基于VISSIM仿真的信號交叉口優化方法研究

周志浩，葛 歡

（嘉興市規劃設計研究院有限公司，浙江 嘉興 314050）

0 引言

隨著計算機技術的高速發展，交通仿真技術越來越多地應用于交通問題的分析[1-2]。通過交通仿真軟件系統能夠分析諸如車道特性、交通組成、交通信號燈等約束條件下交通運行情況，不僅能夠對交通基礎設施實時運行情況進行交通模擬，而且還可以以文件的形式輸出各種交通評價參數，如交叉口排隊長度、平均延誤等[3-4]。

在進行交叉口信號配時研究時，大多采用傳統的F·韋伯斯特-B·柯布理論[5]，該理論方法只考慮車輛的延誤作為配時研究的唯一衡量指標，較為片面。本文針對韋伯斯特方法的不足，對該方法做一些必要的改進，提出改進的交叉口信號配時優化模型，并采用微觀仿真軟件VISSIM對優化結果進行評價，以檢驗方法的優化效果。

1 交叉口優化方法

1.1 信號優化模型

傳統韋伯斯特法配時只考慮了車輛延誤指標，在該方法基礎上提出基于車輛延誤和停車次數的信號配時方法，以車輛總延誤和總停車次數為效益函數來構造模型，其中各相位有效綠燈時間按照各相位流量比進行分配。

1.1.1 延誤計算

延誤d的計算公式取自美國《道路通行能力手冊》中，其適用于交叉口飽和度在0.6～1.2范圍，具體形式如下：

式中：c——周期；

λ——綠信比；

x——飽和度，且x=q/λs；

s——飽和流量。

1.1.2 停車率計算

停車率h是指最少停車一次的車輛數與通過交叉口的車輛總數的比率[6]，其公式如下：

式中，各參數含義同上。

1.1.3 模型構造

優化模型構造如下：

式中：l——交叉口的損失時間；

cmin——最小周期長；

cmax——最大周期長；

γ——交叉口兩個指標之間的加權系數，它隨著流量的不同可以取不同的值。

在模型應用時，利用編程計算，并假定周期為最小周期長，以2s為步長向上搜索，使效益函數最小的周期達到最大為止。

1.2 交叉口優化步驟

將信號優化模型和VISSIM仿真結合起來，對交叉口進行優化將會使優化結果更直觀。信號交叉口優化的具體步驟如下：

Step1：通過建立的信號優化模型，對交叉口進行信號優化；

Step2：查看優化的結果，并與優化前的狀況進行比較；比較的參數可以有很多，本文主要從各信號的飽和度、交叉口延誤方面進行比較；如果優化結果比較滿意，則轉到Step5，否則繼續下一步；

Step3：對信號優化后的結果進行VISSIM仿真，找出交叉口存在的問題，提出工程渠化的方法；

Step4：根據工程渠化后的交叉口，重復Step1，直到優化結果滿意為止；

Step5：對最后得出的交叉口優化結果進行VISSIM仿真，衡量優化結果。

2 優化方法應用

以嘉興市中環南路—城南路信號交叉口為例，在對其現狀分析的基礎上，應用本文建立的信號優化模型進行信號優化設計。根據現狀調查，環城南路—城南路交叉口如圖1所示。

圖1 交叉口現狀

對中環南路—城南路交叉口現狀進行渠化，四個方向均為“四進三出”形式，現狀配時如表1所示。

表1 中環南路—城南路交叉口現狀配時表

對該交叉口現狀進行VISSIM建模仿真，輸入現狀調查得到的晚高峰時段該交叉口流量，該交叉口現狀基本參數如表2所示。

表2 交叉口現狀數據

由表2可知，第一相位的相位飽和度已經接近于1，處于飽和狀態；第二相位的相位飽和度已經超過了1.0，處于過飽和狀態，這說明該信號交叉口目前的交通設計已經不能滿足當前的交通需求。通過仿真發現現狀該交叉口服務水平為E級，東西方向延誤較大，交叉口擁堵嚴重，因此需要對其進行改善和優化，以緩解交叉口擁堵問題。

2.1 信號配時優化

應用建立的信號優化模型對中環南路—城南路交叉口進行信號優化，假定加權系數γ=0.5，損失時間為12s，最小周期長為70s，最大周期長為180s，編程計算得表3。

表3 初步優化后的結果

從表3可以看出，第二相位的相位飽和度有了一定程度的下降，但是第一相位的相位飽和度仍然很高，超過了0.9，這說明僅僅從信號配時優化上已經不能很好的改善該交叉口的通行效率以及性能，進而需結合交口的渠化改造，從空間和時間兩方面同時優化，以求達到交叉口性能最優化。

2.2 時空交通優化

根據現場調查的結果、對流量流向的分析比較，以及通過對交叉口的VISSIM仿真分析，發現現狀交叉口存在以下問題：

a）東、西進口的平均排隊延誤較大，東西方向為該交叉口交通主流向，需對東西進口進一步做渠化優化處理，同時調整信號配時；

b）東西進口道的左轉車輛較多，該左轉相位的延誤最大，需改進該相位配時設置；

c）南北進口的轉向流量較大，需結合進口道車道設置，改進信號配時。

針對上述問題，根據交叉口流量情況，筆者提出了中環南路—城南路交叉口交通渠化優化措施（交叉口流量及渠化設計如圖2所示），將中環南路方向進口道拓寬為“五進三出”，車道劃分為三條直行車道，左轉和右轉車道各一條；城南路進口道保持原有形式不變。結合以上渠化措施，應用建立的信號優化模型，得到信號配時如表4所示。

圖2 交叉口流量及渠化設計

表4 結合渠化后信號配時優化

通過模型優化，該交叉口的信號周期時長縮短至90s，四個相位的相位飽和度都有所下降，第一相位的相位飽和度由原來的0.95降至0.87，第二相位的相位飽和度降至0.62，交叉口平均延誤時間也有一定下降。

3 VISSIM仿真評價

利用交叉口的各種數據，通過VISSIM對交叉口的狀況進行計算機仿真，并選取進口排隊延誤、排隊長度、服務水平等作為評價指標。

各指標含義如下：

a）排隊長度 車輛排隊等待通過交叉口時的隊伍長度，以“輛”計；模擬時，當汽車行駛速度低于1km/h時，認為排隊開始，當汽車速度回升超過3km/h時，認為排隊結束；

b）進口排隊延誤 延誤是指由于道路和環境條件、交通干擾以及交通管理與控制等駕駛員無法控制的因素所引起的行程時間損失，以“s/輛”計；進口處排隊延誤是指車輛在進口處排隊等待通過交叉口時所損失的時間；

c）服務水平 根據各進口道的排隊延誤值，對應的各級服務水平，能夠較為直觀的反應交叉口的運行狀況。

對中環南路—城南路交叉口優化前后進行仿真對比，各進口道指標對比結果如表5所示。

表5 交叉口優化前后對比表

從上表中對比結果可知，在采用優化改善方案后，交叉口各進口道的平均排隊長度有較大程度的減少，在交通量較大的東西進口，平均排隊相比于改進前縮短了50%，大大提高了交叉口的通過效率。平均排隊延誤同樣減少顯著，交叉口平均延誤由原來的58s，降低為40s，延誤時間減少了31%，交叉口服務水平由E級變為D級。這說明通過優化方法改進后，交叉口的性能有較大程度的改善。

4 結語

本文提出了應用VISSIM仿真軟件與信號配時相結合的信號交叉口優化方法，將該優化方法應用于嘉興市中環南路—城南路交叉口優化實例中，并對優化結果進行了VISSIM仿真評價。評價結果表明：采用本文提出的方法進行交叉口優化，效果顯著，平均排隊長度、平均延誤指標下降明顯。本方法能夠很好的從時間和空間兩方面改善交叉口的性能，為交叉口的優化提供參考。

[1]楊佩昆，吳兵.交通管理與控制[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]毛保華，楊肇夏，陳海波.道路交通仿真技術與系統研究[J].北方交通大學學報，2002，26（5）：37-46.

[3]鄧文，彭愚.基于信號優化與VISSIM仿真的交叉口優化方法研究[J].交通標準化，2007,（2/3）：161-164.

[4]張衛華，陸化普，石琴，劉強.公交優先的信號交叉口配時優化方法[J].交通運輸工程學報，2004,4（3）：49-53.

[5]李建新，毛保華.混合交通環境下有信號平面交叉口通行能力研究[J].交通運輸系統工程與信息，2001，1（2）：122-123.

[6]飯田恭敬.交通工程學[M].邵春福，楊海，史其信，等，譯.北京:人民交通出版社，1994.