基于VISSIM仿真的交叉口信號(hào)優(yōu)化配時(shí)綜合評(píng)價(jià)*

□ 張 誠(chéng)，季文倩，謝 衍

(1.華東交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，江西 南昌 330013；2.高鐵與區(qū)域發(fā)展研究中心，江西 南昌 330013 3.華東交通大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

交通堵塞的日益嚴(yán)重，不僅影響城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且降低了人們的日常工作效率和生活質(zhì)量[1]。交叉口是城市道路交通中重要的流向轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是城市道路網(wǎng)中通行能力的瓶頸，對(duì)交叉口采取合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)及信號(hào)配時(shí)是提高其通行能力、降低延誤的重要手段[2]。我國(guó)大多數(shù)城市信號(hào)交叉口采用單點(diǎn)固定信號(hào)配時(shí)，然而由于城市格局的不斷完善以及城市路網(wǎng)的更新，城市道路交通狀況也在不斷變化，導(dǎo)致原有的信號(hào)配時(shí)方案與現(xiàn)有的交通狀況不匹配，產(chǎn)生交叉口的通行效率下降，延誤增加，相應(yīng)的交通污染加劇，燃油資源浪費(fèi)等一系列問(wèn)題。因此，基于城市交叉口的交通現(xiàn)狀，優(yōu)化城市信號(hào)交叉口配時(shí)方案，提高交叉口通行能力，對(duì)緩解當(dāng)今城市交通擁堵問(wèn)題具有重要的意義。

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)城市信號(hào)交叉口優(yōu)化問(wèn)題做了大量的研究。在理論研究方面，曾昕等[3]基于可變車道,提出信號(hào)交叉口時(shí)空資源優(yōu)化配置方法；趙盼明等[4]針對(duì)小區(qū)域交叉口群過(guò)飽和狀態(tài),提出了基于模糊控制的信號(hào)協(xié)調(diào)優(yōu)化方案；趙靖等[5]為了提升連續(xù)流交叉口的通行能力,消除其主信號(hào)處左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車與直行機(jī)動(dòng)車的沖突,提出了一種左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；蔣賢才等[6]為了改善不對(duì)稱交通流導(dǎo)致信號(hào)交叉口進(jìn)口道交通負(fù)荷分布不均、通行效率低下的問(wèn)題,建立了空間動(dòng)態(tài)車道分配與信號(hào)配時(shí)相結(jié)合的優(yōu)化模型。

雖然交叉口優(yōu)化問(wèn)題在理論研究方面取得了豐富的成果，但是當(dāng)今大多數(shù)城市常規(guī)單點(diǎn)信號(hào)控制交叉口的配時(shí)方法主要是基于英國(guó)的TRRL法(也稱Webster法)、澳大利亞的ARRB法、美國(guó)的HCM法以及我國(guó)現(xiàn)有配時(shí)方法，并結(jié)合我國(guó)城市交通特點(diǎn)而確定[7]。眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了國(guó)內(nèi)一些單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)控制交叉口的配時(shí)方案，并取得了顯著的效益，劉宜恩等[8]優(yōu)化了廣州市天河區(qū)天河北路和體育西路交叉口，并以車均延誤、平均排隊(duì)長(zhǎng)度、停車時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)信號(hào)配時(shí)優(yōu)化前后進(jìn)行評(píng)價(jià)；范東凱等[9]優(yōu)化了淄博市張店區(qū)世紀(jì)路與人民西路十字交叉口，從交叉口渠化、信號(hào)配時(shí)等角度提出改善方案，應(yīng)用VISSIM軟件對(duì)改善方案進(jìn)行仿真和分析，逐步得到最好的效果；蘇春敏等[10]優(yōu)化了福州市馬尾區(qū)羅星西路與青州路十字信號(hào)控制交叉口，并將信號(hào)管制下交叉口范圍內(nèi)的碳排放作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。

城市信號(hào)交叉口優(yōu)化問(wèn)題在實(shí)踐的研究中成果頗豐，學(xué)者們?cè)趦?yōu)化單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)控制交叉口的配時(shí)方案時(shí)，卻鮮有學(xué)者對(duì)信號(hào)配時(shí)優(yōu)化前后的仿真結(jié)果做出系統(tǒng)的對(duì)比分析。本文以焦作市塔南路與工業(yè)路交叉口為例，基于現(xiàn)狀交叉口的交通量數(shù)據(jù)，在總結(jié)前人設(shè)計(jì)優(yōu)化信號(hào)配時(shí)方案的基礎(chǔ)上，闡述了優(yōu)化信號(hào)配時(shí)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)VISSIM9.0仿真平臺(tái)，從交叉口交通效率及尾氣排放量?jī)煞矫娴脑u(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)信號(hào)配時(shí)優(yōu)化前后的仿真結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 交叉口現(xiàn)狀

焦作市塔南路與工業(yè)路交叉口位于焦作市新城區(qū)與老城區(qū)連接處，為一規(guī)則的平面十字形交叉口。該交叉口高峰時(shí)段為定時(shí)信號(hào)配時(shí)，信號(hào)周期為160s。第一相位為南進(jìn)口、北進(jìn)口方向左轉(zhuǎn)車流通行，通行時(shí)間為23秒；第二相位為東進(jìn)口、西進(jìn)口直行和右轉(zhuǎn)車流通行，通行時(shí)間為31秒；第三相位為北進(jìn)口、南進(jìn)口直行和右轉(zhuǎn)車流通行，通行時(shí)間為78秒；第四相位為東進(jìn)口、西進(jìn)口左轉(zhuǎn)車流通行，通行時(shí)間為28秒。該交叉口相交的兩條道路是城市主干道和次干道。塔南路為

圖1 交叉口位置圖

南北走向的城市主干道，一塊板形式，雙向4車道，進(jìn)口道拓寬一條車道共3條車道，出口道共兩條車道；工業(yè)路為東西走向的城市次干道，一塊板形式，雙向4車道，進(jìn)口道拓寬一條車道共3條車道，出口道共兩條車道。周邊分布著鋼鐵廠、遠(yuǎn)大未來(lái)城，向北直通焦煤集團(tuán)綜合樓，向南途經(jīng)丹尼斯和太極廣場(chǎng)。由于此交叉口貫穿南北交通要塞，交通量較大，高峰時(shí)段的交通狀況復(fù)雜，交通秩序混亂。本文所研究的交叉口位置如圖1所示，交叉口渠化現(xiàn)狀如圖4所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的交通量調(diào)查方法，對(duì)塔南路與工業(yè)路交叉口進(jìn)行交通量調(diào)查，調(diào)查晚高峰期間的交通量，調(diào)查時(shí)間為17∶30-18∶30。調(diào)查期間，在交叉口附近小區(qū)的樓道里對(duì)交叉口進(jìn)行錄像拍攝，時(shí)間為1小時(shí)，分三次拍攝，每次20分鐘。攝像結(jié)束后，對(duì)視頻內(nèi)的車流量進(jìn)行整理，每個(gè)進(jìn)口道分左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)三個(gè)流向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；同時(shí)，將車型分為小、中、大、非機(jī)動(dòng)車四種車型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并統(tǒng)一折算為標(biāo)準(zhǔn)車輛數(shù)。通過(guò)以上數(shù)據(jù)的整理與統(tǒng)計(jì)得到如下圖2所示的塔南路與工業(yè)路交叉口高峰小時(shí)交通量。

圖2 交叉口高峰小時(shí)交通量

由上圖2可以看出，該交叉口的南、北進(jìn)口道直行和右轉(zhuǎn)車流量較大，占該交叉口總交通量的74.4%；各進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車流量較小，總體左轉(zhuǎn)交通量?jī)H占比為8.69%；東西進(jìn)口的直行和右轉(zhuǎn)交通量占總交通量的16.9%，僅為南、北進(jìn)口的直行和右轉(zhuǎn)車流量的22.7%。

2 交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化

本文基于大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中信號(hào)交叉口配時(shí)模型的理論方法，設(shè)計(jì)焦作市塔南路與工業(yè)路信號(hào)交叉口的優(yōu)化配時(shí)方案。飽和流量隨交叉口的幾何因素，渠化方式以及各流向交通沖突等情況而異，因此采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。依據(jù)飽和流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法，飽和流量為：

式中：Si為第i條車道的飽和流量，pcu/h；hi為第條進(jìn)口道的排隊(duì)車輛第4輛車以后的車頭時(shí)距，(一般去掉最大值和最小值)；ni為第i條車道車頭時(shí)距數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)處理得到交叉口各條進(jìn)口道的飽和流量及流量比如下表1所示。

表1 交叉口各條進(jìn)口道飽和流量和流量比

周期時(shí)長(zhǎng)是決定點(diǎn)控制定時(shí)信號(hào)交通效益的關(guān)鍵控制參數(shù)，所以是信號(hào)配時(shí)的主要設(shè)計(jì)對(duì)象。周期時(shí)長(zhǎng)按如下方法計(jì)算：

式中：C0為交叉口信號(hào)周期；L為信號(hào)總損失時(shí)間；Y為組成周期的各個(gè)信號(hào)相位最大流量比之和，一般Y<0.92；Ls為起動(dòng)損失時(shí)間，取3s；A為黃燈時(shí)長(zhǎng)，可定為3s；I為綠燈間隔時(shí)間，當(dāng)綠燈間隔時(shí)間I<3s時(shí)，配以黃燈時(shí)間3s；I>3s時(shí)，其中3s配以黃燈，其余時(shí)間配以紅燈；k為一周期內(nèi)的綠燈間隔數(shù)(本信號(hào)交叉口k=3)；z為停車線到突點(diǎn)的距離；va為車輛在進(jìn)口道上的行駛車速；ts為車輛制動(dòng)時(shí)間。

本交叉口車輛在進(jìn)口道上的行駛速度取6m/s，此時(shí)對(duì)應(yīng)的車輛制動(dòng)時(shí)間取2.1s，從停車線到?jīng)_突點(diǎn)距離取18.5m，得到綠燈間隔時(shí)間5.2s，取5s，其中黃燈時(shí)間為3秒，全紅時(shí)間為2秒，信號(hào)總損失時(shí)間為20s，由表2計(jì)算可知主流量比總和為0.85，得到最佳信號(hào)周期為133s。

各個(gè)相位的有效綠燈時(shí)間按如下方式計(jì)算：

式中：Ge為總有效綠燈時(shí)間；C0為交叉口信號(hào)周期；L為信號(hào)總損失時(shí)間；gei為第i相位的有效綠燈時(shí)間；yi為第i相位的主流量比；Y為組成周期的全部信號(hào)相位的各個(gè)主流量比yi之和，一般Y<0.92，得到各相位有效綠燈時(shí)間如下表2所示。

表2 各相位有效綠燈時(shí)間分配

考慮行人過(guò)街的最短綠燈時(shí)間為16秒，故第1相位和第4相位取16秒，總周期為148秒。優(yōu)化配時(shí)方案在初次仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用相位相序的調(diào)整來(lái)改進(jìn)交叉口的信號(hào)配時(shí)方案，多次建模仿真后，經(jīng)過(guò)分析篩選得到最佳仿真評(píng)價(jià)結(jié)果[9]。本文通過(guò)多次調(diào)整相位相序并運(yùn)行仿真，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀相位相序最佳，各信號(hào)燈組信號(hào)配時(shí)如表3所示。

表3 優(yōu)化交叉口固定信號(hào)配時(shí)

3 交叉口仿真及分析

3.1 交叉口仿真

VISSIM是一種微觀、時(shí)間驅(qū)動(dòng)、基于駕駛行為的仿真建模工具，根據(jù)Wiedemann發(fā)表的核心模型——“生理-心理跟馳模型”開發(fā)而來(lái)，是迄今為止計(jì)算機(jī)交通仿真技術(shù)中最為精確的模型之一[11-12]。本文基于VISSIM9.0仿真平臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)狀及優(yōu)化的焦作市塔南路與工業(yè)路交叉口的道路設(shè)計(jì)、高峰小時(shí)交通量、信號(hào)配時(shí)，建立微觀仿真模型，仿真的3D效果如圖3所示。

圖3 交叉口3D仿真效果圖

圖4 交叉口渠化平面圖

3.2 仿真結(jié)果分析

提高交叉口的通行效率是優(yōu)化信號(hào)配時(shí)的主要目標(biāo)，機(jī)動(dòng)車在交叉口產(chǎn)生的有害氣體是造成環(huán)境污染的重要原因。因此，本文從交叉口的通行效率和機(jī)動(dòng)車在交叉口的尾氣排放量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)比分析交叉口優(yōu)化前后的仿真結(jié)果。通行效率選取平均排隊(duì)長(zhǎng)度、車均延誤、平均停車延誤、停車次數(shù)4個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)；尾氣排放量選取CO、NOx、VOC、油耗4個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)參數(shù)。優(yōu)化前后交叉口交通效率及尾氣排放量結(jié)果見表4表5。

表4 優(yōu)化前后交叉口交通效率指標(biāo)

表5 優(yōu)化前后交叉口尾氣排放量參數(shù)

由交叉口優(yōu)化前后交通效率評(píng)價(jià)參數(shù)和尾氣排放量評(píng)價(jià)參數(shù)的結(jié)果可知，交叉口優(yōu)化前后的主要變化為：南北方向直行和右轉(zhuǎn)車流的交通效率有明顯的提高，車均尾氣排放量有顯著的下降；東西方向直行和右轉(zhuǎn)車流的交通效率有所降低，車均尾氣排放量增加。而交叉口交通量調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，南北方向直行和右轉(zhuǎn)的車流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于東西方向直行和右轉(zhuǎn)的車流量，因此優(yōu)化后交叉口整體的交通效率將會(huì)有明顯的提高，尾氣排放量將會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。優(yōu)化前后交叉口總體的交通效率及尾氣排放量具體對(duì)比分析結(jié)果如下表6所示。

表6 交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比

由上表7可知，優(yōu)化后的交叉口信號(hào)配時(shí)方案與現(xiàn)狀的配時(shí)方案相比總體車均延誤降低了15.26%、總體平均停車延誤降低了18.12%，總體車均排隊(duì)長(zhǎng)度減少了23.45%，交叉口總體的服務(wù)水平由E提升到D，交叉口總體的通行效率得到了顯著的提高；交叉口污染物(CO、NOx、VOC)總排放量及油耗總量均減小了6.79%。由此可知優(yōu)化后的交叉口通行效率得到顯著的提高，環(huán)境污染問(wèn)題得到明顯的改善。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在總結(jié)前人單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)配時(shí)研究的基礎(chǔ)上，基于實(shí)地調(diào)研獲得的現(xiàn)狀交通量數(shù)據(jù)、交叉口渠化方式，并結(jié)合交叉口實(shí)際情況，優(yōu)化焦作市塔南路與工業(yè)路交叉口的信號(hào)配時(shí)方案?；赩ISSIM9.0仿真平臺(tái)，建立交叉口仿真模型，并對(duì)交叉口優(yōu)化前后的信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行仿真。從通行效率和尾氣排放量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)交叉口信號(hào)配時(shí)方案優(yōu)化前后的仿真結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其中，通行效率選取車均排隊(duì)長(zhǎng)度、車均延誤、平均停車延誤、平均停車次數(shù)4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，尾氣排放量選取CO排放總量、NOx排放總量、VOC排放總量以及油耗總量4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的系統(tǒng)分析可以看出，優(yōu)化信號(hào)配時(shí)后的交叉口通行效率得到顯著的提高，尾氣排放造成的環(huán)境污染問(wèn)題得到明顯的改善。該研究成果可為今后交通管理部門或規(guī)劃部門提供參考。