典型交叉口動態交通配時方法研究

田振鼎

典型交叉口動態交通配時方法研究

田振鼎

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710000）

通過分析存有施工區的典型交叉口交通現狀，發現因施工區的存在會導致交通擁堵和交通事故次數的升高?；趧討B交通配時的方法，借助VISSIM_COM與MATLAB的接口技術，實現動態交通信號配時。通過SSAM軟件和速度標準差系數對于沖突次數的統計和比較。研究表明：在此方案下，交通沖突次數降低了52.3%，全局運行速度提高了60%左右，速度標準差系數平均降低30%左右，典型交叉口施工區出交通安全性得到了提高與保障。

交通安全；動態交通配時；VISSIM_COM/MATLAB；SSAM

前言

由于城市道路施工區的存在，使得現有的交通配時方案會無法滿足部分交叉口現階段的通行現狀，部分交叉口會產生溢流和排隊現象，導致沖突率上升，因此對于此類典型交叉口的信號配時需要進行優化。國內對于施工區和動態配時的研究主要有：邵海鵬等人[1]發現施工封閉路段易形成道路瓶頸，降低道路的通行能力。為保障施工區行車安全高效，增設信號控制，建立適用于雙向交替通行的信號控制模型，借助VISSIM軟件建立仿真模型，運用控制變量法改變各仿真參數。仿真結果表明，在一定量的大型車輛混入的情況下，所提出的信號控制方案能較好地解決決道路擁堵問題。孫文亮等人[2]通過建立山區雙車道公路養護作業區Vissim仿真模型，模擬在不同封閉段長度下車輛的運行狀態，并對行程延誤、排隊長度、停車次數和停駛車輛百分比等參數進行分析，得出山區雙車道公路單車道封閉，短期養護作業封閉段長度不宜大于200m，長期養護作業封閉段長度不宜大于2500 m，這為山區雙車道公路養護作業區設置和交通組織提供理論依據。國外研究中，Yulong P等人[3]通過分析由于施工區區通常采用一個或多個車道封閉的形式，這將導致容量瓶頸并影響高速公路的穩定性和安全性。為了減少車道閉合的影響，設計了智能車道合并控制系統的控制流程。結果表明，智能車道合并控制系統的性能優于傳統的合并控制。Rayaprolu P等人[4]通過分析施工區的低效交通運行通常會導致旅行時間延遲以及可能的道路事故，其研究的重點是提出的施工區配置較新的操作效率，稱為聯合車道合并，并將其性能與傳統車道合并配置進行比較。比較了總吞吐量和平均延遲時間方面的性能指標，并進行了統計分析，以確定兩種配置之間的操作性能差異是否顯著。

綜上，對于信號配時大多集中于synchro，而synchro僅能減少延誤時間等一些基本參數的改善，并不能減少沖突數量，因此筆者結基于VISSIM_COM/MATLAB的仿真環境，對存有施工區的典型交叉路口進行動態配時改善，并對交叉口處的交通事故和行駛效率進行分析。

1 VISSIM_COM接口

本文通過VISSIM_COM環境進行動態信號配時處理。利用VISSIM接口與MATLAB程序銜接的方式，通過VISSIM_COM接口在MATLAB中實現交互界面。在MATLAB中對于VISSIM中車輛的運行狀態的改變，車輛的運行狀態達到自設的閾值下，進行改變信號周期，以此減少交叉口處的擁堵問題。在MATLAB中的command window中進行VISSIM控制，并能夠在工作區得到VISSIM中檢測器實時輸出的數據，便于數據調用和分析。VISSIM_COM/ MATLAB環境結構如圖1。在VISSIM里面設立好路網和檢測器，通過VISSIM_COM進行對于VISSIM的啟動和停止仿真，并能夠進行數據的實時獲取，接下來在MATLAB內部進數據調用和返回數值優化值。

圖1 模擬環境工作流程

2 交通安全評估

2.1 沖突類型

本文主要研究的是追尾沖突和換道沖突。追尾沖突：在施工區附近，由于速度的限制，前車需要減速行駛，這可能導致后車駕駛員反應不及時而造成追尾沖突。換道沖突：前車由于前方施工區的影響，會進行換道行駛，這會導致不同車道的合流車輛可能產生換道沖突。

2.2 沖突檢測

替代安全評估模型（surrogate safety assessment model，簡稱為SSAM）是利用微觀交通仿真模型，對交通沖突過程進行自動化分析而開發的。SSAM能夠識別VISSIM等微觀仿真模型生成的車輛軌跡文件中的沖突，當碰撞時間（time to collision，簡稱為TTC）超過預定閾值時，SSAM即將其記錄為沖突。

車輛跟馳追尾沖突表現為前車采取減速行為，導致前車速度小于后車速度。當前、后兩車距離事故發生的時間小于某一安全閾值時，認為前、后兩車發生追尾沖突，即：

處于運動狀態時，前、后兩車的車頭間距難以測量，而車頭時距獲取則相對容易。因此，計算中用車頭時距和車速替換分子，對式（1）進行變換得[5]：

式中：t為第i輛車的車頭時距。

2.3 速度標準差系數

結合車速離散性與事故率的關系，即速度離散性與交通流的安全運行密切相關，速度標準差系數與事故率存在較強的正相關性，即速度標準差系數增加，事故率隨之增加。為了評價不同配時下信號交叉口道路斷面交通運行的安全性，本研究選取速度標準差系數C作為城市道路施工區交通安全評價指標之一[6]。

3 結果分析

3.1 仿真實驗

本文通過分析西安典型的T型交叉口，即友誼東路與興慶路段交叉口，由于原有信號配時下剛好滿足無施工區的車輛通行，但當存有施工區即封閉一條進道口時，會使得進口處發生溢流現象，增加沖突次數。本文的動態配時即，在靠近施工區的警告位置處設置檢測器（Det），當該檢測器被占用時進行實時反饋，通過該反饋進行信號控制，具體位置如圖2所示。通過VISSIM_COM/MATLAB接口技術，使得當檢測器被占用時，使得控制進口處車輛的信號改為紅燈即禁行。檢測器占用機理為，當在此檢測器（Det）下，此時車輛行駛速度<5km/h時即被視為占用。

在友誼東路進口處設置全長20米的施工區（包括警告區、過渡區、緩沖區、工作區和終止區）并對施工路段設置限速40km/h，圖3中，為VISSIM_COM/MATLAB交互界面。

圖2 CAD底圖繪制

圖3 VISSIM_COM/MATLAB界面

3.2 沖突統計結果

將固定配時與動態配時下VISSIM的軌跡文件導入SSAM中可得以下SSAM沖突MAP圖（圖4所示），圖左為固定配時下的沖突點位，圖右為VISSIM_COM下的沖突點位圖，其中紅色為TTC<0.5S的沖突類型，黃色為TTC<1S的沖突類型，藍色為TTC<1.5s的沖突類型。

圖4 SSAM沖突MAP圖

從SSAM沖突MAP圖中可以看到，改善后的動態配時下的各個類型的沖突類型點位明顯下降。并且通過SSAM可得，固定配時下的追尾沖突為1904次，換道沖突為140次，總數為2046次，改善后的動態配時，追尾沖突為806次，換道沖突為109次，總數為915次，相較于固定配時下，沖突次數下降52.3%。

3.3 全局運行速度比較

單純的地點檢測器所得的速度大小是難以反映全局速度變化的，所以本文以150s為間隔，檢驗整個路網中的車輛記錄中的速度值，在3600s中，檢測的車輛總數為1141輛，由于此項檢驗為所有車輛的速度，所以需要進行數據濾波處理，以滑動均值窗口方法，設定時間窗口長度為5，即在所得的數據下以每5s滑動窗口向后移動一次，進行一次數據處理，最終得到較為優化的數值。

圖5中實線為固定配時下的擬合曲線，短折線為滑動窗口處理后的圖型。

圖5 固定配時下全局速度濾波值

圖5中可以看到，濾波后的速度擬合曲線的速度值，最大值達到17km/h，最小值為12km/h。

相同的，動態配時的檢測數據和優化后的數據如圖6。

圖6 動態配時下全局速度濾波值

通過全局數據比較，可以看出，固定配時下的全局速度集中在15km/h，而動態配時下的全局速度在35-38km/h之間，可以看到動態配時能夠顯著地提高全局的運行速度，使得全局速度值提高了60%左右。

3.4 速度標準差系數比較

為了比較固定配時和動態交通配時下每秒的安全性評價，本文在事故多發點位放置了檢測器，以此得到速度標準差系數。圖7-圖9為三個點位速度標準差系數比較，由于1號檢測器的位置為變道位置，速度受到施工區的影響較大，因此此處只考慮他的占用情況，而不考慮其速度情況，即速度標準差系數從2號檢測器開始。

圖7 2號檢測器速度標準差系數

圖8 3號檢測器速度標準差系數

圖9 4號檢測器速度標準差系數

從以上三個圖中可以看出，相對固定配時，動態交通配時可以使得所檢測的中心斷面的速度離散性下降，速度標準差的變化幅度明顯下降，交通流穩定性有所提高。兩者之間的比較可得，動態交通配時可以使得速度標準差系數平均降低30%左右。

4 結論

通過改善后的交叉口安全評估，沖突次數下降了52.8%，全局速度值提高了60%左右，速度標準差系數平均降低30%左右，使得典型交叉口的交通安全性能得到了提高。

[1] 邵海鵬,鄭斌斌,隆林栩.雙向雙車道施工區信號控制方法及仿真研究[J].系統仿真學報,2019,31(03):448-459.

[2] 孫文亮,劉振清,賀玉龍,高發亮.基于Vissim的山區雙車道公路養護作業封閉段長度研究[J].公路交通科技,2012,29(02):140-143.

[3] Yulong P, Leilei D. Study on Intelligent Lane Merge Control System for Freeway Work Zones[C].Intelligent Transportation Systems Con -ference, IEEE, ITSC 2007.

[4] Rayaprolu P, Ishak S, Qi Y, et al. Operational Assessment of Joint and Conventional Lane Merge Configurations for Freeway Work Zones[J].Journal of Intelligent Transportation Systems,2013, 17(4): 255-267.

[5] 李耘.高速公路施工區交通流特性與安全風險分析[D].長安大學. 2014.

[6] 吳義虎.武志平.基于平均車速和車速標準差的路段安全分析方法[J].公路交通科技,2008(03):139-142.

Research on Dynamic Traffic Timing Method of Typical Intersection

Tian Zhending

（China Railway First Survey And Design Institute Group Co., Ltd, Shaanxi Xi’ an 710000）

By analyzing the current traffic situation of typical intersections with construction areas, it is found that the existence of construction areas will lead to increased traffic jams and traffic accidents. Based on the method of dynamic traffic timing, with the help of VISSIM_COM and MATLAB interface technology, dynamic traffic signal timing is realized. Statistics and comparison of the number of conflicts through SSAM software and the speed standard deviation coefficient. Research shows that under this scheme，the number of traffic conflicts is reduced by 52.3%, the global operating speed is increased by about 60%, and the speed standard deviation coefficient is reduced by about 30% on average. The traffic safety of typical intersection construction areas is improved and guaranteed.

Traffic safety; Dynamic traffic timing; VISSIM_COM/MATLAB; SSAM

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.013

U461.99

A

1671-7988(2021)04-38-04

U461.99

A

1671-7988(2021)04-38-04

田振鼎，就職于中鐵第一勘察設計院集團有限公司。