基于交通噪声与延误的平面交叉口综合评价＊

王 璐 蔡 铭

（中山大学工学院广东省智能交通系统重点实验室 广州 510275）

0 引 言

随着城市经济的发展和城市规模的日益扩大，交通量迅速增长，城市交通出现了日趋紧张的局面.而突出症结表现在城市干道交叉口处，由于车流汇合交织，常出现拥堵现象，从而引起了严重的延误、噪声、大气污染、能源浪费等问题.近年来，多数研究只针对上述单一的问题来对交叉口的控制方式进行评价，美国2000年版的HCM 利用平均延误来评价交叉口［1］；日本根据饱和度指标将信号交叉口的服务水平划分为3个等级；前苏联则利用速度系数作为评价指标［2］.然而这些评价方法不仅数据调查困难，而且评价指标单一，只考虑了看得见的损失，未考虑隐性的成本，交通噪声这一社会公害往往被人们所忽视.采用微观交通仿真的手段能较好的解决数据调查困难的问题，李喆等人采用仿真工具进行交叉口延误的计算［3］，吴硕贤、王永泉、李锋等［4－6］也利用计算机实现了对交通噪声的模拟，但将不同评价指标综合考虑的研究较为少见.本文也将从微观交通仿真的角度出发，利用Paramics仿真软件模拟复杂实变的交通噪声，在交通延误的基础上利用经济损失估算的方法比较交叉口不同管理方式的优劣，对交叉口进行综合评价.

1 交叉口评价方法

1.1 交叉口交通噪声及延误的计算机模拟方法

微观交通仿真系统能动态的模拟“人－车－路－环境”的相互关系，反映出交通管理手段、交通流控制策略等对交通流的影响［7］.并行微观仿真器Paramics是由英国Quadstone公司开发的用于微观交通仿真的软件包，它具有实时动态的三维可视化用户界面，对单一车辆进行微观处理的能力，多用户并行计算支持，以及功能强大的应用程序接口.Paramics能够适应各种规模的路网，从单节点到全国规模的路网，能支持100万个节点，400万个路段、32000个区域［8］.

Paramics为用户提供了丰富的API函数，本研究中通过C 语言编写插件调用这些函数，提取Paramics仿真时的各种实时更新的内部信息，并利用仿真得到的每秒输出的车速、加速度、坐标等信息对交通噪声和交叉口延误进行实时的模拟.因为Paramics的坐标有内、外部坐标之分［9］，当我们在利用插件计算噪声时就需要先将内部坐标转换为外部坐标.该插件程序中关于交通噪声的计算流程见图1.

图1 交通噪声计算机模拟流程图

通过在各进口道和出口道设置车辆检测器，当车辆通过检测器时就记录下它的车辆ID 号和时间，仿真结束后将检测器记录下的具有相同ID号的时间相减便得到车辆通过交叉口的时间.流程见图2，利用该方法仿真模拟得到车辆在理想情况下的通行时间，利用实际通行时间减去理想通行时间，便得到了车辆通过交叉口的延误.

图2 交叉口延误计算机模拟流程图

1.2 基于噪声和延误的交叉口综合评价方法

将不同管理方式的交叉口的交通噪声转换为经济损失将更为直观的反映各种交叉口的优劣，同时也提供了一种与交叉口延误有效结合的方式，使得对交叉口的评价更为全面.

由于交通噪声污染的复杂性，估算其对经济造成的损失是比较困难的.目前国内外对噪声污染经济损失的研究较为重视，提出了多种估算经济损失的方法，其中主要有3 种：损害费用法（DC法）；意愿调查评估法（CV 法）；防护费用法（PC法）［10］.

2009年，香港曾采用意愿调查法（CV 法）就居民对减少噪声的支付意愿进行了调查研究，调查结果见表1［11］.

表1 香港每户家庭为降低1dB（A）噪声的支付意愿

通过线性回归，拟合出噪声等级和支付意愿之间的关系为：y＝0.11x－3.05.式中：y 为每户每月愿意为降低1dB支付的钱；x 为噪声级.

根据《区域环境噪声标准》的环境噪声标准值，采用2 类别的噪声标准值的昼夜平均值55 dB作为评判此交叉口噪声是否超标的标准，在计算时仅对超标部分的噪声值进行经济损失估算.

美国德克萨斯运输学院在2004年度报告中提出了交通拥挤外部成本计算模型［12－13］.本研究在对延误进行经济损失估算时将根据实际情况对此模型进行简化，利用平均行车延误乘以一小时通过交叉口的车辆数，再乘以人均GDP和每辆车载客率作为时间延误成本.其中年人均GDP采用国家统计局公布的2009 年广州市人均GDP 40748元，每辆车载客率按2人计算.

2 数据的验证及分析

2.1 实例选取

为了验证本文评价方法的合理性、可行性，本研究将利用广州市海珠区宝岗大道和江南西路的交叉口的实测交通量数据设计实验.通过对此交叉口的交通量进行0.05倍、0.1倍、0.5倍、1倍、1.5倍、2倍和3倍的适当放大、缩小作为仿真交通量，绘制平面交叉口延误－流量曲线，判断一定流量下用Paramics仿真数据计算交通噪声的准确性，同时绘制平面交叉口噪声－流量关系曲线；利用经济损失估算的方法比较在各种交通场景下3种交叉口管理方式的控制效益.

利用Paramics仿真软件建立该交叉口的仿真模型，交叉口中心坐标为（500，0），设置接收点坐标为（480，10），并设接收点有0.5 m 的高度，车辆检测器距离交叉口200m.模拟时，Paramics软件自动计算出每时刻路网上各车辆的坐标、速度、加速度以及车辆通过车辆检测器的时间.计算噪声时，车辆在相应接受点处的声级采用以下实验模型：小型车Los＝19.24＋31.77lg V；中型车Lom＝4.8＋43.7lg V；大型车Lol＝18.00＋38.10lg V［13］.

2.2 基于Paramics的交通噪声模拟方法验证

在Paramics里设置仿真交叉口的参数和实际情况一致，并以每10 min为单位，将调查得到的交通量换算成小时交通量在Paramics里进行模拟，绘制实测噪声与等效噪声的关系曲线见图3.

图3 实测噪声与等效噪声的关系图

从以上关系图可以看出，通过Paramics仿真计算得到的交叉口等效噪声与实则的噪声值具有相同的变化趋势，且两者之间的差值小于3dB，吻合较好，因此验证了基于微观交通仿真的交叉口交通噪声的计算具一定的可靠性.

2.3 交叉口流量与噪声和延误的关系分析

将选取的交叉口的实际交通量进行0.05倍、0.1倍、0.5倍、1倍、1.5倍、2倍和3倍的适当放大、缩小作为Paramics仿真的交通量，分别设置该交叉口为无控制交叉口、信号控制交叉口和环形交叉口，其中信号控制交叉口设置为两相位，采用韦伯斯特方法进行信号配时，通过Paramics仿真计算得到各种交叉口控制方式的延误和噪声值，见表2.

绘制流量与延误关系曲线见图4.

表2 不同流量下交叉口延误和噪声数据表

图4 流量与延误关系图

从图4中可以看出交叉口延误随着交通量的增大而增大.当各进口道平均流量小于700 辆／h时，交叉口延误随交通量的变化不明显，这主要是因为此时交通量较小，交叉口处于畅通状态.当交通量超过700 辆／h 时，交叉口延误变化幅度明显.而当交通量继续增大到1500 辆／h时交叉口流量已经达到了饱和流量，车辆排队长度超过了所设线圈的位置，延误随流量的变化逐渐减缓，交叉口呈极度拥堵状态，车辆运行较为困难.

从图中不难发现无信号交叉口延误随流量的增大呈线性增长的趋势，当交通量达到饱和流量后，并没有出现排队长度超过线圈位置、车辆运行困难等情况车辆仍然能较顺利的通过交叉口，同时不论交通量如何变化，无信号交叉口的延误始终小于信号交叉口和环形交叉口，这和实际情况是不相符的.因此Paramics模拟的无信号交叉口与实际交叉口存在差距.

流量与噪声关系曲线见图5.

图5 流量与噪声关系图

由图5可见，环形交叉口与信号控制交叉口的等效噪声随交通量的增大而增大，当交通量达到饱和流量后噪声值趋于平稳，而无信号交叉口的噪声随交通量的变化出现不规则的波动，考虑到以上提到的用Paramics模拟的无信号交叉口与实际情况存在差距，在利用Paramics仿真数据对交叉口进行经济损失估算时将不考虑无信号交叉口.

2.4 交叉口延误与噪声的综合评价研究

利用经济损失估算方法，计算得该交叉口的各种管理方式的经济损失见表3.

表3 经济损失估算表

分别绘制流量与延误、流量与噪声经济损失关系图，见图6和图7.

图6 流量与延误经济损失关系图

图7 流量与噪声经济损失关系图

从图中可以看出，当流量较小时，延误的经济损失并没有随流量的增大而出现明显变化的趋势，相反噪声对交叉口经济损失的影响相对较大.当流量超过700 辆／h时，因延误带来的经济损失随流量的增大而剧增，而噪声的经济损失逐渐趋于平衡，当交通量超过饱和流量时甚至出现下降的趋势，这种下降的趋势主要是由于交叉口严重拥堵，车辆缓慢跟行所造成的.因此当流量较大时噪声对交叉口经济的影响相对较大.

综合考虑噪声与延误对交叉口的影响，绘制流量与总经济损失关系图，见图8.

图8 流量与总经济损失关系图

通过比较图5和图7，本研究发现总经济损失与延误的经济损失随流量的增大基本成相同的变化趋势，而噪声的经济损失占总经济损失的比重较小，在对交叉口管理方式进行评价时噪声的影响不明显.但是由于在低流量时，随着流量的增大，噪声的经济损失呈剧增的趋势，而延误基本处于平稳状态，因此交叉口流量较小时更适合选择产生噪声较小的环形交叉口，不仅降低了噪声，同时也美化了环境.当交叉口流量较大时，虽然环形交叉口的噪声经济损失较小，但因延误带来的经济损失已远远的超过了噪声，加之随着流量的增大噪声的变化趋于平稳，因此应选择信号控制交叉口更为合理.

3 结 论

1）当交叉口流量小于700 辆／h 时，交叉口管理方式选择环形交叉口能有效的减小噪声；当交通量逐渐增大后，交叉口因延误产生的经济损失远远大于噪声的经济损失，此时宜选择能有效降低延误的信号控制交叉口.

2）总的来说，在对交叉口管理方式进行评价时交通噪声的影响不明显，更多情况宜根据延误的损失来评价交叉口.

3）由于数据调查比较困难，本研究中对噪声的经济损失的估算直接采用的是香港的调查数据，这与广州的经济情况存在一定的偏差，在日后的研究中将会进行进一步的修正.

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