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北京交通大学 硕士学位论文 城市道路交通评价方法及评价系统开发 姓名：沈屹楠 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：侯忠生 20080501 中文摘要 摘要：当今中国城市交通飞速发展，城市车辆迅速增加，随之而来的是交通状况 恶化、交通堵塞严重等问题，如何对飞速发展的城市交通进行有效控制，是需要 建立在对交通系统的科学评价之上的。 普通的城市道路系统主要由交叉口及其连接路段组成。了解城市道路的运行 状况是交通管理部门的重要职责。而目前国内外对于城市道路系统评价方法的研 究甚少，大多数研究仅局限于交叉口服务水平的评价。并且现有的评价方法大多 是基于模型的，适应性和精确性都不能保证。 本文提出了一套城市道路系统的评价方法，该评价方法不但可以评价单一交 叉口，还可以将多个交叉口及连接路段视为一个系统进行整体评价。并且，该评 价方法完全基于检测数据，不需任何建模，是数据驱动的，其适应性更强，结果 更准确。 文章从点、线、面三个方面分别给出评价城市道路交通状况的性能指标，即 分别给出评价一个交叉口，一条道路，一个交通网络的评价指标，从而系统全面 的对城市道路交通状况进行评价。文章首先给出了评价城市道路交通状况的性能 指标：交叉口服务水平指数、道路旅行时间和系统平均速度。然后讨论了在不同 硬件设施条件下这三个指标的获取方法。在前面理论的基础上，文章利用V i s s i m 交通仿真软件对这三个评价指标进行了仿真研究，指明了此评价方法的可行性。 最后以此道路交通评价方法作为理论基础，以某市交通监控工程作为工程背景， 设计交通评价软件系统，介绍系统的设计、搭建、实现和运作。 关键词：城市道路；评价指标；交通检测器；系统开发 分类号：U 4 9 1 1 1 4 ：T P 3 9 1 9 A BS T R A C T A B S T R A C T ：W i t hd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h en u m b e ro fv e h i c l e si nC h i n ah a s i n c r e a s e dal o t , a n dt h e r ec o m e st h ep r o b l e mo ft r a f f i cj a m s ，t r a f f i ca o c i d e n t se t o I n o r d e rt om a k et h em a n a g eo ft h et r a f f i cs y s t e me f f e c t i v e n e s s ，w es h o u l dk n o wt h e p e r f o r m a n c eo ft h et r a f f i cs y s t e m U s u a l l y , s u r f a c es t r e e ts y s t e mi sm a d eu po fi n t e r s e c t i o n sa n dl a n e sr e l a t e d I ti sa m a i nr e s p o n s i b i l i t yf o rt r a f f i cm a n a g e m e n td e p a r t m e n tt ok n o wt h es t a t u so ft r a f f i c A t p r O S e n t ，t h e r e St i t t l e r e s e a r c h0 1 1e v a l u a t i o no fs l L r 点a o es t r e e ts y s t e mi na b r o a do ra t h o m e M o s tr e s e a r c h e s 锄鸳0 nt h ee v a l u a t i 姐o ft h es e r v i c es t a t u so fi n t e r s e o t i o m ，a n d a r eb a s e dO Um a t h e m a t i cm o d e l sw h i c ha r cn o tm u c hi ns t a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y 。T h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e s an o we v a l u a t i o nm e t h o do ft h es u r f a o os t r e e ts y s t e m ， w h i c ho a l la n a l y z en o to n l yt h es t a t u so fo n es i n g l ei n t e r s e c t i o n , b u ta l s oaw h o l es y s t e m m a d eu po fm u l t i p l ei n t e r s e c t i o n sa n dl a n e sr e l a t e d T h i sm e t h o di su t t e r l yb a s e d0 nt h e d a t ag o tf r o md e t e c t o r sw i t h o u ta n ym a t h e m a t i cm o d e l , a n di sm o r es t a b l ea n d a d a p t a b l e T h r e ec v a h a t i o ni n d e x e sa 1 “ ep r e s e n t e dt oa n a l y z et h es l H f a o es t r e e tt r a f f i cr a n g i n g f r o mp o i n tt ol i n ea n df l a t , w h i c hm e a l 丝t h ea n a l y s i so fo n es i n g l ei n t e r s e c t i o n , o n er o a d a n dt h es y s t e mm a d eu po fi n t e r s e c t i o n sa n dr o a d s F i r s t , g i v e st h e s et h r e ez v a h a t i o n i n d e x e s s e r v i c el e v e li n d e x , t r a v e lt i m e ，s y s t e ma v e r a g es p e e d A n dt h e np r e s e n t st h e m e t h o d st o g e tt h e s ei n d e x e su s i n gd i f f e r e n td e t e c t o r s T h ee f f e o t i v v n e s so ft h e e v a l u a t i o nm e t h o di s a p p r o v e db ys i m u l a t i o ns t u d i e su s i n gV i s s i m F i n a l l y , a n e v a l u a t i o ns y s t m ni sd e v e l o p e db a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o v e K E Y W O R D S ：S u r f a c es t r e e t ；E v a l u a t i o ni n d e x ；T r a f f i cd e t e c t o r , S y s t e md e v e l o p m e n t C L A S S N O ：U 4 9 1 1 1 4 ；T P 3 9 1 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储躲：桫饰 签字日期：沙曙牵f 月f ) 日签字日期：沙略车。月。夕日 导师签名：弓讹 签字日期：0 厂年月乃日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：( ，签字日期：砂舻年石月侈E t 致谢 本论文的工作是在我的导师侯忠生教授的悉心指导下完成的，侯忠生教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在我攻读北京交通大 学硕士的两年中，侯老师给我提供了良好的研究和学习环境，并赋予我很高的期 望，尤其在理论研究和工程实践方面，都让我受益匪浅。在此衷心感谢两年来侯 忠生老师对我的关心和指导。 同时要衷心感谢实验室晏静文博士研究生给我的指导和帮助，从资料查阅、 选题、开题以及论文的定稿审阅，晏师姐都付出了大量的心血和辛勤的劳动，并 以其敏锐的科研洞察力指引着我探索科学的方向。 在实验室工作及撰写论文期间，崔仲远同学对我论文中的软件实现方面提供 了不少宝贵意见，感谢李永强师弟在仿真方面给我的支持和建议，弥补了本人在 仿真方面的不足，还有很多其他实验室与我并肩作战的同学、朋友们，他们在理 论和实践方面给予了我热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后也感谢我的父母，他们在学习和生活上给予我无私的理解和支持，让我 能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 我国城市交通现状及城市交通状况评价的意义 改革开放以来，我国的经济得到了突飞猛进的发展，科技与经济相辅相成日 新月异，人们生活水平的提高也是与日俱进。而伴随着科技的进步、经济的发展 及人们生活水平提高，人们的出行越趋频繁，对交通的需求量空前膨胀，随之而 来的是交通拥挤、交通事故和环境污染等问题，并越来越严重地困扰着全国的各 大城市。 在我国，长期以来城市人均道路面积一直处于低水平状态，近十年有了较快 发展，人均面积由2 8 平方米上升到6 6 平方米。尽管其增长幅度较快，仍赶不上 城市交通流量年均2 0 的增长速度，交通拥堵现象呈现普遍加剧的趋势。据统计 分析，大城市中心区的车辆行驶速度仅为2 0 公里d , 时左右，交通拥堵在时间与空 间上均呈现蔓延扩展之势。上海市干道的平均饱和度达到0 9 ，广州市干道车速小 于2 5 公里小时的道路数占到了1 2 5 。北京市的调查和测算表明，公共汽车平均 运营速度每下降1 公里4 , 时，相当于损失2 0 0 部公共汽车的运力，经济损失高达 l 亿元。交通拥堵导致的效率下降，增大了运营成本，严重制约了城市经济社会的 健康发展【l 】。总之，国内各大城市交通状况恶劣，并且愈演愈烈是不争的事实。 为了改善城市交通状况，政府不断往交通系统建设中投资，更新设备、改进 控制方式和管理策略等等，花费了大量的人力物力，但却很少有相应的研究来分 析这些投资的效果，可能导致盲目投资。政府该如何对交通系统进行预算和投资? 投资的收益如何? 当前的交通系统状态和性能如何? 出行者享受到的服务质量如 何? 这些问题都是需要对交通系统进行科学的评价后才能回答的。 1 2 国内外城市交通状况评价研究现状 自从汽车改变人们的生活以来，人们对道路交通的研究就从来没有停止过。 上世纪三十年代，G r e e n s h i e l d s 提出了交通流理论之后，人们做了大量工作，利用 速度、流量、密度和其它交通指标来分析和研究交通运行，但是其中主要的工作 都是寻找能刻画交通系统行为的数学模型。上世纪八十年代，智能交通系统的概 念提出以来，研究的重点开始转向如何利用路上传感器实时的获得交通流信息。 道路交通的研究重点由建立数学模型转移到实时数据的获取是必然的。因为交通 系统，尤其是城市交通系统，存在大量不确定因素，对其建立较准确的数学模型 是极其困难的。随着交通科技和社会经济的发展，城市道路上已经安装了各种各 。样的交通检测器来实时获取交通流信息。众所周知，由于交通系统的复杂性，利 用这些数据建立交通系统的数学模型不是一件容易的事情，有时甚至是不可能的。 因此，如何利用交通检测器的实时数据，并基于这些数据，也即数据驱动，进行 交通系统评价和控制是一个非常有理论意义和实际应用价值的研究课题。 目前，关于交通系统运行状况评价的研究成果大部分都是针对高速路的研究 【2 】【3 】【4 】，在城市道路方面，研究成果相对较少。文献【5 】在交通系统性能评价方面是 比较权威的，对城市道路交通状况的评价，包括交叉口和主干道，也有专门的章 节进行讨论，但是其中对于性能指标的获得方法更多的是依靠公式的估算而非实 地测量。正是因为文献【5 】获得性能指标是依靠公式估算，而且是根据美国道路的理 想状况来建立性能指标的估算模型，所以文献【5 】的方法并不适合我国的国情。国内 大部分关于城市道路评价的研究也都是在文献【5 】的基础上根据我国的道路情况对 模型做了一些修正，可是仍然没有跳出建模的思维套路，如文献【6 1 r 7 1 ，所以其实时 性、准确性、客观性和实际应用性都会有问题。文献【8 】针对城市道路交通状况提出 了一种新的评价方法，利用安装有双向通信能力G P S 设备的车辆获取城市道路的交 通状况信息，主要是速度信息，来评价某条道路的交通状况，但是无法对单个交 叉口和城市路网的交通状况进行评价。文献【9 】分别从交通系统管理者和使用者的 角度出发提出了两个性能指标系统平均速度和服务水平指数来评价交叉 口的交通状况，但是从管理者和使用者的角度并不能充分的解释和利用这两个性 能指标，并且在计算服务水平指数时也有其考虑不周之处，而且文献【9 1 只是对交叉 口进行了评价，并没有明确提出对于一条道路和城市路网的评价方法。 文献【l o 】没有给出具体的交通系统运行状况评价方法，但是对常用的交通系统 评价指标进行了较为系统和全面的总结，也包括对城市道路交通状况进行评价的 性能指标。主要的指标包括：饱和率，速度、旅行时间，延误、排队、停车次数。 下面对这些指标进行简单介绍 饱和率 饱和率为交通设施( 如交叉口，主干道) 实际交通量V 与通行能力C 的比值，即 V C ，也称为交通负荷系数，反映了交叉口处交通的繁忙程度。V C 越接近l ，说 明交叉口处的交通越繁忙。文献巧】中评价交叉口的两个指标之一就是饱和率。饱和 率的局限性，一是C 的测量并不容易，文献【5 】中使用的是模型估算的方法，其准确 性和实时性都无法保证，文献【l o 】中虽然给出了一种现场测量的方法，但是需要特 定的条件和一定的时间，同样其准确性和实时性都无法保证；二是饱和率在超饱 和时没有意义，在超饱和状态下系统的效能是很低的，但也是有差别的，也希望 2 可以对这种差别有所反映。 速度、旅行时阃 在交通评价中速度和旅行时间是两个紧密联系的指标，它们之间很容易相互 转换。由于城市道路交通运行的特点是间断交通流，所以点速度对城市道路交通 状况的评价没有意义。更常用的是时间平均速度和空间平均速度，文献【8 】就是利用 实时的时间平均速度和空间平均速度来评价城市道路的拥堵状况。速度这个指标 还有一些其它的用法，究竟如何使用才能更准确的反映交通状况，并没有统一的 定论。旅行时间是行驶过一段路程所花费的时间，这段路程的起点和终点可以根 据需要任意设定。在城市道路网络中交叉口分布密集的情况下，交叉口之间的路 段可以看作是交叉口的延伸。所以在城市道路交通状况的评价中，两个交叉口之 间的旅行时间是非常有用的。因为这段旅行时间中包含了车辆等待信号灯的时间。 延误、排队长度、停车次数 对于间断交通流延误是一个非常重要的指标。另外两个常用的评价城市道路 交通状况的指标排队和停车次数，实际上是延误的另外一种表现形式。延误 不仅反映司机的不舒适感，受挫感，燃料消耗以及驾驶损失时间，而且直接反映 出交通畅通与否。延误的定义和旅行时间密切相关。延误定义为：实际旅行时间 和理想旅行时间之差。文献【5 】中评价交叉口的另一个指标就是延误。理想旅行时间 如何确定是一个关键问题，在不同情况下确定的方法可以有所不同，当然不同方 法确定的理想旅行时间也不同，这就使得延误有很大弹性，作为一个评价指标这 是我们不希望的。城市道路中的排队是车辆在通过交叉口时，等待信号灯分配通 行权而形成的。排队的长度直接反映了交叉口交通状况的好坏，反映了车辆通过 交叉口延误的多少。比起延误，排队长度更加直观，也更容易测量，而且可以很 好的反映交叉口的交通状况。所以很多关于交通模型的文献，在建立城市道路的 模型时，都把排队长度作为模型的状态变量，如文献【l I 】。可见，排队长度是评价 交叉口的一个重要指标。排队长度虽然比延误直观一些，但是对于出行者而言排 队长度提供的信息依然不够直观。考虑这种情况：交叉E I A 各个方向的流量很大， 所以信号周期较长，周期红灯期间形成的排队较长，但是在本周期的绿灯期间排 队都能够消散；而交叉I D B 各个方向的流量较小，所以信号周期较短，红灯期间形 成的排队长度比交叉E I A 处的排队长度要短，但是这些排队需要几个绿灯周期才能 消散。虽然交叉1 2 1 A 的排队长度比交叉E B 的排队长度长，但是出行者最多等待一 个信号周期就可以通过交叉E I A ，而通过交叉E I B 时出行者则要等待几个信号周期。 相比于等待一个较长的红灯即能通过交叉口，出行者在心理上更排斥多次走走停 停之后才能通过交叉口。而且，走走停停会导致车辆排放的废气更多，对车辆的 磨损也更大，乘客的舒适感也更差。因此利用停车次数更能切实反映出行者对城 市道路交通状况的感受。车辆在城市道路中行驶，通过交叉口时，因为信号灯的 变换，会出现走、停、再走、再停的情况，而指标停车次数正是这种情况的反映。 停车次数也是延误的另一种表现形式。文献【9 】中的交叉口服务水平指数就是利用停 车次数获得的。正常状况下，车辆在通过交叉1 3 之前最多停一次车，也就是说车 辆最多等待一个红灯周期就通过交叉口。如果车辆通过交叉口前的停车次数多于 一次，那就说明交通状况开始恶化。 由以上对常用评价指标的介绍，可以看到对城市道路中的交叉口和道路的评 价有一些相应的性能指标，然而，能反映某个区域城市道路的交通状况的评价指 标还没有被明确提出。目前，虽然对于城市道路交通状况的评价已经有了一些研 究，但是已有的研究都是侧重于城市道路中的某个方面，或者是交叉口，或者是 一条道路，关于如何系统全面的评价城市道路的研究还很少。 1 3 本文的主要工作和内容 城市道路交通系统是由大量的交叉口组成的交通网络。本文从点、线、面三 个方面分别给出评价城市道路交通状况的性能指标，即分别给出评价一个交叉口， 一条道路，一个交通网络的评价指标，从而系统全面的对城市道路交通状况进行 评价。第2 章介绍了分别从点、线、面三个角度出发评价城市道路交通状况的性 能指标：交叉口服务水平指数、道路旅行时间和系统平均速度。第3 章讨论了在 不同硬件设施条件下这三个指标的获取方法。第4 章利用V i s s i m 交通仿真软件对 这三个评价指标进行了仿真研究。第5 章以本文所提出的城市道路交通状况评价 方法为理论基础，设计交通评价软件系统，介绍系统的设计、搭建、实现和运作。 第6 章总结了论文研究的主要内容和贡献，提出了值得进一步研究的方向。 4 2 基于交通检测器数据的城市道路交通状况评价指标 评价城市道路交通状况的目的是：为交通系统管理者的工作提供依据。评价 结果可以衡量改进的控制方式和管理策略是否有效，可以衡量投入大量资金改善 的硬件设施是否物有所值。管理部门利用评价结果可以对投资获得的成效进行量 化，为将来的投资提供参考，避免盲目的投资。 城市道路交通系统是由大量的交叉口组成的交通网络，由于城市路网中交叉 口分布密集，城市道路的交通状况往往由组成它的各个交叉口的交通状况决定， 所以对交叉口交通状况的评价是必要的。反映交叉口交通状况的评价指标，本文 选取文献【9 】提出的交叉口服务水平指数，该指标不但能敏感的反映交叉口的拥堵状 况，而且更能反映出行者对交叉口交通状况的切实感受。在城市路网中，从某一 出发地到另一目的地的一条道路的交通状况，虽然是由这条道路上所经过的交叉 口的交通状况决定的，但是能够更加直观反映这条道路的交通状况的评价指标同 样是非常必要的。因为，相较于反映交叉口交通状况的指标，它是从不同的层面 和角度来反映城市路网的交通状况；更具体来说，道路的交通状况可以看作是道 路上的若干个交叉口的交通状况的综合。对于反映道路交通状况的平价指标，本 文选取道路旅行时间，该指标是最直观的。从整体的角度反映路网交通状况的评 价指标也是非常必要的，它可以反映路网中所有车辆获得的服务质量，也就是整 个路网中所有交叉口交通状况的综合。对于反映路网交通状况的评价指标，本文 选取文献【2 】提出的系统平均速度。 本文从点、线、面三个不同的层面和角度，选取三个评价指标对城市道路交 通系统进行了全面的评价。第3 章将讨论在不同硬件设施条件下获取这三个指标 的方法。可以看到这三个指标是由现场实时测得的数据经过简单的计算而得到的， 是数据驱动的城市道路交通状况评价方法。 为了便于以后的论述方便，这里给出一个概念：交叉口延伸路段。其定义为： 把停车线上游的道路，从停车线开始直到相邻的上游交叉口为止，看作是该交叉 口的延伸，称为交叉口延伸路段。 2 1 交叉口服务水平指数 城市路网中交叉口分布密集，城市道路的交通状况往往由组成它的各个交叉 口的交通状况决定，所以对交叉口交通状况的评价是必要的。文献吲提出的交叉口 服务水平指数不但能敏感的反映交叉口的拥堵状况，而且更能反映出行者对交叉 口交通状况的切实感受。 服务水平反映了出行者对交通状况的切实感受。由于城市路网中的交通流是 间断流，所以文献【5 】利用延误这个指标来衡量交叉口的服务水平。但是直接利用延 误的定义来测量和计算延误却不是很容易， 也不易理解。因为理想旅行时间的确 定不是唯一的，这使得延误这个指标有很大的弹性，作为一个性能指标这是我们 不希望的。排队长度虽然是延误的另一种表现形式，但是排队长度给出行者提供 的信息依然不够直观。考虑这种情况：交叉I ：I A 各个方向的流量很大，所以信号周 期较长，周期红灯期间形成的排队较长，但是在本周期的绿灯期间排队都能够消 散；而交叉li B 各个方向的流量较小，所以信号周期较短，红灯期间形成的排队长 度比交叉口A 处的排队长度要短，但是这些排队需要几个绿灯周期才能消散。虽然 交叉口A 的排队长度比交叉E I B 的排队长度长，但是出行者最多等待一个信号周期 就可以通过交叉I ：i A ，而通过交叉li B 时出行者则要等待几个信号周期。相比于等 待一个较长的红灯即能通过交叉口，出行者在心理上更排斥多次走走停停之后才 能通过交叉口。而且，走走停停会导致车辆排放的废气更多，对车辆的磨损也更 大，乘客的舒适感也更差。因此利用停车次数更能切实反映出行者对交叉口交通 状况的感受。停车次数其实也是延误的种表现形式，实际上就是车辆通过交叉 口前等待的信号灯周期数，文献【9 】提出了一种简单的方法从这个角度来反映延误， 进而确定服务水平。文献【5 j 对服务水平的分级是离散的，每一级的范围较大，这样 的结果是较粗糙的，不能明确的反映出行者获得的服务品质。文献【9 】在衡量服务水 平时是利用一个0 到1 0 0 之间的连续的数，称为服务水平指数。本文在计算服务 水平指数时，做了一点改进，使其更加敏感。 这里还有一点需要指出，一个交叉口中不同的车道组( 具有相同功能的一条或 一组车道) 的交通状况的差别可能会很大，因此除了确定整个交叉口的服务水平指 数，有必要分别确定每个车道组的服务水平指数。如果不同车道组的服务水平指 数差别很大，那说明交叉口的信号配时有问题，需要改进。 2 1 1通过车辆等待周期数统计 首先介绍一个概念，通过车辆等待周期数统计：每个信号灯周期内通过停车 线的车辆总数为，这些车辆中，没有停车直接通过停车线的车辆数为，通过 停车线前等待周期数小于等于一次的车辆数为，l 。，等待周期数大于一次小于两次 的车辆数为，等待周期数大于两次小于三次的车辆数为强，等待周期数大于等 于四次的车辆数为心；然后分别求出这些车辆占通过车辆总数的百分比P o 、P 。、 办、砍、P 4 。文献【9 1 中把和r I 合在一起统计，记为确，这样无法对正常的交通 6 状况进行进一步细致的量化可以很容易理解，在正常状况下风+ A 应该接近 1 0 0 ，当交通状况恶化，发生拥堵时p 2 、P 3 、n 的值开始增加，当风接近1 0 0 时说明交通状况已经非常糟糕了因此可以通过风、P 。、办、死、P 4 的值来衡 量服务水平。 V I - 算n o 、，l I 、他、7 1 3 、心的递推公式如下： 厶( D = m a x O ，L ( i ) - ( 聃 厶G ) = m a x 0 ，厶( f 1 ) 一( f ) ) 厶= m a x O , 厶( f D - N ( 0 码n 4 ( ( f ) i ) = r a i n 缇 L 3 “( i 一- 1 I ) ) , 一N ( i ) ) = r a i n & q - O ，N ( i ) - n 4 ( i ) ) ( 2 1 ) 码( f )缇“一1 ) 一，) ”7 n z ( i ) = m i n z l q 一1 ) 一厶( f 一1 ) ，N ( i ) - n 4 ( i ) - n 3 ( i ) ( f ) = m i n i L ( O 一厶( f 一1 ) ，( f ) 一( f ) 一刀3 ( 力一他( D ) n o ( i ) = N ( i ) - n 4 ( i ) 一，1 3 ( D 一，吃( D 一刀I “) 其中： 雄( f ) ，髟= 0 , 1 ，2 ，3 ，4 ：第i 周期通过停车线的车辆中等待是个周期的车辆数； ( f ) ：第f 周期通过停车线的车辆数； ( f ) ：第i 周期的队列长度； 厶( f ) ：第i 周期未离开的车辆数； 厶( D ：第i 周期未离开的车辆中等待周期数大于等于2 的车辆数； 厶( 0 ：第i 周期未离开的车辆中等待周期数大于等于3 的车辆数。 注：如上所述由每个周期的排队长度和通过停车线的车辆数，就可以计算出 一个车道上通过交叉口的车辆中等待不同信号周期数的车辆数分别是多少。实际 上车辆等待的时间并不是整周期数，之前只是为了描述方便而认为等待的是整周 期数，其实，l l 表示等待时间小于一个周期的车辆数，啦表示等待时间大于一个周 期小于两个周期的车辆数， 表示等待时间大于两个周期小于三个周期的车辆数， 以表示等待时间大于三个周期的车辆数。 同理可以得到交叉口中每一个车道上的车辆在通过交叉_ 日时等待不同信号周 期数的车辆数n o 、刀I 、您、玛、，然后计算它们占通过交叉口车辆数的百分比风、 角、见、扔、A 。根据需要即可以进行单个周期的通过车辆等待周期数统计，也 可以进行多个周期的通过车辆等待周期数统计。如果有必要还可以把通过车辆等 待周期数统计值换算到标准时间段中，如5 分钟。得到了通过车辆等待周期数统 计值之后，就可以利用它们来衡量服务水平。 7 2 1 2服务水平指数 文献【5 】对服务水平的分级是离散的，每一级的范围较大，这样的结果是较粗糙 的，不能明确的反映出行者获得的服务品质。文献 9 1 在衡量服务水平时是利用一个 0 到1 0 0 之间的连续的数，称为服务水平指数。本文在计算服务水平指数时稍加改 进，文献【9 】中把停车次数小于等于l 的车辆数合在一起统计，本文将不停车直接通 过的车辆和停1 次车通过的车辆分别对待，这样能够对正常的交通状况进一步细 化。这是很必要的，例如，有两个交通控制策略在需求正常的情况下都可以使路 网正常运行，但是究竟哪一个策略更优呢? 如果无法更细致的反映正常的交通状 况，是无法回答这个问题的。改进后的服务水平指数定义如下。 定义：服务水平指数L O S I 定义为 L O S I ：( 1a o P o + a i P l + a 2 P 2 + a 3 P 3 + a 4 P 4 ) 1 0 0( 2 2 ) a 。x 1 0 0 其中： A ，i = 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ：通过交叉口的车辆中等待周期数为i 的车辆所占的百分比。 a f ：加权系数，取值为= o ，a t = l ，a 2 = 3 ，a 3 = 6 ，气= 1 0 。 注1 ：由上述计算服务水平的公式易知当服务水平指数为1 0 0 时，说明所有通 过交叉口的车辆在通过交叉臼时都不停车直接通过，这是理想的极限交通状况： 当服务水平指数为大于9 0 时，说明，所有通过交叉口的车辆在通过交叉口前最多 只等待了1 个信号周期，这是正常的交通状况，没有发生堵塞；当服务水平指数 为0 时，说明所有通过交叉口的车辆在通过交叉口前等待的信号周期数都大于等 于4 ，这是最恶劣的交通状况。 注2 ：如果以，i = 0 , 1 ，2 ，3 ，4 是对交叉口第个车道组进行统计而得的结果，即 玑叫= 告 其中：、 ：通过交叉口第歹个车道组停车线的车辆中等待周期数为i 的车辆所占的百 分比； 刀? ：通过交叉口第_ ，个车道组停车线的车辆中等待周期数为i 的车辆数； ，：通过交叉口第j f 个车道组停车线的车辆数。 那么得到的三Q 5 j r ，称为车道组的服务水平指数。如果A ，f = o ，l ，2 ，3 ，4 是对交叉口 所有车道进行统计而得的结果，即， ( 2 3 ) 衫 J 一 P ，= N j - 。 歹= I 其中： m ：交叉口的车道组数目； 力】；，：通过交叉口第，个车道组停车线的车辆中等待周期数为i 的车辆数； ：通过交叉口第，个车道组停车线的车辆数。 那么得到的L O S I ，称为整个交叉口的服务水平指数。对于出行者，车道组的服务 水平指数要比整个交叉口的服务水平指数更有意义。如果不同车道组的服务水平 指数差别很大，那说明交叉口的信号配时有问题，需要改进。 这里的服务水平指数由车辆的停车次数推导得出。相比于等待一个较长的红 灯即能通过交叉口，出行者在心理上更排斥多次走走停停之后才能通过交叉口。 而且，走走停停会导致车辆排放的废气更多，对车辆的磨损也更大，乘客的舒适 感也更差。因此利用停车次数更能切实反映出行者对交叉口交通状况的感受。这 里的服务水平指数是0 到1 0 0 之间的一个连续的数，比起文献【5 】中离散分级的服务 水平，更能准确的描述出行者获得的服务质量，以及交叉口的拥堵程度。 2 2 道路旅行时间 道路旅行时间定义为：车辆从道路起点行驶到道路终点所花费的时间。为了 采集数据和计算的方便，本文规定城市路网中道路的起点和终点只能为交叉口( 含 延伸路段) 。那么，城市路网中的道路实际上就是由若干段相邻的交叉口延伸路段 连接而成。 把一段时间丁内所有车辆的单车旅行时间的平均值称为时间段r 内道路的旅 行时间，其定义为： 。 砌咿，= 去喜砌吃 其中： T T i m e ( T ) ：时间段丁内道路的旅行时间，单位秒； m ：时间段r 内通过道路终点，并且完成整个道路行驶的车辆数； T T i m e ；：m 辆车中，第f 辆车的单车旅行时间，单位秒。 9 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 道路旅行时间能够直观的反映一条道路的交通状况，相较于反映交叉口交通 状况的指标，它是从不同的层面和角度来反映城市路网的交通状况。道路的交通 状况可以看作是道路上的若干个交叉口的交通状况的综合。 2 3 系统平均速度 系统平均速度从整体的角度反映路网的交通状况。 P e M S 2 1 把高速路系统中所有车辆所花费的行程时间看作是高速路系统的输 入，把高速路系统中所有车辆行驶的路程总量看作是高速路系统的输出，提出了 用系统的输入和输出来衡量系统效率的思想。同样在城市道路交通系统中，利用 系统的输入和输出来衡量系统的运行效能是一种新的比较客观和实用观念。如果 一个系统以少量的输入得到了大量的输出，那毫无疑问这个系统是高效率的。 类似于P e M S 的思想，文献 9 1 定义了城市道路交通系统的系统平均速度，定义 如下。 定义：在一段时间z 内，城市道路系统中所有车辆行驶的路程总量与所有车 辆行驶这些路程花费的时间总量之比，称为城市道路系统平均速度，即 = 器V I l lI lJ 其中： S ( z ) ：时间段丁内的城市道路交通系统的系统平均速度，单位千米川、时； V K T ( T ) ：时间段F 内的车辆行驶千米数( V e h i c l e K i l o m e t e r sT r a v e l e d ) ，单位千 米，即时间段r 内城市道路交通系统中所有车辆行驶的路程总量，反映城市道路 交通系统的输出； V I I T ( T ) ：时间段r 内的车辆行驶小时数( V e h i c l e - H o u r sT r a v e l e d ) ，单位小时， 即时间段r 内城市道路交通系统中所有车辆行驶相应路程所花费的时间总量，反 映交城市道路交通系统的输入。 注1 ：可以看出当V K T ( T ) 越大，V H T ( T ) 越小时，即时间段丁内城市道路交通 系统的输出越大，而输入越小时，S ( r ) 的值越大，说明系统效率越高。 注2 ：交通系统的系统平均速度既不同于时间平均速度，也不同于空间平均速 度，一定要注意：V K T ( T ) 是时问段丁内城市道路交通系统中所有车辆的行驶千米 数，V H T ( T ) 是时间段r 内城市道路交通系统r t - 所有车辆行驶的小时数。 注3 ：有一点值得注意，因为V K T 和陋r 都具有可加性【2 1 ，所以在计算一个 城市路网的V K T 和陉玎时，可以先计算城市路网中每个交叉口延伸路段的V K T 和 1 0 ( 2 6 ) 纡盯，所有路段的V K T 之和为整个路网的V K T ，所有路段的脚r 之和为整个路网 t OV H T 。假设_ 个城市路网内共有膨个延伸路段。可以得到第= 0 ，1 ，2 ，M 个 延伸路段在时间段r 内的弓( r ) 和V H T j ( r ) ，那么这个城市路网在时间段r 内 的系统平均速度S ( T ) 就为 阳y = 勰 其中： S ( r ) ：整个系统在时间段丁内的系统平均速度，单位千米小时； 膨：交叉口系统中延伸路段的个数； V K T j ( r ) ：第个延伸路段在时间段T 内的车辆行驶千米数，单位千米； V H T , ( r ) ：第j f 个延伸路段在时间段T 内的车辆行驶小时数，单位小时。 城市路网的系统平均速度从整体的角度反映整个路网的交通状况，也就是整 个路网中所有交叉口交通状况的综合。 2 4 小结 城市道路交通系统是由大量的交叉口组成的交通网络，由于城市路网中交叉 口分布密集，城市道路的交通状况往往由组成它的各个交叉口的交通状况决定， 所以对交叉口交通状况的评价是必要的，即从点的角度评价城市路网交通状况的 性能指标是必要的。在有些情况下，我们很关心一条道路的交通状况，虽然道路 的交通状况是由道路上的交叉口的交通状况决定的，但是如果只给出道路上交叉 口的交通状况，是非常不直观的，所以能直观反映道路交通状况的指标也是必要 的，即从线的角度评价城市路网交通状况的性能指标是必要的。有时，我们更关 心一个区域中整个路网的交通状况，如前所述路网的交通状况是由路网中每个交 叉口的交通状况决定的，同样只给出路网中交叉口的交通状况，是很不直观的， 所以能综合反映路网中所有交叉口交通状况的性能指标同样是必要的，即从面的 角度评价城市路网交通状况的性能指标是必要的。 出于对上述那些“必要”的考虑，本章选取了三个评价指标一交叉口服务水 平指数、道路旅行时间、系统平均速度分别从点、线、面的角度能够系统全 面的对城市道路交通状况进行评价。由下一章对这三个指标获取方法的讨论，可 以看到这三个指标都是由现场实时测得的数据经过简单的计算而得到的，是数据 驱动的城市道路交通状况评价方法。 ( 2 7 ) 3 基于交通检测器数据的城市道路交通状况评价指标的获取 3 1 交通检测器介绍 随着交通科技和社会经济的发展，城市道路上已经安装了各种各样的交通检 测器来实时获取交通流信息。常见的城市道路交通数据采集设备有环形线圈检测 器、车牌识别检测器、浮动车、车辆排队长度检测器、微波车辆检测器等。 环形线圈检测器 环形线圈检测器是传统的交通流检测器，是目前世界上应用最广泛的检测设 备f 1 2 1 。它是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，它的传感器是一个埋在路面下， 通有一定工作电流的环形线圈( 一般为2 mx 2 I n ) 。当车辆通过环形地埋线圈或停在 环形地埋线圈上时，车辆自身铁质切割磁通线，引起线圈回路电感量的变化，检 测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的存在。检测这个电感变化量一般 来说有两种方式：一种是利用相位锁存器和鉴相器，对相位的变化进行检测，即 采用两个振荡器结构，主振荡器作为基准振荡器，通过锁相环技术提供稳定的基 准电压，而从振荡器反应车辆通过时的信息；另一种方式则是利用由环形地埋线 圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测。 环形线圈检测器的主要优点是线圈电子放大器已标准化，并且技术成熟，易 于掌握以及测量的精度比较高。环形线圈车辆检测器的最大缺点是线圈长时间地 埋在路面下，其使用寿命受路面影响比较大，在过去，埋在路面下的环形线圈的 损坏率是很高的，一般寿命在1 5 年，但是最近美国的一家公司研制出一种免维环 形线圈系统，这种检测器借助于聚丙烯护套核对线圈内部实行橡胶一沥青充压处 理，克服了以往环形线圈所存在的安装要求高、线圈易损坏等大多数问题，使线 圈寿命保持在1 0 年，这是感应线圈检测器在质上的一个飞跃。因此环形线圈检测 器仍以高准确率、低成本和高可靠性而被大量使用。 环形线圈检测器分单线圈和双线圈两种；这两种检测器都能感应到车辆的进 圈和出圈的情况，感知车辆的存在和通过，二者的区别是，单线圈只能提供车流 量和时间占有率信息，而双线圈还能测速，它内部有计时器，记录每辆车通过一 定距离的两个线圈所需要的时间，用距离除以时间从而得到车辆通过线圈的速度。 双线圈还能通过其他方式得到车辆的车身长度，车型等信息；然而实际工程中， 在地面埋设感应线圈施工量大，维护不方便，而且对于双线圈检测设备，如果其 中一个线圈无法工作，则整个测速系统都将受到影响。 1 2 从全世界范围来看( 国内也是如此) ，绝大部分交通路网铺设的还是单线圈检 测器来进行交通信息采集。根据美国华盛顿运输部( w s D O T ) 提供的经验数据， 将单线圈升级到双线圈的费用非常巨大，因此充分挖掘路网，卜广泛铺设的单线圈 的功能，对可直接测得的流量和占有率的数据进行研究，开展交通数据估计模型 和方法研究，不但具有实际的研究意义，而且具有相当重要的经济意义 12 1 。基于 上述考虑本文中只采用单线圈检测器。 利用单线圈检测器可以获得流量数据，占有率数据，使用一些估计算法还可 以获得速度数据。 微波车辆检测器 微波车辆检测器安装在路边专用的立柱上，当车辆经过检测器的发射雷达发 射的微波区域时，将微波反射回检测器的接收雷达，以此检测通过检测器断面的 车辆，如图3 1 所示。 黟 图3 1 微波车辆检澳0 器不意图 F i g u r e3 1T h es k e t c ho f M i c r o w a v ev e h i c l ed e t e c t o r s 利用微波车辆检测器可以获得流量数据，占有率数据，以及精确的单车速度 数据。与单线圈检测器相比，微波车辆检测器具有安装维护方便，获取的数据精 度高等优势，所以已经被广泛使用。 车牌识别检测器 车牌照识别硬件基础一般包括触发设备( 检测车辆是否进入视野) 、摄像设备、 照明设备、图像采集设备、识别车牌号码的处理机( 女计算机) 等，其软件核心 包括车牌定位算法、车牌字符分割算法和光学字符识别算法等。某些牌照识别系 统还具有通过视频图像判断车辆驶入视野的功能，称之为视频车辆检测。一个完 整的牌照识别系统应包括车辆检测、图像采集、牌照识别等，J L 部分，如图3 2 所 示【1 3 】。 视频信号数字 叫州图像采集学 网， 检测器l 巳堕至) 图3 2 拍照识别系统示意图 F i g u r e3 2T h es k e t c ho fL i c e n s eP l a t eR e c o g n i t i o n 当车辆检测部分检测到车辆到达时触发图像采集单元，采集当前的视频图像。 牌照识别单元对图像进行处理，定位出牌照位置，再将牌照中的字符分割出来进 行识别，然后组成牌照号码输出【l4 1 。实际应用中，牌照识别系统的识别率与牌照 质量和拍摄质量密切相关。牌照质量会受到各种凶素的影响，如生锈、污损、油 漆剥落、字体褪色、牌照被遮挡、牌照倾斜、高亮反光、多牌照、假牌照等等； 实际拍摄过程也会受到环境亮度、拍摄亮度、车辆速度等等因素的影响。这些影 响因素不同程度上降低了牌照识别的识别率，也正是牌照识别系统的困难和挑战 所在。为了提高识别率，除了不断的完善识别算法，还应该想办法克服各种光照 条件，使采集到的图像最利于识别。目前的车牌识别技术实际应用识别率可达9 0 以上，实验条件下可达9 9 。 利用车牌识别系统在某一时问段内分别在某一路段的入口处与出口处识别出 一定数量号牌，通过比对计算出某些车辆旅行时间，经过优化筛选求其平均从而 计算出该时间段路段车辆平均旅行时间。 浮动车技术 浮动车( F l o a tC a rD a t a ) 技术，也被称作“探测车( P r o b ec a r ) ”，是智能交 通系统( I T S ) 中所采用的