基于VISSIM的區域交通組織優化設計
——以新余市渝水區勞動路與青年路交叉口及其附近區域為例

王安格，鄧明君，蔣雪晴，曹楊柳

(1 北京工業大學城市建設學部，北京，100124；2 華東交通大學交通運輸與物流學院)

隨著我國經濟的迅速發展，機動車保有量迅速增長，城市交通擁堵等問題越來越嚴重，由交叉口擁堵蔓延至路段擁堵，逐漸擴大為區域擁堵，大大降低了道路的通行能力，進而影響人們的交通出行效率[1]。針對以上問題，國內外的學者們主要運用交通仿真的方法驗證優化方案的可行性和有效性。如秦煥美等[2]歸納了畸形交叉口交通組織優化的主要方法，利用交通仿真軟件對實際案例進行了方案實施效果評價。周海娟[3]以交通組織為基礎，分析研究了渠化交通的作用、設計流程以及信號配時的兩種計算方法，為信號交叉口的優化提供了理論依據。李碩等[4]通過運用VISSIM交通仿真系統對有兩個分離左轉車道的道路交叉口實例進行仿真，研究了外側左轉車流對內側左轉車流延誤的影響。還有部分學者運用VISSIM仿真評價交叉口配時方案[5～7]，以上研究均表明運用VISSIM仿真優化具有良好的效果。此外，在地鐵施工背景下的交通組織優化也有相應的研究[8,9]。而根據區域實際情況，從微觀的角度來定量地分析現狀存在的問題，并提出相應交通管理措施和對策的案例研究不多。筆者以新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域為例，通過實地調研獲取現狀數據，分析存在的問題，并提出改善方案，然后建立優化方案的仿真環境，輸出對應的交通性能指標，并與現狀交通性能指標進行對比。

1 研究區域概述

1.1 地理位置概述

該區域面積約為60 000 m2，衛星圖見圖1。南北向為勞動路，勞動路南跨鐵路線，交叉口西進口處為青年路與站北路交叉，形成五岔交叉口，同時東進口存在小區出入口，出入交通量相對較少。當前勞動路中央隔離，其余沖突點均采用無信號控制，交通混亂，高峰時段交通擁堵嚴重，為方便對該區域存在的問題進行分析及后續改善，標注序號1～6表示路段端點，字母A～F表示道路。

該區域道路A為單幅路，單車道，遠離渠化島一側為非機動車道，采用白色實線隔離，路幅寬度約為4.5 m(圖1)；道路B為單幅路，雙向兩車道，采用黃實線隔離，道路兩側各有1條非機動車道，采用白色實線隔離，路幅寬度約為8 m；道路C為單幅路，雙向兩車道，采用黃色虛線隔離，兩側各有1條非機動車道，路幅寬度約為8 m；道路D為單幅路，雙向四車道，道路中央采用隔離欄隔離對向車流，道路兩側為非機動車道，路幅寬度約為22 m；道路E為單幅路，雙向四車道，單向車道采用白實線隔離，對向車道采用雙黃線隔離，路幅寬度約為22 m；道路F為居住區域，路況不規則，路幅寬度滿足雙向兩車道通行，路面未施畫隔離標線或設置隔離措施。

圖1 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域航拍圖(來源：百度地圖)

1.2 交通概況

勞動路和青年路交叉口南北方向設置了隔離欄，將橋上下來的左轉車輛變右轉再直行再左轉，由此減少了交叉口內部的沖突點數量，但同時增加了部分車輛的繞行距離，并且在繞行過程中通過兩個小區，仍存在較大的安全隱患，導致交叉口高峰時段交通擁堵嚴重。圖2為現狀機動車交通組織流線圖。通過交通調查，圖1中各路段端點之間的交通OD量見表1。

表1 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域各路段端點OD表(輛)

圖2 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域現狀機動車交通組織流線

2 現狀問題分析

2.1 定性分析

(1)調查數據顯示，路段端點1，2，6的交通吸引量和出行量都很大，而相關聯的進出路段均為雙向四車道，道路通行能力很難滿足實際交通量的需求。

(2)慢行交通設施不完善，機動車道與非機動車道隔離不完全，導致行人和非機動車違規占用、橫穿機動車道等，造成交通混亂。如在勞動南路的高架橋上，由于路幅寬度小，并且未設置非機動車道，導致機動車和非機動車混合行駛，大大降低了道路的通行能力，導致交通擁擠現象發生。

(3)交通標線和交通標志設施不完善，導致交織段交通混亂、駕駛員無序行駛等問題，加重了高峰時期交通擁堵。如在青年路和勞動路西交織段，未設置引導機動車和非機動車行駛的導流標線，致使本交織段交通秩序混亂。

(4)沖突點過多，加之無信號控制區域優先規則不明確，渠化設施不完善，增加了交通壓力，加重了交通擁堵現象。端點1出口處，在現狀相位設置下，由于轉向車流，造成沖突點(黑色方框標注處)，影響車輛的暢通行駛(圖3)。

圖3 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域端點1出口沖突點

(5)交通管控措施不完善，交叉口處未設置信號控制，無法保障行人安全過街。

(6)停車場布局不當或建設不當，導致非機動車和機動車占用道路停放，造成交通秩序混亂、安全隱患和交通阻塞等問題。與交叉口相接的路段上非機動車道上一些車輛亂停放，占用了大量的路上資源，有些占用了非機動車道，導致非機動車占用機動車道行駛，從而造成交通混亂。

2.2 定量分析

2.2.1通行能力 對于現狀交叉口的通行能力，由于對向車流被隔離欄完全隔離，所以先分別計算每個進口的通行能力，4個進口的通行能力之和即為交叉口的通行能力。

城市道路某路段的設計通行能力可根據1個車道的理想通行能力修正得到。對理想通行能力的修正應包括車道數、車道寬度、自行車影響及交叉口影響等4個方面[10]，即式(1)：

CD=CB·γ·η·β·n′

(1)

CD—設計通行能力，以當量標準小客車計，輛/h；

CB—理想通行能力，以當量標準小客車計，輛/h；

γ—自行車影響修正系數；

η—車道寬影響修正系數；

β—交叉口影響修正系數；

n′—車道數修正系數。

根據《城市道路設計規范》[11]建議的1條車道的理想通行能力，本次研究的區域各路口通行能力修正如下：

西進口 機動車不飽和且未設置分隔帶，故γ1取0.8；由于車道寬度為3.5 m，故η1=50×2(%)=1；單向有2條車道，故n1′取1.87；β取1。

故CD1=CB1·γ1·η1·β·n1′=1 550×0.8×1×1.87=2 318 (輛/h)

東進口 非機動車不飽和且未設置分隔帶，故γ2取0.8；由于車道寬度為3.5 m，故η2=50×2(%)=1；單向有1條車道，故n2′取1；β取1。

故CD2=CB2·γ2·η2·β·n2′=1 550×0.8×1×1=1 240 (輛/h)

北進口 非機動車設置分隔帶，故γ3取1；由于車道寬度為3.5 m，故η3=50×2(%)=1；單向有2條車道，故n3′取1.87；β取1。

故CD3=CB3·γ3·η3·β·n3′=1 640×1×1×1.87=3 067 (輛/h)

南進口 機非混合行駛，QBIKE取500輛/h，CBIKE取1 000輛/h，則γ4為0.5；由于車道寬度為3.5 m，故η4=50×2(%)=1；單向有2條車道，故n4′取1.87；β取1。

故CD4=CB4·γ4·η4·β·n4′=1 550×0.5×1×1.87=1 450 (輛/h)。

故現狀交叉口的通行能力為：

CD=CD1+CD2+CD3+CD4=2 318+1 240+3 067+1 450=8 075 (輛/h)

同理，對于擁堵路段的現狀通行能力(高架橋下兩側道路)計算如下：

CD1=CD2=CBJ·γJ·ηJ·βJ·nj′=1 550×0.8×1×1=1 240 (輛/h)

2.2.2延誤計算 延誤常以荷載系數，即實際交通量發通行能力的B值來度量。行車延誤與荷載系數成正比。根據模擬研究發現，當荷載系數≤0.3時，每輛車平均延誤不超過19 s，而當荷載系數≤0.7時(>0.3)，每輛車平均延誤最高可達32～35 s。

交叉口路段負荷度：

西進口Q1/C1=0.51；東進口Q2/C2=0.69；北進口Q3/C3=0.51；南進口Q4/C4=1.24。

故現狀交叉口的延誤大約為160 s。

3 優化方案及仿真

3.1 仿真過程

3.1.1創建路網 依據現實情況對VISSIM軟件默認參數進行了調整，然后進行仿真模擬。首先由百度地圖大致測得路網的實際距離，用VISSIM設置好比例，保證仿真場景與實際場景基本一致，添加現狀路網背景并確定比例后，根據現狀路網條件及交通流流向繪制現狀仿真路網圖(圖4)。

圖4 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域仿真現狀

3.1.2動態分配

①設置節點。首先通過“Nods”命令進行節點的設置，中間的交叉口區域可設置為1個節點。

②設置停車區。首先通過“Parking lots”命令進行停車區的設置。要注意的是停車區要設置在節點之間，不能有重疊區域；其次，設置的方向要和交通流流向一致。

③創建OD矩陣文本并導入。根據用戶定義的相對交通流量，將小區的起始交通流量分配到各個停車場上。針對相同小區的不同出入類型，設置不同的停車場加以區分，從而更清楚的對交通流進行分配。

④導入OD矩陣文本。通過“Traffic”中的子命令“Dynamic Assignment”進行設置，但要注意文本的格式要轉換為.fma格式。

3.1.3數據采集 在路網上放置行程時間檢測器和排隊長度檢測器，編輯交通評價各參數數據。通過放置在各小區出入口的時間檢測器以及在交叉口處的排隊長度檢測器，對路網進行評價，最終得到優化路網(圖5)。

圖5 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域優化路網

3.2 改善分析

根據現狀仿真情況，端點4和端點5之間的路段開始發生堵塞，直至路網全部堵塞，原因是此路段沖突點太多，并且沒有進行信號控制或者渠化，所以改善方案的突破點為減少此路段的沖突點。因為高架橋兩側的道路相似且與交叉口距離基本相等，所以考慮設置單行道路，并且在勞動路和青年路交叉口拆除隔離欄并設置信號控制，本著盡可能減少相位數量的原則，將能合并為1個相位的流向合并，共分為3個相位。

考慮到東進口處交織段的影響，在東進口增設1條出口車道，通入端點3，考慮到信號相位設置和車流數量，將西進口直行與左轉的車輛設置繞行，2條右轉車道設置渠化。考慮到南進口、北進口交通流量較大，所以拓寬其進口道為3條車道。

因為高架橋下道路寬度足夠，并且從端點4至端點5的車流量不大，在高架橋下設置單獨的車道(端點4～5)對道路通行能力影響不大，并且在相應區域設置標志牌進行引導，在高架下設置限高標志等交通標志。

3.3 改善設計

3.3.1信號配時設計方案 優化方案相位圖見圖6。

圖6 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域各路口信號配時優化方案相位

①各行駛方向流量比λj可用式(2)計算：

(2)

qj—第j行駛方向實際到達流量(輛)；

sj—第j行駛方向飽和流量(輛)。

其中東進口和南進口各車道飽和流量為1 550輛/h，北進口直行和右轉車道飽和流量為1 640輛/h，西進口右轉車道飽和流量為1 550輛/h。

各行駛方向實際行駛流量和對應的流量比計算結果見表2。

表2 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域各行駛方向流量與流量比

②信號周期可用式(3)計算：

(3)

C—信號周期，s；

L—周期總損失時間，s；

i—相位序號；

j—交叉口各行駛方向。

已知L=16 s，λ=0.786，代入公式中可得周期C=107 s。

③各相位實際顯示綠燈時間可用式(4)計算：

(4)

λi—第i相位流量比；

Ai—第i相位黃燈時間，s；

li—第i相位綠燈間隔時間，s。

由公式(4)可得各相位實際綠燈時間(表3)。信號配時圖見圖7。

表2 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域各路口平均行程時間對比

表3 新余市勞動路與青年路交叉口各相位實際顯示綠燈時間

圖7 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域各路口改善后的信號配時

3.3.2機動車道優化設計

①在勞動路青年路交叉口北進口拓寬，改善后北進口共3條車道——1條直右車道，1條直行車道，1條直左車道。

②南進口進行拓寬，改善后南進口共3條車道——1條專用右轉車道，1條直行車道，1條直左車道。

③東出口渠化出1條專用出口道，供北進口和南進口的車輛進入端點3。

④西進口仍保持2條車道，設置渠化島，不受信號控制，車道功能設置2條右轉車道；西進口交織區設置導流線。

⑤高架橋下增加1條車道，供端點4至端點5通行(圖8)。

圖8 新余市勞動路與青年路交叉口交通改善情況

3.3.3設置單行 通過對交叉口的流量分析得知，環線車流流量很大。同時又因青年路與站北路交叉、路段端點4端點5與環線車流的匯入、駛出，使得環線沖突點極多。通過對環線設置單行的方式減輕環線壓力，同時減少青年路與站北路交叉、路段端點4端點5與環線車流的沖突點數量(圖9)。

圖9 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域單行設置情況

3.3.4增加交通標志 總體改善后的狀況見圖10。

圖10 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域各路口總體改善情況

4 改進方案仿真分析

4.1 行程時間對比分析

首先在路網中定義了行程時間檢測區段，檢測區段由1個起點和1個終點組成。平均行程時間(包括停車時間)是指車輛通過檢測區段的起點直至離開終點的時間間隔[12]。表2為該區域優化前后的平均行程時間仿真結果。

通過調整機動車行車流線，可有效地減少大部分端點間的平均行程時間，總體平均行程時間可減少17%，使整個道路網更加通達、通暢。

4.2 延誤時間對比分析

仿真結果采用平均延誤時間，即通過交叉口的所有車輛平均每輛車的延誤時間作為評價指標[12]。該區域各路口優化前后的平均延誤值仿真結果見表3。

表3 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域各路口平均延誤時間對比

與車均停車次數類似，改善后端點6的出行延誤可大幅度降低，總體平均延誤時間可降低35%，在一定程度上能夠降低整個交通系統的總延誤，提高整個區域的通行能力。

4.3 排隊長度及停車次數

VISSIM仿真中采用平均停車次數，即交叉口總的停車次數與通過交叉口的總流量的比值(也稱停車率)作為評價指標[12]。在優化前后4個相同位置放置排隊檢測器，對300 s時間間隔的車流取平均值，分析車流排隊長度和停車次數。對比結果顯示，優化后排隊長度明顯降低，緩解車流排隊現象，可有效的減輕了交通壓力(表4)。但車均停車次數大幅度增加，這是因為優化方案在交叉口處設置了信號燈，原本減少通過交叉口的車流在優化后經過交叉口時都需要停車等待紅燈，從而車均停車次數增加。

5 結論與討論

針對新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區域交通組織問題，采用定性和定量分析相結合的方法進行分析，針對問題提出優化措施，對區域的交通現狀進行改善，然后利用VISSIM軟件進行仿真優化并對比優化前后的評價指標。評價結果表明：采用本次研究提出的方法進行交叉口優化，效果顯著，總體平均行程時間可減少17%，總體平均延誤時間可降低35%，優化后排隊長度明顯降低，可緩解車流排隊現象，有效減輕交通壓力。本方法能夠很好的從時間和空間兩方面改善區域通行能力，為實際項目中區域交通組織優化提供參考。

在今后的研究中，可以考慮區域中共享泊位與社會公共停車泊位共存情況下對周邊交通流的影響[13～15]，也可以結合機器學習算法優化交叉口信號配時，進而制定更為合理的交通組織方案。