城市道路交叉口交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化研究

郭宏玉，高媛，姚樹(shù)森

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

城市道路交叉口交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化研究

郭宏玉，高媛，姚樹(shù)森

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

∶文章針對(duì)西安市小寨十字交叉口的交通問(wèn)題。結(jié)合實(shí)際情況，以Webster法對(duì)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定了優(yōu)化配時(shí)方案，并對(duì)改善前后的方案利用Vissim軟件進(jìn)行了仿真演示。通過(guò)對(duì)平均排隊(duì)長(zhǎng)度和延誤兩評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比可知重新計(jì)算并優(yōu)化后的方案能大大減小車輛延誤，從而能有效改善交叉口擁堵?tīng)顩r。

∶交通量；Webster法；優(yōu)化配時(shí)；延誤；

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.002

CLC NO.: U491.5+1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-03-04

引言

隨著城市化和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，城市交通問(wèn)題日益嚴(yán)重，交通擁堵有很多原因造成，作為承載多方向分流任務(wù)的道路交叉口，其車輛通過(guò)能力的最優(yōu)化利用顯得十分重要。而交叉口是否最大化的發(fā)揮通行作用最終決定于該交叉口交通信號(hào)配時(shí)的好壞。本文通過(guò)對(duì)小寨十字交叉口進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)查、整理和處理，通過(guò)典型的Webster法對(duì)現(xiàn)有的信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用仿真軟件對(duì)比優(yōu)化前后的車輛平均排隊(duì)長(zhǎng)度和延誤，確定合適的方案，目的是減少擁堵。

1、交叉口現(xiàn)狀分析

西安市小寨十字是一個(gè)重要的大規(guī)模交叉口，東西方向上其有著十分重要的作用，它東接大雁塔，且東邊有陜西省歷史博物館，人流量較大，西邊為朱雀大街等繁華路段，東西為雙向六車道，通行能力較強(qiáng)。而實(shí)際上南北方向是車流高峰時(shí)期擁堵的主要因素，特別是北邊，其接南二環(huán)上的重要樞紐長(zhǎng)安路立交，且途中又長(zhǎng)安大學(xué)家屬區(qū)及附中、西安音樂(lè)學(xué)院等學(xué)校，人流車流量極大，南邊有西安郵電大學(xué)等重要機(jī)構(gòu)，車流量也不小，雖然進(jìn)行了擴(kuò)寬道路等措施，但由于車流量極大，加上交叉口配時(shí)不合理，使得小寨十字交叉口車輛延誤和排隊(duì)長(zhǎng)度比較大，擁堵問(wèn)題嚴(yán)重。

通過(guò)實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該交叉口主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）南北方向車流量大，南北直行相位結(jié)束時(shí)，直行車輛沒(méi)有完全通過(guò)，與下一相位的車流形成沖突，致使擁堵較為嚴(yán)重，車輛排隊(duì)長(zhǎng)度和車輛延誤較大；（2）北入口道路標(biāo)線施畫(huà)得不是很清楚，機(jī)動(dòng)車行駛較為混亂，部分行人過(guò)街不看紅綠燈，存在事故隱患；（3）南北左轉(zhuǎn)車流量大，但實(shí)際信號(hào)燈允許的行駛時(shí)間較短，三相位實(shí)際綠燈時(shí)間設(shè)置不合理，使得東西相位綠燈時(shí)間有所浪費(fèi)，周期綠燈時(shí)間利用效率降低。

本文采用經(jīng)典的Webster法對(duì)該交叉口重新計(jì)算，進(jìn)行配時(shí)，并對(duì)改善后的配時(shí)方案運(yùn)用Vissim 軟件進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)交叉口平均延誤和平均排隊(duì)長(zhǎng)度指標(biāo)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1　小寨十字各進(jìn)口道車道數(shù)及渠化情況調(diào)查

據(jù)實(shí)地調(diào)查，交叉口周期為148s，全紅時(shí)間0s,兩相位信號(hào)配時(shí)，黃燈3s，右轉(zhuǎn)相位不做限制，其相序、相位及配時(shí)方案如表2所示。

表2　當(dāng)前交叉口信號(hào)燈相位相序分布表

（備注：周期148s，全紅時(shí)間0s，黃燈時(shí)間3s，右轉(zhuǎn)不限）

2、設(shè)計(jì)交叉口信號(hào)配時(shí)方案

2.1交通量調(diào)查

統(tǒng)計(jì)時(shí)把各種車型折算為標(biāo)準(zhǔn)小汽車，折算系數(shù)如下表3：

表3　各種車型換算成標(biāo)準(zhǔn)小汽車折算系數(shù)

以10分鐘為間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)連續(xù)五天（工作日）對(duì)晚高峰期間（18:00——19:00）的機(jī)動(dòng)車交通量進(jìn)行調(diào)查，最終取值為五天的平均值如下表4。

表4　晚高峰（18:00—19∶00）小寨十字各進(jìn)口道交通流量統(tǒng)計(jì)

2.2Webster配時(shí)的基本方法

經(jīng)過(guò)調(diào)查和計(jì)算，交叉口的單車道通行能力為1800 pcu/h，根據(jù)表3的交通流量比較，交叉口沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)，所以利用韋伯斯特法來(lái)計(jì)算參數(shù)：

（1）定時(shí)信號(hào)的最佳周期時(shí)長(zhǎng)為C0：

其中，L——周期總損失時(shí)間；

Y——各相位的最大流量比之和。

（2）周期總損失時(shí)間為L(zhǎng)：

其中，j——第j相位

lj——個(gè)相位內(nèi)的起動(dòng)損失時(shí)間，一般取3s；

AR——全紅時(shí)間

（3）最大流量比之和Y；

其中，yj1,yj2,yj3,yj4——指第j相位內(nèi)不同方向的流量比；

Qj1,Q,j2,Qj3,Qj4——第j相位內(nèi)不同方向的流量；

Sj1,Sj2,Sj3,Sj4——對(duì)應(yīng)相位的設(shè)計(jì)飽和流量；

當(dāng)Y≥0.9時(shí)，韋伯斯特法不再適用。

（4）總的有效綠燈時(shí)間為Ge

（5）第j相位的有效綠燈時(shí)間為gei

（6）第j相位的顯示綠燈時(shí)間為gj

其中，lj——第j相位的啟動(dòng)損失時(shí)間

（7）最短綠燈時(shí)間gmin

其中，Lp——街道長(zhǎng)度

Vp——過(guò)街速度，一般取1—1.2m/s

I——綠燈間隔時(shí)間

2.3小寨十字交叉口信號(hào)配時(shí)的Webster計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)地調(diào)查和計(jì)算，該交叉口單車道通行能力為1800pcu/h，跟表4所示的交通流量相比并通過(guò)計(jì)算各相位關(guān)鍵流量比、綠信比從而算得的相位飽和度可知，各個(gè)道路均未飽和，且各相位最大流量比之和不大于0.9，所以我們采取三相位設(shè)計(jì)方案，我們可以用Webster法進(jìn)行計(jì)算。

（1）計(jì)算周期的總損失時(shí)間

首先，在優(yōu)化流程中確定信號(hào)相位時(shí)信號(hào)相位必須同交叉口進(jìn)口車道渠化和車道功能劃分方案同時(shí)進(jìn)行，一般來(lái)說(shuō)如果相位數(shù)越多就會(huì)使分配給各個(gè)相位的綠燈時(shí)間減少，從而增加了損失時(shí)間，通常設(shè)定的相位數(shù)一般限制在2——4個(gè)，周期時(shí)間過(guò)短，周期損失時(shí)間增加，通行能力下降；如果信號(hào)周期過(guò)長(zhǎng)，周期內(nèi)相位損失增加，單位時(shí)間內(nèi)放行次數(shù)減少，同樣降低通行能力。

根據(jù)調(diào)查情況我們繼續(xù)采用三相位設(shè)計(jì)，為保證清空時(shí)間車流沖突減少，為增強(qiáng)南北方向通行能力，同時(shí)為保證安全，我們利用上述數(shù)據(jù)及Webster公式求出通行方向的流量比、有效綠燈時(shí)間等指標(biāo)，如表5所示：

表5　小寨東路與翠華路交叉口信號(hào)相位參數(shù)表

（2）其次，我們根據(jù)公式和數(shù)據(jù)求得Y：

所以我們完全可以用Webster算法來(lái)計(jì)算。

（4）總的有效綠燈時(shí)間為Ge=C0?L=125s 。

表6　重新計(jì)算設(shè)計(jì)相位表

（備注：周期長(zhǎng)度為134s，黃燈時(shí)間為3s，全紅時(shí)間為0s,右轉(zhuǎn)不限）

以上優(yōu)化方案也就是我們基于Webster算法重新優(yōu)化的方案，在最佳周期長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，根據(jù)關(guān)鍵車流量比，我們可以根據(jù)實(shí)際的計(jì)算結(jié)果所確定的綠信比再次計(jì)算其飽和度，并與之前的飽和度對(duì)比可知優(yōu)化后的方案可以充分利用綠燈時(shí)間，減少延誤，提高交叉口通行能力。通過(guò)對(duì)該交叉口信號(hào)配時(shí)的優(yōu)化，交叉口將能夠?qū)崟r(shí)應(yīng)對(duì)在各種情況下的交通狀況，給各個(gè)通行方向上的車輛最大的通行權(quán)，最大限度的減少延誤和排隊(duì)長(zhǎng)度。

我們對(duì)原配時(shí)方案a、重新計(jì)算后的設(shè)計(jì)方案b運(yùn)用交通仿真軟Vissim進(jìn)行仿真，輸出的結(jié)果表明，b方案的通過(guò)車輛數(shù)、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、延誤、人均延誤、停車時(shí)間等指標(biāo)都要比a方案小，而兩方案的平均排隊(duì)長(zhǎng)度差不多，通過(guò)仿真可以看到Vissim仿真運(yùn)行時(shí)的畫(huà)面顯示交通流運(yùn)行也很流暢，我們認(rèn)為達(dá)到了我們此次優(yōu)化該交叉口配時(shí)的目的。

圖1　原設(shè)計(jì)方案的仿真結(jié)果

圖2　重新優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案仿真結(jié)果

3、結(jié)論

在城市交通管理中，交叉口交通信號(hào)燈控制是這項(xiàng)工作的重要組成部分，本文以西安市小寨十字交叉口為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地調(diào)查、數(shù)據(jù)采集和分析，結(jié)合實(shí)際情況并運(yùn)用經(jīng)典的Webster算法，重新計(jì)算并優(yōu)化設(shè)計(jì)了交叉口的信號(hào)配時(shí)方案。該設(shè)計(jì)中，我們根據(jù)南北左轉(zhuǎn)車流量較大的實(shí)際情況，為解決高峰期間擁堵問(wèn)題，增加了南北左轉(zhuǎn)相位顯示綠燈時(shí)間。相應(yīng)的減少了東西相位的綠燈時(shí)間，增強(qiáng)了交叉口的通行能力，在利用Webster算法求周期時(shí)，我們還可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了修正，使得采用的最佳周期時(shí)長(zhǎng)更加符合實(shí)際情況。

設(shè)計(jì)完成后，我們運(yùn)用仿真軟件對(duì)優(yōu)化前后兩種方案進(jìn)行了仿真演示，仿真結(jié)果顯示重新設(shè)計(jì)并優(yōu)化的方案b能大大減小延誤，很好的解決交叉口存在的延誤問(wèn)題，提高交叉口通過(guò)能力和服務(wù)水平。

[1] 周彤梅,陳楠楠.城市快速路的交通管理與控制策略綜述[J].中國(guó)人民公安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,15(2):45-47.

[2] 周榕洲,劉軒.基于仿真分析的城市道路平面交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化研究[J].中國(guó)水運(yùn)月刊,2010,10期:100-102.

[3] 馮煥煥,朱從坤,鄧建華.VISSIM在道路改造方案交通運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)中應(yīng)用[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2012,第1期:13-16.

[4] 李杰.交通工程學(xué)[M].北京大學(xué)出版社,2010.

[5] 李政偉.城市單交叉口信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)與仿真[D].北京交通大學(xué),2008.

[6] 沈峰,楊曉光.多目標(biāo)城市道路交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化算法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,07期(7):898-902.

[7] 李世武,王云鵬,付建萍,等.基于車輛排放的城市道路交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化仿真[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2007,第6期(6):1268-1272.

Traffic signal timing optimization research of Urban road intersection

Guo Hongyu, Gao Yuan, Yao Shusen
(Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064)

In this paper, to solve the traffic problem of small village crossing intersection ,we combined with the actual situation, using Webster method to carriy out and calculate the survey data. Then determine the optimal timing plan, and to improve the solution before and after the simulation is conducted using Vissim software demo. Based on the average queue length and delay two evaluation index ,we can find that the optimized scheme calculated can greatly reduce the vehicle delay, and it can effectively improve intersection congestion.

Traffic volume; Webster method; Optimization timing; Delay

∶U491.5+1

∶A

∶1671-7988 (2016)09-03-04

郭宏玉（1989.2—），碩士研究生，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)。