基于VISSIM仿真的隧道銜接交叉口交通組織優(yōu)化

楊曉芳，方 琳，付 強(qiáng) YANG Xiaofang,FANG Lin,FU Qiang

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 200092）

·交通運(yùn)輸·

基于VISSIM仿真的隧道銜接交叉口交通組織優(yōu)化

楊曉芳1，方 琳1，付 強(qiáng)2YANG Xiaofang1,FANG Lin1,FU Qiang2

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 200092）

為了改善隧道銜接交叉口出現(xiàn)的交通擁堵情況，結(jié)合入口匝道通行能力模型，建立了隧道銜接交叉口的相位相序選擇模型。以翔殷路隧道匝道及其銜接的交叉口為例，結(jié)合實(shí)際情況，運(yùn)用VISSIM仿真模型，分析由交叉口進(jìn)入隧道的各車道車輛的行程時(shí)間、平均延誤、排隊(duì)車輛等指標(biāo)，證明模型的有效性。仿真結(jié)果表明：優(yōu)化后，交叉口南進(jìn)口左轉(zhuǎn)延誤降低了24.7%，東進(jìn)口直行的延誤降低了42.3%，降低了隧道銜接交叉口的總延誤，有效緩解了高峰期擁堵的狀況。

隧道銜接交叉口；相序選擇模型；交通組織優(yōu)化

0 引 言

隧道是城市發(fā)展的重要組成部分，是銜接隔江兩岸的主要交通設(shè)施。城市隧道雖然促進(jìn)了隔江兩岸地區(qū)的交流與發(fā)展，但高峰期間經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的現(xiàn)象。隧道是車輛跨江行駛的必經(jīng)之地，高峰期龐大的車流量，造成了隧道及周邊道路交叉口的擁堵。隧道的擁堵不僅與交通流量、隧道自身構(gòu)造有關(guān)，而且與隧道銜接的交叉口有著密不可分的關(guān)系。因此，研究隧道入口匝道與鄰近交叉口的銜接，了解交叉口的現(xiàn)狀并對(duì)其進(jìn)行組織優(yōu)化是解決隧道擁堵的重要途徑，也是改善交叉口擁堵情況的重要步驟。

車輛進(jìn)入隧道經(jīng)由的交叉口進(jìn)口道是關(guān)鍵影響因素，這些進(jìn)口道的延誤會(huì)直接影響到車輛進(jìn)入隧道之后的交通狀態(tài)；與此同時(shí)，交叉口的信號(hào)配時(shí)與隧道入口匝道的信號(hào)配時(shí)之間的協(xié)調(diào)控制是決定車輛能否疏散不造成擁堵的另一重要決定因素。

1 構(gòu)建模型

為了改善高峰期隧道及其銜接交叉口的交通運(yùn)行狀況，構(gòu)建了適用于隧道及銜接交叉口的相位相序選擇模型。

隧道銜接交叉口相位相序選擇模型適用于：受到信號(hào)控制的隧道入口匝道的銜接交叉口，隧道入口匝道的車道能滿足高峰期交通量的需求、交叉口的各進(jìn)口的車道設(shè)置合理且高峰期隧道入口匝道發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶?，擁堵甚至延伸至銜接交叉口的情況。結(jié)合實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)以及仿真結(jié)果，根據(jù)相位相序選擇模型對(duì)隧道入口匝道以及交叉口的信號(hào)相位相序做出調(diào)整優(yōu)化，改善隧道及銜接交叉口擁堵情況。隧道銜接交叉口模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧道及銜接交叉口模型結(jié)構(gòu)圖

相位相序選擇模型運(yùn)算的具體步驟如下：設(shè)經(jīng)由交叉口南進(jìn)口道、北進(jìn)口道、西進(jìn)口道、東進(jìn)口道進(jìn)入隧道匝道的交通量分別q1、q2、q3、q4，北進(jìn)口右轉(zhuǎn)流量為Q'，南進(jìn)口左轉(zhuǎn)、西進(jìn)口掉頭、東進(jìn)口直行、北進(jìn)口右轉(zhuǎn)車道的通行能力分別為N1、N2、N3、N4，隧道入口匝道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，經(jīng)由交叉口進(jìn)入隧道的車輛中，受到信號(hào)控制的車輛為Q1、Q2、Q3、Q4，對(duì)應(yīng)的綠燈時(shí)長(zhǎng)分別為t1、t2、t3、t4，相應(yīng)的延誤分別為d1、d2、d3、d4，入口匝道的綠燈時(shí)長(zhǎng)為t0，周期長(zhǎng)為T。

1.1 計(jì)算基本通行能力。道路基本通行能力是指道路與交通處于理想情況下，每一條車道（或每一條道路）在單位時(shí)間內(nèi)能夠通過(guò)的最大交通量。計(jì)算公式如下：

式中：t—駕駛?cè)朔磻?yīng)時(shí)間 (s)，根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際使用的經(jīng)驗(yàn)和理論分析，l安一般取用2m，t可取1s，輪胎與路面間的附著系數(shù)φ與輪胎花紋、平整度、表面濕度、行車速度等因素有關(guān)。車輛長(zhǎng)度對(duì)于小汽車采用6m，代入上述數(shù)值則得：

縱向附著系數(shù)φ的取值根據(jù)表1確定。

表1 縱向附著系數(shù)φ與車速v的關(guān)系表

計(jì)算N1、N2、N3、N4的值，實(shí)測(cè)q1、q2、q3、q4的值，將兩個(gè)值進(jìn)行比較，如果滿足q1

1.2 確定排隊(duì)指數(shù)Yd。定義：排隊(duì)指數(shù)Yd是指車輛經(jīng)由交叉口進(jìn)入受信號(hào)控制隧道入口匝道的時(shí)候，匝道能夠承受的排隊(duì)車輛數(shù)與受到信號(hào)控制制約而必須在入口匝道處排隊(duì)車輛數(shù)的比值，比值大于1，則表示入口匝道的排隊(duì)車輛可以接受，比值小于1，則表示入口匝道的排隊(duì)車輛延伸至其銜接交叉口，不可接受。

其中：L'——表示匝道的最大排隊(duì)車輛數(shù)，L'的取值與主干道交通量L為隧道入口匝道長(zhǎng)度，L車一般取6m。

入口匝道與主干道的關(guān)系如圖2所示，其中q1與q2為主干道流量，q12=q1+q2；q為連接處的流量，q=q1+r。根據(jù)文獻(xiàn)[3]得到連接處流量、密度與匯率之間的關(guān)系為：

圖2 入口匝道與主干道

其中：n定義為匯入率，是入口匝道流量與連接處流量之比，kf為自由流密度，kj為阻塞密度；μf為自由流速度；m為波速系數(shù)；k'=kj/4-（1- m） kf/m，r為入口匝道流量。

L*——表示受到信號(hào)控制在匝道排隊(duì)的車輛數(shù)。L*的大小由入口匝道綠燈時(shí)長(zhǎng)g，周期T，以及經(jīng)由交叉口進(jìn)入隧道車輛的延誤D共同決定。

選擇土壤肥沃、疏松、排灌方便的地塊種植。由于糯玉米對(duì)除草劑敏感，如果前茬種植大豆，最好能了解前茬施用的除草劑種類及有效用量，若不能明確就需要檢測(cè)土壤中除草劑殘留，方法一是發(fā)芽實(shí)驗(yàn)，方法二是儀器檢測(cè)。

1.3 相位相序選擇模型。設(shè)交叉口的信號(hào)相位中與入口匝道綠燈時(shí)長(zhǎng)重合的相位為tm，則tm=t1,t2,t3,t4或tm=（t1+ t2）， （t1+ t3），由于受到延誤而二次排隊(duì)的車輛數(shù)為qm，qm=tm×dm，dm為各相位對(duì)應(yīng)的延誤值。

其中：延誤的計(jì)算公式如下：

一個(gè)周期內(nèi)受阻車輛數(shù)為m，周期車輛延誤d是m輛車受阻延誤時(shí)間的總和，即：

τi—第i輛車的延誤時(shí)間，單位為s；m—周期內(nèi)受阻車輛數(shù)，m=Sτ，單位為veh。

求解最大值，對(duì)應(yīng)的相位即為最優(yōu)化相位相序。本文以翔殷路隧道及其銜接的交叉口浦東北路—五洲大道交叉口為例，按照相位相序選擇模型，對(duì)交叉口進(jìn)行交通組織優(yōu)化，并且使用進(jìn)口道車輛延誤、交叉口與隧道的周期為影響因子，利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了信號(hào)相位相序模型的可實(shí)施性。

2 案例分析

2.1 隧道現(xiàn)狀。上海市翔殷路隧道是我國(guó)目前直徑最大、距離最長(zhǎng)、行車速度最快的跨江隧道。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高峰期隧道浦東入口匝道十分擁堵，擁堵延伸至浦東北路—五洲大道交叉口，造成了交叉口各進(jìn)口道車輛延誤的增加，影響了浦東北路—五洲大道交叉口的運(yùn)行。

2.2 交叉口現(xiàn)狀。浦東北路—五洲大道交叉口位于上海市浦東新區(qū)，西進(jìn)口與翔殷路隧道相連，是浦東地區(qū)車輛經(jīng)過(guò)翔殷路隧道進(jìn)入浦西的必經(jīng)之地，交通流量較大。晚高峰期間，經(jīng)由交叉口進(jìn)入隧道的車輛數(shù)量急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致翔殷路隧道浦東入口匝道處車輛擁擠，甚至蔓延至交叉口，影響交叉口其他進(jìn)口道車輛的正常行駛。該交叉口為信號(hào)控制交叉口，位于中環(huán)路高架五洲大道路段下，駕駛員進(jìn)入交叉口時(shí)視野受到阻礙，各進(jìn)口道中央均設(shè)置了綠化帶與非機(jī)動(dòng)車道，附近為工廠，人煙稀少。

2.3 機(jī)動(dòng)車流量流向調(diào)查。初步踩點(diǎn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，晚高峰時(shí)隧道匝道入口道的擁堵情況最為嚴(yán)重，延伸至浦東北路—五洲大道交叉口。進(jìn)一步優(yōu)化交叉口，需對(duì)交叉口的流量流向做調(diào)查。調(diào)查時(shí)間設(shè)定為17:00—18:00，采用人工計(jì)數(shù)法，調(diào)查范圍包括翔殷路隧道入口匝道交通量、浦東北路—五洲大道交叉口交通量、中環(huán)路高架進(jìn)入隧道的交通量、翔殷路隧道浦西銜接交叉口交通流量。

2.4 信號(hào)配時(shí)方案。浦東北路五洲大道交叉口信號(hào)配時(shí)方案為四相位，周期長(zhǎng)為138s，其中黃燈時(shí)間為3s；翔殷路隧道浦東入口匝道為信號(hào)控制，配時(shí)方案為兩相位，周期長(zhǎng)為122s，其中黃燈時(shí)間為1s。交叉口、隧道入口匝道信號(hào)配時(shí)方案如圖4所示。

3 交叉口優(yōu)化與仿真評(píng)估

3.1 交叉口組織優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，按實(shí)際比例繪制交叉口及隧道渠化設(shè)計(jì)cad圖，將圖導(dǎo)入VISSIM仿真軟件作為背景圖，繪制仿真路段并輸入交通流量與信號(hào)配時(shí)等調(diào)查數(shù)據(jù)。服務(wù)水平是用于評(píng)價(jià)道路車輛運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)，它劃分為四級(jí)，是為了說(shuō)明公路交通負(fù)荷狀況，以交通流狀態(tài)為劃分條件，定性地描述交通流從自由流、穩(wěn)定流到飽和流和強(qiáng)制流的變化階段。因此，采用四級(jí)服務(wù)水平，可以方便地評(píng)價(jià)公路交通的運(yùn)行質(zhì)量。本文采用延誤作為主要指標(biāo)，對(duì)交叉口進(jìn)行服務(wù)水平評(píng)估分析，如圖3所示。本文根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，利用VISSIM軟件對(duì)交叉口進(jìn)行仿真，仿真時(shí)長(zhǎng)為1小時(shí)，得到交叉口各進(jìn)口道的行程時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度以及延誤現(xiàn)狀輸出結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 信號(hào)交叉口延誤時(shí)間與服務(wù)水平關(guān)系

表2 隧道銜接的浦東北路—五洲大道交叉口車道仿真結(jié)果

觀察表2可知，經(jīng)由交叉口進(jìn)入隧道的車道為南進(jìn)口的左轉(zhuǎn)車道、西進(jìn)口的掉頭車道以及東進(jìn)口的直行車道。

首先，針對(duì)上述車道分別進(jìn)行延誤分析：南進(jìn)口左轉(zhuǎn)的高峰小時(shí)交通量為444pcu/h，設(shè)置有兩個(gè)左轉(zhuǎn)專用車道，左轉(zhuǎn)專用相位時(shí)長(zhǎng)為25s，車輛的平均延誤為39.6s，車輛的平均排隊(duì)長(zhǎng)度達(dá)到157m，服務(wù)水平等級(jí)為D，接近不穩(wěn)定車流，車輛行駛出現(xiàn)周期性的擁堵。西進(jìn)口掉頭的高峰小時(shí)交通量為177pcu/h，西進(jìn)口設(shè)置有左轉(zhuǎn)專用車道與左轉(zhuǎn)掉頭合用車道，時(shí)長(zhǎng)為38s，掉頭車輛的平均延誤為14.3s，排隊(duì)長(zhǎng)度為53m，停車次數(shù)為0.34次，服務(wù)水平等級(jí)為B，表現(xiàn)為穩(wěn)定車流，車輛大多數(shù)時(shí)間行駛平穩(wěn)，高峰小時(shí)內(nèi)稍有延誤。東進(jìn)口設(shè)置了一個(gè)左轉(zhuǎn)專用車道，一個(gè)直行車道以及一個(gè)直右車道，直行車的高峰小時(shí)交通量為540pcu/h，東西方向直行相位時(shí)長(zhǎng)為30s，車輛的平均延誤為44.6s，直行車道的排隊(duì)長(zhǎng)度為22m，直右車道的排隊(duì)長(zhǎng)度為163m，服務(wù)水平等級(jí)為E。

其次，根據(jù)交叉口以及隧道入口匝道的周期對(duì)延誤進(jìn)行分析：浦東北路五洲大道交叉口與入口匝道的信號(hào)配時(shí)如圖4所示。

當(dāng)翔殷路隧道浦東入口匝道放行時(shí)，浦東北路五洲大道交叉口的南北左轉(zhuǎn)與東西直行分別放行，進(jìn)入隧道入口匝道，加上北進(jìn)口不受控制的右轉(zhuǎn)車流，造成了入口匝道車輛的擁堵。

3.2 仿真評(píng)估。根據(jù)表2的仿真結(jié)果以及圖4的交叉口現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)，得知交叉口東進(jìn)口直行和南進(jìn)口左轉(zhuǎn)相位與入口匝道的放行相位相重疊，由于交通量過(guò)大，導(dǎo)致了入口匝道的擁堵。根據(jù)相位相序選擇模型，計(jì)算出Max Yd（ ）的值為1.2，所對(duì)應(yīng)的相位為東西直行，其次是南北直行，最后為南北左轉(zhuǎn)，優(yōu)化后的相位如圖5所示。

圖4 交叉口入口匝道信號(hào)配時(shí)圖（優(yōu)化前）

利用VISSIM仿真軟件對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，仿真過(guò)程如圖6所示，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如表3所示。

圖5 交叉口信號(hào)配時(shí)（優(yōu)化后）

圖6 交叉口渠化設(shè)計(jì)優(yōu)化后仿真過(guò)程

表3 優(yōu)化后交叉口仿真延誤輸出

優(yōu)化后的交叉口南進(jìn)口左轉(zhuǎn)延誤由原來(lái)的39.6s降低至29.8s，排隊(duì)長(zhǎng)度由原來(lái)的157m降低至46m，服務(wù)水平達(dá)到了C級(jí)；西進(jìn)口掉頭的延誤由14.3s增加至26.1s，排隊(duì)長(zhǎng)度由原來(lái)的53m增加至64m，服務(wù)水平降為C級(jí)；東進(jìn)口直行的延誤由原先的41.6s降低至24.0s，排隊(duì)長(zhǎng)度由原來(lái)的163m降低至18m，服務(wù)水平由原來(lái)的E級(jí)提升至了C級(jí)。雖然西進(jìn)口掉頭車輛的延誤有所提升，但是服務(wù)水平為C級(jí)，車輛能穩(wěn)定行駛，在可接受的延誤范圍內(nèi)，從整體上來(lái)看，浦東北路五洲大道交叉口的擁堵得到了有效的緩解，翔殷路隧道浦東入口匝道的堵塞現(xiàn)象也得到了改善，基本達(dá)到了優(yōu)化的目的。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合城市長(zhǎng)隧道——翔殷路隧道及其浦東入口匝道相鄰交叉口作了交通調(diào)查與分析，針對(duì)經(jīng)由浦東北路五洲大道交叉口進(jìn)入翔殷路隧道入口匝道車輛行駛車道，利用VISSIM仿真技術(shù)，對(duì)交叉口擁堵情況作出分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)交叉口進(jìn)行了優(yōu)化及評(píng)估。根據(jù)信號(hào)相位相序模型提出了詳細(xì)的優(yōu)化方案。針對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行仿真評(píng)估，結(jié)果顯示經(jīng)由交叉口進(jìn)入隧道入口匝道的車輛延誤明顯降低，整體的服務(wù)水平有所提升。研究表明：城市隧道入口匝道的擁擠現(xiàn)象與其銜接的交叉口有所關(guān)聯(lián)，想要從根本上提升入口匝道通行能力，需要結(jié)合其銜接交叉口作整體的優(yōu)化。然而，按照一定的規(guī)則調(diào)整交叉口的相位相序可以在很大程度上降低交叉口的延誤。該研究可為解決與交叉口鄰近的城市隧道入口匝道的優(yōu)化提供參考。

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Traffic Organization Optimization for the Intersection Convergence of Tunnel Based on VISSIM Simulation

(1.University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.College of Transportation Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

In order to improve the traffic congestion situation at the intersection of tunnel junctions and the inlet ramp capacity model,a phase phase selection model of tunnel junction intersection is established.Taking the intersection of Xiangyan road tunnel and its intersection as an example,the VISSIM simulation model is used to analyze the travel time,the average delay and the queuing vehicle of the lane vehicles entering the tunnel from the intersection to prove the effective model sex.The simulation results show that,after optimization,the turn left turn delay of the intersection is reduced by 24.7%,the delay of the east entrance is reduced by 42.3%,which reduces the total delay of the tunnel junction and effectively alleviates the peak congestion.

tunnel adjacency intersection;phase sequence selection model;traffic organization optimization

U121

A

1002-3100(2017)08-0065-04

2017-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：51308409；上海市浦江人才計(jì)劃資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：15PJC075。

楊曉芳（1975-），女，山西新絳人，上海理工大學(xué)交通工程系，副教授，博士，研究方向：智能交通、駕駛行為；方 琳（1994-），女，湖南郴州人，上海理工大學(xué)交通工程系碩士研究生，研究方向：智能交通、駕駛行為。