基于Synchro-VISSIM系統(tǒng)的畸形交叉口改善及評價方法

王鵬飛，薛 藝，李 政，蘇錫有

(1河北科技師范學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，河北秦皇島，066004;2秦皇島市公安局交通警察支隊;3秦皇島公共交通有限責(zé)任公司運營管理部)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，機(jī)動車的急速增長使得交通供需矛盾進(jìn)一步加劇，交通擁堵已經(jīng)成為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸，且呈現(xiàn)進(jìn)一步惡化的趨勢。從城市道路網(wǎng)的角度進(jìn)行分析，交叉口作為城市道路網(wǎng)中的節(jié)點，是制約道路網(wǎng)通行能力的咽喉所在。其中，由于道路走向、道路周邊土地利用以及特殊的歷史和社會原因，在我國許多城市的老城區(qū)中還存在著一些平面畸形交叉口，雖然數(shù)量有限，卻往往成為城市道路交通改善和優(yōu)化的難點。由于這些畸形交叉口周邊的土地使用控制不嚴(yán)、尺寸過小、線形怪異，而常導(dǎo)致道路通行能力不足、功能結(jié)構(gòu)紊亂、交通流混亂等問題的出現(xiàn)。因此，若一味的通過改變物理特性的方法來改造畸形交叉口，那么將有可能需要改變道路原有的走向和寬度。這樣不僅需要大量資金，而且會極大影響周邊區(qū)域交通的正常運行和破壞居民原有的生產(chǎn)生活環(huán)境［1］。對此，我國交通學(xué)者也進(jìn)行了大量的理論與實踐研究，但對于畸形交叉口的改善措施及其效果評價還是本著“具體問題，具體分析”的原則，缺乏系統(tǒng)性和普遍適用性。

在國內(nèi)，針對畸形交叉口的改善措施、評價方法的研究并不多見。其中，陳凱溆［2］利用Synchro對畸形交叉口的非對稱配時優(yōu)化進(jìn)行了研究;秦?zé)赖龋?］提出了基于仿真的畸形交叉口交通組織優(yōu)化的方法;嚴(yán)健等［4］利用VISSIM對畸形交叉口的渠化效果進(jìn)行了評價。若深入研究即可發(fā)現(xiàn)上述研究存在以下不足:(1)由于Synchro功能的限制，若單獨利用此軟件對畸形交叉口的配時進(jìn)行優(yōu)化及其結(jié)果進(jìn)行評價，則忽略了道路線形改造、交通渠化等“硬件改善”措施對畸形交叉口通行能力提高方面的作用。另外，Synchro也缺少對公共交通、非機(jī)動車、行人的仿真及評價功能。(2)若單獨利用VISSIM對改善措施進(jìn)行分析評價，則忽略了交通信號相位設(shè)置、配時等“軟件改善”措施對畸形交叉口通行能力改善方面的作用。鑒于此，筆者考慮將Synchro與VISSIM相結(jié)合，以期待利用兩個軟件不同的特性提出一個適用性較廣的畸形交叉口改善措施及效果評價方法。另外，雖然孫超等［5］建立了基于OD反推和Synchro-VISSIM仿真的交通影響評價(TIA)體系，但其是以交通影響評價(TIA)為適用對象，與本研究的目的、著眼點與方法均不同。

1 畸形交叉口存在問題及其改善對策

城市畸形交叉口的主要形式包括3路不規(guī)則相交形成的“Y”形交叉口、4路不規(guī)則相交的“X”形交叉口、道路錯位相交而形成的雙“T”形交叉口、多路相交形成的各種形狀不規(guī)則交叉口，以及相鄰交叉口不規(guī)則且間距較近等情況［6］。

1．1 存在問題

1．1．1 相交道路線形不合理 由于相交道路線形的怪異而導(dǎo)致畸形交叉口處極易產(chǎn)生鈍角和銳角。這會大幅度增加交叉口的復(fù)雜程度，加劇機(jī)動車、非機(jī)動車、行人之間的沖突，極易引發(fā)較為嚴(yán)重的交通事故。對于此問題，但若一味試圖通過改變道路線形的方式則需要大量資金與較長的工期。

1．1．2 交通渠化缺失或不合理 若在畸形交叉口處缺失必要的交通渠化就會導(dǎo)致本來就不規(guī)則的交通流變得更加無序，加之畸形交叉口的面積往往較大，會更加加劇車流之間的沖突。

1．1．3 信號燈配位配時不合理 在畸形交叉口處，由于道路走向怪異、交通流量不均衡等原因常導(dǎo)致信號相位、配時設(shè)置不當(dāng)，這會大幅度增加出行者在此處的時間延誤，使畸形交叉口成為出行者在出行路徑上最大的交通瓶頸。

1．2 改善對策

鑒于上述問題，首先在城市總體規(guī)劃、交通綜合交通規(guī)劃時期就應(yīng)極力避免畸形交叉口的形成。而對于已形成的畸形交叉口，可實施的主要改善方法如下:

1．2．1 “硬件”改善措施 使用“硬件”改善措施對于畸形交叉口進(jìn)行改造往往效果比較明顯，但耗費資金較大，一般要慎重考慮。主要有(1)拆掉影響交叉口的建筑物;(2)改變相交道路的線形;(3)縮小交叉口面積;(4)更改交通渠化等。

1．2．2 “軟件”改善措施 “軟件”改善措施一般是在上述“硬件”改善措施實施的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，主要有(1)調(diào)整機(jī)動車、非機(jī)動車、行人的交通組織方案;(2)對現(xiàn)行信號控制方式進(jìn)行優(yōu)化;(3)加強(qiáng)對交叉口的交通監(jiān)管力度等。

2 Synchro-VISSIM交通模型

2．1 Synchro簡介

Synchro是由美國Trafficware公司開發(fā)的專門用于信號配時優(yōu)化的交通仿真軟件。其能夠?qū)π盘栂辔?、綠信比、周期、相位差等進(jìn)行優(yōu)化，并且可以對信號相位、配時方案給出相應(yīng)的評價。Synchro中對服務(wù)水平(Level of Service)的確定采用了HCM 2000標(biāo)準(zhǔn)(表1)，并充分考慮了行人對交叉口通行狀況的影響，仿真模型適用性較好，仿真結(jié)果具有極高的工程參考價值［7］。

表1 控制時間延誤與交叉口服務(wù)水平

2．2 Synchro信號配時優(yōu)化模型

Synchro除了可以對單點交叉口的相位、配時進(jìn)行優(yōu)化外，還可以對若干個交叉口組成的交通網(wǎng)絡(luò)的公用周期時長、相位差等進(jìn)行優(yōu)化及效果評價。本次研究的對象為畸形交叉口，因此，下面僅對Synchro中關(guān)于單點交叉口信號周期時長優(yōu)化、最小綠燈時長計算的兩個模型進(jìn)行描述。

2．2．1 信號周期時長優(yōu)化模型 Synchro中對信號周期時長的優(yōu)化采用了從自然周期(即最短周期)開始依次判斷各相位所提供的綠燈時間是否能夠滿足百分比車道組交通流量的方法。若滿足一定的百分比車道組交通流量，則采用該周期時長，否則就增大信號周期時長，在達(dá)到所設(shè)定的最大信號周期時長之前，此步驟將會被不斷重復(fù)。例如:各相位提供的綠燈時間能夠滿足90%車道組流量，即意味著所有周期內(nèi)的90%的車隊長可以清空，若不滿足則依次會向下判斷是否滿足70%，50%車道組流量。在此過程中，還需要計算性能指標(biāo)PI(如公式(1)，如果沒有滿足百分比車道組交通量的信號周期，則Synchro將會選用性能指標(biāo)PI最低的信號周期長度［8，9］。

其中，PI(Performance Index)為性能指標(biāo);D為總時間延誤(包括控制延誤與排隊延誤);St為停車次數(shù)。相較于傳統(tǒng)的、單獨以時間延誤為評價指標(biāo)的體系，此方式更能夠真實、全面的反應(yīng)交叉口處車輛的運行狀態(tài)。

2．2．2 最小綠燈時長計算模型 Synchro中對行人過街所需的綠燈時長的計算如公式(2)所示:

其中，LP為行人過街長度(實際計算中必須考慮行人隊伍長度);vP為行人過街步行速度，當(dāng)老人占過街行人比例為20%以下時通常取1．2 m/s;I為綠燈時間間隔［9］。經(jīng)公式(2)計算得出的結(jié)果應(yīng)作為Synchro中關(guān)于各相位綠燈時長優(yōu)化的下限。

2．3 VISSIM 簡介

VISSIM是由德國PTV公司開發(fā)的微觀交通仿真系統(tǒng)工具，是一種微觀、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具。它主要用于建模和分析各種交通條件下城市交通和公共交通的運行狀況，是評價交通工程設(shè)計和城市規(guī)劃方案的有效工具［8］。

2．4 VISSIM微觀仿真模型“心理-生理”跟車模型

2．4．1 “心理-生理”跟車模型 作為VISSIM中車輛縱向行為基準(zhǔn)的跟車行為模型是一個基于時間的、離散的、隨機(jī)的微觀模型，它以駕駛員-車輛-單元為基本實體，因此也被稱為“心理-生理”跟車模型，即著名的Wiedemann 74模型。此模型中最重要的兩車之間的距離d可以通過平均停車距離、安全距離的附加部分、車速等參數(shù)確定［10］?；诰_的Wiedemann 74跟車模型而開發(fā)的微觀交通仿真軟件VISSIM能夠較為真實的反應(yīng)和重現(xiàn)實際的城市道路交通狀況。

2．4．2 車道變換模型 作為VISSIM中車輛橫向行為基準(zhǔn)的車道變換模型存在“必要車道變換”與“自由車道變換”等2種變換車道行為。在必要車道變換中，駕駛行為參數(shù)包含了該車輛和換到新車道上的車輛的最大可接受減速度，這個減速度取決于車輛與下一個路徑的路段連接器上緊急停車位置的距離。在自由車道變換時，VISSIM會檢測新車道上與跟隨車輛的期望安全距離，這個安全距離取決于前面車輛和想變換車道車輛的行駛速度。

無論在上述何種變換車道行為中，當(dāng)駕駛員試圖變換車道時，首先都需要在他的行駛方向上尋找合適的空檔(車頭時距)。而空檔的大小一般是由變道車輛的車速、需要變換到的車道上的后面緊隨車輛的車速所決定的。

3 Synchro-VISSIM系統(tǒng)的改善及評價方法

綜合上述2種軟件的各自優(yōu)勢，筆者提出了一種適用性較好的基于Synchro-VISSIM系統(tǒng)的畸形交叉口改善及評價方法。首先，應(yīng)對畸形交叉口的實地情況進(jìn)行調(diào)查，主要包括道路、交通設(shè)施，也包括各進(jìn)口道的交通流量等。其次，對現(xiàn)狀提出“硬件改善措施”與“軟件改善措施”，初步擬定綜合的改善方案。復(fù)次，將Synchro所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(主要為最小綠燈時長與各進(jìn)口道交通流量)輸入軟件，通過優(yōu)化計算得出最佳信號配時結(jié)果。再次，將VISSIM所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(包括上述Synchro優(yōu)化結(jié)果、交通改善措施等)輸入軟件，通過微觀仿真得到組成評價體系的關(guān)鍵參數(shù)的計算結(jié)果。最后，根據(jù)VISSIM的仿真結(jié)果判斷初步擬定的改善措施是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，若達(dá)到則最終確定改善方案;若沒有達(dá)到則繼續(xù)調(diào)整改善措施，反復(fù)試驗，直至達(dá)到預(yù)期目標(biāo)(圖1)。

4 實例分析

4．1 項目概述

海浪花交叉口(圖2)地處秦皇島市中心，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘得到該交叉口的具體情況如下:(1)五岔路的畸形交叉口;(2)道南機(jī)動車進(jìn)出口道均為一條;(3)道南進(jìn)口道的所有公交車、社會車輛均在不影響過街行人、非機(jī)動車的基礎(chǔ)上右轉(zhuǎn);(4)道南進(jìn)口道所有需直行通過交叉口的車輛均需要在相鄰交叉口進(jìn)行U型調(diào)頭繞行至朝陽街進(jìn)口道，并在此處右轉(zhuǎn)進(jìn)入文化路北段(如圖2中所示箭頭線)，公交車也不例外。此交通組織方式的理由為:(1)道南進(jìn)口道縱向坡度過大，常導(dǎo)致坡起溜車事故的發(fā)生。(2)道南進(jìn)口道為單一機(jī)動車道，車輛排隊長度過長，常影響到下一交叉口。

上述相鄰交叉口為無信號燈控制的T型交叉口，雙向六車道，機(jī)動車道約22 m寬，微型車、小型車及中型車進(jìn)行U型調(diào)頭在技術(shù)層面上均可實現(xiàn)，但作為大型客車的常規(guī)公交車在此U型調(diào)頭就顯得十分困難(現(xiàn)有機(jī)動車道寬度也不滿足文獻(xiàn)［11］中的相關(guān)規(guī)定)。而現(xiàn)狀為公交車在此盡可勉強(qiáng)U型調(diào)頭，但同時會對此處其他車輛的交通安全與通行效率產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，并且，出現(xiàn)了公交車燃油消耗過多，尾氣排放量過大等不良后果。因此，海浪花交叉口的改善目標(biāo)是不改變道南進(jìn)口道社會車輛右轉(zhuǎn)的前提下，實現(xiàn)公交車直行通過此交叉口。

圖1 基于Synchro-VISSIM系統(tǒng)的畸形交叉口改善及評價方法及流程

圖2 秦皇島市海浪花交叉口航拍、示意圖

4．2 交叉口信息調(diào)查

對交叉口信息的調(diào)查主要集中在以下3個方面:(1)道南進(jìn)口右轉(zhuǎn)及U型調(diào)頭公交車數(shù)量與每條路線車輛的發(fā)車頻率;(2)各進(jìn)口道社會車輛流量;(3)信號燈配時。而調(diào)查時間段為7:30～8:30的早高峰。

4．3 改善方案的初步擬定

4．3．1 “硬件”改善措施 通過實地考察，筆者提出了如下(表2)的“硬件”改善方案(改善前道路橫斷面見圖3，改善后見圖4):

表2 “公交車改直行”的設(shè)計方案內(nèi)容

圖3 道南道路橫斷面改造前示意圖

圖4 道南道路橫斷面改造后示意圖

對于上述改善方案中的3點需要做特別的說明:(1)若將原道南進(jìn)口道非機(jī)動車道更改為公交專用道，則由于道南立交橋高度的限制，導(dǎo)致公交車無法通過;(2)將原道南出口道單向非機(jī)動車道更改為雙向非機(jī)動車道的做法完全符合文獻(xiàn)［12］中對雙向非機(jī)動車道最小寬度的要求。此道路橫斷面改造的目的在于使公交車沿原機(jī)動車道行進(jìn)，直行通過交叉口，而其他社會車輛則可利用原有或新建機(jī)動車道在此交叉口右轉(zhuǎn);(3)此改造方法會使得部分原道南進(jìn)口道的非機(jī)動車需沿著交叉口的對角線(在實施時，需沿交叉口對角線渠化一條非機(jī)動車專用車道)行駛才能到達(dá)原目的地，但也相對減少了部分原本就繞行的非機(jī)動車的行駛距離。因此，以上兩部分作用結(jié)果可相互抵消。從總體上分析，此改造不會對慢性交通造成影響，但需要部分自非機(jī)動車重新適應(yīng)新的交通組織方案(在此不做詳述)。

4．3．2 “軟件”改善措施 為使得公交車能夠順暢的直行通過交叉口，就要盡可能的避免與其他轉(zhuǎn)彎的社會車輛相沖突，可考慮需要設(shè)置公交專用相位。對于專用相位的最小綠燈時長設(shè)置，在中國城市道路交通現(xiàn)行的行業(yè)、國家標(biāo)準(zhǔn)中是空白的。因此，本改善對策參考權(quán)威的《德國交通信號控制規(guī)范》［13］。鑒于此，對于秦皇島市海浪花交叉口處的“公交專用相位”配時不能少于10 s。除此之外，由于設(shè)置公交專用相位，當(dāng)公交車在交叉口處遇紅燈信號時則需停車等待。

在公交車等待紅燈期間，凡使用原機(jī)動車道右轉(zhuǎn)的社會車輛均需在公交車后等候，公交車通過停車線后社會車輛方可右轉(zhuǎn)。在此，筆者建議社會車輛在發(fā)現(xiàn)前行車輛中有公交車時，最好選擇新建的機(jī)動車專用道右轉(zhuǎn)，否則在冬季依然不排除有出現(xiàn)因坡起溜車產(chǎn)生的交通事故的可能性。另外，根據(jù)盡量減少交叉口復(fù)雜程度的原則，對社會車輛、非機(jī)動車、行人的交通組織方案進(jìn)行改進(jìn)(在此不做詳述)。

4．4 信號配時的優(yōu)化

表3為海浪花交叉口現(xiàn)行的信號相位配時，因擬定的改善方案中提及到了交通組織方案的變更，因此，有必要通過Synchro對現(xiàn)有的交通信號配時進(jìn)行優(yōu)化。

表3 海浪花交叉口信號配時現(xiàn)狀 s

在優(yōu)化前，應(yīng)先將必要的數(shù)據(jù)輸入Synchro，包括交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)、各進(jìn)口道流量數(shù)據(jù)、最小綠燈時長等。然后再啟動其優(yōu)化功能，即可以對信號周期時長與各相位綠燈時長進(jìn)行計算，表4即為Synchro優(yōu)化配時后的結(jié)果。

表4 海浪花交叉口信號配時優(yōu)化后結(jié)果 s

4．5 基于VISSIM的仿真實驗平臺的建立

利用Synchro的優(yōu)化功能得到新的信號配時后，就應(yīng)著手建立基于VISSIM的交通仿真平臺。首先，應(yīng)將4．2節(jié)中調(diào)查所得的數(shù)據(jù)輸入VISSIM。而后，還應(yīng)對右轉(zhuǎn)調(diào)頭公交車的平均行駛時間、朝陽街進(jìn)口道車輛最大排隊長度、道南進(jìn)口道車輛最大排隊長度等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查。最后，通過調(diào)查得到的數(shù)據(jù)與VISSIM擬仿真實驗所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對駕駛員的行為模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，以期得到最好的仿真效果。

4．6 評價體系的搭建

在進(jìn)行仿真實驗之前，首先應(yīng)當(dāng)對實驗的預(yù)期結(jié)果建立評價體系，根據(jù)VISSIM系統(tǒng)的仿真評價功能，本研究將(1)右轉(zhuǎn)繞行公交車通過海浪花交叉口的平均行駛時間;(2)交叉口控制時間延誤;(3)交叉口服務(wù)水平;(4)朝陽街進(jìn)口道車輛最大排隊長度;(5)道南進(jìn)口道車輛最大排隊長度等5項組成評價體系。其中，VISSIM系統(tǒng)中對交叉口服務(wù)水平的確定依然采用了上述的HCM2000標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

4．7 現(xiàn)狀評價

對設(shè)計方案實施前的該交叉口交通運行狀況(現(xiàn)狀)進(jìn)行仿真實驗，交叉口信號配時采取表3中所示時長，實驗評價結(jié)果如表5所示。并按4．5節(jié)所述，經(jīng)過多次仿真實驗校準(zhǔn)的結(jié)果表明，表5中所得的數(shù)值能夠真實的反映現(xiàn)實路網(wǎng)中車流的運行狀態(tài)。

表5 海浪花交叉口交通運行現(xiàn)狀評價

4．8 改善后評價

應(yīng)先將Synchro的優(yōu)化配時結(jié)果(表4)導(dǎo)入VISSIM系統(tǒng)，并將右轉(zhuǎn)調(diào)頭公交車的行駛路線改為直行通過交叉口，在完成上述操作之后，即開始仿真實驗。此外，為排除仿真實驗時所使用的隨機(jī)數(shù)種子對實驗結(jié)果的影響，本研究采用多次、基于不同隨機(jī)數(shù)種子的獨立仿真實驗而對結(jié)果求平均值的方法。實驗評價結(jié)果如表6所示。

表6 海浪花交叉口交通運行改善后評價

4．9 實驗結(jié)論

通過表5，表6的仿真實驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論:(1)改善后的公交車通過交叉口的平均行駛時間大幅度降低;(2)交叉口處的控制時間延誤大幅度下降，隨之，服務(wù)水平由E級躍升為C級;(3)朝陽街進(jìn)口道車輛最大排隊長度大幅度縮短;(4)道南進(jìn)口道車輛最大排隊長度大幅度縮短，這使得因坡起溜車而產(chǎn)生交通事故的可能性降低。綜上所述，本改善對策在不降低社會車輛、非機(jī)動車通行效率的前提下，可大幅度提高公交車的運行效率。根據(jù)上述4項指標(biāo)的仿真結(jié)果來看，改善效果已經(jīng)達(dá)到了本項目的預(yù)期目標(biāo)。

5 總結(jié)

本研究首先分析了Synchro中關(guān)于信號配時優(yōu)化的模型及VISSIM中關(guān)于跟車行為的模型。其次，綜合了Synchro與VISSIM兩個軟件的特點，提出了較為完整、適用性較好的畸形交叉口改善及評價方法。最后，運用了此方法對秦皇島市海浪花交叉口進(jìn)行了分析，并得出擬定改善方案可行的結(jié)論?；赟ynchro-VISSIM系統(tǒng)的改善及評價方法的提出對于完善我國現(xiàn)階段的老城區(qū)畸形交叉口的改善與評價體系具有一定意義，而且此方法具有良好的可操作性和實用性。

［1］汪峰，馬鶴齡．老城區(qū)道路平面畸形交叉口優(yōu)化設(shè)計［J］．中國市政工程，2006(1):14-15，18．

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［3］秦?zé)?，關(guān)宏志，趙紅征，等．基于仿真的畸形交叉口交通組織優(yōu)化研究［J］．交通信息與安全，2010，28(4):43-48．

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