基于VISSIM仿真的信號交叉口優(yōu)化研究

摘 "要：隨著中國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程日益加快，產(chǎn)生了一系列的城市交通問題，也使得城市交通體系的壓力逐年加大，交通擁堵成為大中小城市的難題。交叉口作為影響城市道路交通問題的重要節(jié)點，是城市交通中問題最多的部分。文章以上海市博山東路與棗莊路交叉口為例，在經(jīng)過實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，對交叉口的交通狀況進(jìn)行分析，對車道功能劃分和信號配時進(jìn)行優(yōu)化，使用VISSIM仿真軟件對其進(jìn)行交通仿真，找出存在的交通問題，提出優(yōu)化設(shè)計方案并仿真對比驗證，從而達(dá)到提高交叉口通行效率，保障城市交通安全的目的。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的交叉口車輛平均延誤減少了69.71%，交叉口的服務(wù)水平得到明顯的提高。

"關(guān)鍵詞：交叉口；交通仿真；優(yōu)化；VISSIM

"中圖分類號：U491 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.09.025

Abstract： With the continuous development of China's national economy and the increasingly accelerated urbanization process， a series of urban traffic problems have been generated， which also makes the pressure of urban traffic system increase year by year， and traffic congestion has become a difficult problem for large and medium-sized cities. As an important node affecting urban road traffic problems， intersections are the most problematic parts in urban traffic. Taking the intersection of East Boshan road and Zaozhuang road in Shanghai as an example， this paper analyzes the traffic conditions of the intersection， optimizes the lane function division and signal timing based on the analysis of field investigation problems， uses VISSIM simulation software to conduct traffic simulation， identifies the existing traffic problems， puts forward the optimized design scheme， and simulates and verifies. So as to achieve the purpose of improving intersection efficiency and ensuring urban traffic safety. The results show that the average vehicle delay of the optimized intersection is reduced by 69.71%， and the service level of the intersection is also significantly improved.

Key words： intersection; traffic simulation; optimization; VISSIM

"目前，我國城市化進(jìn)程不斷加快，城市交通問題仍舊是永恒的主題和難題之一。交叉口作為城市交通路網(wǎng)的重要組成部分，對交通的流暢運行起著關(guān)鍵性作用。交通擁堵往往發(fā)生在交叉口中，交叉口是否能良好地疏散交通流，起到良好的交通管理作用，很大程度上決定著區(qū)域交通的擁堵情況。通過交叉口優(yōu)化設(shè)計改善交通擁堵，從而達(dá)到提升交叉口通行能力和運行效率的目的。針對交叉口出現(xiàn)的問題，目前已有很多位國內(nèi)外專家做出相關(guān)研究。

"在信號配時和路網(wǎng)改造方面，國內(nèi)外已有利用VISSIM軟件對信號交叉口交通進(jìn)行優(yōu)化的成功案例，如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[1]；陳丹丹等相對于路網(wǎng)改造，利用交叉口的信號配時優(yōu)化，有效節(jié)省成本，提高通行效率，更好地發(fā)揮交通信號的作用[2]；馬曉旦等利用VISSIM仿真軟件對優(yōu)化前后的交叉口進(jìn)行仿真，論證了運用VISSIM仿真軟件對交叉口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以降低交叉口車輛的沖突，提高交叉口的通行能力[3]；徐琛輝等在對機(jī)動車、非機(jī)動車及行人流的自身特點分析的基礎(chǔ)上，提出了混合交叉口交通信號配時優(yōu)化方法[4]。如Nguyen Hoang Son利用VISSIM仿真軟件對越南河內(nèi)市典型信號交叉口進(jìn)行交通信號設(shè)計及交通組織優(yōu)化，主要調(diào)查道路條件、信號相位及配時方案，得出更為適合的優(yōu)化方案[5]。

本文通過對上海市博山東路與棗莊路交叉口實地調(diào)研，統(tǒng)計交通流量和信號配時，對其進(jìn)行VISSIM微觀仿真，找出現(xiàn)狀交叉口存在的交通問題，提出優(yōu)化車道功能劃分和信號配時的方案，選取排隊長度和延誤數(shù)據(jù)為指標(biāo)，再次進(jìn)行仿真驗證，并將優(yōu)化后的結(jié)果與現(xiàn)狀進(jìn)行對比[6-7]。

1 "交通調(diào)查

1.1 "交叉口現(xiàn)狀調(diào)查

"本文選擇上海市博山東路與棗莊路交叉口作為交通組織優(yōu)化設(shè)計的研究對象。該交叉口位于上海市浦東新區(qū)，周圍有金楊科普公園、新金橋金楊養(yǎng)老院、金囡幼兒園等重要建筑場所，人流量密集、車流大、路口車輛的交通沖突現(xiàn)象嚴(yán)重，早晚高峰期間異常擁堵。交叉口采用平面信控交叉口形式布設(shè)，四個方向各配備兩組圓形信號燈。博山東路與棗莊路交叉口如圖1所示。按照現(xiàn)狀調(diào)查情況，對交叉口進(jìn)行渠化設(shè)計，鋪設(shè)停車線、人行橫道線、導(dǎo)線箭頭等，現(xiàn)狀渠化效果如圖2所示。

1.2 "交叉口信號配時調(diào)查

調(diào)查交叉口該高峰時段信號配時方案。該交叉口采取傳統(tǒng)兩相位信號配時方案設(shè)計，對向放行。該時段總信號周期為130s，具體信號方案如圖3所示。

1.3 "交叉口流量調(diào)查

本次調(diào)查采用人工調(diào)查法和攝影法，選取早高峰時段（7：30—8：30）對交叉口進(jìn)行初步調(diào)查，該交叉口各方向的流量如表1所示。

2 "交叉口現(xiàn)狀建模仿真

2.1 "VISSIM現(xiàn)狀仿真

VISSIM是德國PTV公司開發(fā)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、信號控制等，通過周期運行，產(chǎn)生評價路網(wǎng)服務(wù)水平及運行效率的結(jié)果[2]。

"根據(jù)調(diào)查到的博山東路與棗莊路交叉口早高峰交通量及信號配時，利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行整個交叉口路口的微觀仿真，博山東路與棗莊路交叉口現(xiàn)狀仿真圖如圖4所示。

2.2 "現(xiàn)狀問題分析

通過VISSIM仿真軟件對博山東路=棗莊路交叉口交通情況進(jìn)行仿真分析。首先，將調(diào)查得到的交叉口交通流量和信號配時等數(shù)據(jù)輸入軟件，然后設(shè)置交通控制模塊和交通流量模塊。設(shè)置仿真時間，每隔600s輸出一次結(jié)果，采用節(jié)點檢測的方法，得出交叉口各進(jìn)口道的排隊長度和車輛延誤。仿真現(xiàn)狀數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

"通過RoadGee在線仿真軟件對現(xiàn)狀方案進(jìn)行仿真分析。對現(xiàn)狀方案進(jìn)行建模，輸入渠化方案、流量方案、信號方案，軟件自動評價交叉口服務(wù)水平，如圖5和圖6所示。

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)前路口較為擁堵，需一定的改善。四個方向均設(shè)置直右車道，以西進(jìn)口為例。西口直行流量為950pcu/h，右轉(zhuǎn)流量為545pcu/h?，F(xiàn)狀西進(jìn)口僅有一條直行車道和一條直右車道。在現(xiàn)狀綠燈時間下車道供給無法滿足車輛放行需求，尤其是直右車道車輛排隊過長。

"參考美國HCM信號交叉口服務(wù)水平[8]，博山東路與棗莊路交叉口呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)，以排隊長度為指標(biāo)，交叉口屬于四級服務(wù)水平，現(xiàn)狀交叉口服務(wù)水平較差，常發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶?，因此要對路口進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

3 "交叉口交通組織優(yōu)化設(shè)計

3.1 "車道渠化優(yōu)化設(shè)計

據(jù)測算，棗莊路南北兩側(cè)均有機(jī)非隔離花壇，非機(jī)動車道大于3m，車道寬度為3.75m，可改造空間可觀，壓縮交叉口車道寬度及占用部分非機(jī)動車道寬度，拓寬各進(jìn)口車道，每個進(jìn)口道增加一條右轉(zhuǎn)專用道，避免右轉(zhuǎn)車輛影響直行車輛的通行，使得交叉口的車輛能夠快速的通過交叉口。重新對交叉口渠化進(jìn)行設(shè)計。

3.2 "信號配時優(yōu)化方案

"在信號配時優(yōu)化方面，席睿璞利用VISSIM微觀仿真軟件，通過韋伯斯特配時法和不飽和度法對現(xiàn)狀交叉口配時方案進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合行程時間、排隊長度及延誤等指標(biāo)展開評價[9]。

"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，根據(jù)Webster方法，最終配時方案分為4個相位階段，優(yōu)化后的信號配時方案如圖7所示。

3.3 "優(yōu)化方案仿真

根據(jù)優(yōu)化后的道路渠化以及信號配時，本文對博山東路與棗莊路交叉口再次進(jìn)行VISSIM仿真，并與優(yōu)化前排隊長度、延誤數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。優(yōu)化后仿真效果圖如圖8所示。

根據(jù)VISSIM優(yōu)化仿真模擬，得出優(yōu)化后排隊長度和延誤的數(shù)據(jù)，如表4所示。

現(xiàn)狀方案與優(yōu)化方案對比可知，從交叉口整體情況分析，交叉口服務(wù)水平從F級降至D級，優(yōu)化效果明顯；從各個進(jìn)口道分析，北進(jìn)口直行車流仍然為F級別，說明從單個交叉口優(yōu)化控制角度優(yōu)化接近飽和，建議通過調(diào)節(jié)博山東路沿線交叉口方案，從宏觀角度優(yōu)化博山東路由北向南車流。

總體來看，經(jīng)過優(yōu)化，多數(shù)進(jìn)口道及其轉(zhuǎn)向車道延誤都得到了很大的改善，優(yōu)化后的交叉口車輛平均延誤減少了69.71%，服務(wù)水平大多數(shù)都升到C。交叉口總體服務(wù)水平由F升到D，延誤經(jīng)優(yōu)化后得到了有效的改善。由此可得，博山東路與棗莊路交叉口交通組織優(yōu)化后道路服務(wù)水平有所改善，交通通行效率得到了顯著的提高。

4 "結(jié) "論

由于城市化進(jìn)程的不斷加快，城市交叉口服務(wù)水平不增反減，交叉口交通擁堵的問題越發(fā)明顯。本文以上海市博山東路與棗莊路交叉口為研究對象，通過實地調(diào)查，對交叉口的交通狀況進(jìn)行分析，對車道功能劃分以及根據(jù)Webster配時法對交叉口信號配時進(jìn)行優(yōu)化，使用仿真軟件VISSIM對其進(jìn)行交通仿真，提出優(yōu)化設(shè)計方案，并與現(xiàn)狀交通仿真對比。最后從優(yōu)化前后的仿真結(jié)果中選取排隊長度和延誤兩個評價指標(biāo)，對交叉口進(jìn)行優(yōu)化前后的對比分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的交叉口車輛平均延誤減少了69.71%，交叉口的服務(wù)水平也有明顯的改善。本文的研究成果證實了交叉口的優(yōu)化設(shè)計是可行的，利用車道功能劃分和Webster配時法對交叉口信號配時進(jìn)行優(yōu)化能夠緩解交叉口的交通擁堵，有助于提高車輛通行效率和道路交通服務(wù)水平，并為上海市信號交叉口交通組織優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] "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.

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

[4] 徐琛輝，馬明輝，王棟. 城市道路混合交通流道路交叉口信號配時優(yōu)化方法[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（4）：106-109.

[5] NGUYEN HOANG SON. 基于VISSIM的越南河內(nèi)市典型信號交叉口交通信號設(shè)計及交通組織優(yōu)化研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2018.

[6] 陳厚廷，李昊，張麥宣，等. 基于VISSIM仿真的混行交叉口優(yōu)化研究[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2023，38（2）：79-83.

[7] 傅白白，仇錦. 基于VISSIM仿真的信號交叉口優(yōu)化研究[J]. 山東科學(xué)，2013，26（3）：70-74.

[8] 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.

[9] 席睿璞. 基于VISSIM仿真的交叉口信號優(yōu)化方案與評價[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（1）：41-43.

[10] "FU XIANCHENG， GAO HENGQIANG， CAI HONGJUAN， et al. How to improve urban intelligent traffic？ A case study using traffic signal timing optimization model based on swarm intelligence algorithm[J]. Sensors （Basel， Switzerland）， 2021，21（8）：6316-6317.

收稿日期：2023-09-30

作者簡介：高萌悅（1999—），女，山東棗莊人，上海理工大學(xué)管理學(xué)院碩士研究生，研究方向：交通規(guī)劃；馬曉旦（1966—），男，上海人，上海理工大學(xué)管理學(xué)院，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：交通規(guī)劃、交通管理與控制。

引文格式：高萌悅，馬曉旦. 基于VISSIM仿真的信號交叉口優(yōu)化研究[J]. 物流科技，2024，47（9）：98-101.