城市道路交叉口智能研判分析方法研究

王雪雪 王冬冬

（上海电科智能系统股份有限公司，上海 200063）

城市经济的快速发展带动机动车拥有量的急剧增长，造成交通拥堵日益严重，交通事故频发。受到道路红线的限制，城市道路进一步拓宽的空间十分有限。通过扩大路网规模来缓解交通拥堵的方法已经得不到广泛应用，因此，需要进一步提高路网的通行效率。路网内的交通拥堵绝大部分发生在道路交汇路段，对交叉口运行情况进行研判分析，为提高交叉口通行效率打好基础，势在必行。

由于交通问题本身的复杂性以及区域的差异性，导致目前尚无统一的交通运行评价标准和完整的研判分析指标计算模型。国外对交叉口研判分析的交通运行评价指标主要包括[1]：交通流参数指标、服务水平指标、拥堵定义指标、出行影响指标和其他指标等。国内对交通运行评价指标的研究较少，主要集中在交通流参数的分析，包括饱和度、流量、车速的分析[2]。罗旭江[3]提出了一种基于交叉口是否存在二次排队，将交叉口划分为未饱和与饱和两种状态，分别选择饱和度、延误和排队长度作为研判指标以及选择二次停车率、饱和度标准差和效率系数作为研判指标的效率评价方法。纪铮翔[4]根据国内外交通流的运行特点，建立了一种多种类、多层次的年报月报评价指标体系，提出评价城市道路交通运行可靠性的指标。魏立夏[5]充分考虑了道路的运输能力，路网OD需求两个关键因素，结合运行速度参数全面分析路网交通状态。另外，还有部分学者以车辆延误[6-9]和车辆排队长度[10]为评价指标，通过优化信号配时提高交叉口运行效率。

现有交叉口的车流状态没有具体的数据指标，无法得到交叉口的通行能力和通行效率等具体数据。本研究建立了关于交叉口通行能力、车辆平均延误、平均停车次数、排队长度等指标的计算模型，作为路口交通研判分析评价的数据指标依据。基于雷达监测器、复合视频检测器、固定线圈检测器等收集到的数据信息，通过预处理剔除无效数据，对有效数据研判分析，计算得到交叉口的通行能力、车辆平均延误、平均停车次数、排队长度等效益指标。该方法包括路口数据预处理、路口车道级研判分析、路口进口道级研判分析、路口级研判分析。通过车道级、进口道级、路口级的研判分析计算，输出路口交通态势评价指标，结合路口不均衡系数指标，为交通工程师、交通管理者在信号相位优化、配时参数优化、交通组织优化、潮汐车道判别等方面提供依据。

1 数据预处理

数据预处理是保证研判分析结果准确性必不可少的过程，通过数据工程进行交通流量数据质量的判别。

1.1 数据质量判别

阈值计算：在全局参数表中，读取车道流量设定的阈值。

数据质量判别：出现以下3种情况时，判断数据质量出现问题：

读取到设备存在告警信息；连续m个周期采集流量为0；连续k个周期采集流量不在设定阈值范围内。

1.2 数据修补

通过数据质量判断信息，如果数据质量完好，则直接将采集的车道流量值录入车道流量表；如果数据质量差则采用历史数据修补的方式对数据进行修补。

2 车道级研判分析

路口车道级研判分析，通过输入车道级别的交通数据，包括号牌号码、过车时间、动态排队长度、实时相位运行信息，完成实时研判分析，输出车道通行能力、车道饱和度、车道平均延误、车道平均停车次数、车道排队长度的路口车道级数据指标。

2.1 车道通行能力

某一交叉口第i进口道第j车道的通行能力即通过该车道的最大允许通行能力，即在单位时间内能够通过该车道的车辆总数，一般与饱和度相结合，来判别路口是否为瓶颈路段，是否需要通过采取一些措施缓解当前拥堵，是否各车道饱和度不均衡等。计算公式如下：

式中：sij——进口道i车道j的饱和流量（pcu/s）；cij——进口道i车道j的通行能力（pcu/s）；geij——进口道i车道j的绿灯时间（s）；C——交叉口周期时长（s）；λij——进口道i车道j的绿信比。

2.2 车道饱和度

车道饱和度是指车道内的实际交通量与该车道通行能力的比值，反映车道的拥堵程度，当车道饱和度大于临界饱和度时，车道开始出现车辆排队。车道饱和度越大，车道拥堵越严重。路口实际运行中，最理想的状况是，各个车道饱和度均衡，即各车道车辆享有公平的时间权力通过交叉口。

式中：qij——进口道i车道j的车流量（pcu/s）；xij——进口道i车道j的饱和度。

2.3 时间段T内各车道指标

车道指标主要包括各车道的车辆延误、平均停车次数和平均排队长度等。

延误是反映道路交通拥堵的一个重要指标，不同的路口，结合交叉口空间和时间特性，以及交通流量的多少，其延误可能相差很大。

停车次数与车辆在交叉口的燃油消耗和尾气排放紧密相关，交叉口拥堵越严重，车辆平均停车次数越多。正确的评价每辆车在交叉口的平均停车次数是有效控制交叉口的前提[11]。

排队长度是一个交叉口拥堵严重程度，道路渠化、交通控制方式、绿信比分配是否合理的直观反映，路口实际运行中，排队长度越小越好。

以各车道的延误为例，建立模型。Akcelik R等[12]提出了一种能够应用于不同交通需求情形下的交通延误模型，该模型能够计算所有情形下的车辆延误，包括在研判分析开始时已经存在车辆排队的过饱和情形。

首先确定交叉口各进口道各车道的临界饱和度，见式（4）及式（5）。式（5）中，当车道饱和度大于临界饱和度时，该车道上的车辆开始滞留，并出现车辆排队；当车道饱和度小于等于临界饱和度时，车辆全部通过交叉口，滞留车辆数为0。

根据车道饱和度和车道临界饱和度之间的关系，将时间段T内各车道车辆的平均延误表示如式（7）所示。

式中：xij0——车道饱和度临界点；N0——时间段T内，车道周期平均过剩滞留车辆数（pcu）；dij——时间段T内各车道车辆平均延误（s）；C——交叉口周期时长（s）；T——时间持续长度（s）；yij——进口道i车道j的流量比，yij=qij/sij；rij——进口道i车道j的相位红灯时间（s），rij=Cgij（s）；gij——进口道i车道j的有效绿灯时间（s），gij=geijyellowij-allredij；yellowij——进口道i车道j的黄灯时间（s）；allredij——进口道i车道j的全红时间（s）。

3 进口道研判分析

路口进口道研判分析，在车道级通行能力分析结果之上，对于整个进口道进行研判分析计算，输出进口道通行能力、进口道饱和度、进口道平均延误、进口道平均停车次数、进口道排队长度等路段交通分析指标。

4 路口级研判分析

路口级研判分析，在路口车道级、路口进口道级研判分析结果的基础上，对于整个路口运行状态进行计算，输出路口通行能力、路口饱和度、路口平均延误、路口平均停车次数、路口不均衡指数、道路双向不均衡指数等路口交通分析指标。

5 案例分析

典型十字交叉口示例见图1。通过该文建立的模型进行交叉口交通研判分析。该交叉口信号控制为四相位组合，分别为南北向直行和右转57 s，南北向左转42 s，以及东西向直行和右转43 s，东西向左转27 s，周期时长为180 s。

图1 案例交叉口

经过该交叉口晚高峰交通量的数据调查结果，各进口道的交通量见表1。根据车道绿信比和车道饱和流量计算各车道通行能力。

根据模型，得到交叉口各车道的研判分析指标（见表2）。

根据模型，得到交叉口各进口道的研判分析指标（见表3）。

表1 交叉口各车道原始数据

表2 车道级研判分析指标

表3 进口道级研判分析指标

根据模型，得到整个交叉口的各项研判分析指标以及交叉口相交道路、主干道方向性的不均衡指数（见表4）。

表4 路口研判分析指标

通过对选择路口的复合视频检测器采集的视频数据，现场选取并标记若干位置点，对周期内到达与通过车辆的统计分析得到，计算结果与实际相差不大（见表5）。

表5 路口实测数据研判分析指标

举例交叉口所有车道的研判分析指标（见表2），交叉口的南进口直行、东进口右转对应车道的饱和度较大，停车次数和排队长度指标也较大，而南进口右转车道、东进口直行饱和度较小，同时直行和右转位于同一相位，且南进口直行排队较长，可以考虑将南进口和东进口的直行和右转渠化车道合并为直右车道，提高路口通行效率。表3以进口道为单位，记录了一个交叉口各个进口道的研判分析指标。分析可得，东西进行进口道的饱和度、延误、停车次数、排队长度相对高于南北向，但其流量却较少，结合配时发现，东西向给予时间偏短，交通工程师应适当优化。表4记录了整个交叉口的各项指标，根据延误和停车次数指标调整周期时长；结合不均衡指数确定建议调整相位相序。

6 结语

通过模型计算得到的交叉口车道、进口道以及整个交叉口的通行能力、饱和度、延误、停车次数、排队长度等效益指标，以及路口不均衡系数，可以分析各个路口的运行情况，如路口是否存在较频繁饱和度过高、现有的承载能力、通过路口的平均时间、停车等待绿灯启亮的次数以及红灯等待在路口的排队车辆数等，从而为交通工程师和交通管理者分析路口现有交通组织、信号配时等提供数据支撑。