（系统工程专业论文）混合交通条件下平面信号交叉口服务水平分级研究.pdf

中文摘要 信号交叉口是我国城市道路网的重要组成部分，也往往是网络交通流运行的 瓶颈口和事故的多发地，大部分交通拥堵发生在交叉口与此同时，我国城市存 在严重的混合交通现象。机非混行对机动车交通和非机动车交通都带来了许多不 利的影响，特别是在平面交叉口，由机动车、自行车、行人等不同交通方式组成 的混合交通，由于各自的驾驶行为、运行速度等基本特征的不同，造成了平面交 叉路口的干扰与冲突增多。正确、合理地计算、有效的评价信号交叉口服务水平 对于改善道路交通拥堵状况和优化路网结构具有重大意义 目前我国服务水平的评价指标普遍借鉴国外研究成果，没有很好的与我国混 合交通环境相结合；大多数评价方法根据确定相应的评价指标将信号交叉口服务 水平硬性的划分为若干级别，这种硬性分级的方法并不能很好的诠释信号交叉口 服务水平概念，存在诸多缺陷。 本文首先介绍了国内外服务水平分级现状及已有的科研成果，指出现有计算 方法的不足之处并提出模糊边界分级的模糊聚类方法。其次，选取了服务水平评 价指标，提出了干扰和干扰率的概念，分析了部分指标的计算方法。第三，本文 分析了我国混合交通条件下自行车特性，建立了自行车到达分布模型，以效率系 数为例，指出单个自行车及自行车群对信号交叉口服务水平的影响显著。最后本 文利用m a t l a b 编程实现了模糊聚类方法对信号交叉口服务水平的模糊边界分级。通 过与北京城市规划设计院的服务水平评价标准比较，模糊聚类方法能较为真实的 反映服务水平分级的实际情况，具有一定的可行性和真实性。 关键词：信号交叉口；服务水平；指标；混合交通；模糊聚类法 分类号： i n t e r s e c t i o nw h i c hi st h em a i np a r to f t r a f f i cn e ts e e m sa l s ot ob et h ec h o k ep o i n to f t r a 伍cf l o w c o n f l i c th a sh a p p e n e df i - e q u e n t l yd u et ot h em i xt r a 街ci no u rc o u n t r y i t s o f g r e a tm e a n i n gt oc a l c u l a t ea n de v a l u a t el e v e l - o f - s e r v i c e ( l o s ) f o ri n t e r s e c t i o n s e v a l u a t i n gt h el o sc o n e c t l yc mb eh e l p f u lf o ri m p r o v i n gt h es e r i o u st r a f f i c c o n g e s t i o n sa n do p t i m i z i n gn e t w o r k s l z u c t l l r e s n o w a d a y s ，d o m e s t i cr e s e a r c h e sf o rl o s i n d e xa r cu s e df r o mw e s t e r nc o u n t r i e sf o r r e f e r e n c ew h i c hc a nn o tr e f l e c tt h em i x 咖伍ci no u rc o u n t r yv e r yw e l l t h ec o m m o n e v a l u a t i n gm e t h o di sc l a s s i f y i n gt h el o si n t os e v e r a lr a n k s h o w e v e r , t h er i 舀dl o s t h r e s h o l d sc a nn o tr e f l e c tt h ef i t n e s so f u s e rp e r c e p t i o n s t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ee x i s t i n gm e t h o df o rc a l c u l a t i n gs e r v i c el e v e lo f i n t e r s e c t i o n s a f t e rp o i n t i n go u ts o m ed e f a u l t s ，f u z z ym e t h o dh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d s e c o n d l y , t h ep a p e rh a sb u i l tu pas p e c i a le v a l u a t i n gs y s t e mf o rm i x t r a f f i cc o n d i t i o n si n c h i n a i n t e r f e r eh a sb e e np u tf o r w a r d t h i r d l y , t h ep a p e rh a sa n a l y s i st h ec h a r a c t e r sf o r b i c y c l e ss ot h a tb i c y c l e se f f e c tt ol o sh a sr e v e a l e d f i n a l l y , t h ep a p e rh a sg a i n e da f u z z yc l a s s i f 弘n gf o rl o sb ym a t l a b b yc o m p a r i n gt h ef u z z yr e s u l tt ob e i j i n ga c a d e m yo fu r b a np l a n n i n ga n dd e s i g n s t a n d a r d s , f u z z ym e t h o dc a nr e f l e c tt h er e a lc o n d i t i o n sw e l l k e y w o r d s ：i n t e r s e c t i o n s ；l o s ；i n d e x ；m i ) 【t r a f f i c ；f u z z y c i a s s n o ； 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) 学位论文作者签名：僻 签字日期：知1 年偿月7 e t 导师签名： 每譬氓击彩 签字日期：矿溯产 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，论文中不包含其他人已经发表或 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。 学位论文作者签名槲 签字日期 伽7 年m 7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师钱大琳教授的悉心指导下完成的，钱大琳教授严 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此衷心感谢三年来 钱大琳老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，李小强、胡盼、杜晓宏、王晓华、李珊珊等 同学对我论文的数据采集及提取部分工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢我的家人，是他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 1 1 研究的背景 1 绪论 随着我国城市化进程的加快，交通需求增长迅猛，汽车保有量增长迅速不 少城市交通量的年增长率超过了2 0 ，城市交通堵塞现象急尉上升，车速普遍下降。 据测算，北京市区1 8 3 个主要路口中，严重拥堵的达6 0 ；上海市干道网的平均饱 和度达到0 9 ；南京市主要道路的路段饱和度达到0 8 7 一般城市干道上机动车的 运行速度只有1 5 2 0 k m h ，大城市中心区的车速已降至l o l s h n h 1 1 。而在珠江三 角洲及沿海开放地区，由于大量内地人员及农村剩余劳动力的纷纷拥入，城市交 通的压力更加明显。 交叉口是道路网的“咽喉地带”，他的功能是把道路连接起来，从而实现人流 和物流的移动。由于交叉口通常有多向交通流集中，所以在整个路网中，交叉口 是道路通行的瓶颈和交通事故的多发地带。城市的交通拥堵，大部分是由于交叉 口的通行能力不足或没有充分利用造成的，这导致车流中断、事故增多、延误严 重。 与此同时，我国城市存在严重的混合交通现象，所谓混合交通就是指道路上 机动车、非机动车、行人混合行驶。在混合交通中，非机动车的交通量就达到了 交通总量的2 5 5 5 ，且非机动车中以自行车为主f 2 l 。 机非混行对机动车交通和非机动车交通都带来了许多不利的影响，特别是在 平面交叉口，由机动车、自行车、行人等不同交通方式组成的混合交通，由于各 自的驾驶行为、运行速度等基本特征的不同，造成了平面交叉路口的干扰与冲突 增多。机动车和自行车对通行时空资源的争夺，一方面增加了交通事故隐患，另 一方面又降低了交叉口的通行能力。上海市1 9 8 8 年统计有2 3 5 的交通事故发生在 平面交叉1 3 的机动车与自行车之间。相关资料研究表明：由于非机动车因素的干 扰，使机动车的车头时距平均增加1 6 2 5 ，相应地，交叉口机动车直行车道通 行能力降低1 4 2 0 左右唧。 随着我国城市机动化进程的不断加快，城市机动车( 尤其是私人汽车) 的拥 有量快速增加。2 0 0 0 年以来，北京市机动车的年均增加速度超过1 0 ，到2 0 0 4 年7 月，全市机动车保有量已达2 2 2 万辆，其中私人机动车保有量达1 4 8 万辆。与此同 时，非机动车虽然随着社会的发展有所降低，但仍拥有庞大的保有量，2 0 0 3 年底 北京市的自行车拥有量约为1 0 0 0 万辆。而相关预测表明2 0 0 8 ：1 t ；京交通结构中公共 交通将占6 0 ，小汽车占2 0 自行车仍将占2 0 1 4 1 。因此，在未来一段时间内，机 动车与白行车组成的混合交通流仍将是我国城市交通的显著特点 由于交通量的快速增长和混合交通流的存在，越来越多的交叉口对城市交通 的瓶颈效应突显出来，信号交叉口作为城市道路网的重要组成部分，它的畅通与 否对整个路网的行车速度及运行效率起着关键作用。一方面，它通过信号灯的控 制作用，在时问上使相互冲突的交通流分离，提高了车辆运行安全性和效率；另 一方面，造成引道上的车辆周期性停驶，引起了车辆延误。因此，正确、合理的 对信号交叉口的交通运行状态进行评估是提高交叉口综合效益的基础。 服务水平是描述信号交叉口运行质量的重要标准之一，为了评价信号交叉口 的服务水平，研究人员提出了许多指标，但且前仍缺乏能反映我国混合交通特性 的指标。为了更好衡量交叉口的服务水平，本文以系统工程的理论和方法为指导， 选择恰当的适合我国混合交通特性的评价指标，运用模糊聚类理论对信号交叉口 进行了合理的分级 ， 1 2 论文的主要内容及结构 论文从信号交叉口服务水平概念出发，分析了现有国内外研究现状，指出目 前我国服务水平评价指标中没有反映我国混合交通条件的特色指标；同时，服务 水平等级边界硬划分的方式与服务水平概念不符，由此，提出实现服务水平模糊 分级的f c m 方法。本文以我国实际的混合交通条件为背景选取评价指标，提出各 指标的计算方法；提出干扰的概念，并用干扰率对其进行定量描述。以阜成门外 一北礼士路平面交叉路口为例利用视频和人工采集相结合的方式采集数据，建立 了自行车到达分布模型；以效率系数为例，分析了单个自行车及自行车群两种情 况下自行车对服务水平影响显著；最后，由调研得到不同时段的交通数据，利用 m a t l a b 实现了对信号交叉口服务水平的模糊分级。 论文共分为六章，论文按照现状分析、提出问题、解决问题构造篇章，构造 思路如图l - 2 所示 2 研究现状分折 提出问题 解决目思 选定指标，提出 干扰率的概念， 适合混合交迁条 傩 利用f c m 方法得 到样本对各级的 隶属度，实现分 级边界模期化 指标选取的问题 分级方法的问题 图1 2 论文的构造思路 f i g 1 2 c o n s m j c t o f t h e d i s s e 血f i o n 第一章为绪论部分，指出对信号交叉口服务水平进行合理分级和评价意义重 大。第二章为问题的提出部分，首先介绍了现阶段国内外对服务水平分级及评价 的研究现状，指出现阶段还没有适合我国混合交通条件的评价指标体系。接着从 服务水平的定义出发，指出硬划分等级边界存在的问题并提出利用模糊聚类算法 对服务水平进行模糊分级。第三章为服务水平指标研究部分，首先提出我国混合 交通条件下确定评价指标的原则，其次选定延误、饱和度、排队长度、效率系数、 干扰率五项作为本文的评价指标，其中干扰率是为了体现我国混合交通特性而提 出来的。最后提出了饱和度、捧队长度和干扰率的计算方法，为了计算相位饱和 度，通过实测数据对比分析了通行能力的停车线计算法以及城市道路设计规范法。 第四章为数据采集部分，首先介绍了所需采集的交通参数，然后分别就视频提取 的数据析取方法和人工采集数据的方法进行介绍，文章确定选用阜成门外一北礼 士交叉口为调查路口，并分别就视频采集和人工采集的调查方案进行了详细介绍。 最后本文建立了该交叉路口自行车到达分布模型，分析了在不受自行车干扰，受 单个自行车干扰以及受到自行车群干扰三种情况下效率系数的变化情况，以效率 系数为倒体现了单个自行车和自行车群两种情况下对服务水平的影响是显著的， 为以后进行自行车对服务水平影响的研究打下基础。本文的第五章解决服务水平 分级的问题，首先介绍了模糊聚类算法，接着利用m a t | a b 编程实现了对指标数据的 模糊聚类，得到聚类中心点以及各指标样本的隶属度值并建立了隶属函数。最后 从聚类的正确性及聚类方法本身进行了检验，通过将聚类中心点值和北京城市规 划设计院的标准进行比较得出本文采用模糊聚类方法对交叉口服务水平进行边界 模糊分级的方法基本上能反映实际情况，思路和方法是可行有效的。第六章为本 文的结论部分，总结了本文所傲的工作，指出需迸一步研究的问题。 1 。3 论文的创新点 本文的创新点主要有以下两点： ( 1 ) 选定了适合我国混合交通特性的平面信号交叉口服务水平评价指标，提出 干扰的概念并引入了干扰率这一量化指标。 论文分析了国内外现有平面信号交叉口服务水平评价方法中指标选定的不 足，指出指标的选定应综合考虑多方面的因素；同时，指标应结合我国混合交通 的特点，体现我国道路的实际情况。由此，本文选定延误、饱和度、排队长度、 效率系数和干扰率作为平面信号交叉口服务水平的评价指标，其中干扰率是为适 应我国混合交通特点而提出来的。文章从干扰的概念着手，提出干扰是一种交通 个体间的相互影响，这种影响使交通个体的状态发生改变。为定量描述干扰程度， 文章提出干扰率的概念，从干扰对通行时间影响的角度构造量化思路，提出了干 扰率的具体计算方法。 ( 2 ) 提出平面信号交叉口服务水平分级边界模糊化的理念。 文章从平面信号交叉口服务水平的概念出发，指出服务水平是对交叉口所提 供服务的感受的一种描述，具有模糊性。而现有的服务水平评价方法将服务水平 硬性分为若干级别，这种边界硬划分的方式有悖于服务水平的概念，存在诸多弊 端。为此，本文提出平面信号交叉口服务水平分级边界模糊化的理论，通过实际 调研的数据利用i d a t l a b 编程实现了对平面信号交叉口服务水平的模糊分级。 4 2 服务水平分级方法的提出 2 1 国内外研究现状 交叉口是在多种因素相互作用、相互影响和制约下形成的一个复杂的交通节 点。平面信号交叉口服务水平指平面信号交叉口的使用者( 包括驾驶员和乘客) 对 该交叉口所提供的服务的满意程度一般用下列因素来描述：速度和行驶时间、 驾驶自由度、交通延误、间断、舒适、方便、安全等用 目前，世界各国对道路服务水平的划分尚无统一的评定标准，一般根据各国 的国情具体划分 美国的道路运行标准以区间速度、饱和度( 车流量与通行能力的比值v c ) 、相 应的负荷系数三个指标确定将服务水平分为a 至f 六个等级，见表2 1 【们。 表2 1 美国城市道路运行标准 区间速度车流量，通相应的 服务水平通行能力 m p h k m h行能力负荷系数 a 自由流 3 0 4 8( 0 6 0o 0 b 稳定流 2 5 4 0 如7 0 2 0 3 2 2 4 0 9 0 1 5- - - 2 4 1 0 0 4 0 o 8 3 0( o 93 0 1 8 03 0 3 6 0 3 i o 2 0 1 8 0 3 6 0 4 l o 2 0e 5 5 8 0 c2伊一35f 8 0 其他各国也参照美国标准根据具体国情制定分级标准。国际上对其服务水平 的评价一般分为三级m 表2 5 国际常用信号交叉口服务水平分级 交叉口相当于美国非高峰时高峰时延误色灯信号 服务水平道路服务水平延误时问( s )时间( 8 )周期( s ) l a c 3 0 3 6 0”6 0 关于道路及交叉口服务水平划分以及评价的方法，国内也进行了大量的研究。 西南交通大学的商世廉、晏启鹏等人以成都、重庆为背景，对城市出入口道 路服务水平的划分进行了研究，通过计算机模拟的方法，得到了行车自由度( 以超 车率来表征) 与负荷系数、车流代表车速的关系，并以此为基础分析了出入口道路 的车辆运行特征。根据关系曲线上不同特征的五个区段将城市出入口道路的服务 水平分成五级，划分情况如下表所示( 表2 - 6 ) 1 9 】： 表2 - 6 城市出入口道路服务水平划分标准 服务 水平 li l lv 负荷 系数 o - 3 0咖一o 5o 5 0 o 7 5 q 1 s 一乜9 qo 9 0 1 乍流代 表车速 o柏一8 03 0 4 01 5 一如 1 5 车辆行驶接近道路通行能 运行自由程度 车漉部分车流连续不断，车车流连续不断， 力，车流几乎以最 特征 大，相互 连续，超车流中尚存在一定但问隙少。车流 容易实现 问隙，超车滩实现呈不稳定状态 小间隙成对行驶， 闻无影响 不稳定 重庆市城市道路改扩建技术课题组，萧乾金等人运用系统工程的理论和方法， 7 综合分析研究，把城市道路评价标准分为路段评价标准和交叉口评价标准两个方 面。对交叉口的评价采用饱和度、行程时间、安全率、道路条件、交通管理及环 境条件五个不同属性的指标，采用五分制的打分方法给出了各个指标的相对权重， 并用加权平均的方法确定道路或交叉口的综合服务水平其标准及权重建议值见 表2 7 、表2 _ 8 、表2 9 、表2 1o 【 表2 - 7 路段评价标准建议值 令誓 磴 l23 45 指标 饱和度( p )p o 9 o 8 p 砘9o 7 p o 80 6 p o 7p o 6 行驶速度 ( v )v 1 5 1 5 v 2 02 0 v d ( 死伤豺亿车公里死伤d p d 1 0 8 d 10 4 d i d 亿车公里)数) 0 6 d 1 o 4 d l 道路几何组成 道路几何组成道路儿何组成道路几何组 道路几何组很差，不能保 差，不能保证较差，能保证合及视距较 证视距，车道合及视距良 道路条件最短视距，车最短视距，车好，车道宽度 宽度窄，道路 道宽度窄。道宽度较窄。够。 好，车道宽度 平均纵坡足够。i 0 0 2 0 0 5 i 0 0 40 4 i 0 0 3o 0 3 i o 0 2 i 0 0 5 机动车与1 机动车与非机 机动车与1 机动车有分 动车无分隔，机动车与1 f 机机动车与1 # 机 机动车道有 隔，机动车道 机动车道无分动车无分隔，动车有分隔， 分隔，机动车有分道线，公 道线，公交车 机动车道有分机动午道有分 道有分割线，交车辆停靠 交通管理公交车辆停不占用车行 辆停靠站，占道线，公交下道线，公交车 靠不占用车道，设有行人 刚车行道，行辆停靠站占辆停靠站占_ h j 行道，行人过护栏，行人过 人随意横穿，车行道车行道。 街走人行横 街走人行横 路旁间有停车 道道，设有必要 的交通标占 0 i t 2 - s 交叉口评价标准建议值 n 标准 指标 l2345 饱和度( p )p 0 90 8 0 0 9o 7 p 0 80 6 p 0 7p 0 6 效率指标 c 锄3 5o 3 5 c 0 5o 5 c ( 0 0 6 5o 6 5 6 06 0 e 4 54 5 e 3 03 旧 1 5e 互52 j l 2 o2 巾，1 51 5 f i 0f g 6 0 0 0 g 4 0 0 0 g 人流8 0 0 0 2 0 0 0 6 0 4 i ) o o2 0 交通 量( g ) 管理 ( p h ) 及环 机动车与非 机动午与非 境条 机动车无隔机动车与非 机动车有隔 件( k ) 离，无行人护机动车与1 e机动车与1 机动车有隔 离，设有行 栏，全天需要 机动车无隔 机动车无隔离，设有行人 人护栏，行 交通 民警指挥交离，全天需要离，高峰交通护栏，公交车 人过街走人 通，公交车站民警指挥交时间需要民站距路口5 0 行横道，设 管理 有必要的标 设在交义口通，部分公交警指挥交通，米以上，用色 志。公交车 引道上，利用- 乍站设在交设有行人护灯控制交通 站距路口5 0 交义口同头，叉口引道上栏 交通，周期不 交义口范围合理 米以外，色 灯周期不合 内问有停车 理 表2 - 9 路段评价标准权系数建议值 l 标准饱和度行车速度安全率道路条件交通管理i i i 权系数值 o 2 6o - 3 0o 1 6o 1 8o - 。l 9 表2 - l o 交叉口评价标准建议值 l指标饱和度效率指标车均延误安全率交通管理及环境条件 i 权系数值嗡 o 1 8o 3 0o 1 6o 1 0 该方法综合考虑了五个评价指标的因素，其中的饱和度，行程速度，安全率 是可以用数学公式来描述的定量指标，而道路条件和交通管理则属于定性指标， 无法用数学公式表达，这种定性指标值的确定有可能受到人的主观因素的影响。 从而在定量指标相同的情况下，不同的人用该方法对同一路段的服务水平的评价 结果可能有所不同 同济大学的晏克非，提出的对交通枢纽的综合评价方法跟萧乾金类似，不同 之处在于提出的评价指标均可进行量化处理。其评价标准如表2 - 1 1 所示i l l j ： 表2 1 l 评价标准表 5 0 吩以5 6 0 - 6 97 0 7 98 0 - 9 99 0 1 0 0 一f 速度比值c c 0 40 4 c 0 5o 5 c 0o 6 c o 9 0 0 8 5 d 0 9 0 7 5 d 0 8 50 6 0 d - o 7 50 5 0 d 0 6 0d 1 81 5 e 1 81 2 ( e 1 5l o ( b 1 28 e l oe 5 ol o f z 5 ，03 0 f z 4 02 o f z 3 i o1 5 f 2 3 02 5 f 1 3 02 0 f a 2 51 5 f t 2 01 o f l 1 5f l 1 0 数f 环 当量警力， g l o 8 g i 1 0 5 g 1 83 g t 5 i g l 3 g i i 境路高峰g l 与 管 集散源数c 班 1 31 0 ( 3 2 1 37 ( 3 2 1 04 g 2 72 g 2 4g 2 2 理g 2 指 数g 1 c 2 、h 翅过交叉口的速度；路段上的速度 v 2 。一 2 _ 各进口道负荷系数的加权平均值( 以各进口交通量为权) 3 昏交叉口各自车流的平均损失时问( 以各进口交通量为权) 4 卜- 事故率f i 和冲突点面密度f 2 的算术均值 5 e 咬叉口警力人数和周围集散源数量的算术平均值 对于这种把评价指标定量化的方法减弱了萧乾金所采用方法中人为因素的影 响，但有些指标的量化显得有些牵强，比如警力人数对一个交叉口而言，在很大 程度上是一个人为的主观因素，并不能客观地反映交叉口的交通运行状况，而交 叉口附近的一家商场或电影院不能算是一个集教源，也存在着主观判断的成份， 这种将评价指标牵强地进行量化处理的方法并不可取 北京工业大学的杨峰从分析信号交叉口的系统特性入手，探讨与交叉口相关 的各种因素，从效率、安全和环境三个方面出发，建立了评价指标层次结构体系。 然后，参考以往的研究并结合一些实测数据的分析，采用定量与定性结合的方法 确定了各项评价指标及其分级标准。并用层次分析法确定各评价指标的权重，建 立综合评价模型【1 2 1 层次分析法较全面的考虑了交叉口涉及的多方面因素，对研究交叉口的性能 和辅助决策具有其可行性，但是涉及的指标较多，指标问的相关性较强，对调查 和收集基础数据带来了较大的困难。 上述利用综合评价方法计算服务水平的文章中有一个共同的不足之处在于各 因素指标的权重不易确定。萧乾金的论文直接给出了建议的权系数值，晏克非和 杨峰的论文采用了常见的专家打分法。采用该方法确定权重存在一个可信度的问 题。所选对样本进行打分的专家一定要对被评价对象的各种特性十分了解，专业 水平和实践经验丰富，否则得出的评价矩阵将不具有权威性。做好这项工作难度 较大：而且费用和时阃是耗费较多。 湖南大学的李嘉等人着眼于整个路网系统，对组成路网的各要素( 基本路段、 交叉口、交织段、匪道等) 均采用速度和饱和度作为评价指标，基于交通仿真提出 了公路路网服务水平评价的方法，并结合交通仿真软件v i s s i m 给出了服务平评价的 实例。基于交通仿真的路网服务水平评价方法程序性强，有利于计算机编程实现， 对大规模路网有较好的适用性。但是，由于路段、路网、交织段及匝道的交通条 件存在显著的差异性，而该文章将组成路网的各要素均采用相同的两种评价指标， 其正确性及可行度有待进一步验证【l ”。 江苏大学的陶经辉提出了用最小独立变量模糊聚类方法进行指标相关性粗 选。次要指标的筛选采用保持信号交叉口综合实力按线性加权效应排序使其顺序 不变的方法。借助于专家咨询和层次分析法原理，建立了信号交叉口交通系统分 层评价指标体系，并给出了评价标准建议值。在对信号交叉口交通系统综合实力 捧序方法进行系统地探讨之后，指出单一准则下的不同的指标权重计算方法，并 对具体信号交叉口进行了应用性研究。 同济大学杨晓光等总结了适合我国混合交通的交叉口交通设计评价方法，开 发设计了城市道路交叉口交通设计评价软件，选用的交通效益指标为通行能力及 饱和度、延误及停车次数和捧队长度，提供了一套简易，实用的评价工具。但文 章中对于选取这几项指标的原因并未作过多解释【鄂。 2 。2 现有服务水平分级方法存在的问题 2 2 1 选用指标存在的问题 目前最具代表性的平面信号交叉口服务水平评价指标是美国道路通行能力手 册( h c m ) 中提出的控制延误指标。延误是指车辆在行驶中，由于受到驾驶员无 法控制的或意外的其他车辆的干扰或交通控制设施等的阻碍所损失的时亩j 。延误 能反映司机不舒适、受阻、油耗和行驶时间损失，所以是最常用的评价信号交叉 口运行状况优劣的指标f 旧。延误的类型可分为固定延误、运行延误、停车延误、 行程时间延误、排队延误、引道延误和控制延误等l l ”。由于诸因素对信号交叉1 3 服务水平的影响程度，大都反映在延误的大小上，因而美国的h c m 以平均控制延 误作为交叉口的评价指标。其他国家也纷纷参照美国的标准采用延误作为服务水 平的评价指标。 美国h c m 使用车辆平均控制延误作为确定服务水平的唯指标，虽然反映一 些因素对信号交叉口服务水平的影响程度，如信号控制条件、交叉口条件等等， 但仅仅是一个侧面，不全面。而用路者对服务水平的感受是多方面的，包括等待 时间、安全程度、舒适、便利程度等等。 位将会使左转司机感觉更安全和更舒适。 合的考虑多个因素。 例如，设置左转专用车道和左转专用相 所以信号交叉口服务水平的确定，应综 另外，我国是自行车大国，自行车拥有量达到4 亿4 千万辆，白行车在中国大 城市中出行比例很高，如2 0 0 2 年天津自行车的出行比例为5 2 5 4 1 ；从而使得中国 城市交通具有明显的混合交通特征，机非干扰非常严重，尤其在平面交叉口。然 而我国的信号交叉口服务水平评价指标大多借鉴西方国家的研究成果，适用于单 一机动车流，没有考虑自行车、行人的影响；因而不适应我国具有高度混合的交 通环境，需要针对我国的特色提出一套混合交通环境下的交叉口服务水平评价指 标。 2 2 2 分级方法存在的问题 从服务水平的定义可以看出，该问题从人的主观感受出发，有一定的模糊性。 而现在几乎所有的服务水平分级标准都是采取的一种边界硬化分的方式，以北京 市市政研究院的交叉口服务水平评价标准为例，如表2 1 1 所示，这种边界硬划分存 在以下两个问题：第一，从单个指标来看，各级服务水平的划分界限是一个定值， 使得确定的服务水平和用路者的感受存在差异在表2 l l 中，假设某机动车通过两 个交叉口的平均损失时间分别为2 9 9 秒和3 0 1 秒，根据该服务水平评价标准，则这 两个交叉口的服务水平将分别为l 级和2 级。然而在现实中用路者感受到的服务质 量可能没有什么区别，这与服务水平的概念是不相符的；第二，从多个指标角度 考虑，假设某交叉口饱和度值测定为一级，平均损失时问值为二级，如何界定该 交叉口服务水平等级的问题也是现有等级划分标准无法解决的。 表2 - 1 1 北京市市政研究院建议的交叉口服务水平评价标准 服务水平l 级2 级3 级4 级 饱和度 l 车辆通过交叉口平均损失时间( s ) 5 0 红灯平均阻车长度 5 0 1 0 0 h 时，本面进e l 道折减后的通行能力为： q 2 c 一( q 一吒) ( 3 1 6 ) 式中： ，一 k 折减后本面进口道的通行能力 k 本面进口的通行能力 7 l l 本面各种直行车道数 。* 对面进口的通行能力 乒。一对面进口道左转车所占其进口道车辆的比例，有： q ：吒儿 ( 3 1 7 ) 进口设有专用左转与专用右转车道时，进口道设计通行能力为： 2g1 ( 1 一届一屏) ( 3 1 8 ) 式中： 厶、一本面直行车道通行能力之和 一一左转车占本面进口道车辆的比例 所一左转车占本面进口道车辆的比例 专用左转车道的通行能力为： c i2 屏： ( 3 1 9 ) 专用右转车道的通行能力为： c2 羼 ( 3 2 0 ) 3 3 2 2 停车线法 该计算方法由北京市政设计院提出。它是以进口处车道的停车线作为基准面， 认为凡是通过该面的车辆就已通过交叉口，所以也称为停车线断面法。 采用停车线法计算信号交叉口的通行能力，需先假定信号周期及配时。一般 情况下，根据交通量的大小，周期长可在4 s 秒一1 2 0 眇之间选择，当周期长未达到 上限时，若计算的通行能力不能满足交通量，可延长周期后再进行计算。为避免 交叉口延误过大，周期时问不可大于1 8 0 秒 停车线法中，各车道的通行能力计算公式如下所述 ( 1 ) 一条专用直行车道的通行能力 c tk 3 6 _ _ 0 0t t _ - t a ( 3 2 1 ) 瓦t i 2 l 式中： o 直一l 条直行车道的通行能力 i c 信号灯周期 信号周期内的绿灯时间 一1 个周期内的绿灯损失时间，包括起动、加速时间，通常在绿灯前 的黄灯时间已经做好准备，待绿灯一亮即可开动，故一般只计算加速时 间损失。 而加速时间损失可用采用公式3 - 2 2 计算，平均取2 3 s , 式中： t a l - - - - 云v ( 3 - 2 2 ) v 直行车辆通过交叉口的平均车速，一般取1 3 1 5k m h a 平均起动加速度( m # ) ，其中小车为0 6 o 7 ( 本文计算取0 6 5 ) ， 中型车0 5 0 6 ( 本文计算取0 5 5 ) ，大型车0 4 0 5 ( 本文计算取0 4 5 ) t 一前后2 车辆通过停车线的平均时间( 平均车头时距) ，其值参见表3 1 。 ( 2 ) l 条右转车道的通行能力计算公式： c ：一3 6 0 0 ( 3 _ 2 3 ) 式中： t 。 、一l 条右转车道的通行能力 一前后两辆右转车辆连续驶过停车线断面的间隔时间，根据观测，大、 小车各占一半时，平均值均为4 5 s ，单纯为小汽车时其均值为3 3 6s ，在没有过街行人和自行车阻滞情况下一条右转车道的通行能 力达l o o o 1 2 0 0 j i 咖，实际上由于过街行人和自行车的影响变化很 大，一般视具体情况进行分析。 ( 3 ) l 条左转车道的通行能力计算公式： 设左转车辆专用信号时，l 条左转专用车道的通行能力，当进入交叉口的 左转弯车辆较多时，为保证交叉口具有较大的通行能力，一般需要设置左转专用 信号显示，此时1 条左转车道通行能力为： 非 c i ：半。宰 。2 4 c - 一l 条左转专用车道的通行能力 t t 一1 个信号周期内左转显示的时间 v l 左转车辆通过交叉口的行车速度 t o 左转车辆连续通过交叉口的平均车头时距 1 。信号灯周期 不设专用信号时1 条左转车道的通行能力，根据我国交通规则，绿灯时允许 车辆直行或右转，不妨碍直行车行驶的条件下准许车辆左转。黄灯亮时就不允许 车辆左转、掉头或右转，但已越过停车线的车辆可以继续前进。因此实现左转有3 种可能： a 利用初绿时问通过 左转车超前驶过与直行车冲突的地点，其条件为左转车至冲突点处较对向直 行车到冲突点处为近，使左转车有可能超前通过该点而不致碰撞，如每周期内利 用时间通过n i 辆车，则每h 可通过左转车n 1 3 6 0 0 t 。 b 利用对向直行车的可穿越车问隙通过 在对向直行车交通量不大的情况下，左转车利用其可穿越车问隙通过，其允 许通过的车辆数视对向直行车可提供的穿越间隙数而定，设每周期可通过n 2 辆，则 n 2 按下列方法确定： 根据实测，左转车穿越直行车所需的可穿越车间隙为8 s 左右，直行车头时距约 为3 5 4 s ，故可穿越车的间隙为直行车车头时距的2 倍，则每个周期可能通过的左 转车辆n 2 ：最多等于一条直行车道1 个周期的直行通行能力。直减去每个周期实际 到达的直行车。直并除以2 ，即： c 吉- c 亩 n 22 芋 ( 3 2 5 ) c 利用黄灯时间通过。 左转车辆在冲突点前排队等候，待黄灯出现，左转车迅速起动，则每周期可 能通过的左转车由下式确定： 热 2 导 t m 。v 2 a ； ( 3 - 2 6 ) ( 3 - 2 7 ) y - - 1 个周期内的黄灯时间； i 一左转车辆连续通过交叉口的车头时距； a 一机动车平均起动加速度； 综合以上，总共可通过的左转车流量为： q ：竿x n f + n 2 - i n 3 ) ( 3 - 2 8 ) - c ( 4 ) l 条直左车道的通行能力计算 对于同l 条车道上有直左混行时，因去向各异相互干扰，甚至引起停车。因此， 应乘以适当的折减系麴【，同时由于左转车通过时间约为直行车通过时问的1 7 5 倍， 则： c i = c l o 一三届) k ( 3 _ 2 9 ) 式中： a 一该车道中左转车比例 l 尚减系数，取0 7 0 9 ( 5 ) l 条直右车道的通行能力 由于右转车所占时间一般为直行车的1 5 倍，则： q ：c ( 1 一刍k ( 3 3 0 ) 式中： 屏一该车道中右转车比例 i p 一折减系数，取0 7 o 9 ( 6 ) l 条直左右车道通行能力计算公式： 2 q ( 3 3 1 ) 交叉口某一个入口的通行能力，应是左转、右转和直行车道的通行能力之和。 4 3 2 3 通行能力的计算结果 利用阜成门外一北礼士路交叉口的实测数据，交通控制参数见表4 3 。由观测 可近似认为交叉口各方向车流由小型车组成，取平均车头时距为2 5 s 。 运用城市道路设计规范法和停车线法分别计算该交叉口的通行能力，并与实 测值相比较，计算结果如表3 - 2 所示。 表3 - 2 各方法与实测值( 机动车道) 的比较 方法 城市道路设计规范法停乍线法实测结果 通行能力6 9 1 38 5 2 66 1 2 7 相对误差( ) 1 2 畅 3 9 1 由表3 2 可知，停车线法计算出来的结果较实际测得的通行能力偏大，经初步 分析，可能是停车线法以停车线为控制断面，凡通过停车线的都认为通过了交叉 口，事实上，这些车辆有可能在冲突点莳受阻滞而未能通过交叉口，造成其他车 辆延误，降低了信号交叉口的通行能力。城市道路设计规范中的方法大量采用了 现有路况的车流比例和车种组成等实测数据，计算出来的结果接近实测值。因此， 在计算车道组通行能力对，采用城市道路设计规范法为佳。 3 3 3 排队长度的计算方法 红灯平均阻车长度也叫平均排队长度，即红灯时间被阻排队车辆的平均数m 1 交通警察往往以此作为评价交叉口服务水平和指挥交通的根据 排队长度按流量饱和和非饱和分成两类 ( 1 ) 进口道车流量不饱和： n2qr(3-32) ( 2 ) 进口道车流量饱和 车流量达到饱和时，排队将有平缓的变化，绿灯时消除掉一部分，加上由红 绿灯引起的车数增减： n = q x d ( 3 3 3 ) 式中： 一饱和绿灯启亮时的初始排队车数 q 一有效红灯时间的时长 d 一单线进口道上每车的平均延误 绿灯启亮时的平均排队车数等于整个周期的平均排队车数加上周期性变化的 平均变程之半： n 2 q d + q r 2 ( 3 3 4 ) 式中： n 一饱和绿灯启亮时的初始排队车数 r 一有效红灯时间的时长 d 一单线进口道上每车的平均延误 如果一次能够排清车流量，d = r 2 ，如果进口道恰好饱和时，d = r 2 2 矿 ( 3 3 5 ) 交叉口以相位为单位计算排队车辆，将获得通行权的相位的排队车辆记为o ， 其余相位的可通过计算实际排队车辆 3 3 4 干扰率的计算方法 3 3 4 1 干扰的定义 目前国内外对干扰的研究较少，还没有统一的定义北京工业大学刘小明、 任福田认为干扰是冲突的一种形式【3 3 1 ，而交通冲突是指在可观测条件下，两个或 两个以上道路使用者在同一时间，空问上相互接近，如果其中一方采取非正常交 通行为，如转换方向、改变车速、突然停车、交通违章等，除非另一方也相应采 取避险行为，否则，会处于碰撞的境地，这一现象就是交通冲突【3 3 】。 以上定义的交通冲突技术主要应用于道路交通安全上，丽在实际中，平面交 叉口的机动车与自行车大部分情况下是处于相互影响状态，而非发生碰撞，发生 交通事故。两者虽然在形式上有相似之处，但是内涵是不同的 本文认为干扰是描述交通个体之间的相互影响概念，这种影响是指两个或两 个以上交通个体由于同一时间，空问上相互接近而使其中某一方或多方的速度、 行驶方向等交通状态发生改变。根据相互作用交通个体的不同，干扰可分成机动 车与机动车，机动车与非机动车，机动车与行人等，本文所研究的干扰是指机动 车与非机动车之间的干扰 3 3 4 2 干扰区 在实际应用中，交通流往往是多股并行，尤其在机动车、非机动车混行条件 下，交通流已经成为由多条不规则行进的交通流组成的交通断面，形成的干扰和 冲突往往是一个区域以右转机动车与直行自行车的相互干扰为例，定义右转机 动车车道延长线、停车线与路口路缘弧所围的区域为干扰区( 如图3 2 ) ，右转机 动车和直行自行车进入该区域时开始受到相互之间的干扰，离开干扰区后干扰结 束。 图3 - 2 右转机动车与直行自行乍干扰区示意幽 f i g 3 - 2i n t e t f e x e n z c a r e ab d 啊f o r i o - t i n n i n gm o t o r sa