北京交通大學(xué)-交叉口機(jī)動(dòng)車延誤指數(shù)的提出與延誤成本分析

1、交叉口機(jī)動(dòng)車延誤指數(shù)的提出與顯性成本分析*作者簡介：張舜(1988一)，男，內(nèi)蒙古人，北京交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院本科生，專業(yè)：金融學(xué)張舜 谷琳 禾祺夫（北京交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044，中國）摘要： 延誤是衡量交叉口服務(wù)水平的重要參數(shù)，也是交叉口動(dòng)態(tài)配時(shí)的參考指標(biāo)。1954年提出的點(diǎn)樣本法作為實(shí)地測(cè)量交叉口停車延誤的基本方法，至今仍被許多國家廣泛使用。我們首次將點(diǎn)樣本法應(yīng)用于北京市5個(gè)區(qū)15個(gè)交叉口，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行回歸分析，得到的公式被證明有較高的準(zhǔn)確度與可操作性，可作為替代點(diǎn)樣本法的簡便算法。該算法未來更可與電子計(jì)數(shù)器、圖像識(shí)別技術(shù)結(jié)合，達(dá)到實(shí)時(shí)觀測(cè)交叉口的運(yùn)行狀況、動(dòng)態(tài)計(jì)算交

2、叉口服務(wù)水平的目的。我們根據(jù)該算法構(gòu)建了交叉口機(jī)動(dòng)車延誤指數(shù)，并將該指數(shù)與外部性模型結(jié)合，提出了一個(gè)可以解釋交叉口擁堵的經(jīng)濟(jì)學(xué)模型。最后，我們計(jì)算了北京市交通高峰時(shí)期機(jī)動(dòng)車在交叉口處因延誤所付出油耗成本，可以作為擁堵定價(jià)與政策制定的一個(gè)重要參考因素。關(guān)鍵詞：服務(wù)水平；點(diǎn)樣本法；交叉口；外部性；回歸分析中圖分類號(hào)：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A0 引言“點(diǎn)線面”式的傳遞過程是交通擁堵現(xiàn)象出現(xiàn)的一般模式。作為城市交通運(yùn)行的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)交叉口往往是交通擁堵形成的最初“點(diǎn)”。交叉口服務(wù)水平的高低更是與其所在路段、甚至整個(gè)路網(wǎng)的運(yùn)行狀況密切相關(guān)。因而，建立一套科學(xué)合理的交叉口服務(wù)水平的評(píng)價(jià)體系，對(duì)于評(píng)價(jià)交叉口運(yùn)

3、行狀況，判斷周邊環(huán)境、交通管理政策改變后交叉口服務(wù)水平改善與否具有很大的研究價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。1 延誤類型與測(cè)算方法服務(wù)水平是衡量交通設(shè)施運(yùn)行狀況以及使用者對(duì)運(yùn)行質(zhì)量感受的定量指標(biāo)。其既是交通設(shè)施設(shè)計(jì)和交通優(yōu)化措施的確定依據(jù)，也是交通設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。信號(hào)交叉口是城市道路的瓶頸，科學(xué)的確定信號(hào)交叉口的服務(wù)水平可以為交叉口設(shè)施設(shè)計(jì)、交通管理與控制措施的指定提供參考。美國道路通行能力手冊(cè)將延誤作為確定交叉口服務(wù)水平的唯一指標(biāo)，因?yàn)檠诱`是駕駛員不舒適感、受挫感、油料消耗與損失的通行時(shí)間的集中體現(xiàn)2,3。1）延誤類型信號(hào)交叉口延誤是由于交叉口處信號(hào)控制引起交通流間斷而損失的車輛行駛時(shí)間。信號(hào)交叉口

4、延誤不僅能夠反映道路使用者通過交叉口的滯留時(shí)間，也能反映出交叉口信號(hào)配時(shí)的合理性及運(yùn)行狀態(tài)，因此被廣泛的應(yīng)用在交叉口設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的流程當(dāng)中。信號(hào)交叉口延誤的種類包括排隊(duì)延誤、停車延誤、控制延誤、引道延誤等,但普遍使用的主要有停車延誤和控制延誤。停車延誤是機(jī)動(dòng)車在交叉口范圍內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間。控制延誤是機(jī)動(dòng)車因信號(hào)控制而產(chǎn)生的全部延誤時(shí)間，包括停車延誤與加速、減速的延誤1。美國1994年版的道路通行能力手冊(cè)將停車延誤作為評(píng)價(jià)交叉口服務(wù)水平（LOS）的唯一指標(biāo)，在1997與2000年版的道路通行能力手冊(cè)中停車延誤被控制延誤所代替2,3。但是，停車延誤在實(shí)地測(cè)量中計(jì)算簡便、并被證明能夠通過系數(shù)轉(zhuǎn)換為

5、控制延誤，因而對(duì)停車延誤的研究至今沒有停止7,9。2）延誤測(cè)算方法在信號(hào)交叉口延誤的測(cè)算方面，基本有三類計(jì)算方法。第一類為實(shí)地觀測(cè)法，包括點(diǎn)樣本法、牌照跟蹤法、試驗(yàn)車法等7。第二類方法為模型分析法，Miller、Axeric等學(xué)者提出過一些計(jì)算延誤的模型，但尤以美國道路通行能力手冊(cè)提出的模型使用最為普遍2,3,4。需要注意的是，美國道路通行能力手冊(cè)中提出的模型更加適合于交叉口設(shè)計(jì)，實(shí)地測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)狀況不一定能夠滿足模型所需的全部假設(shè)條件，因而該方法在特定的實(shí)地測(cè)量中誤差較難控制7,8。第三類為軟件仿真法，即通過VISSIM等交通流仿真軟件計(jì)算平均延誤。上述方法在計(jì)算延誤的精度上并沒有明顯的優(yōu)劣之

6、分，一般以實(shí)地觀測(cè)法得到的延誤作為交叉口的基準(zhǔn)延誤5,9。我們相信上述方法必將互取所長，為智能交通系統(tǒng)的構(gòu)建（ITS）貢獻(xiàn)力量。 點(diǎn)樣本法由美國加里福尼亞大學(xué)伯克利分校于1954年首次提出，各國都在廣泛使用。經(jīng)過美國交通研究委員會(huì)（TRB）的改良，點(diǎn)樣本法成為美國道路通行能力手冊(cè)推薦的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法，其計(jì)算出的平均停車延誤是確定交叉口服務(wù)水平（LOS）的唯一指標(biāo)2。點(diǎn)樣本法基于現(xiàn)場(chǎng)的直接觀測(cè)，不需要的專門儀器，同時(shí)具容錯(cuò)性好、不受信號(hào)周期影響等優(yōu)點(diǎn)。但此方法也受到一些限制，如車輛、建筑物遮擋，停車率過高精度難以保證，耗費(fèi)人力、財(cái)力資源過大等1,5。由于停車延誤不能夠完整反映機(jī)動(dòng)車的延誤時(shí)間，在美國

7、道路通行能力手冊(cè)升級(jí)后被控制延誤所取代2,3。但是，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法得出的停車延誤具有計(jì)算方面的簡便性，并可以通過一定的系數(shù)轉(zhuǎn)換為控制延誤，因此至今依然是確定交叉口服務(wù)水平的重要指標(biāo)7,9。Mousa測(cè)算了點(diǎn)樣本法計(jì)算延誤的精確度，并提出了最佳的測(cè)算時(shí)間間隔7。一些先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)，如GPS與計(jì)算機(jī)視覺9技術(shù)等，為計(jì)算停車延誤注入了新的活力。值得注意的是，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法得出的平均停車延誤（及其轉(zhuǎn)換后的控制延誤）依然是新技術(shù)、新模型、新設(shè)備計(jì)算延誤的基準(zhǔn)與參考，并有望與這些新思想融合，使得工程師坐在辦公室中就可觀測(cè)交叉口的運(yùn)行狀況。2 北京市十字交叉口實(shí)地采樣情況我們以北京市5個(gè)區(qū)15個(gè)交叉口為樣本，使用

8、點(diǎn)樣本法持續(xù)的記錄這些交叉口從暢通時(shí)間（16：00）至擁堵時(shí)間（19：00）的全過程，整個(gè)實(shí)地測(cè)量階段耗時(shí)近三個(gè)月。本次調(diào)查盡量選擇有過街天橋的交叉口進(jìn)行測(cè)量，一方面視野更加開闊從而獲得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，另一方面保證了人員的安全。實(shí)測(cè)交叉口位置如表1所示。表1 實(shí)測(cè)交叉口位置（共計(jì)15個(gè)十字平面信號(hào)交叉口）西城區(qū)西四站（地鐵四號(hào)線）A口、三里河路新范街路口、三里河車公莊大街路口海淀區(qū)學(xué)院南路魏公村站（地鐵四號(hào)線）、學(xué)院南路大柳樹路路口、四道口路學(xué)院南路路口崇文區(qū)蒲黃榆站（地鐵五號(hào)線）、沙子口、祈年大街珠市口東大街路口東城區(qū)安定門外大街青年溝路路口、安定門外和平里大街路口、北新橋路口（地鐵五號(hào)線）

9、宣武區(qū)菜市口站（地鐵四號(hào)線）、陶然亭站（地鐵四號(hào)線）、和平里站（地鐵四號(hào)線）B口 為了數(shù)據(jù)能夠基本體現(xiàn)交叉口從暢通至擁堵的全過程，我們以16時(shí)為測(cè)量起始時(shí)間，北京市晚高峰時(shí)間19時(shí)為終止時(shí)間，每隔半小時(shí)進(jìn)行5分鐘的點(diǎn)樣本法測(cè)量，選用的時(shí)間間隔為15秒3。同時(shí)記錄的數(shù)據(jù)還有：被測(cè)交叉口車道數(shù)量、周期時(shí)長以及綠燈時(shí)長。由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)過多，我們僅以北京理工大學(xué)交叉口（地鐵4號(hào)線魏公村站）16：30至16：35數(shù)據(jù)為例，有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表表2。表2 北京理工大學(xué)交叉口16：30至17：35點(diǎn)樣本法部分測(cè)量結(jié)果（僅以南口為例）進(jìn)口起始測(cè)量時(shí)間各時(shí)刻進(jìn)口內(nèi)的車輛數(shù)/s停駛車輛數(shù)未停駛車輛數(shù)0s15s30s45s南

10、口16:3025384658261068953117341326610365584522011153小計(jì)7056749811362合計(jì)298175將表內(nèi)數(shù)據(jù)根據(jù)公式1進(jìn)行平均延誤的計(jì)算。表3即為根據(jù)該公式計(jì)算出觀測(cè)時(shí)間交叉口的平均延誤時(shí)間。 （公式1）表3 北京理工大學(xué)16：30-16：35 點(diǎn)樣本法測(cè)量結(jié)果表（僅以南口為例）入口總延誤（/輛.s）每一停駛車輛延誤(/s)入口引道車輛平均延誤(/s)南進(jìn)口447039.5575225.542863 重要計(jì)算結(jié)果1） 提出交叉口機(jī)動(dòng)車延誤指數(shù)我們將實(shí)測(cè)的北京市5個(gè)區(qū)15個(gè)交叉口16：00至19：00的數(shù)據(jù)輸入到SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件中進(jìn)行回歸分析，

11、利用SPSS軟件線性回歸中的逐步回歸功能進(jìn)行以確定應(yīng)選擇的變量。得出數(shù)據(jù)內(nèi)部存在很強(qiáng)的線性關(guān)系。 （公式2）其中a為5分鐘內(nèi)通過停車線的車輛總數(shù)，b為5分鐘內(nèi)第15秒停車數(shù)量，c為綠燈時(shí)長，d為信號(hào)周期長，e為引道的車道數(shù)。此時(shí)公式的判定系數(shù)為84.5%。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量延誤時(shí)，公式2可以作為替代點(diǎn)樣本法的計(jì)算公式，減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量所需的人力、財(cái)力消耗，加快計(jì)算過程。同時(shí)，電子計(jì)數(shù)器與圖像識(shí)別技術(shù)的引入可以實(shí)時(shí)測(cè)量出公式2所需變量，使得道路工程師在辦公室中就能夠得到與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)接近的延誤。我們提出了交叉口機(jī)動(dòng)車延誤指數(shù)這一概念，旨在更加直觀的判斷交叉口的服務(wù)水平。其中，a為根據(jù)公式2所計(jì)算出的平均延誤時(shí)間

12、。指數(shù)的服務(wù)水平（LOS）來自于美國道路通行能力手冊(cè)13。該指數(shù)越大，代表交叉口內(nèi)機(jī)動(dòng)車的平均延誤時(shí)間更長，也代表交叉口服務(wù)水平越差。服務(wù)水平較差的交叉口不僅嚴(yán)重影響到道路使用者的通行效率，也造成了環(huán)境污染、油料損耗等。2） 計(jì)算北京市機(jī)動(dòng)車延誤顯性成本與交叉口服務(wù)水平我們計(jì)算出了所測(cè)量的15個(gè)交叉口的擁堵指數(shù)、平均延誤、5分鐘內(nèi)每位駕駛員通過該交叉口所付出的油耗成本（根據(jù)機(jī)動(dòng)車處于怠速狀態(tài)所消耗的油料計(jì)算），如表4所示（以安定門外大街為例）。表4 北京市某個(gè)平面交叉口的評(píng)價(jià)結(jié)果地點(diǎn)每一停駛車輛延誤/s擁堵指數(shù)平均經(jīng)濟(jì)成本/元總經(jīng)濟(jì)成本/元安定門70.4547 .30.198101.863表5

13、計(jì)算了北京市交叉口整體的擁堵指數(shù)、服務(wù)水平與經(jīng)濟(jì)成本。該經(jīng)濟(jì)成本為0.232元，意味著機(jī)動(dòng)車駕駛員通過北京市內(nèi)一個(gè)交叉口需要因?yàn)閾矶露~外付出0.232元的油耗成本。表5 北京總體交叉口擁堵指數(shù)加權(quán)總平均延誤總體交叉口擁堵指數(shù)服務(wù)水平經(jīng)濟(jì)成本/元37.023637.6D0.232據(jù)此推算，北京市每年因交叉口擁堵所造成的油耗成本將高達(dá)59.7億，占2009年北京市GDP的0.498%。4 結(jié)論1經(jīng)過在北京市5個(gè)區(qū)內(nèi)15個(gè)交叉口的點(diǎn)樣本法測(cè)量，提出了計(jì)算交叉口平均延誤的公式，具有較高的準(zhǔn)確性與可操作性。該公式可以作為替代點(diǎn)樣本法的實(shí)地測(cè)量方法，從而減少現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算平均延誤所需的人力、財(cái)力資源。該方法能

14、夠與電子計(jì)數(shù)器、圖像識(shí)別技術(shù)結(jié)合，使得工程師在辦公室就可以實(shí)時(shí)了解交叉口的服務(wù)水平，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、控制、緩解交通擁堵的目的。該計(jì)算方法與交叉口機(jī)動(dòng)車延誤指數(shù)均為首次提出，應(yīng)用本方法理論上可以動(dòng)態(tài)計(jì)算出城市中每個(gè)交叉口的服務(wù)水平與油耗成本，也可用于評(píng)價(jià)周邊環(huán)境的改變對(duì)交叉口擁堵程度的影響。2北京市交叉口整體服務(wù)水平為D級(jí)，屬于擁堵級(jí)別。機(jī)動(dòng)車駕駛員通過北京市內(nèi)一個(gè)交叉口需要因?yàn)閾矶露~外付出0.232元的油耗成本，每年北京市因交叉口擁堵所造成的油耗成本達(dá)到59.7億。計(jì)算出的北京市交通高峰時(shí)期機(jī)動(dòng)車在交叉口處因延誤所付出的平均油耗成本與交叉口高峰時(shí)期總油耗成本，可以作為擁堵定價(jià)與政策制定的一

15、個(gè)參考因素。參考文獻(xiàn)1 Engelbrecht, R., D. Fambro, et al., Validation of Generalized Delay Model for Oversaturated Conditions, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board 1572(1997) 122-130.2 Manual, H., TRB special report 209, National Research Council (Washington, DC, 1994).3

16、 Manual, H. Transportation Research Board, National Research Council (Washington, DC, 2000) May, A., Traffic flow fundamentals, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. (1990).4 Dion, F., H. Rakha, et al., Comparison of delay estimates at under-saturated and over-saturated pre-timed signalized intersec

17、tions, Transportation Research Part B: Methodological 38(2004) 99-122.5 Mousa, R., Accuracy of Stopped Delay Measured by Stopped-Vehicle Counts Method, Journal of Transportation Engineering 128(2002) 439-446.6 Mousa, R., Analysis and modeling of measured delays at isolated signalized intersections,

18、Journal of Transportation Engineering 128(2002) 347-354.7 Olszewski, P., Overall delay, stopped delay, and stops at signalized intersections, Journal of Transportation Engineering 119(1993) 835-852.8 William R. Hereth, Alan Zundel and Mitsuru Saito, Automated Estimation of Average Stopped Delay at S

19、ignalized Intersections Using Digitized Still-Image Analysis of Actual Traffic Flow, Journal of Computing in Civil Engineering (2006), pp.THE PROPOSAL OF INTERSECTION VEHICLE DELAY INDEX AND EXPLICIT COST ANALYSIS OF DELAYZHANG Shun1, GU Lin2, HE Qi-fu(School of Economics and Management, Beijing Jia

20、o Tong University, Beijing, 100044)Abstract: Delay is a key parameter in the measurement of intersection service level also a significant reference index for intersection dynamic timing. As the basic method of field measurement of intersection parking delay, dot-sample method, proposed in 1954, is s

21、till widely adopted in many countries. This study applies dot-sample method to 15 intersections in5 Districts of Beijing for the first time, and through the regression analysis by the using of statistical software it comes up with a formula which is proved to be of high accuracy and maneuverability and could replace dot-sample method as a simple algorithm. In future, this algorithm could even be integrated with electron