城市道路交叉口交通信號配時優化研究

郭宏玉，高媛，姚樹森

（長安大學，陜西 西安 710064）

城市道路交叉口交通信號配時優化研究

郭宏玉，高媛，姚樹森

（長安大學，陜西 西安 710064）

∶文章針對西安市小寨十字交叉口的交通問題。結合實際情況，以Webster法對實地調查數據進行計算，確定了優化配時方案，并對改善前后的方案利用Vissim軟件進行了仿真演示。通過對平均排隊長度和延誤兩評價指標對比可知重新計算并優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狀況。

∶交通量；Webster法；優化配時；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的快速發展，城市交通問題日益嚴重，交通擁堵有很多原因造成，作為承載多方向分流任務的道路交叉口，其車輛通過能力的最優化利用顯得十分重要。而交叉口是否最大化的發揮通行作用最終決定于該交叉口交通信號配時的好壞。本文通過對小寨十字交叉口進行實際調查，對相關數據進行了調查、整理和處理，通過典型的Webster法對現有的信號配時進行優化設計，運用仿真軟件對比優化前后的車輛平均排隊長度和延誤，確定合適的方案，目的是減少擁堵。

1、交叉口現狀分析

西安市小寨十字是一個重要的大規模交叉口，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。而實際上南北方向是車流高峰時期擁堵的主要因素，特別是北邊，其接南二環上的重要樞紐長安路立交，且途中又長安大學家屬區及附中、西安音樂學院等學校，人流車流量極大，南邊有西安郵電大學等重要機構，車流量也不小，雖然進行了擴寬道路等措施，但由于車流量極大，加上交叉口配時不合理，使得小寨十字交叉口車輛延誤和排隊長度比較大，擁堵問題嚴重。

通過實地調查，發現該交叉口主要存在以下幾個問題：（1）南北方向車流量大，南北直行相位結束時，直行車輛沒有完全通過，與下一相位的車流形成沖突，致使擁堵較為嚴重，車輛排隊長度和車輛延誤較大；（2）北入口道路標線施畫得不是很清楚，機動車行駛較為混亂，部分行人過街不看紅綠燈，存在事故隱患；（3）南北左轉車流量大，但實際信號燈允許的行駛時間較短，三相位實際綠燈時間設置不合理，使得東西相位綠燈時間有所浪費，周期綠燈時間利用效率降低。

本文采用經典的Webster法對該交叉口重新計算，進行配時，并對改善后的配時方案運用Vissim 軟件進行仿真，通過對交叉口平均延誤和平均排隊長度指標對結果進行評價。

表1　小寨十字各進口道車道數及渠化情況調查

據實地調查，交叉口周期為148s，全紅時間0s,兩相位信號配時，黃燈3s，右轉相位不做限制，其相序、相位及配時方案如表2所示。

表2　當前交叉口信號燈相位相序分布表

（備注：周期148s，全紅時間0s，黃燈時間3s，右轉不限）

2、設計交叉口信號配時方案

2.1交通量調查

統計時把各種車型折算為標準小汽車，折算系數如下表3：

表3　各種車型換算成標準小汽車折算系數

以10分鐘為間隔進行統計，通過連續五天（工作日）對晚高峰期間（18:00——19:00）的機動車交通量進行調查，最終取值為五天的平均值如下表4。

表4　晚高峰（18:00—19∶00）小寨十字各進口道交通流量統計

2.2Webster配時的基本方法

經過調查和計算，交叉口的單車道通行能力為1800 pcu/h，根據表3的交通流量比較，交叉口沒有達到飽和狀態，所以利用韋伯斯特法來計算參數：

（1）定時信號的最佳周期時長為C0：

其中，L——周期總損失時間；

Y——各相位的最大流量比之和。

（2）周期總損失時間為L：

其中，j——第j相位

lj——個相位內的起動損失時間，一般取3s；

AR——全紅時間

（3）最大流量比之和Y；

其中，yj1,yj2,yj3,yj4——指第j相位內不同方向的流量比；

Qj1,Q,j2,Qj3,Qj4——第j相位內不同方向的流量；

Sj1,Sj2,Sj3,Sj4——對應相位的設計飽和流量；

當Y≥0.9時，韋伯斯特法不再適用。

（4）總的有效綠燈時間為Ge

（5）第j相位的有效綠燈時間為gei

（6）第j相位的顯示綠燈時間為gj

其中，lj——第j相位的啟動損失時間

（7）最短綠燈時間gmin

其中，Lp——街道長度

Vp——過街速度，一般取1—1.2m/s

I——綠燈間隔時間

2.3小寨十字交叉口信號配時的Webster計算及優化設計

通過實地調查和計算，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計算各相位關鍵流量比、綠信比從而算得的相位飽和度可知，各個道路均未飽和，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計方案，我們可以用Webster法進行計算。

（1）計算周期的總損失時間

首先，在優化流程中確定信號相位時信號相位必須同交叉口進口車道渠化和車道功能劃分方案同時進行，一般來說如果相位數越多就會使分配給各個相位的綠燈時間減少，從而增加了損失時間，通常設定的相位數一般限制在2——4個，周期時間過短，周期損失時間增加，通行能力下降；如果信號周期過長，周期內相位損失增加，單位時間內放行次數減少，同樣降低通行能力。

根據調查情況我們繼續采用三相位設計，為保證清空時間車流沖突減少，為增強南北方向通行能力，同時為保證安全，我們利用上述數據及Webster公式求出通行方向的流量比、有效綠燈時間等指標，如表5所示：

表5　小寨東路與翠華路交叉口信號相位參數表

（2）其次，我們根據公式和數據求得Y：

所以我們完全可以用Webster算法來計算。

（4）總的有效綠燈時間為Ge=C0?L=125s 。

表6　重新計算設計相位表

（備注：周期長度為134s，黃燈時間為3s，全紅時間為0s,右轉不限）

以上優化方案也就是我們基于Webster算法重新優化的方案，在最佳周期長度的基礎上，根據關鍵車流量比，我們可以根據實際的計算結果所確定的綠信比再次計算其飽和度，并與之前的飽和度對比可知優化后的方案可以充分利用綠燈時間，減少延誤，提高交叉口通行能力。通過對該交叉口信號配時的優化，交叉口將能夠實時應對在各種情況下的交通狀況，給各個通行方向上的車輛最大的通行權，最大限度的減少延誤和排隊長度。

我們對原配時方案a、重新計算后的設計方案b運用交通仿真軟Vissim進行仿真，輸出的結果表明，b方案的通過車輛數、最大排隊長度、延誤、人均延誤、停車時間等指標都要比a方案小，而兩方案的平均排隊長度差不多，通過仿真可以看到Vissim仿真運行時的畫面顯示交通流運行也很流暢，我們認為達到了我們此次優化該交叉口配時的目的。

圖1　原設計方案的仿真結果

圖2　重新優化設計后的方案仿真結果

3、結論

在城市交通管理中，交叉口交通信號燈控制是這項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象，通過實地調查、數據采集和分析，結合實際情況并運用經典的Webster算法，重新計算并優化設計了交叉口的信號配時方案。該設計中，我們根據南北左轉車流量較大的實際情況，為解決高峰期間擁堵問題，增加了南北左轉相位顯示綠燈時間。相應的減少了東西相位的綠燈時間，增強了交叉口的通行能力，在利用Webster算法求周期時，我們還可以根據實際情況對計算結果進行了修正，使得采用的最佳周期時長更加符合實際情況。

設計完成后，我們運用仿真軟件對優化前后兩種方案進行了仿真演示，仿真結果顯示重新設計并優化的方案b能大大減小延誤，很好的解決交叉口存在的延誤問題，提高交叉口通過能力和服務水平。

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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，就讀于長安大學。