基于VISSIM下城市干道綠波帶配時方法

胡艷 姚杰 曹鉆

通過分析城市主干道綠波帶定義和影響綠波帶控制性能的參數，給出常用綠波帶配時方案。通過VISSIM系統仿真軟件建立城市主干道的仿真模型，能夠實現VISSIM的微觀仿真評價。同時結合V2X無線通信技術在綠波帶的應用，可以有效提高城市主干道通行效率和服務水平。

一、綠波帶

綠波帶是對交通控制理論中“信號燈多點協調控制技術”的形象化描述。即對交通干線或者交通區域內的信號燈納入計算機控制系統中，通過先進的計算方法實施統一控制，協調控制系統內的各個交叉口，使得行駛在干道的車輛不遇到紅燈或者少遇到紅燈，綠燈就像波浪一樣前進，形象的稱為綠波帶。所以，綠波帶通過控制路口信號燈參數的調整，動態的分配各個路口、各相位的綠燈時間和周期時間，能夠使過往車輛盡可能順利通過干道平面交叉口，減少停車次數及時間延誤，提高道路的通行能力，緩解城市交通堵塞。

改善主干道通行效率是提升城市形象的標識，也是衡量城市智能化和現代化交通水平的重要標志。綠波帶是城市干道協調控制最常用的方法，信號配時是綠波帶技術的核心，信號周期、相位、相位差、帶寬和綠波帶長度等是綠波帶控制性能的重要參數。平均延誤時間、排隊長度和停車次數等是評價綠波帶控制方法好壞的性能指標。

二、配時方案

綠波帶分為單向協調控制和雙向協調控制。單向協調控制針對交通流只有一個方向，由于交通流一致性，無其他方向干擾，綠波帶效果比較好。雙向協調控制主要針對兩個相鄰交叉口的間距小于800米，公共周期時長是行駛時間的兩倍，而實際城市主干道沿線各交叉路口的間距分布不均勻，在行駛的平均速度不變情況下，公共信號周期也不一定能夠滿足該條件。為了合理對綠波帶進行配時，必須對主干道各個沿線的各交叉口間的相位差進行合理調整。雙向協調控制主要方法包括同步式信號協調控制、交互式信號協調控制以及續進式信號協調控制。

圖解法和數解法是綠波帶配時相位優化常用的方法。圖解法是通過作圖的方法，橫軸為相鄰交叉口之間的距離，縱軸為時間，稱為“時間-距離圖”，確定協調控制系統的公共信號周期與相位差。圖解法靈活性極高，充分考慮當地交通的狀況和設計者的最終的目標，但精確度不是很高。數解法是通過數值計算的方法，尋求最小偏移綠信比，求解協調控制配時參數，準確度比較高，適合于處理城市復雜路網的配時計算。

圖解法簡稱為“時空圖”，即車輛的時間和距離圖。通過幾何作圖的方法，利用引線確定交互式協調和同步式協調策略，不斷調整周期長度，來調整通過綠波帶行進速度。然后通過確定關鍵交叉口的相位差，得到一條比較理想的綠波方案。其計算過程如下：首先，依據綠波帶中心線交點的位置和估算的周期時間，畫出綠波帶的軸線和帶寬范圍；其次，由相交叉道路方向的機動車或相應的行人綠燈時間加上綠燈間隔時間得出協調方向的紅燈時間；然后，帶寬為系統周期時長減去其中一個交叉口的紅燈時間和綠燈間隔時間，得到一個等寬的綠波帶。最后，確定綠燈時長，進行通行能力檢驗。

數解法通過尋求與實際交叉口間距最大位移量最小為目標，從而確定最佳公共信號周期與相位差，獲取主干道協調控制系統最大通過帶寬度和較為理想的協調控制效果。其計算過程如下：通過計算各個交叉口之間的理想距離，確定為a列；計算b列，按順序排列實際信號位置與理想信號的挪移量，得到最大差值為b列；確定最佳的理想信號位置，然后得到連續行駛通過帶，根據各交叉口相對于理想交叉口位置所處的方位，確定其相位差的大小。

三、仿真模擬與優化

VISSIM是由德國PTV公司開發的微觀交通仿真系統模擬工具。它是一種微觀、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，用以建模和分析各種交通條件下，例如車道設置、交通構成、交通信號、公交站點等城市交通和公共交通的運行狀況，是評價交通工程設計和城市規劃方案的有效工具。VISSIM由交通仿真器和信號狀況產生器兩部分組成，它們之間通過接口交換檢測器數據和信號狀況信息。VISSIM即可以在線生成可視化的交通運行狀況，也可以離線輸出各種統計數據，比如旅行時間、排隊長度等。

該仿真軟件中車輛縱向運動采用了心理-跟馳模型，橫向運動采用了基于規則的算法，提供圖像化界面，用戶2D和3D動畫向用戶直觀顯示車輛的運動。仿真模型的精確性主要取決于交通流模型的質量，VISSIM軟件采用的跟馳模型是Widemann，其駕駛行為闕值模型包括城市道路和高速公路兩種情況，其中前者為Widemann74模型，后者是Widemann99模型。

通過VISSIM軟件建立路網模型，結合傳統圖解法和數解法獲得配時方案，提出多目標優化法獲得配時方案，對優化配時方案進行仿真模擬，以獲取并與現有配時方案就主干道交叉口交通運行參數進行對比，從而驗證優化后配時方案的有效性。例如，以長安區典型主干道西部大道與華美十字路口和西部大道與西灃路十字路口等具有代表性主干道為實際情況，對其沿線各交叉口重新進行信號協調控制，結合現場的實際調查，獲取交通流資料，設計出信號周期、新綠比、相位差以及帶速等基本參數，實現綠波帶優化，能有效提供城區智能交通道路狀況。

四、綠波帶應用

優化后綠波帶結合V2X應用，稱為綠波車速引導，如圖1所示，該場景可以有效的提高駕駛員感知和安全出行。配有車載單元（OBU）的車輛，駛向每一個信號燈控制交叉路口時，收到由路側單元（RSU）發送的道路數據以及信號燈實時的狀態數據，結合車輛自身的位置信息和運行狀態數據，在車載單元顯示屏上給出通過下一個路口的建議車速和綠燈剩余時間，使得車輛感知前方路口信號燈實時變化，以經濟和舒適的車速和較低的油耗通過路口。同時，車輛終端利用配有OBU和基礎設施的RSU之間的無線通信技術，讓每個路口紅綠燈與車輛進行信息交互，通過車上顯示建議的行車速度、信號燈信息以及其他車輛狀態信息，可以減少闖紅燈和碰撞等交通事故的概率，從而提高通行的效率。

所以，城市干道綠波帶應用，緩解了干道交通擁堵狀況，減少了通行車輛因頻繁遇到紅燈造成的等待延誤，保證車流整體較高的行駛速度，提高了道路的通行能力；車輛遇到紅燈的概率降低，減少了車輛頻繁停車造成的尾氣排放，有利于抑制環境污染。干道協調控制不僅使交通更為安全暢通，更好的規劃出行路線，計劃出行時間。

五、城市交通的意義

通過對城市主干道現場的實際調查，得到客觀的交通流資料，對交通流進行處理和分析，設計出信號周期、綠信比、相位差以及帶速等基本參數，通過VISSIM系統仿真軟件進行理論研究和仿真測試，得到理想的仿真實驗數據，應用于城市主干道綠波帶協調，來提高城市主干道綠波帶的通行能力，改善交通狀況、解除交通堵塞問題。