道路交叉口交通信號控制設計
——以天津復興門為例

王少華，張 海，任 超，關志偉

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222；天津市公安交通管理局科研所，天津 300040）

道路交叉口交通信號控制設計
——以天津復興門為例

王少華1，張 海2，任 超2，關志偉1

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222；天津市公安交通管理局科研所，天津 300040）

對天津市復興門交叉口的實際交通環境和信號控制狀況進行了調查分析，運用Webster信號配時法，對交通信號控制方案進行了設計，并基于交通微觀仿真軟件VISSIM進行了實驗。結果表明：所設計的方案二，平均行程時間可縮短18.90%，平均延誤減少24.67%，平均排隊長度減少8.97%，各項指標均優于原有配時方案。

復興門；交叉口；信號控制；VISSIM

交叉口交通控制的優化與完善已經成為緩解交通擁堵、提高道路通行能力、促進交通運輸效率的重要內容。交叉口優化的重要內容之一就是交通管理與控制，特別是信號配時方案的設計與實施。2006年至2012年，天津市機動車保有量由120萬輛增加到236萬輛，過去3年中，增加了100萬輛車。原有道路基礎設施供給量的不足以及交通控制管理、公共交通建設等方面存在的不足，造成天津市中心城區道路交通堵塞路段增多、出行效率下降、道路網應變能力差等問題，交通擁堵的問題因此也成為影響天津市經濟良性發展的癥結之一。交通擁堵問題不僅造成居民不便，還造成空氣污染加劇，更對城市的可持續發展造成阻礙[1]。因此，有必要進行交通擁堵點的交通優化研究。本文在對天津市復興門交叉口進行交通現狀調查、分析交通擁堵原因和沖突方式的基礎上，運用Webster信號配時法進行交通信號控制優化，運用VISSIM仿真軟件建立交叉口3D微觀仿真模型并進行仿真評價，根據評價結果進行現狀問題的分析，對交叉口采取渠化、重新配時等措施進行再次仿真，優化后的仿真有效地降低了車輛的延誤和排隊長度，大大提高了道路的通行能力。

1 交叉口現狀分析

交叉口的交通現狀調查主要包括交叉口周邊環境、土地使用性質、高峰小時交通量調查、交通渠化調查、行車延誤、信號控制、機動車通行能力、交叉口服務水平等，還包括干擾機動車通行的因素和擁堵原因分析。

1.1 交通環境調查

復興門交叉口實景俯視圖如圖1所示。復興門交叉口位于天津市河西區，距海津大橋東南側約780 m，為五岔路口，屬于由大沽南路、微山路、郁江道和清灣路交匯而成平交燈控路口。

圖1 復興門交叉口俯視圖

由于外環線內后5 km只有海津大橋一座過河通道，河東區、東麗區進入市區過河通道不足，因此早晚高峰期間，從天津大道進入市區、從河東區沿著海津大橋進入大沽南路車輛數量較大，造成此節點交通擁堵嚴重，復興門交叉口前后兩處立交橋上的大量快速車流與兩條支路上的車流在此形成車速瓶頸。同時，該交叉口西北方向約300 m是地鐵1號線復興門車站，路口東南方向約600 m是北京師范大學天津附屬中學，周邊還有醫院、商鋪、住宅小區、消防車隊、派出所、研究所和公交車站，車流在此主輔路交織嚴重。

1.2 信號控制調查

復興門交叉口固定信號配時方案如圖2所示。其中下行是指大沽南路至市外方向，上行是指大沽南路至市內方向。信號周期因時段而有差異，早高峰信號周期總時長是150 s，全紅時間2 s，信號控制方案分為4個相位。

圖2 復興門交叉口信號相位圖

1.3 交通量調查

本次調查日期選在2012年12月5日（星期三），選取時間段為上午6：30至8：30，下午16：30至18：30。

調查方式采用了人工計數法，每隔5 min記一次車流量。調查對復興門交叉口機動車流量進行了車型調查、流量調查，調查前對交叉口的車流方向進行編號，共13個車流方向。調查統計如圖3所示，該交叉口機動車流量早高峰時段為6：55至7：55，晚高峰時段為17：05至18：05。

圖3 復興門交叉口調查統計圖

2 交通現狀分析

（1）個別進口標線模糊不清，部分標線設置不全面。大沽南路至市外方向主道和輔道路面中心線、行車道分界線、行車輔助線、車行道邊緣線已經模糊不清，車輛在該進口道行駛時交通秩序有些混亂，存在一定安全隱患，并降低了該交叉口的服務水平。

（2）大沽南路上行方向進口主道停車線過于靠后。大沽南路至市內方向主道進口過去靠后，使得車輛通過路口的行駛時間過長，同時也使得主道和輔道左轉以及掉頭車輛交織嚴重，排隊通過時間過長，制約了交叉口的通行能力。

（3）機非混行嚴重。該交叉口交通流量大、主道輔道道口較多，且沒有機非隔離設施、斑馬線及安全島，導致行人、自行車、摩托車僅依靠主觀判斷車流間隙穿過路口，因此機非混行嚴重，造成機動車延誤增加，交通秩序混亂，并危及行人過街安全[2]。

從傳統的技術理性的認識論來看，教學是一種傳送知識的活動，一種技術性工作。這種認識論認為，知識都是科學的、標準的，由別人創造好的，教師基本上承擔“執行者”的角色，忠實地執行教育行政部門選定的教材，有效地貫徹教學研究部門提供的教學指導和參考資料，并使用他們編制的考試試卷以評價教和學的效果。[1]也就是說，教學工作相對簡單，是確定好的，并且可以進行標準化操作。因此，教學成了杜威所說的一套慣常的、可機械地執行的活動。作為技術人員的教師常常不加批判地接受在學校發生的現實，每天需要做的就是盡力找到最有效率、最有效果的辦法去解決問題。他們失去了對工作的目的和結果的反思。[2]

（4）多岔口影響嚴重。復興門交叉口不是規則交叉口，并且交叉口所連接的多條道路車道數不同，斷面性質不同，車流量不同，導致主道和輔道上的車輛不得不在交叉口范圍內進行交織分合流。這一現象主要體現在大沽南路主道和輔道雙向直行的車輛，以及大沽南路上行和下行左轉和掉頭的車輛[3]。

（5）相位設計不夠合理。大沽南路主道車輛右轉如果不受控，則在相位1和相位2可能與輔路直行車輛沖突。如果受控，則按原相位只能在第4相位實現，這樣導致右轉進入小海地居住區車輛等待時間過長。

3 交通優化方案設計

國際上固定信號配時一般有英國的TRRL法（Webster法）、澳大利亞的ARRB法以及美國的HCM法，我國有“停車線法”和“沖突點法”等。不同信號配時方法的應用條件、適應場合均不同。本次優化為簡化起見，采用Webster法，式（1）和式（2）為配時優化公式，經計算Y值大于0.9，因此須改進進口道設計或信號相位方案[4]。

式中：C0為最佳周期；Y為組成周期的全部信號相位的各個最大車道流量比之和；L為每個周期的總損失時間（s），計算公式為：

式中：l為車輛啟動損失時間，應實測，無時間數據可取2 s；I為綠燈間隔時間，即黃燈時間加全紅燈時間，全紅燈時間為1～4 s；A為黃燈時間，一般為3 s；n為所設相位數。

3.1 方案一

方案一主要采取了以下優化措施，各進口具體渠化設計方案如下：①對交叉口的交通流重新渠化，設置明確標志標線以及渠化導流島；②增加行人橫道線及過街安全島；③增加左轉彎待駛區；④在大沽南路上行和下行輔道上設置公交專用車道；⑤對不夠清晰的標志標線進行補充完善；⑥不改變現有信號燈的相位及其配時。⑦加強交通需求管理。對于高峰時段接送孩子家長用車加強停車管理，加強過街行人和非機動車管理，嚴格執行交通規則。

3.2 方案二

相位1為大沽南路方向上、下行車流直行；相位2為大沽南路上、下行車流左轉彎或調頭，清彎路車流左轉彎或直行至微山路；相位3為微山路方向車流左轉彎，大沽南路主道下行車流右轉彎。

3.3 方案三

在方案二基礎上，將總信號周期改為120 s，信號控制由4相位改成3相位，各相位交通流向與方案二相同。

4 交通優化仿真

4.1 仿真過程

依據交叉口的斷面形式、車道功能、流量流向、優化后的信號配時等基礎數據，針對所述不同交通信號控制方案，在Vissim軟件中對復興門交叉口進行建模與仿真分析，具體步驟如下[5-6]：

（1）確定仿真對象，并對其進行基本交通數據調查、分析。需要調查的數據包括：交叉口高峰小時車流量數據、交叉口幾何尺寸數據、車道功能劃分情況及原有信號配時參數等。

（2）利用繪圖軟件CAD繪制干道仿真藍圖，并將其轉換為軟件平臺能夠識別的*.bmp格式。

（3）把位圖導入VISSIM軟件平臺，建立基礎路網，注意連接器的選擇，務必保證紅燈下車輛可以右轉。為簡化起見，本次仿真沒有考慮過街行人的影響因素。

（4）調整參數。根據實際情況調整車輛行駛速度分布/加減速特性、車種/車型、駕駛行為/跟車模型參數標定等參數，本次仿真選擇系統默認值。

（5）輸入路網基本特征變量。路網的基本特征變量主要包括：車種構成、車型比例、流量、行駛路徑。其中，要對不同時段的交通量進行分時段輸入，注意路徑比例分配、減速區設置、路徑決策起終點的設置。

（6）設置信號控制方案。設置信號控制機和信號配時方案，首先定義信號控制機，然后分配信號燈組。需要注意的是本次采用的是固定配時，需要根據算法提前設計好配時方案，畫出信號控制時間相位圖。

（7）建立檢測器，檢測器中主要包括行程時間、數據采集點和排隊計數器等的設置。可采用數據庫形式對所需的評價參數進行統計和對比分析。

（8）進行3D效果設計。重點是設置3D信號燈，同時通過V3DM、3DMAX等軟件建立建筑和車輛模型數據庫，經過多次調整，3D仿真界面如圖4所示。

圖4 復興門交叉口微觀仿真圖

4.2 仿真評價

微觀仿真評價參數如表1所示。

表1 微觀仿真評價參數表

對用于VISSIM結果校驗的輸出指標進行了歸納，確定采用平均行程時間、平均延誤和評價排隊長度數據作為VISSIM評價指標[7]，結果顯示，方案二比方案一平均行程時間縮短18.90%，平均延誤減少24.67%，平均排隊長度減少8.97%，各指標均優于方案一。為了避免信號周期過長，如果采用方案三，指標優化效果并不明顯。整體考慮，建議采用方案二進行短期優化。長期應該考慮建設海河過河通道，減少過河車輛數量。

5 結束語

本文通過對復興門交叉口的交通現狀調查與分析，提出了解決交通擁堵狀況的道路渠化和信號優化方案，并采用VISSIM交通微觀仿真軟件進行了評價驗證。結果證明，所設計的方案二各項指標均優于原有方案。本研究為交通管理部門提供管理參考，避免了不必要的財力和人力的浪費，對于緩解復興門交通問題具有積極的促進作用。然而，本文的優化方案是在所有道路參與者遵守交通規則基礎上提出的高峰期間固定配時方案，沒有從動態感應的角度提出控制策略。同時，針對復興門交叉口單點進行優化，沒有從大沽南路快速路主干道上進行全面協調控制的角度考慮問題，因此，復興門交叉口的優化還有待于進一步深入研究。

［1］ 張政.交叉口交通組織優化設計研究［D］.合肥：合肥工業大學，2007.

［2］ 王秋平，譚學龍，張生瑞.城市單點交叉口信號配時優化［J］.交通運輸工程學報，2006，6（2）：91-94.

［3］ 王云鵬.多路口感應信號控制優化設計及其仿真［D］.南京：河海大學，2007.

［4］ 周蔚吾.道路交通信號燈控制裝置技術手冊［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［5］ 柳祖鵬，許彩霞，張獻峰.基于VISSIM仿真系統構建3D交通環境［J］.城市交通，2008，6（2）：91-94.

［6］ 盧火平，羅典，許偉立.基于Synchro-VISSIM的干道綠波協調控制仿真研究［J］.交通與運輸，2013（2）：33-36.

［7］ 汪瀅，張興強，胡顯文.基于VISSIM的交叉口交通改善方案適應性研究［J］.公路與汽運，2013（5）：33-36.

Design traffic signal simulation system based on visual basic——A case study of Fuxingmen，Tianjin City

WANG Shao-hua1，ZHANG Hai2，REN Chao2，GUAN Zhi-wei1
（1.School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Research Institute of Tianjin Traffic Management Bureau，Tianjin 300040，China）

The actual traffic environment and signal control of Tianjin city Fuxingmen intersection are investigated and analyzed，and the traffic signal control scheme is designed by the method of Webster.Experiments with traffic micro-simulation software VISSIM are conducted.The results show that the average travel time is shortened to 18.90%，the average delay time is reduced 24.67%and the average queue length is curtailed 8.97%by the proposed scheme two.All the index surpassed that of the original one.

Fuxingmen；intersection；signal control；VISSIM

U491.51

A

2095－0926（2014）01－0041－04

2013-12-18

國家自然科學基金資助項目（61301040）；公安部公安理論及軟科學研究計劃項目（2012LLYJTJSJ077）.

王少華（1983—），男，講師，研究方向為交通仿真、交通安全等.