城市交叉口信號配時優化及仿真分析

郭星星，馮宇鋒 （重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074）

0 引 言

交叉口往往是一個道路通行效率的瓶頸，是交通的咽喉部分。正確設計道路交叉口，合理優化交叉口的信號配時方案，是提高道路交通通行能力和保障交通安全的重要方面。在城市道路網絡中，節點形態最常見的是采用信號器來控制的平面交叉口，其承擔了城市各種交通流的集散壓力，在極大程度上影響著城市交通的運行狀態[1]。

目前，大量學者對優化交叉口信號控制來改善交叉口運行現狀進行了研究 。王安格等[2]根據區域實際情況，采用定性和定量分析相結合的方法進行分析，建立優化方案的仿真環境，從時間和空間兩方面改善區域通行能力。吳嘯宇等[3]引入人工魚群算法來改進目標配時方案，使用 JAVA 語言設計算法程序，對優化模型進行求解，提高交通運行效率。任耀等[4]分析機動車與過街行人沖突情況，在Webster配時模型的基礎上，提出疊加相位設計與人車沖突時空分離策略相結合的信號配時優化方法。尹聰慧等[5]建立了以車輛延誤最小化和車輛通行能力最大化為優化目標的多目標信號配時優化模型，提高了交叉口的通行效率。本文以山東省濟南市長清區大學路和海棠路交叉口為例，對此路口信號配時方案進行分析優化，通過VISSIM軟件進行仿真，分析優化前的評價指標數據，并與優化后的評價指標數據對比，從而達到通過信號配時優化來緩解該路口的通行壓力的目的。

1 交叉口基本信息

1.1 交叉口情況

大學路—海棠路路口位于山東省濟南市長清區大學城內，被多所高校環繞，臨近華誼兄弟電影小鎮及園博園公園，人流量較大。大學路為一條東西走向的主干道，通向主城區，其為雙向六車道，在各個進口道又擴寬了一個車道為四條進口車道，其中一條為專用左拐車道、兩條直行車道、一條專用右拐車道，出口道各為三條機動車道。海棠路為一條南北方向的次干道，進口道為四車道，進口道包括兩條直行車道、一條專用右轉車道、一條專用左轉車道，其中北進口為三車道變四車道，北出口為三車道，南出口為四車道。該交叉口人流比較密集，交通量大，雖南北走向的輕軌1號線減輕了公路交通的部分壓力，但擁堵問題仍然存在。

1.2 交叉口交通量調查

該交叉口的數據調查采用人工計數法，人工計數法簡單方便，只需調查人員及簡單工具即可。使用的工具除必備的計時器（手表或秒表）外，僅需用于記錄的筆和紙，組織工作簡單。在早高峰（8:00—9:00）實地調查該十字路口各進口道的車數，記錄每個進口直行、左轉、右轉的機動車交通量并按車輛類型分別記錄，連續記錄4組，每組15分鐘，共記錄1小時；最后將調查數據按照表 1車種折算系數計算，得到如表2所示的路口交通量。

表 1 車種折算系數

表 2 大學路—海棠路交叉口的交通量

1.3 信號相位及配時方案情況

大學路與海棠路交叉口信號周期為180s，包括4個相位。第一相位為東西直行，第二相位為東西左轉，第三相位為南北直行，第四相位為南北左轉。東西直行綠燈時間為75s，南北直行綠燈時間為33s，東西左轉、南北左轉綠燈時間均為30s，右轉不受信號燈控制。該交叉口信號相位現狀如圖1所示，信號配時方案現狀如圖2所示。

圖 1 大學路與海棠路交叉口信號相位現狀

圖 2 大學路與海棠路交叉口信號配時方案現狀

2 交叉口信號配時優化

本文利用韋伯斯特（Webster）信號配時法對大學路與海棠路交叉口的信號配時進行優化，通過計算得到最優的信號配時方案，從而緩解該交叉口的交通擁堵問題。

2.1 信號相位優化

首先確定大學路與海棠路交叉口是否需要設置專門的左拐機動車道。該路口相位最大周期為180s，一小時內有20個信號周期，東西左轉車輛最多為輛/周期，南北左轉車輛最多為輛/周期，由此可知，該交叉口仍需要設置專用左拐機動車道，該交叉口的相位保持不變，依舊為四相位，分別為東西直行、東西左轉、南北直行、南北左轉。

2.2 確定最佳配時方案

根據調查得到表3所示的車頭時距表，計算各車道的飽和流量，飽和流量是指在一定的單位時間內，交叉口的停車線處所能通過的最大交通量[6]。計算公式如公式（1）所示：

式中：ht表示車頭時距（s）；

Si表示第i相位流向的飽和流量。

表 3 車頭時距表

通過計算得到第一相位（東西直行）流向的飽和流量S1為1 512pcu/h，第二相位（東西左轉）流向的飽和流量S2為1 348pcu/h，第三相位（南北直行）流向的飽和流量S3為1 384pcu/h，第四相位（南北左轉）流向的飽和流量S4為1 267pcu/h。

各相位流量比可通過公式（2）計算：

式中：qi為交叉口第i相位實際達到的流量；

Si為交叉口第i相位流向的飽和流量；

yi為交叉口第i相位的最大交通流量比。

通過計算，第一相位的最大流量比y1為0.312，第二相位的最大流量比y2為0.151，第三相位的最大流量比y3為0.168，第四相位的最大流量比y4為0.205，總流量比Y＝y1＋y2＋y3＋y4＝0.836。

信號總損失時間的計算利用式（3）：

式中：n為相位數；

l為車輛啟動損失時間，一般為3s；

I為綠燈間隔時間（黃燈時間加全紅時間），該研究路口無全紅時間，即取黃燈時間3s；

A為黃燈時間，取3s。

最佳信號周期的計算利用下式：

通過計算可以得知，大學路與海棠路交叉口的最佳信號周期時間約等于140s。

有效綠燈時間計算利用下式：

式中：Ge為總有效綠燈時間，其他符號的含義與前式表示含義相同。

各相位有效綠燈時間計算按照下式：

式中：Gei為第i相位的有效綠燈時間，其他符號的含義與前式表示含義相同。

從而綠燈顯示時間計算如下式：

式中：Gi表示第i相位的綠燈顯示時間s；

A取3s，為黃燈時長，其他符號的含義與前式表示含義相同。

通過（6）-（8）式計算得知，第一相位（東西直行）的綠燈顯示時間G1為48s，第二相位（東西左轉）的綠燈顯示時間G2為23s，第三相位（南北直行）的綠燈顯示時間G3為26s，第四相位（南北左轉）的綠燈顯示時間G4為31s。

為保證行人過街，最短綠燈時間為行人過街所需要的最短時間，通過下式計算：

式中：vp為行人過街速度，取1.2m/s；Lp為行人過街長度（m）；

I同上，表示為綠燈間隔時間，取黃燈3s。

通過上述檢驗，各直行相位綠燈顯示時間都大于最短綠燈時間，滿足設計要求。

綜上所述，通過韋伯斯特（Webster）信號配時法對大學路與海棠路交叉口信號進行重新配時，得到新的配時方案為第一相位綠燈時間為48s，第二相位綠燈時間為23s，第三相位綠燈時間為26s，第四相位綠燈時間為31s，總信號周期為140s，如圖3所示。

圖 3 大學路與海棠路交叉口信號配時優化后的方案

圖 4 VISSIM仿真運行過程圖

3 VISSIM仿真與優化分析

VISSIM是德國PTV公司開發設計的微觀仿真軟件，它可以綜合考慮各種影響路網運行的因素，例如車道類型、車輛種類、駕駛行為、信號控制等，通過周期運行，產生評價路網服務水平的結果[7]。

通過VISSIM對大學路與海棠路交叉口進行仿真，將交通流量、車輛路徑、優化前后的信號配時方案等要素輸入VISSIM軟件中，并設置仿真時間為600s，其運行仿真過程如圖 4所示，對仿真輸出的節點結果進行分析得到優化前后的平均排隊長度、最大排隊長度、延誤時間等信息，其優化前后的數據對比效果如圖 5、圖 6、表 4所示。

圖 5 優化前后的平均排隊長度對比圖

圖 6 優化前后的最大排隊長度對比圖

表 4 優化前后延誤（s）對比圖

優化后的評價指標總體結果如表5所示：

表 5 優化后的評價指標總體結果

從優化后的仿真結果可以看出：該交叉口的東進口、南進口及北進口的各項評價指標優化效果顯著，平均排隊長度、最大排隊長度指標有明顯降低，而西進口的平均排隊長度、最大排隊長度指標較之前變化微弱，延誤值有個別略微增加，大部分值都有所降低。

通過優化后的評價指標總體結果可以看出大學路與海棠路交叉口的平均排隊長度、最大排隊長度、延誤值都有所降低，其中平均排隊長度降低了7.09%，最大排隊長度降低了11.78%，延誤時間減少了3.76%，雖然整體降低幅度不大，但在一定程度上緩解了該交叉口的出行壓力，改善了該交叉口的出行效率。

4 結 語

本文以大學路與海棠路交叉口為研究對象，通過webster信號配時法優化現有的信號配時方案，再通過VISSIM建立微觀交通模型得到優化前后的平均排隊長度、最大排隊長度、延誤時間等評價指標，通過一系列分析，最終得到優化后的該路口總體平均排隊長度、最大排隊長度、延誤時間都有所減少，有效改善了該交叉口的通行效率，證實了該優化方案的可行性。