基于Vissim仿真的多路交叉口交通組織優化研究

文章以南寧市教育路與古城路多路交叉口為例，根據實地調查數據進行信號配時的優化設計。通過Vissm仿真軟件對交叉口信號配時優化前后的方案進行對比可知：優化后平均排隊長度降低了46.2%，平均停車延誤降低了44.4%，平均車輛延誤降低了41.5%，交叉口的服務水平從E上升為D；該優化方案有效緩解了交叉口的擁堵情況。

多路交叉口；Vissm仿真；延誤

U491.1+2A521674

基金項目：

廣西重點實驗室運行補助項目“2021年度廣西中國—東盟綜合交通國際聯合重點實驗室運行補助項目”（編號：21-220-21）；南寧市科技發展計劃項目“交通基礎設施智能運維及健康監測平臺”（編號：20223230）

作者簡介：

譚海婷（1994—），碩士，工程師，研究方向：交通運輸規劃與管理。

0" 引言

隨著道路網密度不斷增加，交叉口在城市道路網的作用越發重要。不規則的交叉口往往存在于城市的老城區中，類型有X形交叉口、T形交叉口、錯位交叉口以及多路交叉口等［1］，而多路交叉口又由于其特殊性，屬于不規則交叉口中交通問題較難解決的類型。

目前國內對交叉口的研究文獻多為四路交叉口的內容，多路交叉口的研究相對較少，大都只是從交通信號控制或者交通渠化方面來進行探討。范新科等通過交叉口形態規整、車道合理布設、交通設施完善和信號協調控制等手段，對多路交叉口進行了交通組織精細化設計［2］。李勁夫等針對畸形交叉口存在的問題和擁堵原因設計相應的渠化設計組織方案，通過Vissim仿真評價分析渠化改善效果［3］。劉意等結合實例研究核心區多路交叉口規劃思路和效果［4］。馬慶祿等對多路交叉口提出了“環島+信號燈”控制方法和類十字交叉交通控制方法兩套改進方案，優化后的仿真驗證了類十字交叉口的平均車輛延誤和排隊長度等評價指標更低［5］。陳濤等將F-B法運用于五路交叉口的信號設計中，減少了交叉口行車延誤，驗證了F-B法在多路交叉口信號優化中的可行性［6］。潘俊燕依據元胞傳輸模型理論構建“五邊形”五路交叉口CTM模型，提出了一種多路交叉口分散信號組織的方案［7］。

1" 多路交叉口優化理論及方法

1.1" 渠化方法

1.1.1" 渠化原則

因為多路交叉口也屬于平面交叉口，因而平面交叉口的渠化措施也可用于此。多路交叉口渠化設計應遵循以下原則：

（1）與多路交叉口交通流特征相協調。

（2）交叉口面積要適宜。

（3）分離沖突點、縮小沖突區。

（4）合理利用現有道路設施空間。

（5）渠化方案要易于理解。

（6）渠化方案要以人為本。

1.1.2" 渠化方法

1.1.2.1" 拓寬進口道

拓寬進口道，并增加進口道的數目，能在一定程度上增加交叉口的通行能力，并且增加通過的車輛。

1.1.2.2" 提前右轉彎

對于通過進口道的車輛設置提前右轉彎，從而減少交通擁堵。

1.1.2.3" 人行橫道和網格線前移

通過前移人行橫道和網格線的設置，能減少車輛通過交叉口的時間，讓更多的車輛在綠燈內通過。這種渠化方法設置的前提是交叉口必須有充足的空間。

1.1.2.4" 設置綠化帶進行阻隔

通過設置阻隔綠化帶，可以分離不同車流，對交通安全性的提高有所幫助。并且可以減少噪聲、凈化空氣。

1.1.2.5" 設置導流線來引導車流的走向

通過在交叉口中相互干擾嚴重的車輛行駛路線上設置對應的導流線來指引車輛行駛，使交叉口的車流運行井然有序。

1.2" 信號配時控制方法

交叉口信號控制可以從時間上分離相互沖突的交通流，使不同方向的交通流能在不同時間通過交叉口。車輛根據該方向對應的信號燈指示通過交叉口，從而減少交叉口中車輛的相互沖突。交叉口信號控制參數主要有信號周期時間、綠信比和相位差。

1.2.1" 信號周期

信號的配時計算方法國際上主要有英國的韋伯斯特法、美國的HCM法和澳大利亞的ARRB法等，我國有停車線法和沖突點法等方法。對于典型的多路交叉口，除了多路環形外，一般可采用正交平面交叉口控制方法，包括相位設計及韋伯斯特法進行信號配時優化。

韋伯斯特法最佳周期長度公式：

C0=1.5L+51-Y（1）

式中：L——總損失時間（s）；

Y——交叉口交通流量比總和。

1.2.2" 信號總損失時間

L=∑nk（Ls+Ik-A）（2）

式中：n——所設置的相位數；

Ls——啟動損失時間；

A——黃燈時長，可定為3 s；

Ik——綠燈間隔時間。

基于Vissim仿真的多路交叉口交通組織優化研究/譚海婷，藍天鈺，曹夏麗

1.2.3" 流量比總和

流量比總和，按下式計算：

Y=∑jj=1maxyj，y′j，…=maxqdsd，qdsd′，…（Y≤0.9）（3）

式中：Y——流量比總和；

j——一個周期內的相位數；

yj——第j相的流量比；

qd——設計交通量（pcu/h）；

sd——設計飽和流量（pcu/h）。

1.2.4" 總有效綠燈時間

Ge=C0-L（4）

1.2.5" 各相位有效綠燈時間

gej=Gemaxyj，y′j，…Y（5）

1.2.6" 各相位的綠信比

λj=gejC0（6）

1.2.7" 各相位顯示綠燈時間

gj=gej-AJ+Ij（7）

式中：Ij——第j相位啟動損失時間。

2" 案例分析

2.1" 交叉口概況

教育路與古城路交叉口為五路交叉口，位于廣西南寧市青秀區，是由教育路、古城路、星湖路、七星路和天桃路相交組成的有信號控制的交叉口。該交叉口地理位置特殊，周邊以學校購物娛樂為主，四周分布有天桃實驗學校、夢之島商城、永恒星湖影城等休閑娛樂場所，吸引了大部分車流量。

通過對教育路與古城路多路交叉口的實地調查，獲得了此交叉口的相關數據。采集的數據包括交叉口渠化情況、交通流量和信號配時情況，如圖1、圖2所示，這些數據為交叉口優化提供了重要的依據。

教育路與古城路多路交叉口為五相位交叉口，控制方式為信號固定配時控制，其信號周期為240 s，各相位黃燈時間均為3 s，無全紅燈時間。各相位配時方案如圖3所示。

2.2" 現狀仿真及結果分析

對于本文的五路交叉口，無論是否分車道進行調查，采用人工調查的方法都難以直接得到交叉口多車道的延誤數據。而Vissim軟件可建立較為細致的交通行為模型，可以分車道計算延誤。因此本文采用Vissim軟件對教育路與古城路多路交叉口進行仿真（見圖4），交通運行情況采用平均停車延誤、平均排隊長度和平均排隊時間指標進行評價（見表1）。

根據現狀仿真結果可知，整個交叉口的平均車輛延誤為77.57 s，該交叉口服務水平為E，服務水平低，交通擁堵嚴重。根據上述調查和仿真得出的結果，可以發現該交叉口現狀存在以下問題：

（1）交叉口中教育路、古城路和七星路的延誤相對其他交叉口來說延誤較大，交叉口中七星路的延誤、排隊長度等指標較差，擁堵十分嚴重。

（2）交叉口服務水平低，整個交叉口的交通處于不穩定流范圍，交通量已經接近道路通行能力，從駕駛自由度、舒適性和便利性方面來看都非常低。

（3）交叉口車流之間沖突嚴重，存在安全隱患。七星路與天桃路車輛的直行與星湖路的直行同時放行，車輛行駛路線存在交叉沖突，有安全隱患。

（4）教育路和古城路的直行和左轉的車流量很大，同時運行兩個方向直行和左轉的車輛，車輛頻繁的換道超車行為均會造成沖突，形成延誤。

（5）交叉口各進口道不同方向的車流量差異較大，采用同一相位綠燈時間，導致一部分綠燈時間的浪費，同時增加了信號周期的長度，無形中增加了各進口道車輛的延誤。

3" 多路交叉口交通組織優化

3.1" 信號配時優化

由于交叉口所處的位置在老城區，附近有電影院、商場和學校，道路資源有限，所以對道路進行改造和渠化并不現實，因此，對本交叉口進行優化主要從信號控制方面進行考慮。對于典型的多路交叉口，除了多路環形外，一般可采用正交平面交叉口控制方法，包括相位設計及韋伯斯特法進行信號配時優化。

3.1.1nbsp; 相位優化

根據現狀仿真結果可知，該交叉口服務水平為E，服務水平低，交通擁堵嚴重。現狀相位放行方案復雜，各交流交織嚴重，存在安全隱患。因教育路和古城路直行與左轉車輛差異較大，為減少左轉與直行兩個不同方向的沖突，選擇古城路與教育路相同的方向同時放行。根據現狀，七星路與天桃路車輛的直行與星湖路的直行同時放行，車輛行駛路線存在交叉沖突和安全隱患，故將不同進口道分開放行，將星湖路同一進口道的直行和左轉一起放行。考慮到現狀七星路延誤較大，故選擇七星路早啟遲斷式控制，通過增加綠燈時間來提高相位通行能力。綜合現狀分析，優先選擇調整相位順序來進行相位優化，優化后的相位如圖5所示。

（a）教育路、古城路直行

（b）教育路、古城路左轉

（c）星湖路直行和左轉

（d）七星路直行

（e）天桃路直行和左轉

3.1.2" 信號配時優化

教育路與古城路交叉口為典型五路交叉口，因此可以采用韋伯斯特法來進行配時優化。由前文公式可得交叉口各信號配時參數如下：

3.1.2.1" 流量比總和

Y=506/1 519+216/1 519+311/1 519+180/1 519+76/1 519=0.85。

3.1.2.2" 信號總損失時間

取黃燈時間為3 s，無全紅時間，相位損失時間為3 s，故信號總損失時間為L=3×5=15 s。

3.1.2.3" 最佳周期

C0=（1.5×15+5）/（1-0.85）=182 s，取185 s。

3.1.2.4" 總有效綠燈時間

Ge=185-15=170 s。

3.1.2.5" 各相位有效綠燈時間

g1=170×（506/1 519）/0.85=67 s

g2=170×（216/1 519）/0.85=28 s

g3=170×（311/1 519）/0.85=41 s

g4=170×（180/1 519）/0.85=24 s

g5=170×（76/1 519）/0.85=10 s

3.1.2.6" 各相位顯示綠燈時間

ge1=67-3+3=67 s

ge2=28-3+3=28 s

ge3=41-3+3=41 s

ge4=24-3+3=24 s

ge5=10-3+3=10 s

考慮到現狀七星路延誤較大，故選擇七星路早啟遲斷式控制，將第四相位24 s綠燈顯示時間延長至59 s；由于天桃路車輛少但現狀延誤較大，基于Webster方法優化得到的綠燈時間上再增加部分綠燈時間，故最終第五相位綠燈顯示時間取15 s。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方法計算調整得到優化后的相位圖和信號配時如圖6所示。

3.2" 優化方案仿真分析

根據優化后的信號配時方案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。優化前后各道路和交叉口的排隊長度、車輛延誤對比如表2、表3所示。

通過優化前后的數據對比，可以發現交叉口交通整體狀況均有很大幅度的改善，交叉口平均排隊長度下降了46.2%，平均車輛延誤下降了41.5%，平均停車延誤下降了44.4%，整體服務水平由E上升到D。每個進口道的服務水平均提高一個等級，特別是七星路和古城路的平均車輛延誤降低較為顯著。由于該交叉口各方向的車流量差異較大，相位綠燈時間優先考慮車流量大的方向，故交叉口延誤將轉嫁至流量小的天桃路，使天桃路的車輛延誤升高，服務水平降低，但綜合分析其排隊長度、最大排隊長和平均停車次數發現，其指標數據表現較好，說明除延誤時間外，天桃路的車輛能夠得到尚可接受的控制方案。綜合上述分析結果，說明優化后的方案能夠解決當前現狀出現的問題，能有效緩解交叉口擁堵情況。

4" 結語

本文通過Vissim軟件仿真南寧市教育路與古城路多路交叉口的現狀，得到車輛延誤、行程時間、排隊長度等評價指標。依據交通渠化以及信號配時等相關理論，利用韋伯斯特配時法進行信號配時優化；運用Vissim軟件進行優化方案的模擬仿真，并對比改善前后各項評價指標參數，得出優化后延誤、平均排隊長度等參數減少的結論，服務水平從E提高至D等級，驗證了改善方案的可行性與有效性。

［1］陳" 柯.多路交叉口交通組織及控制研究［D］.西安：長安大學，2015.

［2］范新科，陳" 政，王韓麒，等.多路交叉口交通組織精細化設計及案例分析［J］.寧波工程學院學報，2022，34（3）：21-27.

［3］李勁夫，胡少帥，向" 健.多路畸形交叉口交通組織渠化設計研究［J］.公路與汽運，2019（6）：30-33.

［4］劉" 意，姜" 虹.城市核心區多路交叉口交通組織方案分析與設計［J］.建筑技術開發，2020，47（17）：75-76.

［5］馬慶祿，王" 琪，喬" 婭.城市多路匯入交叉口交通組織優化方法［J］.科學技術與工程，2018，18（24）：157-164.

［6］陳" 濤，譚澤飛，劉" 驍，等.基于F-B法的多路交叉口信號配時優化設計分析［J］.科技技術與工程，2013，13（12）：3 520-3 523.

［7］潘俊燕.多路交叉口結構設計與信號控制方案優化［D］.北京：北京交通大學，2020.

20240410