交叉口是交通事故的多发地带，通常也是路网交通运行的瓶颈点。合理评价交叉口的安全和效率水平是交通管理与控制的基础。一方面，主流的交通安全评价方法是在以机动车车流为主的背景下提出的，不能完全适应于混合交通流中的驾驶行为，例如车辆之间频繁发生近距离的交互行为、车流轨迹呈现出随机性强和无规则的分布特点。另一方面，常用的交叉口效率评价指标大多侧重于延误时间或排队长度等某一个方面，难以从时间和空间角度综合体现车流的运行效率。在移动定位、智能网联和图像识别等先进技术的支撑下，可实时获取的高精度车辆轨迹数据为交通运行评价提供了基础条件。因此，本文在总结已有的交通分析与评价方法的基础上，建立三维时空分析方法体系，提出基于车辆轨迹数据的交叉口安全与效率评价方法，并在自主开发的软件平台中进行应用。

图1 混合交通流的城市交叉口

首先，本文介绍了交叉口时间资源和空间资源的概念，从传统二维（时间—距离）分析方法拓展至三维，提出交叉口三维时空模型的框架，即在由平面空间和时间轴构成的立体空间内基于车辆轨迹数据开展交通分析。在此框架下解析车辆三维立体轨迹的各个要素，包括侧向安全距离、车身长度等。此外，本文列举了运用交叉口三维时空模型可分析的跟车时距等参数，提出了最短时空距离指标及其求解思路。

图2 交叉口三维时空模型概念图

其次，本文运用熵理论提出了混合交通流中信号控制交叉口的安全评价方法。本文提出三维时空胞搜索算法检查车辆立体轨迹之间的邻近性，以提取交通交互事件。然后，建立车辆运动学指标的分布并运用排列熵算法量化时间序列轨迹数据的驾驶波动性，以识别关键驾驶决策事件，并计算安全评价指标。本文通过视频记录和图像识别方法以0.12s为精度半自动化地提取了3349条机动车和805条非机动车的行驶轨迹，用于方法验证。验证结果表明，本文提出的方法与仅使用运动学指标分布的传统方法相比，识别关键安全事件的比例更高。此外，本文对算法参数进行了敏感性分析，研究参数取值对算法结果的影响。

图3 三维分析方法与传统二维分析方法对比

第三，本文基于时间与空间离散化的研究思想，以时空单元为分析对象，提出了交通效率评价的时空利用率指标。时空利用率模型算法的主要步骤包括建立初始化的时空单元数据库，根据车辆轨迹点确定搜索时空单元的范围并判断其被占用情况，最后计算时空利用率指标。验证结果表明算法能够准确判断并记录在三维立体空间中时空单元的被占用情况。之后，本文使用微观交通仿真模型输出的车辆轨迹数据，在不同交叉口饱和度条件下将时空利用率指标与常用的车辆平均延误、交叉口服务水平、平均停车次数、平均速度指标进行对比，说明了时空利用率指标的有效性。

图4 车辆轨迹与时空单元示意图

最后，本研究开发了交通流时空三维全域轨迹模型分析软件，具备车辆三维立体轨迹展示、基础交通指标统计分析、交叉口安全与效率评价、数据与图表导出等功能。本研究从软件平台的需求定位出发，选取了合适的开发工具。之后，本文介绍了软件的整体框架、功能模块以及数据结构，并通过案例具体说明了软件的使用方法。

图5 软件的整体框架

答辩专家认为：论文针对交叉口三维时空分析方法以及混合交通流交叉口的安全和效率评价模型展开研究，具有理论意义和实际价值。论文建立了交叉口三维时空分析方法，提出了基于车辆轨迹数据的交互行为和关键驾驶决策事件识别方法；从时间资源和空间资源的角度构造了时空利用率指标，提出了交叉口效率的一种评价方法，并且开发了可实现车辆三维立体轨迹可视化、交通运行分析评价功能的软件平台。研究成果具有创新性。

韦燕宁同学在硕士期间，共发表SCI论文1篇、TRB论文1篇、中文核心期刊论文1篇、申请发明专利1项。导师李克平教授主要研究方向为交叉口规划设计、交通控制、交通仿真、实验交通工程，欢迎对课题感兴趣的学者与企业进行合作交流。（联系方式：keping_li@vip.163.com，课题组网页：https://into.tongji.edu.cn/）