信号交叉口控制延误算法的适应性研究

信号交叉口控制延误算法的适应性研究
沈 旅 欧１，刘 好 德２，３
（１．华南理工大学 土木与交通工程学院，广东 广州 ５１０６４１；２．交通运输部科学研究院 城市交通研究中心，北京 １０００２９； ３．同济大学 测量与国土信息工程系，上海 ２０００９２）
摘要：针对美国 ＨＣＭ ２０００ 基 于 车 道 组 计 算 信 号 交 叉 口 控 制延误方法中对同一车道组内各车道使用不均衡情况的处 理方式与实际情况不符合的问 题，依 托 交 叉 路 口 实 例 分 析 了 基于车道组和基于车道两种控 制 延 误 计 算 方 法 的 差 异 ，且 对 Ｗｅｂｓｔｅｒ延误计算公式 以 及 排 队 论 模 型 进 行 了 探 讨，分 析 了 造成此差异的原因，得出了基于 车 道 组 和 基 于 车 道 的 两 种 控
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｇｎａｌｉｚｅｄ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｌａｙ；ｕｎｅｑｕａｌ ｌａｎｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｌａｎｅ ｇｒｏｕｐ－ｂａｓｅｄ；ｌａｎｅ
制延误计算方法的适用条件，并 对 普 遍 采 用 的 控 制 延 误 计 算
方法及计算工具的开发提出了 改 进 建 议．研 究 成 果 对 于 准 确 计算信号交叉口控制延误、指导 相 应 的 辅 助 计 算 工 具 开 发 具 有参考价值．
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同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版）
第 ４０ 卷
交匝道交接 交 叉 口 的 车 道 折 算 系 数 的 默 认 值［３］．其 些发现还需要更多的实际调查数据来核实．
中，对于４车道的情 况 最 小 的 默 认 值 低 至 ０．２８９．笔
鉴于 Ｗｅｂｓｔｅｒ方法中标准延误项的计算是 建 立
控 制 延 误 是 美 国 道 路 通 行 能 力 手 册 Ｈｉｇｈｗａｙ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｍａｎｕａｌ ２０００ 版［１］（ＨＣＭ ２０００）中 信 号 交 叉口 服 务 水 平 评 价 的 主 要 指 标．其 普 遍 地 被 信 号 交 叉口评价及配时软件接受为延误的标准表达形式． 信号交叉口配时设计的主要目的之一就是通过优化 设计来 减 少 总 控 制 延 误．在 ＨＣＭ ２０００ 中 控 制 延 误 的计算采用 的 是 改 进 的 Ｗｅｂｓｔｅｒ公 式［２］．此 公 式 包 括 ３ 项 延 误 ：标 准 延 误 ，增 量 延 误 和 初 始 排 队 延 误 ．
在实际情况中一个车道组内部各车道的饱和流 量存在差异，特别是对于合用车道时，其 饱 和 流 量 往 往随实际分配不同行驶方向的车流量而动态变化． 目前已有很多关于当同一车道组内各车道饱和流量
上面介绍的文献讨论了在各个车道饱和流量不 一致的情况下，如何估计实际各个车 道 分 配 的 流 量， 从而 计 算 控 制 延 误．而 本 文 则 重 点 讨 论 在 已 知 车 道 流量 分 布 的 情 况 下 应 该 如 何 计 算 控 制 延 误．在 许 多 情况 下，如 果 同 一 车 道 组 中 各 车 道 的 使 用 存 在 比 较 大的 差 别 时，一 般 在 进 行 信 号 配 时 前 会 到 现 场 收 集 数据，然 后 按 照 ＨＣＭ ２０００ 介 绍 的 方 法 计 算 出 车 道 折算 系 数 而 替 代 延 误 计 算 软 件 中 的 默 认 值．下 面 通 过实例来分析在这种情况下 ＨＣＭ ２０００基于车道组 的方 法 与 基 于 车 道 的 延 误 计 算 方 法 的 差 异，并 在 此 基础上提出解决方案的建议．
法．本 文 以 下 部 分 将 从 ＨＣＭ ２０００ 方 法 介 绍 与 文 献 综述入手，通过实例比较分析，探析 Ｗｅｂｓｔｅｒ延误计 算 公 式 ，进 而 得 出 结 论 并 提 出 相 应 的 建 议 ．
１ ＨＣＭ ２０００ 方 法 及 相 关 文 献 综 述
ＨＣＭ ２０００ 方 法 兼 容．同 时 Ｄｅｎｎｉｓ 也 建 议 在 Ｈｉｇｈｗａｙ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｍａｎｕａｌ ２０１０ 版［１０］（ＨＣＭ ２０１０） 中采纳 Ｂｒａｎｄｏｎ的 均 衡 排 队 长 度 的 车 道 选 择 方 法， 并 且 将 其 应 用 在 车 道 的 层 面 上．而 最 新 的 ＨＣＭ ２０１０采纳 的 是 Ｄｅｎｎｉｓ提 出 的ＩＱＡ 方 法［１０］，但 仍 然 是基于车道组的层面．
对 Ｗｅｂｓｔｅｒ延误公 式 进 行 了 探 析．据 此 推 荐 在 非 饱 和情况下相对 ＨＣＭ ２０００基于车道组的控制延误计 算方法适 应 性 更 好 的 基 于 车 道 的 控 制 延 误 计 算 方
Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ在 ＴＲＡＮＳＹＴ 中 的 仿 真 方 法，其 适 用 于 普遍 的 排 队 累 计 情 况，包 括 在 同 一 周 期 内 多 次 绿 灯 的情况．并 且 其 在 过 饱 和 情 况 下 的 计 算 方 式 也 跟
立交匝道区域的信号交叉口，因为交 叉 口 间 距 短，驾 驶员需考虑在下一个交叉口的转向进入不同行驶方 向的匝道，而造成车道的不均衡使用．对 于 车 道 使 用 不均衡的现象，美 国 科 学 院 交 通 研 究 委 员 会 （ＴＲＢ） 进行 了 实 地 数 据 收 集 研 究，并 在 美 国 国 家 合 作 公 路 研究项目报告 （ＮＣＨＲＰ Ｒｅｐｏｒｔ ５９９）中 提 出 了 在 立
ＨＣＭ ２０００采用的是基于车 道 组 的 控 制 延 误 计 算方式．通常将所有左转车道、直行车 道 或 右 转 车 道 分别 划 归 为 一 个 车 道 组．而 实 际 中 同 一 车 道 组 内 各 个车 道 的 使 用 普 遍 存 在 不 均 衡 的 情 况．这 可 能 是 由 于驾 驶 员 的 车 道 选 择 习 惯 不 同，各 车 道 通 行 能 力 不 同，或 是 驾 驶 员 根 据 出 行 路 径 的 需 要 而 提 前 选 择 车 道所 造 成．在 车 道 不 均 衡 使 用 的 情 况 下，ＨＣＭ ２０００
收 稿 日 期 ：２０１１－０２－１０ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （５０９０８１７３） 第 一 作 者 ：沈 旅 欧 （１９７８— ），男 ，讲 师 ，工 学 博 士 ，主 要 研 究 方 向 为 交 通 工 程 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｔｌｓｈｅｎ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 通 讯 作 者 ：刘 好 德 （１９７８— ），男 ，副 研 究 员 ，工 学 博 士 ，主 要 研 究 方 向 为 城 市 交 通 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｏｄｅｌｉｕ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
在 ＨＣＭ ２０００ 中 控 制 延 误 是 基 于 车 道 组 计 算 的．在应用 ＨＣＭ ２０００控制延误计算公式之前，车道 组流 量 需 经 过 高 峰 小 时 系 数 修 正；而 饱 和 流 量 则 经 过车道数，车 道 宽，重 车 百 分 比，坡 度，路 边 停 车，公 交站台，区域 类 型，车 道 使 用 折 算 系 数，左 转 车 影 响 系数，右转车 影 响 系 数，行 人 对 左 转 车 的 影 响 系 数， 以及行人与自行车对右转车的影响系数等的修正．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｍａｎｕａｌ ２０００ ａｐｐｌｉｅｓ ｌａｎｅ ｇｒｏｕｐ ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｌａｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｎｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｈａｎｄｌｅ ｔｈｅ ｕｎｅｑｕａｌ ｌａｎｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｎｅ ｇｒｏｕｐ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ．
ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｌａｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ ｂｙ ｓｉｇｎａｌ ｔｉｍｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．
第 ４０ 卷 第 ４ 期 ２０１２ 年 ４ 月
同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＯＮＧＪＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ）
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１２
文 章 编 号 ：０２５３－３７４Ｘ（２０１２）０４－０５５９－０５
wk.baidu.com
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－３７４ｘ．２０１２．０４．０１０
不同 时 驾 驶 员 如 何 选 择 行 驶 车 道 的 研 究．其 研 究 结 果也被不同的交通管理部门采用并实施于计算交叉 口延 误 的 软 件 中．澳 大 利 亚 的 交 叉 口 配 时 软 件
２ 非 饱 和 状 况 下 交 叉 口 控 制 延 误 计 算 实例比较分析
ＳＩＤＲＡ 采用的 是 均 衡 饱 和 度 方 法［４］；ＨＣＭ ２０００ 采 用的 是 均 衡 流 量 比 方 法．这 两 种 方 法 在 同 一 车 道 组 内各 车 道 获 得 的 有 效 绿 灯 时 间 一 致 时 是 等 价 的．同 样瑞典［５］和加拿大 的 ［６］ 通 行 能 力 手 册 也 是 采 用 均 衡 流量比 的 方 法．但 是 与 ＨＣＭ ２０００ 应 用 在 车 道 组 层 面 不 同 ，ＳＩＤＲＡ，瑞 典 和 加 拿 大 的 方 法 是 应 用 在 各 个 车道 的 层 面．当 实 地 测 量 到 车 道 使 用 不 均 衡 时， ＨＣＭ ２０００中采用车道折算系数进 行 修 正 而 计 算 车 道组 的 控 制 延 误．可 以 证 明 此 方 法 实 际 上 是 隐 性 的 使用 了 均 衡 流 量 比 的 方 法，即 假 设 流 量 在 不 同 的 车 道当 中 是 按 照 均 衡 流 量 比 的 方 法 分 配 的．除 了 均 衡 饱和度和均衡流量比两种车道流量分配的方法外， 还有均衡排队长度方法，均衡延误方 法，和 最 小 旅 行 时间方法等［７］．Ｂｒａｎｄｏｎ 在 ２００２ 年 通 过 实 地 数 据 研
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ Ｕｒｂａｎ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｇｅｏ－Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２， Ｃｈｉｎａ）
关键词：信号交叉口；控 制 延 误；车 道 非 均 衡 使 用；基 于 车
道 组 ；车 道
中 图 分 类 号 ：Ｕ４９１．１１２
文 献 标 识 码 ：Ａ
Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｅｌａｙ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ
ＳＨＥＮ Ｌｖｏｕ１，ＬＩＵ Ｈａｏｄｅ２，３
者比较分 析 了 在 非 饱 和 情 况 下 控 制 延 误 分 别 采 用 ＨＣＭ ２０００基于车道组的控制延误 计 算 方 法 和 基 于 车道的控制延误计算方法，发现两者 存 在 差 异，进 而
在三角形形状的 排 队 累 计 图 形 的 基 础 上 的，２００５ 年 Ｄｅｎｎｉｓ提出了 增 量 排 队 累 计 （ＩＱＡ）方 法［９］．这 种 方 法 是 一 种 更 加 广 义 的 Ｗｅｂｓｔｅｒ 方 法，类 似 于
采用车道使用折算系数来对车道组的饱和流量进行 修正．
笔者在一些信号配时设计的应用实践中常常遇 到车 道 使 用 不 均 衡 的 情 况．特 别 是 在 邻 近 高 速 公 路
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｌａｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｆｉｒｓｔ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｌａｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｆｏｒ ｌａｎｅ ｇｒｏｕｐ－ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｌａｎｅ－ｂａｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ ｒｅｖｉｅｗｉｎｇ Ｗｅｂｓｔｅｒ’ｓ ｄｅｌａｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｑｕｅｕｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｔｈｅ