基于累计因素法的平交口信号灯设置依据研究

袁黎 蔡尧 邵晨曦 于俊俊

摘要：以往的交叉口机动车信号灯设置依据主要是考虑单一因素为主的离散模型方法，而信号灯的设置是一个涉及众多因素的问题。为克服这一局限性，通过实地调查和交通仿真，基于交叉口的道路特征、交通流量以及交通环境等多种影响因素，采用累计因素模型的方法构建平交口信号灯设置依据模型，并给出了信号灯设置阈值。与传统设置依据相比，该方法通过添加一系列调整要素，减少了管理或设计者数据采集带来的负担，从而简化了交叉口信号灯设置依据，实现在相应的交叉口合理设置机动车信号灯。

关键词：交通控制;信号灯设置依据;累计因素法;交叉口延误

中图分类号：U491

文献标识码： A

交叉口作为路网中的节点，是道路系统的重要组成部分。由于车辆在交叉口处的合流以及分流影响，使得交叉口在整个路网中成为交通瓶颈和事故易发点。交叉口信号灯的设置是提升道路交通安全、保障道路畅通的重要措施之一。如果信号灯如果设置不当，则会违背驾驶者的期望，造成过度的延误、事故率增加。

针对信号灯设置依据的研究，国内外学者进行了积极的探索。FITZPATRICK等依照规范提出了潜在的信号灯设置依据改善方法[1]。SAMPSON使用排队理论研究交叉口的信号灯设置依据，综合考虑道路特征等要素，提出以4辆车和6辆车排队作为信号灯设置的阈值条件[2]。WEUDOREE利用可接受间隙理论，提出了3条信号灯安装依据标准[3]。国内研究虽起步较晚，但也取得不少成果，我国《道路交通信号灯安装规范》制定了基于高峰小时流量、12小时流量的信號灯设置依据[4]。李锐等总结各种临界间隙下需安装信号灯的流量条件，提出了基于延误理论的信号灯设置的判别依据[5]。张碧琴等研究了交叉口延误参数的相关获取，运用层次分析法得出各判别参数的权重值，通过综合性评判方法，确定交叉口信号灯安装的条件[6]。杨晓光等对不同流量条件下交叉口的交通冲突次数进行了理论分析，给出了全无控制交叉口设置机动车信号灯交通流量临界曲线[7]。

纵观国内外研究现状，以往的交叉口机动车信号灯设置主要是离散因素法，该方法只需满足其中某一特定的因素考虑设置机动车信号灯。而交叉口机动车信号灯的设置是一个涉及众多因素的问题，如相交道路交通量、车辆构成、车速、交通安全等因素，因此本文在分析道路交通需求的复杂性和多样性基础上，基于交叉口的道路特征、交通流量以及交通环境等多种影响因素，采用累计因素法来构建机动车信号灯设置依据模型，为交通管理者提供决策和参考。

1交叉口信号灯设置依据理论模型

1.1影响因素分析

交叉口的条件不同，对信号灯设置的影响不同，其主要影响因素如表1所示，包括交通特征、道路特征、交通环境。通过分析交叉口交通流特征及其冲突行为，决定是否设置机动车交通信号灯，关键因素是交通特征因素，具体为主路上的车辆与次路上车辆的冲突以及主路车辆与穿越主路的行人冲突之间的冲突。

1.2理论模型构建

通过分析交叉口的道路特征、交通流量以及交通环境等多种影响因素，建立基于累计因素法的交叉口机动车信号灯设置依据模型。累计因素模型Cumulative Factors Method （简称CFM模型）常用于建立因变量与自变量之间的统计关系，其中因变量为是否设置机动车信号灯。即：

2模型参数确定

2.1交通量

交通量是影响交叉口机动车信号灯设置的主要因素，当主要道路的交通量过大时，次要道路的交通流需要等待机会穿越。交通量达到临界值时，造成交叉口延误过大，此时需要考虑设置信号灯。交通量参数包括主路双向进口道平均车流量（辆）Qm、次路最高进口道平均车流量（辆）Qs、穿越主路的平均行人流量Pc。选取的调查时段包括6个小时时段（7：00-9：00，11：00-13：00，17：00-19：00）的平均小时交通流量。

2.2交叉口间距影响因子

当交叉口设置机动车信号灯时，需要考虑相邻交叉口的影响。上下游交叉口信号灯设置与否对道路交通运行情况有很大影响，利用Synchro仿真软件模拟得出，当交叉口的间距由200 m增加到800 m时，其通行能力可提高80%左右[8]。在相同条件下，当交叉口的距离不断变化时，影响因子的范围从0.92到1.04，而间距200 m为一个分隔点，如图1所示。

2.3主要道路车道宽度响因子

车道宽度对行车速度有很大影响，将3.5 m宽的车道宽度作为无信号交叉口控制的标准值[9]，当车道宽度小于或大于该标准值时，行车速度会改变，交叉口的通行能力也会受到影响。因此依据文献[10]得出交叉口车道宽度对通行能力的影响系数ηl。

式中：ηl表示进口道车道宽度对交叉口通行能力的修正值;l表示车道实际宽度（m）。

为简化模型计算，取进口道宽度使用值来计算车道宽度影响因子Cl，当车道宽度为标准值3.5 m时，Cl=1。得到车道宽度对信号灯设置的影响因子如表2所示。

2.4主要道路速度影响因子

结合规范[11]，分析速度对通行效率的影响，运用VISSIM软件仿真得出：当交叉口限制速度为50 km/h时，交叉口的运行效率开始发生很大的变化。因此取50 km/h的速度为速度变化阈值，以该车速下的通行能力作为交叉口道路标准通行能力[12]。如图2所示。

2.5大型车比例影响因子

不同类型的车辆由于外形和动能等方面的差异，影响着交叉口的运行效率[13]。本文将车型分为小型车和大型车，并将小型车作为车辆换算系数的标准车辆类型。运用VISSIM进行仿真，在相同车道和控制方式下，分析不同的大型车比例对交叉口延误的影响，结果如图3所示。

2.6交叉口地理特征影响因子

信号灯设置应该考虑到交叉口所处位置的社会人口数，在大社区到小社区中，驾驶者在交叉口的期望和性能不同[14]。根据美国MUTCD手册中交叉口所在地区社会人口是否少于10000，信号灯设置依据的临界流量条件会发生变化，以及《中小城市绿皮书：中国中小城市发展报告2016》对于城市类型的划分，结合已有的根据社会人口分类的信号灯设置分析，得到交叉口地理特征因素对信号灯设置的影响关系模型。

2.7交叉口行人特征影响因子

交叉口所在区域的土地利用性质不同，过街行人群体带有差异性。不同的过街行人组成会影响交叉口的整体运行效率，考虑交叉口所在区域的行人特性对信号灯设置的影响。行人统计要素取值范围取决于交叉口所在的土地利用性质。取值范围为：

1.2附近有学校（小学或中学）

1.1附近有老年活动中心或商业区

2.8车辆调整系数

交叉口不同车道间的交通流彼此会产生干扰，严重时会造成拥堵，因此需要添加一个调整系数。加拿大学者GUEBERT研究在交叉口的运行中，车辆与车辆冲突流量約占交叉口运行的70%左右，行人与车辆冲突流量约占剩余的30%左右[15]，行人流量取值使用GUEBERT所提出的平均每小时50～60人[16]，该值取决于交叉口道路交通特征。通过拟合分析，得到模型中两个调整系数为：

3信号灯设置依据判定流程

3.1判定流程

对于某一个具体的交叉口，通过数据采集获取交叉口相关信息，提取相关参数，基于累计因素模型建立交叉口选择信号灯的依据值与所提取参数之间的关系式，计算相应交叉口信号灯设置值W，接着通过分析该类交叉口设置信号灯的阈值W0，通过比较值W与该阈值W0大小，判断是否需要设置信号灯。判别流程如图4所示。

3.2阈值的确定

基于延误理论对阈值进行分析，当交叉口的延误达到一定值时，则需要考虑设置信号灯。假设经过交叉口的流量相同，比较交叉口在无信号控制下的延误du和信号控制下的延误ds的大小，考虑约束条件：du>ds，du≤dmax，当du=dmax时，交叉口主路和次路的交通量为信号灯设置判别条件的临界流量。即服务水平达到E时，则需要考虑交叉口设置信号灯，本文选取该服务水平等级下的35 s延误值作为信号灯设置的临界条件。选定此时的阈值W0=100，当计算交叉口的W值大于阈值W0时，则需要考虑设置信号灯。

4模型有效性验证

通过对比的方法来验证该模型的正确性，在实际调查的基础上，结合规范[4]，将离散因素法与累计因素法进行对比，验证本模型的可靠性。调查南京市15个无信号交叉口，对相关参数进行采集，使用三种方法分别判断交叉口是否需要设置信号灯，得到结果如表3所示。

由调查结果可以看出，累计因素法的匹配比例比离散因素法高26.6%。图5是按照依据值大小进行排序，拟合而成的线性曲线。从图中可以看出匹配度能体现出现有模型的精准度和适应度，累计因素法和离散因素法对研究结果有很好的相关性。

5实例应用

选择南京市江宁区天源路与莱茵达路一无信号交叉口为研究对象，对该交叉口进行了连续高峰小时的交通量观测。该交叉口的道路特征及地理特征如表4所示。

6结论

根据上述探讨，本文得出以下结论：

（1） 通过研究交叉口交通流特征，结合实地调查，研究得出机动车信号灯设置的主要影响因素。运用累计因素法，对交叉口的间距、车道数、车道宽度、大型车比例、主次路交通流量、行人流量以及交叉口的地理特征与行人特征等影响因素进行分析，构建了平交口机动车信号灯设置依据模型， 并对设置依据模型的各个参数进行了标定。

（2） 构建了机动车信号灯设置依据判定流程，并运用延误理论，结合交叉口实际情况，确定机动车信号灯设置阈值，当机动车信号灯的设置值W>W0时，需要考虑设置信号灯。当W

（3）本研究未考虑交叉口几何条件及视距对信号灯设置的影响，在后续研究中将进一步分析该因素，使设置依据模型更加完善;在模型参数标定方面，采用的是南京地区交叉口的数据，在为了研究中将收集更完善的资料，使设置依据模型更加准确及稳定。

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3.

（責任编辑：于慧梅）