基于VISSIM 仿真的信號交叉口優化研究

傅白白，仇錦

(1.山東建筑大學交通研究所，山東 濟南 250101;2.山東建筑大學建筑城規學院，山東 濟南250101;3.山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南250101))

二十世紀六十年代以來，國內外研究者在微觀交通仿真領域的研究取得了一定的成果，相繼開發出一些微觀交通仿真軟件，如:美國McTrans 公司開發的TSIS/CORSIM，美國The Traffic Group，Inc.開發的Synchro/SimTraffic，德國PTV 公司開發的VISSIM，西班牙TSS 公司開發的AIMSUN NG，美國麻省理工研發的MITSIMLab，美國Caliper 公司開發的Trans Modeler，東南大學研發的TranStar［1］等。

以上幾種微觀交通仿真系統各具特色，如Synchro/SimTraffic 優勢在于對交叉口仿真性能強大，但當路網規模較大時，仿真效果相對于其他軟件較差;TSIS/CORSIM 對大規模路網仿真效果較好;VISSIM 和AIMSUN NG 在交叉口及大規模路網仿真中得到了很好的應用;MITSIMLab 具有合理的模型結構，適用于交通流疏導和交通分配評價;Trans Modeler 利用TSIS/CORSIM 的優勢，增加了公交運輸模型，具有較高的微觀仿真能力［1］。

與國外相比，國內在交通仿真方面的研究近年來發展較快。北京交通大學、同濟大學、東南大學、交通部公路科學研究所等科研單位展開了對交通仿真的研究，并取得了一些成果。目前，國內在交通仿真領域研究的成果往往僅限于解決單一的問題，大多集中在對高速公路的研究，如高速公路基本路段通行能力的仿真研究、高速公路入口匝道范圍的交通仿真、雙車道公路通行能力仿真研究、優先控制T 型交叉口交通仿真等［2］。

VISSIM 是由德國PTV 公司開發的微觀交通流仿真系統。該系統是一個離散、隨機、以十分之一秒為時間步長的微觀仿真軟件，車輛的縱向運動采用了德國Karlsruhe 大學Wiedemann 教授的“心理-生理跟車模型”，橫向運動(車道變換)采用了基于規則(Rule-based)的算法，不同駕駛員行為的模擬分為保守型和冒險型［3］。VISSIM 仿真軟件相比于其它軟件在微觀仿真、交叉口仿真以及大規模路網仿真方面具有較高的效率。

交通運行是一個動態過程，VISSIM 能有效地體現這個過程，再現交通狀況，降低現場調查的工作量，它作為解決城市交通擁堵問題的一個輔助工具，可用來檢驗擬設的交通設施，分析各種交通流，檢驗交通控制方案的合理性。目前，在我國一些城市如北京、上海、廣州、武漢、哈爾濱等把陸續引進了VISSIM 系統，在高速公路、立交系統、城市道路、交叉口等的改善等方面取得了一定的成果［4］。

城市交通是一個開放、復雜的巨系統，交通網絡是城市交通規劃的重要組成部分。要解決好城市交通問題便要從完善整個交通網路著手［5］，城市發展與城市交通的發展密切相關。隨著我國城鎮化進程的快速發展，城市人口和機動車的不斷增加，交通擁堵問題日益顯著［6］。交叉口是城市道路系統中重要的組成部分，是城市路網中最常見、最普遍、最直接的交通擁堵發生源及交通事故多發點。采用先進的仿真系統，合理優化交叉口對提高道路通行能力、緩解交通擁堵以及減少交通事故起著至關重要的作用［7］。

本文對濟南二環東路與山大北路交叉口進行實地調查并采集數據，通過仿真軟件VISSIM 對交叉口現狀進行仿真評價，并根據評價結果對信號交叉口進行配時調整和優化。

圖1 二環東路-山大北路交叉口平面圖Fig.1 2-D illustration of the intersection at Erhuan East and Shanda North Roads

1 現狀仿真與分析

1.1 基本情況概述

濟南二環東路是104 國道穿越市區的一部分，為濟南市南北走向的一條主要交通干道，同時，二環東路是新老城區的中軸線，是新城與老城聯系的“咽喉”。

二環東路與山大北路交叉口南北方向為雙向十二車道，其中，一條BRT 專用車道，兩條左轉車道，兩條直行車道，一條右轉車道;東西方向為雙向四車道，其中，一條直左車道，一條直右車道，無專用車道。尺寸如下:BRT 專用車道4.25 m;BRT 車站寬度6 m;機動車道3.0 m;路緣帶南北方向2 m，東西方向1 m;二環東路東測非機動車道寬度5.5 m，其他非機動車道3 m;人行橫道寬度6 m;該交叉口平面圖如圖1 所示。交叉口交通量數據信號配時參數見表1、表2 及表3。

表1 二環東路-山大北路交叉口機動車高峰小時交通量統計(單位:pcu/h)Table 1 Vehicle peak hour traffic statistics of the intersection at Erhuan East and Shanda North Roads (unit:pcu/h)

表2 二環東路-山大北路交叉口非機動車和行人高峰小時交通量統計Table 2 Non-moter vehicle and pedestrian peak hour traffic statistics of the intersections at Erhuan East and Shanda North Roads

表3 交通信號參數(單位:s)Table 3 Traffic signal parameters(unit:s)

1.2 現狀仿真

本文通過底圖導入、建立路網，交通流特征及行駛規則設置、車輛輸入，信號控制交叉口設置等過程對交叉口進行仿真，仿真過程如圖2 所示。

1.3 仿真結果分析

對二環東路與山大北路交叉口的仿真時間為3 600 s，根據仿真過程給出輸出延誤、排隊長度，如圖3所示。

將仿真得到的交叉口的延誤時間與美國HCM 服務水平分類標準對比，得到該交叉口平均延誤時間為72.7 s，超過了60 s，交叉口服務水平達到F，交叉口處于強制流狀態，平均車速小于24 km/h，出現交通堵塞，出現交通量超過道路通行能力的狀況［9］。

圖2 二環東路-山大北路現狀仿真過程Fig.2 Current simulation process for Erhuan East-Shanda North Roads

圖3 各進口道延誤和排隊長度匯總表Fig.3 Delay and the queue length statistics table of every entry lane(unit:s)

由此可以得出如下結論:(1)二環東路南進口直行車道，二環東路北進口直行、左轉車道，二環東路西進口直左車道的排隊長度過大;(2)交叉口各方向交通延誤嚴重;(3)北進口直行和左轉延誤大于南進口直行和左轉延誤;(4)南北方向延誤相對于東西方向延誤過大，交通處于穩定交通流范圍內的較差部分，行車速度和駕駛自由度都受到很大約束限制，舒適和便利程度低下。由于二環東路與山大北路所處位置，不易對道路的幾何線形進行更改，結合實際狀況，剖析交叉口擁堵原因，采用控制策略有效地改善擁堵現狀，降低延誤，提高道路的通行能力和服務水平。

2 優化措施及仿真

2.1 優化措施

考慮到二環東路與山大北路所處的特殊地理位置幾何線形不易進行更改的情況，我們從道路服務設施以及信號配時方面考慮，對本交叉口進行優化。

(1)道路服務設施

山大北路東進口直左車道延誤和排隊長度過大的原因是由于直行和左轉在同一車道中相互沖突，考慮到東進口設有專門直行車道，故將東進口直左車道改為專用左轉車道。

對二環東路與山大北路交叉口處安全島，放棄傳統的路面標識方式，采用凸起方式，便于各方向車流各行其道，減少隨機沖突點及延誤［10］。

完善道路路面標志標線，在山大北路西進口處設行人信號控制燈。

(2)信號配時

本文采用常用的Webster 信號配時計算方法，計算得出最佳周期時長為213 s，三個相位的有效綠燈時間分別為119 s、23 s、56 s，優化后的信號配時參數如表4 所示［11］。

表4 優化后的信號配時參數(單位:s)Table 4 Optimized signal scheduling parameters(unit:s)

2.2 二次仿真結果

根據優化措施，對二環東路與山大北路交叉口進行再次仿真，得到各進口車道優化前后延誤時間和排隊長度對比數據，見圖4。

圖4 各進口車道優化前后延誤時間和排隊長度對比Fig.4 Comparison of optimized and non-optimized delay and queue length for every entry lane

由對比結果知，優化后二環東路南北方向的延誤有很大幅度的降低，排隊長度下降。由于山大北路東進口將直左車道改為專用左轉車道，使得左轉、直行、右轉各行其道，由結果可知，此進口道排隊長度大大減少，延誤下降。通過再次仿真與美國HCM 服務水平分類標準對比，整個交叉口的平均延誤時間由原來的72.7 s 降低為54.1 s，降低了25.6%，交叉口服務水平由原來的F 提升到E。VISSIM 仿真驗證了所采取措施的可行性［12］。

3 結語

交叉口是城市道路系統的重要組成部分，也是城市路網中的事故頻發點，它阻滯了交通的流暢，降低了道路的通行能力。合理地對交叉口交通運行狀況進行分析，找出擁擠堵塞的原因，正確地設計交叉口，合理地組織交通，能夠提高交叉口的通行能力，從而增強整個城市路網的通行能力［7］。交通仿真提供了先進的模擬道路交通的手段，對交叉口的優化改造提供了指導作用，對緩解交通擁堵有著重大的意義。本文采用VISSIM 仿真軟件，對實際交叉口進行仿真優化，并利用該軟件將改善的措施進行仿真驗證，是對信號交叉口配時優化的一種嘗試，也為解決城市擁堵問題提供了一個新的思路。本文針對二環東路-山大北路交叉口進行研究，沒有考慮到對相臨交叉口以及相臨路段的影響，這也將是下一步研究的重點。

［1］丁喆.基于VISSIM 的路網自動生成系統的研究［D］.北京:北京工業大學，2009.

［2］馬建明.信號交叉口優化設計及其微觀仿真研究［D］.北京:北京工業大學，2001.

［3］樊穎瑋.城市交通微觀仿真系統核心模塊的分析與設計［D］.北京:北京交通大學，2006.

［4］郭敏，杜怡曼，吳建平.微觀交通仿真基礎理論及應用實例［M］.北京:人民交通出版社，2012:3 -154.

［5］傅白白.城市交通網絡及流量參數的仿真模型［J］，北京郵電大學學報，2005，28(增刊):108 -110.

［6］周楠森.城市交通規劃［M］.北京:機械工業出版社，2011:5 -17.

［7］羅美清，雋志才.VISSIM 在交叉口交通設計與運行分析中的應用［J］.武漢理工大學學報，2003，28(2):232 -235.

［8］劉博航，張通，安桂江，等.交通仿真實驗教程［M］.北京:人民交通出版社，2012:7 -89.

［9］潘海嘯，荷布瓦城市機動性與可持續發展:中國·歐洲大學聯合計劃［M］.北京:中國建筑工業出版社.2006:1 -20.

［10］隋亞剛，郭敏，吳建平.道路交通組織優化與仿真評價理論與方法［M］.北京:人民交通出版社，2009:6 -95.

［11］李政偉.城市單交叉口信號配時設計與仿真［D］.北京:北京交通大學，2008.

［12］諸建萍.典型城市信號交叉口通行能力及交通仿真分析［D］.西安:長安大學，2009.