基于VISSIM 交通仿真的交叉口信號配時優化研究

陳攻CHEN Gong；劉旭彪LIU Xu-biao；趙振峰ZHAO Zhen-feng；唐遠TANG Yuan；夏云斌XIA Yun-bin

（①云南交通職業技術學院，昆明 650500；②昆明市政工程設計研究院（集團）有限公司，昆明 650500）

0 引言

隨著近年來人民生活水平的不斷提高，交通出行需求快速增長，不斷提升的機動車保有量對有限的城市道路提出了嚴峻挑戰。交叉口是城市道路的重要組成部分也是城市交通的聚散點[1]。交叉口的通行能力很大程度上影響著整個城市道路網絡的通行效率，是城市交通運行順暢的關鍵所在。通過交叉口改擴建、增加車道等措施，能夠直接提高交叉口通行能力，但考慮建設成本、土地限制、工期等問題，對于已建成的城市交叉口施工影響較大。因此，在現有道路條件的基礎上，結合交叉口渠化設計，通過優化交通信號配時來合理分配交叉口通行路權，減少由于信號燈導致的車輛延誤，是緩解城市交通擁堵、提高交叉口服務水平的有效途徑。

VISSIM 交通仿真是由德國PTV 公司開發的基于時間與駕駛行為的微觀仿真軟件[2]。VISSIM 交通仿真軟件可以通過輸入交通數據，模擬城市交通運行狀況，現已在交通工程設計、交通規劃、交通控制與管理方面得到了廣泛應用。目前在利用仿真技術對交叉口進行提升改善的研究中，卞廣萌[3]等人以天津市紅橋區紅橋北大街與光榮道五岔口為例，新增車輛待行區，優化調整信號配時，并利用VISSIM 仿真評估進行對比分析，改善后的車輛延誤和排隊長度明顯降低，有效解決老城區特殊五岔路口問題。馬健[4]等人以蘇州市吳江區運東大道與東太湖大道交叉口為例，提出四種方案對T 型交叉口進行優化改善，通過VISSIM 仿真對四種方案的延誤和排隊長度進行對比，選取其中最優方案。屈文秋[5]等人以成都市建設北路一段與紅星路交叉口為例，通過調整信號配時，降低了車輛延誤并利用VISSIM 仿真進行了驗證。李汝楠[6]等人以黃驊市迎賓大街與新海路交叉口為研究對象，優化交叉口渠化設計方案和信號配時，并對改進方案進行了VISSIM 仿真，結果顯示優化后的交叉口服務水平顯著提高。

本文以昆明市日新中路-前衛西路交叉口為例，結合交通流量調查數據，通過實用信號周期法與Webster 算法分別提出兩種信號優化方案，運用VISSIM 交通仿真軟件，對優化前后的交叉口交通運行狀況進行對比分析，從延誤、排隊長度等多方面論證改善方案實施的效果。

1 交叉口現狀分析

1.1 交叉口概況

日新中路-前衛西路交叉口位于昆明市西山區核心區域，周邊分布有居民小區、學校、醫院、商場、農貿市場等大型交通集散點，公交線路密集，交通構成復雜。日新路為昆明市東西向城市主干道，是昆明市連接東西片區的重要通道，過境交通比例較高。前衛西路為南北向城市次干道，連接周邊多個居民小區、學校、農貿市場等大型交通吸引點，交通需求大。特別是在工作日早晚高峰期間，通勤交通占比高，交叉口交通流量明顯增大，道路通行能力下降，車輛延誤增加，交通擁堵現象頻發。

日新中路設置有中央分隔帶，車道總數為雙向八車道，道路兩側對稱，在交叉口東西向進口道處均設置有展寬車道，車道渠化為2 專左+4 直行+1 專右。

前衛西路設置有中央分隔帶，車道總數為雙向六車道，道路兩側對稱，在交叉口南北向進口道處均設置有展寬車道，北進口車道渠化為2 專左+2 直行+1 專右，南進口車道渠化為1 專左+2 直行+1 直行右轉。

1.2 交叉口流量調查

圖1 日新中路-前衛西路交叉口渠化圖

交叉口流量調查采用人工實地調查的方法，調查時間選取車流量增大明顯的工作日晚高峰17:30-18:30，對日新中路-前衛西路交叉口各進口道流量進行調查。根據《城市道路交通規劃設計規范》GB50688-2011 車型換算系數對調查的交通量進行折算，折算后的各進口道小汽車標準車型當量交通量（pcu/h）如圖2 所示。

圖2 日新中路-前衛西路交叉口流量流向圖

1.3 交叉口信號周期

日新中路與前衛西路兩條道路呈45 度交叉，采用四相位交通信號控制，四個方向進口道均設有左轉保護相位，高峰時段固定信號周期時長為170s。所有相位設置有3s 黃燈和2s 全紅時間。現狀信號配時如圖3 所示。

圖3 日新中路-前衛西路交叉口信號周期圖

2 現狀VISSIM 仿真

根據日新中路-前衛西路交叉口道路線形及渠化設計，簡歷VISSIM 交通仿真交叉口模型。結合現狀交通流量與信號周期調查數據，根據不同方向進口道分別輸入交通流量、路徑決策、交通信號等關鍵數據，車輛速度取兩條道路的設計時速50km/h。運用VISSIM 節點評估功能，在輸出的各項數據中選取交叉口排隊長度和車輛平均延誤等數據作為該交叉口的評價指標。為排除軟件仿真評估結果中出現的隨機誤差，選取不同的隨機種子進行十次仿真分析并取平均值。仿真模型與評估結果如圖4、表1 所示。

圖4 現狀日新中路-前衛西路交叉口仿真效果圖

表1 現狀日新中路-前衛西路交叉口仿真評估結果匯總表

由仿真結果可以看出，現狀日新中路與前衛西路交叉口總體延誤和排隊長度較高。其中日新中路東進口排隊長度左轉和直行排隊長度較長，主要原因在于信號周期設置過長，對于交通流量較大的進口道需等待較長的紅燈時間，車輛停車延誤高；由于綠燈時間設置時間不合理，前衛西路南北左轉相位綠信比較低，造成南進口左轉延誤較高。參考美國HCM 信號交叉口服務水平[7]，東西南北四個進口服務水平分別為F、E、E、D，交叉口總體服務水平為E，車輛平均延誤水平較高。

3 交叉口信號配時優化

目前，應用較為廣泛的單點交叉口信號周期有三種，分別為最短信號周期、實用信號周期以及Webster 信號周期[8]。理想狀態下，設置最短信號周期可以保證在一個周期內所有進口道的到達車流全部通過交叉口，無車輛滯留。但當高峰時段交叉口出現交通流量激增時，容易造成車輛等待多個周期，導致交叉口通行能力下降。因此，本文分別采用實用信號周期法和Webster 算法對交叉口進行信號配時優化。

3.1 信號配時優化流程

①采用直行當量計算各進口道流率比。

表2 進口道流率比匯總表

日新中路-前衛西路交叉口各進口道均設置有左轉保護相位，左轉流量轉換為直行當量需乘以系數1.05。結合

②確定各相位黃燈時間（A）和全紅時間（r），計算信號總損失時間。

式中：t——反應時間，取1s；

v85——85%車速；

a——汽車減速度；

g——坡度；

式中：w——遠端對向沖突點與進口道停車線的距離；

v15——15%車速；

L——車輛長度，取5m。

計算黃燈時間和全紅時間時，進口道車速取設計車速限制值50km/h，結合交叉口調查數據計算并取整得各相位黃燈時間A 取3s，全紅時間r 取2s，即相位之間綠燈間隔時間為I=黃燈時間+全紅時間=5s。

取車輛啟動損失時間l=2s，計算信號總損失時間：

③確定信號周期時長。

方案一：實用信號周期

實用信號周期法是在最短信號周期公式的基礎上，考慮高峰小時系數和交叉口設計飽和度。按照交叉口實用信號周期的計算公式，日新中路與前衛西路交叉口信號周期為：

式中：Cp——實用信號周期，s；

L——信號總損失時間；

PHF——高峰小時流量系數，取0.95；

v/c——交叉口設計飽和度，取0.95。

方案二：Webster 信號周期

韋伯斯特（Webster）信號周期法是以交叉口延誤為控制目標，所得最佳信號周期即為交叉口延誤值最小時的信號周期。根據Webster 信號周期計算公式，本文交叉口信號周期為：

式中：CO——Webster 信號周期，s；其余參數同上。

④相位綠時分配。

按照等飽和度原則對兩種方案下的信號周期進行綠燈時間分配，保持原信號相位順序不變，優化后的相位圖如圖5~圖6 所示。

圖5 實用信號周期優化方案

圖6 Webster 信號周期優化方案

3.2 優化方案仿真評估

分別對實用信號周期和Webster 信號周期的信號配時進行VISSIM 仿真評估，并與優化前的排隊長度、延誤等指標進行對比分析。日新中路與前衛西路交叉口信號配時優化前后對比結果如圖7 所示。

圖7 交叉口信號配時優化前后對比柱狀圖

通過仿真評估結果前后對比分析，可以得出兩種信號配時優化方案對交叉口排隊長度、延誤等關鍵指標均有不同程度的改善，交叉口通行效率得到提升，交通擁堵有效緩解。對于實用信號周期優化方案，平均排隊長度下降了20.0%，平均最大排隊長度下降了18.1%，平均延誤下降了22.2%；對于Webster 信號周期優化方案，平均排隊長度下降了11.8%，平均最大排隊長度下降了12.3%，平均延誤下降了15.2%。

4 結語

本文以昆明市日新中路與前衛西路交叉口為研究對象，針對高峰時段交叉口擁堵問題進行了改善。以實用信號周期法和Webster 算法優化信號配時后，交叉口信號周期明顯縮短，且相位配時更加科學合理。通過VISSIM 交通仿真提供的評估數據，對比兩種方案下交通信號配時優化前后的交叉口排隊長度和車輛延誤，可以驗證兩種配時優化均有效降低了交叉口延誤水平。其中實用信號周期改善效果更佳，交叉口服務水平由優化前的E 提升到D，改善效果明顯。