基于VISSIM 仿真分析在城市舊路網改造中應用研究

李怡冰，李 鵬，王丹生

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢430010；2.湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢430051；3.華中科技大學，湖北 武漢430074）

0 引 言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，交通量持續快速增長，對城市道路通行能力的要求越來越高。隨著后期運營時間延伸,道路功能不完善、地下管網需要升級、配套設施不完備、路基路面結構薄弱等弊病逐漸顯露。同時，城市道路在通行能力、服務水平和安全等方面難以滿足逐年增加的交通需求，極大地影響了城市的可持續發展。另外，城市道路運營6～8 a 后需要根據城市規模的提升和周邊環境的變化進行改擴建。因此，城市道路舊路網拓寬改造將是未來城市路網的發展趨勢之一。城市道路舊路改造不僅要改善道路的交通使用功能，還要考慮與周邊環境的協調。同時，地下管線的升級，城市景觀靚化也成為城市改造的重要組成部分，需要做到功能性、景觀性、人文性三者的協調統一。隨著全過程工程總承包的全面推進，城市舊路改擴建已經不是單獨一條路或幾條路的改造或更新，而是以片區統籌思維進行路網改造，因而對改造道路及其項目周邊區域的交通體系造成強有力的沖擊[1]。本文通過城市舊路網改造中交通組織提升的模擬與仿真預演，驗證現狀道路規模和交通組織方案的合理性與管控措施的有效性。根據平均延誤、交叉口配時方案、平均排隊長度和服務水平等評價指標, 評定該路段是否需要改造、改造方式和實際的改造效果,為城市舊路網改造提供技術支撐與改擴建的依據，進而提出城市區域統籌提檔升級和周邊路網的改善措施，并加以驗證。最終實現城市更新與城市交通的協調發展。

1 道路改造路徑和案例分析

1.1 道路改造路徑

城市道路經過一段時間的運營后已經不能滿足城市經濟發展、交通增長、環境因素等的發展要求，需要對其進行養護維修提升或拓寬改造。陶希東[2]和陳武興等[3]提出舊區改造模式存在的主要問題,建議城市道路交叉口拓寬、舊城區路網改造走社會型城市更新的轉型路徑和規劃策略。賴旭等[4]通過引入VISSIM微觀交通仿真軟件對片區交通的整體統籌考慮，提出交通改善措施，實現城市提檔升級和周邊路網有效銜接。向懷坤[5]和趙光華等[6]建立仿真模型，以擁堵節點的延誤時間、排隊長度為評價指標，優化片區道路和周邊的交通組織。本文通過引入VISSIM 交通仿真軟件對片區交通整體統籌考慮，提出節點交通、連線交通、區域交通改善措施，實現城市綠色低碳運營效益和環境協調發展。交通VISSIM 仿真是現代化交通管控手段之一，通過人工系統模擬再現實際系統交通流運行規律，并根據評價指標模擬城市道路改造的路徑和措施。同時分析各種渠化設計和信號配時方案下道路和交叉口交通流運行狀況，提出交通系統管理、控制和優化方案，進而提高區域城市路網道路服務水平。

1.2 案例分析

按照《某市東西湖區綜合交通規劃（2009—2020）》規劃區域已經形成了“五橫”“八縱”“一環”交通網絡系統，見圖1。

圖1 東西湖區用地規劃圖

其中，張柏公路為路網骨架南北向“八縱”中至關重要的一縱。隨著城市經濟的快速發展，土地利用規劃和人口規劃、區域人口和周邊環境的變化，原來作為連接外圍的公路主通道變成城市路網的骨架，功能定位和服務水平發生了根本性變化，城市改造迫在眉睫。東西湖區域張柏公路項目由張柏公路改擴建及其六條連接線兩部分組成。張柏公路現狀為一條南北向的二級公路，起于金山大道，途徑金銀湖街道、徑河街道，止于臨空港大道，全長8 430 m；規劃紅線寬60 m，雙向六車道。張柏公路連接線由徑河路、涇河南路、濱河北路、環柏二路、金北一路、新橋四路、黃獅海路、新橋二路共計8 條道路組成，現狀以水泥路面為主，主次干道兼顧，紅線寬30～50 m，全長13 230 m。張柏公路及其連接線呈“蜈蚣狀”布局，為臨空港經濟技術開發區區域路網的重要組成部分。項目對完善區域路網，疏解臨空港大道的交通壓力，促進區域發展具有重要意義。

1.2.1 現階段交通狀況調查和基礎數據收集

道路改造前需要對現狀道路的交通情況進行分析，論證交通環境改善的影響因子和關鍵環節，從而確定對現狀道路改造的具體措施。通過分析張柏公路和其連接線影響區域經濟、人口、車輛等現狀，分析建設條件、項目的現狀道路交通流量和道路斷面組成，了解本項目所在區域內交通運輸的特性和構成，以及區域內客貨運的流量和流向，為全面進行仿真模擬分析提供可靠的基礎數據。現階段張柏公路兩側密集分布居住小區和工業園區，土地開發程度較高，其他區域土地開發強度不高，交通量增長相對有限。現狀車型比例構成見表1。

從表1 可知，張柏公路道路兩側居民區較為密集、城鎮化發展趨勢明顯，居民對外出行需求旺盛，現狀出行中客車占比（折算數，下同）達到59.86%，且以小客車為主。道路沿線產業的集聚發展催生出較大的貨運需求，貨車占比為40.14%，分布相對均衡。

表1 項目斷面交通量和車型組成比率一覽表

1.2.2 項目綜合交通分析預測及改造措施

根據東西湖區區域社會經濟、交通運輸現狀，結合現狀的交通分區調查，考慮張柏公路和其連接線的發展形態等相關因素影響，從而預測項目所在區域未來各條道路交通的趨勢和誘增交通出行的產生和吸引量，得出未來各特征年的出行分布情況（新建或拓寬按照規范設計年限，改造或配套提升按8 a作用考慮）。然后，充分考慮預測期內項目區域交通路網對交通量的分流影響，通過交通量分配，最終獲得本項目交通量的預測結果和建議改造的初步措施。

2 仿真模型分析流程和參數設定

2.1 仿真模型分析流程和應用

VISSIM 仿真軟件能模擬車輛（機動車和非機動車）和行人在道路交叉口隨時間相位變化二維或三維動畫狀態，將道路路段和交叉口的信號周期內排隊時長、相位配時合理性、車輛車速快慢等形象直觀地表現出來。同時將研究范圍內交通流隨時間運行狀況、設計規劃方案的缺陷和沖突點真實地重現，以便調整優化。

首先對張柏公路及其連接線現狀條件進行調查，包括路網外部、內部交通組成、人口規模、經濟發展指標和遠期發展趨勢等。依據四階段法，以交通生成、交通方式劃分、交通誘導、交通量分配為基礎，對區域內路網建成后的交通量進行預測。同時根據項目初步擬定的路網改造路徑和措施，導入VISSIM 仿真軟件。輸入道路預測交通量，動態的分配流量、交叉口設置信號配時并對交叉口沖突點進行設定，輸出仿真效果及所需指標評價表（見表2 交通預測流量及改造措施）。改變并優化項目外部銜接條件、內部交通組織、出入口交通方式、周邊道路路幅斷面、車道拓寬渠化設計、交叉口信號配時等因素，再次運行仿真并輸出仿真效果及指標評價表，循環往復（見圖2）。通過改變幾條道路車道數、交叉口渠化、信號周期、專用車道設置等措施，對比前后仿真輸出的評價指標[7]，驗證區域道路網改造對片區交通影響程度，以及實施改善方案是否達到預想的交通效率，最終確定改造具體措施。

圖2 仿真模型流程圖

表2 道路現狀交通預測及改造、拓寬措施一覽表

2.2 路網各相交路口仿真后優化關鍵節點

路網改造的關鍵節點是各相交道路路口，張柏公路及其連接線現狀調查沿線交叉路口存在以下問題。（1）無交通信號燈，交叉口組織混亂，沖突點多，不利于車輛通行。（2）交叉口交通標志、標線欠缺，對行車安全不利。（3）早晚高峰容易造成擁堵現象，停車延誤時間長。依據全面性、科學性、可比性，以及定量為主、定性為輔的原則，結合VISSIM 交通仿真軟件所提供的模型輸出交叉口評價指標（見表3）綜合考慮路網改造方案。為了提高交通效率，改造方案對運行速度仿真時，一方面要考慮各條道路等級，依次設置合適車速；另一方面根據現狀信號配時交通調查情況，輸入優化后交叉口信號配時方案，結合交叉口實際情況在適當位置添加相應的交通標志和標線，合理地安置交通信號燈等交通改善措施，實時動態地調整交叉口信號配時方案[8]。

表3 道路交叉路口優化控制指標

針對以上分析采取了以下四種有效措施。（1）部分路口增加交通信號燈，信號相位設置合理，車輛可以順利通行。（2）最大限度消除了交叉路口交通沖突點，盡量避免車輛發生擁擠、交通堵塞等現象。（3）信號配時適當增加了黃燈時間和全紅時間，有充足的清尾時間，使車輛可以順利通過交叉路口。（4）信號周期與行人安全通行匹配。

通過模擬分析證明：路網的交通條件主要由路段和交叉口通行能力決定。交叉口是城市道路交通網絡中的瓶頸，單個交叉口的通行能力受到制約后，必然會對整個路網的交通造成影響，交叉口的交通運行狀況直接決定了周邊路網的運行狀況。VISSIM模擬的二維和三維動態變化能清晰地發現方案的缺陷和不足，了解方案的可行性和有效性，并及時對采取的措施進行優化和調整。

3 模型分析結果對比，評價后運用

根據張柏公路及其連接線每條道路設計年限內交通預測量，動態分配到路口的各個方向。結合VISSIM 模擬仿真流程先確定路段是否滿足要求，不滿足改變路幅組成進行拓寬；滿足要求對沿線交叉路口進行渠化、信號控制等措施對比，擇優選擇改造方案。然后對部分關鍵節點調整交叉口相位配時，使其達到交叉口所需時間、延誤時間、停車時間、停車次數最優的目的。仿真參數主要包括交通流量、車輛運行速度、交叉口相位配時、車輛路徑、車型比例等。通過分析交叉口所需時間、延誤時間、停車時間、停車次數和頻率等影響，最終改造措施前后交通評價指標綜合分析見表4。

表4 改造前后交通評價指標綜合分析

由于本文主要對該路網的平均行程車速和主要路口的平均延誤進行評價[5]，所以仿真結果只需設定路段的行駛時間和延誤時間，并由此可得出路網的平均行程車速和平均延誤。建議在工程項目實施過程中部分交叉路口配對信號周期，可以根據高峰時段潮汐交通量進一步優化完善。道路交叉路口優先等待區、潮汐車道等設置，使其車輛平均排隊長度減小、平均延誤時間降低、平均運行速度提高，從而達到提高片區道路整體服務水平的目的。

通過改變平均延誤、平均排隊長度、交叉口配時方案、服務水平等改造前后控制性因素分析，模擬仿真張柏公路及其連接線各條道路起點為徑河路，沿線徑河南路、濱河北路、環柏二路、金北一路、新橋四路、黃獅海路、新橋三路，終點為金山大道。改造前后對比見圖3。道路改造完善城市基礎設施，不斷增強城市服務、道路系統功能，扎實推進城市精細化、品質化提升，達到整個片區路網系統及各條道路服務水平的最佳狀態。

圖3 張柏公路及其連接線最終改造措施前后交通對比圖

仿真結果經過計算匯總可知：路網內交叉路口平均車速為28.55 km/h（15～38 km/h），比現狀實測車速12.10 km/h（7～16 km/h）提高了23.6%。交叉路口平均延誤降為31.1 s，比現狀實測延誤34.8 s 降低了11.2%。由此可知，在不改變路口信號控制的前提下，整治改造后的交通狀況要優于改造前,運用改造最終確定的改造措施，結合大數據統計高峰時段擁堵時長和運行速度分別減少18%和增加15%以上。張柏公路（起點段）、徑河路、濱河北路、金北一路、新橋四路、黃獅海路改造前交通狀態分別處于D 級、B級、D 級、D 級、B 級和D 級的服務水平，2031 年末交通狀態分別處于E 級、C 級、E 級、E 級、C 級和E 級的服務水平，2036 年末交通狀態處于分別處于E級、C 級、E 級、E 級、C 級和E 級的服務水平。

從對比結果可知，路網平均延誤和平均排隊長度較之前明顯降低，交叉路口信號燈配對時間明顯改善，片區幾條道路的服務水平明顯提高，片區交通整體運行情況良好。這說明在交通改善措施實施之后，改善了道路交通條件，增加了片區的路網容量和出行條件，有效地降低了城市更新對片區道路交通的影響。因此，通過仿真評價后得出的方案是可行的。

實踐證明：在應用VISSIM 仿真軟件開展城市更新交通咨詢研究工作過程中，應合理地設定交通流量、運行速度、信號配時、行駛路徑、車型比例等參數，真實還原實際運行狀況，確保評價結果的可靠性。

4 結 語

針對城市路網改造，提出在城市舊路改造的前提下將交通控制與交通誘導相結合動態分配的思想，充分分析各條道路現狀條件和遠期城區發展的需求，擬定切實可行的改造措施，通過仿真進行對比（包括對交叉口的服務水平和延誤進行評價），提出交叉口設計和信號配時方案，車輛運行管理的效率明顯提高，路網車均延誤和車均停車次數明顯降低。

城市道路改造不僅是道路結構和地下管線的改造，還是城市道路的服務功能的提升、交叉路口渠化和靚化等配套設施的提檔升級。因此需要對道路和周邊路網進行完整的分析和服務水平的判斷，從而達到面子（道路穿衣戴帽）和里子（交通及配套服務提升）的有效融合，實現城市更新的真正價值。同時，城市改造作為一個綜合型的項目，公共交通對緩解交通擁堵、促進城市綜合發展體現出強大優勢[9]。城市更新對促進城市發展、提升居民生活品質有重要的推動作用，但需要城市交通作為城市更新的支撐。因此，只有城市更新與城市交通協調發展，才能實現城市建設中復雜系統的和諧發展。