基于VISSIM仿真的對(duì)稱交叉口交通延誤分析

唐一維，漆瑞婷

(1 上海海事大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，上海 201306；2 西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

城市信號(hào)交叉口是城市交通網(wǎng)絡(luò)的常發(fā)性堵點(diǎn).如何提升城市交叉口的通行能力是交通管理者長(zhǎng)期關(guān)心的難題.按照是否設(shè)計(jì)有預(yù)信號(hào)，可將提升交叉口的通行能力的方案劃分為兩大類.

第一類，設(shè)置有預(yù)信號(hào).①連續(xù)流交叉口[1-4]，將左轉(zhuǎn)車輛引至道路最右側(cè)，如圖1(a)所示.②出口道左轉(zhuǎn)交叉口[5-7]，將出口車道設(shè)置為左轉(zhuǎn)車道，如圖1(b)所示.③排陣式交叉口[8-10]，在進(jìn)口道設(shè)置排隊(duì)區(qū)，允許不同流向車輛在不同時(shí)段進(jìn)入，如圖1(c)所示.④可變導(dǎo)向車道[11-12]，允許進(jìn)口道某條車道功能改變，如圖1(d)所示.該類方案雖然可以提升交叉口的通行能力，但由于需要設(shè)置預(yù)信號(hào)和在中央分隔帶開口，會(huì)增加交叉口設(shè)施成本.同時(shí)如果預(yù)信號(hào)和主信號(hào)之間的信號(hào)協(xié)調(diào)設(shè)置不當(dāng)，會(huì)造成駕駛員被困在主預(yù)信號(hào)之間無(wú)法通過(guò)交叉口，增加行駛風(fēng)險(xiǎn)，也降低了交叉口通行效率.

圖1 交叉口非常規(guī)設(shè)計(jì)

第二類，沒(méi)有設(shè)置預(yù)信號(hào).①通過(guò)優(yōu)化信號(hào)控制，提升交叉口的通行能力.由于交通需求的急劇增加，通過(guò)優(yōu)化信號(hào)配時(shí)提升交叉口通行能力對(duì)于緩解交叉口擁堵的作用越來(lái)越不明顯.②對(duì)稱交叉口(Symmetric Intersections)[13].通過(guò)重新組織交叉口交通流線，一條干道上的車輛靠右行駛，另一條相交道路上的車輛靠左行駛，提升交叉口的通行能力.VISSIM仿真結(jié)果顯示[13]在交叉口信號(hào)周期固定時(shí)，對(duì)稱交叉口的通行能力較常規(guī)交叉口可提升21.05 %.綜上對(duì)稱交叉口具有通行能力大、設(shè)置費(fèi)用低，節(jié)約土地等優(yōu)勢(shì).

通過(guò)仿真手段比較對(duì)稱交叉口和常規(guī)交叉口車輛延誤，驗(yàn)證其優(yōu)越性；分析對(duì)稱交叉口在不同的交通流量大小、不同的轉(zhuǎn)向車流比例情況下車輛延誤的變化情況，總結(jié)對(duì)稱交叉口的最優(yōu)適用交通條件，對(duì)于分析對(duì)稱交叉口的使用環(huán)境和推廣對(duì)稱交叉口的應(yīng)用具有重要意義.由于對(duì)稱交叉口提出時(shí)間較晚，暫無(wú)該方面的研究.

1 對(duì)稱交叉口簡(jiǎn)介

對(duì)稱交叉口于2018年被提出[13].該類交叉口最大的特征在于在交叉口內(nèi)部混合有靠左行駛交通流和靠右行駛交通流.通過(guò)重新組織車輛行車方向，減少信號(hào)交叉口車流沖突和信號(hào)相位數(shù)，提升交叉口運(yùn)營(yíng)效率.對(duì)稱交叉口的車輛行車組織和相位設(shè)計(jì)如圖2所示，對(duì)稱交叉口僅需要3個(gè)相位就可釋放交叉口的所有車流.

圖2 對(duì)稱交叉口相位圖

2 VISSIM仿真平臺(tái)搭建

由于對(duì)稱交叉口并未實(shí)際應(yīng)用，為橫向分析評(píng)價(jià)對(duì)稱交叉口的延誤情況，采用VISSIM軟件分別仿真?zhèn)鹘y(tǒng)交叉口和對(duì)稱交叉口在相同流量比下的行人和車輛延誤；為縱向評(píng)價(jià)對(duì)稱交叉口的延誤情況，將仿真不同流量比下對(duì)稱交叉口的延誤.仿真平臺(tái)搭建步驟主要如下：

圖3 對(duì)稱交叉口車道示意圖

圖4 車道屬性

1)繪制仿真路網(wǎng).將交叉口底圖導(dǎo)入VISSIM軟件，根據(jù)傳統(tǒng)交叉口和對(duì)稱交叉口的車輛行駛路徑繪制其仿真車道，各方向進(jìn)口道車道數(shù)分別為左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)車道1條，直行車道1條，設(shè)置各進(jìn)口道名稱，同時(shí)繪制各進(jìn)口道處人行橫道.

2)設(shè)置各路段流量.橫向?qū)Ρ冉M中傳統(tǒng)交叉口和對(duì)稱交叉口的對(duì)比組設(shè)置為進(jìn)口道總流量固定為1 000 pcu/h，各方向車流量比例變化；對(duì)稱交叉口縱向?qū)Ρ冉M將設(shè)置進(jìn)口道總流量固定為1 000 pcu/h，各方向車流量比例變化和進(jìn)口道各方向車流量比例固定為3∶4∶3，總流量變化.以上車輛構(gòu)成均為98 %的小汽車和2 %的貨車，各方向人行橫道的行人流量設(shè)置為360 ped/h.

表1 對(duì)比組流量設(shè)置

表2 進(jìn)口道總流量固定的信號(hào)配時(shí)

表3 進(jìn)口道各方向車流比例固定下的信號(hào)配時(shí)

3)交通信號(hào)設(shè)置.利用Webster法對(duì)不同情況下的交叉口進(jìn)行信號(hào)配時(shí)，得到不同車流狀況下對(duì)稱交叉口三個(gè)相位的綠燈時(shí)長(zhǎng).橫向?qū)Ρ冉M中傳統(tǒng)交叉口的信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)分別為344 s(2∶6∶2)、148 s(3∶4∶3)、94 s(4∶2∶4)，其中，由于在4∶2∶4的情況下傳統(tǒng)交叉口關(guān)鍵流率比較大，故該比例下設(shè)置南北、東西向左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)車流一起釋放.

4)優(yōu)先原則設(shè)置.遵循以人為本的原則，在仿真中設(shè)置行人優(yōu)先，即車輛和行人發(fā)生沖突時(shí)，車輛停止運(yùn)動(dòng)，等待行人先行.

5)設(shè)置行程時(shí)間檢測(cè)器.在各條路徑延誤檢測(cè)區(qū)段配置相應(yīng)的行程時(shí)間檢測(cè)器，配置“行程時(shí)間”“延誤”檢測(cè)評(píng)價(jià)，用以最終對(duì)比分析，見圖5.

6)運(yùn)行仿真.由于對(duì)稱交叉口遵循左手行駛規(guī)則，在仿真參數(shù)設(shè)置中應(yīng)選擇“Left-side traffic”.仿真時(shí)間為3 600 s，由于軟件仿真前期車流可能存在不穩(wěn)定情況，需剔除前1 200 s數(shù)據(jù)，提高仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，見圖6、圖7.

圖5 檢測(cè)器設(shè)置示意圖

圖6 仿真過(guò)程平面示意圖

圖7 仿真過(guò)程3D示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 傳統(tǒng)交叉口與對(duì)稱交叉口對(duì)比分析

傳統(tǒng)交叉口和對(duì)稱交叉口均仿真了各方向進(jìn)口道總流量為1 000 pcu/h，左轉(zhuǎn)車流量：直行車流量：右轉(zhuǎn)車流量分別為2∶6∶2、3∶4∶3、4∶2∶4的情況，得到交通延誤如表4所示.

表4 傳統(tǒng)交叉口和對(duì)稱交叉口交通延誤

從表4可知，在相同情況下，傳統(tǒng)交叉口周期時(shí)長(zhǎng)均大于對(duì)稱交叉口周期時(shí)長(zhǎng)，以左轉(zhuǎn)車流量∶直行車流量∶右轉(zhuǎn)車流量=3∶4∶3為例，對(duì)稱交叉口較傳統(tǒng)交叉口周期時(shí)長(zhǎng)降低了61.8 %.從交叉口運(yùn)行效率來(lái)看，對(duì)稱交叉口在交通延誤上均優(yōu)于傳統(tǒng)交叉口，3種轉(zhuǎn)彎流量比例下行人延誤分別降低了64.02 %、67.78 %、88.66 %，車輛延誤分別降低了19.64 %、55.83 %、41.37 %，對(duì)稱交叉口通行能力顯著提升，具有較強(qiáng)的優(yōu)越性.

3.2 對(duì)稱交叉口流量比變化對(duì)比分析

因?qū)ΨQ交叉口交通延誤和通行能力優(yōu)于傳統(tǒng)交叉口，且無(wú)需設(shè)置預(yù)信號(hào)和占用額外的土地，在未來(lái)可能普遍應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)對(duì)稱交叉口實(shí)際應(yīng)用時(shí)狀態(tài)最優(yōu)，效率最高，需要進(jìn)一步分析對(duì)稱交叉口在不同的交通流量大小、不同的轉(zhuǎn)向車流比例情況下車輛延誤的變化情況，總結(jié)對(duì)稱交叉口的最優(yōu)適用交通條件.

3.2.1 進(jìn)口道總流量固定

當(dāng)進(jìn)口道總流量固定時(shí)，改變進(jìn)口道左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)車流量比例，分析對(duì)稱交叉口適合何種轉(zhuǎn)彎車流比率.各轉(zhuǎn)彎比例的仿真數(shù)據(jù)如表5所示.

表5 總流量固定時(shí)對(duì)稱交叉口延誤

從表5可以發(fā)現(xiàn)，隨著左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)車輛的總流量的不斷增加，交叉口的整體延誤呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，行人延誤和車輛延誤分別也先降低后增加.在左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)車流量接近時(shí)(左∶直∶右=3∶4∶3)，交叉口整體延誤最低，為40.91 s，行人延誤和車輛延誤分別為12.76 s和59.68 s.

在2∶6∶2和4∶2∶4比例下，周期時(shí)長(zhǎng)均為93 s，轉(zhuǎn)彎比例較小時(shí)(左∶直∶右=2∶6∶2)，整體延誤、車輛延誤較轉(zhuǎn)彎比例較大時(shí)(左∶直∶右=4∶2∶4)分別降低了18.90 %、23.66 %.延誤的降低說(shuō)明，對(duì)稱交叉口進(jìn)口道轉(zhuǎn)彎車流和直行車流不均衡時(shí)，對(duì)稱交叉口更適用于轉(zhuǎn)彎車流較少的情況.這是因?yàn)檗D(zhuǎn)彎車流越大，第1相位和3相位中車輛和行人的沖突越多，車輛等待時(shí)間也隨之增加，車輛延誤增加.

在行人延誤方面，車輛延誤較轉(zhuǎn)彎比例較大時(shí)(左∶直∶右=4∶2∶4)，行人延誤為20.04 s，轉(zhuǎn)彎比例較小時(shí)(左∶直∶右=2∶6∶2)，行人延誤為23.64 s，說(shuō)明轉(zhuǎn)彎車流大，行人延誤反而更小.這是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)彎車流比較小時(shí)，第1相位綠燈時(shí)間與第3相位綠燈時(shí)間相差較大(如表2所示，g1=14 s，g3=35 s)，導(dǎo)致1個(gè)周期內(nèi)第1相位到達(dá)的行人可能無(wú)法1次全部通行，需等待下1個(gè)綠燈時(shí)間，行人延誤增加.

3.2.2 車流比例固定

上述研究說(shuō)明在進(jìn)口道轉(zhuǎn)彎車流和直行車流較為均衡的條件下，對(duì)稱交叉口可以顯著降低交叉口的通行延誤.因此，在轉(zhuǎn)彎車流和直行車流較為均衡的條件，分析交叉口總流量改變對(duì)交叉口延誤變化的影響也具有重要作用.本文選擇設(shè)置高、中、低3種流量條件，進(jìn)口道車輛總流量分別為800 pcu/h、1 000 pcu/h、1 200 pcu/h，分析交叉口延誤.

表6 車流比例固定時(shí)對(duì)稱交叉口延誤

由表6可知，在進(jìn)口道轉(zhuǎn)彎車流比例一定的情況下，對(duì)稱交叉口更適合中等車流量的情況，在車流量較少和較多的情況下，均會(huì)引起整體延誤的增加，降低交叉口通行能力.在進(jìn)口道車流量為800 pcu/h時(shí)，周期時(shí)長(zhǎng)較短，3個(gè)相位綠燈時(shí)間相近，行人等待時(shí)間較短，即行人延誤最低；進(jìn)口道總車流量越多，3個(gè)相位的綠燈時(shí)間越接近，導(dǎo)致以直行車道為關(guān)鍵車道組的第2、3相位需要等待第1相位增加的轉(zhuǎn)彎車輛通行時(shí)間，車輛延誤增加.

4 總結(jié)

本文比較了對(duì)稱交叉口和常規(guī)交叉口在同一交通環(huán)境下交叉口行人和車輛延誤情況，證明了對(duì)稱交叉口的優(yōu)越性.同時(shí)本文也分析比較了在進(jìn)口道總流量固定，車輛轉(zhuǎn)向流量比變化和車輛轉(zhuǎn)向流量固定，進(jìn)口道總流量變化情況下對(duì)稱交叉口延誤的變化情況.VISSIM仿真結(jié)果顯示，對(duì)稱交叉口適合于總車流量中等、轉(zhuǎn)彎車輛和直行車輛比例均衡的情況.后續(xù)研究中可以考慮增加公交車等特殊車輛，研究對(duì)稱交叉口的最優(yōu)適用條件，便于后續(xù)對(duì)稱交叉口的推廣應(yīng)用.