城市交叉口信號燈相位設置與配時優化設計

王凱茜，王乙婷，朱勇，田龍

城市交叉口信號燈相位設置與配時優化設計

王凱茜1，王乙婷2，朱勇1，田龍1

（1.長安大學 運輸工程學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

為了解決西安市小寨東路與文娛巷交叉口早晚高峰間的交通擁堵問題，文章提出了一種交叉口信號燈相位及信號配時優化方案。首先進行現狀交通量調查，然后根據所得的調查數據，利用韋伯斯特公式，進行交叉口信號配時優化設計。最后進行VISSIM仿真模擬，針對車輛延誤平均值以及車輛平均排隊長度進行優化前后對比。證實所得結果可以較好改善該交叉口的早晚高峰擁堵情況。

交通擁堵；交叉口；信號配時優化；VISSIM交通仿真

引言

隨著城市現代化的快速發展，我國機動車數量呈現大規模增長的態勢[1]。由于城市基礎設施建設步伐與機動車數量增長不相匹配，導致了我國城市交通擁堵現象日益凸顯。在這當中，道路交叉口車流混雜，因此其交通擁堵現象更加受社會關注，而合理優化交叉口的信號相位設置及信號配時方案可以有效緩解城市道理擁堵狀況[1-3]。薛詠梅等人[1]研究了路口現狀的信號配時方案，對比分析了車輛平均排隊長度和車輛平均延誤對交叉口交通狀況的具體影響；王曉安等通過分析典型四相位信號控制交叉口，提出了時間優化與空間優化相結合的交叉口優化模型[2]；金嘉等[3]研究了信號配時系統在環形交叉口當中發揮的作用，利用VISSIM 交通仿真軟件來對比優化前后的車輛延誤參數。本文在前人研究的基礎上，以西安市小寨東路和文娛巷交匯的“丁”字形交叉口為例，進行交叉口信號仿真優化設計，以緩解路口的交通擁堵狀況。

1 交叉口現狀調查

小寨東路和文娛巷交叉口是西安市城市交通的一個重要節點。交叉口東連大雁塔以及陜西省歷史博物館，西接賽格國際購物中心，北進口道與興善寺東街相交接，早晚高峰期間的車流量較大。該交叉口東西進口均為三車道，北進口為兩車道。具體調查結果如表1所示。為了較為準確獲得交叉口的交通流量，本文采用人工調查方法[1]。三位調查員分別調查三個進口道在工作日晚高峰期間的車流量，調查時間為17：30至18:30，共計一小時。隨機選取周內三天進行調查，并將所有調查車輛換算成當量小汽車數量。最終取三天的平均值即為本文的調查數據，結果如表2所示。

表1 交叉口車道情況調查

進口道車道總數渠化車道數量左轉直行右轉 東34031 北12101 西34130

表2 交叉口車流量情況

進口方向車流方向PCU 東直行1 042 右轉192 北左轉234 右轉300 西直行1 009 左轉242

實地調查發現，該交叉口主要存在以下幾個問題：（1）車輛擁堵嚴重。由西向東方向車流量較大，而綠燈時間設置較短，車輛排隊長度過長，車輛擁堵非常嚴重。（2）相位設置不合理。未能將西東直行和左轉方向的車流分開布設信號燈控制，導致西東方向左轉進入文娛巷的車流和東西直行車流發生沖突現象。（3）機非混雜情況比較嚴重。東西方向常有非機動車混入機動車右轉車道，影響正常交通秩序。

本文在獲得現狀交通量之后，利用傳統韋伯斯特公式，進行信號配時優化設計[5]。而后將優化方案進行仿真模擬，利用車輛平均延誤時間和車輛平均排隊長度作為評價指標，來驗證優化結果的可靠性[6]。

2 交叉口信號配時優化設計

經調查員實地考察發現，該交叉口現狀采用三相位信號控制。東西直行為第一相位，西東直行及左轉為第二相位，北向左轉為第三相位。調查發現，由西向東方向直行車輛數量較多而綠燈時間過短，造成了相當大程度的交通擁堵現象。因此有相當長一段時間，車輛排隊達到了該節點向西方向的下一個交叉口——紅小巷和小寨東路交叉口，最長車輛排隊甚至到達賽格國際購物中心停車場附近；且未能將西東直行和左轉方向的車流分開布設信號燈控制，導致西東方向左轉進入文娛巷的車流和東西直行車流發生沖突現象，導致該方向車流排隊現象十分嚴重。具體調查情況如表3所示。

表3 交叉口現狀信號配時

相位綠燈紅燈黃燈 東西直行36633 北左轉26733 西東直行/西東左轉72273

本文利用韋伯斯特法，并改進相位設置方案，將不相交的車流由一個相位控制，來計算交叉口的最佳周期長度以及各相位有效綠燈時間[5]。具體計算可根據公式（1）—（5）來進行[5]。

=+（1）

式中，為交叉口損失時間，為相位個數，為各相位損失時間，為全紅時間。

式中，為各相位交通流量比之和，為相位臨界流量比。

式中，0為最佳周期長度，為損失時間，為各相位交通流量比總和。

G=0?（4）

式中，G為有效綠燈時間，0為最佳周期長度，為損失時間。

式中，g為各相位有效綠燈時間，G為有效綠燈時間，為各相位交通流量比之和，為相位臨街流量比。

經過計算，周期總長度為118 s，各相位的設置情況及紅綠燈時長如圖1所示。

圖1 優化方案信號配時

3 信號配時優化方案仿真模擬

將優化后的信號配時方案應用到VISSIM仿真軟件當中，模擬小寨東路和文娛巷交叉口的晚高峰時期交通狀況。通過在三個進口道設置數據采集點，將輸出的平均車輛排隊長度和平均延誤時間作為評估指標，來衡量優化后方案的可靠性[6]。交通仿真圖如圖2所示，評價指標如表4所示。

圖2 仿真效果圖

表4 輸出評價指標對比

方案方向平均排隊長度/m平均延誤/s 優化前西東直行52.1626.88 西東左轉54.11112.32 東西直行14.846.21 優化后西東直行22.559.62 西東左轉30.2146.08 東西直行20.268.14

由表4可得：相位設置及信號配時優化之后，西東直行及西東左轉方向的車輛平均延誤和平均排隊長度大幅減少，西東直行方向平均延誤減少64.2%，平均排隊長度減少56.8%，西東左轉方向平均延誤減少59.0%，平均排隊長度減少44.1%；只是在東西直行方向上，兩個指標均有輕微上漲，但考慮一直以來，該方向車流幾乎不存在擁堵情況，故認為優化方案可以緩解小寨東路和文娛巷交叉口的交通擁堵狀況，方案優化效果明顯。

4 結語

交叉口作為城市公共交通的重要節點，一直以來都是交通擁堵情況的高發地帶。本文為緩解小寨東路和文娛巷交叉口交通擁堵問題，進行交叉口信號配時優化設計。通過人工調查得到現狀交通量，再利用韋伯斯特公式，計算得出最佳的信號配時，并進行相位的重新安排設置。最后通過仿真軟件模擬，比較優化前后的車輛平均延誤時間及排隊長度，發現優化后方案的各項指標平均值明顯降低，交通通行效率大大提高。

[1] 薛詠梅,盧歡歡,李荀.西安市典型交叉口優化與仿真研究[J].汽車實用技術,2019,28(01):139-140.

[2] 王曉安,熊堅,郭鳳香,等.典型四相位信號交叉口交通組織優化應用研究[J].科學技術與工程,2010,10(23):5818-5822+5830.

[3] 金嘉,彭遠行,屈新明.基于VISSIM的五叉環形交叉口信號控制仿真實現[J].交通運輸部管理干部學院學報,2016,26(2):41-44.

[4] PTV中國.Vissim8用戶手冊[Z].PTVag公司,2016.

[5] 徐吉謙,陳學武.交通工程總論[M].北京:人民交通出版社,2016.

[6] 張世豪,王玉杰,任海鵬.VISSIM 在提高交叉口通行能力中的應用[J].科技創新與應用,2016(03):56.

Optimal Design of Signal Phase Setting and Timing at Urban Intersections

WANG Kaixi1, WANG Yiting2, ZHU Yong1, TIAN Long1

( 1.School of transportation engineering, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064;2.School of automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to solve the problem of traffic congestion at the intersection of Xiaozhai East Road and Wenyu Lane in Xi'an City, this article puts forward an optimization scheme for the signal light phase and signal timing at the intersection.First, carry out the current traffic volume survey, and then use the Webster formula to optimize the design of intersection signal timing based on the survey data. Finally, a VISSIM simulation was performed to compare the average vehicle delay and the average queue length of vehicles before and after optimization. It was confirmed that the results obtained can better improve the morning and evening peak congestion at the intersection.

Traffic congestion; Intersection; Signal timing optimization; VISSIM traffic simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.029

U491

A

1671-7988(2021)21-114-03

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1671-7988(2021)21-114-03

王凱茜（1996—），女，碩士研究生，長安大學運輸工程學院。