隊(duì)車數(shù)。延誤折線圖如圖1所示。

表1 長(zhǎng)江路與嵩山路信號(hào)交叉口延誤理論計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖1 長(zhǎng)江路與嵩山路交叉口延誤折線

2.2 延誤理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析

通過對(duì)各交叉口各車道用HCM2000延誤模型計(jì)算的理論值與應(yīng)用點(diǎn)樣本算法得到的實(shí)測(cè)值對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1）應(yīng)用HCM2000延誤模型計(jì)算得到的延誤理論值比應(yīng)用點(diǎn)樣本延誤算法得到的實(shí)測(cè)值大，存在較大偏差。

2）在交叉口飽和度大于0.81時(shí)，應(yīng)用HCM2000延誤模型計(jì)算得到的延誤理論值比應(yīng)用點(diǎn)樣本延誤算法得到的實(shí)測(cè)值偏差明顯增大，說明HCM2000延誤模型并不能用來計(jì)算擁擠條件下的延誤。

3）當(dāng)信號(hào)交叉口周期時(shí)長(zhǎng)在83～105s范圍時(shí)，應(yīng)用HCM2000延誤模型計(jì)算得到的延誤理論值比應(yīng)用點(diǎn)樣本延誤算法得到的實(shí)測(cè)值偏差值較小，適合HCM2000算法。

3 信號(hào)交叉口HCM2000延誤修正模型的建立

由于應(yīng)用HCM2000延誤模型計(jì)算得到的延誤理論值比應(yīng)用點(diǎn)樣本延誤算法得到的實(shí)測(cè)值偏差較大，因此，本文用SPSS軟件擬合構(gòu)造了適用哈爾濱交通條件的HCM2000延誤修正模型。

3.1 HCM2000延誤修正模型方法的確定

觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用HCM2000延誤模型計(jì)算得到的延誤理論值比應(yīng)用點(diǎn)樣本延誤算法得到的實(shí)測(cè)值折線走向一致性較差，因此，基于HCM2000延誤算法進(jìn)行延誤模型修正時(shí)可以考慮用非線性擬合。這種一致性較差也進(jìn)一步說明美國(guó)HCM2000延誤算法因我國(guó)的交通狀況與該模型研究基礎(chǔ)交通條件的不同存在著一定的差異。

3.2 用SPSS軟件擬合HCM2000延誤修正模型

用SPSS軟件，選取應(yīng)用HCM2000延誤模型計(jì)算得到的延誤理論值為自變量，基于HCM2000算法修正模型延誤計(jì)算值為因變量。

將SPSS軟件的數(shù)據(jù)管理窗口激活，定義變量名輸入原始數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊Analyze菜單選Regression中的“Curve Estimation…”命令，彈出曲線回歸“Curve Estimation”對(duì)話框，將“點(diǎn)樣本算法延誤”調(diào)入“Dependent”下的文本框中；將“HCM2000算法延誤”調(diào)入“Independent”選項(xiàng)中的“Variable”文本框中，并選定一個(gè)模型，點(diǎn)擊ok即完成分析。

結(jié)果如表2所示，Quadratic（擬合二次方程Y＝b0+b1X+b2X2）和Cubic（擬合三次方程Y＝b0+ b1X+b2X2+b3X3）的相關(guān)系數(shù)都是R＝0.799，判定系數(shù)均為R2＝0.639，說明樣本曲線回歸的代表性較強(qiáng)。而Quadratic模型要比Cubic擬合模型簡(jiǎn)單，所以用Quadratic擬合。

表2 模型和參數(shù)估計(jì)綜述

由表2可以看出，基于HCM2000算法用Quadratic擬合的HCM2000算法修正模型為

式中：d表示延誤。

由HCM2000算法和HCM2000算法修正模型計(jì)算車道延誤及計(jì)算車道延誤誤差見表3，由表3也可見計(jì)算絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差。HCM2000算法計(jì)算車道延誤平均絕對(duì)誤差是12.42s／pcu，平均相對(duì)誤差是56.1%；HCM2000算法修正模型計(jì)算車道延誤平均絕對(duì)誤差是5.29s／pcu，平均相對(duì)誤差是25.9%。從車道延誤平均相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差可以發(fā)現(xiàn)HCM2000算法修正模型比HCM2000算法計(jì)算延誤更接近交叉口真實(shí)延誤，更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

本文以哈爾濱市的5個(gè)典型十字交叉口和T型交叉口為研究對(duì)象，應(yīng)用美國(guó)HCM2000延誤模型計(jì)算了各車道延誤，并與應(yīng)用點(diǎn)樣本法的延誤實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，分析了HCM2000延誤模型在哈爾濱交通條件下的適用情況。結(jié)果表明：應(yīng)用HCM2000延誤模型計(jì)算得到的延誤理論值比應(yīng)用點(diǎn)樣本延誤算法得到的實(shí)測(cè)值存在較大偏差。因此，本文最后應(yīng)用SPSS軟件構(gòu)建擬合了適用哈爾濱交通條件的HCM2000延誤修正模型，并利用5個(gè)交叉口的數(shù)據(jù)對(duì)所構(gòu)建修正模型進(jìn)行了驗(yàn)證。從車道平均誤差和平均相對(duì)誤差可以看出，所構(gòu)建HCM2000延誤算法修正模型在哈爾濱市的交通流狀態(tài)下，優(yōu)于美國(guó)HCM2000延誤計(jì)算模型，適用于哈爾濱市交通條件，為哈爾濱市信號(hào)交叉口控制研究和道路系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)中延誤的分析與計(jì)算提供了一種適用的延誤計(jì)算模型。

表3 HCM2000算法和HCM2000算法修正模型計(jì)算延誤及誤差s／pcu

［1］劉巖，王殿海，左忠義.基于短連線的過飽和信號(hào)交叉口最大延誤模型［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2011，24（6）：91-95.

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［3］張慧，張秀媛.基于交叉口處機(jī)動(dòng)車交通行為概率的延誤模型［J］.山東科學(xué)，2012，25（3）：29-38.

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［責(zé)任編輯：郝麗英］

Research on HCM2000's delay calculation modified model of signalized intersection

ZHAO Yu-yang1，CAO Li-zhi2，CHI Qiu-ling1，JIANG Xiao-hong1

（1.College of Automobile and Traffic Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China；2.Wuhu Municipal Design ＆Research Institute Co.Ltd.，Wuhu 241000，China）

Delay is the critical index used for evaluating the signal timing plan of intersection.The present USA HCM2000's model is a very traditional delay model.Because of the changes of different regional traffic conditions，the delay in different regional application will have different errors on calculation results and the measured values.The HCM2000's model is verified with the delay data obtained through using Point Samples delay algorithms and surveyed in some intersections in Harbin.The result shows that there is a large disparity between the HCM2000's models and the measured data.Thereby，the HCM2000's modified model is established with the measured data by SPSS software for calculating the delay of intersection which operates in different status.The test values satisfy the Harbin's traffic condition.All studies provide a suitable delay model for evaluating the traffic situations of signal-controlled intersection in Harbin.

signalized intersection；HCM2000's delay model；modified model；SPSS software

U49

A

1671-4679（2015）01-0001-04

2014-12-18

黑龍江省教育廳科技項(xiàng)目（12531533）

趙雨旸（1971－），女，教授，研究方向：交通管理與控制.