基于VISSIM仿真的信號(hào)交叉口優(yōu)化方法研究

周志浩，葛 歡

（嘉興市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 嘉興 314050）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，交通仿真技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于交通問(wèn)題的分析[1-2]。通過(guò)交通仿真軟件系統(tǒng)能夠分析諸如車(chē)道特性、交通組成、交通信號(hào)燈等約束條件下交通運(yùn)行情況，不僅能夠?qū)煌ɑA(chǔ)設(shè)施實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行交通模擬，而且還可以以文件的形式輸出各種交通評(píng)價(jià)參數(shù)，如交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度、平均延誤等[3-4]。

在進(jìn)行交叉口信號(hào)配時(shí)研究時(shí)，大多采用傳統(tǒng)的F·韋伯斯特-B·柯布理論[5]，該理論方法只考慮車(chē)輛的延誤作為配時(shí)研究的唯一衡量指標(biāo)，較為片面。本文針對(duì)韋伯斯特方法的不足，對(duì)該方法做一些必要的改進(jìn)，提出改進(jìn)的交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型，并采用微觀仿真軟件VISSIM對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以檢驗(yàn)方法的優(yōu)化效果。

1 交叉口優(yōu)化方法

1.1 信號(hào)優(yōu)化模型

傳統(tǒng)韋伯斯特法配時(shí)只考慮了車(chē)輛延誤指標(biāo)，在該方法基礎(chǔ)上提出基于車(chē)輛延誤和停車(chē)次數(shù)的信號(hào)配時(shí)方法，以車(chē)輛總延誤和總停車(chē)次數(shù)為效益函數(shù)來(lái)構(gòu)造模型，其中各相位有效綠燈時(shí)間按照各相位流量比進(jìn)行分配。

1.1.1 延誤計(jì)算

延誤d的計(jì)算公式取自美國(guó)《道路通行能力手冊(cè)》中，其適用于交叉口飽和度在0.6～1.2范圍，具體形式如下：

式中：c——周期；

λ——綠信比；

x——飽和度，且x=q/λs；

s——飽和流量。

1.1.2 停車(chē)率計(jì)算

停車(chē)率h是指最少停車(chē)一次的車(chē)輛數(shù)與通過(guò)交叉口的車(chē)輛總數(shù)的比率[6]，其公式如下：

式中，各參數(shù)含義同上。

1.1.3 模型構(gòu)造

優(yōu)化模型構(gòu)造如下：

式中：l——交叉口的損失時(shí)間；

cmin——最小周期長(zhǎng)；

cmax——最大周期長(zhǎng)；

γ——交叉口兩個(gè)指標(biāo)之間的加權(quán)系數(shù)，它隨著流量的不同可以取不同的值。

在模型應(yīng)用時(shí)，利用編程計(jì)算，并假定周期為最小周期長(zhǎng)，以2s為步長(zhǎng)向上搜索，使效益函數(shù)最小的周期達(dá)到最大為止。

1.2 交叉口優(yōu)化步驟

將信號(hào)優(yōu)化模型和VISSIM仿真結(jié)合起來(lái)，對(duì)交叉口進(jìn)行優(yōu)化將會(huì)使優(yōu)化結(jié)果更直觀。信號(hào)交叉口優(yōu)化的具體步驟如下：

Step1：通過(guò)建立的信號(hào)優(yōu)化模型，對(duì)交叉口進(jìn)行信號(hào)優(yōu)化；

Step2：查看優(yōu)化的結(jié)果，并與優(yōu)化前的狀況進(jìn)行比較；比較的參數(shù)可以有很多，本文主要從各信號(hào)的飽和度、交叉口延誤方面進(jìn)行比較；如果優(yōu)化結(jié)果比較滿意，則轉(zhuǎn)到Step5，否則繼續(xù)下一步；

Step3：對(duì)信號(hào)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行VISSIM仿真，找出交叉口存在的問(wèn)題，提出工程渠化的方法；

Step4：根據(jù)工程渠化后的交叉口，重復(fù)Step1，直到優(yōu)化結(jié)果滿意為止；

Step5：對(duì)最后得出的交叉口優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行VISSIM仿真，衡量?jī)?yōu)化結(jié)果。

2 優(yōu)化方法應(yīng)用

以嘉興市中環(huán)南路—城南路信號(hào)交叉口為例，在對(duì)其現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用本文建立的信號(hào)優(yōu)化模型進(jìn)行信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，環(huán)城南路—城南路交叉口如圖1所示。

圖1 交叉口現(xiàn)狀

對(duì)中環(huán)南路—城南路交叉口現(xiàn)狀進(jìn)行渠化，四個(gè)方向均為“四進(jìn)三出”形式，現(xiàn)狀配時(shí)如表1所示。

表1 中環(huán)南路—城南路交叉口現(xiàn)狀配時(shí)表

對(duì)該交叉口現(xiàn)狀進(jìn)行VISSIM建模仿真，輸入現(xiàn)狀調(diào)查得到的晚高峰時(shí)段該交叉口流量，該交叉口現(xiàn)狀基本參數(shù)如表2所示。

表2 交叉口現(xiàn)狀數(shù)據(jù)

由表2可知，第一相位的相位飽和度已經(jīng)接近于1，處于飽和狀態(tài)；第二相位的相位飽和度已經(jīng)超過(guò)了1.0，處于過(guò)飽和狀態(tài)，這說(shuō)明該信號(hào)交叉口目前的交通設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的交通需求。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀該交叉口服務(wù)水平為E級(jí)，東西方向延誤較大，交叉口擁堵嚴(yán)重，因此需要對(duì)其進(jìn)行改善和優(yōu)化，以緩解交叉口擁堵問(wèn)題。

2.1 信號(hào)配時(shí)優(yōu)化

應(yīng)用建立的信號(hào)優(yōu)化模型對(duì)中環(huán)南路—城南路交叉口進(jìn)行信號(hào)優(yōu)化，假定加權(quán)系數(shù)γ=0.5，損失時(shí)間為12s，最小周期長(zhǎng)為70s，最大周期長(zhǎng)為180s，編程計(jì)算得表3。

表3 初步優(yōu)化后的結(jié)果

從表3可以看出，第二相位的相位飽和度有了一定程度的下降，但是第一相位的相位飽和度仍然很高，超過(guò)了0.9，這說(shuō)明僅僅從信號(hào)配時(shí)優(yōu)化上已經(jīng)不能很好的改善該交叉口的通行效率以及性能，進(jìn)而需結(jié)合交口的渠化改造，從空間和時(shí)間兩方面同時(shí)優(yōu)化，以求達(dá)到交叉口性能最優(yōu)化。

2.2 時(shí)空交通優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果、對(duì)流量流向的分析比較，以及通過(guò)對(duì)交叉口的VISSIM仿真分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀交叉口存在以下問(wèn)題：

a）東、西進(jìn)口的平均排隊(duì)延誤較大，東西方向?yàn)樵摻徊婵诮煌ㄖ髁飨?，需?duì)東西進(jìn)口進(jìn)一步做渠化優(yōu)化處理，同時(shí)調(diào)整信號(hào)配時(shí)；

b）東西進(jìn)口道的左轉(zhuǎn)車(chē)輛較多，該左轉(zhuǎn)相位的延誤最大，需改進(jìn)該相位配時(shí)設(shè)置；

c）南北進(jìn)口的轉(zhuǎn)向流量較大，需結(jié)合進(jìn)口道車(chē)道設(shè)置，改進(jìn)信號(hào)配時(shí)。

針對(duì)上述問(wèn)題，根據(jù)交叉口流量情況，筆者提出了中環(huán)南路—城南路交叉口交通渠化優(yōu)化措施（交叉口流量及渠化設(shè)計(jì)如圖2所示），將中環(huán)南路方向進(jìn)口道拓寬為“五進(jìn)三出”，車(chē)道劃分為三條直行車(chē)道，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)車(chē)道各一條；城南路進(jìn)口道保持原有形式不變。結(jié)合以上渠化措施，應(yīng)用建立的信號(hào)優(yōu)化模型，得到信號(hào)配時(shí)如表4所示。

圖2 交叉口流量及渠化設(shè)計(jì)

表4 結(jié)合渠化后信號(hào)配時(shí)優(yōu)化

通過(guò)模型優(yōu)化，該交叉口的信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)縮短至90s，四個(gè)相位的相位飽和度都有所下降，第一相位的相位飽和度由原來(lái)的0.95降至0.87，第二相位的相位飽和度降至0.62，交叉口平均延誤時(shí)間也有一定下降。

3 VISSIM仿真評(píng)價(jià)

利用交叉口的各種數(shù)據(jù)，通過(guò)VISSIM對(duì)交叉口的狀況進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并選取進(jìn)口排隊(duì)延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度、服務(wù)水平等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

各指標(biāo)含義如下：

a）排隊(duì)長(zhǎng)度 車(chē)輛排隊(duì)等待通過(guò)交叉口時(shí)的隊(duì)伍長(zhǎng)度，以“輛”計(jì)；模擬時(shí)，當(dāng)汽車(chē)行駛速度低于1km/h時(shí)，認(rèn)為排隊(duì)開(kāi)始，當(dāng)汽車(chē)速度回升超過(guò)3km/h時(shí)，認(rèn)為排隊(duì)結(jié)束；

b）進(jìn)口排隊(duì)延誤 延誤是指由于道路和環(huán)境條件、交通干擾以及交通管理與控制等駕駛員無(wú)法控制的因素所引起的行程時(shí)間損失，以“s/輛”計(jì)；進(jìn)口處排隊(duì)延誤是指車(chē)輛在進(jìn)口處排隊(duì)等待通過(guò)交叉口時(shí)所損失的時(shí)間；

c）服務(wù)水平 根據(jù)各進(jìn)口道的排隊(duì)延誤值，對(duì)應(yīng)的各級(jí)服務(wù)水平，能夠較為直觀的反應(yīng)交叉口的運(yùn)行狀況。

對(duì)中環(huán)南路—城南路交叉口優(yōu)化前后進(jìn)行仿真對(duì)比，各進(jìn)口道指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 交叉口優(yōu)化前后對(duì)比表

從上表中對(duì)比結(jié)果可知，在采用優(yōu)化改善方案后，交叉口各進(jìn)口道的平均排隊(duì)長(zhǎng)度有較大程度的減少，在交通量較大的東西進(jìn)口，平均排隊(duì)相比于改進(jìn)前縮短了50%，大大提高了交叉口的通過(guò)效率。平均排隊(duì)延誤同樣減少顯著，交叉口平均延誤由原來(lái)的58s，降低為40s，延誤時(shí)間減少了31%，交叉口服務(wù)水平由E級(jí)變?yōu)镈級(jí)。這說(shuō)明通過(guò)優(yōu)化方法改進(jìn)后，交叉口的性能有較大程度的改善。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了應(yīng)用VISSIM仿真軟件與信號(hào)配時(shí)相結(jié)合的信號(hào)交叉口優(yōu)化方法，將該優(yōu)化方法應(yīng)用于嘉興市中環(huán)南路—城南路交叉口優(yōu)化實(shí)例中，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了VISSIM仿真評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：采用本文提出的方法進(jìn)行交叉口優(yōu)化，效果顯著，平均排隊(duì)長(zhǎng)度、平均延誤指標(biāo)下降明顯。本方法能夠很好的從時(shí)間和空間兩方面改善交叉口的性能，為交叉口的優(yōu)化提供參考。

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