信號交叉口智慧交通設計與優(yōu)化

曹洪斌

(吉林建筑科技學院，長春 130114)

信號交叉口(Signal intersection)是兩條或兩條以上不同方向道路的交匯處[1]，車輛和行人在信號交叉口時空相匯、轉向或疏散，使其成為了限制城市路網(wǎng)道路通暢的節(jié)點。諸多因素造成了信號交叉口形式多樣、交通流向復雜、信號相位多、轉彎半徑不合理等問題，嚴重影響了信號交叉口的有序通行[2]，因此需要調整信號的控制方案并對其不斷優(yōu)化，以緩解信號交叉口處的交通問題。

指出了信號交叉口存在的問題，利用VISSIM(Vision Traffic Simulation，縮寫為VISSIM)可視化軟件，對信號交叉口交通進行優(yōu)化設計，為找到解決信號交叉口交通擁堵的方法提供了理論參考。

1 信號交叉口的擁堵現(xiàn)狀

我國汽車保有量連年上升。以合肥為例，據(jù)不完全統(tǒng)計，2009年合肥的機動車保有量是40萬輛，到2013年，達到100萬輛，而2016年已突破了150萬輛[3]。城市擁堵率逐年上升，僅2016年7—11月城市擁堵里程比例就從8%上升到15%。北京平均上班交通時間為1.5 h，超過30%的上班交通時間為1 h以上，由這些數(shù)據(jù)可見城市交通壓力越來越大[4-5]，究其原因：一方面，當前出行的車輛、人員總量高，特別是新手駕駛員技術不過硬、操作不熟練等因素會影響車輛的行駛速度；行人通過信號交叉口時會對車輛的行進造成阻礙，影響車輛的行駛速度，造成交通堵塞；車型大、行車間距大也會對通行速度造成影響。另一方面，交通組織不暢，預判不足，造成實際交通流量遠超過設計之初，特別是交通組織只針對局部，沒有宏觀掌控和全局設計，受技術限制，信號交叉口的組織優(yōu)化推進緩慢。除此之外，出行高峰時段也會造成道路擁堵，特別是在遇到惡劣天氣時，車輛的行駛難度增加，整體的通行效率降低。急需更新交通管理技術水平，提高交通組織能力。

2 VISSIM可視化軟件在交通組織中的應用

VISSIM(Vision Traffic Simulation)軟件是一種微觀仿真建模軟件[6]，是對交通設施，諸如路網(wǎng)情況、車輛屬性、信號控制、專用車道及公交站點等進行精準描述，實時反映當前道路的交通現(xiàn)狀。從技術層面上看，VISSIM仿真軟件具有離散、隨機、時間步長短等特點，可根據(jù)用戶調節(jié)參數(shù)，形成特定心理或生理條件下的車輛跟馳模型，再現(xiàn)信號交叉口交通現(xiàn)狀，模擬駕駛員的駕駛行為，因此VISSIM仿真軟件可實現(xiàn)多種條件下的城市交通、公共交通運行狀況的全面分析，評價、優(yōu)化城市交通中路網(wǎng)信號的配時方案。VISSIM仿真軟件包括交通仿真器和信號狀態(tài)產(chǎn)生器兩部分，二者之間通過接口實現(xiàn)檢測器數(shù)據(jù)和信號狀態(tài)信息的共享。與其他的仿真技術相比，如交通模擬軟件SATURN(Simulation and Assignment of Traffic to Urban Road Networks，簡寫為SATURN)[7]，VISSIM能夠做到交通運行狀況的可視化呈現(xiàn)，也可以離線做成表格輸出各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)。VISSIM 的Windows 操作界面菜單+對話框模式便于用戶使用，具有廣泛的應用性。

國內(nèi)已有利用VISSIM軟件對信號交叉口交通進行優(yōu)化的成功案例[7-10]，如Nguyen Hoang Son[7]利用VISSIM可視化軟件對越南河內(nèi)市典型信號交叉口進行交通信號設計及交通組織優(yōu)化，主要調查道路條件、信號相位及配時方案，得出更為適合的優(yōu)化方案。劉紅業(yè)等[8]以益陽市康富南路-海棠路交叉口為對象，通過實地調查交通流量、信號配時等數(shù)據(jù)，選取平均排隊長度、平均延誤時長等為指標，運用VISSIM仿真軟件進行優(yōu)化，結果表明，優(yōu)化后的方案提高了通行效率，排隊長度、車輛固定延誤等指標大幅度降低。韓義磊等[9]通過調查交通組織情況、晚高峰時段的交通量、信號配時等數(shù)據(jù)，利用VISSIM可視化軟件對大慶市中央南大街——龍十路交叉口進行信號交叉口的優(yōu)化，主要從車道功能劃分、信號配時兩方面進行優(yōu)化，結果表明交通擁堵現(xiàn)象得到了極大緩解，交通通暢率大大提升。林賜云等[10]采用 Vissim 軟件對長春市解放大路與人民大街交叉口晴天與雪天的交通信號控制進行仿真模型研究，探討降雪量對交通量、速度、飽和流率、延誤等交通流參數(shù)的影響，結果表明，優(yōu)化后的方案可以使交叉口的車均延誤減少7%～36%，其根據(jù)冰雪天氣調整的信號配時方案，能有效降低車輛在信號交叉口的延誤，提高信號交叉口的通行效率。

上述分析表明，VISSIM可視化軟件可應用于信號交叉口的交通管理，但目前利用VISSIM軟件進行不同地區(qū)信號交叉口交通信號調控的研究存在片面性，調查不夠全面，還需要進一步優(yōu)化。

3 VISSIM對信號交叉口智慧交通的設計與優(yōu)化

信號交叉口作為一個典型的混合交通點在我國交通中十分常見[7-8]，即在信號交叉口會出現(xiàn)機動車與行人、機動車與非機動車、特種車輛與機動車混合行駛的現(xiàn)象。各種交通流交錯存在，造成信號交叉口的交通流更為復雜。以機動車為例，不同類型的機動車擁有不同的幾何尺寸，行駛速度、安全需求、動力特性等諸多方面差異較大，這給信號交叉口造成了巨大壓力。因此，大數(shù)據(jù)、仿真技術對信號交叉口的交通組織優(yōu)化作用逐漸顯現(xiàn)。

3.1 VISSIM對信號交叉口智慧交通的設計

以系統(tǒng)思維指導的VISSIM軟件，通過全局分析信號交叉口的交通情況，靈活調節(jié)信號時長，能夠系統(tǒng)、科學、合理地組織交通[8-9]。

數(shù)據(jù)采集與建模過程。主要采集信號交叉口的交通流動情況，分段采集調查因其科學性應用于智慧交通設計中，可將全天時段分成早高峰(7∶30～8∶30)、中峰(8∶30～9∶30)、晚高峰(17∶30～18∶30)和低谷(0∶00～1∶00)等4個時段，以保證數(shù)據(jù)采集的代表性。采集方式是利用信號交叉口的監(jiān)控系統(tǒng)，獲取包括道路幾何數(shù)據(jù)、機動車交通流數(shù)據(jù)及信號配時數(shù)據(jù)等在內(nèi)的實時數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)分析軟件建立三維立體可視化圖形，再將三維路網(wǎng)圖作為底圖導入VISSIM軟件，進一步做實際運行效果分析。

3.2 信號交叉口擁堵原因剖析

利用采集到的信號交叉口基礎數(shù)據(jù)，分析各時間段的交通特性，涉及交叉口車流量、車型比例、各進口流量比例等指標[11]。車輛的車型可以分為客車(大客車、中小客車兩種)、貨車(中型貨車、小型貨車兩種)和小汽車等。可以獲得按照車型的流量數(shù)據(jù)表、進道口流量比例數(shù)據(jù)、各路段排隊長度、等待中的停車次數(shù)等實時數(shù)據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)，利用VISSIM仿真平面圖分析出當前信號交叉口擁堵的主要原因，如信號燈控制不合理、路標設置不合理、車輛行駛過程中的沖突問題等。利用VISSIM可視化圖形分析時，還需要進行實地調研，調研不少于6次，盡量涵蓋可能造成擁堵的所有原因，為后續(xù)的優(yōu)化奠定基礎。

3.3 VISSIM對信號交叉口智慧交通的優(yōu)化

信號交叉口智慧交通的優(yōu)化主要包括確定車道數(shù)、設置專用左轉車道、設置交通渠化島、設置交通信號設施等。其中，車道數(shù)的確定依賴于高峰時段的交通量與不同轉向的交通量；左轉交通可適當壓縮對向車道或新增左轉車道以減少沖突點，同時輔以設置禁止左轉交通來降低交通壓力；通過在信號交叉口設計渠化島來減少行駛中的沖突問題，包括建立安全島、道路交通標志和標線的完善等。實踐中的仿真模擬次數(shù)要盡量多次(6次以上)，以確保數(shù)據(jù)的科學性。另外，利用大數(shù)據(jù)協(xié)調信號交叉口信號燈的設置是緩解交通壓力的重要措施之一。針對不同時段的信號配時策略既滿足交通組織需求，又能減少資源投入，更具有實際應用潛力。

4 結語

利用VISSIM軟件設計的信號交叉口智慧交通組織模式具有良好的應用潛力，在模擬交通的可視化圖形+實地調研修正的雙重模式下數(shù)據(jù)更為真實準確，更利于交通的順暢通行。