1.长安大学
2.中交隧道工程局有限公司
摘要：延误是评价交叉口服务水平和车辆通行效率的一个重要指标。文中引入停车延误和控制延误的概念，分别采用现场调查法、HCM2000算法以及仿真方法对停车延误和控制延误进行了分析计算，并以慈溪市小东门交叉口信号控制方案设计为例，应用VISSIM7.0仿真软件对其延误进行了仿真计算分析，通过与点样本法、HCM2000算法的计算结果比较，表明VISSIM软件在信控交叉口延误计算分析中具有较好的精准性和有效性，可以作为交叉口延误分析评价的有效方法之一。
关键词：交通工程；信号交叉口；延误分析；VISSIM仿真
Analysis and Simulation on Signalized Intersection Delay
Abstract：Delay is an important index for evaluating the service level of intersections and the efficiency of vehicle traffic. The introduction of the concept of delay and delay control in this paper，using field investigation method，HCM2000 algorithm and simulation method of parking delay and control delay is analyzed and calculated，and in Cixi City，the small East Gate intersection signal control scheme design as an example，the application of VISSIM7.0 simulation software for the delay is analyzed through calculation and simulation. The dot sample method and HCM2000 algorithm results show that VISSIM software in signal control is accurate and effective in calculation of intersection delay，one of the most effective methods can be used as the intersection delay analysis and evaluation.。
Keywords：traffic engineering；Signal intersection；Delay analysis；VISSI simulation
0引言
信号交叉口延误是评价信号交叉口交通服务水平和运营效率的重要指标，它不仅反映了使用者通过信号交叉口时多付出的时间代价，还反映了信号交叉口在城市道路系统中的运营状态。信号交叉口运营状态良好，则延误较低；反之则高。因此，进行信号交叉口延误分析对城市道路规划、道路设计和评价信号配时方案非常重要。
信号交叉口延误的分类包括排队延误、停车延误、控制延误、引道延误等。用于评价信号交叉口服务水平的延误主要是平均停车延误和平均控制延误[1]。平均停车延误实际应用中易于测定，已被研究人员广泛接受，有许多研究用平均停车延误方法来评价信号交叉口的服务水平。但是进入交叉口的部分车辆还要经历减速延误和加速延误，这是由于交叉口的实际交通流是周期性中断的，每次交通流被迫减速、停止，然后再次启动、加速，这些都引起车辆运行时间的损失。为了全面评价信号交叉口的运行效率。1997年美国的通行能力手册引入了控制延误，控制延误是停车延误和加减速引起的损失时间之和[2]。一般而言，控制延误往往易于用数学模型来描述，而停车延误则易于观测和度量[3]。本文将分别运用点样本法、HCM2000法（美国道路通行能力手册）和VISSIM7.0微观仿真软件计算慈溪市明州路与新城北路交叉口的延误，并对计算结果进行分析比较。
1延误的基本概念
交通延误是指车辆在行驶中，由于受到驾驶员无法控制的或意外的其他车辆的干扰或交通控制设施等的阻碍所损失的时间，信号交叉口延误是由于交叉口处信号控制引起交通流间断而损失的车辆行驶时间。常用停车延误、控制延误和引道延误来描述交叉口处的延误。其定义如下：停车延误是指车辆在交叉口范围内静止状态产生的延误；控制延误是指车辆受信号影响的行驶时间与自由流状态下行驶时间的差；引道延误则是指车辆自交叉口最大排队处至停车线的延误。停车延误和引道延误均为控制延误的一部分，区别在于：停车延误通过车辆行驶过程定义，而引道延误则通过车辆行驶空间定义。
2信号交叉口延误分析的主要方法
2.1调查方法
交叉口延误的调查方法主要有点样本法和抽样追踪法2种，由于点样本法具有更好的容错性，本文采用点样本法进行交叉口延误分析。在交叉口处，按15 s预定的时间间隔清点停在停车线后的车数，同时清点经过停车后通过停车线的车辆数（停驶数）和不经停车通过停车线的车辆数（不停驶数）。连续不间断的重复上述过程，直至取得所需样本量或交叉口引道上交通显著地改变时为止。具体步骤如下：
（1）记录调查期内一定时间间隔的车辆数，并分别记录停车车辆数和驶过车辆数。
（2）计算调查期内总延误为
（1）
式中，D为调查期内总延误，N为总停车车辆数，t为时间间隔。
（3）计算停车车辆的平均延误为
（2）
式中，
为停车车辆的平均延误，n为停车车辆数。
（4）计算引道车辆的平均延误为
（3）
式中， 
为引道车辆的平均延误，
为引道交通量。
（5）计算停车车辆百分比为
（4）
式中， 
为引道上停车车辆的百分比， 
为停车车辆数， 
为引道交通量。
（6）计算停车百分比的容许误差为
（5）
式中，K为置信度， 
为进行延误调查的最小样本容量。
点样本法的优点是调查样本中如果存在不良数据时对计算结果几乎没有影响，并且计算过程不受信号周期的约束。需要注意的是：①点样本法得到的是引道平均延误；②当停车车辆百分比较大时，方法的适用性无法保证。
2.2模型估算方法
模型估算方法通过建立数学分析模型计算得到延误数值，本文采用较为广泛的HCM2000延误计算模型。
首先，计算信号交叉口的车道组每车平均控制延误，公式为
（6）
式中， 
为车道组每车平均控制延误，s/辆； 
为假定车辆均匀到达时的控制延误，s/辆； 
为均匀延误行进的调整参数； 
为考虑随机到达和过饱和排队影响的增加延误，s/辆；
为初始排队延误，s/辆。
其次，计算引道每车延误和整个交叉口的每车延误，公式为
（7）
（8）
式中， 
为引道 
的延误，s/辆； 
为引道 
中车道组i的延误，s/辆； 
车道组i的调整流率，辆/h； 
为交叉口 
的每车延误，s/辆； 
为引道 
的调整流率，辆/h。
2.3仿真方法
微观交通仿真软件以个体车辆为单位，对车辆的出行行为进行细致的定义，并跟踪和记录这些车辆在交通系统中的所有事件，因此，可以更准确地计算车辆延误。VISSIM 7.0是应用较为广泛的微观交通仿真系统，由德国PTV公司开发，具有计算控制延误、停车延误和引道延误的功能。我国城市道路系统非机动车、行人交通量大，对信号交叉口通行能力及服务水平有较大影响[4]在使用VISSIM进行仿真过程中，需要根据车辆的位置、速度和加减速率采取不同的运行状态：（1）当车辆遇到信号控制或车辆排队时减速行驶；（2）车辆必须在车辆排队队尾或交叉口停车线前停止；（3）当排队消散或信号变为绿灯时，车辆加速再次达到正常运行速度；（4）车辆在无信号控制影响状态时按理想运行速度行驶[5-8]。
3 信号交叉口延误分析方法的比较
（1）点样本法的各个样本是相互独立的，某个样本的错误或遗漏对总的结果几乎没有影响。由于选择观测时间间隔避免了与信号周期的同步，使得各种停车运行状态的样本均可观测到，可以得到每一停驶车辆的平均延误和停驶车辆百分比等统计量。但是点样本法无法获得延误时间的分布特征。从式（4）可以看出：点样本法认为在统计时刻停留在停车线后面的车辆已完全停车了调查间隔值；在调查间隔区段内停车，而在统计时刻前起动加速驶离的车辆的停车延误则忽略不计。由此可见点样本法适用于停车延误较大的信号控制交叉口。一般应是信号周期较长，或者信号相位阶段较多的信控交叉口。该类交叉口由于有效红灯时间较长。绿信比较低，致使车辆因红灯停车延误较大。同时当交叉口停驶车辆百分比很高时，由于排队车辆较多，要在调查间隔时刻瞬间统计出停车排队车辆数，几乎是不可能的，致使点样本法很难适用，精确度不高。
（2）模型估算法运动方便，受主观因素的影响小，精确度较高。不足在于它是在一定的假设条件之上通过数学模型计算延误，缺乏考虑众多相关因素影响的能力，有时难以充分反映实际情况。HCM2000延误模型是针对美国城市交叉口交通流特征建立的，而我国城市交叉口与美国城市交叉口有很大差异。首先，交通方式要复杂得多。美国城市交叉口交通方式主要是机动化的，且以小汽车为主，而在我国城市交叉口，各种交通方式混杂，包括机动车非机动车和行人，且相互干扰，增加了交叉口的延误。其次，美国公民闯红灯者少，而在我国，城市交叉口闯红灯的现象比较普遍，干扰车辆的正常运行，增加了交叉口的延误。
（3）VISSIM通过模拟，再现路段交通流的运行情况，直观地反映车流的密集程度、拥挤状况、排队状况等，能模拟路段上的非机动车及行人、交叉口处等待过街和正在过街的非机动车及行人交通流。因此VISSIM不仅能描述信控交叉口车辆的延误，也能计算行人和非机动车的延误。但VISSIM需根据实际交通流情况，调整跟驰模型的参数或车辆动力特性参数等，从而确保其延误分析的精度。
4案例分析
4.1基础数据
以慈溪市的明州路和新城北路的信号交叉口为研究对象，此交叉口为十字形交叉口，采用四相位固定配时信号系统。通过调查得到信号配时数据和早高峰小时交通流数据。表1为交叉口的小时机动车、非机动车和行人流量调查数据，表2为信号交叉口的相位分配情况。
表1 小东门交叉口小时交通流量调查数据表
表2 信号交叉口相位 s
表3 延误结果分析表
4.2结果分析
定义排队计数器，按东、南、西、北的顺序，在该交叉口的各进口道停车线附近设置4组排队计数器。其中排队开始车速的上限值为5.0 km/h、排队消散车速的下限值为10.0 km/h，车辆间的最大车头空距12 m，最大排队长度500 m；仿真时间0～3 600 s，仿真计数间隔400 s。
通过VISSIM运行，可以得到延误输出文件，由于仿真的随机因素，一次仿真的结果具有不稳定性。所以，进行了3次独立的仿真，保证仿真结果的统计稳定性。再使用点样本法和HCM2000法计算延误，得到结果，见图2和表3。
图1 延误计算结果图
从图1和表3的结果分析数据可知：
（1）点样本法基于现场数据调查，其计算所得到的是停车延误，故计算结果小于HCM2000法计点样本法停车延误得到的控制延误值。由图2可知，点样本法停车延误与HCM2000控制延误曲线有相似性，所以点样本法停车延误可以乘以一定的转换系数，通过适当修正得到控制延误。
（2）由于南进口道的停车百分比较大，在点样本法实际调查中不能准确的在15s的时间间隔内统计出停车车辆数，所以在南进口道，点样本法在计算停车延误时与VISSIM仿真有较大的偏差，其他进口道的点本法停车延误与VISSIM仿真的停车延误误差不大。
（3）VISSIM仿真得到的控制延误数据与HCM2000法计算的延误在允许范围内存在一定的误差。这主要是因为HCM延误模型是针对美国城市交叉口交通流特征建立的，而我国的交叉口交通流特性与美国的存在一定的差异，所以不能直接利用HCM延误模型分析我国城市交叉口的延误。由图1可见，HCM2000延误模型计算曲线与VISSIM仿真延误曲线变化趋势相似，可以近似认为两者存在一定的线性关系，可以适当修正HCM2000模型使之适合我国混合交通流条件下的信号交叉口的延误计算。
（4）VISSIM7.0仿真软件提供了一个虚拟的平台，通过详细地描述交通主体的行为，设定相应参数来反应实际交通状况，因此利用VISSIM仿真软件得到的交叉口延误数据准确度比较高。
5小结
本文着重论述了交叉口延误的点样本法、HCM2000算法以及模拟仿真的计算方法。利用VISSIM 7.0软件建立仿真平台，并运用这3种方法分别对慈溪市明州路与新城北路交叉口的延误进行了计算。通过实例运用的比较分析可以得到，VISSIM仿真软件在信控交叉口延误计算的结果与点样本法、HCM2000延误计算结果吻合较好，具有较好的精准度和实用性。
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论文作者:胡明方1,张孟伟2
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/28
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