基于vissim軟件的行人過(guò)街交叉口協(xié)調(diào)控制方案比選與仿真

廖為東，左忠義

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

目前，在我國(guó)的多數(shù)城市，行人過(guò)街信號(hào)控制交叉口作為城市的節(jié)點(diǎn)，是城市交通事故突發(fā)的主要集中地.如何盡可能一直綠燈通行，從而提高交通效率，減少安全隱患，減少等待時(shí)間，一直是擺在城市交通研究者們眼前的難題.在大連，我們經(jīng)常看到:關(guān)鍵信號(hào)交叉口的信號(hào)周期達(dá)到了130 s以上，個(gè)別超過(guò)180 s，行人等待過(guò)街時(shí)間超過(guò)50 s甚至70 s.管理部門片面的追求長(zhǎng)周期和增加車道數(shù)，從而導(dǎo)致行人等待時(shí)間超過(guò)了其可忍受時(shí)間，行人違章過(guò)街進(jìn)一步增加［1］.如何提出并進(jìn)行協(xié)調(diào)控制方案的比選與仿真，是本文研究的重點(diǎn).最近幾年，國(guó)內(nèi)學(xué)者在干路交叉口協(xié)調(diào)控制方面做了比較深入的研究，比如，盧凱和徐閩建［2］等通過(guò)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相位優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了相位差模型;王俊剛［3］等以綠波帶寬度最大作為目標(biāo)函數(shù)，以時(shí)差作為決策變量，提出了干線協(xié)調(diào)模型;從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，大多數(shù)專家學(xué)者在協(xié)調(diào)控制理論方面，幾乎忽略了行人過(guò)街信號(hào)交叉口，都是優(yōu)先考慮干路交叉口［4］.

基于當(dāng)前研究的缺陷和當(dāng)前理論的空白，本文通過(guò)提出了三種行人過(guò)街信號(hào)與交叉口信號(hào)聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)的控制方案并進(jìn)行了模擬仿真.

1 路段平面行人過(guò)街路口特性分析

1.1 行人過(guò)街行為交通特性分析

行人過(guò)街速度是指行人通過(guò)人行橫道的速度，是行人過(guò)街的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)研究行人設(shè)施的設(shè)計(jì)，過(guò)街信號(hào)的控制，通行能力，服務(wù)水平等都起著重要的作用;跟行人過(guò)街的等待忍受時(shí)間也密切相關(guān).調(diào)查大連交通大學(xué)校門口不同年齡組別的行人平均過(guò)街速度如表1所示.

表1 交通大學(xué)正門口行人速度調(diào)查 m/s

盧守峰，王紅茹等［5］通過(guò)調(diào)查指出，行人過(guò)街最大等待忍受時(shí)間在40～50 s范圍內(nèi);基于此點(diǎn)，本文在這里選取50 s作為行人過(guò)街最大等待忍受時(shí)間.

1.2 機(jī)動(dòng)車流交通特性分析

機(jī)動(dòng)車交通特性分析，本文主要對(duì)相位差和延誤進(jìn)行分析，首先有必要對(duì)上下游交叉口的現(xiàn)狀進(jìn)行分析.經(jīng)過(guò)調(diào)查，大連交通大學(xué)正門行人過(guò)街距離上游黃河路/西南路交叉口的距離為253 m，距離下游黃河路/西山街交叉口的距離為350 m.黃河路為雙向6車道.交通大學(xué)正門行人過(guò)街為按鈕式感應(yīng)信號(hào)控制行人過(guò)街交叉口.

(1)相位差:是指相鄰兩信號(hào)的綠燈起點(diǎn)的時(shí)間之差.為了使得車輛通過(guò)協(xié)調(diào)信號(hào)控制系統(tǒng)時(shí)，能連續(xù)通過(guò)盡可能多的綠燈，必須是的相鄰信號(hào)間的相位差同其行程時(shí)間相適應(yīng)，所以相位差是信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù).要想取得相位差，首先要知道車速.

車速是綠波帶設(shè)計(jì)重要因素.在進(jìn)行綠波協(xié)調(diào)控制時(shí)候，假設(shè)車速選取不當(dāng)，方案控制效果會(huì)受到影響，甚至導(dǎo)致方案控制失敗.對(duì)單個(gè)車速來(lái)說(shuō)可能千差萬(wàn)別，但是對(duì)大量的整體數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，肯定是呈現(xiàn)規(guī)律性和整體性.通過(guò)路段高峰時(shí)段車流和行程速度進(jìn)行調(diào)查，由調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出的路段車速頻率分布見圖1，取設(shè)計(jì)車速為頻率最大速度的均值，出現(xiàn)頻率最高的速度組中值是32.25 km/h.

圖1 黃河路段車速頻率分布圖

(2)延誤

韋伯斯特提出了下列計(jì)算車輛平均延誤的公式:

式中:C為最佳周期長(zhǎng)度(s);λ為綠信比;q為交通流量.

2 行人過(guò)街信號(hào)與交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案比選

車輛經(jīng)常碰到紅燈，時(shí)停時(shí)開，造成行車不暢通，也增加了環(huán)境污染.進(jìn)行相位協(xié)調(diào)控制，即減少在各個(gè)交叉口的停車時(shí)間，為路段過(guò)街行人提供可穿越空檔，進(jìn)而保證行人安全，減少因?yàn)闆_突而導(dǎo)致的交通事故，減少行人和車流的等待時(shí)間，確保行人和車流順暢通行，減少延誤.其中選擇是否合適的協(xié)調(diào)控制方案會(huì)直接影響到協(xié)調(diào)控制的效果，下一步我們將會(huì)提出三種方案并且進(jìn)行比選.

2.1 綠波帶設(shè)計(jì)思想的交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制

為了使干道路上的車輛能夠暢通，人們把一條干道上一批相鄰的交通信號(hào)燈連接起來(lái)，加以協(xié)調(diào)控制，使車輛獲得不停頓的通行權(quán)，就是我們所說(shuō)的綠波控制.當(dāng)相鄰兩個(gè)信號(hào)燈的距離不是很長(zhǎng)時(shí)，易于為廣大駕駛員所采納，而且它操作簡(jiǎn)便，相對(duì)經(jīng)濟(jì)，所以是一種比較常見的道路交通控制方法.為使主干路道路交通通行能力最大，在制定干線道路信號(hào)配時(shí)方案時(shí)遵循原則之一是使帶寬最大.并且它設(shè)置主要交叉口原則，優(yōu)先考慮主要交叉口，在考慮次要交叉口.

這種做法的原始思路是:希望使車輛再通過(guò)第一個(gè)交叉口后，按照一定的速度行駛，到達(dá)下游交叉口希望不再遇到紅燈.但是在實(shí)際情況中，由于各個(gè)車輛在路段上行駛時(shí)速度不一，而且隨時(shí)有波動(dòng)，交叉口有左右轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)車進(jìn)出等因素干擾，所以要想一路綠燈在現(xiàn)實(shí)生活中是很難碰到的，但可以沿路少碰到幾次紅燈，從而減少車輛的停車次數(shù)和延誤.

2.2 交叉口獨(dú)立信號(hào)協(xié)調(diào)控制

(a)“Φ式人行橫道獨(dú)立信號(hào)”與上下游交叉口信號(hào)燈協(xié)調(diào)控制

由于機(jī)動(dòng)車流具有潮汐現(xiàn)象，所以早高峰和晚高峰，機(jī)動(dòng)車流量是不同的.基于這點(diǎn)，我們有必要對(duì)行人過(guò)街兩端的信號(hào)燈進(jìn)行不同配時(shí)的獨(dú)立控制，這樣可以確保分隔帶兩邊都是綠燈通行，使過(guò)街更加方便，減少了機(jī)動(dòng)車流的停車率和行人的延誤時(shí)間，也方便了廣大的行人，減少了違章過(guò)街.

當(dāng)采用Φ式獨(dú)立控制進(jìn)行二次過(guò)街時(shí)，分隔帶兩邊的信號(hào)配時(shí)不同，所以計(jì)算出的行人延誤也不一樣.Φ式獨(dú)立控制的行人總延誤相當(dāng)于將左右兩邊的時(shí)間延誤與在安全島上等待時(shí)間之和.

延誤計(jì)算公式為:

dp=d1+d2+d等待

式中:d1為左邊過(guò)街階段的行人延誤(s);d2為右邊過(guò)街階段的行人延誤(s);d等待為安全島上等待時(shí)間.

(b)“Z式人行橫道獨(dú)立信號(hào)”與上下游交叉口信號(hào)燈協(xié)調(diào)控制

對(duì)(a)方案，也有缺陷，因?yàn)槭瞧叫械模覂蛇叺男盘?hào)都是獨(dú)立的，所以當(dāng)左邊是紅燈，右邊是綠燈的時(shí)候，行人看到右邊的信號(hào)燈和右邊的行人開始過(guò)街，容易有習(xí)慣思維，容易下意識(shí)的啟動(dòng)過(guò)街，直接造成了違章，導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車流緊急剎車或者交通事故.基于這個(gè)原因，我們有必要把左邊和右邊的過(guò)街設(shè)置成有一定距離，形成錯(cuò)位式.使用Z式過(guò)街還有個(gè)好處就是可以減少等待忍受時(shí)間，因?yàn)樾腥嗽谥虚g錯(cuò)位安全島中步行需要一定的時(shí)間.一定程度上間接的減少了行人過(guò)街的總延誤.這種方案的效果圖如圖2所示.

圖2 Z式行人過(guò)街獨(dú)立信號(hào)效果圖

延誤計(jì)算:

dp=d1+d2+d等待-d移動(dòng)

式中:d1為左邊行人過(guò)街階段的行人延誤(s);d2為右邊行人過(guò)街階段的行人延誤(s);d等待為島上等待時(shí)間;d移動(dòng)為行人在安全島上步行的時(shí)間.

綜合上面三種方法，我們可以進(jìn)行大致判斷，當(dāng)行人都是中青年，而且步速較快，我們可以采用綠波帶的控制方法，當(dāng)車流量較大，或者行人都是兒童或者老年人的時(shí)候，我們應(yīng)該設(shè)置成Z式人行橫道獨(dú)立信號(hào)和Φ式人行橫道獨(dú)立信號(hào).二次過(guò)街旨在增強(qiáng)行人過(guò)街安全，而綠波帶的控制方法由于信號(hào)燈設(shè)置的比較少，可以減少總延誤，所以是目前比較常用的方法，具有潮汐現(xiàn)象時(shí)候可以更多的考慮Z式人行橫道獨(dú)立信號(hào).

3 模擬仿真

行人到達(dá)路口后，首先要判斷這是否是信號(hào)控制交叉路口，如果不是，則觀察路段交通流情況隨時(shí)準(zhǔn)備過(guò)街;如果是信號(hào)控制交叉口，則看是否是綠燈，如果是，則進(jìn)行過(guò)街行為，如果不是，則是否打算違法過(guò)街，如果是，則在判斷交通流情況后違章過(guò)街，如果不違章，則進(jìn)行等待，等待綠燈時(shí)間在通過(guò)路段交叉口.所以行人過(guò)街的心理和等待忍受時(shí)間具有很大關(guān)系.一般情況下，道路行人交通過(guò)街主要包括以下三個(gè)部分:到達(dá)路口，判斷路口紅燈還是綠燈，步行過(guò)街等，具體過(guò)程如圖3所示.

圖3 行人過(guò)街過(guò)程演示圖

利用VISSIM軟件進(jìn)行交通上下游方案控制模擬仿真，其過(guò)程包括建立路段路徑、設(shè)定仿真參數(shù)、進(jìn)行仿真模擬和導(dǎo)出仿真結(jié)果等步驟.建立仿真環(huán)境的過(guò)程，就是將能夠表征實(shí)際路網(wǎng)環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，繪制或輸入到計(jì)算機(jī)軟件當(dāng)中的過(guò)程，包括上下游交叉口路段的幾何布局、信號(hào)燈配時(shí)參數(shù)、各個(gè)路段流量等.最后進(jìn)行仿真結(jié)果導(dǎo)出.

圖4 模擬仿真結(jié)果對(duì)比圖

根據(jù)vissim仿真軟件的輸出文件，得出在不同情況下，上下游交叉口車輛平均延誤，停車率，行人平均延誤和行程時(shí)間方案對(duì)比如圖4所示.

由圖4可以看出，以黃河路大連交通大學(xué)正門口行人過(guò)街為例，當(dāng)設(shè)置人行過(guò)街信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)，上下游交叉口處的停車率和車輛平均延誤都比不協(xié)調(diào)控制的時(shí)候小;當(dāng)路段進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的時(shí)候，綠波帶協(xié)調(diào)控制方案，對(duì)交通大學(xué)正門口來(lái)說(shuō)是最好的.

4 結(jié)論

在城市道路網(wǎng)絡(luò)中，交叉口相距較近，如何方便的進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制一直是交通管理和研究學(xué)者關(guān)注的課題，有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.本文在對(duì)路段行人特性和機(jī)動(dòng)車流特性進(jìn)行充分調(diào)查分析后，提出了綠波帶，Φ式人行橫道獨(dú)立信號(hào)，Z式人行橫道獨(dú)立信號(hào)三種協(xié)調(diào)方案，并在此基礎(chǔ)上提出了各自的適應(yīng)范圍.以大連交通大學(xué)正門口行人過(guò)街協(xié)調(diào)控制為例，對(duì)以上三種協(xié)調(diào)控制方案運(yùn)用vissim軟件進(jìn)行了模擬仿真，仿真結(jié)果表明，綠波帶協(xié)調(diào)控制方案是最適合該路口，停車率和延誤是最低的.

［1］李娜.路段行人過(guò)街信號(hào)與交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制研究［D］.南京:東南大學(xué)，2004.

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［5］盧守峰，王紅茹，劉喜敏.基于生存分析法的行人過(guò)街最大等待時(shí)間研究［J］.交通信息與安全，2009(5):69-71.