基于正交試驗的道路交叉口仿真分析及優(yōu)化

蒲超倫

(重慶文理學院， 重慶市 402160)

隨著城市經濟的快速發(fā)展，機動車量不斷增加，交通壓力日益凸顯。而城市道路交叉口作為城市路網中的連接樞紐，在多個方向有交通流入，交通擁堵，沖突點多，容易造成交通擁堵甚至事故，據(jù)有關統(tǒng)計，車輛在城市中心行駛時，約有1/3的時間浪費在道路交叉口，因此，城市道路交叉口的設計研究對中國城市交通的長遠發(fā)展具有十分重要的意義，很大程度上能夠避免交通隱患的發(fā)生。姚佼等采用正交試驗的方法對過飽和交通狀態(tài)進行了分析，通過方差分析的F檢驗，得出場景特性、大車比例以及交叉口間距對過飽和交通狀態(tài)的影響最為顯著；陳昊等基于VISSIM仿真軟件，建立了高速公路路段上的交通事故模型，對比分析了不同交通輸入量及大小車比例對車輛延誤及平均排隊長度隨時間的變化規(guī)律的影響；張開盛等通過上海市滬閔路-劍川路的實地調研，采用正交試驗及仿真技術，提出了交叉口設計流程的規(guī)范化，提高道路交叉口優(yōu)化設計的效率。該文以重慶市大學城西路-大學城南路信控交叉口為研究對象，分析該交叉口的若干影響因素，建立車道設置、渠化及信號控制的三因素四水平正交試驗表，并結合微觀仿真軟件VISSIM進行仿真優(yōu)化，以道路交叉口的延誤最小為優(yōu)化目標，得到最優(yōu)方案。

1 道路交叉口數(shù)據(jù)采集

圖1為重慶市大學城西路-大學城南路道路交叉口整體布局圖，其交通承載量較大，交叉口周邊有重慶大學、小學、產業(yè)園區(qū)、重慶繞城高速、松園等多個居民區(qū)，早晚高峰期人車流量大、重型車比重高，極易造成交通堵塞，對該交叉口進行設計優(yōu)化能夠減緩交通壓力，更加地便民利民。表1為交叉口早高峰時間(07：30～08：30)采集車流量數(shù)據(jù)。在統(tǒng)計過程中發(fā)現(xiàn)，交叉口南進口道及東進口道的延誤為22.5 s及38.6 s。該數(shù)據(jù)將作為VISSIM仿真模型的校準標準以及交叉口的通行能力的評判指標。

圖1 大學城西路與大學城南路交叉口整體布局(單位：m)

2 基于VISSIM的仿真建模

利用VISSIM仿真軟件對大學城西路與大學城南路道路交叉口現(xiàn)狀進行仿真模擬，按實際情況設置車道數(shù)、車道寬度，采用表1的車流量以及重車比，信號參數(shù)(各信號組紅、黃、綠燈的結束時間)等。

由于初步建立的VISSIM仿真模型得到的車輛延誤結果與現(xiàn)實采集的數(shù)據(jù)會存在不可避免的偏差，必須進行模型的校準以得到較為接近實際的仿真。該文將司機的駕駛行為作為可控的變量進行模型修正，將前方的可見車輛數(shù)、安全停車距離、安全距離附加因子、安全距離倍數(shù)因子、車頭時距最小值以及等待換道消失時間6個因素作為修正參數(shù)進行正交試驗，分別取5個水平，如表2所示。正交試驗表及試驗結果如表3所示，將模擬結果值與統(tǒng)計值的差值作為優(yōu)化目標，結果可知，當前方的可見車輛數(shù)為1輛、安全停車距離為1.5 m、安全距離附加因子為1、安全距離倍數(shù)因子為2、車頭時距min為1.5 m以及等待換道消失時間為65 s時，模擬結果最接近實際，南進口及東進口的延誤分別為21.6 s以及39.4 s，在誤差范圍內。

表1 車流量及重車比

3 優(yōu)化方案正交試驗設計

3.1 車道設置優(yōu)化

從表1可知：西進口道左轉車流量為387 pcu/h，而從式(1)計算得知其通行能力的飽和值為402 pcu/h，壓力極大，因此將鄰邊的進口道設置為可變車道，在左轉相位時為進口道，而在其他相位時為出道。

表2 參數(shù)設置

表3 正交試驗結果

Cp=n·Cb·yl·yc·yr

(1)

式中：Cp為實際通行能力；n為車道數(shù)；Cb為理論通行能力；yl、yc、yr為折減系數(shù)。

3.2 渠化優(yōu)化

為了減小南進口以及東進口的延誤，在南進口以及東進口設置直行待行區(qū)，長度20 m。北進口右轉車輛達到423 pcu/h，壓力較大，嘗試進行右轉渠化。

3.3 交通信號優(yōu)化

交通信號的協(xié)調性及配時是基于道路車道以及渠化進行設置的，因此必須將以上方案組合結合Synchro軟件分別進行試驗優(yōu)化。

3.4 正交試驗設計

將上述4種優(yōu)化方案西進口道的可變車道、南進口道直行待行區(qū)、東進口道直行待行區(qū)以及北進口道右轉渠化分別記為A、B、C、D，由于各方案之間相互作用會對交通通行產生額外的影響，因此考慮其兩兩交互作用，共有10種因素(A、AB、AC、AD、B、BC、BD、C、CD、D)，每個因素設置2個水平，分別為“不設置”、“設置”，記為0、1。建立的10因素2水平優(yōu)化方案正交試驗表如表4所示。

表4 正交試驗表及試驗結果

4 正交試驗結果分析

基于VISSIM仿真模擬結果見表4。由表4可知：試驗8的模擬結果延誤量最小為37.23 s，試驗9平均排隊長度最短，為18.54 m，試驗10停車次數(shù)最小為0.74次。由于最優(yōu)方案并不一定在模擬試驗表中，因此需要進行進一步分析，以交叉口的延誤為例進行極差分析及方差分析。

4.1 極差分析

極差分析能夠較為直觀地反映各試驗因素對結果的重要程度。極差的數(shù)值越大代表對模擬結果的影響程度越大。極差分析如表5所示。由表5可知：對延誤影響程度大小依次為CD、BC、A、D、AD、B、AC、C、AB、BD。

表5 延誤極差分析

4.2 方差分析

極差分析無法估計試驗誤差的大小，存在一定的缺陷，而方差分析很好地彌補了這一缺陷，并且能剖析各影響因素之間的交互作用，同時也能體現(xiàn)各因素對延誤的影響力大小，以驗證極差分析的正確性，是正交試驗不可缺少的一部分。交叉口延誤方差分析結果如表6所示，F(xiàn)比數(shù)值越大，表明對延誤的影響力越大。

由表6可知：CD、BC、A、D、AD對延誤影響顯著，其結果與極差分析一致。以因素在某一水平下的方案延誤最小化為最優(yōu)，得出最優(yōu)方案為A1B1C0D0，即試驗8。設置西進口道的可變車道，設置南進口道直行待行區(qū)。由于各方案的平均排隊長度以及停車次數(shù)與延誤相比相差較小，因此選擇試驗8方案更為恰當。設置西進口可變車道后，西進口左轉延誤從76 s下降到45 s，明顯減小了交通壓力。

4.3 最優(yōu)方案

從以上分析得出最優(yōu)方案為A1B1C0D0，即將西進口道鄰邊車道設置為可變車道，南進口道設置直行待行區(qū)。具體方案如圖2所示。信號配時采用NEMA相位，信號周期為150 s，黃燈時間3 s，全紅時間2 s，北直45 s、南直45 s，北左28 s，南左28 s，東直35 s，西直35 s，東左28 s，西左28 s。

表6 延誤方差分析

5 結論

以交叉口延誤最小為優(yōu)化目標，采用VISSIM軟件進行微觀仿真，通過極差分析及方差分析選取最優(yōu)方案，最優(yōu)方案為A1B1C0D0，設置西進口可變車道、東進口道直行待行區(qū)。結果表明：基于正交試驗結合模擬仿真對道路交叉口優(yōu)化是可行的，對交通管理部門的治理工作具有一定的指導作用。

圖2 最終優(yōu)化方案(單位：m)