基于SUMO的單點(diǎn)交叉口通行能力影響因素探究

張軍,張建祥,卞云豪 ,劉克非

(1.安徽理工大學(xué) 人工智能學(xué)院,安徽 淮南,232001;2.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南,232001)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市路網(wǎng)中的交通流量越來(lái)越大,交通擁堵問題也日益嚴(yán)重,如何減少車輛通過路口的等待時(shí)間和提高通行能力已備受人們的關(guān)注。道路通行能力的影響因素有許多:從車輛自身角度分析,車輛在路口起步過程中的加速度和行駛的速度都會(huì)對(duì)道路暢通造成影響;在信號(hào)配時(shí)方面,綠信比的大小決定了車輛通過交叉口的有效綠燈時(shí)間;在路網(wǎng)本身方面,道路的拓寬長(zhǎng)度大小同樣對(duì)路口的極限承載能力及通行能力有影響。然而,多數(shù)城市路網(wǎng)中又以單點(diǎn)交叉口居多,因此,對(duì)單點(diǎn)交叉口通行能力的影響因素進(jìn)行探究具有較重要的意義。

目前,國(guó)內(nèi)已有眾多學(xué)者對(duì)如何提高道路通行能力進(jìn)行了研究。杭佳宇[1]運(yùn)用VISSIM仿真軟件對(duì)車道縮減路段進(jìn)行微觀仿真,研究道路參數(shù)和車輛行駛速度等因素對(duì)道路縮減路段通行能力的影響。結(jié)果表明,當(dāng)車輛行駛速度較低時(shí),車道縮減前、后路段的長(zhǎng)度變化對(duì)通行能力、車均延誤影響不大;隨著車輛行駛速度的提高,影響逐漸明顯。孫超等[2]提出了一種多相位模糊控制方案,根據(jù)交警指揮交通時(shí)的思路,用當(dāng)前相和后繼相的車輛等待長(zhǎng)度決定信號(hào)配時(shí),盡可能地提高整個(gè)交叉口的通行能力、降低車流的平均延誤。李玉等[3]分析在一定的路網(wǎng)范圍內(nèi)車輛總數(shù)對(duì)道路車流量及其流速的變化關(guān)系,以及是否在總的車道數(shù)不變時(shí)采用多車道結(jié)構(gòu)會(huì)有利于改善交通狀況,研究表明,道路拓寬并不會(huì)有助于改變交通擁堵現(xiàn)象,反而減少車道,提高路網(wǎng)密度可有效改善交通擁堵狀況。程方[4]通過給定各路口的一些幾何參數(shù)和交通流,選用VISSIM軟件進(jìn)行交通系統(tǒng)的建模和仿真,得出了一個(gè)能夠減少路口的交通延誤、提高道路通行能力的最佳配時(shí)方案。

與國(guó)內(nèi)研究相比,國(guó)外學(xué)者注重對(duì)交叉口信號(hào)配時(shí)的優(yōu)化與控制,計(jì)算得出最佳配時(shí)方案,提高交叉口通行能力。MANEL等[5]提出了一種城市路網(wǎng)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法,通過動(dòng)態(tài)調(diào)整城市路網(wǎng)中交叉口在一天中每個(gè)小時(shí)的信號(hào)配時(shí)方案的綠信比,以響應(yīng)進(jìn)入交叉口的不同流量,從而最大限度地減少交叉口相關(guān)的延誤,提高交叉口通行能力。REN等[6]提出了一種新的交叉口信號(hào)控制模型,通過設(shè)置可變車道方向箭頭標(biāo)志,將左轉(zhuǎn)車道變?yōu)榭煽氐淖筠D(zhuǎn)和直行共享車道,并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證新模型對(duì)提高高峰時(shí)期交叉口通行能力的有效性。

城市交通仿真(simulation of urban mobility,SUMO)是一種開源交通仿真軟件,能夠直觀地研究一輛車或車流的變化特性,可以更好地對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真,比如車輛行駛的間距、加減速過程以及車輛之間的相互作用等,因此,它廣泛地被研究交通仿真的學(xué)者所使用。以典型交叉口為例,基于SUMO軟件構(gòu)建仿真模型,采用控制變量法探究交叉口的通行能力分別與車輛行駛速度、加速度、綠信比及拓寬車道長(zhǎng)度等因素的影響關(guān)系,為實(shí)際生活中交叉口的改進(jìn)提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 道路交叉口模型搭建

1.1 交叉口布局

選用的典型交叉口道路結(jié)構(gòu)見圖1,各方向均為雙向六車道,包括左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)車道各一條,每條道路長(zhǎng)度均為1 000 m,道路寬度為3 m[7]。

圖1 典型交叉口道路結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical intersection road structure

1.2 飽和流量選取

HCM模型[8]中的飽和流量是假定引道在全綠燈條件即綠信比為1的情況下所能通過的最大流量,根據(jù)大量調(diào)查數(shù)據(jù)分析與處理,確定理想的飽和流量為1 900 pcu/h,模型如下:

S=S0fwfHVfgfpfbbfafrtfltN

(1)

式中:S為車道組的飽和流量;S0為每車道理想條件下的飽和流量,一般取1 900 pcu/h;fw為車道寬度修正系數(shù);fHV為重型車輛修正系數(shù);fg為引導(dǎo)坡度修正系數(shù);fp為鄰近車道組停車情況及該車道停車次數(shù)修正系數(shù);fbb為公共汽車停在交叉口范圍內(nèi)阻塞影響作用修正系數(shù);fa為地區(qū)類型修正系數(shù);frt為車道組中右轉(zhuǎn)車修正系數(shù);flt為車道組中左轉(zhuǎn)車修正系數(shù);N為車道數(shù)。

考慮實(shí)際道路交通狀況對(duì)理論飽和流量進(jìn)行修正,得到實(shí)際飽和流量為1 800 pcu/h。通過SUMO仿真軟件編寫車流文件,并且給定每個(gè)進(jìn)口道不同的轉(zhuǎn)彎比例,見表1。

表1 轉(zhuǎn)彎比例

1.3 車流量的監(jiān)測(cè)

感應(yīng)線圈傳感器(E1)是用來(lái)獲得特定地點(diǎn)、某一時(shí)段的車流量等信息輸出。通過SUMO仿真軟件中的Netedit分別在4個(gè)方向進(jìn)口道放置E1傳感器,用來(lái)監(jiān)測(cè)給定時(shí)間內(nèi)所通過傳感器的車輛數(shù),配置傳感器后的交叉口環(huán)境見圖2。

圖2 配置傳感器后的交叉口Fig.2 Intersection with sensors

1.4 信號(hào)燈配置

路網(wǎng)環(huán)境中的信號(hào)配時(shí)參數(shù)見表2。在路網(wǎng)編輯器中進(jìn)行信號(hào)燈的配置,典型交叉口設(shè)置了傳統(tǒng)四相位的信號(hào)燈,其狀態(tài)由G、r、y、g 4個(gè)參數(shù)來(lái)表示,在SUMO中,G表示優(yōu)先級(jí)較高的綠燈,r表示紅燈,y表示黃燈,g表示優(yōu)先級(jí)較低的綠燈,四相位的持續(xù)時(shí)間分別為30、18、30和18 s,綠燈間隔時(shí)間為3 s,總周期為108 s,符合實(shí)際道路的通行狀態(tài)。

表2 信號(hào)配時(shí)參數(shù)

2 通行能力影響因素探究

通行能力是指在現(xiàn)有道路條件和交通管制下,單位時(shí)間內(nèi)一條道路或道路某一截面所能通過的最大車輛數(shù),而本文要研究的是在一定時(shí)間內(nèi)各方向道路通過單點(diǎn)交叉口的通行能力。因此,車輛在道路上行駛的速度、在交叉口停車后的起步加速度、交叉口交通信號(hào)燈的綠信比以及道路拓寬車道的長(zhǎng)短都會(huì)對(duì)整體通行能力有影響。下文將利用已搭建的道路交叉口模型來(lái)分別設(shè)計(jì)試驗(yàn),采用控制變量法具體探究它們分別與通行能力的影響關(guān)系,其中,給定車輛的基本初始參數(shù)均采用SUMO仿真軟件中的默認(rèn)值,見表3。

表3 車輛基本初始參數(shù)

2.1 通行能力與速度的關(guān)系探究

車輛在道路上的行駛速度往往影響著交叉口甚至整個(gè)交通路網(wǎng)的通行效率。隨著車輛在道路上行駛速度的提高,相對(duì)而言,在短時(shí)間內(nèi)有更多的車輛到達(dá)路口等待或者直接通過路口。一方面如果車輛到達(dá)路口時(shí)信號(hào)燈為紅燈,會(huì)有更多的車輛提前在停車線前排隊(duì),一旦綠燈亮起,則這些排隊(duì)車輛將迅速通過路口,提高交叉口通行能力,而不是在綠燈時(shí)間內(nèi)陸陸續(xù)續(xù)的有車輛通過,造成有效綠燈時(shí)間的浪費(fèi);另一方面,如果車輛到達(dá)路口時(shí)信號(hào)燈為綠燈,則車輛無(wú)需減速停車可直接以較高的速度通過交叉口,同樣也能提高交叉口的通行能力。

本次試驗(yàn)將單獨(dú)設(shè)置車輛的行駛速度分別為30、40、50、60、70和80 km/h,并且其他車輛參數(shù)采用默認(rèn)值時(shí),觀察通過傳感器監(jiān)測(cè)到的車輛數(shù)量變化趨勢(shì),得出數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 速度與通行能力的關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram between speed and traffic capacity

由圖3可知,隨著車輛行駛速度的增加,受到傳感器監(jiān)測(cè)的車輛數(shù)量也隨之增加,車輛行駛速度由30 km/h提高到80 km/h時(shí),交叉口通行能力由4 107 pcu/h增加到4 406 pcu/h,提高了7.2%。

2.2 通行能力與加速度的關(guān)系探究

當(dāng)交叉口信號(hào)燈顯示為紅燈轉(zhuǎn)為綠燈的一瞬間時(shí),車輛起步加速度的大小決定車輛由起步到通過路口速度的快慢,理論上加速度越大,車輛瞬間提速的能力越強(qiáng),通過路口的時(shí)間則越短,在有限的綠燈時(shí)間內(nèi)可通過更多的排隊(duì)車輛,從而增加交叉口的通行效率。通常情況下,中小型汽車的百公里加速為8～15 s,即加速度為1.8～3.4 m/s2,本次試驗(yàn)將單獨(dú)設(shè)置車輛起步加速度分別為1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、3.2和3.4 m/s2,并且其他車輛參數(shù)采用默認(rèn)值時(shí),得到不同加速度下傳感器監(jiān)測(cè)到的車輛數(shù)量變化趨勢(shì),具體數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 加速度與通行能力的關(guān)系圖Fig.4 Relationship diagram between acceleration and traffic capacity

由圖4可知,不同車輛特性的加速度大小對(duì)道路通行能力有影響,并且加速度越大,通行能力也越大,車輛起步加速度由1.8 m/s2提高到3.4 m/s2時(shí),交叉口通行能力由4 237 pcu/h增加到4 384 pcu/h,提高了3.5%。

2.3 通行能力與綠信比的關(guān)系探究

綠信比是信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)過程中最為關(guān)鍵的時(shí)間參數(shù),它表示在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)某個(gè)信號(hào)相位的有效綠燈時(shí)間與信號(hào)周期的比值,它在緩解交通擁堵、降低車輛在信號(hào)交叉口的等待時(shí)間與停車次數(shù)等方面起著較為重要的作用。

有效綠燈時(shí)間是指在一個(gè)信號(hào)周期中,該信號(hào)相位能夠利用的通行時(shí)間轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的綠燈信號(hào)時(shí)長(zhǎng)。因此,在一定通行時(shí)間內(nèi)能夠通過的最大車輛數(shù)等于有效綠燈時(shí)間與最大放行車流率的乘積,某一信號(hào)相位的綠信比增加則有利于該信號(hào)相位車輛的通行,但是對(duì)于其他信號(hào)相位車輛的通行卻是消極的,這是因?yàn)樗行盘?hào)相位的綠信比之和必須小于等于1。

本次試驗(yàn)將針對(duì)該路口的第一相位,即南北方向車道同時(shí)直行,設(shè)定不同的綠信比,分別為0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45,并且減小其他相位的綠信比,使得總周期保持為108 s,其他車輛參數(shù)采用默認(rèn)值時(shí),通過傳感器監(jiān)測(cè)得到此相位下的通行能力,從而得出綠信比的大小與交叉口通行能力的關(guān)系,見圖5。

圖5 綠信比與通行能力的關(guān)系圖Fig.5 Relationship diagram between green signal ratio and traffic capacity

由圖5可知,綠信比大小的變化對(duì)通行能力有著不同程度的影響,在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)隨著相位的綠信比由0.20提高到0.45時(shí),該相位下交叉口通行能力由928 pcu/h增加到1 522 pcu/h,提高了64%。

2.4 通行能力與拓寬車道長(zhǎng)度的關(guān)系探究

為了使平面交叉口進(jìn)出口道通行能力盡可能地同路段通行能力相匹配,需要增加進(jìn)出口車道數(shù),使路口處比路段處多出一到兩條車道,即拓寬車道[9]。拓寬車道的長(zhǎng)短決定了車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度,對(duì)于同樣一組車流排列為三車道與排列為四車道的長(zhǎng)度顯然是不同的。因此,應(yīng)盡可能使車輛在拓寬車道的區(qū)域范圍內(nèi)等待綠燈,這樣綠燈啟亮?xí)r多車道車流同時(shí)并行,在有限的綠燈時(shí)間內(nèi)增加通過路口的車輛數(shù)目,從而提高交叉口的通行能力;同時(shí)拓寬車道的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度也不宜過短,否則容易導(dǎo)致排隊(duì)車輛溢出,車輛需在短時(shí)間內(nèi)作出換道行為,無(wú)法保證車輛行駛過程中的安全性。

本次試驗(yàn)采用的道路模型將在上文已搭建的道路環(huán)境中加以修改。如圖6所示,在四個(gè)方向的進(jìn)口道路上設(shè)置車輛變道區(qū),將車道數(shù)由三車道拓寬變?yōu)樗能嚨?拓寬車道的長(zhǎng)度為交叉口進(jìn)口道停車線處至變道區(qū)的距離,分別設(shè)置各方向拓寬車道的長(zhǎng)度為50、100、150、200、250、300、350和400 m,并且其他車輛參數(shù)采用默認(rèn)值時(shí),通過傳感器測(cè)得不同拓寬車道長(zhǎng)度下的道路通行能力,如圖7所示。

圖6 拓寬車道示意圖Fig.6 Schematic diagram of widening lane

圖7 拓寬車道長(zhǎng)度與通行能力的關(guān)系圖Fig.7 Relationship diagram between widening lane length and traffic capacity

由圖7可知,交叉口的通行能力隨拓寬車道長(zhǎng)度的延長(zhǎng)而逐漸增加,拓寬車道長(zhǎng)度由50 m提高到400 m時(shí),交叉口通行能力由5 673 pcu/h增加到5 938 pcu/h,提高了4.7%。由此可猜想,當(dāng)拓寬車道的長(zhǎng)度繼續(xù)延長(zhǎng)并接近于整條道路長(zhǎng)度時(shí),等同于將整條道路擴(kuò)充了一條或幾條車道,此時(shí)道路整體的通行能力將達(dá)到最大。

為了驗(yàn)證這一猜想,再次設(shè)置對(duì)比試驗(yàn),將路網(wǎng)中的單向車道數(shù)分別修改為三、四、五和六車道,檢測(cè)通過傳感器監(jiān)測(cè)的車輛數(shù),其中:單向三車道為1個(gè)右轉(zhuǎn)車道、1個(gè)直行車道和1個(gè)左轉(zhuǎn)車道;單向四車道為1個(gè)右轉(zhuǎn)車道、2個(gè)直行車道和1個(gè)左轉(zhuǎn)車道;單向五車道為1個(gè)右轉(zhuǎn)車道、2個(gè)直行車道和2個(gè)左轉(zhuǎn)車道;單向六車道為1個(gè)右轉(zhuǎn)車道、3個(gè)直行車道和2個(gè)左轉(zhuǎn)車道。

與上文試驗(yàn)不同,本次試驗(yàn)應(yīng)在高度擁堵路網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行,這樣才能對(duì)比出車道數(shù)目變化的意義所在。因此,首先,在仿真之前重新將各方向每條車道的交通流設(shè)置為1 000 pcu/h,以達(dá)到擁堵狀態(tài);然后,根據(jù)每次試驗(yàn)中車道數(shù)目的不同給定交通流量,見表4;最后,設(shè)置車輛默認(rèn)的行駛速度和起步加速度,得到不同車道數(shù)目與通行能力之間的關(guān)系,見圖8。

圖8 車道數(shù)目與通行能力的關(guān)系圖Fig.8 Relationship diagram between the number of lanes and traffic capacity

表4 車道數(shù)目試驗(yàn)所用交通流量

由圖8可知,隨著車道數(shù)目的增加,整個(gè)交叉口的通行能力有所提高,車道數(shù)目由三車道提高到六車道時(shí),交叉口通行能力由8 172 pcu/h增加到11 034 pcu/h,提高了35%。因此,在道路改造設(shè)施中,當(dāng)?shù)缆酚布l件允許時(shí),直接增加車道數(shù)無(wú)疑是改善交通擁堵應(yīng)優(yōu)先考慮的辦法。

3 結(jié)論

本文基于SUMO道路交通微觀仿真工具,搭建了典型城市交叉口的模型,分別設(shè)置多組仿真,探究了交叉口的通行能力分別與車輛速度、加速度、綠信比和拓寬車道長(zhǎng)度等因素的影響關(guān)系。通過分析仿真結(jié)果,發(fā)現(xiàn)提高車輛的行駛速度、加速度,增加綠信比和拓寬車道的長(zhǎng)度均能提高道路交叉口的通行能力,為實(shí)際生活中交叉口的改進(jìn)提供了理論依據(jù),具有較重要的現(xiàn)實(shí)意義。