基于VISSIM下城市干道綠波帶配時(shí)方法

胡艷 姚杰 曹鉆

通過分析城市主干道綠波帶定義和影響綠波帶控制性能的參數(shù)，給出常用綠波帶配時(shí)方案。通過VISSIM系統(tǒng)仿真軟件建立城市主干道的仿真模型，能夠?qū)崿F(xiàn)VISSIM的微觀仿真評(píng)價(jià)。同時(shí)結(jié)合V2X無線通信技術(shù)在綠波帶的應(yīng)用，可以有效提高城市主干道通行效率和服務(wù)水平。

一、綠波帶

綠波帶是對(duì)交通控制理論中“信號(hào)燈多點(diǎn)協(xié)調(diào)控制技術(shù)”的形象化描述。即對(duì)交通干線或者交通區(qū)域內(nèi)的信號(hào)燈納入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通過先進(jìn)的計(jì)算方法實(shí)施統(tǒng)一控制，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)交叉口，使得行駛在干道的車輛不遇到紅燈或者少遇到紅燈，綠燈就像波浪一樣前進(jìn)，形象的稱為綠波帶。所以，綠波帶通過控制路口信號(hào)燈參數(shù)的調(diào)整，動(dòng)態(tài)的分配各個(gè)路口、各相位的綠燈時(shí)間和周期時(shí)間，能夠使過往車輛盡可能順利通過干道平面交叉口，減少停車次數(shù)及時(shí)間延誤，提高道路的通行能力，緩解城市交通堵塞。

改善主干道通行效率是提升城市形象的標(biāo)識(shí)，也是衡量城市智能化和現(xiàn)代化交通水平的重要標(biāo)志。綠波帶是城市干道協(xié)調(diào)控制最常用的方法，信號(hào)配時(shí)是綠波帶技術(shù)的核心，信號(hào)周期、相位、相位差、帶寬和綠波帶長(zhǎng)度等是綠波帶控制性能的重要參數(shù)。平均延誤時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度和停車次數(shù)等是評(píng)價(jià)綠波帶控制方法好壞的性能指標(biāo)。

二、配時(shí)方案

綠波帶分為單向協(xié)調(diào)控制和雙向協(xié)調(diào)控制。單向協(xié)調(diào)控制針對(duì)交通流只有一個(gè)方向，由于交通流一致性，無其他方向干擾，綠波帶效果比較好。雙向協(xié)調(diào)控制主要針對(duì)兩個(gè)相鄰交叉口的間距小于800米，公共周期時(shí)長(zhǎng)是行駛時(shí)間的兩倍，而實(shí)際城市主干道沿線各交叉路口的間距分布不均勻，在行駛的平均速度不變情況下，公共信號(hào)周期也不一定能夠滿足該條件。為了合理對(duì)綠波帶進(jìn)行配時(shí)，必須對(duì)主干道各個(gè)沿線的各交叉口間的相位差進(jìn)行合理調(diào)整。雙向協(xié)調(diào)控制主要方法包括同步式信號(hào)協(xié)調(diào)控制、交互式信號(hào)協(xié)調(diào)控制以及續(xù)進(jìn)式信號(hào)協(xié)調(diào)控制。

圖解法和數(shù)解法是綠波帶配時(shí)相位優(yōu)化常用的方法。圖解法是通過作圖的方法，橫軸為相鄰交叉口之間的距離，縱軸為時(shí)間，稱為“時(shí)間-距離圖”，確定協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的公共信號(hào)周期與相位差。圖解法靈活性極高，充分考慮當(dāng)?shù)亟煌ǖ臓顩r和設(shè)計(jì)者的最終的目標(biāo)，但精確度不是很高。數(shù)解法是通過數(shù)值計(jì)算的方法，尋求最小偏移綠信比，求解協(xié)調(diào)控制配時(shí)參數(shù)，準(zhǔn)確度比較高，適合于處理城市復(fù)雜路網(wǎng)的配時(shí)計(jì)算。

圖解法簡(jiǎn)稱為“時(shí)空?qǐng)D”，即車輛的時(shí)間和距離圖。通過幾何作圖的方法，利用引線確定交互式協(xié)調(diào)和同步式協(xié)調(diào)策略，不斷調(diào)整周期長(zhǎng)度，來調(diào)整通過綠波帶行進(jìn)速度。然后通過確定關(guān)鍵交叉口的相位差，得到一條比較理想的綠波方案。其計(jì)算過程如下：首先，依據(jù)綠波帶中心線交點(diǎn)的位置和估算的周期時(shí)間，畫出綠波帶的軸線和帶寬范圍；其次，由相交叉道路方向的機(jī)動(dòng)車或相應(yīng)的行人綠燈時(shí)間加上綠燈間隔時(shí)間得出協(xié)調(diào)方向的紅燈時(shí)間；然后，帶寬為系統(tǒng)周期時(shí)長(zhǎng)減去其中一個(gè)交叉口的紅燈時(shí)間和綠燈間隔時(shí)間，得到一個(gè)等寬的綠波帶。最后，確定綠燈時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)行通行能力檢驗(yàn)。

數(shù)解法通過尋求與實(shí)際交叉口間距最大位移量最小為目標(biāo)，從而確定最佳公共信號(hào)周期與相位差，獲取主干道協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)最大通過帶寬度和較為理想的協(xié)調(diào)控制效果。其計(jì)算過程如下：通過計(jì)算各個(gè)交叉口之間的理想距離，確定為a列；計(jì)算b列，按順序排列實(shí)際信號(hào)位置與理想信號(hào)的挪移量，得到最大差值為b列；確定最佳的理想信號(hào)位置，然后得到連續(xù)行駛通過帶，根據(jù)各交叉口相對(duì)于理想交叉口位置所處的方位，確定其相位差的大小。

三、仿真模擬與優(yōu)化

VISSIM是由德國(guó)PTV公司開發(fā)的微觀交通仿真系統(tǒng)模擬工具。它是一種微觀、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，用以建模和分析各種交通條件下，例如車道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號(hào)、公交站點(diǎn)等城市交通和公共交通的運(yùn)行狀況，是評(píng)價(jià)交通工程設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃方案的有效工具。VISSIM由交通仿真器和信號(hào)狀況產(chǎn)生器兩部分組成，它們之間通過接口交換檢測(cè)器數(shù)據(jù)和信號(hào)狀況信息。VISSIM即可以在線生成可視化的交通運(yùn)行狀況，也可以離線輸出各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，比如旅行時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度等。

該仿真軟件中車輛縱向運(yùn)動(dòng)采用了心理-跟馳模型，橫向運(yùn)動(dòng)采用了基于規(guī)則的算法，提供圖像化界面，用戶2D和3D動(dòng)畫向用戶直觀顯示車輛的運(yùn)動(dòng)。仿真模型的精確性主要取決于交通流模型的質(zhì)量，VISSIM軟件采用的跟馳模型是Widemann，其駕駛行為闕值模型包括城市道路和高速公路兩種情況，其中前者為Widemann74模型，后者是Widemann99模型。

通過VISSIM軟件建立路網(wǎng)模型，結(jié)合傳統(tǒng)圖解法和數(shù)解法獲得配時(shí)方案，提出多目標(biāo)優(yōu)化法獲得配時(shí)方案，對(duì)優(yōu)化配時(shí)方案進(jìn)行仿真模擬，以獲取并與現(xiàn)有配時(shí)方案就主干道交叉口交通運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證優(yōu)化后配時(shí)方案的有效性。例如，以長(zhǎng)安區(qū)典型主干道西部大道與華美十字路口和西部大道與西灃路十字路口等具有代表性主干道為實(shí)際情況，對(duì)其沿線各交叉口重新進(jìn)行信號(hào)協(xié)調(diào)控制，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際調(diào)查，獲取交通流資料，設(shè)計(jì)出信號(hào)周期、新綠比、相位差以及帶速等基本參數(shù)，實(shí)現(xiàn)綠波帶優(yōu)化，能有效提供城區(qū)智能交通道路狀況。

四、綠波帶應(yīng)用

優(yōu)化后綠波帶結(jié)合V2X應(yīng)用，稱為綠波車速引導(dǎo)，如圖1所示，該場(chǎng)景可以有效的提高駕駛員感知和安全出行。配有車載單元（OBU）的車輛，駛向每一個(gè)信號(hào)燈控制交叉路口時(shí)，收到由路側(cè)單元（RSU）發(fā)送的道路數(shù)據(jù)以及信號(hào)燈實(shí)時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合車輛自身的位置信息和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在車載單元顯示屏上給出通過下一個(gè)路口的建議車速和綠燈剩余時(shí)間，使得車輛感知前方路口信號(hào)燈實(shí)時(shí)變化，以經(jīng)濟(jì)和舒適的車速和較低的油耗通過路口。同時(shí)，車輛終端利用配有OBU和基礎(chǔ)設(shè)施的RSU之間的無線通信技術(shù)，讓每個(gè)路口紅綠燈與車輛進(jìn)行信息交互，通過車上顯示建議的行車速度、信號(hào)燈信息以及其他車輛狀態(tài)信息，可以減少闖紅燈和碰撞等交通事故的概率，從而提高通行的效率。

所以，城市干道綠波帶應(yīng)用，緩解了干道交通擁堵狀況，減少了通行車輛因頻繁遇到紅燈造成的等待延誤，保證車流整體較高的行駛速度，提高了道路的通行能力；車輛遇到紅燈的概率降低，減少了車輛頻繁停車造成的尾氣排放，有利于抑制環(huán)境污染。干道協(xié)調(diào)控制不僅使交通更為安全暢通，更好的規(guī)劃出行路線，計(jì)劃出行時(shí)間。

五、城市交通的意義

通過對(duì)城市主干道現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際調(diào)查，得到客觀的交通流資料，對(duì)交通流進(jìn)行處理和分析，設(shè)計(jì)出信號(hào)周期、綠信比、相位差以及帶速等基本參數(shù)，通過VISSIM系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行理論研究和仿真測(cè)試，得到理想的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用于城市主干道綠波帶協(xié)調(diào)，來提高城市主干道綠波帶的通行能力，改善交通狀況、解除交通堵塞問題。