基于VISSIM仿真的混行交叉口優化研究

陳厚廷 李昊 張麥宣 郭亞紅 寇乾文 張月陽

［收稿日期］2022-1102

［第一作者］陳厚廷（1995-），男，江蘇南通人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為交通安全工程、系統優化與決策

［通信作者］李昊（1986-），女，湖北黃岡人，工學博士，湖北工業大學，研究方向為交通安全工程，系統優化與決策

［文章編號］1003-4684（2023）02-0079-05

［摘要］為有效解決混行交叉口的擁堵問題，提高通行效率，改善城市路網擁堵現狀，以武漢市洪山區南李路文祥街混合交通流交叉口為例開展優化研究，通過現場調查的方式來采集其高峰時間段的交通流量及信號配時等數據，并利用VISSIM軟件建立微觀道路模型，并進行仿真模擬，得出車輛延誤和排隊長度等指標。此外還對影響交叉口擁堵的因素進行分析，并對其進行車道功能劃分和信號配時優化，最后對比仿真前后的交通狀況，發現優化后的車輛延誤和排隊長度均有大幅減少，交通運行狀況得到顯著改善，從而驗證了優化方案的科學性與合理性。

［關鍵詞］信號配時； VISSIM； 車輛延誤； 排隊長度

［中圖分類號］U491.2? ［文獻標識碼］A

目前，國內的城市道路交叉口多數呈現混合流形式。交叉口作為城市交通路網的重要組成部分，對交通的流暢運行起著關鍵性作用[1]。它是路網的重要組成部分，同時也是交通沖突的多發地[2]。過多的交通沖突造成了交通路網的阻塞，此現象導致居民出行成本增加，降低了工作效益和生活質量[3-5]。因此，妥善合理地處理交叉口擁堵現象，改善道路通行狀況，成為當前亟需解決的問題[6]。

針對上述出現的問題，需要在時空上合理的分配交叉口資源，以緩解交通壓力。截至目前，已有多位國內外專家針對此類問題做出相關研究，李汝楠等[2]通過VISSIM軟件分析交通現狀，對其進行車道功能劃分和信號配時優化，極大地改善了交通運行情況。常爭艷等 [7] 對太原市桃園路口進行分析設計，建立了信號配時優化模型。該模型的指標包括停車延誤、停車次數和通行能力，采用罰函數粒子群優化算法（PSO）對綠燈時間和信號周期進行重新規劃，提高了道路潛在的通行能力。陳丹丹[8]等通過設計兩級模擬控制器優化四相位交叉口，運用MATLAB對模擬控制器進行仿真，結果表明在信號控制方面，相比定時控制，模糊控制能夠更好地改善交通擁堵情況。張衛華[9]將公交優先的概念納入信號配時設計中，通過仿真分析表明此舉可以有效地緩解交叉口的擁堵情況，提高通行效率。WONG C K[10]等從理論概念出發，設計了一系列混合整數規劃模型以尋求車道功能劃分和信號配時優化的最優解。此次研究以武漢市洪山區南李路文祥街交叉口為例，通過對其進行車道功能劃分以及信號配時優化，利用VISSIM仿真軟件進行模擬測試，根據仿真前后的指標對比分析，得出最佳優化方案。

1??? 交叉口現狀

1.1??? 平面交叉口現狀布局

武漢市洪山區南李路是一條城市次干道，且方向為南北向，該道路日常高峰時間段交通量大，其與文祥街東西方向的路段連接組成十字型交叉口，此外該交叉口南進口道的車道標志由內而外分別為直行車道、直行車道、右轉車道。北進口道的車道標志由內而外則依次為直左車道、直右車道。西進口道為橋面路段，寬度有限，因此僅有一條直左右合用車道。東進口道由內而外依次為直左車道、直右車道。各個進出口道均采用雙黃線進行分隔。其中除了南邊路段，其他三個方向的路段均有設置人行橫道。在南、北、東三個方向上設有非機動車道。該處交叉口具體狀況如圖1所示。

1.2??? 路段車速測試

車速測試可以反映出對應路段車速分布情況[11]，此外也能間接體現該處交叉口的車輛通行狀況，通過對南李路文祥街交叉口南北方向總長為300 m的路段進行早高峰時間段車速測試，得出在測試時段內經過該處交叉口的車輛速度分布態勢，具體的車輛速度頻率分布情況如圖2所示。

由圖2可以看出，該路段的車速總體呈現正態分布，且均低于道路限速值60 km/h，車速頻率峰值出現在38.5 km/h，且主要集中在40 km/h左右，這表明該路段處于較擁堵狀態，而且根據現場觀察可知，該路段上車輛頻繁出現走走停停的現象，通行狀況出現顯著擁堵，因此需對路段進行優化設計。

1.3??? 現狀信號配時

南李路文祥街交叉口的信號配時是兩相位控制方式，該處相位周期為116 s，第一相位為南北進口直行車輛及左轉車輛通行，綠燈時間為84 s。第二相位為東西進口直行車輛及左轉車輛通行，綠燈時間為26 s。相位之間間隔的黃燈時間為3 s。現狀相位配時如圖3所示。

1.4??? 交叉口流量數據

此次在南李路文祥街交叉口展開的交通流量統計由四名調查員組成，調查員均勻分布在四個進口道，對通過的車輛流向進行觀察并記錄實時轉向數據。本次現場調查時間為早上8：00～10：00，由于該時間段為早高峰時期，道路車流量較大，因此所測得的數據更具有代表性。考慮到高峰期的車流量難免受到外在因素的影響，存在著許多偶然性，所以此次交通量統計分幾天進行，最后將多次統計的結果取平均值[12]。作為早高峰時段小時交通量，以保證數據的準確性。與此同時，統計出通過該交叉口的各種車型占比，小汽車占據90%，貨車占據5%，公交車占據5%。南李路文祥街交叉口現狀交通流量如表1所示。

根據表1的交通流量等數據可以看出，南李路文祥街交叉口各個方向路段的通行能力充足，在滿足現有車輛通行的前提下，仍有很大冗余，然而，由于不合理的規劃，導致交通資源浪費，其中北進口和西進口的流量不及通行能力的一半，因此有待進一步優化。

1.5??? VISSIM現狀仿真

通過VISSIM仿真軟件對南李路文祥街交叉口交通情況進行仿真分析。首先，將先前調查的交通流量和信號配時等數據輸入軟件，然后設置交通控制模塊和交通流量模塊[13]。設置仿真時間為600 s，每300 s輸出一次結果，采用節點檢測的方法，得出交叉口各個進口道的車輛延誤和排隊長度[14]。仿真流程如圖4所示，仿真現狀如圖5所示，仿真現狀數據如表2所示。

從圖5、表2可以看出南李路文祥街交叉口南北方向的交通狀況比較擁堵，該方向路段在中國道路服務水平中處于三級道路水平，經過具體分析，可知有如下原因，第一，南進口存在左轉和掉頭車輛，但是卻未設置相應的車道標志。導致車輛混行現象嚴重。第二，信號配時設計的不科學，致使交叉口未能在相位周期內清空車輛，當第一相位南北車輛同時放行時，南北進口的左轉車輛會因避讓對向行駛的直行車輛而未能及時轉彎，導致后續車輛擁堵在交叉口，造成堵塞。第三，根據調查可知，該處交叉口并不是主要交通集散地，行人稀少，設計者卻在此設置了人行橫道，但又未設置相應的行人相位，致使行人過街安全性沒有保障，容易造成堵塞。本文以南李路文祥街交叉口南北方向為主要研究對象進行優化。

2??? 交叉口優化

2.1??? 車道功能劃分

原南進口道的車道數保持不變，將該處的車道標志依次更改，由內而外分別為直左車道、直行車道、右轉車道。與此同時，對道路寬度進行壓縮。新增一條南出口道。原北進口新增一條進口車道，將該處的車道標志依次更改，由內而外分別為左轉車道、直行車道、直右車道。將其車道寬度依次進行適當壓縮。將原南北方向的雙黃線改為隔離欄。東西進口道路旁設置行人讓行標志。取消北進口人行橫道，行人可選擇去上游的南李路武梁路交叉口或下游的南李路712研究所處過街。其他方向的道路保持現狀，原南李路南進口方向設置禁止掉頭標志，掉頭車輛可選擇去上游南李路武梁路交叉口掉頭。交叉口優化設計如圖6所示，橫斷面設計如圖7所示。

2.2??? 信號配時優化

信號燈的配時優化采用阿氏最佳周期長進行計算，該計算方法是在傳統的Webster方案配時的基礎上進行優化，使用平均停車次數和延誤時間作為評價配時的綜合指標。綜合指標P可以表示為：

P=d+K×h

式中，K的含義表示為停車補償系數。根據以往的研究可以發現，K取不同的值有不同的實際意義，K的取值為0.4時，可以使得汽車油耗最小；K的取值為0.2時，可以使得交叉口路段的運營開支最少；K的取值為-0.3時，可以使得交叉口路段的排隊車輛最少，此次優化設計目的是為了減少排隊長度，所以K值取-0.3，經過求導演算之后，優化后的最佳信號周期公式為：

C。=1.4+K×L+6/（1-Y）

首先，運用阿氏最佳信號周期長確定南李路文祥街交叉口優化周期，然后對各個相位的配時進行設計，將黃燈時間設置為3 s，最后，在周期時長內，將可用的有效綠燈時間在不同的相位之間進行合理分配，以此來實現相位和相序的優化。南李路文祥街交叉口的配時方案如表3所示。周期內的總有效綠燈時間：

Ge=C。-L

式中：? L 為周期總損失時間，s；C。為信號控制最佳周期長，s。

周期內各相位有效綠燈時間

gei=Gemax （yi1，yi2，…）Y

式中：gei為第i相位有效綠燈時間，s；Ge為總有效綠燈時間，s；Y為組成周期的全部相位最大流量比之和。

周期內各相位實際顯示綠燈時間

Gi=gei-Ai+ls

式中：?? Gi為第i相位實際顯示綠燈時間，s；ls為第i相位啟動損失時間，s；Ai為黃燈時間，s。

南李路文祥街路口優化后為三相位方案，周期為106 s。第一相位為南進口直行、左轉車輛及北進口直行車輛通行，綠燈時間為65 s。第二相位為北進口左轉車輛通行，綠燈時間為12 s。第三相位為東西進口直行及左轉車輛通行，綠燈時間為20 s，優化相位如圖8所示。

2.3??? VISSIM優化仿真

通過對南李路文祥街交叉口進行優化設計之后，使用VISSIM軟件對其進行仿真模擬，重新調整交通控制模塊和交通流量模塊，繼續采用節點模擬進行仿真，得到優化過后的車輛延誤和排隊長度，優化后的仿真圖如圖9所示。南李路文祥街交叉口優化后仿真數據如表4所示，交叉口優化前后的對比數據如圖10、圖11所示。

3??? 優化方案分析

通過對南李路文祥街交叉口優化前后的仿真數據進行對比，可以觀察到該交叉口經過優化后，原先交通最擁堵的南北方向各個進口道的排隊長度和車輛延誤均有明顯的減少。北進口左轉方向的排隊長度從42 m降至7 m，改善度為83%，直行方向的排隊長度從59 m降至20 m，改善度為66%。南進口左轉方向的排隊長度從66 m降至38 m，改善度為42%，直行方向的排隊長度從78 m降至42 m，改善度為46%。南北進口左轉、直行方向的車輛延誤同樣也得到了減少。與此同時，東進口左轉、直行、右轉方向的車輛延誤分別增加了11%、47%、50%，不過由于這幾個車道交通狀況良好，所以總體影響甚微，優化過后，南李路文祥街交叉口整體的道路服務水平也由三級提升為二級，該處的交通情況也得到了明顯改善。

4??? 結論

針對武漢市洪山區南李路文祥街交叉口高峰時間段出現的交通擁堵現象，本研究通過現場調查結合VISSIM仿真的方式，分析了該交叉口現存的問題，隨后，對該交叉口進行車道功能劃分和信號配時優化，將其優化前后的排隊長度和車輛延誤進行對比、分析。結果表明，關鍵車道上的兩項指標的數值均有明顯的減小，證實了此交叉口的設計優化是可行的，能夠緩解此處的交通擁堵，有助于提高車輛通行效率和道路交通服務水平。

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Research on Mixed Intersection Optimizationbased on VISSIM Simulation

CHEN Houting， LI Hao， ZHANG Maixuan， GUO Yahong， KOU Qianwen， ZHANG Yueyang

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ. of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract：In order to effectively solve the congestion problem of mixed intersections， improve their traffic efficiency， and better the congestion status of urban road network， this paper takes the mixed traffic flow intersection of Nanli Road Wenxiang Street in Hongshan District， Wuhan City as an example to carry out optimization research， collects the traffic flow and signal timing data during peak hours through on site investigation. This study uses VISSIM software to establish a microscopic road model， and simulates to obtain vehicle delays and queue lengths. In addition， this study also analyzes the factors affecting intersection congestion， optimizes the lane function division and signal timing， and finally compares the traffic conditions before and after the simulation， and finds that the optimized vehicle delay and queuing length have been greatly reduced， and the traffic operation status has been significantly improved， thus verifying the scientific and rationality of the optimization scheme.

Keywords：signal timing; VISSIM；vehicle delay; queue length

［責任編校： 裴琴］