基于Synchro-VISSIM系統的畸形交叉口改善及評價方法

王鵬飛，薛 藝，李 政，蘇錫有

(1河北科技師范學院城市建設學院，河北秦皇島，066004;2秦皇島市公安局交通警察支隊;3秦皇島公共交通有限責任公司運營管理部)

隨著城市化進程的不斷加快，機動車的急速增長使得交通供需矛盾進一步加劇，交通擁堵已經成為城市經濟發展的重要瓶頸，且呈現進一步惡化的趨勢。從城市道路網的角度進行分析，交叉口作為城市道路網中的節點，是制約道路網通行能力的咽喉所在。其中，由于道路走向、道路周邊土地利用以及特殊的歷史和社會原因，在我國許多城市的老城區中還存在著一些平面畸形交叉口，雖然數量有限，卻往往成為城市道路交通改善和優化的難點。由于這些畸形交叉口周邊的土地使用控制不嚴、尺寸過小、線形怪異，而常導致道路通行能力不足、功能結構紊亂、交通流混亂等問題的出現。因此，若一味的通過改變物理特性的方法來改造畸形交叉口，那么將有可能需要改變道路原有的走向和寬度。這樣不僅需要大量資金，而且會極大影響周邊區域交通的正常運行和破壞居民原有的生產生活環境［1］。對此，我國交通學者也進行了大量的理論與實踐研究，但對于畸形交叉口的改善措施及其效果評價還是本著“具體問題，具體分析”的原則，缺乏系統性和普遍適用性。

在國內，針對畸形交叉口的改善措施、評價方法的研究并不多見。其中，陳凱溆［2］利用Synchro對畸形交叉口的非對稱配時優化進行了研究;秦煥美等［3］提出了基于仿真的畸形交叉口交通組織優化的方法;嚴健等［4］利用VISSIM對畸形交叉口的渠化效果進行了評價。若深入研究即可發現上述研究存在以下不足:(1)由于Synchro功能的限制，若單獨利用此軟件對畸形交叉口的配時進行優化及其結果進行評價，則忽略了道路線形改造、交通渠化等“硬件改善”措施對畸形交叉口通行能力提高方面的作用。另外，Synchro也缺少對公共交通、非機動車、行人的仿真及評價功能。(2)若單獨利用VISSIM對改善措施進行分析評價，則忽略了交通信號相位設置、配時等“軟件改善”措施對畸形交叉口通行能力改善方面的作用。鑒于此，筆者考慮將Synchro與VISSIM相結合，以期待利用兩個軟件不同的特性提出一個適用性較廣的畸形交叉口改善措施及效果評價方法。另外，雖然孫超等［5］建立了基于OD反推和Synchro-VISSIM仿真的交通影響評價(TIA)體系，但其是以交通影響評價(TIA)為適用對象，與本研究的目的、著眼點與方法均不同。

1 畸形交叉口存在問題及其改善對策

城市畸形交叉口的主要形式包括3路不規則相交形成的“Y”形交叉口、4路不規則相交的“X”形交叉口、道路錯位相交而形成的雙“T”形交叉口、多路相交形成的各種形狀不規則交叉口，以及相鄰交叉口不規則且間距較近等情況［6］。

1．1 存在問題

1．1．1 相交道路線形不合理 由于相交道路線形的怪異而導致畸形交叉口處極易產生鈍角和銳角。這會大幅度增加交叉口的復雜程度，加劇機動車、非機動車、行人之間的沖突，極易引發較為嚴重的交通事故。對于此問題，但若一味試圖通過改變道路線形的方式則需要大量資金與較長的工期。

1．1．2 交通渠化缺失或不合理 若在畸形交叉口處缺失必要的交通渠化就會導致本來就不規則的交通流變得更加無序，加之畸形交叉口的面積往往較大，會更加加劇車流之間的沖突。

1．1．3 信號燈配位配時不合理 在畸形交叉口處，由于道路走向怪異、交通流量不均衡等原因常導致信號相位、配時設置不當，這會大幅度增加出行者在此處的時間延誤，使畸形交叉口成為出行者在出行路徑上最大的交通瓶頸。

1．2 改善對策

鑒于上述問題，首先在城市總體規劃、交通綜合交通規劃時期就應極力避免畸形交叉口的形成。而對于已形成的畸形交叉口，可實施的主要改善方法如下:

1．2．1 “硬件”改善措施 使用“硬件”改善措施對于畸形交叉口進行改造往往效果比較明顯，但耗費資金較大，一般要慎重考慮。主要有(1)拆掉影響交叉口的建筑物;(2)改變相交道路的線形;(3)縮小交叉口面積;(4)更改交通渠化等。

1．2．2 “軟件”改善措施 “軟件”改善措施一般是在上述“硬件”改善措施實施的基礎之上進行的，主要有(1)調整機動車、非機動車、行人的交通組織方案;(2)對現行信號控制方式進行優化;(3)加強對交叉口的交通監管力度等。

2 Synchro-VISSIM交通模型

2．1 Synchro簡介

Synchro是由美國Trafficware公司開發的專門用于信號配時優化的交通仿真軟件。其能夠對信號相位、綠信比、周期、相位差等進行優化，并且可以對信號相位、配時方案給出相應的評價。Synchro中對服務水平(Level of Service)的確定采用了HCM 2000標準(表1)，并充分考慮了行人對交叉口通行狀況的影響，仿真模型適用性較好，仿真結果具有極高的工程參考價值［7］。

表1 控制時間延誤與交叉口服務水平

2．2 Synchro信號配時優化模型

Synchro除了可以對單點交叉口的相位、配時進行優化外，還可以對若干個交叉口組成的交通網絡的公用周期時長、相位差等進行優化及效果評價。本次研究的對象為畸形交叉口，因此，下面僅對Synchro中關于單點交叉口信號周期時長優化、最小綠燈時長計算的兩個模型進行描述。

2．2．1 信號周期時長優化模型 Synchro中對信號周期時長的優化采用了從自然周期(即最短周期)開始依次判斷各相位所提供的綠燈時間是否能夠滿足百分比車道組交通流量的方法。若滿足一定的百分比車道組交通流量，則采用該周期時長，否則就增大信號周期時長，在達到所設定的最大信號周期時長之前，此步驟將會被不斷重復。例如:各相位提供的綠燈時間能夠滿足90%車道組流量，即意味著所有周期內的90%的車隊長可以清空，若不滿足則依次會向下判斷是否滿足70%，50%車道組流量。在此過程中，還需要計算性能指標PI(如公式(1)，如果沒有滿足百分比車道組交通量的信號周期，則Synchro將會選用性能指標PI最低的信號周期長度［8，9］。

其中，PI(Performance Index)為性能指標;D為總時間延誤(包括控制延誤與排隊延誤);St為停車次數。相較于傳統的、單獨以時間延誤為評價指標的體系，此方式更能夠真實、全面的反應交叉口處車輛的運行狀態。

2．2．2 最小綠燈時長計算模型 Synchro中對行人過街所需的綠燈時長的計算如公式(2)所示:

其中，LP為行人過街長度(實際計算中必須考慮行人隊伍長度);vP為行人過街步行速度，當老人占過街行人比例為20%以下時通常取1．2 m/s;I為綠燈時間間隔［9］。經公式(2)計算得出的結果應作為Synchro中關于各相位綠燈時長優化的下限。

2．3 VISSIM 簡介

VISSIM是由德國PTV公司開發的微觀交通仿真系統工具，是一種微觀、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具。它主要用于建模和分析各種交通條件下城市交通和公共交通的運行狀況，是評價交通工程設計和城市規劃方案的有效工具［8］。

2．4 VISSIM微觀仿真模型“心理-生理”跟車模型

2．4．1 “心理-生理”跟車模型 作為VISSIM中車輛縱向行為基準的跟車行為模型是一個基于時間的、離散的、隨機的微觀模型，它以駕駛員-車輛-單元為基本實體，因此也被稱為“心理-生理”跟車模型，即著名的Wiedemann 74模型。此模型中最重要的兩車之間的距離d可以通過平均停車距離、安全距離的附加部分、車速等參數確定［10］。基于精確的Wiedemann 74跟車模型而開發的微觀交通仿真軟件VISSIM能夠較為真實的反應和重現實際的城市道路交通狀況。

2．4．2 車道變換模型 作為VISSIM中車輛橫向行為基準的車道變換模型存在“必要車道變換”與“自由車道變換”等2種變換車道行為。在必要車道變換中，駕駛行為參數包含了該車輛和換到新車道上的車輛的最大可接受減速度，這個減速度取決于車輛與下一個路徑的路段連接器上緊急停車位置的距離。在自由車道變換時，VISSIM會檢測新車道上與跟隨車輛的期望安全距離，這個安全距離取決于前面車輛和想變換車道車輛的行駛速度。

無論在上述何種變換車道行為中，當駕駛員試圖變換車道時，首先都需要在他的行駛方向上尋找合適的空檔(車頭時距)。而空檔的大小一般是由變道車輛的車速、需要變換到的車道上的后面緊隨車輛的車速所決定的。

3 Synchro-VISSIM系統的改善及評價方法

綜合上述2種軟件的各自優勢，筆者提出了一種適用性較好的基于Synchro-VISSIM系統的畸形交叉口改善及評價方法。首先，應對畸形交叉口的實地情況進行調查，主要包括道路、交通設施，也包括各進口道的交通流量等。其次，對現狀提出“硬件改善措施”與“軟件改善措施”，初步擬定綜合的改善方案。復次，將Synchro所需要的基礎數據(主要為最小綠燈時長與各進口道交通流量)輸入軟件，通過優化計算得出最佳信號配時結果。再次，將VISSIM所需要的基礎數據(包括上述Synchro優化結果、交通改善措施等)輸入軟件，通過微觀仿真得到組成評價體系的關鍵參數的計算結果。最后，根據VISSIM的仿真結果判斷初步擬定的改善措施是否達到預期目標，若達到則最終確定改善方案;若沒有達到則繼續調整改善措施，反復試驗，直至達到預期目標(圖1)。

4 實例分析

4．1 項目概述

海浪花交叉口(圖2)地處秦皇島市中心，經過現場踏勘得到該交叉口的具體情況如下:(1)五岔路的畸形交叉口;(2)道南機動車進出口道均為一條;(3)道南進口道的所有公交車、社會車輛均在不影響過街行人、非機動車的基礎上右轉;(4)道南進口道所有需直行通過交叉口的車輛均需要在相鄰交叉口進行U型調頭繞行至朝陽街進口道，并在此處右轉進入文化路北段(如圖2中所示箭頭線)，公交車也不例外。此交通組織方式的理由為:(1)道南進口道縱向坡度過大，常導致坡起溜車事故的發生。(2)道南進口道為單一機動車道，車輛排隊長度過長，常影響到下一交叉口。

上述相鄰交叉口為無信號燈控制的T型交叉口，雙向六車道，機動車道約22 m寬，微型車、小型車及中型車進行U型調頭在技術層面上均可實現，但作為大型客車的常規公交車在此U型調頭就顯得十分困難(現有機動車道寬度也不滿足文獻［11］中的相關規定)。而現狀為公交車在此盡可勉強U型調頭，但同時會對此處其他車輛的交通安全與通行效率產生嚴重的影響，并且，出現了公交車燃油消耗過多，尾氣排放量過大等不良后果。因此，海浪花交叉口的改善目標是不改變道南進口道社會車輛右轉的前提下，實現公交車直行通過此交叉口。

圖1 基于Synchro-VISSIM系統的畸形交叉口改善及評價方法及流程

圖2 秦皇島市海浪花交叉口航拍、示意圖

4．2 交叉口信息調查

對交叉口信息的調查主要集中在以下3個方面:(1)道南進口右轉及U型調頭公交車數量與每條路線車輛的發車頻率;(2)各進口道社會車輛流量;(3)信號燈配時。而調查時間段為7:30～8:30的早高峰。

4．3 改善方案的初步擬定

4．3．1 “硬件”改善措施 通過實地考察，筆者提出了如下(表2)的“硬件”改善方案(改善前道路橫斷面見圖3，改善后見圖4):

表2 “公交車改直行”的設計方案內容

圖3 道南道路橫斷面改造前示意圖

圖4 道南道路橫斷面改造后示意圖

對于上述改善方案中的3點需要做特別的說明:(1)若將原道南進口道非機動車道更改為公交專用道，則由于道南立交橋高度的限制，導致公交車無法通過;(2)將原道南出口道單向非機動車道更改為雙向非機動車道的做法完全符合文獻［12］中對雙向非機動車道最小寬度的要求。此道路橫斷面改造的目的在于使公交車沿原機動車道行進，直行通過交叉口，而其他社會車輛則可利用原有或新建機動車道在此交叉口右轉;(3)此改造方法會使得部分原道南進口道的非機動車需沿著交叉口的對角線(在實施時，需沿交叉口對角線渠化一條非機動車專用車道)行駛才能到達原目的地，但也相對減少了部分原本就繞行的非機動車的行駛距離。因此，以上兩部分作用結果可相互抵消。從總體上分析，此改造不會對慢性交通造成影響，但需要部分自非機動車重新適應新的交通組織方案(在此不做詳述)。

4．3．2 “軟件”改善措施 為使得公交車能夠順暢的直行通過交叉口，就要盡可能的避免與其他轉彎的社會車輛相沖突，可考慮需要設置公交專用相位。對于專用相位的最小綠燈時長設置，在中國城市道路交通現行的行業、國家標準中是空白的。因此，本改善對策參考權威的《德國交通信號控制規范》［13］。鑒于此，對于秦皇島市海浪花交叉口處的“公交專用相位”配時不能少于10 s。除此之外，由于設置公交專用相位，當公交車在交叉口處遇紅燈信號時則需停車等待。

在公交車等待紅燈期間，凡使用原機動車道右轉的社會車輛均需在公交車后等候，公交車通過停車線后社會車輛方可右轉。在此，筆者建議社會車輛在發現前行車輛中有公交車時，最好選擇新建的機動車專用道右轉，否則在冬季依然不排除有出現因坡起溜車產生的交通事故的可能性。另外，根據盡量減少交叉口復雜程度的原則，對社會車輛、非機動車、行人的交通組織方案進行改進(在此不做詳述)。

4．4 信號配時的優化

表3為海浪花交叉口現行的信號相位配時，因擬定的改善方案中提及到了交通組織方案的變更，因此，有必要通過Synchro對現有的交通信號配時進行優化。

表3 海浪花交叉口信號配時現狀 s

在優化前，應先將必要的數據輸入Synchro，包括交通路網數據、各進口道流量數據、最小綠燈時長等。然后再啟動其優化功能，即可以對信號周期時長與各相位綠燈時長進行計算，表4即為Synchro優化配時后的結果。

表4 海浪花交叉口信號配時優化后結果 s

4．5 基于VISSIM的仿真實驗平臺的建立

利用Synchro的優化功能得到新的信號配時后，就應著手建立基于VISSIM的交通仿真平臺。首先，應將4．2節中調查所得的數據輸入VISSIM。而后，還應對右轉調頭公交車的平均行駛時間、朝陽街進口道車輛最大排隊長度、道南進口道車輛最大排隊長度等數據進行調查。最后，通過調查得到的數據與VISSIM擬仿真實驗所得的數據進行對比，對駕駛員的行為模型參數進行標定，以期得到最好的仿真效果。

4．6 評價體系的搭建

在進行仿真實驗之前，首先應當對實驗的預期結果建立評價體系，根據VISSIM系統的仿真評價功能，本研究將(1)右轉繞行公交車通過海浪花交叉口的平均行駛時間;(2)交叉口控制時間延誤;(3)交叉口服務水平;(4)朝陽街進口道車輛最大排隊長度;(5)道南進口道車輛最大排隊長度等5項組成評價體系。其中，VISSIM系統中對交叉口服務水平的確定依然采用了上述的HCM2000標準(表1)。

4．7 現狀評價

對設計方案實施前的該交叉口交通運行狀況(現狀)進行仿真實驗，交叉口信號配時采取表3中所示時長，實驗評價結果如表5所示。并按4．5節所述，經過多次仿真實驗校準的結果表明，表5中所得的數值能夠真實的反映現實路網中車流的運行狀態。

表5 海浪花交叉口交通運行現狀評價

4．8 改善后評價

應先將Synchro的優化配時結果(表4)導入VISSIM系統，并將右轉調頭公交車的行駛路線改為直行通過交叉口，在完成上述操作之后，即開始仿真實驗。此外，為排除仿真實驗時所使用的隨機數種子對實驗結果的影響，本研究采用多次、基于不同隨機數種子的獨立仿真實驗而對結果求平均值的方法。實驗評價結果如表6所示。

表6 海浪花交叉口交通運行改善后評價

4．9 實驗結論

通過表5，表6的仿真實驗結果可以得出以下結論:(1)改善后的公交車通過交叉口的平均行駛時間大幅度降低;(2)交叉口處的控制時間延誤大幅度下降，隨之，服務水平由E級躍升為C級;(3)朝陽街進口道車輛最大排隊長度大幅度縮短;(4)道南進口道車輛最大排隊長度大幅度縮短，這使得因坡起溜車而產生交通事故的可能性降低。綜上所述，本改善對策在不降低社會車輛、非機動車通行效率的前提下，可大幅度提高公交車的運行效率。根據上述4項指標的仿真結果來看，改善效果已經達到了本項目的預期目標。

5 總結

本研究首先分析了Synchro中關于信號配時優化的模型及VISSIM中關于跟車行為的模型。其次，綜合了Synchro與VISSIM兩個軟件的特點，提出了較為完整、適用性較好的畸形交叉口改善及評價方法。最后，運用了此方法對秦皇島市海浪花交叉口進行了分析，并得出擬定改善方案可行的結論。基于Synchro-VISSIM系統的改善及評價方法的提出對于完善我國現階段的老城區畸形交叉口的改善與評價體系具有一定意義，而且此方法具有良好的可操作性和實用性。

［1］汪峰，馬鶴齡．老城區道路平面畸形交叉口優化設計［J］．中國市政工程，2006(1):14-15，18．

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［3］秦煥美，關宏志，趙紅征，等．基于仿真的畸形交叉口交通組織優化研究［J］．交通信息與安全，2010，28(4):43-48．

［4］嚴健，張水潮，張浩然．基于VISSIM仿真的畸形交叉口渠化設計方法研究［J］．交通標準化，2009(7):120-125．

［5］孫超，張云龍，王波，等．基于OD反推和Synchro-VISSIM仿真的交通影響評價研究［J］．公路，2012(9):139-144．

［6］溫保培，鄒志云，汪鋒．組合相位在畸形交叉信號配時中的應用——以佛山市錦華路—福祿路交叉口為例［J］．道路交通與安全，2006，6(8):22-25．

［7］王鵬飛，李政，李雙喜，等．基于Synchro系統的交叉口信號協調控制仿真——以秦皇島市河北大街西段為例［J］．河北科技師范學院學報，2012，26(2):1-7．

［8］HUSCH D，ALBECK J．Synchro Studio 7 User Guide［M］．Sugar Land:Trafficware，Ltd，2006．

［9］孫超，徐建閩．基于Synchro的單點交叉口信號配時優化研究［J］．公路交通科技，2009，26(11):117-122．

［10］王鵬飛，薛藝，孟德光，等．城市快速公交系統運營的可行性分析方法［J］．河北科技師范學院學報，2012，26(3):1-7．

［11］中華人民共和國建設部．JGJ100-98汽車庫建筑設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，1998．

［12］中華人民共和國住房和城鄉建設部．CJJ37-2012城市道路工程設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2011．

［13］德國道路與交通工程研究學會．交通信號控制指南:德國現行規范［M］．李克平譯．北京:中國建筑工業出版社，2006．