VISSIM仿真在單向交通組織方案比選與評價中的應用

卓亞娟，王元慶

(1.太原科技大學，山西太原030024；2.長安大學，陜西西安710064)

VISSIM仿真在單向交通組織方案比選與評價中的應用

卓亞娟1，王元慶2

(1.太原科技大學，山西太原030024；2.長安大學，陜西西安710064)

單向交通組織具有緩解交通擁堵、便于實施的優勢，但由此帶來的繞行、末端壓力等交通負擔可能會降低更大范圍內的交通效率。因此，有必要基于微觀交通仿真軟件VISSIM的功能及特點，開發出對道路單向交通系統進行方案比選與仿真評價的具體方法，并在西安市唐延路單向交通系統中進行實踐。首先對比現狀交通與實施單向交通組織仿真模型中的交通效率，證明實施單向交通組織可緩解交通擁堵。其次，針對仿真模型中存在的沖突點提出改善方案。最后，通過方案比選獲得最優交通組織方式。實踐證明，該方法可以直觀、定量、準確地模擬并優化單向交通組織中的單行定向、系統末端交通設計、系統信號控制方案設計及交叉口渠化等設計環節，為單向交通組織方案設計、比選和優化提供科學依據。

VISSIM仿真；單向交通組織；仿真評價；方案比選

0 引言

單向交通組織指只允許車輛按規定方向行駛的交通組織方式。在城市道路系統中，為保證車輛能回到原點，通常會對多條道路實施單向交通組織，使之形成按照某種方式循環銜接的交通系統[1]。實踐證明，根據系統中路段或路網結構、交叉口渠化與間距、交通流量流向等道路交通條件科學合理地進行單向交通組織，并對單向交通系統施行正確的交通管理與控制手段，可以充分挖掘原有城市道路系統的通行能力，有效緩解城市交通擁堵，并且幾乎不涉及道路改擴建工程，資金投入少，實施快捷、安全。因此，單向交通系統是解決城市交通問題十分有效、快捷的途徑。

盡管單向交通有上述優點，但是也存在劣勢。例如，增加部分車輛的繞行距離、不便于當地居民出入、對公共交通產生影響以及系統末端交通壓力劇增等。因此，有必要對單向交通方案設計進行比選與評價。以往的評價研究主要集中于指標的選取和計算方法，或者是指標的量化分析，缺少對方案設計和比選本身問題以及方案優化過程的探討，例如交叉口交通組織中的人車沖突、路邊停車對單向交通的影響、信號控制方案優化等[2-4]。本文提出將宏觀和微觀交通仿真相結合進行單向交通系統方案比選和評價的方法和步驟，并以實際項目為背景進行實例研究，以證明該方法的應用價值。

1 單向交通組織方案仿真評價的意義

1.1 經濟性

道路單向交通，尤其是干路單向交通的實施，會對城市交通產生廣泛而深遠的影響。方案中任何一個細小的失誤或不足都可能引起區域性的交通擁堵甚至交通事故，并會對后續正式運行造成很大的公眾輿論障礙。因此，實施前應對方案的各個環節進行充分、嚴密的論證，通過論證方可進行試運行。而采用微觀交通仿真的方法，可以在無須現場試運行和真實道路交通系統參與的情況下預知試運行期間可能發生的交通問題，具有經濟、方便的特點[3]。

1.2 科學性

單向交通的實施會導致整個區域路網系統交通量的重新分配，進而影響到系統中關鍵交叉口、路段交通量的時空序列。因此，單向交通組織方案的可行性和最優性至關重要，須定性分析與定量分析相結合，宏觀分析與微觀分析互補，采用微觀交通仿真可以實時以及超前地反映道路交通流及交通組織的各種變化。

1.3 靈活性

微觀交通仿真模型可以根據不同單向交通組織方案的需要靈活修改，包括路網、信號控制及交通流組成等各個方面，從而模擬各種條件下交通運行情況。同時，仿真還可以體現不同交通組織方案下人—車、車—車的關系與矛盾，為合理組織相同及不同交通流提供依據。

2 VISSIM仿真技術的應用

2.1 單向交通組織方案仿真評價流程

從系統的角度出發，以仿真建模為基礎構建單向交通組織方案比選與評價流程(見圖1)。首先，根據調查得到的現狀交通流、路網、交通管控數據以及系統影響范圍內用地發展規劃情況，建立相應的宏觀交通模型，預測路網近期、中期和遠期出行數據。其次，根據預測結果對系統內交通運行狀況進行分析并診斷問題，根據交通發展需求制定單向交通組織方案及備選方案。再次，建立上述方案及備選方案的微觀仿真模型，并根據交通組織目標建立評價指標體系，結合VISSIM特有功能設置仿真評價模塊并進行仿真運行與指標輸出。最后，對比分析各方案的輸出指標值，對單向交通組織方案進行比選和優化，并得出最終評價指標值[5-7]。

圖1 單向交通組織方案比選與仿真評價流程Fig.1 The framework of a Simulation-based methodology to select and evaluate one-way traffic plans

從圖1可見，將宏觀與微觀仿真技術引入單向交通組織方案比選與評價過程，一方面考慮了單向交通組織中常見的方案設計問題，另一方面實現了對單向交通系統進行多方案構造、仿真運行、效果比選與組織優化等目的，使單向交通組織方案設計、比選與評價工作更加細化、直觀、全面、有效。

2.2 仿真評價指標輸出

單向交通是一種較為復雜的中微觀交通組織方式，其方案設計的每個環節均會對單向交通不同方面的效益產生影響。不同交通組織目標，單向交通獲得的效益也會有所差別。由于這些影響因素錯綜復雜，且有些因素的影響難以量化，因此對全部因素進行評價在實際中既不可能，也沒必要，應根據交通組織的主要目的，選擇具有代表性的因素作為評價指標體系。鑒于單向交通組織方案評價指標的選取和設定尚缺乏相應規范[5]，本文總結以往研究成果，構建如圖2所示的單向交通組織方案評價指標體系。

2.3 單向交通組織方案設計關鍵環節

單向交通組織方案考慮是否周全、設計是否合理直接影響其實施效果，因此要對方案進行全面而細致的論證。道路單向交通組織方案設計主要包括：系統末端交通分析、系統內部交通組織和信號控制三個方面[5]。

1）系統末端交通分析。

圖2 單向交通組織方案評價指標體系Fig.2 Evaluation criteria for evaluating one-way traffic plans

單向交通主要是為緩解某段道路或子區路網的交通壓力，提高其通行能力。城市交通具有動態關聯性，因此在對特定道路系統實施單向交通前，需分析其系統末端(系統出入口或系統與外界交通關聯度較高的路段及交叉口)交通變化情況；分析單向交通的實施對其有何影響，若為消極影響，則應制定相應的解決方案，若這種消極影響極大且無法解決，則說明單向交通不可行。

2）系統內部交通組織設計。

系統內部交通組織設計主要包括掉頭車道、公交車站和線路、路內停車、機非分隔、交通標志標線等內容。在方案設計時應認真分析每一種設計對單向交通系統整體效益的影響。需要注意的是，道路實施單向交通后，系統內交通流量流向會發生變化，需要根據宏觀交通模型及定性分析確定單向交通實施后系統內部的交通流量流向。

3）信號控制優化設計。

單向交通系統應根據系統內部交通流量流向的變化情況制定新的信號控制方案。為強化單向交通組織實施效果，通常采用干路信號協調控制或區域信號協調控制。

2.4 VISSIM仿真模型建立

單向交通組織方案及備選方案確定后，為提升仿真的可靠性，需要全面、準確的基礎資料。采用VISSIM進行仿真評價包括以下6個步驟[8]：

1）建立仿真路網。

根據單向交通系統內路網現狀調查數據、道路紅線等資料，按照實際尺寸繪制路網CAD圖，然后導入VISSIM建立仿真背景，在此基礎上建立現狀仿真路網模型，設置路段車道數、車道寬度、交叉口進口道寬度、車道功能、交叉口轉彎等。為使車輛能回到原點，通常會單獨設置掉頭車道，此時掉頭車道可能與非機動車道和人行道存在重疊，應認真處理這一特殊情況，按照單向交通實施后車道的實際劃分情況建立路網模型。

2）設置交通流參數。

根據高峰小時流量流向調查結果，將道路交通量、車型比例、各道路交叉口的轉向比例輸入到路網模型中，根據路段、交叉口車速調查結果，確定各類交通流期望車速值。通常不需要將各種車型的流量進行標準化換算，可直接輸入不同車輛類型及轉向下的實際交通量。

3）設置公交參數。

指根據調查得到的路網系統內所有公共汽車數據計算公交參數。調查內容主要包括公共汽車行車線路、每車額定載客量、每線路發車頻率、公交車站尺寸、站臺各線路乘降量等。

4）設置交通管控參數。

根據調查得到的交通管控數據，設置各個路段及交叉口的交通管理與控制模塊，主要包括根據標志標線、交通規則等確定的不同交通流之間的讓行規則、轉向規則，尤其是建立仿真路網中提到的掉頭車輛與非機動車、行人的讓行規則，此外還包括路內停車、車道限制、車速變化點和減速區域、交叉口信號控制方案等。

5）模型校核。

通過校核現狀仿真模型確定一些基本的仿真參數，以確保方案的仿真模型更加可靠，這是決定仿真是否可信的關鍵步驟[9]。模型校核包含兩部分，一部分是觀察現狀仿真模型與實際交通運行情況是否吻合；另一部分是通過對比路段車速、交叉口排隊長度、交叉口各進口道延誤和停車率等指標，分析現狀仿真模型輸出指標值與實際交通調查中得到的現狀指標值是否接近。若仿真動畫與實際交通運行情況不一致，或仿真輸出指標與調查得到的指標誤差較大，則應對仿真模型進行修改。

6）設置評價模塊，仿真運行并輸出評價指標。

VISSIM中每一種評價指標值的獲得均需設置相應模塊或激活相應功能。VISSIM提供三種指標輸出類型：窗口輸出可以直觀地觀察仿真過程，發現交通運行中存在的問題，擁堵發生的路段、節點等；文件輸出提供整個仿真過程中各評價指標的詳細變化情況；數據庫形式的輸出有利于優化交通組織過程。

一個完整的仿真模型包括上述6個步驟，但是一次完整的仿真應用還需分別建立單向交通組織方案及備選方案的仿真模型。建模時應注意每個步驟中相關參數的變化，例如路網模型，現狀路網模型需要根據實際情況建立，而單向交通組織方案模型需要按照方案中單行路方向、交叉口渠化、車道設置等建立；交通流參數設置時，現狀模型輸入的是調查得到的實際值，而方案模型輸入的是通過宏觀仿真模型得到的值。

2.5 單向交通組織方案優化與評價指標輸出

運行單向交通組織方案及備選方案的仿真模型并輸出評價指標值，通過觀察仿真動畫以及對比分析輸出的指標值，對單向交通組織方案進行改進。重復上述兩個步驟，不斷優化單向交通方案，得到最優方案以及評價指標值。

3 實例分析

西安市唐延路與灃惠南路地處西二環南延伸線與繞城高速間，是連接高速路、快速路的市級主干路；唐延路走廊聯系秦嶺北麓旅游觀光區、陜西國賓館，沿線及南端錦業路商業業態逐漸形成；同時走廊地處高新區中心，是高新區南北交通最重要的通道，交通量大。

為提升高新區南北向通行能力，緩解交通擁堵現狀，營造平安、有序、暢通的道路交通環境，結合唐延路與灃惠南路及周邊路網特征，對現狀及預測交通量進行分析，提出對其實施單向交通的方案設想(見圖3)，以解決現狀交通擁堵問題并適應未來發展：唐延路單向交通系統北至大寨路，南至科技七路，形成逆時針運行的閉合系統，唐延路車流由南向北單向行駛，灃惠南路車流由北向南單向行駛；與唐延路和灃惠南路相交的東西向道路均為雙向行駛，掉頭車道由原道路非機動車道的一部分構成。

下文以2.3節所述單向交通組織方案設計關鍵環節為例，說明如何應用VISSIM對單向交通組織方案進行優化及評價。

3.1 系統末端交通仿真分析與評價

由于所選唐延路走廊是西二環向南進入三環的通道，對全市交通具有重要意義，因此應對實施單向交通組織后系統末端的交通狀況進行分析。系統末端主要指唐延路北端與二環輔路交叉口、唐延路南端與三環輔路交叉口。由于后者交通量尚未飽和且渠化空間比較大，故前者是分析單向交通系統通行能力和對外圍交通影響的關鍵點，需對該交叉口在項目實施前后的交通情況進行對比分析，判斷單向交通對其造成的影響以及應采取的改善措施。

此處采用交叉口各進口道延誤時間及服務水平作為主要評價指標[10]。唐延路與二環輔路交叉口現狀流量、流向圖，采取單向交通后的仿真模型，及采取交通改善措施后的仿真模型如圖4所示，方案具體內容及仿真結果如表1、表2所示。

從表2可知，實施單向交通后，唐延路交通流到達規律的變化導致唐延路南進口與二環輔路交叉口交通沖突加大，車均延誤增加；二環輔路東進口上游交叉口的擁堵導致唐延路北進口與二環輔路交叉口到達車輛減少，交叉口沖突降低，車均延誤減小。對上述兩交叉口實施信號協調控制后，交叉口沖突有所減少，車均延誤減輕，交叉口服務水平在可接受范圍內。因此，實施單向交通可行。

3.2 系統內部交通組織設計仿真分析與評價

圖3 唐延路單向限行系統總體方案及宏觀、微觀仿真Fig.3 Proposal illustration of Tangyan Road one-way traffic plan and macro-and micro-simulation outputs

圖4 唐延路與二環輔路交叉口現狀及改善后的交通仿真模型Fig.4 Before-after simulation development of the intersection of Tangyan Road and the Second Ring Side Road

表1 唐延路單向交通系統末端交通狀態Tab.1 Traffic conditions at end-zones of Tangyan Road with one-way traffic plan

干路單向交通系統的交通組織方式通常有兩種：1)逆時針方向環形單向交通的分、合流點及沖突點各4個，復雜度指標為36；2)順時針方向環形單向交通，分、合流點各4個，無沖突點，復雜度指標為16。因此，通常單向交通采用順時針環行。但考慮到唐延路兩側商業發展、進出高新區交通問題，采用逆時針環行方案更加合理。為了減少分、合流點及沖突點數量，唐延路設置了左轉掉頭車道。為評價該設置能否減少系統的分、合流點和沖突點總量，使用VISSIM軟件進行仿真，將沖突點數作為主要評價指標。根據是否設置左轉掉頭車道將內部交通組織方案分為方案1(無左轉掉頭車道)和方案2(有左轉掉頭車道)(見圖5)。方案1中，單行路(唐延路和灃惠南路)允許左轉，與單行路相交道路(科技路至科技六路)不設專用掉頭車道。方案2中，與單行路相交道路(科技路至科技六路)在非機動車道內側劃出一條車道作為左轉掉頭車道，其車輛與非機動車逆向行駛。

從表3可以看出，方案2中系統總沖突點數量相對于方案1顯著減少。這表明采用左轉專用掉頭車道有效避免了單行路上左轉交通流同對向直行車流的沖突數；與沖突點數量的減少相關，系統車均延誤時間也顯著縮短。上述數據表明采用左轉專用掉頭車道設計形式可顯著提高單向交通系統運行效益。

3.3 信號控制優化設計仿真分析與評價

確定交通組織方案后，需根據新的交通流量、流向對系統信號控制進行優化，再通過Vissim vap編程或修改VISSIM中信號控制模塊相關參數(如0ff set值)對不同的信控方案進行仿真分析與評價。此處評價指標選用能綜合反映系統經濟、環境和技術等各層面效益的指標，包括單向交通系統路段通行能力(本文只列出主要干路路段的通行能力和飽和度值)、行程車速、各交叉口進口道信控延誤及服務水平、系統燃油消耗及尾氣排放(汽車廢氣成分復雜，難以全面計算，鑒于其主要成分為CO2，故選取VISSIM中提供的節點評價排放指標CO2作為排放指標)四項指標。為說明單向交通組織方案取得的效益，將實施單向交通前系統采用單點定時信號控制的情景定為方案1，將實施單向交通后系統沿用單點定時信號控制的情景定為方案2，采用干路雙向綠波協調控制的情景定為方案3。其對應評價指標輸出結果見表4、表5和表6。

由表4可見，方案2中系統內大部分路段通行能力和飽和度均有較大幅度提升，方案3中通行能力和飽和度均也有所提升，但提升幅度較小。由表5可見，方案3中系統內各交叉口信控延誤顯著降低，交叉口平均服務水平亦有所提升。由表6可見，方案2中灃惠南路行程車速有所降低，唐延路車速有所提高，方案3中灃惠南路行程車速降低幅度較小，而唐延路車速大幅提高；方案2中灃惠南路的燃油消耗量和尾氣排放量均顯著降低，方案3中降低幅度進一步增加；方案2中唐延路的燃油消耗量和尾氣排放量較方案1有所增加，而在方案3中又有所降低。這主要是由于實施方案2后交通量在系統內的重新分布以及車速變化所引起的，但從單向交通系統整體衡量，系統的燃油消耗量和尾氣排放量顯著降低。

表2 唐延路單向交通系統末端交通仿真分析Tab.2 Simulation output analysis for end-zones of Tangyan Road with one-way traffic plan

圖5 有無左轉掉頭車道的單向交通組織示意及局部路網仿真模型Fig.5 One-way traffic plan and local road network simulation with/without left u-turn lanes

表3 唐延路單向交通系統有無左轉掉頭車道方案仿真評價結果Tab.3 Simulation outputs of Tangyan Road under one-way traffic plan with/without left u-turn lanes

表4 采用不同信號控制方案系統內各路段通行能力及飽和度Tab.4 Road capacity and saturation flow rate at each intersection under different signal control schemes

表5 采用不同信號控制方案系統內各交叉口信號控制延誤及服務水平Tab.5 Estimation of signal delay and service level for each intersection under different signal control schemes

通過以上仿真結果可知，單向交通有利于改善原有道路系統的運行效率和環境指標，而采用科學合理的干路信號協調控制可進一步提升單向交通的效益。

4 結語

本文針對單向交通組織方案比選與評價過程中存在的問題，利用微觀交通仿真軟件VISSIM建模靈活和評價指標完善的特征，開發了對道路單向交通系統進行方案比選與仿真評價的具體方法。文中針對單向交通系統方案設計的三個重要環節進行了詳細說明，并以西安市唐延路單向交通系統為對象對上述方法進行驗證。結果表明，在唐延路單向交通系統中，系統末端交通設計至關重要，其設計是否合理直接影響相關交叉口甚至相鄰路網的通行效率；系統內部交通組織設計，例如單行定向、交叉口車道功能劃分、是否禁止左轉等需要結合實際情況，反復論證；系統信號控制方式對單行效率影響較大，采取何種信號控制方案更需結合路段通行能力、行程車速、交叉口延誤及服務水平、系統燃油消耗及尾氣排放等多指標綜合比選。VISSIM軟件可通過實時動態窗口輸出上述單向交通系統方案設計各主要環節，還可得到細致易處理的數據文件。

表6 采用不同信號控制方案系統行程車速、燃油消耗及尾氣排放指標Tab.6 Estimation of travel speed,fuel consumption and exhaust emissions index under different signal control schemes

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Application of VISSIM Simulation on Evaluation of One-way Traffic Plans

Zhuo Yajuan1,Wang Yuanqing2
(1.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China;2.Chang'an University,Xi'an Shaanxi 710064,China)

The implementation of One-way traffic system is encouraged to some degree due to its function in relieving congestion and wide applicability,however,it may also result in a long-distance detour and increasing traffic pressures at end-point zones which would consequently harm traffic efficiency in other hand.Therefore,development of simulation-based methodology to evaluate one-way traffic plans turns to be a critical issue which is expected to avoid impolicy in decision making.This paper addressed a simulation tool based on VISSIM platform to assess the impacts of Tangyan Road one-way system in Xi’an.Firstly,the comparison of the simulation output with surveyed data reveals that one-way system is able to release traffic congestion to some degree,and then,several plans are further proposed for coping with conflict points detected by simulation.The main findings suggest that the proposed methodology is able to simulate and evaluate the one-way traffic plans as well as optimizing traffic organization plan,signal plan,and intersection channelization that are function in assisting decision making and proposal selection of oneway traffic plan.

VISSIM simulation;one-way traffic plan;simulative evaluation;scheme comparison

1672-5328（2016）01-0072-08

U491

A

10.13813/j.cn11-5141/u.2016.0111

2014-01-10

卓亞娟(1985—)，女，陜西咸陽人，碩士，實驗員。主要研究方向：交通組織與管理、城市公共交通。E-mail:ZYJ_TSS@163.com