基于Synchro與VISSIM混合仿真的單點交叉口信號配時優化方法研究

顧佳磊，韓 印，姚 佼

(上海理工大學 管理學院，上海 200093)

交通仿真是隨著計算技術的進步而逐步發展出來的，是計算機系統仿真技術在交通工程、交通管理等領域里的一個重要應用，是有效輔助分析預測交通堵塞地段和原因的重要工具及技術手段[1]，具有經濟性、安全性、可重復性、易用性、可控制性、快速真實性及可拓展性等優點；比較經典的交通仿真軟件有微觀仿真軟件VISSIM、Synchro、Paramics、TransModeler、TSIS及宏觀交通規劃軟件CUBE、TransCAD、EMME和VISUM等。

通過對交叉口平面布局、交通流量及信號配時的調查[2]，并輔以交通仿真技術，對車道渠化、信號配時等進行優化，是提高城市交叉口運行效率、降低交叉口車輛延誤[3]、提升交叉口安全水平[4]的重要工程技術手段。本文首先對微觀交通仿真軟件中的Synchro與VISSIM軟件進行詳細闡述，重點介紹Synchro中的信號配時優化模塊。選取上海市某單點交叉口，調查其車道布局、高峰小時交通量及相應信號配時等基礎數據，在此基礎上，針對無法利用VISSIM仿真軟件對原有交叉口交通信號配時進行優化的缺點，提出一種基于Synchro與VISSIM混合仿真的單點交叉口信號配時優化及評價方法，首先利用Synchro中的信號配時優化模塊對原交叉口信號配時進行優化，再利用VISSIM軟件模擬信號配時優化前后的交通情況，輸出兩者的交通評價指標，對比分析以此驗證本文提出方法的可行性與實用性。

1 Synchro軟件簡介

Synchro交通信號協調及配時設計軟件是美國Trafficware公司根據美國交通運輸部道路通行能力手冊(Highway Capacity Manual，HCM)規范研發的，目前最新版本為8.0版本。作者先使用Synchro 8對原交叉口信號配時進行優化，然后在VISSIM軟件中對信號配時優化前后的交通控制方案進行仿真評價，故對Synchro 8中的信號配時優化模型、排隊長度計算模型、車輛延誤計算模型及停車次數計算模型等作詳細闡述。

1.1 Synchro中信號配時優化基本流程圖

Synchro的信號配時優化模型含有眾多的信號優化功能，其優化基本思想如圖1所示[5]。

圖1 Synchro信號配時優化基本流程

1.2 Synchro信號配時優化計算模型

在單點交叉口信號配時方案設計中，周期時長和相位時間是其最主要的兩個設計參數。在Synchro中，信號配時優化模塊首先會分析各信號相位提供的綠燈時長是否滿足90%的車道組流量。如果沒有足夠長的周期達到此目的，則分析是否能滿足70%的車道組流量和50%的車道組流量。優化周期的方法是Synchro在最短周期的基礎上優化信號相位時間。如果能滿足一定的百分比車道組流量(如90%或70%的車道組流量)，則采用該周期時長，否則增大信號周期。

在上述過程中，需要計算綜合性能指標(Performance Index，PI)，如果沒有滿足各百分比車道組流量的信號周期，則采用性能指標PI最優的信號周期長度。性能指標PI的計算公式為：

(1)

式中：PI為綜合性能指標；D為百分比信號延誤；St為車輛停車次數；Q為排隊長度。

1.3 車輛延誤計算模型

在Synchro軟件中，除使用傳統的道路通行能力手冊(HCM)中的韋伯斯特(Webster)延誤計算模型外，還提出了一種百分比延誤計算方法(Percentile Delay Method，PDM)，其計算過程如下所示[6]。

(1)計算某一百分比車道組流量情形下每周期延誤：

(2)

式中：VDp為百分比p∈{10，30，50，70，90}情形下的周期車輛延誤時間，s；vp為情形p時的車流量，pcu/h；s為飽和流率，veh/h；R為紅燈時間，s。

(2)計算某一百分比車道組流量情形下每車延誤：

(3)

(3)計算某一百分比車道組流量情形下的調整車流量的方法為：

(4)

式中：v為車流量；zp則按照各百分比取值見表1。

表1 zp取值表

(4)交叉口平均百分比信號延誤的基本延誤，計算公式為：

(5)

1.4 排隊長度計算模型

Synchro中排隊長度的計算公式為：

(6)

式中：V為實際交通流量；S為飽和交通流量；L為車頭間距，m/veh；n為某車道組中的車道數；fLU為車道利用系數，fLU=vg/(vgmax·n)，vg為車道組中某條車道的實際流量，vgmax為n條車道中的實際最大流量。

1.5 停車次數計算模型

Synchro中停車次數的計算類似于停車延誤的計算，其主要通過統計車輛延誤來計算停車車輛數，且在Synchro中車輛延誤時間小于10 s不作一次完整停車，對于延誤小于10 s的車輛來說，根據表2作相應調整。

表2 停車次數調整表

2 VISSIM軟件簡介

VISSIM微觀交通仿真軟件是德國PTV公司推出的一款離散的、微觀的、基于以10-1s時間間隔和駕駛行為(跟車模型和車道變換模型等)的微觀交通仿真建模軟件，是評價交通工程設計方案的有力工具[7]。其最新版本VISSIM 6.0已于2013年7月底發布。

VISSIM軟件中的車輛跟馳及換道模型是以德國著名學者Wiedemann先后發表的論著為理論基礎的。Wiedemann模型有兩種，分別為Wiedemann 74模型和Wiedemann 99模型，其基本思想是可以把車輛行駛狀態分為4種類型，即自由駕駛(free driving)、接近(approaching)、跟隨(following)及剎車(braking)[8]。

對于城市內部交通來說，選用Wiedemann 74模型對道路交通流進行模擬，其主要參數包括：

(1)平均停車間距(ax)：停止車輛之間的期望平均停車距離。

(2)期望安全間距的附加部分(bx_add)和期望安全間距的倍數部分(bx_mult)。

兩車之間的距離d可以用以下公式計算：

d=ax+bx

(7)

(8)

式中：v′是車輛行駛速度，m/s；z∈[0,1]，是以0.15為標準差、以0.5為均值的標準正態分布；ax、bx_add及bx_mult在VISSIM中的默認值分別為2、2及3。

3 仿真案例

3.1 交叉口基礎數據調查

選取上海市楊浦區國定東路翔殷路交叉口作為Synchro與VISSIM混合仿真的案例，并于一工作日早高峰對其交叉口交通流量及信號配時進行基礎數據調查。圖2、表3及表4分別為其幾何平面圖、早高峰小時交通流量及現狀信號配時。

圖2 國定東路翔殷路交叉口幾何平面圖

表3 早高峰小時交通流量(pch/h)

表4 交叉口現狀信號配時

3.2 Synchro信號配時優化

由于VISSIM并無對交叉口現狀信號配時進行優化的功能，故在Synchro中對表4中的信號配時先進行優化，然后利用VISSIM對優化前后的信號控制方案進行仿真評價、對比分析。

在Synchro中繪制國定東路翔殷路交叉口，并輸入各進口道的車流量及設置現狀信號配時方案，如圖3所示。

在現狀信號配時方案的基礎上，利用Synchro中的“Optimize Cycle Length”及“Optimize Splits”優化功能，對現狀信號配時方案進行配時優化，得到見表5中的信號配時優化方案。

圖3 國定東路翔殷路交叉口Synchro仿真

表5 交叉口交通信號配時優化方案

3.3 交叉口VISSIM仿真及對比分析

選取最大排隊長度、平均排隊長度、車均延誤時間及平均停車次數作為仿真評價指標，利用VISSIM仿真軟件對表4及表5中的優化前后的固定信號配時方案進行仿真評價，對比分析，得到見表6中的比較結果。

利用VISSIM仿真，對比分析，可以看到通過Synchro軟件對現狀交叉口交通信號配時方案進行優化后，交叉口各進口道及整個交叉口的評價指標都得到了較大的改善(除個別進口道外)；就整個交叉口而言，優化信號配時方案下的最大排隊長度、平均排隊長度、車均延誤時間及平均停車次數相較于原信號配時方案下的各評價指標分別下降了26.4%、12.9%、11.7%及8.6%，交叉口整體運行效率得到了大幅度地提升。

通過以上分析及仿真案例，可見利用Synchro軟件先對信號配時方案進行優化，再對其通過VISSIM軟件仿真評價，能較大程度地提高交叉口運行效率，可見本文所提出的方法具有較好的工程實用性與推廣意義。

表6 交叉口信號配時方案仿真比較分析

4 結束語

在城市道路交叉口設計中，與交叉口交通條件和道路條件等相匹配的交通信號控制方案是提高交叉口通行能力、提升交叉口服務水平、保障交叉口機動車、非機動車及行人等安全的重要技術手段。

本文針對無法利用VISSIM軟件對原交叉口交通信號配時進行優化的缺點，選取上海市某道路交叉口，先利用Synchro中的信號配時優化模塊對交叉口信號配時進行優化，然后再對交叉口進行交通仿真評價。仿真結果表明，本文所提出的基于Synchro與VISSIM混合仿真的方法能較大程度地提升交叉口整體運行效率，可見此方法具有較好的工程實用性，特別對于未安裝區域信號協調控制系統的中小城市而言更具推廣意義。

【參 考 文 獻】

[1]鄒智軍.新一代交通仿真技術綜述[J].系統仿真學報，2010，22(9)：2037-2042.

[2]姜 利，賀文彪.典型四相位平面交叉口交通調查分析與服務水平評估[J].森林工程，2013，29(1)：75-77，89.

[3]程宇航，王 儉.基于自修正隸屬函數的交叉口模糊控制[J].森林工程，2013，29(2)：110-114.

[4]顏桃為，馬健霄，馬 亮.信號交叉口安全評價體系研究[J].森林工程，2010，26(1)：49-52.

[5]Trafficware，Ltd.Synchro studio 8 user guide[M].USA：Trafficware，2011.

[6]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.

[7]魏 明，楊方廷，曹正清.交通仿真的發展及研究現狀[J].系統仿真學報，2003，15(8)：1179-1183，1187.

[8]PTV vision.VISSIM 5.40 User Manual[M].Germany：Planung Transport Verkehr AG，2011.