高萬晨

信號(hào)配時(shí)對交通噪聲和延誤的影響研究——以明光橋交叉口為例

高萬晨

（遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 信息管理學(xué)院，遼寧 大連 116052）

以北京明光橋交叉口為研究對象，基于工作日早高峰（7:00—8:00）實(shí)際調(diào)查的交通量、渠化方案、聲功率級(jí)、相位等數(shù)據(jù)，運(yùn)用Webster和交通噪聲預(yù)測模型，利用Matlab2018b和VISSIM6.0軟件，研究不同信號(hào)配時(shí)方案對明光橋交叉口交通噪聲和延誤的影響規(guī)律，研究表明，隨著信號(hào)周期的增加，各監(jiān)測點(diǎn)的交通噪聲值隨之增大，整個(gè)交叉口的交通噪聲值也隨之增加，交叉口的總延誤以最佳信號(hào)周期0為分界點(diǎn)，先減小后增大。

交通工程；信號(hào)配時(shí)；交通噪聲；延誤

交通擁堵通常發(fā)生在城市路網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處，或僅在某個(gè)交叉口出現(xiàn)擁堵，即“點(diǎn)擁堵”。如果這類交通擁堵沒有得到及時(shí)、有效地解決，那么將會(huì)呈現(xiàn)出“點(diǎn)–線–面”的蔓延趨勢，影響整個(gè)城市路網(wǎng)的運(yùn)行效率。為此學(xué)者針對城市道路交叉口擁堵問題開展了一系列研究，如通過對渠化方案[1]、信號(hào)配時(shí)模型[2]、求解算法[3]等方面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以緩解城市道路交叉口的擁堵。

近年來，隨著城市道路瓶頸處緩堵措施的科學(xué)應(yīng)用與不斷優(yōu)化，城市路網(wǎng)交通擁堵在某種程度上得到了緩解，例如，2018年北京市路網(wǎng)交通指數(shù)為5.7（即為輕度擁堵水平）較2010年降低6.6%。雖然交通擁堵得到了緩解，但是在交叉口附近的交通噪聲污染問題日益凸顯，逐漸受到各國政府和人們的廣泛關(guān)注，交通噪聲的負(fù)面影響主要體現(xiàn)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、公眾衛(wèi)生和城市環(huán)境3個(gè)方面。

在公眾衛(wèi)生方面：交通噪聲不僅對人們生理、心理產(chǎn)生影響，還可以干擾人們的睡眠和交流。在城市環(huán)境方面：我國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《2017年中國環(huán)境噪聲污染防治報(bào)告》顯示，2016年，全國322個(gè)地級(jí)及以上城市開展聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，晝間區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量達(dá)到1級(jí)的城市16個(gè)，占5%。2016年相關(guān)部門共收到環(huán)境投訴119萬件，其中噪聲投訴52.2萬件，占環(huán)境投訴總量43.9%。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面：噪聲污染不僅可以導(dǎo)致房地產(chǎn)貶值，還可以造成車輛貶值等損失[4]，根據(jù)相關(guān)部門估計(jì)，我國每年由交通噪聲造成的經(jīng)濟(jì)損失約為216億元[5]。

因此，本文以交叉口為研究對象，研究不同信號(hào)配時(shí)方案對交通噪聲和延誤的影響規(guī)律，利用發(fā)現(xiàn)的規(guī)律制定出合理的信號(hào)配時(shí)方案，以期降低交通噪聲對交叉口及其附近居民工作和生活的影響，同時(shí)，降低交叉口延誤，緩解城市交通瓶頸處的擁堵，真正做到以人為本，而不是以車為本。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查與處理

本文以北京市海淀區(qū)學(xué)院南路（東西方向）與西土城路（南北方向）的信號(hào)交叉口為研究對象，該交叉口屬于多段定時(shí)控制，具體的車道數(shù)量、轉(zhuǎn)向及交通噪聲監(jiān)測點(diǎn)如圖1所示。

圖1 明光橋區(qū)域

1.1 信號(hào)控制參數(shù)

通過實(shí)際調(diào)查獲取該交叉口的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如幾何尺寸、信號(hào)配時(shí)、交通量等數(shù)據(jù)。該交叉口工作日早高峰時(shí)段（7:00—8:00）采用五相位信號(hào)系統(tǒng)，具體信號(hào)相位如圖2所示，信號(hào)周期為227 s，信號(hào)配時(shí)方案如圖3所示，交通量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

圖2 明光橋交叉口相位設(shè)計(jì)

圖3 信號(hào)配時(shí)方案

表1 7:00—8:00明光橋交叉口各進(jìn)口道實(shí)際交通量

1.2 交通噪聲參數(shù)

按照環(huán)保部于2008年10月19日發(fā)布的《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[6]要求，選取4個(gè)噪聲監(jiān)測點(diǎn)，使用聲級(jí)計(jì)(WS 1361—12)測量明光橋信號(hào)交叉口工作日早高峰時(shí)段(7:00—8:00)的交通噪聲，監(jiān)測時(shí)間間隔為1 s的連續(xù)測量。針對交通噪聲缺失數(shù)據(jù)，采用3次樣條插值方法進(jìn)行補(bǔ)全。本文后續(xù)需要進(jìn)行交通噪聲預(yù)測，其所需相關(guān)參數(shù)包括各進(jìn)口道方向的車輛到達(dá)率、車輛消散率加速度、等效距離、聲功率級(jí)、速度、停車概率等。

2 模型分析

以明光橋交叉口為研究對象，研究不同信號(hào)配時(shí)方案對交叉口交通噪聲和延誤的影響，主要包括交通噪聲模型和信號(hào)配時(shí)模型。

2.1 交通噪聲模型

為了降低交通噪聲的監(jiān)測成本，美國、德國、英國、法國建立了適用于本國的交通噪聲預(yù)測模型，并得到了廣泛的應(yīng)用。而中國的交通噪聲模型大都基于國外預(yù)測模型在具體情況下修訂而得，目前主要有環(huán)保部模型和交通部模型。對于交叉口而言，運(yùn)用上述模型進(jìn)行預(yù)測精度較低，主要因?yàn)樯鲜瞿Ｐ蛯β范芜M(jìn)行預(yù)測精度較高。因此，本文采用基于交叉口建立的模型[7]對交通噪聲進(jìn)行預(yù)測，該模型預(yù)測精度較高，如下所示。

式中：L為等效聲級(jí)；為信號(hào)周期，該交通噪聲模型是基于信號(hào)控制交叉口建立的，考慮了交叉口的信號(hào)配時(shí)、不同方向不同車型的到達(dá)率和消散率、加速度、等效距離等因素，所以預(yù)測精度較高，模型具體變形詳見文獻(xiàn)[7]。

2.2 信號(hào)配時(shí)模型

Webster模型是信號(hào)交叉口定時(shí)控制的最基本配時(shí)方法，它是以車輛延誤時(shí)間最小為目標(biāo)函數(shù)，是目前比較常用的方法，其延誤公式為：

式中：為車輛平均延誤；為周期時(shí)長；為綠信比；為流量；為飽和度。

則交叉口總延誤為=，若使總延誤（Webster延誤公式）最小，則：

用近似解法，可以得到定時(shí)信號(hào)（近似）最佳信號(hào)周期時(shí)長：

式中：為每個(gè)周期的總損失時(shí)間；為組成周期的全部信號(hào)相位的各個(gè)最大值之和。

3 信號(hào)配時(shí)對噪聲和延誤的影響分析

本文以明光橋交叉口工作日早高峰時(shí)段(7:00—8:00)為例，基于上述交通噪聲和信號(hào)配時(shí)模型研究不同信號(hào)配時(shí)方案對明光橋信號(hào)控制交叉口交通噪聲和延誤的影響規(guī)律。

3.1 信號(hào)配時(shí)方案

基于交通量、渠化、相位等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Webster信號(hào)配時(shí)模型計(jì)算得出，該交叉口工作日早高峰時(shí)段(7:00—8:00)的最佳信號(hào)周期0為462 s，具體信號(hào)配時(shí)方案如圖4所示。本文僅研究信號(hào)交叉口周期變化、其余參數(shù)不變的情況下，不同信號(hào)配時(shí)方案對交叉口交通噪聲和延誤的影響。因此，選取C(最小信號(hào)周期)、0.750、0、1.20和1.505個(gè)信號(hào)周期（從左至右依次遞增），分別求出各周期的信號(hào)配時(shí)方案，信號(hào)周期為C、0.750、1.20和1.50的具體信號(hào)配時(shí)方案如圖5~圖8所示。

3.2 交通噪聲計(jì)算

本文使用的交通噪聲模型的預(yù)測精度已在之前研究成果中得到驗(yàn)證[8]，因此基于交叉口幾何尺寸、交通量、交通噪聲等數(shù)據(jù)，利用交通噪聲模型中[詳見公式(1)]，并運(yùn)用Matlab2018b編程對交叉口4個(gè)噪聲監(jiān)測點(diǎn)的交通噪聲進(jìn)行求解，再根據(jù)能量疊加原理，計(jì)算得到整個(gè)交叉口的交通噪聲值。

圖4 周期為C0的信號(hào)配時(shí)方案

圖5 周期為Cm的信號(hào)配時(shí)方案

圖6 周期為0.75C0的信號(hào)配時(shí)方案

圖7 周期為1.2C0的信號(hào)配時(shí)方案

圖8 周期為1.5C0的信號(hào)配時(shí)方案

圖9(a)~(d)分別代表明光橋交叉口4個(gè)交通噪聲監(jiān)測點(diǎn)在C、0.750、0、1.20和1.505個(gè)信號(hào)周期下交通噪聲值的變化情況。由圖可知，隨著信號(hào)周期的增加，信號(hào)交叉口各監(jiān)測點(diǎn)交通噪聲值也隨之增大。因?yàn)獒槍ν幌辔欢裕?dāng)信號(hào)交叉口信號(hào)周期增加時(shí)，分配給該相位的綠燈時(shí)間也隨之增加，單位綠燈時(shí)間內(nèi)通過的車輛也隨之增加，又因?yàn)檐囕v在加速行駛時(shí)的交通噪聲值大于車輛在停車等待時(shí)的交通噪聲值，因此隨著信號(hào)周期的增加（本文僅研究信號(hào)交叉口周期變化、其余參數(shù)不變的情況下），交叉口的交通噪聲值隨之增加。

圖9 不同信號(hào)周期對交叉口各監(jiān)測點(diǎn)噪聲的影響

為進(jìn)一步證實(shí)上述規(guī)律適用于整個(gè)交叉口，根據(jù)能量疊加原理，將C、0.750、0、1.20和1.505個(gè)信號(hào)周期下的4個(gè)交通噪聲監(jiān)測點(diǎn)噪聲值進(jìn)行疊加處理后得到整個(gè)交叉口的交通噪聲值，研究結(jié)果如圖10所示。研究發(fā)現(xiàn)，隨著信號(hào)周期的增加，整個(gè)交叉口的交通噪聲也隨之增加。

圖10 不同信號(hào)周期對交叉口噪聲的影響

3.3 延誤計(jì)算

基于交叉口交通量、渠化方案、5個(gè)信號(hào)周期的信號(hào)配時(shí)方案等數(shù)據(jù)，利用VISSIM6.0對明光橋交叉口C、0.750、0、1.20和1.505個(gè)信號(hào)周期下的延誤進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖11所示。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著信號(hào)周期的增加，明光橋交叉口的總延誤以最佳信號(hào)周期0為分界點(diǎn)先減小后增大。因?yàn)榻徊婵谧罴研盘?hào)周期是以總延誤最小為目標(biāo)，所以此時(shí)交叉口總延誤最小。當(dāng)信號(hào)周期小于0時(shí)，因?yàn)榻o各相位分配的綠燈時(shí)間越少，單位綠燈時(shí)間內(nèi)通過的車輛數(shù)減少，車輛停車次數(shù)增加，所以導(dǎo)致交叉口的總延誤增加。當(dāng)信號(hào)周期大于0時(shí)，因?yàn)榻o某一相位分配的綠燈時(shí)間增加，其余相位分配的綠燈時(shí)間減少，所以導(dǎo)致整個(gè)交叉口的總延誤增加。

圖11 不同信號(hào)周期對交叉口延誤的影響

4 結(jié)論

基于交叉口幾何尺寸、交通量、交通噪聲等數(shù)據(jù)，運(yùn)用交通噪聲模型和Webster模型，利用Matlab2018b和VISSIM6.0軟件研究不同信號(hào)配時(shí)方案對明光橋交叉口交通噪聲和延誤的影響，研究表明，隨著信號(hào)周期的增加，各監(jiān)測點(diǎn)交通噪聲值也隨之增大，整個(gè)交叉口的交通噪聲值也隨之增加，交叉口的總延誤以最佳信號(hào)周期0為分界點(diǎn)，先減小后增大。

因此，決策者根據(jù)研究區(qū)域的具體情況，通過改變信號(hào)配時(shí)方案，使研究區(qū)域的交通噪聲值達(dá)到環(huán)保部提出《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對應(yīng)的不同聲環(huán)境功能區(qū)的交通噪聲要求。通過上述研究，可以為政府及環(huán)保部門提供合理的科學(xué)依據(jù)，為決策者制定合理的交通噪聲控制措施提供有效的方法。

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Research on Influence of Signal Timing on Traffic Noise and Delay --Taking the Intersection of Mingguang Bridge as an Example

GAO Wan-chen

（School of Information Management, Liaoning University of International Business and Economics, Dalian 116052, China）

This paper takes the intersection of Beijing Mingguang Bridge as the research object, and uses Webster and traffic noise prediction model based on the actual traffic volume, channelization scheme, sound power level and phase data in the morning peak (7:00-8:00). Matlab2018b and VISSIM6.0 software used to study the influence of different signal timing schemes on the traffic noise and delay of Mingguang Bridge intersection, the research shows that with the increase of signal period, the traffic noise value of each monitoring point increases. The traffic noise value of the entire intersection also increases, and the total delay of the intersection is determined by the optimal signal period0as the demarcation point, first decreasing and then increasing.

traffic engineering; signal timing; traffic noise; delay

U491.91

A

1674-3261(2020)02-0084-04

10.15916/j.issn1674-3261.2020.02.004

2019-12-04

遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院校級(jí)青年科研項(xiàng)目(2019XJLXQN004)

高萬晨(1989-)，男，遼寧大連人，助教，碩士。

責(zé)任編校：孫 林