基于交通调查数据的信号优化效果评价研究

吴裕锋 郑淑鉴

摘 要：交通信号优化是城市交通管理中的一项重要工作，为定量化评估信号控制的优化效果、辅助优化信号控制方案以进一步提升路口的通行能力，基于交通调查的数据建立一套评价信号优化效果的指标体系，体系从路口、路段两个层面对机动车和行人分别构建指标，并重点阐述了各个指标如何利用调查数据计算获得以及各个指标代表的数值意义，最后通过案例验证说明了该评价方法的可行性与有效性。

关键词：交通工程；信号控制；交通调查；优化效果评价

随着经济的发展，城市机动车保有量不断增加，交通拥堵日趋严重。交通信号控制是对城市交通进行调节最直接的渠道，科学合理的信号控制方案能有效提高交通运行效率，是最为经济实惠的缓堵措施。

2016年公安部发布了《推进城市道路交通信号灯配时智能化工作方案》，更是推进了全国各地开展对交通信号控制的整改和优化工作，然而，信号控制的优化效果却一直缺乏标准、量化的指标，使得工作的成效无法确切体现。

国内外专家、学者在这方面做出了大量的研究，如王爽提出了国内信号控制交叉口服务水平的评价方法[ 1 ]，高云峰利用微观仿真建立了交通控制评价指标和实时计算模型[ 2 ]，汪湛提出了四种不同交通状况下的信号控制交叉口服务水平评价指标体系、并使用VISSIM微观仿真软件对部分指标进行仿真研究[ 3 ]，柴干提出利用微观仿真软件建立干道的评价指标和体系[ 4 ]，姚树申提出了信号控制系统评价指标、方法[ 5 ]，马畅从平均行程延误、排队长度、停车率、行程车速及饱和度方面建立干道运行效率评价指标[ 6 ]，胡继华利用VISSIM仿真平台研究SCATS系统和定时控制系统的控制延误情况[ 7 ]。

从这些研究可以看出，现有的研究大部分提出了信号控制的评价体系和方法，但对评价的数据来源却没有说明，或者是直接以仿真模拟的数据来评价信号优化前后的效果，而事实上仿真与实际有一定的不同，仿真的结果并不能代表实际的优化效果，因此现有研究无法在实际中有效应用。基于此，本文构建了一套基于交通调查数据的信号优化效果评价方法，以期应用于实际分析信号优化的效果。

1 基于交通调查数据的信号优化评价体系

交通信号优化效果评价是对路口信号配时方案及其运行效果进行评判，基本方法是通过采集反映信号控制交叉口运行状态的参数（如延误、交叉口实际通行能力、平均停车次数、平均行程时间、行人相位绿灯间隔时间等），对比分析其在交通信号优化前后的变化，评判优化效果的好坏。根据评价对象的不同，可以分为路口评价和路段评价，其中路口和路段中包括机动车和行人，故可以再细分为机动车指标和行人指标，结合可以实际交通调查的数据，建立基于交通调查数据的信号优化评价体系如下图所示。

2 路口信号优化效果评价研究

根据相关的研究，可用于路口信号控制优化效果评价的指标有很多，如通行能力、饱和度、行驶时间、延误、停车次数、停车率、排队长度、燃油消耗、环境污染等。

从指标值的可采集性、数据准确度以及评價工作的可持续性等各方面综合考虑，路口优化效果评价指标主要选取交叉口车辆的平均延误、实际通行能力、平均停车次数、排队溢出率和行人相位间隔时间五个指标。

2.1 车辆平均延误

延误是反映车辆行驶时间损失、受阻的指标，是判定交叉口的通行效率重要指标。对于每个车道的延误可以分为两种情况分析：

2.1.1车道没有排队车辆

绿灯放行后车道没有排队车辆时，本周期车辆的总延误为三角形ABC的面积，如图3所示，通过调查红灯时间、最大排队车辆以及放行车辆数三个参数可以计算得到：

2.1.2车道有排队车辆

绿灯放行后车道有排队车辆时，本周期车辆的总延误为四边形ABCH的面积，如图4所示，通过调查车道的最长排队车辆数、放行车辆数以及周期三个参数的数据可以计算得到：

交叉口车辆的平均延误d可由各车道的平均延误及其校正流量加权平均得到：

2.2 交叉口实际通行能力

信号控制交叉口的通行能力是指在定的交通、车行道和信号设计条件下，某一进口车道上单位时间内所能通过的最大交通流量。

交叉口的实际通行能力为各进口车道的通行能力之和，它反映的是交叉口对交通疏导的最大能力。

2.3 平均停车次数

平均停车次数是指所有车辆在行驶过程中由于控制信号或前方车辆影响而停车的平均次数。《GA115-1995道路交通阻塞度及评价方法》中将停车次数作为评价信号控制交叉口阻塞程度的评定指标：车辆行至信号灯控制交叉路口，3次绿灯显示未通过路口为阻塞；5次绿灯显示未通过路口为严重阻塞。因此平均停车次数可反映出交叉口通行效率、拥堵程度等运行情况。

2.4 排队溢出率

排队溢出率表示交叉口溢出影响到上游的交叉口，当出现排队溢出时，上游的车流在交叉口绿灯放行时间里无法通行，因此，用无法通行的绿灯时间来衡量排队溢出对上游交叉口的影响程度，定义为排队溢出率：

当影响到多个交叉口时，排队溢出率为多个交叉口的排队溢出率的总和。

排队溢出率数值越大，表示对交叉口的影响程度越大。

2.5 行人相位平均间隔时间

上述各项指标以优化的时段（早高峰、晚高峰或者平峰）为对象调查5～10个周期的数值计算获得。

行人相位平均间隔时间该指标主要是检验路口行人灯组时间设置的总体优劣情况，取值越小越好，判断标准如下表。

3 路段信号协调优化效果评价研究

协调控制路段关系到两个或两个以上的交叉口，进行协调控制优化考虑路段整体的协调效果、相交路段的运行效率以及对行人过街的影响，基于此制定协调控制路段优化效果评价指标体系如下。

评价指标按协调控制的实施效果分为协调方向、非协调方向，分别采用路段和路口的运行状态指标进行评价。协调控制中路口的非协调方向的通行效率一般是被牺牲掉的，但也不能无限制地降低，因此评价指标中加入非协调方向的评价作为协调优化的约束条件。此外，考虑对行人的影响，加入了协调路段行人的评价指标。

3.1 协调方向评价指标（路段）

3.1.1平均停车次数

停车次数是指沿协调控制路段的协调方向行车遇到红灯需要停下来等待的次数，多次测量取算术平均即为此路段的平均停车次数。

3.1.2平均行程时间

行程时间是指沿协调控制路段的协调方向按设计车速行驶，从进入协调控制路段的第一个口到离开最后一个路口所经历的时间，多次测量取算术平均即为此路段的平均行程时间。

3.2 非协调方向评价指标（路口）

3.2.1最大排队长度

测量各非协调方向的最大排队长度Li，各进口引道可用于排队的距离Di，要求排队不回溢，即要满足：

3.2.2平均停车次数

参照《GA115-1995道路交能阻塞度及评价方法》中阻塞度的评价方法，要求非协调方向的平均停车次数不大于3次，即路口不阻塞。

3.3 协调路段行人评价指标

采用与路口行人指标同样的计算方法，但指标为各个路口行人指标的平均值。

上述各项指标以优化的时段（早高峰、晚高峰或者平峰）为对象调查5～10个周期的数值计算获得。

4 基于交通调查数据的信号优化效果评价流程

针对信号优化的内容及实施方式，评价的主要工作流程描述如下：

（1）在信号优化实施之前，对交叉口/路段的基本情况进行摸底调研，针对交叉口调查延误、通行能力、排队长度等指标，针对路段调查行程时间、停车次数等指标，各指标调查次数不少于5个周期。

（2）优化方案下发并稳定运行一周之后，再次对交叉口/路段的运行情况进行调研，需要获取的数据及操作方法与优化前的调研方法一致。

（3）分析对比信号优化前后交叉口运行状态的变化，评价信号优化的效果。

5 案例分析

某路口是城市重要交通节点，高峰期交通流量较大，根据交通调查显示，该路口运行周期较大，各进口道的车辆延误时间长，另外由于与上游路口的通行时间不匹配，路段排队长度长，易溢出到上游路口。经研判，采取实施了一些优化措施，具体包括简化路口相位降低周期、优化调整各相位的绿信比、协调上下游路口的配时方案。

利用论文提出的针对路口机动车信号优化的评价方法，在实施优化前后分别到路口进行现场调查并采集相关的数据。具体数据如下表所示，调查数据结果表明：优化后路口车均延误由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%；没有再出现排队溢出现象，排队溢出率由0.4降至0；路口平均停车次數由1.88次下降至1.63次，降幅13.33%。通过现场观察，路口有明显的交通改善，而评价指标数据也定量化体现了路口整体的优化效果。

6 结论

交通信号控制是城市交通管理的重要手段，而信号配时的优化是日常的交通管理工作之一，但却一直缺乏定量化的评价指标分析。

本文提出了一套基于交通调查数据的信号优化效果评价方法，其中从路口、路段的机动车指标和行人指标的调查内容和计算方法进行了阐述，并说明了各指标代表的等级意义，最后通过案例验证说明了该方法的可行性与有效性。

参考文献：

[1] 王爽，周彤梅.信号控制交叉口服务水平的评价方法研究[J].中国人民公安大学学报（自然科学版），2007，53（3）.

[2] 高云峰，胡华，陈红洁，杨晓光.交叉口群交通控制实时评价模型仿真研究[J].系统仿真学报，2007，19（24）：5607-5612.

[3] 汪湛.信号控制交叉口服务水平研究[D].上海：同济大学，2009.

[4] 柴干，赵倩，方程炜.城市干线交通信号控制的微观仿真评价[J].系统仿真学报，2009，21（21）：6842-6845.

[5] 姚树申，苑雷，祖永昶.王长君.城市交通信号控制系统评价方法研究[J].交通信息与安全，2009，27（2）：39-42.

[6] 马畅，敖谷昌，邵毅明.信号协调控制下城市干道运行效率评价研究[J].交通信息与安全，2012，30（4）：62-65.

[7] 胡继华，邓俊，黄泽，程智锋.基于数据拟合和Vissim仿真的关键交叉口SCATS信号控制评价研究[J].交通信息与安全，2013，31（3）：1-5.