基于VISSIM仿真的信号交叉口优化方法研究

周志浩，葛 欢

（嘉兴市规划设计研究院有限公司，浙江 嘉兴 314050）

0 引言

随着计算机技术的高速发展，交通仿真技术越来越多地应用于交通问题的分析[1-2]。通过交通仿真软件系统能够分析诸如车道特性、交通组成、交通信号灯等约束条件下交通运行情况，不仅能够对交通基础设施实时运行情况进行交通模拟，而且还可以以文件的形式输出各种交通评价参数，如交叉口排队长度、平均延误等[3-4]。

在进行交叉口信号配时研究时，大多采用传统的F·韦伯斯特-B·柯布理论[5]，该理论方法只考虑车辆的延误作为配时研究的唯一衡量指标，较为片面。本文针对韦伯斯特方法的不足，对该方法做一些必要的改进，提出改进的交叉口信号配时优化模型，并采用微观仿真软件VISSIM对优化结果进行评价，以检验方法的优化效果。

1 交叉口优化方法

1.1 信号优化模型

传统韦伯斯特法配时只考虑了车辆延误指标，在该方法基础上提出基于车辆延误和停车次数的信号配时方法，以车辆总延误和总停车次数为效益函数来构造模型，其中各相位有效绿灯时间按照各相位流量比进行分配。

1.1.1 延误计算

延误d的计算公式取自美国《道路通行能力手册》中，其适用于交叉口饱和度在0.6～1.2范围，具体形式如下：

式中：c——周期；

λ——绿信比；

x——饱和度，且x=q/λs；

s——饱和流量。

1.1.2 停车率计算

停车率h是指最少停车一次的车辆数与通过交叉口的车辆总数的比率[6]，其公式如下：

式中，各参数含义同上。

1.1.3 模型构造

优化模型构造如下：

式中：l——交叉口的损失时间；

cmin——最小周期长；

cmax——最大周期长；

γ——交叉口两个指标之间的加权系数，它随着流量的不同可以取不同的值。

在模型应用时，利用编程计算，并假定周期为最小周期长，以2s为步长向上搜索，使效益函数最小的周期达到最大为止。

1.2 交叉口优化步骤

将信号优化模型和VISSIM仿真结合起来，对交叉口进行优化将会使优化结果更直观。信号交叉口优化的具体步骤如下：

Step1：通过建立的信号优化模型，对交叉口进行信号优化；

Step2：查看优化的结果，并与优化前的状况进行比较；比较的参数可以有很多，本文主要从各信号的饱和度、交叉口延误方面进行比较；如果优化结果比较满意，则转到Step5，否则继续下一步；

Step3：对信号优化后的结果进行VISSIM仿真，找出交叉口存在的问题，提出工程渠化的方法；

Step4：根据工程渠化后的交叉口，重复Step1，直到优化结果满意为止；

Step5：对最后得出的交叉口优化结果进行VISSIM仿真，衡量优化结果。

2 优化方法应用

以嘉兴市中环南路—城南路信号交叉口为例，在对其现状分析的基础上，应用本文建立的信号优化模型进行信号优化设计。根据现状调查，环城南路—城南路交叉口如图1所示。

图1 交叉口现状

对中环南路—城南路交叉口现状进行渠化，四个方向均为“四进三出”形式，现状配时如表1所示。

表1 中环南路—城南路交叉口现状配时表

对该交叉口现状进行VISSIM建模仿真，输入现状调查得到的晚高峰时段该交叉口流量，该交叉口现状基本参数如表2所示。

表2 交叉口现状数据

由表2可知，第一相位的相位饱和度已经接近于1，处于饱和状态；第二相位的相位饱和度已经超过了1.0，处于过饱和状态，这说明该信号交叉口目前的交通设计已经不能满足当前的交通需求。通过仿真发现现状该交叉口服务水平为E级，东西方向延误较大，交叉口拥堵严重，因此需要对其进行改善和优化，以缓解交叉口拥堵问题。

2.1 信号配时优化

应用建立的信号优化模型对中环南路—城南路交叉口进行信号优化，假定加权系数γ=0.5，损失时间为12s，最小周期长为70s，最大周期长为180s，编程计算得表3。

表3 初步优化后的结果

从表3可以看出，第二相位的相位饱和度有了一定程度的下降，但是第一相位的相位饱和度仍然很高，超过了0.9，这说明仅仅从信号配时优化上已经不能很好的改善该交叉口的通行效率以及性能，进而需结合交口的渠化改造，从空间和时间两方面同时优化，以求达到交叉口性能最优化。

2.2 时空交通优化

根据现场调查的结果、对流量流向的分析比较，以及通过对交叉口的VISSIM仿真分析，发现现状交叉口存在以下问题：

a）东、西进口的平均排队延误较大，东西方向为该交叉口交通主流向，需对东西进口进一步做渠化优化处理，同时调整信号配时；

b）东西进口道的左转车辆较多，该左转相位的延误最大，需改进该相位配时设置；

c）南北进口的转向流量较大，需结合进口道车道设置，改进信号配时。

针对上述问题，根据交叉口流量情况，笔者提出了中环南路—城南路交叉口交通渠化优化措施（交叉口流量及渠化设计如图2所示），将中环南路方向进口道拓宽为“五进三出”，车道划分为三条直行车道，左转和右转车道各一条；城南路进口道保持原有形式不变。结合以上渠化措施，应用建立的信号优化模型，得到信号配时如表4所示。

图2 交叉口流量及渠化设计

表4 结合渠化后信号配时优化

通过模型优化，该交叉口的信号周期时长缩短至90s，四个相位的相位饱和度都有所下降，第一相位的相位饱和度由原来的0.95降至0.87，第二相位的相位饱和度降至0.62，交叉口平均延误时间也有一定下降。

3 VISSIM仿真评价

利用交叉口的各种数据，通过VISSIM对交叉口的状况进行计算机仿真，并选取进口排队延误、排队长度、服务水平等作为评价指标。

各指标含义如下：

a）排队长度 车辆排队等待通过交叉口时的队伍长度，以“辆”计；模拟时，当汽车行驶速度低于1km/h时，认为排队开始，当汽车速度回升超过3km/h时，认为排队结束；

b）进口排队延误 延误是指由于道路和环境条件、交通干扰以及交通管理与控制等驾驶员无法控制的因素所引起的行程时间损失，以“s/辆”计；进口处排队延误是指车辆在进口处排队等待通过交叉口时所损失的时间；

c）服务水平 根据各进口道的排队延误值，对应的各级服务水平，能够较为直观的反应交叉口的运行状况。

对中环南路—城南路交叉口优化前后进行仿真对比，各进口道指标对比结果如表5所示。

表5 交叉口优化前后对比表

从上表中对比结果可知，在采用优化改善方案后，交叉口各进口道的平均排队长度有较大程度的减少，在交通量较大的东西进口，平均排队相比于改进前缩短了50%，大大提高了交叉口的通过效率。平均排队延误同样减少显著，交叉口平均延误由原来的58s，降低为40s，延误时间减少了31%，交叉口服务水平由E级变为D级。这说明通过优化方法改进后，交叉口的性能有较大程度的改善。

4 结语

本文提出了应用VISSIM仿真软件与信号配时相结合的信号交叉口优化方法，将该优化方法应用于嘉兴市中环南路—城南路交叉口优化实例中，并对优化结果进行了VISSIM仿真评价。评价结果表明：采用本文提出的方法进行交叉口优化，效果显著，平均排队长度、平均延误指标下降明显。本方法能够很好的从时间和空间两方面改善交叉口的性能，为交叉口的优化提供参考。

[1]杨佩昆，吴兵.交通管理与控制[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]毛保华，杨肇夏，陈海波.道路交通仿真技术与系统研究[J].北方交通大学学报，2002，26（5）：37-46.

[3]邓文，彭愚.基于信号优化与VISSIM仿真的交叉口优化方法研究[J].交通标准化，2007,（2/3）：161-164.

[4]张卫华，陆化普，石琴，刘强.公交优先的信号交叉口配时优化方法[J].交通运输工程学报，2004,4（3）：49-53.

[5]李建新，毛保华.混合交通环境下有信号平面交叉口通行能力研究[J].交通运输系统工程与信息，2001，1（2）：122-123.

[6]饭田恭敬.交通工程学[M].邵春福，杨海，史其信，等，译.北京:人民交通出版社，1994.