場景目標(biāo)導(dǎo)向的交通信號控制效能評價指標(biāo)體系

          道路交通擁堵作為當(dāng)前困擾各大城市的主要社會問題之一，已經(jīng)嚴(yán)重影響人們的日常生活、工作以及城市的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)公安部數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2019年末，全國機(jī)動車保有量達(dá)3.48億輛，其中汽車2.6億輛，且保持高速增長態(tài)勢^[1]。道路交通擁堵日益嚴(yán)重，對城市交通控制水平提出了更高要求。

           在這一背景下，亟須對城市交通信號控制效能進(jìn)行客觀、全面的評價，以反映實際應(yīng)用效果，提供決策依據(jù)。一套完整的交通信號控制效能評價指標(biāo)體系，是對整體交通系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價以及特定場景下交通信號控制方案提檔升級與深化應(yīng)用的基礎(chǔ)。只有根據(jù)不同交通場景特征與控制目標(biāo)差異化選取指標(biāo)，才能精準(zhǔn)反映信號控制效能，最大限度推動信號控制方案的改善和優(yōu)化^[2]。

          然而，現(xiàn)有針對交通信號控制的評價指標(biāo)主要還是通過延誤、排隊長度、飽和度等直接進(jìn)行評價。其評價結(jié)果體現(xiàn)的是交通運(yùn)行狀態(tài)，并不能體現(xiàn)信號控制方案的真實水平。一方面，目前各地主要憑借工程經(jīng)驗對道路交通信號控制效能進(jìn)行主觀化評價，導(dǎo)致多地信號控制應(yīng)用效果參差不齊，無法形成方案實施—效果反饋—方案提升的良性循環(huán)發(fā)展。另一方面，對于“堵”“亂”等交通現(xiàn)象尚缺乏合理的分類，指標(biāo)體系構(gòu)建還不夠完善。

          從指標(biāo)類型角度考慮，現(xiàn)有交通評價指標(biāo)主要分為兩大類：第一類為規(guī)劃設(shè)計類指標(biāo)，反映交通設(shè)施供給水平，這類指標(biāo)通常由國家部委或各地政府、專業(yè)部門發(fā)布；第二類為運(yùn)行狀態(tài)類指標(biāo)，反映交通運(yùn)行狀況好壞，這類指標(biāo)主要由以互聯(lián)網(wǎng)公司為代表的研究機(jī)構(gòu)、咨詢公司推行。這兩大類指標(biāo)在交通發(fā)展的具體目標(biāo)、理念上各有所側(cè)重，從而在各自的框架下實現(xiàn)相關(guān)訴求。除此之外，還有安全類指標(biāo)與排放類指標(biāo)。下文將對規(guī)劃設(shè)計類指標(biāo)和交通運(yùn)行狀態(tài)類指標(biāo)進(jìn)行回顧分析。

          規(guī)劃設(shè)計類指標(biāo)主要反映交通設(shè)施供給程度是否充足，多見于國家部委近些年相繼發(fā)布的一系列考核指標(biāo)、各地交通部門形成的技術(shù)指標(biāo)體系，主要服務(wù)于規(guī)劃設(shè)計方案的選優(yōu)。

          2017年8月，公安部、中央文明辦、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部在自2000年起實施的城市道路交通管理“暢通工程”和“文明交通行動計劃”的基礎(chǔ)上，在全國組織實施“城市道路交通文明暢通提升行動計劃”^[3]，在交通管理設(shè)施規(guī)范設(shè)置率、公交專用車道長度、公交信號優(yōu)先覆蓋率等層面提出相關(guān)發(fā)展目標(biāo)。文獻(xiàn)[4]從滿足城市的生產(chǎn)運(yùn)作需求、滿足生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展需要兩個理念出發(fā)，在交通設(shè)施供給層面構(gòu)建了詳細(xì)的評價指標(biāo)體系。在公共交通方面，自2013年起，交通運(yùn)輸部推行“公交都市”考核，提出了《公交都市考核評價指標(biāo)體系》^[5]，對公交線網(wǎng)密度、專用車道設(shè)置率等設(shè)施方面均提出了相應(yīng)考核指標(biāo)。隨后，交通運(yùn)輸部又于2016年底及2017年底相繼發(fā)布了《城市公共汽電車客運(yùn)服務(wù)規(guī)范》(GB/T 22484—2016)^[6]、《城市公共交通發(fā)展水平評價指標(biāo)體系》(GB/T 35654—2017)^[7]，進(jìn)一步完善了設(shè)施、服務(wù)質(zhì)量層面的相關(guān)指標(biāo)。

          上述規(guī)劃設(shè)計類指標(biāo)考核往往通過政府組織、專家領(lǐng)銜、部門合作的組織模式，能夠保證指標(biāo)的科學(xué)性與專業(yè)性，這類指標(biāo)在城市建設(shè)的各個階段均發(fā)揮著重要作用^[4]。然而，隨著大城市中心城區(qū)空間資源逐漸飽和，增加設(shè)施供給對緩解交通擁堵的作用越來越有限。且隨著交通需求不斷增長，交通控制策略將越來越成為未來交通治理的關(guān)鍵因素。

          運(yùn)行狀態(tài)類指標(biāo)通常能直觀反映交通運(yùn)行狀況的好壞。交通運(yùn)輸部于2016年底發(fā)布了《城市交通運(yùn)行狀況評價規(guī)范》(GB/T 33171—2016)^[8]，對交通量、自由流速度、平均行程速度等基礎(chǔ)性運(yùn)行狀態(tài)類指標(biāo)做了明確的定義，并將路段、路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀況分別劃分為五個等級。此外，常見的運(yùn)行狀態(tài)類指標(biāo)還包括停車次數(shù)、排隊長度、行程時間、平均延誤等。除了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之外，近年來，中國多家互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)依托大數(shù)據(jù)與交通狀態(tài)感知技術(shù)優(yōu)勢，連續(xù)多年發(fā)布了交通擁堵報告。例如，高德地圖2020年第二季度發(fā)布的《中國主要城市交通分析報告》^[9]，從城市道路交通、公共汽車兩個方面對交通運(yùn)行狀況進(jìn)行評價：針對前者，提出路網(wǎng)高延時運(yùn)行時間占比、路網(wǎng)高峰時段擁堵路段里程比、高峰時段平均速度等多項指標(biāo)；針對后者，提出公共汽車全天運(yùn)營速度、社會車輛與公共汽車車速比、全市全天公共汽車線路運(yùn)營速度波動率三項指標(biāo)。報告依托互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，相對通俗易懂，引發(fā)了廣泛的輿論關(guān)注。

          然而，運(yùn)行狀態(tài)特征值本質(zhì)上是交通供給、交通需求相互影響的結(jié)果，是對擁堵現(xiàn)象的客觀描述。并且各城市的交通設(shè)施供給、交通控制策略均存在差異。運(yùn)行狀態(tài)特征值雖然能夠?qū)Ρ炔煌鞘械膿矶聡?yán)重程度，卻難以分析信號控制效能高低，也就無法給出有針對性的信號控制改善方案。

          現(xiàn)有指標(biāo)無法單獨(dú)反映信號控制效能。實現(xiàn)這一目標(biāo)的難點在于如何將交通運(yùn)行狀態(tài)特征與交通場景特征、具體控制策略有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建能夠反映控制層面影響因素的評價指標(biāo)。既有研究雖有所涉及，但仍存在以下兩方面問題：

          1）場景目標(biāo)導(dǎo)向不明顯。

          不同的場景有不同的控制目標(biāo)，其對應(yīng)的評價指標(biāo)集也應(yīng)有所側(cè)重。而既有研究由于未細(xì)分場景及交通需求特征，所構(gòu)建的評價指標(biāo)體系無法反映具體場景的核心特征。

          2）信號控制類指標(biāo)研究不充分。

           信號控制的最終目的是通過有效利用時間資源提高交通效率。該類指標(biāo)通常由具體控制策略與停車延誤、停車次數(shù)、排隊長度等運(yùn)行狀態(tài)類指標(biāo)復(fù)合構(gòu)成^[10]。文獻(xiàn)[11]按照控制范圍提出基于單點、干線、區(qū)域?qū)用娴男盘柨刂葡到y(tǒng)評價指標(biāo)，但所用指標(biāo)均為運(yùn)行狀態(tài)類指標(biāo)。公安部于2016年7月發(fā)布的《道路交通信號控制方式第2部分：通行狀態(tài)與控制效益評估指標(biāo)及方法》中的部分指標(biāo)實現(xiàn)了與信號控制策略相關(guān)聯(lián)，如綠燈啟亮?xí)r刻及紅燈啟亮?xí)r刻最大排隊長度^[12]等。文獻(xiàn)[13]提出使用綠燈利用率(即1減去綠燈空放率)，結(jié)合排隊長度、行車延誤，作為單點交叉口的評價指標(biāo)體系。文獻(xiàn)[14]從效率、安全、環(huán)保三方面提出了包括沖突點面密度、污染物排放、噪聲在內(nèi)的信號控制策略綜合評價體系。上述指標(biāo)體系雖能對比兩套信號控制方案的相對優(yōu)劣，卻無法針對一套方案給出控制水平高低的評價結(jié)果。

          文獻(xiàn)[2]從單點與干線兩種空間范圍出發(fā)，建立了問題導(dǎo)向的交叉口信號控制評價指標(biāo)體系，針對信號控制中可能存在的問題構(gòu)建相應(yīng)指標(biāo)，實現(xiàn)了對具體方案控制水平的統(tǒng)一評價。然而，上述指標(biāo)體系未綜合考慮場景特征及不同的交通需求。例如，低飽和度交叉口的主要控制目標(biāo)為降低車均延誤，此時綠燈空放率能夠充分體現(xiàn)控制效能；而針對頻現(xiàn)短時集聚的交叉口，需盡量避免排隊溢流，因此排隊溢流率就變成了關(guān)鍵指標(biāo)。

           因此，交通信號控制效能評價指標(biāo)體系的構(gòu)建離不開場景目標(biāo)導(dǎo)向，且需綜合考慮交通運(yùn)行特征。

          不同場景下的交通運(yùn)行特征往往不同，對應(yīng)的交通信號控制策略及實施效果也各有差異。因此，只有對城市中各種交通場景進(jìn)行明確定義，所構(gòu)建的指標(biāo)才能更準(zhǔn)確地反映信號控制效能并有效地指導(dǎo)相關(guān)部門進(jìn)行控制方案改善。然而，目前并未有一套成熟的體系，將城市中各種“堵”“亂”的現(xiàn)象進(jìn)行場景分類。

          為實現(xiàn)對控制策略的精準(zhǔn)評價，首先對城市道路的典型交通場景進(jìn)行分類。從出行方式來看，除了社會車輛，還有公共汽車與非機(jī)動交通；從交通供需特征來看，包括非飽和與過飽和交通場景；從空間范圍來看，交通信號控制覆蓋的交通場景除了交叉口，還有若干個交叉口所組成的干線與片區(qū)。

          評價指標(biāo)體系構(gòu)建思路主要分為三個層次：1)交通場景層：結(jié)合實際運(yùn)行現(xiàn)狀與交通控制方案，以不同出行方式、交通供需特征、空間范圍大小為依據(jù)，進(jìn)行典型交通場景劃分；2)控制目標(biāo)層：定義各個場景的控制目標(biāo)并進(jìn)行凝練；3)評價指標(biāo)層：針對不同的交通場景，形成單個場景的評價指標(biāo)集。最后綜合形成交通信號控制水平評價指標(biāo)體系，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 交通信號控制效能評價指標(biāo)體系構(gòu)建技術(shù)路線

          城市交通信號控制系統(tǒng)作為綜合性系統(tǒng)，評價指標(biāo)體系的建立應(yīng)盡可能科學(xué)、全面和客觀，具體應(yīng)遵循以下原則：

          1）完備性原則：評價指標(biāo)體系作為一個有機(jī)整體，應(yīng)該能從不同場景、不同角度反映交通信號控制水平，并體現(xiàn)信號控制方案的優(yōu)化潛能。

          2）實用性原則：開展交通信號控制水平評價工作的意義在于識別現(xiàn)有城市信號控制方案存在的問題并指導(dǎo)今后實際工作。因此，選取指標(biāo)應(yīng)便于理解，能直觀、簡便地說明問題，有利于實際推廣。

          3）可行性原則：充分考慮日常工作中開展評價的可操作性，數(shù)據(jù)要易于采集，途徑要切實可行，盡可能通過現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段獲取評價指標(biāo)所需數(shù)據(jù)。

          本文將按照出行方式、交通供需特征，將城市交通場景劃分為多方式交通場景、非飽和場景、過飽和場景三個大類，并按照空間范圍大小、控制設(shè)施等具體細(xì)節(jié)，提煉出14種典型交通場景，形成典型城市道路交通場景庫。具體劃分方案如表1所示。

          表1 典型城市道路交通場景庫及其核心特征

          同一交通場景針對不同的交通需求與運(yùn)行特征，也應(yīng)對應(yīng)不同的信號控制目標(biāo)。例如，對于低飽和度交叉口，應(yīng)盡量降低車均延誤；對于短時集聚交叉口，應(yīng)盡量避免排隊溢流現(xiàn)象的發(fā)生。因此，除了定義交通場景，還有必要進(jìn)一步梳理信號控制目標(biāo)，并據(jù)此選取特征指標(biāo)與通用指標(biāo)，從而構(gòu)成評價該類交通場景的指標(biāo)集。

          不同交通場景的信號控制目標(biāo)分為基礎(chǔ)性控制目標(biāo)與系統(tǒng)性控制目標(biāo)兩大類，并進(jìn)一步細(xì)分為6類具體控制目標(biāo)。其中，基礎(chǔ)性控制目標(biāo)強(qiáng)調(diào)交通場景的基本控制保障，具體包括運(yùn)行效率、安全水平、通行能力；系統(tǒng)性控制目標(biāo)則強(qiáng)調(diào)交通場景整體的可靠性、協(xié)調(diào)性、均衡性。信號控制目標(biāo)的名稱及具體含義如表2所示。

表2 交通場景的信號控制目標(biāo)分類

          按照指標(biāo)與場景特征的關(guān)聯(lián)程度，將指標(biāo)分為特征指標(biāo)與通用指標(biāo)。其中，特征指標(biāo)能夠直觀反映場景管控效能高低；通用指標(biāo)則為常見運(yùn)行狀態(tài)類指標(biāo)集中最相關(guān)的指標(biāo)，同一種指標(biāo)可能應(yīng)用于多個場景。為確保指標(biāo)的代表性與應(yīng)用能力，每一類型指標(biāo)數(shù)量不超過兩個。

          多方式交通場景包含公交優(yōu)先與非機(jī)動交通兩個場景。

          1）公交優(yōu)先：公交優(yōu)先策略的實施通常通過設(shè)置專用車道、信號優(yōu)先兩種形式實現(xiàn)。除了盡可能提升效率之外，還需要盡可能考慮乘客的體驗，控制目標(biāo)主要為提升運(yùn)行可靠性、提升運(yùn)行效率。

          2）非機(jī)動交通：由于行人、非機(jī)動車通常直接暴露在機(jī)動車環(huán)境中，容易引發(fā)交通事故。此外，交叉口機(jī)非沖突也會嚴(yán)重影響非機(jī)動交通的效率。因此，其控制目標(biāo)主要為提升安全水平、提升運(yùn)行效率。

          針對上述場景特征，構(gòu)建多方式交通場景評價指標(biāo)集(見表3)。

  表3 多方式交通場景評價指標(biāo)集

          非飽和交通場景包含低飽和度交叉口、非飽和需求變化交叉口、非飽和需求變化干線、短時集聚交叉口、動態(tài)可變車道共5種典型場景。

          1）低飽和度交叉口：場景特點是交通需求在大部分時段小于供給。其管控方案的關(guān)鍵在于盡量減少供需不匹配程度、降低車輛通過的平均延誤?？刂颇繕?biāo)主要為提升供需均衡性、提升運(yùn)行效率。

          2）非飽和需求變化交叉口：需求隨時間變化易造成交叉口供需不匹配。其管控關(guān)鍵在于是否結(jié)合各時段內(nèi)交通需求特征制定合理的配時方案?？刂颇繕?biāo)主要為提升運(yùn)行效率、提升供需均衡性。

          3）非飽和需求變化干線：場景特征同非飽和需求變化交叉口類似，區(qū)別在于空間范圍拓展至若干個連續(xù)交叉口，多交叉口之間需要協(xié)調(diào)聯(lián)動。控制目標(biāo)主要為提升聯(lián)動協(xié)調(diào)性、提升運(yùn)行效率。

          4）短時集聚交叉口：短時集聚現(xiàn)象指交通量在短時間內(nèi)發(fā)生較大增長，造成交叉口某一或多個進(jìn)口道產(chǎn)生排隊甚至溢流。管控方案需快速應(yīng)對交通量的突然變化，盡可能使集聚車輛快速通過交叉口，避免出現(xiàn)排隊溢流?？刂颇繕?biāo)主要為提升運(yùn)行可靠性。

          5）動態(tài)可變車道：可變車道能在不額外拓展道路空間資源的情況下，通過時空資源的動態(tài)分配，促進(jìn)現(xiàn)有道路資源的充分利用。其管控關(guān)鍵在于及時并準(zhǔn)確地調(diào)整時空資源供給，使之與需求盡可能匹配。控制目標(biāo)主要為提升供需均衡性、提升運(yùn)行效率。

          針對上述場景特征，構(gòu)建非飽和交通場景評價指標(biāo)集(見表4)。

表4 非飽和交通場景評價指標(biāo)集

          過飽和交通場景包含常發(fā)擁堵熱點、常發(fā)擁堵片區(qū)、通勤路徑過飽和、快速路上匝道路段、快速路下匝道路段、短連線路段、進(jìn)出城關(guān)鍵通道共7種典型場景。

          1）常發(fā)擁堵熱點：指因常態(tài)性出現(xiàn)需求大于供給而造成擁堵的單個交叉口，具體表現(xiàn)為交叉口多個進(jìn)口道行駛速度低、車輛排隊長、平均延誤大?？刂颇繕?biāo)主要為提升通行能力、提升運(yùn)行效率。

          2）常發(fā)擁堵片區(qū)：指片區(qū)交叉口常態(tài)性出現(xiàn)需求大于供給造成區(qū)域性擁堵，片區(qū)內(nèi)交叉口特征與常發(fā)擁堵熱點相同。其管控關(guān)鍵在于快速將內(nèi)部車輛疏導(dǎo)駛離擁堵區(qū)域，同時避免車輛向片區(qū)內(nèi)進(jìn)一步集聚?？刂颇繕?biāo)主要為提升通行能力、提升運(yùn)行效率。

          3）通勤路徑過飽和：通勤路徑在早晚高峰時段由于出現(xiàn)交通集聚而造成常態(tài)性交通過飽和。此外，由于部分城市職住分離日趨明顯，雙向交通需求在早晚高峰時段存在明顯差異，造成通勤方向通行能力不足，單向過飽和?？刂颇繕?biāo)主要為提升供需均衡性、提升運(yùn)行效率。

          4）快速路上匝道路段：快速路上匝道交通與主線交通爭奪通行權(quán)，易造成主線擁堵或事故；在需求過大、匝道車輛無法及時匯入時，上匝道可能發(fā)生排隊溢出，進(jìn)而影響地面交通的運(yùn)行效率?？刂颇繕?biāo)主要為提升安全水平、提升運(yùn)行可靠性、提升運(yùn)行效率。

          5）快速路下匝道路段：快速路下匝道交通與地面交通爭奪通行權(quán)，易造成地面交通擁堵；在過飽和情況下，易出現(xiàn)車輛排隊溢出，影響主線交通運(yùn)行。控制目標(biāo)主要為提升運(yùn)行可靠性、提升運(yùn)行效率。

          6）短連線路段：短連線路段兩端由于空間距離近，一旦出現(xiàn)停車或車輛慢行，極易出現(xiàn)排隊溢流現(xiàn)象。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，短連線兩端相連交叉口的信號配時方案需要有較好的協(xié)調(diào)聯(lián)動?？刂颇繕?biāo)主要為提升運(yùn)行可靠性、提升聯(lián)動協(xié)調(diào)性。

          7）進(jìn)出城關(guān)鍵通道：通常為跨城市或城市與郊區(qū)之間的快速路，在通勤時段內(nèi)常態(tài)性出現(xiàn)大量通勤交通集聚。顯著特征為早晚高峰時段流量大，飽和度高，擁堵緩行?？刂颇繕?biāo)主要為提升運(yùn)行可靠性、提升運(yùn)行效率。

          針對上述場景特征，構(gòu)建過飽和交通場景評價指標(biāo)集(見表5)。

表5 過飽和交通場景評價指標(biāo)集

         為實現(xiàn)對交通信號控制效能的精準(zhǔn)評價，對城市中典型交通場景進(jìn)行了劃分，形成多方式交通、非飽和交通、過飽和交通三大類場景，并進(jìn)一步細(xì)分形成包含14種具體場景的典型交通場景庫。同時總結(jié)6類涵蓋場景的信號控制目標(biāo)?；诘湫蛨鼍皫?，緊密結(jié)合場景的核心特征，構(gòu)建單個場景的評價指標(biāo)集。相比現(xiàn)有指標(biāo)，本文提出的指標(biāo)集圍繞交通場景的核心特征構(gòu)建，能夠直接評價交通信號控制效能水平，具有更好的實際應(yīng)用與推廣能力，所形成的指標(biāo)體系既適用于具體場景的城市交通信號控制效能的精細(xì)化評價，也適用于整體交通系統(tǒng)的綜合評價。然而，指標(biāo)體系的構(gòu)建只是交通評價工作中的一環(huán)，指標(biāo)測算與閾值確定、多指標(biāo)權(quán)重賦值等內(nèi)容仍有待進(jìn)一步的研究。