李路遙，韓智強，晉民杰，李華騰，賈慶林

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024)

在城市交通系統(tǒng)中，交叉口作為連接不同方向道路的節(jié)點，能夠保障車輛在路網(wǎng)中的自由行駛與安全交匯，對整個城市道路網(wǎng)的運轉(zhuǎn)具有重要作用。交叉口的實際交通狀態(tài)不僅影響車輛的行駛與安全，而且也影響駕駛?cè)说鸟{駛感受。因此，合理地評價交叉口的交通狀態(tài)，對于改善車輛行駛環(huán)境，提高交通服務(wù)質(zhì)量具有深遠(yuǎn)意義。

道路服務(wù)水平是描述出行者從道路環(huán)境、交通管理、車輛駕駛等方面所得服務(wù)程度的一項指標(biāo)[1]，可以將復(fù)雜的交通狀態(tài)劃分為多個等級，從而直觀地反映道路的實際狀態(tài)。本文選取合適的評價指標(biāo)，構(gòu)建交叉口的道路服務(wù)水平評價體系，為交叉口的管理與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 交叉口服務(wù)水平評價指標(biāo)的建立

1.1 交叉口服務(wù)水平的影響因素

服務(wù)水平能夠反映道路在各種因素的影響下，為使用者所服務(wù)的質(zhì)量等級，而平面交叉口是不同方向的交通流交匯的節(jié)點，影響其服務(wù)水平的因素復(fù)雜多樣。針對平面交叉口的特點，通常根據(jù)速度、飽和度、延誤時間以及排隊長度等定量指標(biāo)確定服務(wù)水平。美國由《道路通行手冊》(HCM)[1]中的標(biāo)準(zhǔn)，選取延誤時間作為交叉口服務(wù)水平的評價指標(biāo)，將交叉口的服務(wù)水平分為六級；日本采用飽和度(V/C)劃分服務(wù)水平等級，將交叉口的服務(wù)水平分為三級[2]。由于交通具有顯著的地域性，不同地區(qū)的交通具有不同的特點，所以美國等西方國家的評價指標(biāo)以及評價標(biāo)準(zhǔn)并不完全符合我國目前的交通狀況。

1.2 評價指標(biāo)的確定

道路服務(wù)水平不僅體現(xiàn)交通運行的客觀狀態(tài)，而且也包含著出行者的通行感受。因此，在選取評價指標(biāo)時，既要考慮交叉口處車輛的行駛情況，也要考慮駕駛員的駕駛感受，從多個角度進行綜合選取。

從交通運行的客觀狀態(tài)來看，平面交叉口的交通運行復(fù)雜，考慮到交叉口的設(shè)施運行狀態(tài)和車輛運行情況，根據(jù)中國推薦的評價指標(biāo)和相關(guān)研究[3-7]，選取飽和度和停車延誤作為評價指標(biāo)。參考評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 中國推薦的交叉口服務(wù)水平評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)

(1)飽和度。飽和度也稱交通負(fù)荷度，反映了道路對實際交通量的承受能力。當(dāng)數(shù)值接近1時，表明通行車輛較多，行駛自由度降低；當(dāng)數(shù)值接近0時，表明道路上行駛的車輛較少，車輛行駛自由；當(dāng)數(shù)值超過1時，表明道路上行駛的車輛數(shù)超過道路設(shè)計的容量，交通負(fù)荷大，道路將出現(xiàn)擁堵。本文通過對交叉口進行交通量調(diào)查，將實際交通量以小客車為標(biāo)準(zhǔn)車型進行換算得到當(dāng)量交通量，根據(jù)交叉口設(shè)計規(guī)范中的方法計算通行能力。

(2)停車延誤。停車延誤是車輛因為交通控制、道路擁堵等因素而停止行駛所產(chǎn)生的延誤[8]，可以將車輛在交叉口處多消耗的時間直觀地呈現(xiàn)出來。停車延誤能夠在一定程度上將交叉口的信號控制、車輛運行以及服務(wù)經(jīng)濟性反映出來，是平面交叉口服務(wù)水平評價的重要指標(biāo)。本文通過點樣本法進行延誤調(diào)查，通過觀測15 s內(nèi)的停車數(shù)量，記錄平面交叉口入口處車輛的停車時間，然后根據(jù)車輛數(shù)和時間間隔計算延誤指標(biāo)。

從出行者的行車感受和安全來看，車輛速度是道路運行的重要參數(shù)，其數(shù)值的大小與道路通行能力、交通管控、交叉口安全性均有密切的關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)研究[9-10]，出行者在駕駛車輛駛?cè)虢徊婵诘倪^程中，如果兩路段車速差值較大，車輛在行駛中一般會進行多次減速或者進行換道，嚴(yán)重降低出行者的舒適度，也會為行車帶來危險，降低交叉口的安全性，這無疑會影響出行者對交叉口服務(wù)水平的評價。所以本文選取速度連續(xù)性作為評價指標(biāo)，進而反映車輛駛進交叉口的安全性與出行者的感受。運行速度差值與事故之間關(guān)系如表2所示。

表2 運行速度差值與事故率

(3)速度連續(xù)性。速度連續(xù)性是指車輛在相鄰兩個路段上行駛時速度的變化幅度。有研究表明[11]：在相鄰路段上，隨著車輛的運行速度差值的增大，車輛發(fā)生碰撞事故的幾率也增大，隨著差值減小，事故發(fā)生率也逐漸減小。同時從感覺與知覺的角度來看，出行者能夠敏銳地感覺到車速的變化，準(zhǔn)確率約為60%，而出行者對車流量的變化，感受并不明顯[12]。本文選取相鄰兩路段的第85%速度為運行速度，根據(jù)計算公式求得其速度差，利用速度差值的大小反映兩路段的車輛行駛的速度連續(xù)性，進而反映行駛安全性與駕駛員的感受。其公式如下：

Δv=|vi-vi-1|

(1)

其中Δv為兩路段之間第85%速度差值；vi為調(diào)查路段的；vi-1為前一段路段的第85%速度。

綜上所述，本文選用飽和度(V/C)、停車延誤及速度連續(xù)性這三個參數(shù)作為服務(wù)水平評價的指標(biāo)。

2 灰色聚類分級模型的構(gòu)建

灰色系統(tǒng)理論是研究缺乏數(shù)據(jù)與信息的不確定系統(tǒng)的新手段，針對系統(tǒng)“樣本小”“信息少”的特點，利用已掌握的數(shù)據(jù)與信息，對其生成與開發(fā)，獲得有價值的新數(shù)據(jù)，從而對系統(tǒng)運行進行描述與監(jiān)控[13]?？紤]到城市平面交叉口的交通運行混雜，且部分信息隱蔽，評價指標(biāo)不同，因此本文選用灰色定權(quán)聚類分級法，判斷不同方向的路口所屬的灰類，確定其服務(wù)水平。

2.1 建立評價矩陣

根據(jù)所研究的對象，設(shè)有n個聚類對象，即交叉口的各個進口，m個聚類指標(biāo)，構(gòu)造評價矩陣：

X=(xij)

(2)

式中：xij—第i個聚類對象的第j個指標(biāo)的觀測值；

i=1,2,…，n；

j=1,2…，m；

2.2 確定白化權(quán)函數(shù)

白化權(quán)函數(shù)一般與研究者所探討的實際問題有關(guān)，可以由研究者的主觀判斷來確定。在面對實際問題時，可以從個體的角度，分析研究對象，確定白化權(quán)函數(shù)，也能從整體考慮，綜合分析來確定白化權(quán)函數(shù)[14]。白化權(quán)函數(shù)圖像如圖1所示。

圖1 白化權(quán)函數(shù)

本文根據(jù)所研究交叉口的實況，確定k(k=1、2、3、4、5)個灰類等級，并參考表1以及相關(guān)研究確定不同指標(biāo)的閾值與界限，并構(gòu)造白化權(quán)函數(shù)。白化權(quán)函數(shù)節(jié)點值如表3所示。

表3 白化權(quán)函數(shù)節(jié)點值

(1)第1灰類

(3)

(2)第2、3、4灰類

(4)

(3)第5灰類

(5)

2.3 確定各指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)的權(quán)重不僅反映各項指標(biāo)影響評價對象的大小，而且也表示不同指標(biāo)在同一個評價對象中的重要程度。平面交叉口是一個復(fù)雜的交通系統(tǒng)，系統(tǒng)中各種因素相互關(guān)聯(lián)和制約，在評價過程中，只有合理地分析從而確定不同指標(biāo)在系統(tǒng)中的重要性，才能確保評價結(jié)果準(zhǔn)確與合理。

目前，確定指標(biāo)權(quán)重的方法可以分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法三大類。根據(jù)平面交叉口地域性的特點以及影響因素的復(fù)雜性，選用主觀賦權(quán)法對系統(tǒng)中的各個指標(biāo)進行分析，從而確定不同指標(biāo)權(quán)重的合適值。層次分析法作為主觀賦權(quán)法的一種，可以為研究這類系統(tǒng)提供一種簡明實用的決策方法。

因此本文采用層次分析法，針對已建立的平面交叉口服務(wù)水平的各項指標(biāo)進行主觀賦權(quán)。

基于已建立的平面交叉口服務(wù)水平評價體系，通過Santy的1-9標(biāo)度法得出判斷矩陣，利用層次分析法計算停車延誤、飽和度和速度連續(xù)性三個指標(biāo)的權(quán)重ωj，分別為0.548，0.211和0.241.判斷矩陣如表4所示。

表4 判斷矩陣

2.4 計算灰類聚類系數(shù)

灰色定權(quán)聚類系數(shù)：

(6)

2.5 聚類評價

3 案例分析

本文選取太原市某平面交叉口作為研究對象，應(yīng)用本文所提出的方法，對該平面交叉口的服務(wù)水平進行研究。與典型的十字交叉口相比，該交叉口中的各個路口都建有提前右轉(zhuǎn)車道，東西進口道禁止左轉(zhuǎn)，南北進口道上游路段與高架相交，交叉口及周邊環(huán)境較為復(fù)雜。對該交叉口進行為期三天的交通調(diào)查，重點調(diào)查其交通量、延誤以及相鄰路段的車速。部分調(diào)查數(shù)據(jù)經(jīng)過分析整理于圖2、表5.

圖2 交叉口交通量流向圖

表5 平面交叉口調(diào)查數(shù)據(jù)匯總

基于灰色定權(quán)聚類分級法與評價指標(biāo)對該平面交叉口的不同路口服務(wù)水平進行分級評價，計算出各評價對象的聚類向量，矩陣如下：

本文中將平面交叉口分為五個灰類等級，即將平面交叉口服務(wù)水平從高到低依次分為A、B、C、D、E五個服務(wù)水平。

由以上結(jié)果可知在該平面交叉口中，東進口屬于A級，西進口屬于C級，南進口屬于C級，北進口屬于D級。評價結(jié)果對比如表6所示。

表6 評價結(jié)果對比

(1)通過與HCM2010評價方法以及中國推薦的評價方法所得結(jié)果對比可以看出，本研究模型所得出的評價等級與常用的兩種方法所得的結(jié)果基本一致，能夠在一定程度上反映交叉口實際的服務(wù)水平。

(2)在同一交叉口處，當(dāng)不同方向進口的延誤時間相近時，HCM2010評價方法與中國推薦的評價方法所得出的結(jié)果都不能明顯地區(qū)分東西進口的實際服務(wù)水平，失去了評價意義。本研究模型同時考慮飽和度、延誤與速度連續(xù)，可以更加客觀地反映實際的交通狀態(tài)，區(qū)分不同方向的道路服務(wù)水平。

(3)在特殊情況下(如南進口的飽和度較大但延誤較小)，HCM2010評價方法與中國推薦的評價方法所得評價結(jié)果都會產(chǎn)生一定偏差，與觀察到的交通運行狀態(tài)不符。本模型基于速度連續(xù)性，考慮運行安全與駕駛感受，可以減小偏差，更好地反映與實際運行相符的服務(wù)水平。

4 結(jié)論

(1)灰色定權(quán)聚類分級法對平面交叉口服務(wù)水平的分級，綜合考慮了多個因素對交通狀態(tài)的影響，體現(xiàn)了平面交叉口處交通運行的復(fù)雜性，避免了單一指標(biāo)在評價時的片面性。

(2)考慮平面交叉口的速度連續(xù)性的評價方法可以較好地減小評價結(jié)果與實際交通之間的偏差，提高評價精確度，對交叉口服務(wù)評價體系的研究具有一定參考意義，同時也為平面交叉口的優(yōu)化與改善提供新思路。