基于VISSIM 交通仿真的交叉口信號配時優(yōu)化研究

陳攻CHEN Gong；劉旭彪LIU Xu-biao；趙振峰ZHAO Zhen-feng；唐遠(yuǎn)TANG Yuan；夏云斌XIA Yun-bin

（①云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650500；②昆明市政工程設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，昆明 650500）

0 引言

隨著近年來人民生活水平的不斷提高，交通出行需求快速增長，不斷提升的機(jī)動車保有量對有限的城市道路提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。交叉口是城市道路的重要組成部分也是城市交通的聚散點[1]。交叉口的通行能力很大程度上影響著整個城市道路網(wǎng)絡(luò)的通行效率，是城市交通運(yùn)行順暢的關(guān)鍵所在。通過交叉口改擴(kuò)建、增加車道等措施，能夠直接提高交叉口通行能力，但考慮建設(shè)成本、土地限制、工期等問題，對于已建成的城市交叉口施工影響較大。因此，在現(xiàn)有道路條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合交叉口渠化設(shè)計，通過優(yōu)化交通信號配時來合理分配交叉口通行路權(quán)，減少由于信號燈導(dǎo)致的車輛延誤，是緩解城市交通擁堵、提高交叉口服務(wù)水平的有效途徑。

VISSIM 交通仿真是由德國PTV 公司開發(fā)的基于時間與駕駛行為的微觀仿真軟件[2]。VISSIM 交通仿真軟件可以通過輸入交通數(shù)據(jù)，模擬城市交通運(yùn)行狀況，現(xiàn)已在交通工程設(shè)計、交通規(guī)劃、交通控制與管理方面得到了廣泛應(yīng)用。目前在利用仿真技術(shù)對交叉口進(jìn)行提升改善的研究中，卞廣萌[3]等人以天津市紅橋區(qū)紅橋北大街與光榮道五岔口為例，新增車輛待行區(qū)，優(yōu)化調(diào)整信號配時，并利用VISSIM 仿真評估進(jìn)行對比分析，改善后的車輛延誤和排隊長度明顯降低，有效解決老城區(qū)特殊五岔路口問題。馬健[4]等人以蘇州市吳江區(qū)運(yùn)東大道與東太湖大道交叉口為例，提出四種方案對T 型交叉口進(jìn)行優(yōu)化改善，通過VISSIM 仿真對四種方案的延誤和排隊長度進(jìn)行對比，選取其中最優(yōu)方案。屈文秋[5]等人以成都市建設(shè)北路一段與紅星路交叉口為例，通過調(diào)整信號配時，降低了車輛延誤并利用VISSIM 仿真進(jìn)行了驗證。李汝楠[6]等人以黃驊市迎賓大街與新海路交叉口為研究對象，優(yōu)化交叉口渠化設(shè)計方案和信號配時，并對改進(jìn)方案進(jìn)行了VISSIM 仿真，結(jié)果顯示優(yōu)化后的交叉口服務(wù)水平顯著提高。

本文以昆明市日新中路-前衛(wèi)西路交叉口為例，結(jié)合交通流量調(diào)查數(shù)據(jù)，通過實用信號周期法與Webster 算法分別提出兩種信號優(yōu)化方案，運(yùn)用VISSIM 交通仿真軟件，對優(yōu)化前后的交叉口交通運(yùn)行狀況進(jìn)行對比分析，從延誤、排隊長度等多方面論證改善方案實施的效果。

1 交叉口現(xiàn)狀分析

1.1 交叉口概況

日新中路-前衛(wèi)西路交叉口位于昆明市西山區(qū)核心區(qū)域，周邊分布有居民小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、商場、農(nóng)貿(mào)市場等大型交通集散點，公交線路密集，交通構(gòu)成復(fù)雜。日新路為昆明市東西向城市主干道，是昆明市連接?xùn)|西片區(qū)的重要通道，過境交通比例較高。前衛(wèi)西路為南北向城市次干道，連接周邊多個居民小區(qū)、學(xué)校、農(nóng)貿(mào)市場等大型交通吸引點，交通需求大。特別是在工作日早晚高峰期間，通勤交通占比高，交叉口交通流量明顯增大，道路通行能力下降，車輛延誤增加，交通擁堵現(xiàn)象頻發(fā)。

日新中路設(shè)置有中央分隔帶，車道總數(shù)為雙向八車道，道路兩側(cè)對稱，在交叉口東西向進(jìn)口道處均設(shè)置有展寬車道，車道渠化為2 專左+4 直行+1 專右。

前衛(wèi)西路設(shè)置有中央分隔帶，車道總數(shù)為雙向六車道，道路兩側(cè)對稱，在交叉口南北向進(jìn)口道處均設(shè)置有展寬車道，北進(jìn)口車道渠化為2 專左+2 直行+1 專右，南進(jìn)口車道渠化為1 專左+2 直行+1 直行右轉(zhuǎn)。

1.2 交叉口流量調(diào)查

圖1 日新中路-前衛(wèi)西路交叉口渠化圖

交叉口流量調(diào)查采用人工實地調(diào)查的方法，調(diào)查時間選取車流量增大明顯的工作日晚高峰17:30-18:30，對日新中路-前衛(wèi)西路交叉口各進(jìn)口道流量進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》GB50688-2011 車型換算系數(shù)對調(diào)查的交通量進(jìn)行折算，折算后的各進(jìn)口道小汽車標(biāo)準(zhǔn)車型當(dāng)量交通量（pcu/h）如圖2 所示。

圖2 日新中路-前衛(wèi)西路交叉口流量流向圖

1.3 交叉口信號周期

日新中路與前衛(wèi)西路兩條道路呈45 度交叉，采用四相位交通信號控制，四個方向進(jìn)口道均設(shè)有左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，高峰時段固定信號周期時長為170s。所有相位設(shè)置有3s 黃燈和2s 全紅時間。現(xiàn)狀信號配時如圖3 所示。

圖3 日新中路-前衛(wèi)西路交叉口信號周期圖

2 現(xiàn)狀VISSIM 仿真

根據(jù)日新中路-前衛(wèi)西路交叉口道路線形及渠化設(shè)計，簡歷VISSIM 交通仿真交叉口模型。結(jié)合現(xiàn)狀交通流量與信號周期調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)不同方向進(jìn)口道分別輸入交通流量、路徑?jīng)Q策、交通信號等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，車輛速度取兩條道路的設(shè)計時速50km/h。運(yùn)用VISSIM 節(jié)點評估功能，在輸出的各項數(shù)據(jù)中選取交叉口排隊長度和車輛平均延誤等數(shù)據(jù)作為該交叉口的評價指標(biāo)。為排除軟件仿真評估結(jié)果中出現(xiàn)的隨機(jī)誤差，選取不同的隨機(jī)種子進(jìn)行十次仿真分析并取平均值。仿真模型與評估結(jié)果如圖4、表1 所示。

圖4 現(xiàn)狀日新中路-前衛(wèi)西路交叉口仿真效果圖

表1 現(xiàn)狀日新中路-前衛(wèi)西路交叉口仿真評估結(jié)果匯總表

由仿真結(jié)果可以看出，現(xiàn)狀日新中路與前衛(wèi)西路交叉口總體延誤和排隊長度較高。其中日新中路東進(jìn)口排隊長度左轉(zhuǎn)和直行排隊長度較長，主要原因在于信號周期設(shè)置過長，對于交通流量較大的進(jìn)口道需等待較長的紅燈時間，車輛停車延誤高；由于綠燈時間設(shè)置時間不合理，前衛(wèi)西路南北左轉(zhuǎn)相位綠信比較低，造成南進(jìn)口左轉(zhuǎn)延誤較高。參考美國HCM 信號交叉口服務(wù)水平[7]，東西南北四個進(jìn)口服務(wù)水平分別為F、E、E、D，交叉口總體服務(wù)水平為E，車輛平均延誤水平較高。

3 交叉口信號配時優(yōu)化

目前，應(yīng)用較為廣泛的單點交叉口信號周期有三種，分別為最短信號周期、實用信號周期以及Webster 信號周期[8]。理想狀態(tài)下，設(shè)置最短信號周期可以保證在一個周期內(nèi)所有進(jìn)口道的到達(dá)車流全部通過交叉口，無車輛滯留。但當(dāng)高峰時段交叉口出現(xiàn)交通流量激增時，容易造成車輛等待多個周期，導(dǎo)致交叉口通行能力下降。因此，本文分別采用實用信號周期法和Webster 算法對交叉口進(jìn)行信號配時優(yōu)化。

3.1 信號配時優(yōu)化流程

①采用直行當(dāng)量計算各進(jìn)口道流率比。

表2 進(jìn)口道流率比匯總表

日新中路-前衛(wèi)西路交叉口各進(jìn)口道均設(shè)置有左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，左轉(zhuǎn)流量轉(zhuǎn)換為直行當(dāng)量需乘以系數(shù)1.05。結(jié)合

②確定各相位黃燈時間（A）和全紅時間（r），計算信號總損失時間。

式中：t——反應(yīng)時間，取1s；

v85——85%車速；

a——汽車減速度；

g——坡度；

式中：w——遠(yuǎn)端對向沖突點與進(jìn)口道停車線的距離；

v15——15%車速；

L——車輛長度，取5m。

計算黃燈時間和全紅時間時，進(jìn)口道車速取設(shè)計車速限制值50km/h，結(jié)合交叉口調(diào)查數(shù)據(jù)計算并取整得各相位黃燈時間A 取3s，全紅時間r 取2s，即相位之間綠燈間隔時間為I=黃燈時間+全紅時間=5s。

取車輛啟動損失時間l=2s，計算信號總損失時間：

③確定信號周期時長。

方案一：實用信號周期

實用信號周期法是在最短信號周期公式的基礎(chǔ)上，考慮高峰小時系數(shù)和交叉口設(shè)計飽和度。按照交叉口實用信號周期的計算公式，日新中路與前衛(wèi)西路交叉口信號周期為：

式中：Cp——實用信號周期，s；

L——信號總損失時間；

PHF——高峰小時流量系數(shù)，取0.95；

v/c——交叉口設(shè)計飽和度，取0.95。

方案二：Webster 信號周期

韋伯斯特（Webster）信號周期法是以交叉口延誤為控制目標(biāo)，所得最佳信號周期即為交叉口延誤值最小時的信號周期。根據(jù)Webster 信號周期計算公式，本文交叉口信號周期為：

式中：CO——Webster 信號周期，s；其余參數(shù)同上。

④相位綠時分配。

按照等飽和度原則對兩種方案下的信號周期進(jìn)行綠燈時間分配，保持原信號相位順序不變，優(yōu)化后的相位圖如圖5~圖6 所示。

圖5 實用信號周期優(yōu)化方案

圖6 Webster 信號周期優(yōu)化方案

3.2 優(yōu)化方案仿真評估

分別對實用信號周期和Webster 信號周期的信號配時進(jìn)行VISSIM 仿真評估，并與優(yōu)化前的排隊長度、延誤等指標(biāo)進(jìn)行對比分析。日新中路與前衛(wèi)西路交叉口信號配時優(yōu)化前后對比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 交叉口信號配時優(yōu)化前后對比柱狀圖

通過仿真評估結(jié)果前后對比分析，可以得出兩種信號配時優(yōu)化方案對交叉口排隊長度、延誤等關(guān)鍵指標(biāo)均有不同程度的改善，交叉口通行效率得到提升，交通擁堵有效緩解。對于實用信號周期優(yōu)化方案，平均排隊長度下降了20.0%，平均最大排隊長度下降了18.1%，平均延誤下降了22.2%；對于Webster 信號周期優(yōu)化方案，平均排隊長度下降了11.8%，平均最大排隊長度下降了12.3%，平均延誤下降了15.2%。

4 結(jié)語

本文以昆明市日新中路與前衛(wèi)西路交叉口為研究對象，針對高峰時段交叉口擁堵問題進(jìn)行了改善。以實用信號周期法和Webster 算法優(yōu)化信號配時后，交叉口信號周期明顯縮短，且相位配時更加科學(xué)合理。通過VISSIM 交通仿真提供的評估數(shù)據(jù)，對比兩種方案下交通信號配時優(yōu)化前后的交叉口排隊長度和車輛延誤，可以驗證兩種配時優(yōu)化均有效降低了交叉口延誤水平。其中實用信號周期改善效果更佳，交叉口服務(wù)水平由優(yōu)化前的E 提升到D，改善效果明顯。