信号交叉口延误调查与模型分析

信号交叉口延误调查与模型分析摘要车辆在信号交叉口的延误是评价交叉口服务水平和车辆通行效率的一个重要指标，研究信号交叉口延误分析模型将非常有意义。本文着重对信号交叉口延误模型进行比较分析，分析模型主要分为Webster信号交叉口延误计算模型、美国HCM延误模型以及VISSIM仿真模型，通过比较分析，表明VISSIM软件在信控交叉口延误计算分析中具有较好的精准性和有效性,可以作为交叉口延误分析评价的有效方法之一。经过延误调查方法比较分析，建立与城市交叉口延误相符合的延误分析模型，为城市信号交叉口和道路系统的分析评价提供理论依据。关键词：信号交叉口；延误；HCM延误模型；VISSIM仿真模型。AbstractDelaysatsignalizedintersectionsvehicleisanimportantindexfortheintersectionofserviceandvehicletrafficefficiency,soSignalIntersectionDelayAnalysisModelwillbeverymeaningful.Thisarticlefocusesontheintersectionofsignaldelaymodelcomparativeanalysis,analysismodelisdividedintoWebstersignalizedintersectiondelaymodel,theUnitedStatesHCMdelaymodelandsimulationmodelVISSIM。Throughcomparativeanalysis,itshowedVISSIMsoftwarehasbetteraccuracyandeffectivenessofcontrolintheletterintersectiondelaycalculationandanalysiscanbeusedasaneffectivemethodofanalysisandevaluationofintersectiondelays.Afterdelayscomparativeanalysissurveymethods,establishandurbanintersectiondelaymodelconsistentdelay,provideatheoreticalbasisfortheanalysisandevaluationofurbansignalizedintersectionandtheroadsystem.引言信号交叉口是我国城市道路主要的交叉口形式，信号交叉口的延误计算是交通流理论研究的重要内容，是评价交叉口服务水平的重要指标。信号交叉口延误是由于交叉口处信号控制引起交通流间断而损失的车辆行驶时间，包括排队延误、停车延误、控制延误、引道延误等。用于评价信号交叉口服务水平的延误只要是平均停车延误和平均控制延误。关于信号交叉口延误分析模型国内研究较少，目前国内研究过程中主要是直接应用国外的模型，由于我国城市交通与国外城市交通，在交通条件、交通方式及交通组织等方面都有很大区别，根据国外交通流的情况建立的信号交叉口延误分析模型是否符合我国城市信号交叉口交通流运行状况，还需进一步研究。本文结合Webster延误模型、HCM2000（美国道路通行能力手册）分析信号交叉口延误计算模型，在此基础上对各种模型进行总结和比较，在城市道路规划预测与评估、交叉口交通组织设计方案和信号配时设计方案的基础上，建立合理的交叉口延误分析模型。1信号交叉口延误分析模型信号交叉口的延误分析是个相当复杂的问题，它与信号周期、配时、交通量及随机因素等有关。为了全面评价信号交叉口的运行效率，1997年美国的通行能力手册引入了控制延误。控制延误是停车延误和加减速延误引起的损失时间之和。一般而言，控制延误往往易于用数学模型来描述，而停车延误则易于观测和度量。1.1Webster信号交叉口延误计算模型Webster信号交叉延误计算模型是FVWebster于1958年提出，国际上经典的交通工程著作和日本出版的《交通工程学》都引用推荐了该公式。Webster交叉口进口车道延误的计算公式为：)52(31222)(65.0X)-q(121(2)1(dXqcXXc）（1）其中，d：每辆车的平均延误；C：信号周期时长；：绿信比，即有效绿灯时间与信号周期时长的比率；q：标准化交通量（pcu/h)；s：饱和流量（pcu/h)；X：饱和度，即观测最大流量与信号交叉口进口道的通行能力之比sq。式(1)中第一项是均匀车辆到达率所产生的延误；第二项是车辆到达随机性所产生的延误；第三项是由模拟法求出的补偿项，其参数是由英国道路试验室研究模拟出来的，因此，当应用于其他城市时，还需重新标定系数，且该公式仅适用于饱和度X1时。1.2美国HCM延误模型《美国通行能力手册》是一部在交通领域具有深远影响的专著，它一直根据美国交通研究协会（TRB）最新研究成果在修订。其中对中国影响最深的是1985年版的通行能力手册。本文主要分析1985年版和2000年版的计算信号交叉口延误的HCM模型。1.2.11985年版HCM延误模型1985年版通行能力手册交叉口进口车道延误的计算公式为：]16)1()1[(1731)1(38.0d222sXXXXXc（2）其中，第一项是均匀车辆到达率所产生的延误；第二项是随机到达或超饱和流所产生的延误。该式主要适用于饱和度2.1X时。但该模型仍存在模型计算的延误值不渐进于确定的超饱和延误模型，且随着饱和度的增加，模型计算所得的延误增长过快的缺点。1.2.22000年版HCM延误模型2000年版HCM延误模型在1985年版的模型基础上，做了很大的修订。第一，考虑调查初始时交叉口就存在车辆排队对延误的影响，所以该模型是由3部分组成，第一项是标准延误项，第二项是随机到达或超饱和流所产生的延误项，第三项是存在初始排队而增加的延误项；第二，对于1985年版HCM模型中式（1）的第二项存在的上述缺陷，进行了修正。2000年版HCM延误模型是美国权威的交通研究协会在总结以前模型的缺陷的基础上提出的，模型更科学，更合理。2000年版通行能力手册交叉口进口车道延误的计算公式为①当无初始车辆排队（即0bQ）时]8)1()1[(900)(1)1(]g),1[min(1)1(5.0d22cTkLXXXTCgfPCXcgCpA（3）②当存在初始车辆排队（即0bQ）时，）（4)1(1800]8)1()1[(900)(1)1()(db2cTtuQcTkLXXXTCgfPTtTdTtdpAus当0.1X时，且Tt时；)],1min(1[1uXQcTb（5）),(maxTXcQTTbC（6）当0.1X时，且)],1min(1[,mintXcQTb时，0u，TTc；当0.1X时，Tt,1u，),(maxTXcQTTbC（7）其中，P：车辆在绿灯时间到达比率；pAf：绿灯时车队到达补充调节系数；C：信号周期；G：有效绿灯时间；X：饱和度；T：调查交叉口延误的时间；K：取决于信号设置的延误增加系数；L：上游合流、分流的调节系数；C：通行能力（pcu/h:）；bQ：调查开始时初始排队车辆数；t：调查时间段T内未存在车辆排队的时间区间；u：延误参数。1.3VISSIM仿真模型VISSIM软件是德国PVT公司研发的建立在驾驶员反映行为之上的“心理-物理学跟车模型”。在使用VISSIM进行仿真过程中，需要根据车辆的位置，速度和加减速率采取不同的运行状态：（1）当车辆遇到信号控制或车辆排队时减速行驶；（2）车辆必须在车辆排队队尾或交叉口停止线前停止；（3）当排队消散或信号变为绿灯时，车辆加速再次达到正常运行速度；（4）车辆在无信号控制影响状态时按理想运行速度行驶。1.4模型比较对低饱和度信号交叉口的延误估算，以上几个模型基本一致。随饱和度增加，一致性趋势减弱。在饱和度小于0.8时，韦伯斯特（Webster）模型和HCM1985是完全相同的。韦伯斯特（Webster）模型和其他相似的稳态随机模型在饱和度为1时都是无效的。VISSIM仿真得到的控制延误数据与HCM2000法计算的延误在允许范围内存在一定的误差。这主要是因为HCM2000延误模型是针对美国城市交叉口交通流特征建立的，而我国的交叉口交通流特性与美国存在一定的差异，所以不能直接利用HCM2000延误模型分析我国城市交叉口的延误。VISSIM通过模拟仿真，再现路段交通流的运行状况，直观地反映车流的密集程度、拥挤状况、排队状况等。能模拟路段上的非机动车及行人、交叉口处等待过街和正在过街的非机动车及行人交通流。因此VISSIM不仅能描述信号控制交叉口车辆的延误，也能计算行人和非机动车的延误。但VISSIM需根据实际交通流情况，调整跟驰模型的参数或车辆动力特性参数等，从而确保其延误分析的精度。综合国内外研究现状来看，国外对交叉口延误模型的研究开展得比较早，研究较为成熟。相比较，我国从九十年代开始进行交叉口延误的相关研究，现在还处于逐步完善阶段。其中对延误模型的研究主要集中于两个思路：一是对延误的众多影响因素进行分析，选择主要的影响因素，用大量的实测进行数据回归拟合及通过最小二乘法，得到拟合的符合某些特定条件的延误模型；另一类是基于国外的模型，分析方法和思路基本上没有多大变化，更多的研究集中在对原有公式和方法的修正上，使原有模型公式估计出的结果和现场数据更适合我国混合交通流条件下的信号交叉口的延误计算。2信号交叉口延误调查信号交叉口延误是评价信号交叉口的运行效率和服务水平的重要度量,它不仅反映了司机不舒适和受阻程度以及油耗和行驶时间损失,还反映了信号控制、设计的合理性。由于延误是个复杂的指标,受众多因素的影响很难寻求其与其他变量之间的关系;另外,大量的数据采集和处理过程给问题的分析带来一定的困难。信号交叉口的延误是假设交叉路口无信号，车辆在交叉路口无需停车通过时间与实际所需时间之差。延误是由于交通干扰、交通管理和控制设施等因素引起的车辆运行时间损失。根据延误发生的原因可分为固定延误、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。由于信号交叉口的存在而产生的延误即为信号交叉口延误。对于信号交叉口来说,车辆经历的延误主要是上述几种。用于评价信号交叉口服务水平的延误却只有平均停车延误和平均控制延误。平均停车延误是在规定的时间段内,每一条引道(或一组车道)上所有车辆总的停车时间,除以同一时间段内引道上通过的交通量,以秒/辆表示。平均停车延误概念清楚,实际应用中易于测定,被研究人员广泛接受,因此,仍然有许多研究用平均停车延误方法来评价信号交叉口的服务水平;但是,进入交叉口的部分车辆还要经历减速延误和加速延误,这是由于交叉口的实际交通流是周期性中断的,每次交通流被迫减速、停止,然后再次起动、加速;这些都引起车辆运行时间的损失。为了全面评价信号交叉口的运行效率,1997年美国的通行能力手册引入了平均控制延误:平均停车延误和加减速引起的损失时间之和。2.1交叉口延误调查方法2.1.1点样本方法交叉口延误的调查方法主要有点样本法和抽样追踪法两种。为了保证调查精度，必须有足够的样本数，根据二项分布来确定需要调查的最小样本数为221pdxpN（8）式中：N：最小样本数；P：交叉口引道处停驶车辆百分比；2x：在所求置信度下2x值，一般情况下，置信度为90%时，相应的7.22x；d：停驶车辆百分率估计值的允许误差，范围是0.01~0.1，通常取0.1或0.05。点样本法基于现场数据调查，其计算所得到的是停车延误，故计算结果小于HCM2000法计算得到的控制延误值。点样本法停车延误与HCM2000控制延误曲线有相似性，所以点样本法停车延误可以乘以一定的转换系数，通过适当修正得到控制延误。通过交叉口点样本延误调查，可得出以下数