基于VISSIM仿真的混行交叉口優(yōu)化研究

陳厚廷 李昊 張麥宣 郭亞紅 寇乾文 張?jiān)玛?/p>

［收稿日期］2022-1102

［第一作者］陳厚廷（1995-），男，江蘇南通人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榻煌ò踩こ?、系統(tǒng)優(yōu)化與決策

［通信作者］李昊（1986-），女，湖北黃岡人，工學(xué)博士，湖北工業(yè)大學(xué)，研究方向?yàn)榻煌ò踩こ?，系統(tǒng)優(yōu)化與決策

［文章編號(hào)］1003-4684（2023）02-0079-05

［摘要］為有效解決混行交叉口的擁堵問題，提高通行效率，改善城市路網(wǎng)擁堵現(xiàn)狀，以武漢市洪山區(qū)南李路文祥街混合交通流交叉口為例開展優(yōu)化研究，通過現(xiàn)場調(diào)查的方式來采集其高峰時(shí)間段的交通流量及信號(hào)配時(shí)等數(shù)據(jù)，并利用VISSIM軟件建立微觀道路模型，并進(jìn)行仿真模擬，得出車輛延誤和排隊(duì)長度等指標(biāo)。此外還對(duì)影響交叉口擁堵的因素進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行車道功能劃分和信號(hào)配時(shí)優(yōu)化，最后對(duì)比仿真前后的交通狀況，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的車輛延誤和排隊(duì)長度均有大幅減少，交通運(yùn)行狀況得到顯著改善，從而驗(yàn)證了優(yōu)化方案的科學(xué)性與合理性。

［關(guān)鍵詞］信號(hào)配時(shí)； VISSIM； 車輛延誤； 排隊(duì)長度

［中圖分類號(hào)］U491.2? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

目前，國內(nèi)的城市道路交叉口多數(shù)呈現(xiàn)混合流形式。交叉口作為城市交通路網(wǎng)的重要組成部分，對(duì)交通的流暢運(yùn)行起著關(guān)鍵性作用[1]。它是路網(wǎng)的重要組成部分，同時(shí)也是交通沖突的多發(fā)地[2]。過多的交通沖突造成了交通路網(wǎng)的阻塞，此現(xiàn)象導(dǎo)致居民出行成本增加，降低了工作效益和生活質(zhì)量[3-5]。因此，妥善合理地處理交叉口擁堵現(xiàn)象，改善道路通行狀況，成為當(dāng)前亟需解決的問題[6]。

針對(duì)上述出現(xiàn)的問題，需要在時(shí)空上合理的分配交叉口資源，以緩解交通壓力。截至目前，已有多位國內(nèi)外專家針對(duì)此類問題做出相關(guān)研究，李汝楠等[2]通過VISSIM軟件分析交通現(xiàn)狀，對(duì)其進(jìn)行車道功能劃分和信號(hào)配時(shí)優(yōu)化，極大地改善了交通運(yùn)行情況。常爭艷等 [7] 對(duì)太原市桃園路口進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，建立了信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型。該模型的指標(biāo)包括停車延誤、停車次數(shù)和通行能力，采用罰函數(shù)粒子群優(yōu)化算法（PSO）對(duì)綠燈時(shí)間和信號(hào)周期進(jìn)行重新規(guī)劃，提高了道路潛在的通行能力。陳丹丹[8]等通過設(shè)計(jì)兩級(jí)模擬控制器優(yōu)化四相位交叉口，運(yùn)用MATLAB對(duì)模擬控制器進(jìn)行仿真，結(jié)果表明在信號(hào)控制方面，相比定時(shí)控制，模糊控制能夠更好地改善交通擁堵情況。張衛(wèi)華[9]將公交優(yōu)先的概念納入信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)中，通過仿真分析表明此舉可以有效地緩解交叉口的擁堵情況，提高通行效率。WONG C K[10]等從理論概念出發(fā)，設(shè)計(jì)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(hào)配時(shí)優(yōu)化的最優(yōu)解。此次研究以武漢市洪山區(qū)南李路文祥街交叉口為例，通過對(duì)其進(jìn)行車道功能劃分以及信號(hào)配時(shí)優(yōu)化，利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行模擬測試，根據(jù)仿真前后的指標(biāo)對(duì)比分析，得出最佳優(yōu)化方案。

1??? 交叉口現(xiàn)狀

1.1??? 平面交叉口現(xiàn)狀布局

武漢市洪山區(qū)南李路是一條城市次干道，且方向?yàn)槟媳毕?，該道路日常高峰時(shí)間段交通量大，其與文祥街東西方向的路段連接組成十字型交叉口，此外該交叉口南進(jìn)口道的車道標(biāo)志由內(nèi)而外分別為直行車道、直行車道、右轉(zhuǎn)車道。北進(jìn)口道的車道標(biāo)志由內(nèi)而外則依次為直左車道、直右車道。西進(jìn)口道為橋面路段，寬度有限，因此僅有一條直左右合用車道。東進(jìn)口道由內(nèi)而外依次為直左車道、直右車道。各個(gè)進(jìn)出口道均采用雙黃線進(jìn)行分隔。其中除了南邊路段，其他三個(gè)方向的路段均有設(shè)置人行橫道。在南、北、東三個(gè)方向上設(shè)有非機(jī)動(dòng)車道。該處交叉口具體狀況如圖1所示。

1.2??? 路段車速測試

車速測試可以反映出對(duì)應(yīng)路段車速分布情況[11]，此外也能間接體現(xiàn)該處交叉口的車輛通行狀況，通過對(duì)南李路文祥街交叉口南北方向總長為300 m的路段進(jìn)行早高峰時(shí)間段車速測試，得出在測試時(shí)段內(nèi)經(jīng)過該處交叉口的車輛速度分布態(tài)勢，具體的車輛速度頻率分布情況如圖2所示。

由圖2可以看出，該路段的車速總體呈現(xiàn)正態(tài)分布，且均低于道路限速值60 km/h，車速頻率峰值出現(xiàn)在38.5 km/h，且主要集中在40 km/h左右，這表明該路段處于較擁堵狀態(tài)，而且根據(jù)現(xiàn)場觀察可知，該路段上車輛頻繁出現(xiàn)走走停停的現(xiàn)象，通行狀況出現(xiàn)顯著擁堵，因此需對(duì)路段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3??? 現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)

南李路文祥街交叉口的信號(hào)配時(shí)是兩相位控制方式，該處相位周期為116 s，第一相位為南北進(jìn)口直行車輛及左轉(zhuǎn)車輛通行，綠燈時(shí)間為84 s。第二相位為東西進(jìn)口直行車輛及左轉(zhuǎn)車輛通行，綠燈時(shí)間為26 s。相位之間間隔的黃燈時(shí)間為3 s?，F(xiàn)狀相位配時(shí)如圖3所示。

1.4??? 交叉口流量數(shù)據(jù)

此次在南李路文祥街交叉口展開的交通流量統(tǒng)計(jì)由四名調(diào)查員組成，調(diào)查員均勻分布在四個(gè)進(jìn)口道，對(duì)通過的車輛流向進(jìn)行觀察并記錄實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)。本次現(xiàn)場調(diào)查時(shí)間為早上8：00～10：00，由于該時(shí)間段為早高峰時(shí)期，道路車流量較大，因此所測得的數(shù)據(jù)更具有代表性。考慮到高峰期的車流量難免受到外在因素的影響，存在著許多偶然性，所以此次交通量統(tǒng)計(jì)分幾天進(jìn)行，最后將多次統(tǒng)計(jì)的結(jié)果取平均值[12]。作為早高峰時(shí)段小時(shí)交通量，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，統(tǒng)計(jì)出通過該交叉口的各種車型占比，小汽車占據(jù)90%，貨車占據(jù)5%，公交車占據(jù)5%。南李路文祥街交叉口現(xiàn)狀交通流量如表1所示。

根據(jù)表1的交通流量等數(shù)據(jù)可以看出，南李路文祥街交叉口各個(gè)方向路段的通行能力充足，在滿足現(xiàn)有車輛通行的前提下，仍有很大冗余，然而，由于不合理的規(guī)劃，導(dǎo)致交通資源浪費(fèi)，其中北進(jìn)口和西進(jìn)口的流量不及通行能力的一半，因此有待進(jìn)一步優(yōu)化。

1.5??? VISSIM現(xiàn)狀仿真

通過VISSIM仿真軟件對(duì)南李路文祥街交叉口交通情況進(jìn)行仿真分析。首先，將先前調(diào)查的交通流量和信號(hào)配時(shí)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[13]。設(shè)置仿真時(shí)間為600 s，每300 s輸出一次結(jié)果，采用節(jié)點(diǎn)檢測的方法，得出交叉口各個(gè)進(jìn)口道的車輛延誤和排隊(duì)長度[14]。仿真流程如圖4所示，仿真現(xiàn)狀如圖5所示，仿真現(xiàn)狀數(shù)據(jù)如表2所示。

從圖5、表2可以看出南李路文祥街交叉口南北方向的交通狀況比較擁堵，該方向路段在中國道路服務(wù)水平中處于三級(jí)道路水平，經(jīng)過具體分析，可知有如下原因，第一，南進(jìn)口存在左轉(zhuǎn)和掉頭車輛，但是卻未設(shè)置相應(yīng)的車道標(biāo)志。導(dǎo)致車輛混行現(xiàn)象嚴(yán)重。第二，信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)的不科學(xué)，致使交叉口未能在相位周期內(nèi)清空車輛，當(dāng)?shù)谝幌辔荒媳避囕v同時(shí)放行時(shí)，南北進(jìn)口的左轉(zhuǎn)車輛會(huì)因避讓對(duì)向行駛的直行車輛而未能及時(shí)轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致后續(xù)車輛擁堵在交叉口，造成堵塞。第三，根據(jù)調(diào)查可知，該處交叉口并不是主要交通集散地，行人稀少，設(shè)計(jì)者卻在此設(shè)置了人行橫道，但又未設(shè)置相應(yīng)的行人相位，致使行人過街安全性沒有保障，容易造成堵塞。本文以南李路文祥街交叉口南北方向?yàn)橹饕芯繉?duì)象進(jìn)行優(yōu)化。

2??? 交叉口優(yōu)化

2.1??? 車道功能劃分

原南進(jìn)口道的車道數(shù)保持不變，將該處的車道標(biāo)志依次更改，由內(nèi)而外分別為直左車道、直行車道、右轉(zhuǎn)車道。與此同時(shí)，對(duì)道路寬度進(jìn)行壓縮。新增一條南出口道。原北進(jìn)口新增一條進(jìn)口車道，將該處的車道標(biāo)志依次更改，由內(nèi)而外分別為左轉(zhuǎn)車道、直行車道、直右車道。將其車道寬度依次進(jìn)行適當(dāng)壓縮。將原南北方向的雙黃線改為隔離欄。東西進(jìn)口道路旁設(shè)置行人讓行標(biāo)志。取消北進(jìn)口人行橫道，行人可選擇去上游的南李路武梁路交叉口或下游的南李路712研究所處過街。其他方向的道路保持現(xiàn)狀，原南李路南進(jìn)口方向設(shè)置禁止掉頭標(biāo)志，掉頭車輛可選擇去上游南李路武梁路交叉口掉頭。交叉口優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖6所示，橫斷面設(shè)計(jì)如圖7所示。

2.2??? 信號(hào)配時(shí)優(yōu)化

信號(hào)燈的配時(shí)優(yōu)化采用阿氏最佳周期長進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算方法是在傳統(tǒng)的Webster方案配時(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使用平均停車次數(shù)和延誤時(shí)間作為評(píng)價(jià)配時(shí)的綜合指標(biāo)。綜合指標(biāo)P可以表示為：

P=d+K×h

式中，K的含義表示為停車補(bǔ)償系數(shù)。根據(jù)以往的研究可以發(fā)現(xiàn)，K取不同的值有不同的實(shí)際意義，K的取值為0.4時(shí)，可以使得汽車油耗最??；K的取值為0.2時(shí)，可以使得交叉口路段的運(yùn)營開支最少；K的取值為-0.3時(shí)，可以使得交叉口路段的排隊(duì)車輛最少，此次優(yōu)化設(shè)計(jì)目的是為了減少排隊(duì)長度，所以K值取-0.3，經(jīng)過求導(dǎo)演算之后，優(yōu)化后的最佳信號(hào)周期公式為：

C。=1.4+K×L+6/（1-Y）

首先，運(yùn)用阿氏最佳信號(hào)周期長確定南李路文祥街交叉口優(yōu)化周期，然后對(duì)各個(gè)相位的配時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將黃燈時(shí)間設(shè)置為3 s，最后，在周期時(shí)長內(nèi)，將可用的有效綠燈時(shí)間在不同的相位之間進(jìn)行合理分配，以此來實(shí)現(xiàn)相位和相序的優(yōu)化。南李路文祥街交叉口的配時(shí)方案如表3所示。周期內(nèi)的總有效綠燈時(shí)間：

Ge=C。-L

式中：? L 為周期總損失時(shí)間，s；C。為信號(hào)控制最佳周期長，s。

周期內(nèi)各相位有效綠燈時(shí)間

gei=Gemax （yi1，yi2，…）Y

式中：gei為第i相位有效綠燈時(shí)間，s；Ge為總有效綠燈時(shí)間，s；Y為組成周期的全部相位最大流量比之和。

周期內(nèi)各相位實(shí)際顯示綠燈時(shí)間

Gi=gei-Ai+ls

式中：?? Gi為第i相位實(shí)際顯示綠燈時(shí)間，s；ls為第i相位啟動(dòng)損失時(shí)間，s；Ai為黃燈時(shí)間，s。

南李路文祥街路口優(yōu)化后為三相位方案，周期為106 s。第一相位為南進(jìn)口直行、左轉(zhuǎn)車輛及北進(jìn)口直行車輛通行，綠燈時(shí)間為65 s。第二相位為北進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛通行，綠燈時(shí)間為12 s。第三相位為東西進(jìn)口直行及左轉(zhuǎn)車輛通行，綠燈時(shí)間為20 s，優(yōu)化相位如圖8所示。

2.3??? VISSIM優(yōu)化仿真

通過對(duì)南李路文祥街交叉口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，使用VISSIM軟件對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，重新調(diào)整交通控制模塊和交通流量模塊，繼續(xù)采用節(jié)點(diǎn)模擬進(jìn)行仿真，得到優(yōu)化過后的車輛延誤和排隊(duì)長度，優(yōu)化后的仿真圖如圖9所示。南李路文祥街交叉口優(yōu)化后仿真數(shù)據(jù)如表4所示，交叉口優(yōu)化前后的對(duì)比數(shù)據(jù)如圖10、圖11所示。

3??? 優(yōu)化方案分析

通過對(duì)南李路文祥街交叉口優(yōu)化前后的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以觀察到該交叉口經(jīng)過優(yōu)化后，原先交通最擁堵的南北方向各個(gè)進(jìn)口道的排隊(duì)長度和車輛延誤均有明顯的減少。北進(jìn)口左轉(zhuǎn)方向的排隊(duì)長度從42 m降至7 m，改善度為83%，直行方向的排隊(duì)長度從59 m降至20 m，改善度為66%。南進(jìn)口左轉(zhuǎn)方向的排隊(duì)長度從66 m降至38 m，改善度為42%，直行方向的排隊(duì)長度從78 m降至42 m，改善度為46%。南北進(jìn)口左轉(zhuǎn)、直行方向的車輛延誤同樣也得到了減少。與此同時(shí)，東進(jìn)口左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)方向的車輛延誤分別增加了11%、47%、50%，不過由于這幾個(gè)車道交通狀況良好，所以總體影響甚微，優(yōu)化過后，南李路文祥街交叉口整體的道路服務(wù)水平也由三級(jí)提升為二級(jí)，該處的交通情況也得到了明顯改善。

4??? 結(jié)論

針對(duì)武漢市洪山區(qū)南李路文祥街交叉口高峰時(shí)間段出現(xiàn)的交通擁堵現(xiàn)象，本研究通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合VISSIM仿真的方式，分析了該交叉口現(xiàn)存的問題，隨后，對(duì)該交叉口進(jìn)行車道功能劃分和信號(hào)配時(shí)優(yōu)化，將其優(yōu)化前后的排隊(duì)長度和車輛延誤進(jìn)行對(duì)比、分析。結(jié)果表明，關(guān)鍵車道上的兩項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值均有明顯的減小，證實(shí)了此交叉口的設(shè)計(jì)優(yōu)化是可行的，能夠緩解此處的交通擁堵，有助于提高車輛通行效率和道路交通服務(wù)水平。

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Research on Mixed Intersection Optimizationbased on VISSIM Simulation

CHEN Houting， LI Hao， ZHANG Maixuan， GUO Yahong， KOU Qianwen， ZHANG Yueyang

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ. of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract：In order to effectively solve the congestion problem of mixed intersections， improve their traffic efficiency， and better the congestion status of urban road network， this paper takes the mixed traffic flow intersection of Nanli Road Wenxiang Street in Hongshan District， Wuhan City as an example to carry out optimization research， collects the traffic flow and signal timing data during peak hours through on site investigation. This study uses VISSIM software to establish a microscopic road model， and simulates to obtain vehicle delays and queue lengths. In addition， this study also analyzes the factors affecting intersection congestion， optimizes the lane function division and signal timing， and finally compares the traffic conditions before and after the simulation， and finds that the optimized vehicle delay and queuing length have been greatly reduced， and the traffic operation status has been significantly improved， thus verifying the scientific and rationality of the optimization scheme.

Keywords：signal timing; VISSIM；vehicle delay; queue length

［責(zé)任編校： 裴琴］