基于VISSIM的西農路交通改進方案研究

楊川琪 姜守芳 李耀猛 王吉鵬 袁一凡 馬俊丞

西北農林科技大學 水利與建筑工程學院 陜西 咸陽 712100

0 研究背景

隨著我國經濟的持續發展,人們的購買力持續增長,很多中小城市的私家車保有量增長迅猛,但與發達國家相比,我國的交通管理系統還不夠完善[1],同時由于很多中小城市沒有編制城市交通規劃,僅在總體規劃中概念性地擬定了規劃路網,且沒有考慮城市交通的發展需求[2],因此中小城市的交通堵塞問題變得越來越突出。對如何解決在中小城市發展過程中出現的交通擁堵問題也迫切需要我們做出思考和回答。

平面交叉口是整個道路網中通行能力與交通安全的瓶頸[3],日常交通堵塞大部分都是由于平面交叉口的通行能力不足所導致的。VISSIM的交通模型是一種微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具[4]。由德國Wiedemann教授提出的心理—物理車輛跟馳模型(psycho physical carfollowing model)是迄今為止用于計算機交通仿真的最為精確的模型之一[5],并且VISSIM也在國外得到廣泛應用。此次研究采用以現場調查、問卷采訪、統計資料為基礎,嚴格按照相關規范制定有針對性和可實施性的解決方案,并通過相關仿真軟件驗證方案的可行性的方法,對西農路交叉口及其他方面進行了設計。

1 西農路實況概述與現狀交通問題

研究路段自五臺山環道為起點,至西農路立交北側進出口為終點,整條路線為直線,全長約為980米。

1.1 道路橫斷面布置 西農路—康樂路交叉口北進口道橫斷面布置為雙向四車道,機動車道單車道寬度為3.5m,機動車道旁設置1.4m非機動車道1,非機動車道1外側設0.5m路緣帶,路緣帶外側綠化帶寬度為2.5m,綠化帶外側設2.5m非機動車道2,非機動車道2外側人行道寬度視道路兩側店鋪外富余空間而定,視人行道寬度為2m,道路雙黃線間距為0.2m,則自五臺山環道至西農路—康樂路交叉口北進口道路幅總寬度為32m。

西農路—康樂路交叉口南側道路至研究終點機動車道布置同北進口道,但南出口道至研究終點不設置非機動車道,路緣帶外側人行道加綠化帶寬度為5.3m;南進口道在綠化帶內側設置2.5m非機動車道。西農路—康樂路交叉口東西向康樂路橫斷面布置除不設置非機動車道外,機動車道布置同西農路。

1.2 十字交叉口 西農路—康樂路交叉口作為主要研究對象,交叉口均為平面交叉,信號相位設置為兩相位。西農路與康樂路交叉口進口道均設置為直左與直右混合行駛車道。交叉口四個方向均設置人行橫道,并配有行人過街信號燈。

西農路與康樂路交叉口,南北向綠燈55s,東西向紅燈60s;南北向紅燈55s,東西向綠燈50s。全紅2s,黃燈3s,信號周期時長為115s,行人過街信號燈配時同機動車交通信號燈一致。西農路與高干渠路的交叉口,南北向紅燈45s,東西向綠燈40s;南北向綠燈45s,東西向紅燈50s,全紅2s,黃燈3s。行人過街信號燈配時同機動車交通信號燈一致。

通過實測交叉口在工作日早、中、晚三個高峰時段的交通流量,統計得到交通流量分布如圖1所示。

圖1 交通流量分布圖(單位:輛)

1.3 交通路癥分析 西農路為貫穿南北方向的主干道,連接了西北農林科技大學南北校區,道路沿線為楊陵城區中心地帶,屬商業中心,交通量大,人流車流均很復雜。機動車道和非機動車道之間無交通渠化設施,存在安全隱患。

西農路—康樂路南出口道路段,屬于機非混合行駛車道,容易造成交通混亂以及交通事故[6]。

2 道路改進設計

研究與改進方向主要以道路橫斷面、交通相位設計、交通信號配時設計三個方面為主。

2.1 道路橫斷面設計 原道路在機動車道旁設置1.4m非機動車道1,同時道路兩側綠化帶、人行道占有較大空間,故在交叉口進口道附近對道路進行拓寬,為遵循最小改動量、最低成本的原則[7],設計取消西農路段內1.4m非機動車道1,進口道車道數增加為三車道,單車道寬度為3.5m;出口道仍保持雙車道,單車道寬度為3.5m,綠化帶、非機動車道2與人行道均保持不變,道路寬度僅增加0.7m。根據《城市城市道路交叉口規劃規范》[8]中對展寬段的規定,取漸變段30m,展寬段80m。

除進口道漸變段外,其余部分道路同取消1.4m非機動車道,機動車道仍保持雙向四車道其余部分不變。

2.2 交通信號配時設計 交叉口信號設計通常包括兩方面的內容,一是確定信號相位設計方案,二是確定符合信號相位的信號配時方案[9]。

2.2.1 確定信號相位 根據國際統一標準,是否設置左轉保護相位應滿足以下條件:計算左轉交通量H應大于100(pcu/h),并且對向單車道直行車流量乘積大于50000(pcu/h)[10]。西農路與康樂路交叉口各進口道左轉車流量均大于等于100(pcu/h),除東進口道左轉車流量與對向單車道直行車流量乘積小于50000(pcu/h)外,其余均滿足要求,但為了減少更多沖突點故各相位均設置左轉保護相位。

2.2.2 確定最佳信號配時 飽和流率指的是某一車道或車道組在一次連續的綠燈信號時間內能夠通過的最大流率值,飽和流率并非定值,受交叉口的幾何條件等的影響,比較復雜[11]。本交叉口無左轉專用車道,故本次直行車道的飽和流率公式(1)計算

fwfgfHVfRT按照《城市道路工程設計規范》[12]計算取值。

得到各進口道直行車道飽和流率分別為:北進口1542 pcu/h;南進口1590 pcu/h;西進口1559 pcu/h;東進口1580pcu/h。

當設置左轉保護相位時直行當量換算系數為1.05;西農路與康樂路交叉口行人數量影響右轉直行當量換算系數,本次仿真設計中取行人數量為100,根據文獻[10]表中內插值計算得到右轉直行當量換算系數為1.25。各進口道直行當量結果見表1。

通過直行當量計算結果確定關鍵流率比,且取黃燈時間A=3s,全紅時間2s,啟動損失l=3s,第一與第二相位和第三與第四相位之間只設黃燈,第二與第三相位和第四與第一相位之間設置黃燈3s,全紅2s,則整個周期損失時間L=16s,按則按照傳統的韋伯斯特信號配時方法[13]即式(6),計算得到的最佳信號周期為69.04s,取整為70s。

有效綠燈時間按式(7)計算:

表1 設計直行當量(單位:輛)

顯示綠燈時間確定按式(8)計算:

通過式(7)、(8)計算得到綠燈信號配時如下:北、南入口左轉綠燈11s,直右左混合行駛綠燈17s,東、西入口左轉綠燈8s,直右左混合行駛綠燈18s。顯示綠燈時間要滿足大于行人過街時間。行人過街最短綠燈時間按式(9)計算。

其中行人過街長度為18m,行人過街速度vp取1.4m/s[14],綠燈間隔時間I=5s,計算得最短綠燈時間為15s,本次設計一個周期內行人過街綠燈設計為兩次,分別設置在第二相位與第四相位結束,綠燈時間分別為第三、四相位機動車綠燈之和26s以及第一、二相位機動車綠燈之和28s,滿足行人過街要求。

2 仿真數據對比

根據原道路與新設計道路情況分別建立仿真路網,以現場實測記錄得到的高峰時段交通流量作為仿真數據,并按照實際的公交車站、停車場、人行橫道位置建立相關模型,完成基礎實際道路模型的建立。在交叉口處按照我國現行標準設置交叉口沖突區域交通優先權,同時也考慮行人過街,車輛讓行的影響,模擬車輛讓行行人的情景。分別帶入原道路與新設計理論信號配時,以西農路—康樂路交叉口各進口道排隊長度、行駛時間、延誤時間三個數據作為判定交叉口通行狀態的重要指標[15],對同等交通流情況下得到的仿真數據進行對比。

取各進口道行駛方向平均排隊長度最大值作為比較對象,結果見表2,通過排隊長度數據可看出,新設計交叉口平均排隊長度不大于15m,最大排隊長度不大于64m,較之前兩種方案平均排隊長度最大可減少65%,最大排隊長度最大可減少40%。

表2 排隊長度對比(單位:m)

通過數據調查統計分析獲得了行駛時間數據(見表3),可以看出,新設計交叉口在直行方向的行駛速度在南北方向有較大提升,直行方向行駛速度仍保持在設計速度的60%以上,轉彎方向車輛行駛速度仍保持在設計速度的25%～45%之間,較原道路現狀有一定提升,最大可提升原速度的50%。

表3 行駛時間對比(單位:秒)

通過數據調查統計分析獲得了延誤數據(見表4),可以看出,新設計交叉口在信號相位增加的情況下高峰小時內車輛總延誤約79min,較原交叉口減少了約31%,部分方向平均延誤雖有增加但總體改善效果較好,且新設計交叉口在高峰小時內車輛總停車次數為384次,較原交叉口減少了約44%。

表4 車輛延誤對比

平均停車次數車輛平均延誤/s北至南直行 0.03 0.08 0.00 2.03 3.72 1.54北至東左轉 0.80 1.25 0.23 5.93 7.39 0.59東至西直行 0.01 0.01 0.07 0.71 0.78 1.62東至南左轉 0.50 0.42 0.25 3.26 4.12 2.20東至北右轉 0.47 0.26 0.56 4.00 1.11 2.97西至東直行 0.03 0.03 0.16 2.02 2.01 2.75西至南右轉 0.07 0.07 0.30 0.16 -0.44 2.81西至北左轉 0.74 0.57 0.11 9.9 5.07 2.82

4 結論

為了改善交叉口的通行情況,研究前期通過實地調查、數據統計并根據相關規范分析西農路-康樂路交叉口在交通信號配時、道路橫斷面設計、交通渠化設計等方面所存在的問題,研究發現其主要問題有以下幾個方面:主干路空間利用不合理、機動與非機動車道間的連接缺少交通渠化、路段停車場入口設置不合理、部分路段機非混合行駛。在對現狀道路進行仿真分析后,通過理論計算并進行再度仿真對比后更驗證了原交叉口設計的不合理性。

在以上問題的基礎上對原道路進行改進設計,在最小改動量的原則下提出了對西農路的改進和優化方案,通過VISSIM仿真軟件對新方案進行仿真驗證,選取平均排隊長度、交叉口行駛時間、車輛平均延誤等作為評價指標,結果表明本文提出的新方案能有效改善西農路交叉口的交通運行狀態,同時可為其他城市道路交通設計提供改進思路,以減少交通擁堵情況,提高市民的出行效率。后期擬在混合交通狀況下開展優化和仿真分析研究。