基于VISSIM-Synchro聯合仿真的半苜蓿葉立交匝道分流及協調控制優化

王曉軍 王家琦 陳海波 楊春霞

1(太原科技大學交通與物流學院 山西 太原 030024) 2(大連海億豐悅科技有限公司 遼寧 大連 116024)

0 引 言

半苜蓿葉互通立交是部分互通立交形式的一種[1],與全互通相比,具有主線暢通、主線標志簡化、用地和工程費用較少、便于分期修建等優點,適合用于主干道與次干道相交、地物限制較嚴等情況。半苜蓿葉互通立交以減少部分匝道的方式換取空間,相應地會增加相關路段的交通復雜性,以某行車方向環形匝道缺少為例,為實現全互通,左轉車輛需先駛入定向匝道再通過干道交叉口掉頭,因此,匝道出口及其與干道銜接區的交織、沖突要比全線互通立交復雜,易發生擁堵。因此,解決匝道出口與干道的沖突問題是提高該特殊互通立交形式通行效率的核心環節。

目前,國內外學者針對半苜蓿葉互通立交的研究以線形設計和通行能力分析為主,如:陸子文等[2]探討了自由流半苜蓿葉立交線形設計;朱宗余[3]分析了半苜蓿葉形互通式立交的應用情況;Molan等[4]設計了一種新型部分互通立交形式,并通過VISSIM仿真與傳統部分互通立交在交通運行和交通安全兩方面進行對比;Sistuk等[5]根據HCM手冊,利用VISSIM仿真對部分互通立交服務水平進行確定。上述研究較少涉及匝道出口與干線的沖突問題,為此,進一步對其他立交形式相關研究進行分析。

在匝道與主線銜接研究方面,美國綠皮書AASHTO[6]指出,出入口控制的延伸距離應結合銜接道路等級及重要性來確定,控制距離設定的總目標是讓匝道與進口道間車流“回溢”程度最小化,并為車輛的匯入、交織、排隊提供空間。美國國家公路合作研究計劃出版的報告《NCHRP Report 420: Impact of Access Management Techniques》[7]提出銜接段長度包括交織區長度、排隊長度及停止線到交叉口中心線的距離。TRB出版的Access management manual[8]給出立交附近的出入口匝道銜接段推薦值一般為230～800 m。中國的《公路路線設計規范》《交通工程手冊》等也部分涉及到了匝道設計的內容。在匝道交通組織方面,Meng等[9]結合某市中心區的高架快速路基本情況,分析了高架快速路既有匝道銜接段的交通組織方案。劉忻梅等[10]通過仿真模擬,研究了城市快速路菱形立交出口至前方燈控平交路口合理距離。孫麗等[11]根據快速路出入口特征,分析了出入口設置存在的問題及其影響因素。朱彤等[12]以交通沖突次數為評價參數,通過仿真評價了不同渠化及設施設置條件下快速路出入口的安全水平。針對快速路出口匝道擁堵問題,張楠等[13]研究了在出口匝道和地面交叉口設置控制信號,建立雙層規劃模型優化該區域交叉口的信號控制方案。在研究方法方面,大部分都會依托算法和仿真軟件進行,宋俊芳等[14]基于車輛之間的實際距離提出一種快速交通狀況檢測算法。馬生濤等[15]基于Anylogic仿真軟件對交通堵塞進行了仿真。

上述國內外學者的研究各有偏重,研究內容包括銜接段設計及其交通組織、信號控制或檢測評價等,但從研究對象和范疇上,大多關注車流從匝道匯入干道并與干道其他車輛交織、沖突的過程。如引言所述,對于半苜蓿葉互通立交這一特殊形式,部分出口匝道除需承擔自身交通流外,還需要承擔因同一行駛方向環形匝道缺失而產生的有左轉需求的交通流。與現有研究相比,半苜蓿葉互通立交出口匝道及交通流具有以下特點:(1) 匝道需承擔兩股交通流,交通量大;(2) 兩股交通流駛入干道后,目的行駛方向相反,會加劇交織區的復雜度,進而引發交通堵塞等問題。此情況下,單純針對銜接段的研究不能滿足現實需求。

為解決此問題,將從以下幾方面開展研究:(1) 將研究范圍擴大,除了匝道及其銜接區外,為反映匝道兩股交通流對干道交通的影響,將干道上前后兩個平面交叉口也納入研究范圍;(2) 考慮一種新的匝道分流設計方案,即在主線出口匝道設置附加左轉匝道,此方式能使車輛在干道入口處直接左轉,提高通行效率,緩解干道壓力,且因為該方案是平面交叉,造價低、可行性強;(3) 附加左轉匝道的分流方式使得左轉車輛與干道車輛直接沖突,為保證匝道出口車流完整性及干道通行效率,將其視為T型交叉口,并與干道上其他交叉口進行協調控制,得到合理的信號控制方案;(4) 采用VISSIM和Synchro聯合仿真方法,對本文設計的可行性和有效性進行分析和驗證。

1 問題分析及出口匝道分流方案設計

1.1 問題分析及交通調查

(1) 問題分析。圖1為某城市半苜蓿葉互通立交示意圖,東西向為主干道,南北向為次干道,主線出口匝道與次干道存在平面沖突點,主線的南面和北面各有一個十字交叉口,形成了一個交通循環。由于該立交為半互通方式,部分車輛需通過右轉加掉頭的方式實現左轉。以主線西向出口為例,車輛通過匝道駛向次干道后,首先進入銜接段,在此處匯入次干道;其次進入交織區,此區域車輛行駛方向不同,如從北向行駛過來的車需要右轉(路徑1),從匝道下來的車需要左轉(路徑3)或掉頭(路徑4),相互混雜;再次,由于十字交叉口受信號控制,車輛還可能進入排隊段等待。

圖1 半苜蓿葉互通立交沖突分析示意圖

由此可知,主線匝道出口到次干道十字路口這一段承載著由出口匝道駛出的右轉、直行、左轉、掉頭等四個路徑的車流,狀況復雜,當交通流較大時,將會是瓶頸路段。為分析擁堵情況及服務水平,在交通調查基礎上,采用仿真模擬方法,給出交通評價指標。

(2) 交通調查及基本交通參數確定。選擇早高峰(7:30—8:30)進行調查。如圖1所示,主干道出口匝道直接匯入次干道,此處無交通管控,因此,主要對南側交叉口進行調查與分析。得到交叉口各進口道方向小時流量為:西向進口道791 pcu/h、東向進口道768 pcu/h、北向進口道2 227 pcu/h、南向進口道975 pcu/h。

交叉口信號控制為兩相位,分別為東西直行+左轉、南北直行+左轉。周期60 s,黃燈時間3 s,全紅時間2 s,有效綠燈時間分別為30 s、20 s。

同時調查道路基礎參數:車道寬3.5 m;大車通行率2%;主線行車速度80 km/h;匝道行車速度40 km/h;次干道行車速度60 km/h;跨線構筑物坡度2%。

1.2 基于VISSIM仿真的交通現狀評價

(1) VISSIM軟件。VISSIM軟件是一種微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具,可對交通運行狀況進行模擬。根據交通調查數據,采用VISSIM仿真對上述瓶頸路段進行分析,且為方便與后續研究對比,現狀稱為分流前方案。

(2) 分流前路網繪制及交通數據輸入。利用VISSIM中的“line”及“connectors”模塊繪制分流前半苜蓿葉互通立交,設置道路參數,詳見圖2。

圖2 分流前半苜蓿葉互通立交路網圖

利用車流量輸入模塊“Vehicle Input”,輸入交叉口各路口的車流量,并進行路徑決策。在“Signal Controls”模塊中,輸入有效綠燈時間、周期等信號配時參數。

(3) 效益評價指標。結合Vissim特有的節點屬性“Nodes”,在南邊十字交叉口模型處設置固定節點,編號為1。利用數據采集模塊“Data Collection Points”,在節點1每個進口道處設置數據采集點,一共設置14個,分別為北向(直行、左轉、右轉、掉頭)、南向(直行、左轉、右轉、掉頭)、東向(直行、左轉、右轉)及西向(直行、左轉、右轉),保證在信號控制設置前沖突區車流量的數據準確。

仿真模擬過程中,對14個采集點的數據進行采集,輸出4個交通效益評價指標:平均停車延誤、平均信控延誤、平均排隊長度、最大排隊長度。

表1為模擬所得交叉口的交通效益指標,其中最后一行為交叉口總體數據,總流量為14個進口道車流總和,最大排隊長度為14個進口道的最大值255 m,而平均停車延誤、平均信控延誤及平均排隊長度為14個進口道的平均值,分別為36.2 s、50.1 s和65.9 m。

表1 匝道分流前節點1主要交通效益指標

(4) 通行能力和服務水平分析。交通效益指標還不能全面反映交叉口的狀況,進一步需結合交叉口設計通行能力計算公式[16]分析飽和度和服務水平。

將不同相位的有效綠燈時間及占比數值代入計算公式后,可得到交叉口的設計通行能力為6 718 pcu/h,進而求得交叉口飽和度為0.71。依據信號燈交叉口服務水平標準表[16],可判定此時交叉口服務水平為D級,已出現堵塞現象。

考慮到未來交通量增長情況,在現有調查數據基礎上分別增長5%和10%,依次代入VISSIM軟件進行仿真,得到相應的飽和度數據和服務水平,再通過差值法計算得到:當交通量增長到8.63%時,服務水平為F,此時飽和度已經達到0.95,由銜接、交織和排隊段組成的沖突區出現堵塞嚴重等問題,進而反向影響匝道車流,通行效率急劇下降,交通接近癱瘓。

1.3 出口匝道分流方案設計

針對現有出口匝道與次干道沖突區的問題,將出口匝道設計成右轉及左轉的雙向匝道,利用左轉匝道實現全互通。如圖3所示,進入路徑1、2、3的車輛由右轉出口匝道承擔,而原有掉頭車輛即路徑4將由左轉匝道來承擔,車流提前分流,能緩解原沖突區的問題。然而,分流后,附加左轉匝道與次干道形成T型路口,將產生新沖突,形成新問題:一是如何對該路口進行控制;二是如何與次干道上其他十字路口進行協調控制。下面將依據VISSIM和Synchro聯合仿真及干線協調控制優化方法對此問題進行分析。

圖3 匝道分流設計方案及交通沖突分析示意圖

2 T型交叉口信號控制設計

2.1 交通數據獲取

如圖3所示,次干道上有6個進口節點,從北往南分別是北邊十字交叉口、主線東向右轉匝道、主線東向左轉匝道、主線西向左轉匝道、主線西向右轉匝道、南邊十字交叉口?？紤]到左轉匝道和右轉匝道距離較近,且不會互相干擾,可以把兩個匝道簡化成一個雙車道匝道進行研究,該匝道與次干道形成一個T型交叉口。因此,此區域次干道的交通管控可以理解成兩個十字交叉口和兩個T型交叉口的協調控制。考慮到互通立交的對稱性,在初始方案設計階段,先研究主線南邊的十字交叉口和T型交叉口。

因該分流方案尚在設計階段,只能在現有調查數據基礎上,通過分析交通流走向,確定分流后的交通數據。通過交通調查,已獲得圖1中①、②、③、④、⑤、⑥處的交通數據,則分流后,圖3中路段⑦交通量可視為不變,使用路段①的交通量;附加左轉匝道⑧處的交通量為⑥處車道掉頭的交通量;右轉匝道⑨處交通量為原匝道②處的交通量減去⑧處的交通量;交叉口⑩、、處進口交通量使用③、④、⑤的交通量。處理后獲得分流完后的小時流量如表2所示。

表2 匝道分流后小時流量表 單位:pcu/h

2.2 信號設置

(1) 信號設置必要性。根據馬東方等[17]給出的T型交叉口信號設置臨界流量確定方法,將次干道設定為主路,匝道設定為支路,根據文中的信號設置臨界流量與主/支路流量的關系圖,可確定本文所述案例都需要設置信號燈。

(2) 信號配時。采用韋伯斯特定時信號交叉口延誤計算公式對沖突區進行配時。設:L為每周期總損失時間,l為啟動損失時間,A為黃燈時間,I為綠燈間隔時間,Y為周期信號相位各y值最大之和,則信號組控制下的近似最佳周期時長C0公式為:

(1)

(2)

在計算出最佳信號周期C0及總損失時間L后,可相應得到每相位有效綠燈時間公式:

(3)

需注意的是,直行道飽和流量及左轉飽和流量應考慮到車道寬度校正系數fw、坡度及大車校正系數fg及道路縱坡G等因素。直行道飽和流量公式和左轉飽和流量公式分別為:

ST=Sbt×fw×fg

(4)

SL=Sbl×fw×fg

(5)

根據上述統計的交通數據,同時取fw=1,fg=0.98,G=0,A=3 s,全紅時間為3 s,I=6 s,l=3 s。由式(2)計算出每周期總損失時間L=10 s,則最佳周期時長C0=60 s,最后由式(3)可推出有效綠燈時間ge1=33 s,ge2=15 s,則紅燈時間re1=24 s,re2=42 s。

3 基于VISSIM的互通立交仿真

3.1 仿真建模及數據采集

根據1.2節所述道路基礎參數和附加左轉匝道設計方案,在VISSIM中建立匝道分流后的互通立交模型,路網圖見圖4。利用車流量輸入模塊輸入表2中數據,并進行路徑決策。

圖4 半苜蓿葉互通立交路網圖

數據采集階段,將南十字交叉口和南T型交叉口兩個易發生擁堵的區域設為節點1和節點2,見圖3,根據車道和路徑情況,分別設置13個和3個采集點。

根據信號配時方案,采用模塊“Signal Heads”和3D-信號燈程序對沖突區進行信號燈布置,詳見圖5。

圖5 信號燈布置及配時設計

3.2 匝道分流方案有效性驗證

仿真運行后,得到兩個節點的交通效益評價指標,見表3。可知,采用匝道分流方案后,十字交叉口平均停車延誤24.3 s,平均信控延誤31.1 s,最大排隊長度126.6 m,平均排隊長度34.2 m。T型交叉口為新增沖突區,平均停車延誤8.4 s,平均信控延誤13.4 s,最大排隊長度52.9 m,平均排隊長度7.1 m。

表3 匝道分流后兩個節點主要交通效益指標

續表3

分流后有兩個節點,其中節點2為新增沖突區,故取兩節點評價指標之和反映整個區域的交通狀況,并與分流前評價指標進行對比。從表4可知,四項交通效益評價指標分別改進9.67%、11.18%、29.61%、37.33%。同時,將匝道分流后所得數據代入通行能力計算公式,可知分流后交叉口服務水平為C,與分流前相比提高1級,說明利用匝道分流法改善沖突區堵塞情況是可行且合理的。

表4 匝道分流前后交通效益對比表

需說明的是,在此階段的仿真模擬當中,信號配時采用的是單點固定信號控制方法,此時的交通效率及通行水平并不是最優。由于新增T型沖突區的存在,導致干線路口增多,是否需要對多路口的干線進行協調控制成為了接下來的研究重點。

4 基于VISSIM-Synchro的協調控制仿真

4.1 研究思路

在上節仿真模擬中,次干道上四個交叉口的信號控制沒有考慮相位差,均為獨立的單點控制,本節將在匝道分流方案基礎上研究協調控制問題。

干線協調控制可以使車輛以排列緊湊的車隊連續地、不停地通過若干個交叉口,減少交叉口停車線前所滯留的車輛數,從而提高道路使用率。而實現協調控制的首要條件是確定各交叉口之間的相位差。

Synchro軟件是一款可對路網信號配時進行績效分析的優異軟件,適用于各類型城市交叉口。在進行多路口干線協調控制時,可使用最大綠波帶寬法和交通流量線法確定相位差[18],前者盡量使干線綠波帶的右側能夠接觸到配時帶的綠色部分或綠色部分的左側,后者盡量使交通流量線的右端接觸到配時帶的綠色部分或綠色部分的左側,目的都是為了讓車輛在下一路口信號燈變綠或即將變綠的瞬間到達路口。本文采用交通流量線法。

除了相位差外,各交叉口各自的相位和周期也會對協調控制的效果產生影響。為了能系統分析相位、周期及相位差三者對延誤的影響,本文給出了三種協調控制優化方案:

(1) 優化方案一:假設各交叉口相位和周期不變,只調整交叉口之間的相位差。

(2) 優化方案二:假設各交叉口周期不變,優化各自相位,并在此基礎上調整交叉口之間的相位差。

(3) 優化方案三:對各交叉口周期和相位都進行優化,最后調整交叉口相位差。

各優化方案所得結果僅為各交叉口延誤時間,為進一步分析協調控制對交通通行能力的影響,采用VISSIM-Synchro聯合仿真法,將三種優化方案結果分別代入VISSIM軟件進行仿真模擬,得到交通效益等指標。

4.2 Synchro路網建模及現狀評價

1) 路網建模。本模型存在四個交叉口,每個交叉口視為一個節點,從北向南標記為1-4。在Sycnhro軟件中輸入各節點的車道寬、主線速度、道路縱坡等參數和各交通量參數,以南向十字交叉口節點4為例,流量參數設置見圖6。

圖6 Synchro流量參數設置圖

各參數設置完成后,需設置信號相位。與 VISSIM不同的是,Synchro相位設置按編碼排序,共8個編碼。對象出圖時分上下兩排,一排為4個方向,為顯示方便,各對向方向在同一列,如東的左轉為3編碼相位,則西左轉為7編碼相位,其他方向同理。在 Synchro 系統中,可根據相位模塊“Phase Templates”確定以東西向或南北向為主相位,不同主相位的編碼順序不一致。設置完成后,建立次干道四交叉口3D模型圖,如圖7所示。

圖7 交叉口3D模型圖

2) 初始信號配時方案延誤分析。將北、南兩十字交叉口調查所得信號配時方案代入節點1、4中,將2.2節中計算所得T型交叉口信號配時方案代入節點2、3中,相位設置見圖8。

對初始信號配時方案進行仿真模擬,得到零相位差基礎上,四個節點的交叉口延誤時間分別為 23.9、11.3、9.8及22.3 s。

4.3 干線協調控制下的信號配時優化

(1) 優化方案一。該方案為保持各節點相位、周期不變,通過調節節點間相位差,獲得現有配時方案下的最佳延誤。

相位差通過Synchro時空圖中的交通流量線法來協調。在調試過程中,若保持節點1不變,即“1”節點相位差為 0,節點2、3、4分別取相位差為45、26、39 s,可得四個節點最佳延誤時間,分別為 23.9、11.4、8.4、20.8 s。與零相位差的初始信號配時方案相比,節點1延誤保持不變,節點2增加0.1 s,節點3減少1.4 s,節點4減少1.5 s,總體上有一定程度改進。

(2) 優化方案二。該方案在保持各節點周期不變的前提下,對相位進行單點優化。利用Optimize Splits模塊優化相位配時,優化完成后,可看到節點1及節點4的有效綠燈時間變為34、16 s,節點2的有效綠燈時間變為28、20 s,而節點3的有效綠燈時間變為17、31 s。

在新配時方案基礎上,繼續使用交通流量線法設置相位差,當節點2、3、4分別取相位差為3、19、30 s時,仿真結果顯示四個節點延誤時間分別為18.8、10.0、8.8、15.9 s,此時協調控制最佳。與初始方案相比,四個節點的延誤分別減少5.1、1.3、1.0和6.4 s,比優化方案一改進程度要高。

(3) 優化方案三。該方案對各節點的周期、相位及節點間相位差都進行調整優化。

首先利用“Network cycle lengths”模塊,設置周期間距為2,將不同周期下各交通效益指標羅列出來,表5給出了周期在50～80 s之間的相關數據。最佳周期選擇時,首先考慮剔除含有未到達車輛指標的周期;其次,選擇總停車時間最少的,因此確定周期64 s作為周期優化方案。

表5 不同周期效益參數

確定周期后,利用Optimize Splits模塊優化相位配時,優化后節點1、4的有效綠燈時間為36、18 s,節點2的有效綠燈時間變為32、20 s,而節點3的有效綠燈時間變為17、35 s。

繼續使用交通流量線法協調相位差,當節點2、3、4分別取相位差為24、42、49 s時,四個節點的仿真延誤時長最小,分別為16.7、8.3、9.4、13.9 s,與初始方案相比,延誤分別減少7.2、3.0、0.4、8.4 s。

(4) 改進效果對比分析。為方便比較,圖9給出了三種協調控制優化方案與初始配時方案的延誤對比。對于優化方案三,雖然節點3的改進程度不如方案一和方案二,但節點1、2、4的改進效果明顯,因此,確定優化方案三為最佳方案。

圖9 延誤對比分析

4.4 基于信號配時協調優化的聯合仿真分析

為進一步分析上述三種協調控制優化方案,將對應信號配時帶入VISSIM仿真模型中,實現聯合仿真,給出各交通評價指標,并與單點固定信號控制方案(表3結果)進行比較。考慮到互通立交的對稱性,給出南十字交叉口和南T型交叉口兩個節點的最終評價數據,詳見表6、表7。

表6 各優化方案交通效益指標對比(南十字交叉口)

表7 各優化方案交通效益指標對比(南T型交叉口)

從仿真結果可知,對南十字交叉口,與初始方案相比,三個優化方案對于各項交通效益指標都有不同程度的改進,其中以優化方案三最為突出,改進程度最小為21.5%,最大為67.2%。對于南T型交叉口,同樣是優化方案三改進程度最為突出,最小為7.04%,最大為33.33%,優化效果明顯。

將三種優化方案的數據代入通行能力公式中,得到此時交叉口飽和度分別為0.65、0.67及0.64,結合信控延誤數據,可判定前兩種方案服務水平仍為C級。對于第三種方案,由于延誤與飽和度對應的服務水平不一致,根據規定,以延誤對應服務水平為準,故可判定優化方案三下交叉口的服務水平為B級。

綜上可知,協調控制優化方案三即對周期、相位及相位差都優化調整的方案可獲得較好的信號控制方案,減少交叉口延誤,改進交通效益指標,提升服務水平,采用該方法進行多路口干線進行協調控制是必要且有效的。

5 結 語

受立交形式限制,半苜蓿葉互通容易在主線出口匝道與次干道地面銜接處形成交通擁堵,影響次干道整體通行能力。本文給出一種新型匝道分流方案,并聯合VISSIM和Synchro對出口匝道與次干道進行協調調度優化,得到較優的信號控制方案。具體的研究結論如下:

(1) 通過在原有匝道附加左轉匝道的方式,可提前分流,緩解出口匝道與次干道的堵塞問題;VISSIM模擬仿真表明,采用新型匝道方案后,平均停車延誤、平均信控延誤、最大排隊長度及平均排隊長度等交通效益指標得到不同程度改善,交叉口服務水平由D級變為C級,驗證了分流方式設計的合理性。

(2) 針對單點固定信號控制的局限性,將匝道分流后形成的兩個T型交叉口與次干道上的兩個十字交叉口協調控制;采用Synchro中的交通流量線法確定相位差,同時提出位周期固定、相位變化周期固定、相位周期都變化三種優化方案。與VISSIM聯合仿真可知,與初始方案相比,相位周期均變化的優化方案對交通效益指標改善程度最高,同時,交叉口服務水平從C級升級到了B級,證明采用干線協調控制解決主線匝道出口與地面銜接段的交通問題是十分合理和有效的。

需指出的是,本文只考慮了節點上的四個交通效益指標,在后續研究中可將車流密度等指標進行綜合評價,以期獲得更合理的結果。