信号交叉口微观仿真系统评价指标分析

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摘 要：对仿真系统的交通运行评价可以反映仿真系统模拟的准确性和控制结果的有效性。通过对交叉口车辆运行评价指标的关联性分析，建立了行车延误、平均排队长度、平均停车次数、二次排队率等4个相对独立有效的交叉口仿真系统运行评价指标。在对各评价指标的仿真属性分析的基础上提出了系统中评价指标的计算方法与具体实现原理。

关键词：交叉口；关联性；评价指标;可视化控制系统

中图分类号：U491 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0315802

Analysis of Evaluating Criterions for Microcosmic Simulation System at Signal Intersection

YANG Jie，ZHAO Junbo

(Zhejiang Institute of Communications,Hangzhou,311112,China)

Abstract：Evaluating the transportation running of simulation system reflects the accuracy of simulating and the validity of controlling.By analyzing the relationship of the evaluating criterions at intersection,this paper establishes the relatively independence and effective criterions.On the basis of analyzing the simulation attribute of each evaluating criterions,it describes the calculation method and the theory of carrying out these evaluating criterions in simulation system.

Keywords：intersection;correlation;evaluating criterions;visual control system

城市平面交叉口是削弱道路网络通行能力的“滞点”，对于他们的交通运行状况评价是城市交通的研究重点。对交叉通运行进行动态模拟，有助于完成交叉口运行状况的分析和交通控制的优化。本课题利用交通仿真技术开发了城市交叉口可视化控制系统(Visual Intersection Control system，VICs)。计算机仿真技术可以动态、直观、逼真地模拟交叉通运行的各种交通现象，分析交通流各要素之间的交通特性，仿真交叉通运行。对仿真系统的交通运行评价，可以反映仿真系统模拟的准确性和控制结果的有效性。本文旨在针对信号交叉口计算机仿真系统，分析仿真系统的评价指标，建立有效的评价指标体系，并提出系统中评价指标的具体实现原理与计算方法。

1 评价指标体系

1.1 评价指标关联性

评价指标除应有科学性、全面性、客观性等基本要求外，同时在评价决策中还要求指标具有独立性。如果评价指标关联，评价结果就会具有倾向性[1]。如图1所示，假设有A、B两指标是关联的，其关联性大小用其包含部分C表示，消除量纲且归一化后，A指标的数量为 Na+Nc，B指标的数量为Nb+Nc；Wa,Wb为A,B两指标的权重，综合效应为Wa×Na+Wb×Nb+(Wa+Wb)Nc，其效应夸大了(Wa×Nc)或(Wb×Nc)，可见，夸大的效应与两指标的权重和关联性大小有关系。为确保评价结果的客观性，避免评价指标的关联性是至关重要的,同时还要求评价指标具有一定的示意性和代表性。

图1 效应与指标关联性关系

1.2 评价指标体系分析

交叉口控制评价指标通常应涵盖安全、效率、环保等多方面的综合指标，计算机交通控制仿真软件主要针对效率优化而设计，而交通运行效率层面的指标如表1所示。

表1 评价指标

考察此6个指标的关联性:行车延误(指标1)与行程速度(指标2)成一定的线性关系，因在城市交通网络中，行车延误是间断交通流的一个关键运行性能指标，是车辆在通过交叉口的过程中所造成的时间损失，他不仅反映了交叉口的通畅状况，也反映了交叉口的服务水平，是所有指标中最重要的指标，因此系统选取指标1。停车次数(指标3)与停车时间(指标4)都是延误方面的指标，由于停车次数是体现交叉口控制效果的指标，并且仿真系统对此指标能较准确实现，故采用。排队长度(指标5)是所有指标中最能形象、直观地反映交叉口拥堵情况的数据，故采用。二次排队率(指标6)是交通管理中需要严格控制的指标，故选用。

综上分析，系统建立包括平均行车延误、平均排队长度、平均停车次数和二次排队率的评价指标体系。

1.3 仿真模型中评价指标实现的基础

评价指标在仿真系统中的实现，需要建立相关的统计基础。VICs系统设置OD、状态、停车次数、时间等属性，以便仿真系统有效地进行系统指标评价。车辆OD属性控制车辆的入口和出口。状态属性是指车辆是否已经通过交叉口的一个开关控制量，未通过交叉口的车辆状态为1，已经通过交叉口的车辆状态为0。停车次数属性是记录车辆停车次数的计数参数，用于评价系统平均停车次数和二次排队率等指标。时间属性记录车辆在交叉口的时间，车辆出现在交叉口时，该车状态属性为1，开始计时；车辆于交叉口消失时，该车状态属性为0，停止计时。时间属性用于评价行车延误。

2 评价指标分析和实现

2.1 行车延误

行车延误是假设交叉口没有信号灯控制，车辆在交叉口不停车而通过所需时间与实际所需时间之差，其影响因素主要有车辆到达率和交叉口通行能力两个方面。行车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。VICs系统以交通延误最小作为控制指标，因此以行车延误为主来进行系统评价，本文对其作详细分析，并采用两种方法实现。

2.1.1 Webster法

在分析中，假设车辆到达率在一定时间段内稳定，交叉口进口道通行能力为常数，车辆受信号阻挡所造成的行车延误与车辆到达率的相互关系不变且无长期排队。延误分均衡相位延误与随机延误两部分[2]。

由Webster理论，车辆总延误时间表达为：

其中α是从车流模拟实验计算得出的修正项，由于数值较小，可忽略不计。因此，通过对均衡相位延误和随机延误的实现，将此二延误相加可求得各相位行车延误，再以相位求得平均，即可得出平均行车延误。

2.1.2 时间差法

根据延误的定义，平均行车延误亦可用VICs系统中时间属性来实现。车辆的时间属性记录了每辆车在交叉口的时间，这个时间即可用于延误计算。系统以周期为单位，计算车辆在交叉口的总时间，减去理论通行时间，再取平均，即可得到一周期内的平均行车延误。

通过系统实测数据验证，Webster法与时间差法拟合度较高，从而证明本系统对行车延误的实现方法科学合理，能对控制效果进行评价。

2.2 平均排队长度

平均排队长度能形象、直观地反映交叉口拥堵情况。信号交叉口的排队长度计算[3]，按流量饱和与非饱和分成两类:

(1) 进口道车流量不饱和时，绿灯启亮时的初始排队车辆数N为：

N = qtER

(2) 进口道车流量饱和时，绿灯启亮时的平均排队车辆数等于整个周期的平均排队车辆数加上周期性变化的平均变程之半，则饱和绿灯启亮时的初始排队车辆数N为：

N = qti + qtER/2

如果进口道恰好饱和时，ti = tER/2，N = qtER。

系统以相位为单位计算排队长度，将获得通行权的相位的排队长度记为0，其余相位计算实际排队长度，再以车道平均，即可得到每车道的平均排队长度。

2.3 平均停车次数

平均停车次数可以直观地反映交叉口延误情况和服务水平。系统利用车辆属性中的停车次数属性记录了每辆车在交叉口的停车次数，以周期为单位，计算一周期内所有车辆的停车次数之和，再求平均，即可得到一周期内的平均停车次数。

2.4 二次排队率

二次排队率能够直观地反映交叉口是否拥堵，是交通管理中需要严格控制的指标。在交叉口进口道上，经过交叉口的车辆连续二次或二次以上遇到红灯而导致车辆二次或二次以上的停车排队，将这辆车定义为二次排队车辆。二次排队示意图如图2所示。

图2 二次排队示意图

二次排队率[4]是指一个周期内停车二次或二次以上的车辆数与该周期绿灯时间内的驶离车辆数之比。

VICs系统利用车辆属性中的停车次数属性，以周期为单位，计算停车次数≥2的车辆数，再除以一周期内的车辆总数，即可得到一周期内的二次排队率。

3 结 语

本文通过对交叉口车辆运行评价指标的关联性分析，建立了行车延误、平均排队长度、平均停车次数、二次排队率等4个相对独立有效的交叉口仿真系统运行评价指标。在对各评价指标的仿真属性分析的基础上，本课题提出了系统中评价指标的计算方法与具体实现原理。经系统初步调试验证，本指标体系能基本评价交叉通运行状况，能作为本课题“城市交叉口可视化控制系统(Visual Intersection Control system，VICs)”的车辆运行评价指标。

参考文献

[1]杨晓光,云美萍.城市交通控制系统交通效益评价指标及其关联性研究[J].公路交通科技,2004(10):81―84.

[2]尹宏宾,徐建闽.道路交通控制技术[M].广州：华南理工大学出版社,2000.

[3]何宁,杨涛,李朝阳,等.信号交叉口延误及排队长度的实证研究和应用[J].公路交通科技,2002,19(5):106―109.

[4]张建华,林航飞.平面信号交叉口车辆两次停车率研究[J].交通科技,2004(3):96―98.

作者简介 杨 洁 女，1980年出生,同济大学在读工程硕士，浙江交通职业技术学院，助教。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。