王路曼，王理民，楊煒俊，蔡 銘

1.中山大學(xué) 智能工程學(xué)院，廣東 深圳 518106

2.廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006

交叉口是城市道路交通系統(tǒng)中的重要組成部分，各個(gè)方向的交通流在交叉口處有規(guī)律地匯集和分離，交叉口位置的重要性和交通運(yùn)行狀況的復(fù)雜性，使得其成為制約整個(gè)道路系統(tǒng)充分發(fā)揮功能效率的重要因素之一[1-2]。因此，針對(duì)信號(hào)交叉口設(shè)計(jì)專有的運(yùn)行評(píng)價(jià)方法是城市道路交通運(yùn)行評(píng)價(jià)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容。此外，隨著智慧交通建設(shè)的展開，交通數(shù)據(jù)采集能力顯著提升，交通數(shù)據(jù)種類與數(shù)量增長(zhǎng)迅速，可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市信號(hào)交叉口運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面的連續(xù)監(jiān)測(cè)，形成日益豐富的城市道路交通數(shù)據(jù)環(huán)境；而大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的迅速發(fā)展，使得對(duì)海量城市道路交通數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、存儲(chǔ)、加工以及分析更加便捷，量化評(píng)估城市交叉口運(yùn)行狀況更加準(zhǔn)確。

在交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，國(guó)際上廣泛采用的是美國(guó)發(fā)行的《道路通行能力手冊(cè)》中以車輛平均延誤作為劃分服務(wù)水平等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)[3]，其認(rèn)為信號(hào)交叉口服務(wù)水平的各種影響因素均可反映在車輛平均延誤上，如交叉口的幾何條件、交通條件以及信號(hào)條件等。國(guó)內(nèi)早期較為常用的是北京市市政設(shè)計(jì)院建議的信號(hào)交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]，除了考慮平均停車延誤外，還增設(shè)了交叉口交通負(fù)荷系數(shù)、紅燈平均阻車長(zhǎng)度以及乘客與駕駛員感受指標(biāo)，并將交叉口服務(wù)水平劃分為4個(gè)等級(jí)。《交通工程學(xué)》中建議的交叉口服務(wù)水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)考慮了交叉口交通負(fù)荷系數(shù)、效率系數(shù)、交叉口受阻車輛、平均停車延誤和排隊(duì)長(zhǎng)度等各項(xiàng)參數(shù)，從而將信號(hào)交叉口服務(wù)水平分為5個(gè)等級(jí)[5]。在實(shí)際的研究中還有學(xué)者用到了兩次停車率、通行能力、車道占有率等評(píng)價(jià)指標(biāo)[6-8]，但缺乏相對(duì)統(tǒng)一的指標(biāo)優(yōu)劣分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法對(duì)交叉口運(yùn)行狀況進(jìn)行直觀的評(píng)價(jià)。

交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)源早期主要是人工調(diào)查數(shù)據(jù)[9-11]，調(diào)查數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，可調(diào)查的數(shù)據(jù)種類也較多，但需耗費(fèi)大量的人力物力，且時(shí)效性較差。隨著交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備的完善和大數(shù)據(jù)技術(shù)的進(jìn)步，固定交通流檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和浮動(dòng)車GPS數(shù)據(jù)等開始廣泛應(yīng)用于交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)研究中。曲昭偉等[12]、王力等[13]利用交叉口附近布設(shè)的固定檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，得到交叉口進(jìn)口道臨近路段的交通流量和車道占有率數(shù)據(jù)，進(jìn)而判別交叉口的交通狀態(tài)。唐少虎等[14]、Zhang等[15]、李君羨等[16]通過(guò)對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)特征提取，將交叉口交通狀態(tài)識(shí)別問(wèn)題轉(zhuǎn)化為圖像搜索問(wèn)題。Ban等[17]、Tan等[18]通過(guò)移動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算車輛的運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而估算出交叉口的排隊(duì)長(zhǎng)度，以便識(shí)別交叉口過(guò)飽和狀態(tài)。劉澤等[19]、姚宇[20]、蔡曉禹等[21]、Chen等[22]基于浮動(dòng)車GPS數(shù)據(jù)估算最大排隊(duì)長(zhǎng)度，將隊(duì)尾浮動(dòng)車位置作為基礎(chǔ)項(xiàng)，并考慮隊(duì)尾浮動(dòng)車之后排隊(duì)車輛的到達(dá)率，從而計(jì)算出信號(hào)周期內(nèi)車輛的最大排隊(duì)長(zhǎng)度?，F(xiàn)有研究大多假定已知的信號(hào)配時(shí)等先驗(yàn)條件，且計(jì)算方法較為復(fù)雜，同時(shí)由于浮動(dòng)車GPS數(shù)據(jù)、固定檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)難以全路網(wǎng)、高密度地覆蓋，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)全路網(wǎng)的交叉口運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的瓶頸。

現(xiàn)今手機(jī)已成為人們出行時(shí)隨身攜帶的工具，手機(jī)導(dǎo)航地圖也已成為最常用的導(dǎo)航方式，用戶在使用導(dǎo)航地圖軟件的同時(shí)，導(dǎo)航軟件也會(huì)定時(shí)向手機(jī)請(qǐng)求GPS數(shù)據(jù)，以便獲得用戶的移動(dòng)信息，進(jìn)而通過(guò)對(duì)大量的手機(jī)GPS數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到路段的平均行程速度。導(dǎo)航平臺(tái)路段速度數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、準(zhǔn)確性好、數(shù)據(jù)更新穩(wěn)定、容易獲取等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域。本文基于路段速度對(duì)信號(hào)交叉口運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮采用交叉口進(jìn)口道臨近路段的速度判定交叉口的服務(wù)水平等級(jí)，同時(shí)可通過(guò)擁堵頻率統(tǒng)計(jì)識(shí)別常發(fā)性擁堵交叉口，并根據(jù)常發(fā)擁堵的時(shí)段不同將其分為三類，分別進(jìn)行擁堵成因分析，以便后續(xù)有針對(duì)性地對(duì)各類交叉口進(jìn)行專項(xiàng)治理與管控。

1 數(shù)據(jù)描述與清洗

1.1 數(shù)據(jù)描述

本研究數(shù)據(jù)主要包括三部分，即來(lái)自國(guó)內(nèi)某導(dǎo)航平臺(tái)推出的路段速度數(shù)據(jù)和配套的路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)，以及交叉口位置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)所在區(qū)域均為佛山市。路段速度數(shù)據(jù)以不同長(zhǎng)度的路段為單元進(jìn)行反饋，數(shù)據(jù)時(shí)間范 圍 為2021年2月1日—2021年3月31日，共計(jì)52 752條路段產(chǎn)生1 352 309 210條數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)時(shí)間粒度為2 min，路段速度數(shù)據(jù)的主要字段及釋義如表1所示。其中，圖幅編號(hào)meshiid和道路編號(hào)road_id共同確定唯一路段。

表1 路段速度數(shù)據(jù)字段及釋義Table 1 Field interpretation of road section speed data

路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)同樣也包含52 752條路段，包括路段的名稱、長(zhǎng)度、寬度、車道數(shù)、道路等級(jí)、所屬行政區(qū)域等基礎(chǔ)屬性信息，其中，路段編號(hào)gid是路段的唯一編號(hào)，圖幅編號(hào)meshiid和道路編號(hào)road_id與路段速度數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)的主要字段釋義如表2所示。

表2 路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)字段及釋義Table 2 Field interpretation of road network map data

交叉口位置數(shù)據(jù)與路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)相匹配，采用的是同一坐標(biāo)系，佛山市路網(wǎng)地圖及交叉口數(shù)據(jù)示意圖如圖1所示。交叉口位置數(shù)據(jù)共計(jì)775個(gè)交叉口，主要包含交叉口編號(hào)、名稱、經(jīng)緯度位置等信息。其中，交叉口編號(hào)crossid是交叉口的唯一編號(hào)，且編號(hào)不連續(xù)，取值范圍為35～2 252。其位置數(shù)據(jù)主要字段及釋義如表3所示。

圖1 佛山市路網(wǎng)地圖及交叉口數(shù)據(jù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Foshan road network map and intersection data

表3 交叉口位置數(shù)據(jù)字段及釋義Table 3 Field interpretation of intersection location data

1.2 數(shù)據(jù)清洗

路段速度數(shù)據(jù)中存在重復(fù)數(shù)據(jù)和無(wú)效更新數(shù)據(jù)，重復(fù)數(shù)據(jù)是指實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)中存在的數(shù)據(jù)重復(fù)現(xiàn)象，因此首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去重，清洗掉重復(fù)數(shù)據(jù)；無(wú)效更新數(shù)據(jù)是指部分路段速度數(shù)據(jù)雖然持續(xù)更新，但更新速度數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間為0，或者某一固定值，需要對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行清洗。路段速度數(shù)據(jù)清洗算法流程如圖2所示。清洗后保留的數(shù)據(jù)約為原始數(shù)據(jù)的94%。

圖2 路段速度數(shù)據(jù)清洗算法流程Fig.2 Procedure of road section speed data cleaning

首先對(duì)路段速度數(shù)據(jù)進(jìn)行去重處理，然后再針對(duì)持續(xù)更新速度值為同一值的無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。無(wú)效數(shù)據(jù)清洗時(shí)，先提取某路段上一時(shí)刻速度vi－1和當(dāng)前時(shí)刻速度vi（時(shí)間間隔為2 min），然后判斷二者是否相同，若不相同則數(shù)據(jù)正常，進(jìn)行保留；若二者相同則判斷連續(xù)為此值的累計(jì)頻次是否大于10，即為連續(xù)更新速度值為同一值的持續(xù)時(shí)間是否大于20 min，若不大于則數(shù)據(jù)正常，進(jìn)行保留；若大于，則判定該速度數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)，予以剔除，直至出現(xiàn)下一個(gè)與此速度值不同的數(shù)據(jù)再進(jìn)行保留。其中判定速度數(shù)據(jù)是否有效的臨界值20 min的選取主要考慮兩個(gè)方面：一方面是基于實(shí)際應(yīng)用，道路交通運(yùn)行時(shí)若發(fā)生較嚴(yán)重?fù)矶驴赡艹霈F(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)速度持續(xù)為0；另一方面是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)，一個(gè)月內(nèi)速度數(shù)據(jù)連續(xù)為同一值的持續(xù)時(shí)間和累計(jì)頻次統(tǒng)計(jì)后如圖3所示，由于持續(xù)時(shí)間取值較多，影響圖片可讀性，圖中僅顯示持續(xù)時(shí)間60 min內(nèi)的累計(jì)頻次?？紤]取邊際效益不足5%時(shí)對(duì)應(yīng)的值作為臨界值，即速度連續(xù)更新為同一值的持續(xù)時(shí)間是否超過(guò)20 min作為判定速度數(shù)據(jù)有效的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3速度連續(xù)為同一值的持續(xù)時(shí)間累計(jì)頻次分布Fig.3 Cumulative frequency distribution of duration with same speed continuously

2 信號(hào)交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)方法概述及框架

本研究所提出的基于路段速度的信號(hào)交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)方法框架如圖4所示?？蚣馨ㄈ糠謨?nèi)容：第一部分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的匹配，主要包括路段速度數(shù)據(jù)與路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，以及路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)和交叉口位置數(shù)據(jù)的匹配；第二部分為評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法，通過(guò)匹配關(guān)聯(lián)后的交叉口進(jìn)口道臨近路段速度數(shù)據(jù)，得到交叉口的整體運(yùn)行速度，進(jìn)而得到交叉口的服務(wù)水平等級(jí)；第三部分為常發(fā)性擁堵交叉口識(shí)別，通過(guò)對(duì)擁堵頻率統(tǒng)計(jì)識(shí)別常發(fā)性擁堵交叉口，并根據(jù)常發(fā)擁堵的時(shí)段不同將其分為三類，分別進(jìn)行交叉口擁堵成因分析。

圖4 評(píng)價(jià)方法框架Fig.4 Framework of evaluation method

2.2 數(shù)據(jù)匹配

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的匹配主要包括兩部分，路段速度數(shù)據(jù)與路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，以及路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)和交叉口位置數(shù)據(jù)的匹配。由于路段速度數(shù)據(jù)和路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)的圖幅編號(hào)meshiid和道路編號(hào)road_id相對(duì)應(yīng)，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)字段匹配即可完成路段速度數(shù)據(jù)與路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)后以路段編號(hào)gid作為路段的唯一編號(hào)。

路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)和交叉口位置數(shù)據(jù)的匹配則相對(duì)復(fù)雜，由于交叉口數(shù)據(jù)僅為經(jīng)緯度位置數(shù)據(jù)，在進(jìn)行交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)前，需要先將交叉口位置數(shù)據(jù)與交叉口進(jìn)口道路段進(jìn)行匹配，得到交叉口編號(hào)對(duì)應(yīng)的進(jìn)口道編號(hào)和進(jìn)口道路段編號(hào)。交叉口進(jìn)口道路段匹配算法流程如圖5所示。

圖5 交叉口進(jìn)口道路段匹配算法流程Fig.5 Procedure of intersection entrance road segment matching algorithm

首先識(shí)別路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)中路段的端點(diǎn)經(jīng)緯度，然后利用最短距離法將交叉口位置數(shù)據(jù)與路段端點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到交叉口臨近路段，再通過(guò)交叉口臨近路段的行車方向信息判斷路段是否為交叉口進(jìn)口道，若不是則返回上一步，若是則對(duì)該路段的長(zhǎng)度進(jìn)行判斷，根據(jù)《城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程CJJ 152-2010》[23]確定交叉口范圍半徑為150 m，若該路段的長(zhǎng)度大于150 m，則該路段長(zhǎng)度為150 m，即完成交叉口該進(jìn)口道的路段匹配；若路段長(zhǎng)度不足150 m，則將該路段的上游路段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以此類推，直至關(guān)聯(lián)后的進(jìn)口道路段總長(zhǎng)度超過(guò)150 m，即完成匹配，得到交叉口各進(jìn)口道路段數(shù)大于等于1條，且最后一條路段的長(zhǎng)度為150 m減去其下游所有路段長(zhǎng)度的總和。匹配完成后的交叉口及其進(jìn)口道的路段示意圖如圖6所示。

圖6 交叉口進(jìn)口道路段示意圖Fig.6 Schematic diagram of intersection entrance road section

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法

交叉口進(jìn)口道臨近路段速度數(shù)據(jù)可直接反映交叉口各進(jìn)口道的運(yùn)行速度，通過(guò)對(duì)交叉口進(jìn)口道臨近路段速度數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，即可得到交叉口的整體運(yùn)行速度，權(quán)值主要考慮交叉口各進(jìn)口道路段的長(zhǎng)度和車道數(shù)，計(jì)算公式為：

式中，vˉ為某交叉口整體運(yùn)行速度，vi為進(jìn)口道路段i的速度，li為進(jìn)口道路段i的長(zhǎng)度，mi為進(jìn)口道路段i的車道數(shù)，n為某交叉口所有進(jìn)口道的路段總數(shù)。

由于不同交叉口的車道數(shù)、道路等級(jí)等基礎(chǔ)設(shè)施條件并不相同，使用交叉口整體運(yùn)行速度的大小判定交叉口運(yùn)行狀況等級(jí)并不科學(xué)，考慮參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市交通運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)規(guī)范GB/T 33171—2016》[24]，將交叉口整體運(yùn)行速度與自由流速度的百分比作為判定交叉口運(yùn)行狀況優(yōu)劣的依據(jù)，交叉口運(yùn)行狀況等級(jí)分為：暢通、基本暢通、輕度擁堵、中度擁堵和嚴(yán)重?fù)矶?個(gè)等級(jí)。交叉口整體運(yùn)行速度與自由流速度的百分比與交叉口服務(wù)水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表4所示。其中，自由流速度取該交叉口平均運(yùn)行速度的歷史數(shù)據(jù)中一個(gè)月內(nèi)每天6：00—24：00的速度值，并按從大到小排序，取排序結(jié)果的前1/9進(jìn)行平均，其結(jié)果作為該交叉口自由流速度。

表4 交叉口服務(wù)水平判定標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Standard of intersection service level

2.4 常發(fā)性擁堵交叉口識(shí)別

道路交通擁堵主要包括常發(fā)性擁堵和偶發(fā)性擁堵兩大類，偶發(fā)性擁堵由于其不確定性很難進(jìn)行預(yù)測(cè)和專項(xiàng)治理，因此通常對(duì)常發(fā)性擁堵路段或交叉口進(jìn)行識(shí)別和統(tǒng)計(jì)分析，以便交通管理者針對(duì)常發(fā)性擁堵路段或交叉口采取相應(yīng)的管控措施。交叉口是道路交通路網(wǎng)的重要組成部分，由于其結(jié)構(gòu)的多樣性和運(yùn)行狀況的復(fù)雜性，當(dāng)交叉口交通供給無(wú)法滿足需求時(shí)，極易發(fā)生經(jīng)常性的擁堵。通過(guò)對(duì)交叉口出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶聽顟B(tài)（服務(wù)水平為5）的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，識(shí)別常發(fā)性擁堵交叉口。

擁堵頻率指在一定統(tǒng)計(jì)時(shí)段（如一天、一星期、一月、一年）內(nèi)，累計(jì)考察某交叉口的擁堵時(shí)間與總時(shí)間之比，表征某交叉口在此統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)發(fā)生擁堵的概率，據(jù)此可用于分析常發(fā)性擁堵交叉口。常發(fā)性擁堵交叉口根據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間可分為日常發(fā)擁堵交叉口、周常發(fā)擁堵交叉口、月常發(fā)擁堵交叉口、年常發(fā)擁堵交叉口[24]。

日常發(fā)擁堵交叉口：某日高峰時(shí)段擁堵頻率大于等于60%或者全天擁堵頻率大于等于25%的交叉口；

周常發(fā)擁堵交叉口：每周有大于等于4天屬于日擁堵交叉口的交叉口；

月常發(fā)擁堵交叉口：每月有大于等于3周屬于周擁堵交叉口的交叉口；

年常發(fā)擁堵交叉口：每年有大于等于6個(gè)月屬于月?lián)矶陆徊婵诘慕徊婵凇?/p>

計(jì)算出常發(fā)性擁堵交叉口個(gè)數(shù)的加權(quán)累積量與路網(wǎng)所有交叉口個(gè)數(shù)的比值，得到常發(fā)性擁堵交叉口比例，其中各個(gè)交叉口的權(quán)值為該交叉口所有進(jìn)口的車道總數(shù)。

常發(fā)性擁堵交叉口根據(jù)常發(fā)擁堵時(shí)段不同可分為三類：第一類是高峰擁堵交叉口，是指高峰時(shí)段擁堵頻率大于等于60%，且全天擁堵頻率小于25%的交叉口，該類交叉口的擁堵時(shí)段主要集中在高峰時(shí)段，而平峰時(shí)段則較為暢通；第二類交叉口是平峰擁堵交叉口，是指全天擁堵頻率大于等于25%，但高峰時(shí)段擁堵頻率小于60%的交叉口，該類交叉口的擁堵時(shí)段較為分散，擁堵的發(fā)生也較為隨機(jī)；第三類是全天擁堵交叉口，是指不僅高峰時(shí)段擁堵頻率大于等于60%，且全天擁堵頻率大于等于25%的交叉口，該類交叉口高峰及平峰時(shí)段擁堵都極為頻發(fā)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中路段速度數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)集為2021年2月1日—2021年2月28日，共1個(gè)月，以2021年3月1日—2021年3月31日1個(gè)月的數(shù)據(jù)為研究測(cè)試集。路段速度數(shù)據(jù)與交叉口位置數(shù)據(jù)匹配完成后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣例如表5所示，其中freespeed字段表示路段的自由流速度，cross_dire字段表示交叉口的方向，以區(qū)分交叉口不同進(jìn)口道的路段。

表5 路段速度數(shù)據(jù)與交叉口位置數(shù)據(jù)匹配數(shù)據(jù)樣例Table 5 Samples of matching data between road section speed data and intersection location data

通過(guò)對(duì)交叉口各進(jìn)口道路段的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均得到交叉口平均運(yùn)行速度，并將其轉(zhuǎn)化為交叉口服務(wù)水平，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣例如表6所示，其中mspeed字段表示交叉口平均運(yùn)行速度，mfreespeed字段表示交叉口的自由流速度，index字段表示交叉口的服務(wù)水平。

表6 交叉口服務(wù)水平計(jì)算數(shù)據(jù)樣例Table 6 Samples of intersection service level calculation data

通過(guò)對(duì)交叉口出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶聽顟B(tài)（服務(wù)水平為5）的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，識(shí)別常發(fā)性擁堵交叉口，并根據(jù)常發(fā)擁堵時(shí)段不同將其分為三類。日常發(fā)擁堵交叉口判別數(shù)據(jù)樣例如表7所示，其中day_congestion_time字段表示全天發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶碌臅r(shí)間（單位：min），peak_congestion_time字段表示高峰時(shí)段發(fā)生擁堵的時(shí)間（單位：min），congestion字段表示是否為日常發(fā)性擁堵交叉口和擁堵交叉口類型，0代表非常發(fā)性擁堵交叉口，1代表高峰常發(fā)性擁堵交叉口，2代表非高峰常發(fā)性擁堵交叉口，3代表全天常發(fā)性擁堵交叉口。

表7 日常發(fā)擁堵交叉口判別數(shù)據(jù)樣例Table 7 Samples of daily congestion intersection discrimination data

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)方法的有效性和實(shí)用性，設(shè)計(jì)實(shí)地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)地交通調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)調(diào)查通常為交叉口延誤調(diào)查，根據(jù)每車平均延誤確定交叉口服務(wù)水平，等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)選用《交通工程學(xué)》中建議的交叉口運(yùn)行狀況分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表8所示。

表8 《交通工程學(xué)》建議的交叉口服務(wù)水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Classification standard of intersection service level proposed by Traffic Engineering

為了度量評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性，本文以交叉口服務(wù)水平的平均絕對(duì)誤差（mean absolute error，MAE）和均方根誤差（root-mean-square error，RMSE）為評(píng)價(jià)指標(biāo)。定義如下：

式中，rj表示本文提出的評(píng)價(jià)方法得到的交叉口服務(wù)水平，rjs表示實(shí)地交通調(diào)查得到的交叉口服務(wù)水平，N表示時(shí)間粒度的個(gè)數(shù)。

在佛山市主城區(qū)隨機(jī)選取南海大道與佛平二路交叉口作為實(shí)地調(diào)查地點(diǎn)，該交叉口為十字交叉口，連接的路段分別為雙向十車道和雙向八車道，南北向進(jìn)口道包含四條直行車道和兩條左轉(zhuǎn)車道，東西向進(jìn)口道包含三條直行車道和兩條左轉(zhuǎn)車道，信號(hào)燈為四相位，如圖7所示。調(diào)查時(shí)間為2021年3月10日15：00—16：00和17：00—18：00，包含一個(gè)高峰時(shí)段和一個(gè)平峰時(shí)段。

圖7 南海大道與佛平二路交叉口示意圖Fig.7 Schematic diagram of Nanhai Road and Foping 2nd Road intersection

調(diào)查方法采用點(diǎn)樣本法，每一個(gè)交叉口進(jìn)口道需要3名調(diào)查人員和1塊秒表，調(diào)查人員站在進(jìn)口道停車線附近的路側(cè)人行道較高處，便于觀察交叉口排隊(duì)車輛的隊(duì)尾，清點(diǎn)排隊(duì)車輛數(shù)。其中1人持秒表，按固定的時(shí)間間隔（15 s）通知另外2名調(diào)查人員，第2名調(diào)查人員負(fù)責(zé)每隔15 s清點(diǎn)一次排隊(duì)車輛數(shù)，第3名調(diào)查人員負(fù)責(zé)清點(diǎn)交叉口進(jìn)口道的引道交通量，每隔2 min記錄一次。實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)表樣例如表9所示。

表9 交叉口延誤實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)樣例Table 9 Samples of intersection delay field survey data

交叉口的總延誤為總停駛車輛數(shù)乘以固定時(shí)間間隔（15 s），由于路段速度數(shù)據(jù)的更新時(shí)間粒度為2 min，則需要將實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)的交叉口每車平均延誤處理成2 min的時(shí)間間隔，即為2 min內(nèi)停駛車輛總延誤除以引道交通量，再根據(jù)表8確定實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)的交叉口服務(wù)水平。

將本研究提出的評(píng)價(jià)方法所得到的交叉口服務(wù)水平，與實(shí)地交通調(diào)查得到的交叉口服務(wù)水平進(jìn)行對(duì)比如圖8所示，圖中對(duì)比數(shù)據(jù)共60組，高峰時(shí)段和平峰時(shí)段各30組，交叉口的服務(wù)水平取值為1～5，實(shí)驗(yàn)交叉口的運(yùn)行狀況在平峰時(shí)段基本維持在暢通和基本暢通水平，高峰時(shí)段由基本暢通逐步擁堵，最后形成持續(xù)性擁堵。交叉口服務(wù)水平的研究試驗(yàn)值和實(shí)測(cè)值大部分相同，僅部分存在一個(gè)等級(jí)的偏差，整體準(zhǔn)確度較高。將交叉口服務(wù)水平的研究試驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，得到平均絕對(duì)誤差和均方根誤差，如表10所示。實(shí)驗(yàn)表明，在隨機(jī)選擇的實(shí)驗(yàn)交叉口的應(yīng)用中，交叉口服務(wù)水平的研究試驗(yàn)值和實(shí)測(cè)值的平均絕對(duì)誤差為0.32，誤差僅為6.33%，均方根誤差為0.56，其中，測(cè)量高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段的交叉口服務(wù)水平平均絕對(duì)誤差分別為0.37和0.27，整體偏差較小，表明了本文所提出的交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)方法的有效性。

圖8 交叉口服務(wù)水平的研究實(shí)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值波動(dòng)曲線Fig.8 Fluctuation curve of research test value and measured value of intersection service level

表10 交叉口服務(wù)水平的研究實(shí)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 10 Comparison of research test values and measured values of intersection service level

3.3 常發(fā)性擁堵交叉口分析

通過(guò)對(duì)交叉口出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶聽顟B(tài)（服務(wù)水平為5）的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，識(shí)別常發(fā)性擁堵交叉口。2021年3月內(nèi)每天的日常發(fā)性擁堵交叉口個(gè)數(shù)及占比如圖9所示。由圖9可知，工作日的日常發(fā)性擁堵交叉口個(gè)數(shù)及比例明顯高于周末，工作日居民通勤產(chǎn)生剛性出行需求，在早晚高峰時(shí)段主要通勤廊道的交叉口極易產(chǎn)生周期性的擁堵，尤其是每周周五，如5日、12日、19日和26日，即將迎來(lái)周末，市內(nèi)通勤和短程跨市出行都明顯增加，日常發(fā)性擁堵交叉口個(gè)數(shù)也明顯增多。此外，常發(fā)性擁堵交叉口個(gè)數(shù)及比例整體波動(dòng)較大這可能是由于交叉口結(jié)構(gòu)的特殊性，以及部分交叉口信號(hào)配時(shí)的問(wèn)題，使得交叉口對(duì)區(qū)域路網(wǎng)的運(yùn)行狀況感知較為敏感。

圖9 日常發(fā)性擁堵交叉口個(gè)數(shù)及占比Fig.9 Number and proportion of daily frequent congested intersections

通過(guò)對(duì)日常發(fā)擁堵交叉口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到周常發(fā)擁堵交叉口，再對(duì)周常發(fā)擁堵交叉口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到月常發(fā)擁堵交叉口。佛山市2021年3月的月常發(fā)擁堵交叉口有22個(gè)，月常發(fā)擁堵交叉口位置分布如圖10所示，月常發(fā)擁堵交叉口位置分布相對(duì)較為分散，可能由于交叉口的運(yùn)行狀況不僅受交通需求的影響，還很大程度上受限于交叉口的結(jié)構(gòu)、信號(hào)配時(shí)、交通渠化等因素。

圖10 月常發(fā)擁堵交叉口位置分布Fig.10 Location distribution of monthly frequent congested intersections

常發(fā)性擁堵交叉口根據(jù)常發(fā)擁堵時(shí)段不同可分為三類，在關(guān)鍵瓶頸交叉口擁堵治理時(shí)，可針對(duì)擁堵交叉口不同類型采取對(duì)應(yīng)的治理措施。高峰擁堵交叉口如圖10中的三角形標(biāo)志所示，主要集中在中心城區(qū)，該類型交叉口的擁堵時(shí)段主要集中在高峰時(shí)段，而平峰時(shí)段則較為暢通，說(shuō)明該類型交叉口是主要通勤要塞，其基礎(chǔ)設(shè)施可以滿足日常平峰的交通需求，但當(dāng)高峰時(shí)段交通需求激增時(shí)則易發(fā)生擁堵，因此，可以考慮在高峰時(shí)段采取特別的管控措施，如調(diào)整主次道路的信號(hào)配時(shí)、重點(diǎn)進(jìn)口道借對(duì)向車道通行，設(shè)置交警輔助引流等措施以提高通行效率。

非高峰擁堵交叉口如圖10中的圓形標(biāo)志所示，其位置較為分散，大都不在核心區(qū)，交通需求壓力也相對(duì)較小，該類交叉口的擁堵時(shí)段較為分散，擁堵的發(fā)生也較為隨機(jī)，可能是由于其信號(hào)配時(shí)或交通渠化等物理?xiàng)l件的限制，可以考慮合理調(diào)整信號(hào)配時(shí)，優(yōu)化交通標(biāo)志標(biāo)線等物理設(shè)施。

全天擁堵交叉口如圖10中的五角形標(biāo)志所示，該類型交叉口由于其所處位置為關(guān)鍵交通瓶頸，交通需求較大，或者基礎(chǔ)設(shè)施條件有限，無(wú)法滿足實(shí)際的通行需求，因而全天擁堵頻發(fā)，可以考慮進(jìn)行專項(xiàng)交叉口交通調(diào)查，在實(shí)際條件允許的情況下對(duì)交叉口進(jìn)行擴(kuò)建，增加進(jìn)口道車道數(shù)，以提高交叉口的設(shè)計(jì)通行能力，如基礎(chǔ)設(shè)施條件有限，建議誘導(dǎo)部分交通流到平行路段上分流。

3.4 不同交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)方法對(duì)比

將本文提出的信號(hào)交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)方法與現(xiàn)有的運(yùn)行評(píng)價(jià)方法進(jìn)行對(duì)比，各評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表11所示。

表11 不同交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)方法對(duì)比Table 11 Comparison of operation evaluation methods at different intersections

傳統(tǒng)的交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，因而更為全面準(zhǔn)確，但所需的數(shù)據(jù)源也較多，大都只能采用人工調(diào)查法，無(wú)法全域內(nèi)獲取，經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性都較差；現(xiàn)有基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的評(píng)價(jià)方法雖時(shí)效性較強(qiáng)，但對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較高，評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)覆蓋范圍較低，且計(jì)算較為復(fù)雜，實(shí)用性較差。而本文提出的基于路段速度數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)方法較好地解決了上述問(wèn)題，時(shí)效性和穩(wěn)定性都較強(qiáng)，準(zhǔn)確性也在上述實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)地校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，將本文提出的基于路段速度數(shù)據(jù)的交叉口評(píng)價(jià)方法與《交通工程學(xué)》中建議的基于人工調(diào)查數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行對(duì)比，誤差僅為6.33%，滿足交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)的應(yīng)用需求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全路網(wǎng)的交叉口進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，且方法簡(jiǎn)便，運(yùn)算速度快，適用性較強(qiáng)，雖在部分車流稀疏路段會(huì)相對(duì)不準(zhǔn)確，但隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集能力會(huì)不斷提升，車流稀疏路段占比較少，可整體滿足交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)需求，值得推廣應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于導(dǎo)航平臺(tái)路段速度數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、準(zhǔn)確性好、數(shù)據(jù)更新穩(wěn)定、容易獲取等優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種基于路段速度的交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全路網(wǎng)的交叉口進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)價(jià)。首先，將路段速度數(shù)據(jù)與交叉口位置數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，然后采用交叉口進(jìn)口道臨近路段的速度判定交叉口的服務(wù)水平等級(jí)，同時(shí)可通過(guò)擁堵頻率統(tǒng)計(jì)識(shí)別常發(fā)性擁堵交叉口，并根據(jù)常發(fā)擁堵的時(shí)段不同將其分為三類，分別進(jìn)行擁堵成因分析，以便后續(xù)有針對(duì)性地對(duì)各類擁堵交叉口進(jìn)行專項(xiàng)治理與管控。最后設(shè)計(jì)實(shí)地校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，隨機(jī)選取佛山市的一個(gè)信號(hào)交叉口進(jìn)行交叉口延誤調(diào)查實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)交叉口延誤確定服務(wù)水平，將交叉口服務(wù)水平的研究試驗(yàn)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：該評(píng)價(jià)方法的服務(wù)水平平均絕對(duì)誤差為0.32，誤差僅為6.33%，顯示了本文所提出的交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)方法的有效性。在后續(xù)的研究中將進(jìn)一步將結(jié)合浮動(dòng)車GPS數(shù)據(jù)，改善部分交叉口臨近路段速度數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，提高交叉口運(yùn)行評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度。