基于VISSIM仿真的交叉口信號優化配時綜合評價*

□ 張 誠，季文倩，謝 衍

(1.華東交通大學 交通運輸與物流學院，江西 南昌 330013；2.高鐵與區域發展研究中心，江西 南昌 330013 3.華東交通大學 信息工程學院，江西 南昌 330013)

交通堵塞的日益嚴重，不僅影響城市的正常運轉，而且降低了人們的日常工作效率和生活質量[1]。交叉口是城市道路交通中重要的流向轉折點，是城市道路網中通行能力的瓶頸，對交叉口采取合理的優化設計及信號配時是提高其通行能力、降低延誤的重要手段[2]。我國大多數城市信號交叉口采用單點固定信號配時，然而由于城市格局的不斷完善以及城市路網的更新，城市道路交通狀況也在不斷變化，導致原有的信號配時方案與現有的交通狀況不匹配，產生交叉口的通行效率下降，延誤增加，相應的交通污染加劇，燃油資源浪費等一系列問題。因此，基于城市交叉口的交通現狀，優化城市信號交叉口配時方案，提高交叉口通行能力，對緩解當今城市交通擁堵問題具有重要的意義。

近年來，眾多學者對城市信號交叉口優化問題做了大量的研究。在理論研究方面，曾昕等[3]基于可變車道,提出信號交叉口時空資源優化配置方法；趙盼明等[4]針對小區域交叉口群過飽和狀態,提出了基于模糊控制的信號協調優化方案；趙靖等[5]為了提升連續流交叉口的通行能力,消除其主信號處左轉非機動車與直行機動車的沖突,提出了一種左轉非機動車優化設計方法；蔣賢才等[6]為了改善不對稱交通流導致信號交叉口進口道交通負荷分布不均、通行效率低下的問題,建立了空間動態車道分配與信號配時相結合的優化模型。

雖然交叉口優化問題在理論研究方面取得了豐富的成果，但是當今大多數城市常規單點信號控制交叉口的配時方法主要是基于英國的TRRL法(也稱Webster法)、澳大利亞的ARRB法、美國的HCM法以及我國現有配時方法，并結合我國城市交通特點而確定[7]。眾多學者在此基礎上優化了國內一些單點定時信號控制交叉口的配時方案，并取得了顯著的效益，劉宜恩等[8]優化了廣州市天河區天河北路和體育西路交叉口，并以車均延誤、平均排隊長度、停車時間為評價指標，對信號配時優化前后進行評價；范東凱等[9]優化了淄博市張店區世紀路與人民西路十字交叉口，從交叉口渠化、信號配時等角度提出改善方案，應用VISSIM軟件對改善方案進行仿真和分析，逐步得到最好的效果；蘇春敏等[10]優化了福州市馬尾區羅星西路與青州路十字信號控制交叉口，并將信號管制下交叉口范圍內的碳排放作為評價指標進行分析。

城市信號交叉口優化問題在實踐的研究中成果頗豐，學者們在優化單點定時信號控制交叉口的配時方案時，卻鮮有學者對信號配時優化前后的仿真結果做出系統的對比分析。本文以焦作市塔南路與工業路交叉口為例，基于現狀交叉口的交通量數據，在總結前人設計優化信號配時方案的基礎上，闡述了優化信號配時的設計過程，并通過VISSIM9.0仿真平臺，從交叉口交通效率及尾氣排放量兩方面的評價參數對信號配時優化前后的仿真結果進行綜合評價。

1 交叉口現狀

焦作市塔南路與工業路交叉口位于焦作市新城區與老城區連接處，為一規則的平面十字形交叉口。該交叉口高峰時段為定時信號配時，信號周期為160s。第一相位為南進口、北進口方向左轉車流通行，通行時間為23秒；第二相位為東進口、西進口直行和右轉車流通行，通行時間為31秒；第三相位為北進口、南進口直行和右轉車流通行，通行時間為78秒；第四相位為東進口、西進口左轉車流通行，通行時間為28秒。該交叉口相交的兩條道路是城市主干道和次干道。塔南路為

圖1 交叉口位置圖

南北走向的城市主干道，一塊板形式，雙向4車道，進口道拓寬一條車道共3條車道，出口道共兩條車道；工業路為東西走向的城市次干道，一塊板形式，雙向4車道，進口道拓寬一條車道共3條車道，出口道共兩條車道。周邊分布著鋼鐵廠、遠大未來城，向北直通焦煤集團綜合樓，向南途經丹尼斯和太極廣場。由于此交叉口貫穿南北交通要塞，交通量較大，高峰時段的交通狀況復雜，交通秩序混亂。本文所研究的交叉口位置如圖1所示，交叉口渠化現狀如圖4所示。

根據文獻[8]的交通量調查方法，對塔南路與工業路交叉口進行交通量調查，調查晚高峰期間的交通量，調查時間為17∶30-18∶30。調查期間，在交叉口附近小區的樓道里對交叉口進行錄像拍攝，時間為1小時，分三次拍攝，每次20分鐘。攝像結束后，對視頻內的車流量進行整理，每個進口道分左轉、直行、右轉三個流向進行統計；同時，將車型分為小、中、大、非機動車四種車型進行統計并統一折算為標準車輛數。通過以上數據的整理與統計得到如下圖2所示的塔南路與工業路交叉口高峰小時交通量。

圖2 交叉口高峰小時交通量

由上圖2可以看出，該交叉口的南、北進口道直行和右轉車流量較大，占該交叉口總交通量的74.4%；各進口道左轉車流量較小，總體左轉交通量僅占比為8.69%；東西進口的直行和右轉交通量占總交通量的16.9%，僅為南、北進口的直行和右轉車流量的22.7%。

2 交叉口信號配時優化

本文基于大量的實測數據，根據文獻[7]中信號交叉口配時模型的理論方法，設計焦作市塔南路與工業路信號交叉口的優化配時方案。飽和流量隨交叉口的幾何因素，渠化方式以及各流向交通沖突等情況而異，因此采用實測數據。依據飽和流量實測數據的計算方法，飽和流量為：

式中：Si為第i條車道的飽和流量，pcu/h；hi為第條進口道的排隊車輛第4輛車以后的車頭時距，(一般去掉最大值和最小值)；ni為第i條車道車頭時距數據個數。

根據調查數據，統計處理得到交叉口各條進口道的飽和流量及流量比如下表1所示。

表1 交叉口各條進口道飽和流量和流量比

周期時長是決定點控制定時信號交通效益的關鍵控制參數，所以是信號配時的主要設計對象。周期時長按如下方法計算：

式中：C0為交叉口信號周期；L為信號總損失時間；Y為組成周期的各個信號相位最大流量比之和，一般Y<0.92；Ls為起動損失時間，取3s；A為黃燈時長，可定為3s；I為綠燈間隔時間，當綠燈間隔時間I<3s時，配以黃燈時間3s；I>3s時，其中3s配以黃燈，其余時間配以紅燈；k為一周期內的綠燈間隔數(本信號交叉口k=3)；z為停車線到突點的距離；va為車輛在進口道上的行駛車速；ts為車輛制動時間。

本交叉口車輛在進口道上的行駛速度取6m/s，此時對應的車輛制動時間取2.1s，從停車線到沖突點距離取18.5m，得到綠燈間隔時間5.2s，取5s，其中黃燈時間為3秒，全紅時間為2秒，信號總損失時間為20s，由表2計算可知主流量比總和為0.85，得到最佳信號周期為133s。

各個相位的有效綠燈時間按如下方式計算：

式中：Ge為總有效綠燈時間；C0為交叉口信號周期；L為信號總損失時間；gei為第i相位的有效綠燈時間；yi為第i相位的主流量比；Y為組成周期的全部信號相位的各個主流量比yi之和，一般Y<0.92，得到各相位有效綠燈時間如下表2所示。

表2 各相位有效綠燈時間分配

考慮行人過街的最短綠燈時間為16秒，故第1相位和第4相位取16秒，總周期為148秒。優化配時方案在初次仿真結果的基礎上，利用相位相序的調整來改進交叉口的信號配時方案，多次建模仿真后，經過分析篩選得到最佳仿真評價結果[9]。本文通過多次調整相位相序并運行仿真，發現現狀相位相序最佳，各信號燈組信號配時如表3所示。

表3 優化交叉口固定信號配時

3 交叉口仿真及分析

3.1 交叉口仿真

VISSIM是一種微觀、時間驅動、基于駕駛行為的仿真建模工具，根據Wiedemann發表的核心模型——“生理-心理跟馳模型”開發而來，是迄今為止計算機交通仿真技術中最為精確的模型之一[11-12]。本文基于VISSIM9.0仿真平臺，根據現狀及優化的焦作市塔南路與工業路交叉口的道路設計、高峰小時交通量、信號配時，建立微觀仿真模型，仿真的3D效果如圖3所示。

圖3 交叉口3D仿真效果圖

圖4 交叉口渠化平面圖

3.2 仿真結果分析

提高交叉口的通行效率是優化信號配時的主要目標，機動車在交叉口產生的有害氣體是造成環境污染的重要原因。因此，本文從交叉口的通行效率和機動車在交叉口的尾氣排放量兩個方面對比分析交叉口優化前后的仿真結果。通行效率選取平均排隊長度、車均延誤、平均停車延誤、停車次數4個主要評價指標；尾氣排放量選取CO、NOx、VOC、油耗4個關鍵評價參數。優化前后交叉口交通效率及尾氣排放量結果見表4表5。

表4 優化前后交叉口交通效率指標

表5 優化前后交叉口尾氣排放量參數

由交叉口優化前后交通效率評價參數和尾氣排放量評價參數的結果可知，交叉口優化前后的主要變化為：南北方向直行和右轉車流的交通效率有明顯的提高，車均尾氣排放量有顯著的下降；東西方向直行和右轉車流的交通效率有所降低，車均尾氣排放量增加。而交叉口交通量調查數據統計結果顯示，南北方向直行和右轉的車流量遠遠高于東西方向直行和右轉的車流量，因此優化后交叉口整體的交通效率將會有明顯的提高，尾氣排放量將會出現明顯的下降。優化前后交叉口總體的交通效率及尾氣排放量具體對比分析結果如下表6所示。

表6 交叉口信號配時優化前后仿真結果對比

由上表7可知，優化后的交叉口信號配時方案與現狀的配時方案相比總體車均延誤降低了15.26%、總體平均停車延誤降低了18.12%，總體車均排隊長度減少了23.45%，交叉口總體的服務水平由E提升到D，交叉口總體的通行效率得到了顯著的提高；交叉口污染物(CO、NOx、VOC)總排放量及油耗總量均減小了6.79%。由此可知優化后的交叉口通行效率得到顯著的提高，環境污染問題得到明顯的改善。

4 結語

本文在總結前人單點定時信號配時研究的基礎上，基于實地調研獲得的現狀交通量數據、交叉口渠化方式，并結合交叉口實際情況，優化焦作市塔南路與工業路交叉口的信號配時方案?；赩ISSIM9.0仿真平臺，建立交叉口仿真模型，并對交叉口優化前后的信號配時方案進行仿真。從通行效率和尾氣排放量兩個方面對交叉口信號配時方案優化前后的仿真結果進行綜合評價。其中，通行效率選取車均排隊長度、車均延誤、平均停車延誤、平均停車次數4個評價指標，尾氣排放量選取CO排放總量、NOx排放總量、VOC排放總量以及油耗總量4個評價指標。通過對仿真結果的系統分析可以看出，優化信號配時后的交叉口通行效率得到顯著的提高，尾氣排放造成的環境污染問題得到明顯的改善。該研究成果可為今后交通管理部門或規劃部門提供參考。