場景目標導向的交通信號控制效能評價指標體系

          道路交通擁堵作為當前困擾各大城市的主要社會問題之一，已經(jīng)嚴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，全國機動車保有量達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行客觀、全面的評價，以反映實際應用效果，提供決策依據(jù)。一套完整的交通信號控制效能評價指標體系，是對整體交通系統(tǒng)進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用的基礎(chǔ)。只有根據(jù)不同交通場景特征與控制目標差異化選取指標，才能精準反映信號控制效能，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主要還是通過延誤、排隊長度、飽和度等直接進行評價。其評價結(jié)果體現(xiàn)的是交通運行狀態(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行主觀化評價，導致多地信號控制應用效果參差不齊，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，指標體系構(gòu)建還不夠完善。

          從指標類型角度考慮，現(xiàn)有交通評價指標主要分為兩大類：第一類為規(guī)劃設(shè)計類指標，反映交通設(shè)施供給水平，這類指標通常由國家部委或各地政府、專業(yè)部門發(fā)布；第二類為運行狀態(tài)類指標，反映交通運行狀況好壞，這類指標主要由以互聯(lián)網(wǎng)公司為代表的研究機構(gòu)、咨詢公司推行。這兩大類指標在交通發(fā)展的具體目標、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，還有安全類指標與排放類指標。下文將對規(guī)劃設(shè)計類指標和交通運行狀態(tài)類指標進行回顧分析。

          規(guī)劃設(shè)計類指標主要反映交通設(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、各地交通部門形成的技術(shù)指標體系，主要服務于規(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。文獻[4]從滿足城市的生產(chǎn)運作需求、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)建了詳細的評價指標體系。在公共交通方面，自2013年起，交通運輸部推行“公交都市”考核，提出了《公交都市考核評價指標體系》^[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考核指標。隨后，交通運輸部又于2016年底及2017年底相繼發(fā)布了《城市公共汽電車客運服務規(guī)范》(GB/T 22484—2016)^[6]、《城市公共交通發(fā)展水平評價指標體系》(GB/T 35654—2017)^[7]，進一步完善了設(shè)施、服務質(zhì)量層面的相關(guān)指標。

          上述規(guī)劃設(shè)計類指標考核往往通過政府組織、專家領(lǐng)銜、部門合作的組織模式，能夠保證指標的科學性與專業(yè)性，這類指標在城市建設(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。

          運行狀態(tài)類指標通常能直觀反映交通運行狀況的好壞。交通運輸部于2016年底發(fā)布了《城市交通運行狀況評價規(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)性運行狀態(tài)類指標做了明確的定義，并將路段、路網(wǎng)的交通運行狀況分別劃分為五個等級。此外，常見的運行狀態(tài)類指標還包括停車次數(shù)、排隊長度、行程時間、平均延誤等。除了相關(guān)標準規(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行狀況進行評價：針對前者，提出路網(wǎng)高延時運行時間占比、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；針對后者，提出公共汽車全天運營速度、社會車輛與公共汽車車速比、全市全天公共汽車線路運營速度波動率三項指標。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。運行狀態(tài)特征值雖然能夠?qū)Ρ炔煌鞘械膿矶聡乐爻潭?，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)有指標無法單獨反映信號控制效能。實現(xiàn)這一目標的難點在于如何將交通運行狀態(tài)特征與交通場景特征、具體控制策略有機結(jié)合，構(gòu)建能夠反映控制層面影響因素的評價指標。既有研究雖有所涉及，但仍存在以下兩方面問題：

          1）場景目標導向不明顯。

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

          2）信號控制類指標研究不充分。

           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)、排隊長度等運行狀態(tài)類指標復合構(gòu)成^[10]。文獻[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，但所用指標均為運行狀態(tài)類指標。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及方法》中的部分指標實現(xiàn)了與信號控制策略相關(guān)聯(lián)，如綠燈啟亮時刻及紅燈啟亮時刻最大排隊長度^[12]等。文獻[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體系。文獻[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[2]從單點與干線兩種空間范圍出發(fā)，建立了問題導向的交叉口信號控制評價指標體系，針對信號控制中可能存在的問題構(gòu)建相應指標，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。

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

          不同場景下的交通運行特征往往不同，對應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行明確定義，所構(gòu)建的指標才能更準確地反映信號控制效能并有效地指導相關(guān)部門進行控制方案改善。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)象進行場景分類。

          為實現(xiàn)對控制策略的精準評價，首先對城市道路的典型交通場景進行分類。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)，進行典型交通場景劃分；2)控制目標層：定義各個場景的控制目標并進行凝練；3)評價指標層：針對不同的交通場景，形成單個場景的評價指標集。最后綜合形成交通信號控制水平評價指標體系，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)，評價指標體系的建立應盡可能科學、全面和客觀，具體應遵循以下原則：

          1）完備性原則：評價指標體系作為一個有機整體，應該能從不同場景、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今后實際工作。因此，選取指標應便于理解，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行特征，也應對應不同的信號控制目標。例如，對于低飽和度交叉口，應盡量降低車均延誤；對于短時集聚交叉口，應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，還有必要進一步梳理信號控制目標，并據(jù)此選取特征指標與通用指標，從而構(gòu)成評價該類交通場景的指標集。

          不同交通場景的信號控制目標分為基礎(chǔ)性控制目標與系統(tǒng)性控制目標兩大類，并進一步細分為6類具體控制目標。其中，基礎(chǔ)性控制目標強調(diào)交通場景的基本控制保障，具體包括運行效率、安全水平、通行能力；系統(tǒng)性控制目標則強調(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分類

          按照指標與場景特征的關(guān)聯(lián)程度，將指標分為特征指標與通用指標。其中，特征指標能夠直觀反映場景管控效能高低；通用指標則為常見運行狀態(tài)類指標集中最相關(guān)的指標，同一種指標可能應用于多個場景。為確保指標的代表性與應用能力，每一類型指標數(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，控制目標主要為提升運行可靠性、提升運行效率。

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

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

  表3 多方式交通場景評價指標集

          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。控制目標主要為提升供需均衡性、提升運行效率。

          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?？刂颇繕酥饕獮樘嵘\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?？刂颇繕酥饕獮樘嵘?lián)動協(xié)調(diào)性、提升運行效率。

          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口道產(chǎn)生排隊甚至溢流。管控方案需快速應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。控制目標主要為提升運行可靠性。

          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，促進現(xiàn)有道路資源的充分利用。其管控關(guān)鍵在于及時并準確地調(diào)整時空資源供給，使之與需求盡可能匹配。控制目標主要為提升供需均衡性、提升運行效率。

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

表4 非飽和交通場景評價指標集

          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)為交叉口多個進口道行駛速度低、車輛排隊長、平均延誤大?？刂颇繕酥饕獮樘嵘ㄐ心芰Α⑻嵘\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)部車輛疏導駛離擁堵區(qū)域，同時避免車輛向片區(qū)內(nèi)進一步集聚。控制目標主要為提升通行能力、提升運行效率。

          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?？刂颇繕酥饕獮樘嵘┬杈庑?、提升運行效率。

          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，進而影響地面交通的運行效率?？刂颇繕酥饕獮樘嵘踩健⑻嵘\行可靠性、提升運行效率。

          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，影響主線交通運行。控制目標主要為提升運行可靠性、提升運行效率。

          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?？刂颇繕酥饕獮樘嵘\行可靠性、提升聯(lián)動協(xié)調(diào)性。

          7）進出城關(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?？刂颇繕酥饕獮樘嵘\行可靠性、提升運行效率。

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

表5 過飽和交通場景評價指標集

         為實現(xiàn)對交通信號控制效能的精準評價，對城市中典型交通場景進行了劃分，形成多方式交通、非飽和交通、過飽和交通三大類場景，并進一步細分形成包含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?；诘湫蛨鼍皫欤o密結(jié)合場景的核心特征，構(gòu)建單個場景的評價指標集。相比現(xiàn)有指標，本文提出的指標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，具有更好的實際應用與推廣能力，所形成的指標體系既適用于具體場景的城市交通信號控制效能的精細化評價，也適用于整體交通系統(tǒng)的綜合評價。然而，指標體系的構(gòu)建只是交通評價工作中的一環(huán)，指標測算與閾值確定、多指標權(quán)重賦值等內(nèi)容仍有待進一步的研究。