面向典型交通場景的信號運行效果測評指標(biāo)體系

胡建偉,祖永昶,付 強

(1.公安部交通管理科學(xué)研究所,江蘇無錫 214151;2.無錫華通智能交通技術(shù)開發(fā)有限公司,江蘇無錫 214122)

0 引言

交通信號控制作為交叉口車流控制和疏導(dǎo)的主要手段，具有投資少、見效快的顯著優(yōu)點，其實際成效優(yōu)劣性的評判有賴于科學(xué)的測評指標(biāo)提供應(yīng)用支撐。隨著交通信號配時優(yōu)化服務(wù)工作的廣泛開展，由于相對客觀的測評準(zhǔn)則缺乏導(dǎo)致的信號配時優(yōu)化項目驗收成效評判尺度不一的問題日益顯現(xiàn)，亟需通過科學(xué)合理的測評指標(biāo)體系構(gòu)建，形成綜合評估和客觀診斷依據(jù)，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)業(yè)務(wù)流程的閉環(huán)運作。

目前交通控制效果評價的性能指標(biāo)大體包括延誤時間[1-3]、排隊長度[4]、效率系數(shù)[5]、準(zhǔn)點率[6]、行程車速[7]、綠波帶寬[8-10]等，評價方法主要分為模型計算與仿真分析兩類。其中，模型計算法主要根據(jù)道路結(jié)構(gòu)參數(shù)、信號配時方案和輸入交通流量，建立所選性能指標(biāo)的評價模型，對性能指標(biāo)進(jìn)行理論模型計算；仿真分析法則主要采用交通微觀仿真模型復(fù)現(xiàn)交通流的時空變化規(guī)律，仿真獲取單點、干線或區(qū)域的評價指標(biāo)運行參數(shù)。然而，現(xiàn)狀研究對于測評實際要素考慮不足，致使難以形成相對完整的指標(biāo)體系，相關(guān)指標(biāo)閾值量化及具體應(yīng)用尚存在深入完善的空間，亟需通過交通場景庫的構(gòu)建進(jìn)一步推進(jìn)落實。國內(nèi)實踐應(yīng)用領(lǐng)域側(cè)重于從交通擁堵[11]和通行秩序[12]的角度開展效果測評，采用交通阻塞度、燈控率等指標(biāo)反映道路交通運行狀況，但并未涉及各類交通信號控制方式的效果評估，也沒有提出相應(yīng)的測評指標(biāo)體系。

本文面向交通管理部門自行開展或委托社會企業(yè)承擔(dān)信號調(diào)優(yōu)工作后如何進(jìn)行效果測評的需求，開展典型交通場景信號運行效果測評指標(biāo)體系研究，擬解決現(xiàn)狀交通信號控制優(yōu)化效果定量考評不足的難題。一方面致力于細(xì)化和完善現(xiàn)有測評指標(biāo)，支撐信號運行效果測評應(yīng)用；另一方面推動實現(xiàn)綜合評估和客觀診斷，促進(jìn)信號優(yōu)化控制效果提升。通過典型場景劃分以及測評指標(biāo)選取研究形成相關(guān)體系，實現(xiàn)基于多種目標(biāo)的典型場景交通信號運行效果定量測評，進(jìn)而推動針對不同場景的多指標(biāo)綜合測評形成統(tǒng)一規(guī)范，客觀真實地反映交通信號控制方案的實際運行效果。

1 典型交通場景解析

交通場景的本質(zhì)在于：給定的物理設(shè)施條件加載一定的交通流量，在此基礎(chǔ)上所表現(xiàn)出來的交通特性，該種交通特性即體現(xiàn)為場景的核心所在。交通物理設(shè)施表征道路基礎(chǔ)條件，在一定的時空范圍內(nèi)是相對固定不變的，反映的是屬性和能力。而交通流量代表了主觀的通行需求，通常而言這種需求在時間上是不斷變化的，并且變化幅度往往較大，在空間分布上也不均勻。在固定能力和變化需求的基礎(chǔ)上，還存在管控方式的差異，面向的是較為同質(zhì)化的交通出行，目的是盡可能讓需求匹配能力。上述三者是交通場景演化形成的決定性要素，也就是相對固定的屬性能力約束條件下，多元交通管控方式作用于動態(tài)時變交通流過程中所呈現(xiàn)的時段運行特征，即為交通場景。

1.1 典型場景劃分

1.1.1 瓶頸路口

瓶頸路口作為城市路網(wǎng)中的重要節(jié)點，是導(dǎo)致城市道路交通擁堵的重要因素之一，基于現(xiàn)狀交通特征參數(shù)采集條件，構(gòu)建固定路網(wǎng)瓶頸識別因素結(jié)構(gòu)模型，選取相應(yīng)的敏感性識別參數(shù)，搭建瓶頸路口網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖進(jìn)行劃分要素解析，如圖1所示。

圖1 瓶頸路口劃分要素解析

(1)通行能力匹配指數(shù)

定義路口i的任一進(jìn)口k的通行能力匹配指數(shù)δik計算公式如下：

(1)

式中：qkj為對應(yīng)于i路口k向進(jìn)口道上游j路口的交通流到達(dá)率(pcu/h)；cik為i路口k向進(jìn)口道的通行能力(pcu/h)；N為k向進(jìn)口道交通流向n的總數(shù)。

則路口i的通行能力匹配指數(shù)δi的計算公式如下：

δi=max{δik},k=1,2,…,K

(2)

式中，K為路口k向進(jìn)口道總數(shù)。

(2)最大排隊時間指數(shù)

參考《道路交通擁堵度評價方法》[11]中關(guān)于信號交叉口交通擁堵的指標(biāo)評定與閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)，定義最大排隊時間指數(shù)QTImax為路口達(dá)到最大排隊時的持續(xù)時間與路口信號周期的比值，計算公式如下：

QTImax=max{QTIk}=max{Tk/Ci},k=1,2,…,K

(3)

式中，QTIk為路口k向進(jìn)口道的排隊時間指數(shù)；Tk為路口k向進(jìn)口道達(dá)到最大排隊時的持續(xù)時間(s)；Ci為測定時段路口i的信號周期時長(s)。

基于通行能力匹配指數(shù)與最大排隊時間指數(shù)組合確定瓶頸路口劃分邊界條件，通常情況下，當(dāng)路口δi≥0.9∧QTImax≥3時，可據(jù)此基本判定當(dāng)前測定對象路口為瓶頸路口。

1.1.2 失衡節(jié)點

失衡節(jié)點作為特定交叉口信號控制方案作用于動態(tài)交通流所呈現(xiàn)的一種典型特征，通常表現(xiàn)為兩種形式：一是同向進(jìn)口道受控車流組中左轉(zhuǎn)與直行流向飽和度不均；二是節(jié)點對向進(jìn)口道同一相位通行車流組飽和度不均，如圖2所示。

圖2 失衡節(jié)點交通運行狀態(tài)解析

圖3 慢行集聚過街交通特征解析

針對第一種同向進(jìn)口道飽和度不均的情形，信號控制方案設(shè)計通常采用進(jìn)口單獨放行或不同流向車流相位拆分的形式，弱化同向車流因流率差異所帶來的通行時空浪費；當(dāng)同向進(jìn)口道左轉(zhuǎn)與直行車流飽和度不均，且與對向同相位放行車流飽和度亦存在顯著差異時，構(gòu)成第二種對向進(jìn)口道飽和度失衡的典型形式，尤其是在四相位對稱放行方式的作用下，該種形式的失衡節(jié)點會隨著時間的延續(xù)而呈現(xiàn)出一定的惡化態(tài)勢。

定義節(jié)點失衡指數(shù)μ為同向/異向車流飽和度比率最大值，即：

(4)

基于節(jié)點失衡指數(shù)確定失衡節(jié)點的劃分邊界，通常情況下，當(dāng)μ>1.5時，可基本判定當(dāng)前測定對象路口為失衡節(jié)點。

1.1.3 慢行集聚過街

慢行集聚過街通常表現(xiàn)為受信號控制作用的行人/非機動車與機動車路權(quán)時空分離過程中，行人/非機動車由連續(xù)流轉(zhuǎn)變?yōu)殚g斷流，從而在固定點位集聚等待，形成短時間內(nèi)的群體簇?fù)憩F(xiàn)象。通常按控制點位可以劃分為路口慢行過街和路段慢行過街兩種形式，如圖3所示。

為了表征行人在排隊等候區(qū)域內(nèi)暫時站立、等待過街或提供服務(wù)的情況，根據(jù)等候區(qū)域內(nèi)行人可利用的平均面積及允許的活動程度，考慮大量站立的擁擠人群中，幾乎無空間可供行人移動，而當(dāng)行人人均占用面積逐漸增加時，就可能存在受限制行為，《HCM 2010》[1]提出了行人排隊等候區(qū)域服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 行人排隊等候區(qū)域服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)

參照《HCM 2010》[1]給出的行人排隊等候區(qū)域服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn)，制定慢行集聚過街場景劃分判別條件如下：

(5)

1.1.4 溢出短連線

短連線路口的特點是路口間距短、交通關(guān)聯(lián)性強，車輛行駛?cè)菀资艿阶兊儡嚵鞲蓴_或交通信號燈的影響，表現(xiàn)為多次停車、起步，通行效率低下。當(dāng)交通流量較大而得不到及時疏散時，容易引發(fā)排隊溢出問題。其中，短連線的臨界距離判斷可以依據(jù)交叉口群的流量情況優(yōu)化確定，通?？扇?00～200 m，如圖4所示。

圖4 溢出短連線交通運行特征解析

基于短連線溢出時間指數(shù)η與溢出頻率f共同確定短連線溢出場景，其中，

η=max {Ti/Ci,Ti+1/Ci+1}

(6)

式中，Ti/Ti+1為短連線交叉口i/i+1進(jìn)口方向溢出時間(s)；Ci/Ci+1為短連線交叉口i/i+1信號周期時長(s)。

其組合判別關(guān)系為：當(dāng)ηf≥1時，即可判定當(dāng)前測定近距離交叉口為溢出短連線。

1.1.5 通勤干線

由于城市空間功能區(qū)布局導(dǎo)致的城市職住分離矛盾誘發(fā)了固定時段通勤需求，該需求主要集中于城市道路網(wǎng)交通主干道，具有相對明確的起訖點，即構(gòu)成首尾連接的通勤道路。其核心特征表現(xiàn)為：一是具有相對明確的流向性，稱之為通勤交通流，一般由主干道通勤流向與各級匯入通勤流向共同組成；二是具有比較明確的時間段，通常主要表現(xiàn)為上、下班通勤兩種形式。

基于通勤干線兩個核心特征的解析，如圖5所示，采用電警卡口數(shù)據(jù)對通勤車輛號牌進(jìn)行識別和記錄，考慮通勤道路沿線不斷有車流匯入和轉(zhuǎn)出，基于主體出行對象目標(biāo)一致性的考慮，以車流通行路徑沿線連續(xù)3個信號控制交叉口為基本單元，逐一檢測該移動單元上下游道路斷面通過車流的身份一致性，從而實現(xiàn)對于通勤干線起止點及有效性的判別。

圖5 通勤干線交通運行特征

定義通勤一致性指數(shù)γ計算公式如下：

(7)

式中，Qu、Qd分別為移動單元上、下游道路斷面電警卡口檢測車輛身份類型，取固定時段內(nèi)兩類車輛類型集合的交集作為有效通勤車輛數(shù)。

基于通勤一致性指數(shù)γ實現(xiàn)通勤道路交通場景的判別關(guān)系為：當(dāng)γ≥50%時，可據(jù)此初步確定當(dāng)前測定移動單元為通勤道路構(gòu)成單元。

1.2 場景控制目標(biāo)

控制目標(biāo)因交通場景的不同與管控需求差異而呈現(xiàn)不同的類型，其中，“安全”和“效率”是信號控制方案制定與運行的核心目標(biāo)。除此之外，針對特定交通場景的綠色交通(公交、非機動車、行人等)優(yōu)先通行控制可以看成是在兼顧總體安全的基礎(chǔ)上采取的部分效率優(yōu)先原則，往往是以犧牲部分出行群體通行效率為代價進(jìn)行置換的。有別于前3者控制目標(biāo)的是，“運行可靠”則更多地體現(xiàn)為“安全保障”與“效率提升”的復(fù)合目標(biāo)，系統(tǒng)反映了通行干道或關(guān)鍵節(jié)點對于交通流時變特征的響應(yīng)速度與匹配能力，是路網(wǎng)交通運行效率得以穩(wěn)定發(fā)揮的重要保證，也是交通參與者實際出行過程中所關(guān)注的直接目標(biāo)。

因此，綜合考慮城市交通管控的實際需要，權(quán)衡“安全”與“效率”兩大核心主題在各類典型交通場景信號控制中的比重，統(tǒng)籌提出“安全保障”“效率提升”“優(yōu)先控制”“運行可靠”4類基本控制目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，綜合復(fù)合場景各類交通要素，進(jìn)一步提出“協(xié)調(diào)聯(lián)動”和“均衡調(diào)控”兩類系統(tǒng)控制目標(biāo)，旨在實現(xiàn)諸如“短時集聚交通干線”與“常發(fā)擁堵熱點片區(qū)”等復(fù)合交通場景的全局優(yōu)化控制。

2 測評指標(biāo)體系構(gòu)建

信號運行效果實現(xiàn)需要精細(xì)化信號控制策略、方案時段劃分與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，配套必要的交通組織、渠化優(yōu)化與設(shè)施保障等管控措施，為了綜合反映多種改善措施實施前后的信號運行效能，亟需構(gòu)建相對全面的指標(biāo)形成相關(guān)體系，助力特定場景交通信號控制方案提檔升級與深化應(yīng)用，支撐城市交通運行管理科學(xué)決策與精準(zhǔn)把控。

2.1 基本測評指標(biāo)

基于公安交管數(shù)據(jù)、交通運輸數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，面向多元復(fù)雜場景多維控制目標(biāo)要求，研究構(gòu)建能夠反映典型單一場景交通管控需求的各類測評指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)體現(xiàn)的形式與反映的側(cè)重點不同，大體可以區(qū)分為相對指標(biāo)和絕對指標(biāo)兩類形式。

2.1.1 相對指標(biāo)

相對指標(biāo)是用于反映信號控制方案調(diào)整前后變化幅度的指標(biāo)，側(cè)重于典型單一場景信號優(yōu)化前后多個維度的自我對比，如表2所示。

2.1.2 絕對指標(biāo)

絕對指標(biāo)是用于反映信號控制運行效果的直接指標(biāo)，可基于一定的閾值劃分范圍進(jìn)行確定，如表3所示。

2.2 綜合測評指標(biāo)

根據(jù)典型復(fù)合場景系統(tǒng)控制目標(biāo)要求，基于視頻、雷達(dá)、紅外、浮動車、線圈等采集方式，可獲得車流量、交通密度、平均速度、排隊長度、占有率、車頭時距、車型等交通流數(shù)據(jù)，各類多源異構(gòu)的交通檢測數(shù)據(jù)為綜合測評指標(biāo)的構(gòu)建與計算提供了基礎(chǔ)條件。

2.2.1 狀態(tài)指標(biāo)

狀態(tài)指標(biāo)是用于反映復(fù)合場景信號控制方案調(diào)整前后整體通行狀態(tài)變化程度的指標(biāo)，側(cè)重于針對測評對象運行狀態(tài)的宏觀把握，如表4所示。

表2 基于不同控制目標(biāo)的相對測評指標(biāo)

表3 基于不同控制目標(biāo)的絕對測評指標(biāo)

2.2.2 效益指標(biāo)

效益指標(biāo)是用于反映復(fù)合場景信號控制方案直接作用效果的指標(biāo)，側(cè)重于從不同維度針對信號控制方案運行效益進(jìn)行度量，如表5所示。

表5 基于不同控制目標(biāo)的效益測評指標(biāo)

3 測評應(yīng)用操作流程

測評應(yīng)用操作總體上遵循“典型場景劃分→控制目標(biāo)確定→測評指標(biāo)選取與計算→控制效果評定”的流程組織開展。由于城市交通運行環(huán)境的復(fù)雜性與道路物理空間規(guī)劃的先天不足決定了針對特定管控點位的交通場景形式可能不是單一孤立存在，而是伴有其他場景特征共同發(fā)生。同時，也應(yīng)注意到，同一管控點位的交通場景類型隨著時序的變化也可能存在不同的典型特征，由于交通需求的隨機變化以及交叉口通行能力相對有限的矛盾不斷催生出瓶頸路口、失衡節(jié)點、慢行集聚過街等隸屬于同一點位不同時段的交通場景特征呈現(xiàn)形式。

控制目標(biāo)是制定信號控制方案并考核其實際運行效果的工作靶向，同一控制對象不同管控方案的控制目標(biāo)可能因管控需求不同而存在差異。因此，關(guān)聯(lián)測評指標(biāo)的選取須依據(jù)各類不同場景控制目標(biāo)進(jìn)行針對性的確定，視實際管控需求與特定控制點位突出問題進(jìn)行系統(tǒng)考量。關(guān)聯(lián)測評指標(biāo)的選取應(yīng)著重從支撐安全與效率的角度，統(tǒng)籌考慮目標(biāo)點位數(shù)據(jù)采集類型與精度要求進(jìn)行確定。

控制效果綜合評定的首要任務(wù)是解決“指標(biāo)權(quán)重系數(shù)如何標(biāo)定”以及“綜合測評等級如何判定”兩大難點，考慮不同屬性交通場景控制目標(biāo)類型及等級均存在相對差異，實際管控過程中視交通問題癥結(jié)點與管理者需求不同也會對各項指標(biāo)的權(quán)重有所區(qū)分，且實測應(yīng)用環(huán)節(jié)對測評流程的可操作性與復(fù)雜度均提出一定要求。目前應(yīng)用較為廣泛的各類權(quán)重分析法，如Delphi法、層次分析法、優(yōu)序圖法、專家評定法等，由于每種方法均具有自身特性，沒有一種方法適用于各類情形，因此需針對不同的情況結(jié)合實際交通運行狀況綜合分析選擇。

4 案例分析

結(jié)合“瓶頸路口”基本控制目標(biāo)進(jìn)行測評指標(biāo)的應(yīng)用案例分析，選取相應(yīng)的定量與定性測評指標(biāo)類型，如表6所示。

表6 基于不同控制目標(biāo)的典型場景信號運行效果測評指標(biāo)選取

(1)相對指標(biāo)定性測評

S1結(jié)合視頻流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)與浮動車GPS定位數(shù)據(jù)分析并計算獲取優(yōu)化前后的相對指標(biāo)“1-2-6 二次停車率”；

S2通過路口視頻、地磁、線圈、紅外等檢測數(shù)據(jù)分析并計算獲取優(yōu)化前后的相對指標(biāo)“1-4-3 高飽和度持續(xù)時間”；

S3根據(jù)優(yōu)化前后的各相對指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的雷達(dá)圖進(jìn)行定性對比分析，如圖6所示。

圖6 瓶頸路口場景相對指標(biāo)定性測評

(2)絕對指標(biāo)定量測評

S1 構(gòu)建指標(biāo)權(quán)重矩陣并確定權(quán)重百分比，如表7所示；

表7 瓶頸路口場景定量指標(biāo)權(quán)重百分比計算

S2 通過路口檢測數(shù)據(jù)分析獲取并計算優(yōu)化后的絕對指標(biāo)“2-2-3 關(guān)鍵車流組飽和度”，并根據(jù)關(guān)鍵車流組飽和度與控制效益指數(shù)對應(yīng)關(guān)系采用線性差值法確定其控制效益指數(shù)指標(biāo)值α；

S3 計算瓶頸路口優(yōu)化后的絕對指標(biāo)“2-4-2 擁堵疏散效率”，根據(jù)擁堵疏散效率與控制效益指數(shù)對應(yīng)關(guān)系采用線性差值法確定其控制效益指數(shù)指標(biāo)值β；

S4 結(jié)合表7給出的指標(biāo)權(quán)重計算瓶頸路口信號控制效果指數(shù)，即：P=0.75α+0.25β；

S5 根據(jù)信號控制效果綜合評估分級，確定瓶頸路口場景的絕對指標(biāo)定量測評等級。

5 結(jié)語

針對信號運行效果測評所面臨的指標(biāo)體系缺失、目標(biāo)導(dǎo)向不明、實操應(yīng)用困難等問題，基于多元復(fù)雜場景交通管控需求特征，提出多維控制目標(biāo)并構(gòu)建相應(yīng)的指標(biāo)體系，結(jié)合交通場景屬性能力、動態(tài)需求、管控方式等各項要素對其進(jìn)行本質(zhì)揭示與特征定義。對比現(xiàn)有指標(biāo)，本文所提出的指標(biāo)聚焦交通控制目標(biāo)，圍繞典型場景核心特征，能夠依據(jù)不同的指標(biāo)類型直接評價交通信號控制效能，具有更好的實用價值；研究所形成的指標(biāo)體系既適用于單一場景信號控制效能評價，也適用于復(fù)合場景片區(qū)信號控制系統(tǒng)綜合評價，能夠有力支撐信號優(yōu)化項目驗收成效考核。然而，測評指標(biāo)體系構(gòu)建僅作為信號控制效能評價的基礎(chǔ)性研究工作，對于各類指標(biāo)的數(shù)值精準(zhǔn)測定和閾值定量劃分，仍有待于后續(xù)深入研究。