程加琪 徐良杰

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

交叉口是多個(gè)方向和多種類型的交通流交匯、沖突嚴(yán)重的區(qū)域，信號(hào)交叉口以信號(hào)控制的手段通過時(shí)間分隔化解過街行人與機(jī)動(dòng)車的沖突.由于違章成本高，查處手段完善，機(jī)動(dòng)車在信號(hào)交叉口極少闖紅燈，然而在信號(hào)交叉口等待過街的行人中卻不乏冒著自身安全的風(fēng)險(xiǎn)闖紅燈者.由行人原因造成的交通事故在信號(hào)交叉口占有一定比例，而且由于行人本身缺乏保護(hù)，一旦發(fā)生事故致死致傷率極高，根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)行人在交通事故中的死亡率達(dá)0.5人/起.而我國城市交通典型特征是混合交通，且城市交通實(shí)踐中存在著“重機(jī)動(dòng)車交通而輕步行交通”的思想，步行交通規(guī)劃落后，行人設(shè)施管理、規(guī)劃不完善，導(dǎo)致大量行人交通違章穿越，交通事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響城市交通系統(tǒng)運(yùn)行效率.

行人交通靈活性強(qiáng)，行人本身也容易受環(huán)境影響產(chǎn)生心理變化，目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)行人違章行為的研究，對(duì)行人違章的原因[1]、行為特征[2]、行人等待[3]、行人心理[4-5]等人的本身因素做了大量分析；也有學(xué)者利用博弈論[6]、計(jì)劃行為理論[7-8]、閾值模型[9-10]等試圖構(gòu)造行人過街的行為模型，但缺乏行人違章行為對(duì)于交通系統(tǒng)的影響研究.針對(duì)行人違章行為與機(jī)動(dòng)車的沖突，和機(jī)動(dòng)車在交叉口產(chǎn)生的延誤，該文結(jié)合武漢市信號(hào)交叉口行人違章調(diào)查數(shù)據(jù)，建立行人違章影響下通行能力修正模型，量化行人違章行為對(duì)信號(hào)交叉口通行效率的影響，對(duì)于優(yōu)化信號(hào)交叉口的交通組織，提高行人在交叉口處的安全性具有重要意義，為行人穿越創(chuàng)造更好的交通環(huán)境，促進(jìn)人、車、路三者的和諧.

1 行人違章行為劃分

1.1 機(jī)動(dòng)車延誤分析

車流均勻穩(wěn)定到達(dá)情況下，行人違章行為一般是在行人信號(hào)的綠尾紅燈剛啟亮的頭幾秒，和綠初紅燈尚未結(jié)束的一個(gè)較短的時(shí)段內(nèi).此時(shí)行人利用可接受的車流間隙來穿越車流達(dá)到過街的目的.在交叉口未飽和狀態(tài)下車流間隙通常較大，人群中部分大膽的行人便會(huì)尋找合適的時(shí)機(jī)違章過街，另一部分從眾行人跟隨前者也違章過街，車輛在通過交叉口時(shí)為避免碰撞一般會(huì)采取減速措施，因此，增加了行車的均勻延誤.

行人紅燈前期加速通過行為使得車輛啟動(dòng)損失增加，有效綠燈時(shí)長(zhǎng)減少，降低車道的通行能力.行人紅燈末尾搶行行為可能阻礙車隊(duì)末尾車輛的通行，使得停車線后的排隊(duì)車輛在依此綠燈時(shí)間內(nèi)不能放空，造成二次排隊(duì)，即過飽和現(xiàn)象.行人違章行為增加了進(jìn)口道的這種隨機(jī)過飽和出現(xiàn)的概率，過飽和狀態(tài)下的交叉口車輛多，車流間隙小，行人出于自身安全考慮較少地打斷車流違章過街.

1.2 行人違章行為劃分

根據(jù)不同紅燈期間的行人違章行為對(duì)車流的影響不同，將不同紅燈期間的違章行為劃分為三種：紅燈前期加速行為、紅燈中期通過行為和紅燈末期搶行行為.

1) 紅燈前期加速行為是指在行人信號(hào)綠燈結(jié)束、紅燈起亮?xí)r進(jìn)入人行橫道過街.若將行人信號(hào)紅燈起亮的時(shí)間設(shè)為起始時(shí)間0；則紅燈前期加速行為的時(shí)間區(qū)間TE=[0,tE].通過觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，紅燈前期加速通過行為多發(fā)生在紅燈起亮后0～4 s的時(shí)間，因此取tE=4.行人紅燈前期加速通過行為使得車輛啟動(dòng)損失增加，有效綠燈時(shí)長(zhǎng)減少，降低車道的通行能力.

2) 紅燈末期搶行行為是指在行人信號(hào)燈綠燈還未起亮、紅燈倒計(jì)時(shí)進(jìn)入人行橫道過街.記行人紅燈信號(hào)的總時(shí)長(zhǎng)為T；則紅燈末期搶行行為的時(shí)間區(qū)間TL=[tL,T].通過觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，紅燈末期搶行行為多發(fā)生在綠燈起亮前0～3 s的時(shí)間，因此取tL=T-3.行人紅燈末期搶行行為可能阻礙車隊(duì)末尾車輛的通行，使得停車線后的排隊(duì)車輛在依此綠燈時(shí)間內(nèi)不能放空，造成二次排隊(duì)，即過飽和現(xiàn)象.

3) 紅燈中期通過行為是指在上述兩個(gè)期間之外的紅燈期進(jìn)入人行橫道過街，可得紅燈中期通過行為的時(shí)間區(qū)間TM=[tE,tL].在交叉口未飽和狀態(tài)下車流間隙通常較大，人群中部分大膽的行人便會(huì)尋找合適的時(shí)機(jī)違章過街，此時(shí)行人與車輛的距離較遠(yuǎn)，行人違章過街的行為對(duì)車輛造成影響較小，因此，本文不討論此種違章行為對(duì)交通的影響.

2 進(jìn)口道通行能力修正模型

交叉口的機(jī)動(dòng)車通行能力是對(duì)每個(gè)進(jìn)口道規(guī)定的，它是在現(xiàn)行的交通狀況、車行道和信號(hào)設(shè)計(jì)的條件下，某一指定進(jìn)口道所能通過交叉口的最大流量.信號(hào)控制交叉口的通行能力以飽和流量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，指定進(jìn)口道的通行能力為

Ci=Si×(g/c)i

(1)

式中：Ci為進(jìn)口道i(或第i車道組)的通行能力，pcu/h；Si為進(jìn)口道i(或第i車道組)的飽和流量，pcu/h；(g/c)i為進(jìn)口道i(或第i車道組)的綠信比.

其中飽和流量是影響機(jī)動(dòng)車通行能力的因素之一.飽和流量是假定進(jìn)口道車輛在全綠情況下所能通過的最大流量.在實(shí)際計(jì)算中，先選擇基本飽和流量[11].各進(jìn)口道基本飽和流量見表1.

表1 各類進(jìn)口道基本飽和流量

考慮行人的影響，美國《道路通行能力手冊(cè)》(HCM)中關(guān)于行人因素校正系數(shù)模型，根據(jù)沖突點(diǎn)行人占用率對(duì)飽和流率進(jìn)行折減，從而計(jì)算通行能力.

行人校正系數(shù)可表示為

fRpb=1.0-PRT(1-ApbT)(1-PRTA)

(2)

fLpb=1.0-PLT(1-ApbT)(1-PLTA)

(3)

式中：fRpb為行人對(duì)右轉(zhuǎn)車流影響的校正系數(shù)；fLpb為行人對(duì)左轉(zhuǎn)車流影響的校正系數(shù)；PRT為車道組中右轉(zhuǎn)車輛所占的比例；PLT為車道組中左轉(zhuǎn)車輛所占的比例；ApbT為非保護(hù)相位下行人影響因子；PRTA為保護(hù)相位內(nèi)右轉(zhuǎn)通行時(shí)長(zhǎng)所占的比例；PLTA為保護(hù)相位內(nèi)左轉(zhuǎn)通行時(shí)長(zhǎng)所占的比例.

以下通過分析不同行人違章行為對(duì)影響因子ApbT的影響，從而得出考慮行人違章行為情況下信號(hào)交叉口通行能力的折減系數(shù).

2.1 紅燈末期搶行行為

稱紅燈末期搶行的違章行為情境一，這種情況下影響了這一相位清尾車輛的通行，引起本可以通過交叉口的車輛的延誤，影響機(jī)動(dòng)車的通行效率.通過觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，紅燈末期搶行行為多發(fā)生在綠燈起亮前1～3 s的時(shí)間，取其平均值r1.那么行人通行相位時(shí)長(zhǎng)gp應(yīng)增加為(gp+r1)，得到qpedg1和此類違章行為下行人影響因子ApbT1計(jì)算公式：

qpedg1=qped×c/(gp+r1)

(4)

式中：qpedg1為情景一行人通行的流率，ped/h；qped為分析時(shí)段內(nèi)的行人交通量，ped,g/h；c為信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)，s；gp為行人通行相位時(shí)長(zhǎng)，s；r1為搶行時(shí)間，s.

(5)

式中：OCCpedg1為情景一機(jī)動(dòng)車與行人沖突區(qū)域的行人占有率；qpedg1同前.

(6)

式中：ApbT1為情景一的行人影響因子；Nrec為左轉(zhuǎn)車流或右轉(zhuǎn)車流的出口道數(shù)量；Nturn為左轉(zhuǎn)車流或右轉(zhuǎn)車流在進(jìn)口道的數(shù)量；OCCpedg1同前.

2.2 紅燈前期加速通過行為

稱紅燈前期加速通過的違章行為情境二.這種情況下影響了機(jī)動(dòng)車的啟動(dòng)，增加啟動(dòng)時(shí)間.通過實(shí)際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，紅燈前期加速通過行為多發(fā)生在紅燈起亮后0～4 s的時(shí)間，取其平均值r2.那么行人通行相位時(shí)長(zhǎng)gp應(yīng)增加為(r2+gp)，得到此類違章行為下行人影響因子ApbT2計(jì)算公式為

qpedg2=qped×c/(r2+gp)

(7)

式中：qpedg2為情景二行人通行的流率，ped/h；qped為分析時(shí)段內(nèi)的行人交通量，peds/h；c為信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)，s；r2為行人紅燈起亮后時(shí)間，s；gp為行人通行相位時(shí)長(zhǎng)，s.

(8)

式中：OCCpedg2為情景二機(jī)動(dòng)車與行人沖突區(qū)域的行人占有率；qpedg2同前.

(9)

式中：ApbT2為情景二的行人影響因子；Nrec為左轉(zhuǎn)車流或右轉(zhuǎn)車流的出口道數(shù)量；Nturn為左轉(zhuǎn)車流或右轉(zhuǎn)車流在進(jìn)口道的數(shù)量；OCCpedg2同前.

2.3 通行能力修正模型

(10)

得到考慮行人違章行為的信號(hào)交叉口進(jìn)口道通行能力修正模型：

(11)

(12)

(13)

3 模型適用性分析

3.1 數(shù)據(jù)調(diào)查

選擇沒有特殊的地理和幾何影響因素的具備較好觀測(cè)條件的典型信號(hào)交叉口，調(diào)查時(shí)間選取工作日的07：00—09：00，以及高峰時(shí)段17：00—7：30，且保證每個(gè)交叉口至少1 h的觀察時(shí)間進(jìn)行調(diào)查.

調(diào)查選取武漢市友誼大道-才華街交叉口，為主次相交路口，見圖1.主路友誼大道南向雙向10車道，北向雙向7車道，才華街雙向4車道.交叉口道路線形為直線，路面縱坡為0，行車道寬度為3.5 m，人行橫道的寬度8 m，機(jī)動(dòng)車設(shè)計(jì)速度為40～60 km/h.交叉口采用三相位信號(hào)控制(相位一：友誼大道車輛直行與右轉(zhuǎn)；相位二：友誼大道車輛左轉(zhuǎn)；相位三：才華街車輛直行、右轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn))，信號(hào)燈周期為120 s， 黃燈時(shí)間為3 s，全紅時(shí)間為1 s，相位一綠燈時(shí)間為46 s，相位二綠燈時(shí)間為32 s，相位三綠燈時(shí)間為30 s.

圖1 交叉口車道示意圖

調(diào)查獲取了各進(jìn)口道的行人過街交通量和各進(jìn)口車道的機(jī)動(dòng)車交通量，見表2.

表2 交叉口各進(jìn)口道流量

3.2 仿真建模

基于行人違章過街調(diào)查數(shù)據(jù)，建立行人違章行為與通行效率模型，量化行人違章行為對(duì)信號(hào)交叉口交通運(yùn)行的影響.利用VISSIM仿真環(huán)境和仿真原理，對(duì)信號(hào)交叉口行人違章穿越行為進(jìn)行模擬分析.

在信號(hào)控制交叉口，到達(dá)路口的各交通個(gè)體如果完全遵照交通規(guī)則使用自己的路權(quán)通行，那么交叉口總體延誤達(dá)到最小，但現(xiàn)實(shí)是總會(huì)有違章者擾亂交叉口的秩序，進(jìn)而造成交叉口延誤.在仿真系統(tǒng)中設(shè)置交叉口信號(hào)控制規(guī)則時(shí)，在人行橫道處設(shè)置兩個(gè)路段：一個(gè)路段選擇信號(hào)控制方式，在此路段所有行人是遵規(guī)過街的.另一個(gè)路段則選擇無信號(hào)控制方式，且設(shè)置優(yōu)先規(guī)則，定義為行人讓行機(jī)動(dòng)車，可看作行人在無信號(hào)控制人行橫道上選擇可穿越間隙穿插過街的情景.以此來做行人違章穿越行為的仿真.此時(shí)，兩個(gè)路段的行人流量比例即為遵章行人數(shù)與違章行人數(shù)之比.

3.3 結(jié)論與分析

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，使用SPSS軟件對(duì)式(10)中的模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，擬合結(jié)果R方為0.992，證明模型具有較高的擬合度，算例中考慮行人違章行為的影響因子為

(11)

將武漢市友誼大道—才華街交叉口南進(jìn)口機(jī)動(dòng)車運(yùn)行效率分別以美國《道路通行能力手冊(cè)》行人因素校正系數(shù)模型(HCM基礎(chǔ)模型)、修正模型和VISSIM仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，其結(jié)果見表3.

表3 不同模型車道通行能力對(duì)比 pcu/h

分析不同模型計(jì)算得到的各車道通行能力值，HCM基礎(chǔ)模型計(jì)算得到車道1，4、5的通行能力值分別為315，310和510 pcu/h，由該文修正模型得到的通行能力值分別為296，291，497 pcu/h；計(jì)算模型計(jì)算值與仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差.HCM基礎(chǔ)模型的誤差分別為5.15%，8.01%，6.90%；本文提出的修正模型誤差分別為2.47%，3.14%，2.07%.該文考慮行人違章行為的交叉口通行能力修正模型與仿真結(jié)果誤差均在5%以下，說明該修正模型更接近交叉口交通運(yùn)行狀態(tài)，具有較強(qiáng)的適用性.

4 結(jié) 束 語

為了研究行人違章行為對(duì)機(jī)動(dòng)車延誤的影響，根據(jù)不同時(shí)期的行人違章行為對(duì)交通流產(chǎn)生的影響不同，將其劃分為紅燈前期加速行為、紅燈中期通過行為和紅燈末期搶行行為三種類型，并針對(duì)其中紅燈前期加速行為和紅燈末期搶行行為兩種行為，對(duì)進(jìn)口車道交通流的影響建立了通行能力修正模型，最后通過對(duì)比仿真數(shù)據(jù)和HCM基礎(chǔ)模型、本文修正模型計(jì)算值，得到修正模型誤差值均優(yōu)于HCM基礎(chǔ)模型，可為信號(hào)交叉口行人交通組織的優(yōu)化提供參考依據(jù)，也可對(duì)交叉口信號(hào)控制方案提供參考.后續(xù)研究將對(duì)紅燈中期通過行為對(duì)交叉口通行效率的影響做深入分析，從行人違章與機(jī)動(dòng)車沖突的角度出發(fā)，建立基于人機(jī)沖突的交叉口通行效率模型.

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