基于VISSIM的交叉口調(diào)頭點(diǎn)設(shè)置仿真研究

梁鳴璋，孫鳳英

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量迅猛增加、路網(wǎng)中交通流的日益復(fù)雜，調(diào)頭交通愈發(fā)成為城市道路轉(zhuǎn)向交通中的重要部分。而調(diào)頭交通一般采用路段開(kāi)口和交叉口調(diào)頭處理模式。以VISSIM仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析交叉口交通流量與調(diào)頭點(diǎn)方式設(shè)置的關(guān)系，得到以交叉口延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度為指標(biāo)的交叉口調(diào)頭點(diǎn)設(shè)置模型，可以找出交叉口在不同的交通流量下調(diào)頭點(diǎn)的合理設(shè)置方式，從而降低掉頭交通對(duì)所在交通流的負(fù)面影響，以提高道路的通行效率[1]。

1 交叉口調(diào)頭設(shè)置方式

根據(jù)調(diào)頭交通的運(yùn)行特征，交叉口進(jìn)口道調(diào)頭點(diǎn)的設(shè)置方式[2]主要有如下四種。

方式一：交叉口內(nèi)部調(diào)頭。掉頭車輛與左轉(zhuǎn)彎車輛排隊(duì)路徑吻合，等待同一信號(hào)控制，信號(hào)放行后掉頭車流與左轉(zhuǎn)車流分離，掉頭路徑經(jīng)由交叉口內(nèi)部?jī)纱未┰饺诵袡M道，轉(zhuǎn)彎半徑的選擇性較大，但會(huì)增加交叉口內(nèi)部的分流點(diǎn)與沖突點(diǎn)。如圖1所示。

圖1 方式一

方式二：在進(jìn)口道停車線處調(diào)頭。掉頭車輛與左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)路徑基本吻合，通常等待同一信號(hào)控制，也可在對(duì)向車流的間隙靈活組織。掉頭路徑經(jīng)由停車線處，在減少了交叉口內(nèi)部沖突的同時(shí)，避免了人車沖突。如圖2所示。

圖2 方式二

方式三：進(jìn)口道停車線前展寬段內(nèi)一定距離處(30 m)調(diào)頭。掉頭路徑駛?cè)胝箤挾魏笠欢ň嚯x即與左轉(zhuǎn)路徑分離實(shí)現(xiàn)掉頭交通，一般不受信號(hào)控制。車輛在展寬段內(nèi)實(shí)現(xiàn)掉頭，掉頭路徑所引發(fā)的分流點(diǎn)與沖突點(diǎn)會(huì)施加到漸變段與掉頭口之間的雙向車道上。如圖3所示。

圖3 方式三

方式四：進(jìn)口道漸變段處調(diào)頭。掉頭路徑與左轉(zhuǎn)路徑可在漸變段掉頭點(diǎn)處提前分離，掉頭車輛通常不受信號(hào)控制。分流點(diǎn)與沖突點(diǎn)主要分布于漸變段內(nèi)。如圖4所示。

圖4 方式四

2 交叉口調(diào)頭設(shè)置方式特征分析

方式一，與其他方式相比，方式一的掉頭路徑與左轉(zhuǎn)路徑的重合度最高，繞行距離最長(zhǎng)。在接受同一信號(hào)管制的情況下，隨著本向進(jìn)口交通量的增加，掉頭車輛與左轉(zhuǎn)車輛的疊加排隊(duì)會(huì)導(dǎo)致其延誤同時(shí)增加。但由于接受同一信號(hào)控制，兩者只存在排隊(duì)疊加和停車線后的分流，并不存在沖突點(diǎn)。所以隨著交通量的增加，其延誤值的增長(zhǎng)相對(duì)平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。沖突方面，兩相位時(shí)掉頭車輛沖突于對(duì)向直行車輛；四相位時(shí)沖突于順時(shí)針右轉(zhuǎn)車輛[3]。

方式二，停車線以后的掉頭路徑與左轉(zhuǎn)路徑基本吻合，繞行距離接近于方式一。隨著進(jìn)口道交通量的增加，平均延誤會(huì)平穩(wěn)增長(zhǎng)，類似于方式一。在此種方式下，由于掉頭口距離停車線很近，左轉(zhuǎn)車輛的排隊(duì)會(huì)很快導(dǎo)致后續(xù)掉頭車輛停車等待。所以除了左轉(zhuǎn)車流量足夠小以外，在此種方式下掉頭交通脫離信號(hào)控制的意義不大。沖突方面，兩相位時(shí)掉頭車輛沖突于對(duì)向直行車輛；四相位時(shí)沖突于順時(shí)針右轉(zhuǎn)車輛。與方式一不同的是，方式二的沖突點(diǎn)已從交叉口內(nèi)部轉(zhuǎn)移出去，降低了交叉口內(nèi)部的沖突點(diǎn)密度。但其掉頭轉(zhuǎn)彎半徑受限，如遇大車掉頭會(huì)降低通行效率[4]。

方式三，此種方式下繞行距離較小，若交叉口車流量較小，則掉頭路徑可靈活選擇安全的車流空隙行進(jìn)，以減少其平均延誤。若交叉口車流量較大，由于掉頭車輛與左轉(zhuǎn)車輛不受同一信號(hào)控制，其中任意一交通流停滯都會(huì)產(chǎn)生打結(jié)現(xiàn)象，極大的增加延誤、降低通行效率。延誤會(huì)隨交通量的增加產(chǎn)生較大波動(dòng)。沖突方面，與左轉(zhuǎn)車輛存在分流，沖突于對(duì)向直行車輛[5-7]。

方式四，掉頭路徑與左轉(zhuǎn)路徑做到提前分離，掉頭車輛繞行距離最近。掉頭車輛與直左車輛存在交織與分流，在不受信號(hào)控制的情況下，掉頭車輛的停滯會(huì)對(duì)后續(xù)跟進(jìn)的直左車輛產(chǎn)生較大影響。類似于方式三，隨交通量增大，平均延誤會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)。

基于以上分析，對(duì)此交叉口進(jìn)行微觀仿真，在不同時(shí)段下調(diào)整交叉口交通量，以觀察各掉頭點(diǎn)設(shè)置方式于不同流量下的仿真結(jié)果，從而檢驗(yàn)以上分析。

3 基于VISSIM的交通仿真與評(píng)價(jià)

(1)仿真對(duì)象。該交叉口為平面四路交叉口，為主次干路相交，主干路規(guī)劃道路紅線寬度為60 m，四塊板，雙向六車道，次干路規(guī)劃道路紅線寬度為42 m，現(xiàn)狀為三塊板，雙向四車道。各進(jìn)口道都經(jīng)過(guò)展寬渠化。具體幾何條件見(jiàn)表1。仿真3D幾何模型如圖5所示。

表1 交叉口現(xiàn)狀幾何條件

圖5 VISSIM仿真3D幾何模型

(2)仿真時(shí)間。當(dāng)仿真開(kāi)始時(shí)，路網(wǎng)內(nèi)的車輛是逐漸從路網(wǎng)端點(diǎn)產(chǎn)生的，車輛到達(dá)路口需要一定時(shí)間。此時(shí)仿真的情況與實(shí)際偏差較大，需要將仿真初始階段采集的交通數(shù)據(jù)剔除，這段時(shí)間長(zhǎng)度稱為仿真暖機(jī)時(shí)間[8]。由于本文所選取的路網(wǎng)規(guī)模較小，所以設(shè)定仿真暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)度為600 s，以便使車輛在路段和交叉口處分布均勻。數(shù)據(jù)采集時(shí)間從600 s起，止于27 000 s，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為300 s。

(3)流量輸入。為了分析不同流量下，不同調(diào)頭設(shè)置方式的交通特征特性，仿真過(guò)程中流量輸入由低到高分多個(gè)時(shí)段輸入，各進(jìn)口道流量輸入相同。每個(gè)時(shí)段仿真1 800 s。流量輸入情況見(jiàn)表2。

(4)信號(hào)配時(shí)。由于此次仿真是在不同時(shí)段輸入不同的交通流量，為了使仿真結(jié)果具有客觀性與有效性，利用synchro對(duì)不同時(shí)段，不同流量下的信號(hào)配時(shí)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以消除信號(hào)配時(shí)對(duì)仿真結(jié)果的影響。

(5)仿真指標(biāo)的確定。利用交叉口的各種數(shù)據(jù)，通過(guò)VISSIM對(duì)交叉口的狀況進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并選取西進(jìn)口平均延誤和排隊(duì)長(zhǎng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表2 流量輸入

進(jìn)口排隊(duì)延誤。延誤是指由于道路和環(huán)境條件、交通干擾以及交通管理與控制等駕駛員無(wú)法控制的因素所引起的行程時(shí)間損失，以s/輛計(jì)算。排隊(duì)長(zhǎng)度。車輛排隊(duì)等待通過(guò)交叉口時(shí)的隊(duì)伍長(zhǎng)度，以輛計(jì)算。

(6)仿真數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析。在Webster延誤模型的基礎(chǔ)上，采用百分比延誤計(jì)算法計(jì)算平均延誤，此方法在計(jì)算固定信號(hào)配時(shí)與不飽和信號(hào)配時(shí)的情況下占有優(yōu)勢(shì)[9-10]。具體計(jì)算方法如下：

(1)

式中：EDq為q時(shí)段的每周期車輛延誤s；vq為q時(shí)段的車流量輛/h；s為飽和流率輛/h；C為信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)s；G為綠燈時(shí)間s。

車流量的百分比調(diào)整：

(2)

式中：zq按10%、30%、50%、70%、90%的百分比分別取值為：-1.32、-0.56、0、0.56、1.32。

每車延誤的計(jì)算：

(3)

通過(guò)對(duì)車流量的百分比調(diào)整及每車延誤的計(jì)算可得到平均百分比延誤，平均百分比延誤的計(jì)算方法：

(4)

排隊(duì)長(zhǎng)度的計(jì)算公式：

(5)

式中：Q為排隊(duì)長(zhǎng)度m；R為紅燈時(shí)間s；S為飽和流量輛/h；V為實(shí)際流量輛/h；L為車頭間距m；n為車道數(shù)；FU為車道利用系數(shù)。

通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算，可得到關(guān)于停車延誤與排隊(duì)長(zhǎng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 各調(diào)頭方式平均延誤仿真結(jié)果

表4 各調(diào)頭方式排隊(duì)長(zhǎng)度仿真結(jié)果

通過(guò)上面的仿真數(shù)據(jù)可以看出，四種調(diào)頭方式各有利弊，四種調(diào)頭方式的適用情況各有不同。當(dāng)調(diào)頭交通量≤130(輛/h)時(shí)，四種調(diào)頭方式的延誤與排隊(duì)長(zhǎng)度相差不多，均處于比較良好的狀態(tài)；當(dāng)170(輛/h)>調(diào)頭交通量>130(輛/h)，調(diào)頭方式三與方式四的延誤與排隊(duì)長(zhǎng)度相對(duì)較小，更適合在此交通流量下設(shè)置其調(diào)頭方式；當(dāng)調(diào)頭交通量>170(輛/h)時(shí)，調(diào)頭方式一與方式二的延誤與排隊(duì)長(zhǎng)度相對(duì)方式三與方式四較小，更適合在此交通流量下設(shè)置其調(diào)頭方式。基于以上分析，可以看到調(diào)頭方式的選擇與轉(zhuǎn)向流量和調(diào)頭交通量有關(guān)，因此，在交叉口的設(shè)計(jì)與優(yōu)化前，有必要對(duì)交叉口的轉(zhuǎn)向流量和調(diào)頭流量進(jìn)行交通預(yù)測(cè)，以便更好的來(lái)設(shè)計(jì)交叉口調(diào)頭點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為城市路網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，交叉口不可避免的成為城市擁堵的始作俑者，對(duì)其設(shè)計(jì)的微小改變都會(huì)對(duì)分布于路網(wǎng)中的車流產(chǎn)生一定影響。掉頭交通量雖然在整個(gè)交叉口流量中所占比率較低，但基于以上仿真與分析可以看出，交叉口在不同流量下采用不同方式的掉頭點(diǎn)設(shè)置，對(duì)整個(gè)進(jìn)口道車流的延誤與排隊(duì)長(zhǎng)度有不同影響。在以上典型應(yīng)用環(huán)境中，選擇合理的掉頭點(diǎn)設(shè)置方式，可有效的減少停車延誤達(dá)10s以上。因此，在交叉口設(shè)計(jì)與優(yōu)化前，有必要單獨(dú)對(duì)掉頭交通進(jìn)行仿真與分析，以便合理的選擇最具效率的掉頭點(diǎn)設(shè)置方式。

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