郭鳳香, 熊昌安

(昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院, 昆明 650500)

經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展為車輛的發(fā)展帶來(lái)了巨大增長(zhǎng)空間的同時(shí),也給城市交通帶來(lái)了巨大的壓力,城市道路平面交叉口往往由于內(nèi)部交通組成的復(fù)雜多樣,使其接近工作負(fù)荷的上限,進(jìn)而導(dǎo)致道路乃至整條路網(wǎng)無(wú)法充分發(fā)揮功能效率,制約其服務(wù)水平。在現(xiàn)實(shí)生活中判別城市道路平面交叉口的工作負(fù)荷常依據(jù)服務(wù)水平劃分,然而事實(shí)上二者之間并無(wú)直接量化關(guān)系,直接依據(jù)服務(wù)水平對(duì)交叉口的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估缺乏合理性[1]。如何高效篩選交叉口的信息,創(chuàng)建合理評(píng)價(jià)交叉口運(yùn)行狀況的模型,以提高交叉口功能區(qū)的安全水平和通行效率,降低交通擁堵刻不容緩[2-6]。

復(fù)雜度理論研究的快速發(fā)展,使其在城市交通領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[7]。吳建軍等[8-9]、李樹彬等[10]將用戶平衡配流與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,分析城市交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性；何兆成等[11]創(chuàng)建了基于大規(guī)模浮動(dòng)車數(shù)據(jù)的城市路網(wǎng)復(fù)雜度分析方法,將“路段置信點(diǎn)”引入城市路網(wǎng)中。為解決交通信息采集時(shí)浮動(dòng)車等間距采樣的不足,曹聞等[12-13]提出基于城市道路復(fù)雜度的自適應(yīng)采樣算法；岳小泉[14]采用交通沖突技術(shù)評(píng)估交織區(qū)的安全性；許源[15]應(yīng)用“車公里沖突數(shù)”這一運(yùn)行參數(shù)作為交織區(qū)的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)；杜勝品等[16]通過構(gòu)建計(jì)算交織區(qū)復(fù)雜度和車道復(fù)雜度的靜態(tài)模型,對(duì)交織區(qū)內(nèi)各車道不同流向之間的相互干擾程度進(jìn)行了定量描述；Addison等[17]、Nair等[18]和Johanns等[19]采用分維、李雅普諾夫指數(shù)和測(cè)度熵等特征量刻畫交通流的復(fù)雜性；張美坤等[20]引入統(tǒng)計(jì)復(fù)雜度對(duì)實(shí)測(cè)交通流進(jìn)行復(fù)雜性測(cè)試,解決了交通流系統(tǒng)復(fù)雜性測(cè)度的可比化問題；劉峰濤等[21-22]為量化交通流系統(tǒng)的復(fù)雜度,在張美坤等[20]研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入了近似熵這一特征量；Gao等[23-24]、Li等[25]利用Nash模型模擬交通流的演化,將交通流狀態(tài)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通過元胞自動(dòng)機(jī)模型相結(jié)合,提出了一種基于交通流演化的進(jìn)化網(wǎng)絡(luò),并進(jìn)行了深入研究；李巧茹等[26]采用節(jié)點(diǎn)收縮法量化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性對(duì)交通阻抗的影響；呂文紅等[27]、潘福全等[28-32]對(duì)公路信號(hào)平面交叉口的交通狀況進(jìn)行研究,提出了交叉口的“交通沖突”和“安全服務(wù)水平”兩個(gè)概念,并對(duì)交通沖突的類型和影響交叉口運(yùn)行狀況的因素進(jìn)行了細(xì)致分類；Wu等[33]通過研究車輛跟馳過程中加入擾動(dòng)后產(chǎn)生的時(shí)間序列,構(gòu)建了交通流狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?duì)應(yīng)關(guān)系。

鄧加興[34]從動(dòng)態(tài)交通流與靜態(tài)交通設(shè)施兩個(gè)角度綜合考慮交叉口的空間布局(靜態(tài))和交通流量(動(dòng)態(tài))對(duì)交叉口運(yùn)行狀態(tài)的影響,構(gòu)建基于幾何與流量疊加的城市道路平面交叉口復(fù)雜度分析模型,更加合理地量化城市道路平面交叉口的運(yùn)行狀態(tài)；Fisherlison[35]依據(jù)機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車之間在交叉口產(chǎn)生的交通沖突點(diǎn)的種類和數(shù)量,提出交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù),并初步建立交叉口復(fù)雜程度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)；王煒等[36]按照中國(guó)的實(shí)際情況對(duì)交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù)模型進(jìn)行了調(diào)整與優(yōu)化,使之更加貼合中國(guó)的交通狀況；東南大學(xué)利用系統(tǒng)分析方法對(duì)交叉口復(fù)雜度進(jìn)行深入研究,構(gòu)建了平面交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù)AHP(analytic hierarchy process)分析模型；劉飛[37]歸納總結(jié)了交叉口各類交通沖突點(diǎn)數(shù)量的正確統(tǒng)計(jì)方法,為描述交叉口的運(yùn)行狀態(tài),構(gòu)建基于沖突形式和交通方式的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型；沈家軍等[38-41]提出交叉口復(fù)雜度的概念及其內(nèi)涵,綜合考慮宏觀和微觀兩個(gè)層面對(duì)交叉口運(yùn)行秩序的影響,構(gòu)建基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型；周嬌[42]認(rèn)為交叉口復(fù)雜度是各類沖突點(diǎn)數(shù)量與產(chǎn)生沖突的車流在該點(diǎn)處發(fā)生沖突的概率的乘積加權(quán)之和,針對(duì)沈家軍提出的模型進(jìn)行精煉和簡(jiǎn)化,增加了模型的實(shí)用性；李文勇等[1]借鑒費(fèi)舍里松所提出的交叉口復(fù)雜度靜態(tài)模型,創(chuàng)建了交叉口靜態(tài)秩序模型和交叉口動(dòng)態(tài)秩序模型,量化了交叉口的交通擁堵產(chǎn)生率。但是上述研究關(guān)于城市道路平面交叉口復(fù)雜度研究的產(chǎn)生、發(fā)展等研究進(jìn)展,仍缺乏較為系統(tǒng)的總結(jié)和梳理。

鑒于針對(duì)城市道路平面交叉口復(fù)雜度的產(chǎn)生、發(fā)展等研究進(jìn)展仍然缺乏較為系統(tǒng)的梳理,擬對(duì)中外交通領(lǐng)域中有關(guān)城市道路平面交叉口復(fù)雜度的相關(guān)定義、內(nèi)涵和計(jì)量模型進(jìn)行系統(tǒng)介紹,使讀者對(duì)此問題有一個(gè)相對(duì)全面的了解,并基于當(dāng)前的研究現(xiàn)狀分析研究中的不足之處及后續(xù)發(fā)展趨勢(shì),以期促進(jìn)相關(guān)研究的深入開展。

1 交叉口復(fù)雜度定義

“復(fù)雜性科學(xué)”這一概念于20世紀(jì)80年代被明確提出,外國(guó)有學(xué)者認(rèn)為該科學(xué)的研究對(duì)象分別為復(fù)雜系統(tǒng)和復(fù)雜性[43]；但針對(duì)復(fù)雜性科學(xué)的研究起步較晚,且各領(lǐng)域的研究對(duì)象各不相同、方法各異,故關(guān)于如何定義復(fù)雜性科學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)尚未達(dá)成共識(shí)[44-45]。錢學(xué)森[46]認(rèn)為復(fù)雜性是開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征；Trappl[47]認(rèn)為復(fù)雜性人工自制的自然系統(tǒng)中僅能掌握其中部分機(jī)理,無(wú)法完全理解的性質(zhì)；西蒙[48]則認(rèn)為一個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度,取決于人們對(duì)它采取何種描述方式；成思危[49-50]認(rèn)為復(fù)雜性科學(xué)的研究核心是揭示客觀事物構(gòu)成及其演化歷程,預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。

交叉口復(fù)雜度是交通領(lǐng)域的新興概念,針對(duì)這一概念的深入研究相對(duì)較少,最早可追溯到20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)學(xué)者Fisherlison[35]提出的交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù),對(duì)交叉口的復(fù)雜性程度進(jìn)行定量描述；劉飛[37]在宏觀層面對(duì)交叉口復(fù)雜度給出定義,他認(rèn)為交叉口復(fù)雜度是一個(gè)可以度量交叉口的運(yùn)行組織和空間布局的復(fù)雜性程度的量化指標(biāo)；沈家軍[38]綜合考慮宏觀和微觀兩個(gè)層面對(duì)交叉口運(yùn)行秩序的影響,他將交叉口復(fù)雜度定義為綜合性衡量指標(biāo),該指標(biāo)能夠量化交叉口的空間布局及運(yùn)行組織的有序性,度量交叉口交通沖突點(diǎn)及沖突概率,反映不同類型交通流各自的運(yùn)行特征。

綜上所述,交叉口復(fù)雜度不僅與交叉口的交通沖突和空間布局有關(guān),同時(shí)也與經(jīng)過交叉口功能區(qū)的交通流息息相關(guān)[51-53],能夠合理、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)交叉口功能區(qū)的空間布局和運(yùn)行組織的合理性,綜合反映不同類型交通流途經(jīng)交叉口時(shí)各自的運(yùn)行狀態(tài)。

2 城市道路平面交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型

目前用來(lái)評(píng)估城市道路平面交叉口復(fù)雜度的模型主要分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型兩類。靜態(tài)模型僅考慮交通沖突和交叉口幾何形狀對(duì)交叉口復(fù)雜度的影響,主要包括由費(fèi)舍里松提出并經(jīng)徐吉謙改良的交叉口復(fù)雜度靜態(tài)模型、平面交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù)AHP分析模型、基于沖突形式和交通方式的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型；動(dòng)態(tài)模型從交通沖突、交通量和交叉口靜態(tài)布局三方面綜合考慮交叉口復(fù)雜度對(duì)交叉口運(yùn)行狀態(tài)的影響,主要有基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型、基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度簡(jiǎn)化模型和疊加流量流向的平面交叉口復(fù)雜度分析模型3種。關(guān)于交叉口復(fù)雜度研究的發(fā)展過程如圖1所示。

圖1 交叉口復(fù)雜度計(jì)算模型發(fā)展過程Fig.1 Development process of intersection complexity metrology model

2.1 靜態(tài)模型

靜態(tài)模型主要從沖突點(diǎn)數(shù)量和不同交通方式之間的沖突概率兩方面著手分析交通沖突對(duì)交叉口復(fù)雜程度的影響,主要包括3種模型,分別為:交叉口復(fù)雜度靜態(tài)模型[35]、平面交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù)AHP分析模型[36]和基于沖突形式和交通方式的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型[37]。但靜態(tài)模型未能認(rèn)識(shí)到交叉口的交通流量大小也會(huì)對(duì)交叉口的復(fù)雜度產(chǎn)生影響,無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)交叉口的運(yùn)行狀態(tài),存在一定的局限性:當(dāng)交叉口的交通組成較為單一、不同交通方式之間的沖突點(diǎn)數(shù)量較少,但若通過交叉口的交通流量十分巨大,則交叉口的復(fù)雜程度也會(huì)隨之增加,當(dāng)交通量超過交叉口所能允許的最大通行能力時(shí),將導(dǎo)致交通堵塞,對(duì)來(lái)往車輛的正常通行造成嚴(yán)重干擾。

2.1.1 交叉口復(fù)雜度靜態(tài)模型

交叉口復(fù)雜度靜態(tài)模型[35]由蘇聯(lián)學(xué)者Fisherlison于20世紀(jì)80年代提出。Fisherlison認(rèn)為在任何一個(gè)沒有人為干預(yù)的交叉口,必然會(huì)出現(xiàn)車流交叉、合流和分流現(xiàn)象；其中危險(xiǎn)程度按從大到小的順序依次為車流交叉、車流合流和車流分流,采用換算系數(shù)將三類車流沖突點(diǎn)的復(fù)雜性納入總體評(píng)價(jià)系統(tǒng),定義分流點(diǎn)的系數(shù)為1,合流點(diǎn)的系數(shù)為3,交叉點(diǎn)的系數(shù)為5,建立交叉口復(fù)雜程度的靜態(tài)模型,可表示為

C=n0+3nc+5nn

(1)

式(1)中:C為城市道路平面交叉口的復(fù)雜性系數(shù)；nc為機(jī)動(dòng)車合流點(diǎn)數(shù)量；n0為機(jī)動(dòng)車分流點(diǎn)數(shù)量；nn為機(jī)動(dòng)車交叉點(diǎn)數(shù)量。如表1所示,Fisherlison將城市道路平面交叉口的復(fù)雜程度根據(jù)交叉口復(fù)雜度數(shù)值的大小分為4個(gè)等級(jí)。

表1 城市道路平面交叉口復(fù)雜程度分級(jí)Table 1 Urban road level intersection complexity classification

結(jié)合中國(guó)的交通現(xiàn)狀,對(duì)Fisherlison提出的交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行調(diào)整,使之更加貼合中國(guó)的實(shí)際情況，如式(2)所示:

C=k1nd+k2nm+k3nj+k4nw

(2)

式(2)中：nd、nm、nj、nw分別為各類沖突點(diǎn)的數(shù)量；k1、k2、k3、k4為沖突點(diǎn)系數(shù)。

交叉口復(fù)雜度靜態(tài)模型將交通沖突點(diǎn)作為影響交叉口復(fù)雜程度的重要因素,對(duì)其進(jìn)行定量描述,為評(píng)估交叉口的運(yùn)行狀態(tài)提供了一種全新的角度,僅適用于初步評(píng)估常規(guī)城市道路平面交叉口(十字形交叉口、T形交叉口等)的運(yùn)行狀態(tài),無(wú)法應(yīng)用于畸形交叉口和環(huán)形交叉口評(píng)估。但該模型不具備實(shí)用性,模型將交通沖突點(diǎn)的數(shù)量定義為決定交叉口復(fù)雜程度的唯一影響因素,未考慮到?jīng)_突概率的存在,且模型中僅分析了機(jī)動(dòng)車交通流之間產(chǎn)生的沖突,對(duì)交通沖突點(diǎn)類型的考慮過于單一,未考慮非機(jī)動(dòng)車和行人對(duì)交叉口運(yùn)行的影響,嚴(yán)重脫離實(shí)際情況,無(wú)法準(zhǔn)確衡量城市道路平面交叉口的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)；且模型中關(guān)于不同類型交通沖突點(diǎn)對(duì)交叉口影響程度之間的量化關(guān)系過于簡(jiǎn)單,未經(jīng)過實(shí)際調(diào)查,僅為Fisherlison基于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)提出,未就交通流微觀運(yùn)行特征對(duì)交叉口復(fù)雜度產(chǎn)生的影響加以考慮。

王煒等[36]僅對(duì)交叉口復(fù)雜度靜態(tài)模型進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整與改進(jìn),使之更加適合中國(guó)當(dāng)時(shí)的交通現(xiàn)狀,未給出沖突點(diǎn)系數(shù)的具體取值方法,依然將沖突點(diǎn)數(shù)量定義為決定交叉口復(fù)雜程度的唯一影響因素,未考慮流經(jīng)交叉口的交通量對(duì)交叉口交通運(yùn)行復(fù)雜程度的影響,忽視了在沖突點(diǎn)數(shù)量保持不變的條件下,交叉口運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜程度仍會(huì)隨交通量的增加而增加這一關(guān)鍵因素,不符合交叉口的實(shí)際運(yùn)行情況。

2.1.2 平面交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù)AHP分析模型

東南大學(xué)利用系統(tǒng)分析方法對(duì)交叉口復(fù)雜度進(jìn)行了深入研究,構(gòu)建了平面交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù)AHP分析模型[36],可表示為

(3)

式(3)中:Rij為第i個(gè)因素對(duì)第j個(gè)方面的權(quán)重;Pj為第j個(gè)方面的權(quán)重;αij為交叉口第i個(gè)因素對(duì)第j個(gè)方面的影響分值。

該模型在交叉口復(fù)雜度靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了交叉口中3個(gè)方面、11個(gè)因素對(duì)交叉口復(fù)雜度的影響,增加了平面交叉口復(fù)雜度影響因素的范疇；該模型適用于周邊環(huán)境復(fù)雜且對(duì)交叉口運(yùn)行產(chǎn)生較大影響的常規(guī)城市道路平面交叉口工作負(fù)荷的初步評(píng)估。但模型中評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量巨大且多為定性成分,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)造成工作量巨大且難以統(tǒng)計(jì)完全,未涉及各評(píng)價(jià)指標(biāo)系數(shù)的分析方法及求解過程,難以確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,對(duì)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了干擾；同時(shí),該模型在建立時(shí)未將交通量對(duì)交叉口交通運(yùn)行復(fù)雜程度的影響這一關(guān)鍵因素納入考慮范圍,嚴(yán)重忽視了在沖突點(diǎn)數(shù)量保持不變的條件下,交叉口運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜程度仍會(huì)隨交通量的增加而增加。該模型已不適用于評(píng)估常規(guī)城市道路平面交叉口的工作負(fù)荷與運(yùn)行狀態(tài),更無(wú)法應(yīng)用于評(píng)估畸形交叉口和環(huán)形交叉口的工作負(fù)荷。

2.1.3 基于沖突形式和交通方式的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型

劉飛[37]歸納總結(jié)了城市道路平面交叉口各類交通沖突點(diǎn)數(shù)量的正確統(tǒng)計(jì)方法,從基于不同沖突形式和不同交通方式產(chǎn)生的交通沖突點(diǎn)數(shù)量分別建立了交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型。

(1)基于不同沖突形式，有

C=k′1Nj+k′2Nm+k′3Nd

(4)

式(4)中：k′1、k′2、k′3依次為交叉、合流和分流3種沖突點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)；Nm、Nj、Nd依次為合流、交叉和分流3種沖突類型的沖突點(diǎn)數(shù)量。

(2)基于不同交通方式，有

C=ka-aNa-a+ka-bNa-b+kb-bNb-b

(5)

式(5)中：ka-a、ka-b、kb-b依次為機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車之間的沖突點(diǎn)系數(shù)、非機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車之間的沖突點(diǎn)系數(shù)和非機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車之間的沖突點(diǎn)系數(shù)；Na-a、Na-b和Nb-b依次為機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車之間的沖突點(diǎn)數(shù)量、機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車沖突點(diǎn)數(shù)量、非機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車之間的沖突點(diǎn)數(shù)量。

該模型針對(duì)十字形城市道路交叉口典型的兩相位信號(hào)控制方式和四相位信號(hào)控制方式進(jìn)行研究,故模型僅適用于十字形城市道路交叉口的復(fù)雜度計(jì)算,未涉及其他類型的城市道路平面交叉口如T形、環(huán)形等。模型從沖突形式和交通方式兩個(gè)方面考慮城市道路平面交叉口的復(fù)雜度,擴(kuò)展了影響交叉口復(fù)雜程度的交通沖突點(diǎn)的種類,更加準(zhǔn)確地描述了十字形城市道路交叉口的復(fù)雜程度；但該模型對(duì)合理評(píng)判交叉口復(fù)雜度的認(rèn)識(shí)仍停留在交通沖突點(diǎn)數(shù)量上,未考慮交通流微觀運(yùn)行特征對(duì)交叉口運(yùn)行狀態(tài)的影響和交通量對(duì)交叉口復(fù)雜程度的影響,未詳細(xì)標(biāo)定模型中各個(gè)參數(shù)的取值。

2.2 動(dòng)態(tài)模型

交叉口沖突點(diǎn)按類型可分為機(jī)動(dòng)車沖突、機(jī)-非沖突、行人與機(jī)動(dòng)車沖突、非機(jī)動(dòng)車與行人沖突、非機(jī)動(dòng)車沖突及行人之間的沖突6類,其中前3類交通沖突對(duì)交叉口運(yùn)行產(chǎn)生的影響較大[54],故目前針對(duì)交叉口交通沖突點(diǎn)的研究多以這3類交通沖突點(diǎn)為主,并產(chǎn)生了一大批科研成果[55-61]。動(dòng)態(tài)模型從交通沖突、交通量和交叉口幾何形狀三方面考慮交叉口復(fù)雜度對(duì)交叉口運(yùn)行狀態(tài)的影響,彌補(bǔ)了靜態(tài)模型忽略了交通量對(duì)交叉口復(fù)雜度的影響這一缺點(diǎn),能夠更加準(zhǔn)確、合理地評(píng)價(jià)城市道路平面交叉口的運(yùn)行狀態(tài)。主要研究成果包括3種,分別為基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型[38,62]、基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度簡(jiǎn)化模型[42]和疊加流量流向的平面交叉口復(fù)雜度分析模型[34]。

2.2.1 基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型

Hossain[63]認(rèn)為行人、機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車三要素是組成交叉口混合交通流的基本條件。沈家軍等[41]以機(jī)動(dòng)車沖突、行人與機(jī)動(dòng)車沖突和機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車沖突為研究對(duì)象,綜合考慮宏觀和微觀兩個(gè)層面對(duì)交叉口運(yùn)行秩序的影響,如式(6)所示,搭建了基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型:

(6)

該模型以交通沖突作為衡量交叉口復(fù)雜度的核心指標(biāo),將交通流微觀運(yùn)行特征納入影響交叉口復(fù)雜度的因素中,用沖突強(qiáng)度衡量交通沖突的嚴(yán)重程度,考慮沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率兩個(gè)方面對(duì)交叉口運(yùn)行狀態(tài)的影響,進(jìn)一步提升了模型的準(zhǔn)確性；但該模型中按機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人3類交通參與者和直、左、右3個(gè)交通流向統(tǒng)計(jì)所有類型的交通沖突點(diǎn),沖突點(diǎn)種類過于全面,涉及的交通流微觀參數(shù)過多且難以測(cè)量,雖增強(qiáng)了模型的準(zhǔn)確性,但在一定程度上限制了模型的實(shí)用性。該模型僅適用于評(píng)估常規(guī)城市道路平面交叉口的工作負(fù)荷與運(yùn)行狀態(tài),如十字形、T形等交叉口。

2.2.2 基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度簡(jiǎn)化模型

周嬌[42]認(rèn)為交叉口復(fù)雜度是各類沖突點(diǎn)數(shù)量與產(chǎn)生沖突的車流在該點(diǎn)處發(fā)生沖突概率的乘積加權(quán)之和,對(duì)沈家軍等[38-41]提出的模型進(jìn)行了精煉和簡(jiǎn)化,通過分析行人、非機(jī)動(dòng)車和機(jī)動(dòng)車三者之間產(chǎn)生沖突的概率以增加模型的實(shí)用性，可表示為

C=C1+1.3C2+1.7C3

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中:C1為機(jī)動(dòng)車沖突復(fù)雜度;C2為機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車沖突復(fù)雜度;C3為行人與機(jī)動(dòng)車沖突造成的復(fù)雜度;pjdi和pjmi依次為分流沖突點(diǎn)、合流沖突點(diǎn)處折減前的平均沖突概率；pji為交叉沖突點(diǎn)的平均沖突概率；在計(jì)算pjdi和pjmi時(shí),將產(chǎn)生沖突的兩類交通流中的主要交通流代入QP,次要交通流代入QS；Nj、Nd、Nm依次為交叉、分流、合流三類沖突點(diǎn)的數(shù)量；pj2為機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車交叉沖突點(diǎn)處的平均沖突概率；Q1為機(jī)動(dòng)車交通量，pcu/min；Q2為非機(jī)動(dòng)車交通流量，pcu/min；Nj2和Nj3分別為機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車沖突點(diǎn)的數(shù)量、行人與機(jī)動(dòng)車沖突點(diǎn)的數(shù)量；pj3為機(jī)動(dòng)車與行人交叉沖突點(diǎn)處的平均沖突概率；Q3為行人流量，人/(m·min-1)。

基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度簡(jiǎn)化模型以沖突流量為自變量,減少了模型中涉及的交通流微觀參數(shù)數(shù)量,簡(jiǎn)化了計(jì)算交叉口復(fù)雜度的步驟,增加了模型的實(shí)用性；但模型中將機(jī)動(dòng)車交通與慢行交通的沖突區(qū)域默認(rèn)為點(diǎn),對(duì)機(jī)動(dòng)車交通與慢行交通沖突區(qū)域的模糊定義導(dǎo)致該模型在準(zhǔn)確反映交叉口的實(shí)際運(yùn)行情況上存在一定偏差。較之基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模,該模型更加適用于評(píng)估常規(guī)城市道路平面交叉口(十字形交叉口、T形交叉口)的工作負(fù)荷與運(yùn)行狀態(tài),但該模型無(wú)法對(duì)非常規(guī)城市道路平面交叉口(如畸形交叉、環(huán)形交叉口等)的工作狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估。

2.2.3 疊加流量流向的平面交叉口復(fù)雜度分析模型

鄧加興[34]從基于流量流向的機(jī)動(dòng)車-機(jī)動(dòng)車沖突的復(fù)雜度和基于機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車沖突及機(jī)動(dòng)車-行人的沖突兩方面分析城市道路平面交叉口復(fù)雜度,在Fisherlison靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了疊加流量流向的交叉口復(fù)雜度分析模型,可表示為

C=l1C1+l2C2

(12)

(13)

(14)

(15)

該模型糾正了靜態(tài)模型中單純以沖突點(diǎn)為交叉口復(fù)雜度衡量標(biāo)準(zhǔn)、忽視交通量對(duì)交叉口復(fù)雜度影響的缺點(diǎn)；將交通量納入模型的考慮范疇。但該模型的構(gòu)建尚存在較大缺陷,研究者未能很好地對(duì)前人的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行有效總結(jié),模型中的沖突點(diǎn)系數(shù)仍采用Fisherlison[35]所提出的數(shù)值,沖突系數(shù)的取值與實(shí)際情況嚴(yán)重不符,未考慮交通流微觀運(yùn)行特征對(duì)交叉口產(chǎn)生的影響,導(dǎo)致該模型欠缺實(shí)用性。該模型更加適用于評(píng)估常規(guī)城市道路平面交叉口的工作負(fù)荷與運(yùn)行狀態(tài),如十字形交叉口、T形交叉口等。各種交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型優(yōu)缺點(diǎn),如表2所示。

表2 交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型比較Table 2 Comparison among models of measuring intersections’ complexity

3 結(jié)論與展望

總體來(lái)說,中外在城市道路平面交叉口復(fù)雜度方面的研究日趨完善與成熟,也越來(lái)越趨向于應(yīng)用型研究。但目前針對(duì)交叉口復(fù)雜度的研究水平還無(wú)法滿足合理、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)城市道路平面交叉口的交通運(yùn)行狀態(tài)的迫切需求。通過前述分析,并考慮到未來(lái)可能的市場(chǎng)需求,城市道路平面交叉口復(fù)雜度的研究在以下4個(gè)方面仍值得加強(qiáng)。

(1)已有的各類道路平面交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型中針對(duì)各類交通沖突點(diǎn)系數(shù)的確定方法存在較大局限性。如平面交叉口綜合復(fù)雜性系數(shù)AHP分析模型、基于沖突形式和交通方式的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型和疊加流量流向的平面交叉口復(fù)雜度分析模型均未能給出沖突點(diǎn)系數(shù)的詳細(xì)標(biāo)定方法。目前對(duì)于模型中各類交通沖突點(diǎn)權(quán)重占比的研究未能充分考慮各種影響因素,無(wú)法準(zhǔn)確得出沖突點(diǎn)在模型中的權(quán)重占比和各類沖突點(diǎn)之間的量化關(guān)系,除了在基于沖突點(diǎn)數(shù)量和沖突概率的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型中,研究者創(chuàng)造性地提出以沖突概率作為沖突點(diǎn)系數(shù),初步解決了沖突點(diǎn)系數(shù)(模型參數(shù))難以標(biāo)定的問題,但未考慮交叉口周邊環(huán)境(如天氣、噪音的分貝數(shù)等)對(duì)交叉口交通沖突的影響[36],在接下來(lái)的研究中應(yīng)結(jié)合交叉口所處的環(huán)境對(duì)模型參數(shù)的確定進(jìn)行調(diào)查研究。

(2)當(dāng)前研究學(xué)者們所提出的交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型大多僅適用于十字形等常規(guī)城市道路交叉口,無(wú)法對(duì)環(huán)形交叉口這類特殊交叉口的復(fù)雜程度進(jìn)行評(píng)估,應(yīng)對(duì)環(huán)形交叉口的交織區(qū)復(fù)雜度進(jìn)行量化研究,建立復(fù)雜度計(jì)量模型。交織區(qū)是環(huán)形交叉口的重要組成部分,車輛在交織區(qū)的換道行為是環(huán)形交叉口發(fā)揮作用的核心,不同類型的交通流在逆時(shí)針繞島運(yùn)行中僅產(chǎn)生合流沖突與分流沖突,與常規(guī)城市道路交叉口的沖突類型迥異,車流在交織區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)選擇車道變更路線,因此環(huán)形交叉口不同車流之間的沖突點(diǎn)并非存在于固定位置,而是充斥在整個(gè)交織區(qū)中,且環(huán)形交叉口的沖突點(diǎn)種類嚴(yán)重影響了環(huán)島交織區(qū)的復(fù)雜性和不同類型交通流之間的相互干擾程度,故現(xiàn)有交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型難以有效評(píng)估環(huán)形交叉口的復(fù)雜度。綜上,基于沖突點(diǎn)進(jìn)行環(huán)形交叉口交織區(qū)復(fù)雜度的量化研究將為交織區(qū)安全狀況評(píng)價(jià)和通行效率研究提供評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

(3)當(dāng)前針對(duì)城市道路平面交叉口復(fù)雜度的相關(guān)研究?jī)H停留在復(fù)雜度數(shù)值量化計(jì)算層面,在實(shí)際研究中,計(jì)算一個(gè)城市道路平面交叉口的復(fù)雜度,往往因?yàn)檫x擇模型的不同導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生巨大差異,除Fisherlison提出了交叉口復(fù)雜程度的初步分級(jí)外,中外尚未對(duì)各種類型城市道路平面交叉口復(fù)雜度建立起統(tǒng)一的復(fù)雜程度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。為便于更加直觀地理解“交叉口復(fù)雜度”這一概念、更好的理解交叉口復(fù)雜度與交叉口運(yùn)行狀態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系,建立交叉口復(fù)雜度模型沖突點(diǎn)權(quán)重系數(shù)評(píng)價(jià)方法以完善不同類型城市道路平面交叉口復(fù)雜度的嚴(yán)重程度劃分顯得尤為重要。

(4)目前交叉口復(fù)雜度的研究尚未建立駕駛?cè)诵袨榕c城市道路平面交叉口復(fù)雜度之間的聯(lián)系。城市道路平面交叉口復(fù)雜度是一個(gè)綜合性的評(píng)價(jià)指標(biāo),建立起交叉口復(fù)雜度和駕駛?cè)诵袨橹g的定量關(guān)系有利于辨識(shí)駕駛?cè)诵袨椴铄e(cuò)、研究不同復(fù)雜程度下的駕駛?cè)诵袨榧吧硇睦硖匦?、保障駕駛?cè)顺鲂邪踩⒏纳平徊婵诮煌ōh(huán)境。探索交叉口復(fù)雜度與駕駛?cè)笋{駛行為之間的定量關(guān)系,使得交叉口復(fù)雜度能夠更加準(zhǔn)確反映交叉口運(yùn)行狀況對(duì)車輛駕駛?cè)说挠绊懯墙酉聛?lái)城市道路平面交叉口復(fù)雜度的研究方向之一。

基于近年來(lái)中外交通領(lǐng)域中有關(guān)城市道路平面交叉口復(fù)雜度研究方面的重要研究成果,系統(tǒng)梳理了城市道路平面交叉口復(fù)雜度相關(guān)定義、內(nèi)涵和計(jì)量模型,歸納了各種城市道路平面交叉口復(fù)雜度計(jì)量模型的優(yōu)缺點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)的研究前景提出了展望。

由于城市道路平面交叉口復(fù)雜程度與交叉口的通行效率和安全密切相關(guān),因此,有必要一方面加快關(guān)于城市道路平面交叉口復(fù)雜度的深入研究；另一方面建立交叉口復(fù)雜度與交叉口通行效率和安全之間的聯(lián)系,并基于此提出合理劃分交叉口復(fù)雜度等級(jí)的依據(jù),更加合理的評(píng)價(jià)城市道路平面交叉口的運(yùn)行狀態(tài)。