基于VISSIM仿真的交叉口信號配時優化分析

魏子凱　梁夢凱

摘要：隨著我國城市化發展和車輛保有量的增加，城市交通負荷也隨之急劇增長，現有交通信號配時方案與交通需求不能很好地匹配。為了緩解交通延誤、提高道路通行效率，文章以石河子市北五路—東二路交叉口為例，利用交通仿真軟件VISSIM對該交叉口建立微觀道路交通流模型并進行仿真優化分析。結果表明，優化后交叉口排隊長度、車輛延誤等指標明顯降低，能夠有效緩解交通擁堵、提高安全性。

關鍵詞：VISSIM;交叉口;信號配時;Webster算法

0 引言

隨著國民經濟發展和城市化進程持續推進，私家車保有量在過去的十年間增長了四倍多，交通需求與道路設施之間不斷產生尖銳矛盾[1]，而交叉口是城市道路網中的重要節點[2]，某些交叉口路段通行能力不足，由此導致了交通擁堵問題日益嚴重。因此，對交叉口的交通狀況進行分析，對信號燈配時進行優化，可以在一定程度上提高道路通行能力[3-4]，減少延誤，保證行車暢通。

VISSIM為德國 PTV 公司開發的一種基于時間間隔和駕駛行為的微觀交通流仿真軟件系統，被廣泛地應用于城市交通狀況仿真[5]。本文以石河子市北五路—東二路交叉口為例，利用 Vissim 交通微觀仿真模型對該交叉口進行仿真，利用Webster算法優化信號配時，通過排隊長度、車輛延誤等指標評估改善效果。

1 交叉口基本狀況

石河子市北五路第五中學路段是一條雙向四車道的城市道路，方向為東西向，從東至西連接了北五路—東二路交叉口、石河子大學北苑新區、石河子市第五中學、石河子大學北校區以及數個住宅小區，交通需求較大，交通作業繁忙，尤其是在上下班、上下學高峰時帶來的行人流、車流對道路通行能力會產生很大的影響。

該交叉口為城市主干道北五路與東二路相交形成的十字型交叉口。交叉口西進口為一條寬12 m的雙向四車道道路，道路兩旁沒有停車位，道路中央為黃色雙實線，未設立中央分隔欄。道路兩側基本對稱，各有一條寬3.5 m的非機動車道、一條寬2 m人行道，設有寬2 m機動車道、非機動車道隔離帶。其他三個方向道路情況與東進口基本一致，均為雙向四車道，每個方向進口均為一條直行或左轉車道，一條直行或右轉車道，車輛右轉不受限。

同方向的兩條車道可以變道，但各個方向進口道車輛在接近交叉口停止線后禁止變道。車輛通過交叉口進口道時，左右兩個車道分別可以直行或左轉、直行或右轉。

選擇13：00-14：00午高峰時間段對北五路—東二路交叉口交通流量進行調查，由于路段上的交通流量的多少受影響因素很多，存在偶然性，因此對多次觀測的結果取平均值，結果如表1所示。同時統計出高峰期交通流的各種車型占比，各個進口的車流中，小汽車約占85%，貨車等大型車輛約占10%，公交車約占5%。

根據現場觀察，該交叉口采用兩相位控制，信號周期為70 s，具體信號配時數據見表2，信號相位如圖1所示。

北五路—東二路交叉口四個方向的限速均為60 km/h，但是由于該路段的學校、斑馬線數量較多，實際車速比60 km/h低。

2 VISSIM模型建立與仿真

根據路段交通現狀調查所獲得的數據，使用CAD軟件繪制底圖，導入VISSIM微觀交通仿真軟件。由于最終的評價指標為車流的排隊長度、車輛延誤等信息，因此選擇忽略非機動車道和非交叉口的人行橫道的設置，將交叉口行人及非機動車簡化為在人行橫道兩端的面域中產生和結束。

根據交通現狀調查的結果，設置每個進口不同路徑的車流量和車輛類型等參數，設置相對應的檢測器。出于模型的簡化考慮，假設所有車輛、行人均遵守交通規則。在完成VISSIM模型后，仿真過程如圖2所示。

通過仿真模擬，得到東進口、西進口、南進口及北進口上各流向車輛的平均排隊長度、最大排隊長度、車輛延誤、靜態停車延誤和停車次數，仿真結果如表3所示。

由于各進口車流量的差異，在現有配時方案下，必然會出現車流大的方向排隊長度較長，如西進口與北進口的排隊長度遠遠大于東進口和南進口。觀察表1的調查數據可知，南進口的車輛路徑選擇左轉車輛數量較多，占比達到37.7%，由于車輛左轉時行駛軌道的半徑較右轉更大，行駛距離較右轉較長，并且同其他方向行駛車輛的沖突點更多，所以造成南進口車輛延誤、靜態停車延誤數值較大。北進口方向選擇左轉的車輛占比為21.3%，僅低于南進口左轉車輛占比。

3 信號配時優化

本文選擇采用最為普遍的Webster方法對北五路—東二路交叉口信號配時進行優化，此模型是以車輛延誤時間最少為目標計算信號配時的一種方法，核心為車輛延誤和最佳周期的計算，是目前交通信號控制中常用的計算方法[5-8]。

首先確定每個進口方向不同車道設計交通量，這里采用實測高峰小時交通量來計算，計算公式為式（1）：

通過行人過街所需要的時間作為最短綠燈時間，檢驗上述計算的顯示綠燈時間是否滿足設計要求，Webster方法計算出的顯示綠燈時間必須大于最短綠燈時間。

應用上述Webster方法優化的到新信號方案的周期為55 s，東西向綠燈24 s，黃燈3 s，紅燈28 s。南北向綠燈21 s，黃燈3 s，紅燈31 s。

根據優化后的道路渠化以及信號配時，對該交叉口再次進行 VISSIM 仿真，并與優化前的各數據進行對比分析。優化前后排隊長度、車輛延誤對比如圖3、圖4所示。

通過優化前后的數據對比，可以發現北五路—東二路交叉口交通狀況有很大幅度的改善，東、西、南、北四個進口排隊長度分別下降了28%、21%、17%、32%，各進口車輛延誤分別下降了22.8%、16.6%、15.7%、25.7%，優化效果十分顯著。這說明優化后的方案能夠提高交叉口的通行效率，改善交叉口的擁堵情況。

4 結語

本文以石河子市北五路—東二路交叉口為研究對象，運用VISSIM軟件建立微觀交通模型并進行仿真，采用Webster方法優化信號配時方案，對比優化前后評價指標，結果表明，車輛延誤與排隊長度均有明顯減少，論證了優化方案的可行性，能夠有效緩解交通擁堵，提高行人過街安全性。

參考文獻：

[1]周國志. 面向信號交叉口的微觀交通仿真系統開發[D]. 北京：北京交通大學， 2019.

[2]張自荷. 基于VISSIM仿真的平面信號交叉口交通組織優化[J]. 山東工業技術， 2018（21）： 143.

[3]張 誠，季文倩，謝 衍. 基于VISSIM仿真的交叉口信號優化配時綜合評價[J]. 物流工程與管理， 2019， 41（9）： 127-130， 139.

[4]王青松. 城市交叉口短時交通流的配時優化方案研究與應用[D]. 合肥：中國科學技術大學， 2019.

[5]黃翔月，馬書紅. 基于VISSIM的交叉口信控環島交通渠化及評價研究[J]. 內蒙古工業大學學報（自然科學版）， 2019， 38（1）： 59-66.

[6]王小凡. 基于VISSIM的交叉口交通優化及評價研究[J]. 技術與市場， 2019， 26（1）： 43-45.

[7]張 萌. VISSIM仿真在交叉口信號配時優化中的應用[J]. 信息與電腦（理論版）， 2019（6）： 119-121.

[8]吳嬌蓉.交通仿真系統及應用[M].上海：同濟大學出版社，2004.