信號(hào)交叉口智慧交通設(shè)計(jì)與優(yōu)化

曹洪斌

(吉林建筑科技學(xué)院，長(zhǎng)春 130114)

信號(hào)交叉口(Signal intersection)是兩條或兩條以上不同方向道路的交匯處[1]，車(chē)輛和行人在信號(hào)交叉口時(shí)空相匯、轉(zhuǎn)向或疏散，使其成為了限制城市路網(wǎng)道路通暢的節(jié)點(diǎn)。諸多因素造成了信號(hào)交叉口形式多樣、交通流向復(fù)雜、信號(hào)相位多、轉(zhuǎn)彎半徑不合理等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了信號(hào)交叉口的有序通行[2]，因此需要調(diào)整信號(hào)的控制方案并對(duì)其不斷優(yōu)化，以緩解信號(hào)交叉口處的交通問(wèn)題。

指出了信號(hào)交叉口存在的問(wèn)題，利用VISSIM(Vision Traffic Simulation，縮寫(xiě)為VISSIM)可視化軟件，對(duì)信號(hào)交叉口交通進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為找到解決信號(hào)交叉口交通擁堵的方法提供了理論參考。

1 信號(hào)交叉口的擁堵現(xiàn)狀

我國(guó)汽車(chē)保有量連年上升。以合肥為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2009年合肥的機(jī)動(dòng)車(chē)保有量是40萬(wàn)輛，到2013年，達(dá)到100萬(wàn)輛，而2016年已突破了150萬(wàn)輛[3]。城市擁堵率逐年上升，僅2016年7—11月城市擁堵里程比例就從8%上升到15%。北京平均上班交通時(shí)間為1.5 h，超過(guò)30%的上班交通時(shí)間為1 h以上，由這些數(shù)據(jù)可見(jiàn)城市交通壓力越來(lái)越大[4-5]，究其原因：一方面，當(dāng)前出行的車(chē)輛、人員總量高，特別是新手駕駛員技術(shù)不過(guò)硬、操作不熟練等因素會(huì)影響車(chē)輛的行駛速度；行人通過(guò)信號(hào)交叉口時(shí)會(huì)對(duì)車(chē)輛的行進(jìn)造成阻礙，影響車(chē)輛的行駛速度，造成交通堵塞；車(chē)型大、行車(chē)間距大也會(huì)對(duì)通行速度造成影響。另一方面，交通組織不暢，預(yù)判不足，造成實(shí)際交通流量遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)之初，特別是交通組織只針對(duì)局部，沒(méi)有宏觀掌控和全局設(shè)計(jì)，受技術(shù)限制，信號(hào)交叉口的組織優(yōu)化推進(jìn)緩慢。除此之外，出行高峰時(shí)段也會(huì)造成道路擁堵，特別是在遇到惡劣天氣時(shí)，車(chē)輛的行駛難度增加，整體的通行效率降低。急需更新交通管理技術(shù)水平，提高交通組織能力。

2 VISSIM可視化軟件在交通組織中的應(yīng)用

VISSIM(Vision Traffic Simulation)軟件是一種微觀仿真建模軟件[6]，是對(duì)交通設(shè)施，諸如路網(wǎng)情況、車(chē)輛屬性、信號(hào)控制、專(zhuān)用車(chē)道及公交站點(diǎn)等進(jìn)行精準(zhǔn)描述，實(shí)時(shí)反映當(dāng)前道路的交通現(xiàn)狀。從技術(shù)層面上看，VISSIM仿真軟件具有離散、隨機(jī)、時(shí)間步長(zhǎng)短等特點(diǎn)，可根據(jù)用戶調(diào)節(jié)參數(shù)，形成特定心理或生理?xiàng)l件下的車(chē)輛跟馳模型，再現(xiàn)信號(hào)交叉口交通現(xiàn)狀，模擬駕駛員的駕駛行為，因此VISSIM仿真軟件可實(shí)現(xiàn)多種條件下的城市交通、公共交通運(yùn)行狀況的全面分析，評(píng)價(jià)、優(yōu)化城市交通中路網(wǎng)信號(hào)的配時(shí)方案。VISSIM仿真軟件包括交通仿真器和信號(hào)狀態(tài)產(chǎn)生器兩部分，二者之間通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器數(shù)據(jù)和信號(hào)狀態(tài)信息的共享。與其他的仿真技術(shù)相比，如交通模擬軟件SATURN(Simulation and Assignment of Traffic to Urban Road Networks，簡(jiǎn)寫(xiě)為SATURN)[7]，VISSIM能夠做到交通運(yùn)行狀況的可視化呈現(xiàn)，也可以離線做成表格輸出各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。VISSIM 的Windows 操作界面菜單+對(duì)話框模式便于用戶使用，具有廣泛的應(yīng)用性。

國(guó)內(nèi)已有利用VISSIM軟件對(duì)信號(hào)交叉口交通進(jìn)行優(yōu)化的成功案例[7-10]，如Nguyen Hoang Son[7]利用VISSIM可視化軟件對(duì)越南河內(nèi)市典型信號(hào)交叉口進(jìn)行交通信號(hào)設(shè)計(jì)及交通組織優(yōu)化，主要調(diào)查道路條件、信號(hào)相位及配時(shí)方案，得出更為適合的優(yōu)化方案。劉紅業(yè)等[8]以益陽(yáng)市康富南路-海棠路交叉口為對(duì)象，通過(guò)實(shí)地調(diào)查交通流量、信號(hào)配時(shí)等數(shù)據(jù)，選取平均排隊(duì)長(zhǎng)度、平均延誤時(shí)長(zhǎng)等為指標(biāo)，運(yùn)用VISSIM仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案提高了通行效率，排隊(duì)長(zhǎng)度、車(chē)輛固定延誤等指標(biāo)大幅度降低。韓義磊等[9]通過(guò)調(diào)查交通組織情況、晚高峰時(shí)段的交通量、信號(hào)配時(shí)等數(shù)據(jù)，利用VISSIM可視化軟件對(duì)大慶市中央南大街——龍十路交叉口進(jìn)行信號(hào)交叉口的優(yōu)化，主要從車(chē)道功能劃分、信號(hào)配時(shí)兩方面進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明交通擁堵現(xiàn)象得到了極大緩解，交通通暢率大大提升。林賜云等[10]采用 Vissim 軟件對(duì)長(zhǎng)春市解放大路與人民大街交叉口晴天與雪天的交通信號(hào)控制進(jìn)行仿真模型研究，探討降雪量對(duì)交通量、速度、飽和流率、延誤等交通流參數(shù)的影響，結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案可以使交叉口的車(chē)均延誤減少7%～36%，其根據(jù)冰雪天氣調(diào)整的信號(hào)配時(shí)方案，能有效降低車(chē)輛在信號(hào)交叉口的延誤，提高信號(hào)交叉口的通行效率。

上述分析表明，VISSIM可視化軟件可應(yīng)用于信號(hào)交叉口的交通管理，但目前利用VISSIM軟件進(jìn)行不同地區(qū)信號(hào)交叉口交通信號(hào)調(diào)控的研究存在片面性，調(diào)查不夠全面，還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3 VISSIM對(duì)信號(hào)交叉口智慧交通的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

信號(hào)交叉口作為一個(gè)典型的混合交通點(diǎn)在我國(guó)交通中十分常見(jiàn)[7-8]，即在信號(hào)交叉口會(huì)出現(xiàn)機(jī)動(dòng)車(chē)與行人、機(jī)動(dòng)車(chē)與非機(jī)動(dòng)車(chē)、特種車(chē)輛與機(jī)動(dòng)車(chē)混合行駛的現(xiàn)象。各種交通流交錯(cuò)存在，造成信號(hào)交叉口的交通流更為復(fù)雜。以機(jī)動(dòng)車(chē)為例，不同類(lèi)型的機(jī)動(dòng)車(chē)擁有不同的幾何尺寸，行駛速度、安全需求、動(dòng)力特性等諸多方面差異較大，這給信號(hào)交叉口造成了巨大壓力。因此，大數(shù)據(jù)、仿真技術(shù)對(duì)信號(hào)交叉口的交通組織優(yōu)化作用逐漸顯現(xiàn)。

3.1 VISSIM對(duì)信號(hào)交叉口智慧交通的設(shè)計(jì)

以系統(tǒng)思維指導(dǎo)的VISSIM軟件，通過(guò)全局分析信號(hào)交叉口的交通情況，靈活調(diào)節(jié)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)，能夠系統(tǒng)、科學(xué)、合理地組織交通[8-9]。

數(shù)據(jù)采集與建模過(guò)程。主要采集信號(hào)交叉口的交通流動(dòng)情況，分段采集調(diào)查因其科學(xué)性應(yīng)用于智慧交通設(shè)計(jì)中，可將全天時(shí)段分成早高峰(7∶30～8∶30)、中峰(8∶30～9∶30)、晚高峰(17∶30～18∶30)和低谷(0∶00～1∶00)等4個(gè)時(shí)段，以保證數(shù)據(jù)采集的代表性。采集方式是利用信號(hào)交叉口的監(jiān)控系統(tǒng)，獲取包括道路幾何數(shù)據(jù)、機(jī)動(dòng)車(chē)交通流數(shù)據(jù)及信號(hào)配時(shí)數(shù)據(jù)等在內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)分析軟件建立三維立體可視化圖形，再將三維路網(wǎng)圖作為底圖導(dǎo)入VISSIM軟件，進(jìn)一步做實(shí)際運(yùn)行效果分析。

3.2 信號(hào)交叉口擁堵原因剖析

利用采集到的信號(hào)交叉口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析各時(shí)間段的交通特性，涉及交叉口車(chē)流量、車(chē)型比例、各進(jìn)口流量比例等指標(biāo)[11]。車(chē)輛的車(chē)型可以分為客車(chē)(大客車(chē)、中小客車(chē)兩種)、貨車(chē)(中型貨車(chē)、小型貨車(chē)兩種)和小汽車(chē)等?？梢垣@得按照車(chē)型的流量數(shù)據(jù)表、進(jìn)道口流量比例數(shù)據(jù)、各路段排隊(duì)長(zhǎng)度、等待中的停車(chē)次數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)，利用VISSIM仿真平面圖分析出當(dāng)前信號(hào)交叉口擁堵的主要原因，如信號(hào)燈控制不合理、路標(biāo)設(shè)置不合理、車(chē)輛行駛過(guò)程中的沖突問(wèn)題等。利用VISSIM可視化圖形分析時(shí)，還需要進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，調(diào)研不少于6次，盡量涵蓋可能造成擁堵的所有原因，為后續(xù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

3.3 VISSIM對(duì)信號(hào)交叉口智慧交通的優(yōu)化

信號(hào)交叉口智慧交通的優(yōu)化主要包括確定車(chē)道數(shù)、設(shè)置專(zhuān)用左轉(zhuǎn)車(chē)道、設(shè)置交通渠化島、設(shè)置交通信號(hào)設(shè)施等。其中，車(chē)道數(shù)的確定依賴于高峰時(shí)段的交通量與不同轉(zhuǎn)向的交通量；左轉(zhuǎn)交通可適當(dāng)壓縮對(duì)向車(chē)道或新增左轉(zhuǎn)車(chē)道以減少?zèng)_突點(diǎn)，同時(shí)輔以設(shè)置禁止左轉(zhuǎn)交通來(lái)降低交通壓力；通過(guò)在信號(hào)交叉口設(shè)計(jì)渠化島來(lái)減少行駛中的沖突問(wèn)題，包括建立安全島、道路交通標(biāo)志和標(biāo)線的完善等。實(shí)踐中的仿真模擬次數(shù)要盡量多次(6次以上)，以確保數(shù)據(jù)的科學(xué)性。另外，利用大數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)信號(hào)交叉口信號(hào)燈的設(shè)置是緩解交通壓力的重要措施之一。針對(duì)不同時(shí)段的信號(hào)配時(shí)策略既滿足交通組織需求，又能減少資源投入，更具有實(shí)際應(yīng)用潛力。

4 結(jié)語(yǔ)

利用VISSIM軟件設(shè)計(jì)的信號(hào)交叉口智慧交通組織模式具有良好的應(yīng)用潛力，在模擬交通的可視化圖形+實(shí)地調(diào)研修正的雙重模式下數(shù)據(jù)更為真實(shí)準(zhǔn)確，更利于交通的順暢通行。