基于VISSIM仿真的隧道銜接交叉口交通組織優化

楊曉芳，方 琳，付 強 YANG Xiaofang,FANG Lin,FU Qiang

（1.上海理工大學，上海 200093；2.同濟大學 交通運輸工程學院，上海 200092）

·交通運輸·

基于VISSIM仿真的隧道銜接交叉口交通組織優化

楊曉芳1，方 琳1，付 強2YANG Xiaofang1,FANG Lin1,FU Qiang2

（1.上海理工大學，上海 200093；2.同濟大學 交通運輸工程學院，上海 200092）

為了改善隧道銜接交叉口出現的交通擁堵情況，結合入口匝道通行能力模型，建立了隧道銜接交叉口的相位相序選擇模型。以翔殷路隧道匝道及其銜接的交叉口為例，結合實際情況，運用VISSIM仿真模型，分析由交叉口進入隧道的各車道車輛的行程時間、平均延誤、排隊車輛等指標，證明模型的有效性。仿真結果表明：優化后，交叉口南進口左轉延誤降低了24.7%，東進口直行的延誤降低了42.3%，降低了隧道銜接交叉口的總延誤，有效緩解了高峰期擁堵的狀況。

隧道銜接交叉口；相序選擇模型；交通組織優化

0 引 言

隧道是城市發展的重要組成部分，是銜接隔江兩岸的主要交通設施。城市隧道雖然促進了隔江兩岸地區的交流與發展，但高峰期間經常出現擁堵的現象。隧道是車輛跨江行駛的必經之地，高峰期龐大的車流量，造成了隧道及周邊道路交叉口的擁堵。隧道的擁堵不僅與交通流量、隧道自身構造有關，而且與隧道銜接的交叉口有著密不可分的關系。因此，研究隧道入口匝道與鄰近交叉口的銜接，了解交叉口的現狀并對其進行組織優化是解決隧道擁堵的重要途徑，也是改善交叉口擁堵情況的重要步驟。

車輛進入隧道經由的交叉口進口道是關鍵影響因素，這些進口道的延誤會直接影響到車輛進入隧道之后的交通狀態；與此同時，交叉口的信號配時與隧道入口匝道的信號配時之間的協調控制是決定車輛能否疏散不造成擁堵的另一重要決定因素。

1 構建模型

為了改善高峰期隧道及其銜接交叉口的交通運行狀況，構建了適用于隧道及銜接交叉口的相位相序選擇模型。

隧道銜接交叉口相位相序選擇模型適用于：受到信號控制的隧道入口匝道的銜接交叉口，隧道入口匝道的車道能滿足高峰期交通量的需求、交叉口的各進口的車道設置合理且高峰期隧道入口匝道發生嚴重擁堵，擁堵甚至延伸至銜接交叉口的情況。結合實際調研數據以及仿真結果，根據相位相序選擇模型對隧道入口匝道以及交叉口的信號相位相序做出調整優化，改善隧道及銜接交叉口擁堵情況。隧道銜接交叉口模型結構如圖1所示。

圖1 隧道及銜接交叉口模型結構圖

相位相序選擇模型運算的具體步驟如下：設經由交叉口南進口道、北進口道、西進口道、東進口道進入隧道匝道的交通量分別q1、q2、q3、q4，北進口右轉流量為Q'，南進口左轉、西進口掉頭、東進口直行、北進口右轉車道的通行能力分別為N1、N2、N3、N4，隧道入口匝道長度為L，經由交叉口進入隧道的車輛中，受到信號控制的車輛為Q1、Q2、Q3、Q4，對應的綠燈時長分別為t1、t2、t3、t4，相應的延誤分別為d1、d2、d3、d4，入口匝道的綠燈時長為t0，周期長為T。

1.1 計算基本通行能力。道路基本通行能力是指道路與交通處于理想情況下，每一條車道（或每一條道路）在單位時間內能夠通過的最大交通量。計算公式如下：

式中：t—駕駛人反應時間 (s)，根據國內實際使用的經驗和理論分析，l安一般取用2m，t可取1s，輪胎與路面間的附著系數φ與輪胎花紋、平整度、表面濕度、行車速度等因素有關。車輛長度對于小汽車采用6m，代入上述數值則得：

縱向附著系數φ的取值根據表1確定。

表1 縱向附著系數φ與車速v的關系表

計算N1、N2、N3、N4的值，實測q1、q2、q3、q4的值，將兩個值進行比較，如果滿足q1

1.2 確定排隊指數Yd。定義：排隊指數Yd是指車輛經由交叉口進入受信號控制隧道入口匝道的時候，匝道能夠承受的排隊車輛數與受到信號控制制約而必須在入口匝道處排隊車輛數的比值，比值大于1，則表示入口匝道的排隊車輛可以接受，比值小于1，則表示入口匝道的排隊車輛延伸至其銜接交叉口，不可接受。

其中：L'——表示匝道的最大排隊車輛數，L'的取值與主干道交通量L為隧道入口匝道長度，L車一般取6m。

入口匝道與主干道的關系如圖2所示，其中q1與q2為主干道流量，q12=q1+q2；q為連接處的流量，q=q1+r。根據文獻[3]得到連接處流量、密度與匯率之間的關系為：

圖2 入口匝道與主干道

其中：n定義為匯入率，是入口匝道流量與連接處流量之比，kf為自由流密度，kj為阻塞密度；μf為自由流速度；m為波速系數；k'=kj/4-（1- m） kf/m，r為入口匝道流量。

L*——表示受到信號控制在匝道排隊的車輛數。L*的大小由入口匝道綠燈時長g，周期T，以及經由交叉口進入隧道車輛的延誤D共同決定。

選擇土壤肥沃、疏松、排灌方便的地塊種植。由于糯玉米對除草劑敏感，如果前茬種植大豆，最好能了解前茬施用的除草劑種類及有效用量，若不能明確就需要檢測土壤中除草劑殘留，方法一是發芽實驗，方法二是儀器檢測。

1.3 相位相序選擇模型。設交叉口的信號相位中與入口匝道綠燈時長重合的相位為tm，則tm=t1,t2,t3,t4或tm=（t1+ t2）， （t1+ t3），由于受到延誤而二次排隊的車輛數為qm，qm=tm×dm，dm為各相位對應的延誤值。

其中：延誤的計算公式如下：

一個周期內受阻車輛數為m，周期車輛延誤d是m輛車受阻延誤時間的總和，即：

τi—第i輛車的延誤時間，單位為s；m—周期內受阻車輛數，m=Sτ，單位為veh。

求解最大值，對應的相位即為最優化相位相序。本文以翔殷路隧道及其銜接的交叉口浦東北路—五洲大道交叉口為例，按照相位相序選擇模型，對交叉口進行交通組織優化，并且使用進口道車輛延誤、交叉口與隧道的周期為影響因子，利用VISSIM仿真軟件進行驗證，證實了信號相位相序模型的可實施性。

2 案例分析

2.1 隧道現狀。上海市翔殷路隧道是我國目前直徑最大、距離最長、行車速度最快的跨江隧道。調查發現，高峰期隧道浦東入口匝道十分擁堵，擁堵延伸至浦東北路—五洲大道交叉口，造成了交叉口各進口道車輛延誤的增加，影響了浦東北路—五洲大道交叉口的運行。

2.2 交叉口現狀。浦東北路—五洲大道交叉口位于上海市浦東新區，西進口與翔殷路隧道相連，是浦東地區車輛經過翔殷路隧道進入浦西的必經之地，交通流量較大。晚高峰期間，經由交叉口進入隧道的車輛數量急劇增長，導致翔殷路隧道浦東入口匝道處車輛擁擠，甚至蔓延至交叉口，影響交叉口其他進口道車輛的正常行駛。該交叉口為信號控制交叉口，位于中環路高架五洲大道路段下，駕駛員進入交叉口時視野受到阻礙，各進口道中央均設置了綠化帶與非機動車道，附近為工廠，人煙稀少。

2.3 機動車流量流向調查。初步踩點調查發現，晚高峰時隧道匝道入口道的擁堵情況最為嚴重，延伸至浦東北路—五洲大道交叉口。進一步優化交叉口，需對交叉口的流量流向做調查。調查時間設定為17:00—18:00，采用人工計數法，調查范圍包括翔殷路隧道入口匝道交通量、浦東北路—五洲大道交叉口交通量、中環路高架進入隧道的交通量、翔殷路隧道浦西銜接交叉口交通流量。

2.4 信號配時方案。浦東北路五洲大道交叉口信號配時方案為四相位，周期長為138s，其中黃燈時間為3s；翔殷路隧道浦東入口匝道為信號控制，配時方案為兩相位，周期長為122s，其中黃燈時間為1s。交叉口、隧道入口匝道信號配時方案如圖4所示。

3 交叉口優化與仿真評估

3.1 交叉口組織優化。根據現場調研數據，按實際比例繪制交叉口及隧道渠化設計cad圖，將圖導入VISSIM仿真軟件作為背景圖，繪制仿真路段并輸入交通流量與信號配時等調查數據。服務水平是用于評價道路車輛運行狀態的指標，它劃分為四級，是為了說明公路交通負荷狀況，以交通流狀態為劃分條件，定性地描述交通流從自由流、穩定流到飽和流和強制流的變化階段。因此，采用四級服務水平，可以方便地評價公路交通的運行質量。本文采用延誤作為主要指標，對交叉口進行服務水平評估分析，如圖3所示。本文根據調查數據，利用VISSIM軟件對交叉口進行仿真，仿真時長為1小時，得到交叉口各進口道的行程時間、排隊長度以及延誤現狀輸出結果的相關數據如表2所示。

圖3 信號交叉口延誤時間與服務水平關系

表2 隧道銜接的浦東北路—五洲大道交叉口車道仿真結果

觀察表2可知，經由交叉口進入隧道的車道為南進口的左轉車道、西進口的掉頭車道以及東進口的直行車道。

首先，針對上述車道分別進行延誤分析：南進口左轉的高峰小時交通量為444pcu/h，設置有兩個左轉專用車道，左轉專用相位時長為25s，車輛的平均延誤為39.6s，車輛的平均排隊長度達到157m，服務水平等級為D，接近不穩定車流，車輛行駛出現周期性的擁堵。西進口掉頭的高峰小時交通量為177pcu/h，西進口設置有左轉專用車道與左轉掉頭合用車道，時長為38s，掉頭車輛的平均延誤為14.3s，排隊長度為53m，停車次數為0.34次，服務水平等級為B，表現為穩定車流，車輛大多數時間行駛平穩，高峰小時內稍有延誤。東進口設置了一個左轉專用車道，一個直行車道以及一個直右車道，直行車的高峰小時交通量為540pcu/h，東西方向直行相位時長為30s，車輛的平均延誤為44.6s，直行車道的排隊長度為22m，直右車道的排隊長度為163m，服務水平等級為E。

其次，根據交叉口以及隧道入口匝道的周期對延誤進行分析：浦東北路五洲大道交叉口與入口匝道的信號配時如圖4所示。

當翔殷路隧道浦東入口匝道放行時，浦東北路五洲大道交叉口的南北左轉與東西直行分別放行，進入隧道入口匝道，加上北進口不受控制的右轉車流，造成了入口匝道車輛的擁堵。

3.2 仿真評估。根據表2的仿真結果以及圖4的交叉口現狀信號配時，得知交叉口東進口直行和南進口左轉相位與入口匝道的放行相位相重疊，由于交通量過大，導致了入口匝道的擁堵。根據相位相序選擇模型，計算出Max Yd（ ）的值為1.2，所對應的相位為東西直行，其次是南北直行，最后為南北左轉，優化后的相位如圖5所示。

圖4 交叉口入口匝道信號配時圖（優化前）

利用VISSIM仿真軟件對優化后的結果進行驗證，仿真過程如圖6所示，優化后的仿真結果如表3所示。

圖5 交叉口信號配時（優化后）

圖6 交叉口渠化設計優化后仿真過程

表3 優化后交叉口仿真延誤輸出

優化后的交叉口南進口左轉延誤由原來的39.6s降低至29.8s，排隊長度由原來的157m降低至46m，服務水平達到了C級；西進口掉頭的延誤由14.3s增加至26.1s，排隊長度由原來的53m增加至64m，服務水平降為C級；東進口直行的延誤由原先的41.6s降低至24.0s，排隊長度由原來的163m降低至18m，服務水平由原來的E級提升至了C級。雖然西進口掉頭車輛的延誤有所提升，但是服務水平為C級，車輛能穩定行駛，在可接受的延誤范圍內，從整體上來看，浦東北路五洲大道交叉口的擁堵得到了有效的緩解，翔殷路隧道浦東入口匝道的堵塞現象也得到了改善，基本達到了優化的目的。

4 結 論

本文結合城市長隧道——翔殷路隧道及其浦東入口匝道相鄰交叉口作了交通調查與分析，針對經由浦東北路五洲大道交叉口進入翔殷路隧道入口匝道車輛行駛車道，利用VISSIM仿真技術，對交叉口擁堵情況作出分析，并根據分析結果對交叉口進行了優化及評估。根據信號相位相序模型提出了詳細的優化方案。針對優化后的方案進行仿真評估，結果顯示經由交叉口進入隧道入口匝道的車輛延誤明顯降低，整體的服務水平有所提升。研究表明：城市隧道入口匝道的擁擠現象與其銜接的交叉口有所關聯，想要從根本上提升入口匝道通行能力，需要結合其銜接交叉口作整體的優化。然而，按照一定的規則調整交叉口的相位相序可以在很大程度上降低交叉口的延誤。該研究可為解決與交叉口鄰近的城市隧道入口匝道的優化提供參考。

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[2] 佚名.Highway Capacity Manual[Z].2000.

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[6] 孫璐，丁愛民，錢軍,等.基于VISSIM仿真模擬的道路改造方案評價[J].公路交通科技，2012,29(6):26-30.

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[10] 房化成，李楓.平面交叉口延誤分析與服務水平評估[J].交通科技與經濟，2009,11(1):87-89.

Traffic Organization Optimization for the Intersection Convergence of Tunnel Based on VISSIM Simulation

(1.University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.College of Transportation Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

In order to improve the traffic congestion situation at the intersection of tunnel junctions and the inlet ramp capacity model,a phase phase selection model of tunnel junction intersection is established.Taking the intersection of Xiangyan road tunnel and its intersection as an example,the VISSIM simulation model is used to analyze the travel time,the average delay and the queuing vehicle of the lane vehicles entering the tunnel from the intersection to prove the effective model sex.The simulation results show that,after optimization,the turn left turn delay of the intersection is reduced by 24.7%,the delay of the east entrance is reduced by 42.3%,which reduces the total delay of the tunnel junction and effectively alleviates the peak congestion.

tunnel adjacency intersection;phase sequence selection model;traffic organization optimization

U121

A

1002-3100(2017)08-0065-04

2017-06-28

國家自然科學基金資助項目，項目編號：51308409；上海市浦江人才計劃資助項目，項目編號：15PJC075。

楊曉芳（1975-），女，山西新絳人，上海理工大學交通工程系，副教授，博士，研究方向：智能交通、駕駛行為；方 琳（1994-），女，湖南郴州人，上海理工大學交通工程系碩士研究生，研究方向：智能交通、駕駛行為。