基于VISSIM仿真的交叉口交通組織優(yōu)化設計

韓義磊 韓印 胡榮

摘? 要：信號交叉口作為城市道路網(wǎng)絡中的關鍵節(jié)點，其所能提供的服務水平往往決定著整個路網(wǎng)的流暢程度。文章以大慶市中央南大街—龍十路交叉口為實例，通過調(diào)查該交叉口的交通組織情況以及晚高峰時段的交通量和信號配時等數(shù)據(jù)，利用VISSIM仿真軟件對該交叉口進行建模仿真。根據(jù)運行仿真得到的結果對交叉口現(xiàn)狀存在的問題進行分析。然后從車道功能劃分和信號配時兩方面提出對該交叉口的交通組織優(yōu)化設計方案，再次進行建模仿真，并將仿真后的結果與現(xiàn)狀對比分析。結果表明：優(yōu)化后的方案在車輛平均延誤、平均排隊長度和最大排隊長度方面均大幅減少，交叉口的整體服務水平等級從E提升到C，交叉口的運行狀況得到了大幅度的改善，論證了交通組織優(yōu)化設計方案的可行性。

關鍵詞：交叉口延誤;交通調(diào)查;信號配時;交通仿真;排隊長度

中圖分類號：F570??? 文獻標識碼：A

Abstract： As a key node in the urban road network， signalized intersection's service level often determines the fluency of the entire road network. This paper takes the intersection of Zhongyang south street-Longshi road in Daqing city as an example， through investigating the traffic organization of the intersection and the data of traffic volume and signal timing in the evening rush hour， and uses VISSIM simulation software to model and simulate the intersection. According to the results of operation simulation， the existing problems of the current intersection are analyzed. Then from the lane function division and signal timing two aspects of the intersection traffic organization optimization design scheme， modeling and simulation again， and the simulation results are compared with the current situation. The results show that the optimized scheme greatly reduces the average delay of vehicles， the average queuing length and the maximum queuing length， the overall service level of the intersection is upgraded from E to C， and the operation condition of the intersection is greatly improved， which proves the feasibility of the traffic organization optimization design scheme.

Key words： delays at intersections;traffic survey;signal timing;traffic simulation;queue length

0? 引? 言

在城市道路網(wǎng)絡中，節(jié)點形態(tài)最常見的是采用信號器來控制的平面交叉口，其承擔了城市各種交通流的集散壓力，極大程度上影響著城市交通的運行狀態(tài)[1]。信號交叉口雖能提升通行安全，但卻大大降低了通行能力，使得車輛在交叉口的延誤增加。如何在保證安全的前提下，提高信號交叉口的通行效率，國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了大量的研究。

在交叉口信號控制方面：陳丹丹等針對四相位的交叉口設計了兩級模擬控制器，運用MATLAB對模擬控制器進行仿真，結果表明模糊智能控制對紅綠燈的實時控制優(yōu)于定時控制，起到了改善交叉口交通擁堵的作用[2]。在交叉口車道功能劃分方面：馬林分析了交叉口處動態(tài)車道運行所需的交通需求條件、道路渠化條件及交通信號條件，并對動態(tài)車道時空資源優(yōu)化目標及優(yōu)化策略進行研究，提出了基于非線性整數(shù)規(guī)劃的動態(tài)車道單點優(yōu)化模型。分析表明該方法可以有效降低交叉口車輛延誤[3]。而在信號控制與車道劃分的組合優(yōu)化方法上：C K WONG等從理論的角度建立了一系列混合整數(shù)規(guī)劃模型以尋求車道功能劃分和信號控制的最優(yōu)解[4];馬曉旦等以具體實例，利用VISSIM仿真軟件對優(yōu)化前后的交叉口進行仿真，論證了運用VISSIM仿真軟件對交叉口進行優(yōu)化設計，可以降低交叉口車輛的沖突，提高交叉口的通行能力[5]。

本文從應用型的角度以大慶市中央南大街—龍十路交叉口為實例，從車道功能劃分和信號配時兩方面對交叉口現(xiàn)狀進行組合優(yōu)化，并利用VISSIM對優(yōu)化前后的交叉口進行仿真對比評價。

1? 交叉口現(xiàn)狀調(diào)查

1.1? 現(xiàn)? 狀

大慶市中央南大街—龍十路交叉口位于大慶市市中心，是一個標準的平面十字交叉口。中央南大街為南北走向的城市主干道，龍十路和大港路為東西走向的城市主干道。該交叉口附近有較多小區(qū)和一個商業(yè)中心，人流密集，在每天的高峰時段，尤其是晚高峰，交通流量大，交通擁堵十分嚴重。通過調(diào)查，得到交叉口現(xiàn)狀的渠化圖如圖1所示。

1.2? 交通量數(shù)據(jù)采集

為了對該交叉口存在的問題進行分析并優(yōu)化，需要獲取交叉口的交通量。本次調(diào)查采用錄像法，調(diào)查時間為17：00～18：00。調(diào)查期間，在交叉口的每個進口道放置一個攝像機，攝像時間為1小時。待攝像結束后，對視頻中的交通量分車型、分方向進行統(tǒng)計，最后換算成當量交通量，統(tǒng)計結果如表1所示。

1.3? 信號周期

根據(jù)調(diào)查得到交叉口的現(xiàn)狀信號相位配時：該交叉口信號共有四個相位，分別是南北直行、南北左轉、東進口通行和西進口通行，周期為136s，黃燈時長3s，如圖2所示。

2? 交叉口現(xiàn)狀分析

2.1? 現(xiàn)狀VISSIM仿真

VISSIM是德國PTV公司開發(fā)設計的微觀仿真軟件，它可以綜合考慮各種影響路網(wǎng)運行的因素，例如車道類型、車輛種類、駕駛行為、信號控制等，通過周期運行，產(chǎn)生評價路網(wǎng)服務水平的結果[6]。本文利用VISSIM仿真軟件，根據(jù)調(diào)查得到的數(shù)據(jù)，對大慶市中央南大街—龍十路交叉口進行建模仿真，仿真效果圖如圖3所示。

2.2? 現(xiàn)狀分析

利用VISSIM軟件建立中央南大街—龍十路交叉口的仿真模型，輸入流量、路徑?jīng)Q策、信號配時等現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，設置節(jié)點后運行仿真600s并輸出交叉口各進口道的排隊長度、延誤等結果。為了保證仿真結果的可靠性，隨機種子取10、20、30……100，仿真10次取平均值，結果如圖4和圖5所示。

從仿真結果可以看出，交叉口東西進口道的直行和左轉車輛平均延誤較大，并且排隊長度較長，主要原因在于西進口一個左轉車道已經(jīng)無法滿足左轉車輛的通行，東進口直行車輛的排隊長度過長導致左轉車輛無法正常通行。而南北進口道右轉交通量較大，設置直行右轉混行車道嚴重加大了右轉車輛的延誤。參考美國HCM信號交叉口服務水平[7]，中央南大街—龍十路交叉口東西南北四個進口道的服務水平分別為E、E、D、D，總體服務水平為E。由此可見，現(xiàn)狀交叉口服務水平較差，常呈現(xiàn)擁堵和混亂狀態(tài)。

3? 交叉口交通組織優(yōu)化設計

3.1? 車道功能重新劃分

依據(jù)現(xiàn)狀仿真結果，首先對中央南大街—龍十路交叉口四個進口道的車道功能進行重新劃分。南北進口道右轉交通量較大，將直行右轉混行車道改為單獨右轉，并且不受紅燈控制;西進口除保留現(xiàn)狀的一個左轉車道外，再增加一個左轉車道;東進口由于左轉交通量過小而直行交通量較大，將專用左轉車道改為直行左轉混行車道。南北左轉車輛與直行車輛分離，故在南北方向設置左轉待行區(qū)。改進后的渠化方案如圖6所示。

3.2? 信號配時優(yōu)化

由于東進口左轉流量過少，采用了直行左轉共用一個車道的渠化方案。因此，在進行信號配時優(yōu)化時，交叉口的相位與現(xiàn)狀保持一致，依次為南北直行、南北左轉、東進口通行和西進口通行。然后依據(jù)調(diào)查得到的交叉口處交通量，利用韋伯斯特（Webster）信號配時計算方法[8]得到優(yōu)化后的信號配時方案，周期為102s，黃燈時長3s，如圖7所示。

4? 優(yōu)化方案仿真與評價

根據(jù)優(yōu)化后的交叉口渠化設計方案和信號配時，再次對中央南大街—龍十路交叉口進行建模仿真，仿真效果圖如圖8所示。

將流量等數(shù)據(jù)輸入到VISSIM軟件中的流量模塊和控制模塊，設置節(jié)點后運行仿真600s并輸出交叉口各進口道的排隊長度、延誤等結果。改變隨機種子仿真10次取平均值，結果如圖9和圖10所示。

從優(yōu)化后的仿真評價報告中可以看出，相較于現(xiàn)狀，東、西、南、北四個進口道的車輛平均延誤分別降低了57.29%、69.08%、41.98%、47.89%;平均排隊長度分別減少了40.50%、81.65%、54.90%、64.76%;最大排隊長度分別減少了45.96%、64.33%、10.99%、20.20%。東、西、南、北四個進口的服務水平等級均提升到C，整個交叉口的服務水平等級也由E提升到C。

5? 結? 論

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的提高，在一些三四線城市，人們的出行方式大量的向小汽車轉移，交通量也持續(xù)增長，然而這些城市的交通管理水平卻無法提升。城市道路渠化和交叉口信號控制方面不合理的設置，使得城市交通混亂、交通擁堵的問題越發(fā)明顯。目前，我國關于大城市信號交叉口交通組織優(yōu)化設計的研究已十分成熟，但是三四線城市的交通組織特征與大城市有所不同，因此關于信號交叉口的渠化設計及信號控制需要我們進一步的研究。

本文以大慶市中央南大街—龍十路交叉口為例，通過調(diào)查得到的數(shù)據(jù)，利用VISSIM仿真分析了現(xiàn)狀交叉口存在的問題。結合交叉口的實際情況，針對車道功能劃分和信號配時兩方面對交叉口交通組織進行優(yōu)化。最后從優(yōu)化前后的仿真結果中選取車輛平均延誤、平均排隊長度和最大排隊長度三個評價指標對交叉口進行對比分析。結果表明，優(yōu)化后的交叉口車輛平均延誤減少了55.77%，交叉口的服務水平也有明顯的提高。本文的研究成果可以為大慶市的信號交叉口交通組織優(yōu)化提供參考。

參考文獻：

[1] 周巧琪. 基于VISSIM仿真的非常規(guī)信號交叉口設計和控制方法研究[D]. 合肥：中國科學技術大學（碩士學位論文），2019.

[2] 陳丹丹，賈娟. 城市交叉口的智能控制策略[J]. 物流科技，2011，34（4）：109-112.

[3] 馬林. 基于動態(tài)車道的交叉口時空資源優(yōu)化方法[D]. 長春：吉林大學（碩士學位論文），2020.

[4]? C K Wong， B G Heydecker. Optimal allocation of turns to lanes at an isolated signal-controlled junction[J]. Transportation Research Part B， 2010，45（4）：667-681.

[5] 馬曉旦，劉杰. 基于VISSIM的控江路與敦化路交叉口優(yōu)化設計[J]. 物流科技，2019，42（7）：68-70.

[6]? Muchlisin Muchlisin. Modelling an Unconventional Intersection Single-point Urban interchange with PTV.VISSIM[C] // Proceedings of the Third International Conference on Sustainable Innovation 2019-Technology and Engineering （IcoSITE 2019）， 2019.

[7] 美國交通研究委員會. 道路通行能力手冊[S]. 任福田，劉小明，容建，等譯. 北京：人民交通出版社，2007.

[8] 吳兵，李曄. 交通管理與控制[M]. 4版. 北京：人民交通出版社，2009.