基于VISSIM 仿真的信号交叉口优化研究

傅白白，仇锦

(1.山东建筑大学交通研究所，山东 济南 250101;2.山东建筑大学建筑城规学院，山东 济南250101;3.山东建筑大学交通工程学院，山东 济南250101))

二十世纪六十年代以来，国内外研究者在微观交通仿真领域的研究取得了一定的成果，相继开发出一些微观交通仿真软件，如:美国McTrans 公司开发的TSIS/CORSIM，美国The Traffic Group，Inc.开发的Synchro/SimTraffic，德国PTV 公司开发的VISSIM，西班牙TSS 公司开发的AIMSUN NG，美国麻省理工研发的MITSIMLab，美国Caliper 公司开发的Trans Modeler，东南大学研发的TranStar［1］等。

以上几种微观交通仿真系统各具特色，如Synchro/SimTraffic 优势在于对交叉口仿真性能强大，但当路网规模较大时，仿真效果相对于其他软件较差;TSIS/CORSIM 对大规模路网仿真效果较好;VISSIM 和AIMSUN NG 在交叉口及大规模路网仿真中得到了很好的应用;MITSIMLab 具有合理的模型结构，适用于交通流疏导和交通分配评价;Trans Modeler 利用TSIS/CORSIM 的优势，增加了公交运输模型，具有较高的微观仿真能力［1］。

与国外相比，国内在交通仿真方面的研究近年来发展较快。北京交通大学、同济大学、东南大学、交通部公路科学研究所等科研单位展开了对交通仿真的研究，并取得了一些成果。目前，国内在交通仿真领域研究的成果往往仅限于解决单一的问题，大多集中在对高速公路的研究，如高速公路基本路段通行能力的仿真研究、高速公路入口匝道范围的交通仿真、双车道公路通行能力仿真研究、优先控制T 型交叉口交通仿真等［2］。

VISSIM 是由德国PTV 公司开发的微观交通流仿真系统。该系统是一个离散、随机、以十分之一秒为时间步长的微观仿真软件，车辆的纵向运动采用了德国Karlsruhe 大学Wiedemann 教授的“心理-生理跟车模型”，横向运动(车道变换)采用了基于规则(Rule-based)的算法，不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型［3］。VISSIM 仿真软件相比于其它软件在微观仿真、交叉口仿真以及大规模路网仿真方面具有较高的效率。

交通运行是一个动态过程，VISSIM 能有效地体现这个过程，再现交通状况，降低现场调查的工作量，它作为解决城市交通拥堵问题的一个辅助工具，可用来检验拟设的交通设施，分析各种交通流，检验交通控制方案的合理性。目前，在我国一些城市如北京、上海、广州、武汉、哈尔滨等把陆续引进了VISSIM 系统，在高速公路、立交系统、城市道路、交叉口等的改善等方面取得了一定的成果［4］。

城市交通是一个开放、复杂的巨系统，交通网络是城市交通规划的重要组成部分。要解决好城市交通问题便要从完善整个交通网路着手［5］，城市发展与城市交通的发展密切相关。随着我国城镇化进程的快速发展，城市人口和机动车的不断增加，交通拥堵问题日益显著［6］。交叉口是城市道路系统中重要的组成部分，是城市路网中最常见、最普遍、最直接的交通拥堵发生源及交通事故多发点。采用先进的仿真系统，合理优化交叉口对提高道路通行能力、缓解交通拥堵以及减少交通事故起着至关重要的作用［7］。

本文对济南二环东路与山大北路交叉口进行实地调查并采集数据，通过仿真软件VISSIM 对交叉口现状进行仿真评价，并根据评价结果对信号交叉口进行配时调整和优化。

图1 二环东路-山大北路交叉口平面图Fig.1 2-D illustration of the intersection at Erhuan East and Shanda North Roads

1 现状仿真与分析

1.1 基本情况概述

济南二环东路是104 国道穿越市区的一部分，为济南市南北走向的一条主要交通干道，同时，二环东路是新老城区的中轴线，是新城与老城联系的“咽喉”。

二环东路与山大北路交叉口南北方向为双向十二车道，其中，一条BRT 专用车道，两条左转车道，两条直行车道，一条右转车道;东西方向为双向四车道，其中，一条直左车道，一条直右车道，无专用车道。尺寸如下:BRT 专用车道4.25 m;BRT 车站宽度6 m;机动车道3.0 m;路缘带南北方向2 m，东西方向1 m;二环东路东测非机动车道宽度5.5 m，其他非机动车道3 m;人行横道宽度6 m;该交叉口平面图如图1 所示。交叉口交通量数据信号配时参数见表1、表2 及表3。

表1 二环东路-山大北路交叉口机动车高峰小时交通量统计(单位:pcu/h)Table 1 Vehicle peak hour traffic statistics of the intersection at Erhuan East and Shanda North Roads (unit:pcu/h)

表2 二环东路-山大北路交叉口非机动车和行人高峰小时交通量统计Table 2 Non-moter vehicle and pedestrian peak hour traffic statistics of the intersections at Erhuan East and Shanda North Roads

表3 交通信号参数(单位:s)Table 3 Traffic signal parameters(unit:s)

1.2 现状仿真

本文通过底图导入、建立路网，交通流特征及行驶规则设置、车辆输入，信号控制交叉口设置等过程对交叉口进行仿真，仿真过程如图2 所示。

1.3 仿真结果分析

对二环东路与山大北路交叉口的仿真时间为3 600 s，根据仿真过程给出输出延误、排队长度，如图3所示。

将仿真得到的交叉口的延误时间与美国HCM 服务水平分类标准对比，得到该交叉口平均延误时间为72.7 s，超过了60 s，交叉口服务水平达到F，交叉口处于强制流状态，平均车速小于24 km/h，出现交通堵塞，出现交通量超过道路通行能力的状况［9］。

图2 二环东路-山大北路现状仿真过程Fig.2 Current simulation process for Erhuan East-Shanda North Roads

图3 各进口道延误和排队长度汇总表Fig.3 Delay and the queue length statistics table of every entry lane(unit:s)

由此可以得出如下结论:(1)二环东路南进口直行车道，二环东路北进口直行、左转车道，二环东路西进口直左车道的排队长度过大;(2)交叉口各方向交通延误严重;(3)北进口直行和左转延误大于南进口直行和左转延误;(4)南北方向延误相对于东西方向延误过大，交通处于稳定交通流范围内的较差部分，行车速度和驾驶自由度都受到很大约束限制，舒适和便利程度低下。由于二环东路与山大北路所处位置，不易对道路的几何线形进行更改，结合实际状况，剖析交叉口拥堵原因，采用控制策略有效地改善拥堵现状，降低延误，提高道路的通行能力和服务水平。

2 优化措施及仿真

2.1 优化措施

考虑到二环东路与山大北路所处的特殊地理位置几何线形不易进行更改的情况，我们从道路服务设施以及信号配时方面考虑，对本交叉口进行优化。

(1)道路服务设施

山大北路东进口直左车道延误和排队长度过大的原因是由于直行和左转在同一车道中相互冲突，考虑到东进口设有专门直行车道，故将东进口直左车道改为专用左转车道。

对二环东路与山大北路交叉口处安全岛，放弃传统的路面标识方式，采用凸起方式，便于各方向车流各行其道，减少随机冲突点及延误［10］。

完善道路路面标志标线，在山大北路西进口处设行人信号控制灯。

(2)信号配时

本文采用常用的Webster 信号配时计算方法，计算得出最佳周期时长为213 s，三个相位的有效绿灯时间分别为119 s、23 s、56 s，优化后的信号配时参数如表4 所示［11］。

表4 优化后的信号配时参数(单位:s)Table 4 Optimized signal scheduling parameters(unit:s)

2.2 二次仿真结果

根据优化措施，对二环东路与山大北路交叉口进行再次仿真，得到各进口车道优化前后延误时间和排队长度对比数据，见图4。

图4 各进口车道优化前后延误时间和排队长度对比Fig.4 Comparison of optimized and non-optimized delay and queue length for every entry lane

由对比结果知，优化后二环东路南北方向的延误有很大幅度的降低，排队长度下降。由于山大北路东进口将直左车道改为专用左转车道，使得左转、直行、右转各行其道，由结果可知，此进口道排队长度大大减少，延误下降。通过再次仿真与美国HCM 服务水平分类标准对比，整个交叉口的平均延误时间由原来的72.7 s 降低为54.1 s，降低了25.6%，交叉口服务水平由原来的F 提升到E。VISSIM 仿真验证了所采取措施的可行性［12］。

3 结语

交叉口是城市道路系统的重要组成部分，也是城市路网中的事故频发点，它阻滞了交通的流畅，降低了道路的通行能力。合理地对交叉口交通运行状况进行分析，找出拥挤堵塞的原因，正确地设计交叉口，合理地组织交通，能够提高交叉口的通行能力，从而增强整个城市路网的通行能力［7］。交通仿真提供了先进的模拟道路交通的手段，对交叉口的优化改造提供了指导作用，对缓解交通拥堵有着重大的意义。本文采用VISSIM 仿真软件，对实际交叉口进行仿真优化，并利用该软件将改善的措施进行仿真验证，是对信号交叉口配时优化的一种尝试，也为解决城市拥堵问题提供了一个新的思路。本文针对二环东路-山大北路交叉口进行研究，没有考虑到对相临交叉口以及相临路段的影响，这也将是下一步研究的重点。

［1］丁喆.基于VISSIM 的路网自动生成系统的研究［D］.北京:北京工业大学，2009.

［2］马建明.信号交叉口优化设计及其微观仿真研究［D］.北京:北京工业大学，2001.

［3］樊颖玮.城市交通微观仿真系统核心模块的分析与设计［D］.北京:北京交通大学，2006.

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［7］罗美清，隽志才.VISSIM 在交叉口交通设计与运行分析中的应用［J］.武汉理工大学学报，2003，28(2):232 -235.

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［10］隋亚刚，郭敏，吴建平.道路交通组织优化与仿真评价理论与方法［M］.北京:人民交通出版社，2009:6 -95.

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