道路交叉口交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)
——以天津復(fù)興門(mén)為例

王少華，張 海，任 超，關(guān)志偉

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；天津市公安交通管理局科研所，天津 300040）

道路交叉口交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)
——以天津復(fù)興門(mén)為例

王少華1，張 海2，任 超2，關(guān)志偉1

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；天津市公安交通管理局科研所，天津 300040）

對(duì)天津市復(fù)興門(mén)交叉口的實(shí)際交通環(huán)境和信號(hào)控制狀況進(jìn)行了調(diào)查分析，運(yùn)用Webster信號(hào)配時(shí)法，對(duì)交通信號(hào)控制方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并基于交通微觀仿真軟件VISSIM進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的方案二，平均行程時(shí)間可縮短18.90%，平均延誤減少24.67%，平均排隊(duì)長(zhǎng)度減少8.97%，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于原有配時(shí)方案。

復(fù)興門(mén)；交叉口；信號(hào)控制；VISSIM

交叉口交通控制的優(yōu)化與完善已經(jīng)成為緩解交通擁堵、提高道路通行能力、促進(jìn)交通運(yùn)輸效率的重要內(nèi)容。交叉口優(yōu)化的重要內(nèi)容之一就是交通管理與控制，特別是信號(hào)配時(shí)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施。2006年至2012年，天津市機(jī)動(dòng)車保有量由120萬(wàn)輛增加到236萬(wàn)輛，過(guò)去3年中，增加了100萬(wàn)輛車。原有道路基礎(chǔ)設(shè)施供給量的不足以及交通控制管理、公共交通建設(shè)等方面存在的不足，造成天津市中心城區(qū)道路交通堵塞路段增多、出行效率下降、道路網(wǎng)應(yīng)變能力差等問(wèn)題，交通擁堵的問(wèn)題因此也成為影響天津市經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展的癥結(jié)之一。交通擁堵問(wèn)題不僅造成居民不便，還造成空氣污染加劇，更對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展造成阻礙[1]。因此，有必要進(jìn)行交通擁堵點(diǎn)的交通優(yōu)化研究。本文在對(duì)天津市復(fù)興門(mén)交叉口進(jìn)行交通現(xiàn)狀調(diào)查、分析交通擁堵原因和沖突方式的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Webster信號(hào)配時(shí)法進(jìn)行交通信號(hào)控制優(yōu)化，運(yùn)用VISSIM仿真軟件建立交叉口3D微觀仿真模型并進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)狀問(wèn)題的分析，對(duì)交叉口采取渠化、重新配時(shí)等措施進(jìn)行再次仿真，優(yōu)化后的仿真有效地降低了車輛的延誤和排隊(duì)長(zhǎng)度，大大提高了道路的通行能力。

1 交叉口現(xiàn)狀分析

交叉口的交通現(xiàn)狀調(diào)查主要包括交叉口周邊環(huán)境、土地使用性質(zhì)、高峰小時(shí)交通量調(diào)查、交通渠化調(diào)查、行車延誤、信號(hào)控制、機(jī)動(dòng)車通行能力、交叉口服務(wù)水平等，還包括干擾機(jī)動(dòng)車通行的因素和擁堵原因分析。

1.1 交通環(huán)境調(diào)查

復(fù)興門(mén)交叉口實(shí)景俯視圖如圖1所示。復(fù)興門(mén)交叉口位于天津市河西區(qū)，距海津大橋東南側(cè)約780 m，為五岔路口，屬于由大沽南路、微山路、郁江道和清灣路交匯而成平交燈控路口。

圖1 復(fù)興門(mén)交叉口俯視圖

由于外環(huán)線內(nèi)后5 km只有海津大橋一座過(guò)河通道，河?xùn)|區(qū)、東麗區(qū)進(jìn)入市區(qū)過(guò)河通道不足，因此早晚高峰期間，從天津大道進(jìn)入市區(qū)、從河?xùn)|區(qū)沿著海津大橋進(jìn)入大沽南路車輛數(shù)量較大，造成此節(jié)點(diǎn)交通擁堵嚴(yán)重，復(fù)興門(mén)交叉口前后兩處立交橋上的大量快速車流與兩條支路上的車流在此形成車速瓶頸。同時(shí)，該交叉口西北方向約300 m是地鐵1號(hào)線復(fù)興門(mén)車站，路口東南方向約600 m是北京師范大學(xué)天津附屬中學(xué)，周邊還有醫(yī)院、商鋪、住宅小區(qū)、消防車隊(duì)、派出所、研究所和公交車站，車流在此主輔路交織嚴(yán)重。

1.2 信號(hào)控制調(diào)查

復(fù)興門(mén)交叉口固定信號(hào)配時(shí)方案如圖2所示。其中下行是指大沽南路至市外方向，上行是指大沽南路至市內(nèi)方向。信號(hào)周期因時(shí)段而有差異，早高峰信號(hào)周期總時(shí)長(zhǎng)是150 s，全紅時(shí)間2 s，信號(hào)控制方案分為4個(gè)相位。

圖2 復(fù)興門(mén)交叉口信號(hào)相位圖

1.3 交通量調(diào)查

本次調(diào)查日期選在2012年12月5日（星期三），選取時(shí)間段為上午6：30至8：30，下午16：30至18：30。

調(diào)查方式采用了人工計(jì)數(shù)法，每隔5 min記一次車流量。調(diào)查對(duì)復(fù)興門(mén)交叉口機(jī)動(dòng)車流量進(jìn)行了車型調(diào)查、流量調(diào)查，調(diào)查前對(duì)交叉口的車流方向進(jìn)行編號(hào)，共13個(gè)車流方向。調(diào)查統(tǒng)計(jì)如圖3所示，該交叉口機(jī)動(dòng)車流量早高峰時(shí)段為6：55至7：55，晚高峰時(shí)段為17：05至18：05。

圖3 復(fù)興門(mén)交叉口調(diào)查統(tǒng)計(jì)圖

2 交通現(xiàn)狀分析

（1）個(gè)別進(jìn)口標(biāo)線模糊不清，部分標(biāo)線設(shè)置不全面。大沽南路至市外方向主道和輔道路面中心線、行車道分界線、行車輔助線、車行道邊緣線已經(jīng)模糊不清，車輛在該進(jìn)口道行駛時(shí)交通秩序有些混亂，存在一定安全隱患，并降低了該交叉口的服務(wù)水平。

（2）大沽南路上行方向進(jìn)口主道停車線過(guò)于靠后。大沽南路至市內(nèi)方向主道進(jìn)口過(guò)去靠后，使得車輛通過(guò)路口的行駛時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)也使得主道和輔道左轉(zhuǎn)以及掉頭車輛交織嚴(yán)重，排隊(duì)通過(guò)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，制約了交叉口的通行能力。

（3）機(jī)非混行嚴(yán)重。該交叉口交通流量大、主道輔道道口較多，且沒(méi)有機(jī)非隔離設(shè)施、斑馬線及安全島，導(dǎo)致行人、自行車、摩托車僅依靠主觀判斷車流間隙穿過(guò)路口，因此機(jī)非混行嚴(yán)重，造成機(jī)動(dòng)車延誤增加，交通秩序混亂，并危及行人過(guò)街安全[2]。

從傳統(tǒng)的技術(shù)理性的認(rèn)識(shí)論來(lái)看，教學(xué)是一種傳送知識(shí)的活動(dòng)，一種技術(shù)性工作。這種認(rèn)識(shí)論認(rèn)為，知識(shí)都是科學(xué)的、標(biāo)準(zhǔn)的，由別人創(chuàng)造好的，教師基本上承擔(dān)“執(zhí)行者”的角色，忠實(shí)地執(zhí)行教育行政部門(mén)選定的教材，有效地貫徹教學(xué)研究部門(mén)提供的教學(xué)指導(dǎo)和參考資料，并使用他們編制的考試試卷以評(píng)價(jià)教和學(xué)的效果。[1]也就是說(shuō)，教學(xué)工作相對(duì)簡(jiǎn)單，是確定好的，并且可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作。因此，教學(xué)成了杜威所說(shuō)的一套慣常的、可機(jī)械地執(zhí)行的活動(dòng)。作為技術(shù)人員的教師常常不加批判地接受在學(xué)校發(fā)生的現(xiàn)實(shí)，每天需要做的就是盡力找到最有效率、最有效果的辦法去解決問(wèn)題。他們失去了對(duì)工作的目的和結(jié)果的反思。[2]

（4）多岔口影響嚴(yán)重。復(fù)興門(mén)交叉口不是規(guī)則交叉口，并且交叉口所連接的多條道路車道數(shù)不同，斷面性質(zhì)不同，車流量不同，導(dǎo)致主道和輔道上的車輛不得不在交叉口范圍內(nèi)進(jìn)行交織分合流。這一現(xiàn)象主要體現(xiàn)在大沽南路主道和輔道雙向直行的車輛，以及大沽南路上行和下行左轉(zhuǎn)和掉頭的車輛[3]。

（5）相位設(shè)計(jì)不夠合理。大沽南路主道車輛右轉(zhuǎn)如果不受控，則在相位1和相位2可能與輔路直行車輛沖突。如果受控，則按原相位只能在第4相位實(shí)現(xiàn)，這樣導(dǎo)致右轉(zhuǎn)進(jìn)入小海地居住區(qū)車輛等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

3 交通優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

國(guó)際上固定信號(hào)配時(shí)一般有英國(guó)的TRRL法（Webster法）、澳大利亞的ARRB法以及美國(guó)的HCM法，我國(guó)有“停車線法”和“沖突點(diǎn)法”等。不同信號(hào)配時(shí)方法的應(yīng)用條件、適應(yīng)場(chǎng)合均不同。本次優(yōu)化為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，采用Webster法，式（1）和式（2）為配時(shí)優(yōu)化公式，經(jīng)計(jì)算Y值大于0.9，因此須改進(jìn)進(jìn)口道設(shè)計(jì)或信號(hào)相位方案[4]。

式中：C0為最佳周期；Y為組成周期的全部信號(hào)相位的各個(gè)最大車道流量比之和；L為每個(gè)周期的總損失時(shí)間（s），計(jì)算公式為：

式中：l為車輛啟動(dòng)損失時(shí)間，應(yīng)實(shí)測(cè)，無(wú)時(shí)間數(shù)據(jù)可取2 s；I為綠燈間隔時(shí)間，即黃燈時(shí)間加全紅燈時(shí)間，全紅燈時(shí)間為1～4 s；A為黃燈時(shí)間，一般為3 s；n為所設(shè)相位數(shù)。

3.1 方案一

方案一主要采取了以下優(yōu)化措施，各進(jìn)口具體渠化設(shè)計(jì)方案如下：①對(duì)交叉口的交通流重新渠化，設(shè)置明確標(biāo)志標(biāo)線以及渠化導(dǎo)流島；②增加行人橫道線及過(guò)街安全島；③增加左轉(zhuǎn)彎待駛區(qū)；④在大沽南路上行和下行輔道上設(shè)置公交專用車道；⑤對(duì)不夠清晰的標(biāo)志標(biāo)線進(jìn)行補(bǔ)充完善；⑥不改變現(xiàn)有信號(hào)燈的相位及其配時(shí)。⑦加強(qiáng)交通需求管理。對(duì)于高峰時(shí)段接送孩子家長(zhǎng)用車加強(qiáng)停車管理，加強(qiáng)過(guò)街行人和非機(jī)動(dòng)車管理，嚴(yán)格執(zhí)行交通規(guī)則。

3.2 方案二

相位1為大沽南路方向上、下行車流直行；相位2為大沽南路上、下行車流左轉(zhuǎn)彎或調(diào)頭，清彎路車流左轉(zhuǎn)彎或直行至微山路；相位3為微山路方向車流左轉(zhuǎn)彎，大沽南路主道下行車流右轉(zhuǎn)彎。

3.3 方案三

在方案二基礎(chǔ)上，將總信號(hào)周期改為120 s，信號(hào)控制由4相位改成3相位，各相位交通流向與方案二相同。

4 交通優(yōu)化仿真

4.1 仿真過(guò)程

依據(jù)交叉口的斷面形式、車道功能、流量流向、優(yōu)化后的信號(hào)配時(shí)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對(duì)所述不同交通信號(hào)控制方案，在Vissim軟件中對(duì)復(fù)興門(mén)交叉口進(jìn)行建模與仿真分析，具體步驟如下[5-6]：

（1）確定仿真對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行基本交通數(shù)據(jù)調(diào)查、分析。需要調(diào)查的數(shù)據(jù)包括：交叉口高峰小時(shí)車流量數(shù)據(jù)、交叉口幾何尺寸數(shù)據(jù)、車道功能劃分情況及原有信號(hào)配時(shí)參數(shù)等。

（2）利用繪圖軟件CAD繪制干道仿真藍(lán)圖，并將其轉(zhuǎn)換為軟件平臺(tái)能夠識(shí)別的*.bmp格式。

（3）把位圖導(dǎo)入VISSIM軟件平臺(tái)，建立基礎(chǔ)路網(wǎng)，注意連接器的選擇，務(wù)必保證紅燈下車輛可以右轉(zhuǎn)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本次仿真沒(méi)有考慮過(guò)街行人的影響因素。

（4）調(diào)整參數(shù)。根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整車輛行駛速度分布/加減速特性、車種/車型、駕駛行為/跟車模型參數(shù)標(biāo)定等參數(shù)，本次仿真選擇系統(tǒng)默認(rèn)值。

（5）輸入路網(wǎng)基本特征變量。路網(wǎng)的基本特征變量主要包括：車種構(gòu)成、車型比例、流量、行駛路徑。其中，要對(duì)不同時(shí)段的交通量進(jìn)行分時(shí)段輸入，注意路徑比例分配、減速區(qū)設(shè)置、路徑?jīng)Q策起終點(diǎn)的設(shè)置。

（6）設(shè)置信號(hào)控制方案。設(shè)置信號(hào)控制機(jī)和信號(hào)配時(shí)方案，首先定義信號(hào)控制機(jī)，然后分配信號(hào)燈組。需要注意的是本次采用的是固定配時(shí)，需要根據(jù)算法提前設(shè)計(jì)好配時(shí)方案，畫(huà)出信號(hào)控制時(shí)間相位圖。

（7）建立檢測(cè)器，檢測(cè)器中主要包括行程時(shí)間、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和排隊(duì)計(jì)數(shù)器等的設(shè)置?？刹捎脭?shù)據(jù)庫(kù)形式對(duì)所需的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析。

（8）進(jìn)行3D效果設(shè)計(jì)。重點(diǎn)是設(shè)置3D信號(hào)燈，同時(shí)通過(guò)V3DM、3DMAX等軟件建立建筑和車輛模型數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，3D仿真界面如圖4所示。

圖4 復(fù)興門(mén)交叉口微觀仿真圖

4.2 仿真評(píng)價(jià)

微觀仿真評(píng)價(jià)參數(shù)如表1所示。

表1 微觀仿真評(píng)價(jià)參數(shù)表

對(duì)用于VISSIM結(jié)果校驗(yàn)的輸出指標(biāo)進(jìn)行了歸納，確定采用平均行程時(shí)間、平均延誤和評(píng)價(jià)排隊(duì)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)作為VISSIM評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]，結(jié)果顯示，方案二比方案一平均行程時(shí)間縮短18.90%，平均延誤減少24.67%，平均排隊(duì)長(zhǎng)度減少8.97%，各指標(biāo)均優(yōu)于方案一。為了避免信號(hào)周期過(guò)長(zhǎng)，如果采用方案三，指標(biāo)優(yōu)化效果并不明顯。整體考慮，建議采用方案二進(jìn)行短期優(yōu)化。長(zhǎng)期應(yīng)該考慮建設(shè)海河過(guò)河通道，減少過(guò)河車輛數(shù)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)復(fù)興門(mén)交叉口的交通現(xiàn)狀調(diào)查與分析，提出了解決交通擁堵?tīng)顩r的道路渠化和信號(hào)優(yōu)化方案，并采用VISSIM交通微觀仿真軟件進(jìn)行了評(píng)價(jià)驗(yàn)證。結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的方案二各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于原有方案。本研究為交通管理部門(mén)提供管理參考，避免了不必要的財(cái)力和人力的浪費(fèi)，對(duì)于緩解復(fù)興門(mén)交通問(wèn)題具有積極的促進(jìn)作用。然而，本文的優(yōu)化方案是在所有道路參與者遵守交通規(guī)則基礎(chǔ)上提出的高峰期間固定配時(shí)方案，沒(méi)有從動(dòng)態(tài)感應(yīng)的角度提出控制策略。同時(shí)，針對(duì)復(fù)興門(mén)交叉口單點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，沒(méi)有從大沽南路快速路主干道上進(jìn)行全面協(xié)調(diào)控制的角度考慮問(wèn)題，因此，復(fù)興門(mén)交叉口的優(yōu)化還有待于進(jìn)一步深入研究。

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［2］ 王秋平，譚學(xué)龍，張生瑞.城市單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006，6（2）：91-94.

［3］ 王云鵬.多路口感應(yīng)信號(hào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)及其仿真［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

［4］ 周蔚吾.道路交通信號(hào)燈控制裝置技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［5］ 柳祖鵬，許彩霞，張獻(xiàn)峰.基于VISSIM仿真系統(tǒng)構(gòu)建3D交通環(huán)境［J］.城市交通，2008，6（2）：91-94.

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［7］ 汪瀅，張興強(qiáng)，胡顯文.基于VISSIM的交叉口交通改善方案適應(yīng)性研究［J］.公路與汽運(yùn)，2013（5）：33-36.

Design traffic signal simulation system based on visual basic——A case study of Fuxingmen，Tianjin City

WANG Shao-hua1，ZHANG Hai2，REN Chao2，GUAN Zhi-wei1
（1.School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Research Institute of Tianjin Traffic Management Bureau，Tianjin 300040，China）

The actual traffic environment and signal control of Tianjin city Fuxingmen intersection are investigated and analyzed，and the traffic signal control scheme is designed by the method of Webster.Experiments with traffic micro-simulation software VISSIM are conducted.The results show that the average travel time is shortened to 18.90%，the average delay time is reduced 24.67%and the average queue length is curtailed 8.97%by the proposed scheme two.All the index surpassed that of the original one.

Fuxingmen；intersection；signal control；VISSIM

U491.51

A

2095－0926（2014）01－0041－04

2013-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61301040）；公安部公安理論及軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012LLYJTJSJ077）.

王少華（1983—），男，講師，研究方向?yàn)榻煌ǚ抡妗⒔煌ò踩?