基于VISSIM仿真的交叉口信號配時優(yōu)化分析

魏子凱　梁夢凱

摘要：隨著我國城市化發(fā)展和車輛保有量的增加，城市交通負(fù)荷也隨之急劇增長，現(xiàn)有交通信號配時方案與交通需求不能很好地匹配。為了緩解交通延誤、提高道路通行效率，文章以石河子市北五路—東二路交叉口為例，利用交通仿真軟件VISSIM對該交叉口建立微觀道路交通流模型并進(jìn)行仿真優(yōu)化分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后交叉口排隊長度、車輛延誤等指標(biāo)明顯降低，能夠有效緩解交通擁堵、提高安全性。

關(guān)鍵詞：VISSIM;交叉口;信號配時;Webster算法

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，私家車保有量在過去的十年間增長了四倍多，交通需求與道路設(shè)施之間不斷產(chǎn)生尖銳矛盾[1]，而交叉口是城市道路網(wǎng)中的重要節(jié)點[2]，某些交叉口路段通行能力不足，由此導(dǎo)致了交通擁堵問題日益嚴(yán)重。因此，對交叉口的交通狀況進(jìn)行分析，對信號燈配時進(jìn)行優(yōu)化，可以在一定程度上提高道路通行能力[3-4]，減少延誤，保證行車暢通。

VISSIM為德國 PTV 公司開發(fā)的一種基于時間間隔和駕駛行為的微觀交通流仿真軟件系統(tǒng)，被廣泛地應(yīng)用于城市交通狀況仿真[5]。本文以石河子市北五路—東二路交叉口為例，利用 Vissim 交通微觀仿真模型對該交叉口進(jìn)行仿真，利用Webster算法優(yōu)化信號配時，通過排隊長度、車輛延誤等指標(biāo)評估改善效果。

1 交叉口基本狀況

石河子市北五路第五中學(xué)路段是一條雙向四車道的城市道路，方向為東西向，從東至西連接了北五路—東二路交叉口、石河子大學(xué)北苑新區(qū)、石河子市第五中學(xué)、石河子大學(xué)北校區(qū)以及數(shù)個住宅小區(qū)，交通需求較大，交通作業(yè)繁忙，尤其是在上下班、上下學(xué)高峰時帶來的行人流、車流對道路通行能力會產(chǎn)生很大的影響。

該交叉口為城市主干道北五路與東二路相交形成的十字型交叉口。交叉口西進(jìn)口為一條寬12 m的雙向四車道道路，道路兩旁沒有停車位，道路中央為黃色雙實線，未設(shè)立中央分隔欄。道路兩側(cè)基本對稱，各有一條寬3.5 m的非機(jī)動車道、一條寬2 m人行道，設(shè)有寬2 m機(jī)動車道、非機(jī)動車道隔離帶。其他三個方向道路情況與東進(jìn)口基本一致，均為雙向四車道，每個方向進(jìn)口均為一條直行或左轉(zhuǎn)車道，一條直行或右轉(zhuǎn)車道，車輛右轉(zhuǎn)不受限。

同方向的兩條車道可以變道，但各個方向進(jìn)口道車輛在接近交叉口停止線后禁止變道。車輛通過交叉口進(jìn)口道時，左右兩個車道分別可以直行或左轉(zhuǎn)、直行或右轉(zhuǎn)。

選擇13：00-14：00午高峰時間段對北五路—東二路交叉口交通流量進(jìn)行調(diào)查，由于路段上的交通流量的多少受影響因素很多，存在偶然性，因此對多次觀測的結(jié)果取平均值，結(jié)果如表1所示。同時統(tǒng)計出高峰期交通流的各種車型占比，各個進(jìn)口的車流中，小汽車約占85%，貨車等大型車輛約占10%，公交車約占5%。

根據(jù)現(xiàn)場觀察，該交叉口采用兩相位控制，信號周期為70 s，具體信號配時數(shù)據(jù)見表2，信號相位如圖1所示。

北五路—東二路交叉口四個方向的限速均為60 km/h，但是由于該路段的學(xué)校、斑馬線數(shù)量較多，實際車速比60 km/h低。

2 VISSIM模型建立與仿真

根據(jù)路段交通現(xiàn)狀調(diào)查所獲得的數(shù)據(jù)，使用CAD軟件繪制底圖，導(dǎo)入VISSIM微觀交通仿真軟件。由于最終的評價指標(biāo)為車流的排隊長度、車輛延誤等信息，因此選擇忽略非機(jī)動車道和非交叉口的人行橫道的設(shè)置，將交叉口行人及非機(jī)動車簡化為在人行橫道兩端的面域中產(chǎn)生和結(jié)束。

根據(jù)交通現(xiàn)狀調(diào)查的結(jié)果，設(shè)置每個進(jìn)口不同路徑的車流量和車輛類型等參數(shù)，設(shè)置相對應(yīng)的檢測器。出于模型的簡化考慮，假設(shè)所有車輛、行人均遵守交通規(guī)則。在完成VISSIM模型后，仿真過程如圖2所示。

通過仿真模擬，得到東進(jìn)口、西進(jìn)口、南進(jìn)口及北進(jìn)口上各流向車輛的平均排隊長度、最大排隊長度、車輛延誤、靜態(tài)停車延誤和停車次數(shù)，仿真結(jié)果如表3所示。

由于各進(jìn)口車流量的差異，在現(xiàn)有配時方案下，必然會出現(xiàn)車流大的方向排隊長度較長，如西進(jìn)口與北進(jìn)口的排隊長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東進(jìn)口和南進(jìn)口。觀察表1的調(diào)查數(shù)據(jù)可知，南進(jìn)口的車輛路徑選擇左轉(zhuǎn)車輛數(shù)量較多，占比達(dá)到37.7%，由于車輛左轉(zhuǎn)時行駛軌道的半徑較右轉(zhuǎn)更大，行駛距離較右轉(zhuǎn)較長，并且同其他方向行駛車輛的沖突點更多，所以造成南進(jìn)口車輛延誤、靜態(tài)停車延誤數(shù)值較大。北進(jìn)口方向選擇左轉(zhuǎn)的車輛占比為21.3%，僅低于南進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛占比。

3 信號配時優(yōu)化

本文選擇采用最為普遍的Webster方法對北五路—東二路交叉口信號配時進(jìn)行優(yōu)化，此模型是以車輛延誤時間最少為目標(biāo)計算信號配時的一種方法，核心為車輛延誤和最佳周期的計算，是目前交通信號控制中常用的計算方法[5-8]。

首先確定每個進(jìn)口方向不同車道設(shè)計交通量，這里采用實測高峰小時交通量來計算，計算公式為式（1）：

通過行人過街所需要的時間作為最短綠燈時間，檢驗上述計算的顯示綠燈時間是否滿足設(shè)計要求，Webster方法計算出的顯示綠燈時間必須大于最短綠燈時間。

應(yīng)用上述Webster方法優(yōu)化的到新信號方案的周期為55 s，東西向綠燈24 s，黃燈3 s，紅燈28 s。南北向綠燈21 s，黃燈3 s，紅燈31 s。

根據(jù)優(yōu)化后的道路渠化以及信號配時，對該交叉口再次進(jìn)行 VISSIM 仿真，并與優(yōu)化前的各數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。優(yōu)化前后排隊長度、車輛延誤對比如圖3、圖4所示。

通過優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)北五路—東二路交叉口交通狀況有很大幅度的改善，東、西、南、北四個進(jìn)口排隊長度分別下降了28%、21%、17%、32%，各進(jìn)口車輛延誤分別下降了22.8%、16.6%、15.7%、25.7%，優(yōu)化效果十分顯著。這說明優(yōu)化后的方案能夠提高交叉口的通行效率，改善交叉口的擁堵情況。

4 結(jié)語

本文以石河子市北五路—東二路交叉口為研究對象，運用VISSIM軟件建立微觀交通模型并進(jìn)行仿真，采用Webster方法優(yōu)化信號配時方案，對比優(yōu)化前后評價指標(biāo)，結(jié)果表明，車輛延誤與排隊長度均有明顯減少，論證了優(yōu)化方案的可行性，能夠有效緩解交通擁堵，提高行人過街安全性。

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