基于Synchro与VISSIM混合仿真的单点交叉口信号配时优化方法研究

顾佳磊，韩 印，姚 佼

(上海理工大学 管理学院，上海 200093)

交通仿真是随着计算技术的进步而逐步发展出来的，是计算机系统仿真技术在交通工程、交通管理等领域里的一个重要应用，是有效辅助分析预测交通堵塞地段和原因的重要工具及技术手段[1]，具有经济性、安全性、可重复性、易用性、可控制性、快速真实性及可拓展性等优点；比较经典的交通仿真软件有微观仿真软件VISSIM、Synchro、Paramics、TransModeler、TSIS及宏观交通规划软件CUBE、TransCAD、EMME和VISUM等。

通过对交叉口平面布局、交通流量及信号配时的调查[2]，并辅以交通仿真技术，对车道渠化、信号配时等进行优化，是提高城市交叉口运行效率、降低交叉口车辆延误[3]、提升交叉口安全水平[4]的重要工程技术手段。本文首先对微观交通仿真软件中的Synchro与VISSIM软件进行详细阐述，重点介绍Synchro中的信号配时优化模块。选取上海市某单点交叉口，调查其车道布局、高峰小时交通量及相应信号配时等基础数据，在此基础上，针对无法利用VISSIM仿真软件对原有交叉口交通信号配时进行优化的缺点，提出一种基于Synchro与VISSIM混合仿真的单点交叉口信号配时优化及评价方法，首先利用Synchro中的信号配时优化模块对原交叉口信号配时进行优化，再利用VISSIM软件模拟信号配时优化前后的交通情况，输出两者的交通评价指标，对比分析以此验证本文提出方法的可行性与实用性。

1 Synchro软件简介

Synchro交通信号协调及配时设计软件是美国Trafficware公司根据美国交通运输部道路通行能力手册(Highway Capacity Manual，HCM)规范研发的，目前最新版本为8.0版本。作者先使用Synchro 8对原交叉口信号配时进行优化，然后在VISSIM软件中对信号配时优化前后的交通控制方案进行仿真评价，故对Synchro 8中的信号配时优化模型、排队长度计算模型、车辆延误计算模型及停车次数计算模型等作详细阐述。

1.1 Synchro中信号配时优化基本流程图

Synchro的信号配时优化模型含有众多的信号优化功能，其优化基本思想如图1所示[5]。

图1 Synchro信号配时优化基本流程

1.2 Synchro信号配时优化计算模型

在单点交叉口信号配时方案设计中，周期时长和相位时间是其最主要的两个设计参数。在Synchro中，信号配时优化模块首先会分析各信号相位提供的绿灯时长是否满足90%的车道组流量。如果没有足够长的周期达到此目的，则分析是否能满足70%的车道组流量和50%的车道组流量。优化周期的方法是Synchro在最短周期的基础上优化信号相位时间。如果能满足一定的百分比车道组流量(如90%或70%的车道组流量)，则采用该周期时长，否则增大信号周期。

在上述过程中，需要计算综合性能指标(Performance Index，PI)，如果没有满足各百分比车道组流量的信号周期，则采用性能指标PI最优的信号周期长度。性能指标PI的计算公式为：

(1)

式中：PI为综合性能指标；D为百分比信号延误；St为车辆停车次数；Q为排队长度。

1.3 车辆延误计算模型

在Synchro软件中，除使用传统的道路通行能力手册(HCM)中的韦伯斯特(Webster)延误计算模型外，还提出了一种百分比延误计算方法(Percentile Delay Method，PDM)，其计算过程如下所示[6]。

(1)计算某一百分比车道组流量情形下每周期延误：

(2)

式中：VDp为百分比p∈{10，30，50，70，90}情形下的周期车辆延误时间，s；vp为情形p时的车流量，pcu/h；s为饱和流率，veh/h；R为红灯时间，s。

(2)计算某一百分比车道组流量情形下每车延误：

(3)

(3)计算某一百分比车道组流量情形下的调整车流量的方法为：

(4)

式中：v为车流量；zp则按照各百分比取值见表1。

表1 zp取值表

(4)交叉口平均百分比信号延误的基本延误，计算公式为：

(5)

1.4 排队长度计算模型

Synchro中排队长度的计算公式为：

(6)

式中：V为实际交通流量；S为饱和交通流量；L为车头间距，m/veh；n为某车道组中的车道数；fLU为车道利用系数，fLU=vg/(vgmax·n)，vg为车道组中某条车道的实际流量，vgmax为n条车道中的实际最大流量。

1.5 停车次数计算模型

Synchro中停车次数的计算类似于停车延误的计算，其主要通过统计车辆延误来计算停车车辆数，且在Synchro中车辆延误时间小于10 s不作一次完整停车，对于延误小于10 s的车辆来说，根据表2作相应调整。

表2 停车次数调整表

2 VISSIM软件简介

VISSIM微观交通仿真软件是德国PTV公司推出的一款离散的、微观的、基于以10-1s时间间隔和驾驶行为(跟车模型和车道变换模型等)的微观交通仿真建模软件，是评价交通工程设计方案的有力工具[7]。其最新版本VISSIM 6.0已于2013年7月底发布。

VISSIM软件中的车辆跟驰及换道模型是以德国著名学者Wiedemann先后发表的论著为理论基础的。Wiedemann模型有两种，分别为Wiedemann 74模型和Wiedemann 99模型，其基本思想是可以把车辆行驶状态分为4种类型，即自由驾驶(free driving)、接近(approaching)、跟随(following)及刹车(braking)[8]。

对于城市内部交通来说，选用Wiedemann 74模型对道路交通流进行模拟，其主要参数包括：

(1)平均停车间距(ax)：停止车辆之间的期望平均停车距离。

(2)期望安全间距的附加部分(bx_add)和期望安全间距的倍数部分(bx_mult)。

两车之间的距离d可以用以下公式计算：

d=ax+bx

(7)

(8)

式中：v′是车辆行驶速度，m/s；z∈[0,1]，是以0.15为标准差、以0.5为均值的标准正态分布；ax、bx_add及bx_mult在VISSIM中的默认值分别为2、2及3。

3 仿真案例

3.1 交叉口基础数据调查

选取上海市杨浦区国定东路翔殷路交叉口作为Synchro与VISSIM混合仿真的案例，并于一工作日早高峰对其交叉口交通流量及信号配时进行基础数据调查。图2、表3及表4分别为其几何平面图、早高峰小时交通流量及现状信号配时。

图2 国定东路翔殷路交叉口几何平面图

表3 早高峰小时交通流量(pch/h)

表4 交叉口现状信号配时

3.2 Synchro信号配时优化

由于VISSIM并无对交叉口现状信号配时进行优化的功能，故在Synchro中对表4中的信号配时先进行优化，然后利用VISSIM对优化前后的信号控制方案进行仿真评价、对比分析。

在Synchro中绘制国定东路翔殷路交叉口，并输入各进口道的车流量及设置现状信号配时方案，如图3所示。

在现状信号配时方案的基础上，利用Synchro中的“Optimize Cycle Length”及“Optimize Splits”优化功能，对现状信号配时方案进行配时优化，得到见表5中的信号配时优化方案。

图3 国定东路翔殷路交叉口Synchro仿真

表5 交叉口交通信号配时优化方案

3.3 交叉口VISSIM仿真及对比分析

选取最大排队长度、平均排队长度、车均延误时间及平均停车次数作为仿真评价指标，利用VISSIM仿真软件对表4及表5中的优化前后的固定信号配时方案进行仿真评价，对比分析，得到见表6中的比较结果。

利用VISSIM仿真，对比分析，可以看到通过Synchro软件对现状交叉口交通信号配时方案进行优化后，交叉口各进口道及整个交叉口的评价指标都得到了较大的改善(除个别进口道外)；就整个交叉口而言，优化信号配时方案下的最大排队长度、平均排队长度、车均延误时间及平均停车次数相较于原信号配时方案下的各评价指标分别下降了26.4%、12.9%、11.7%及8.6%，交叉口整体运行效率得到了大幅度地提升。

通过以上分析及仿真案例，可见利用Synchro软件先对信号配时方案进行优化，再对其通过VISSIM软件仿真评价，能较大程度地提高交叉口运行效率，可见本文所提出的方法具有较好的工程实用性与推广意义。

表6 交叉口信号配时方案仿真比较分析

4 结束语

在城市道路交叉口设计中，与交叉口交通条件和道路条件等相匹配的交通信号控制方案是提高交叉口通行能力、提升交叉口服务水平、保障交叉口机动车、非机动车及行人等安全的重要技术手段。

本文针对无法利用VISSIM软件对原交叉口交通信号配时进行优化的缺点，选取上海市某道路交叉口，先利用Synchro中的信号配时优化模块对交叉口信号配时进行优化，然后再对交叉口进行交通仿真评价。仿真结果表明，本文所提出的基于Synchro与VISSIM混合仿真的方法能较大程度地提升交叉口整体运行效率，可见此方法具有较好的工程实用性，特别对于未安装区域信号协调控制系统的中小城市而言更具推广意义。

【参 考 文 献】

[1]邹智军.新一代交通仿真技术综述[J].系统仿真学报，2010，22(9)：2037-2042.

[2]姜 利，贺文彪.典型四相位平面交叉口交通调查分析与服务水平评估[J].森林工程，2013，29(1)：75-77，89.

[3]程宇航，王 俭.基于自修正隶属函数的交叉口模糊控制[J].森林工程，2013，29(2)：110-114.

[4]颜桃为，马健霄，马 亮.信号交叉口安全评价体系研究[J].森林工程，2010，26(1)：49-52.

[5]Trafficware，Ltd.Synchro studio 8 user guide[M].USA：Trafficware，2011.

[6]孙 超，徐建闽.基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究[J].公路交通科技，2009，26(11)：117-122.

[7]魏 明，杨方廷，曹正清.交通仿真的发展及研究现状[J].系统仿真学报，2003，15(8)：1179-1183，1187.

[8]PTV vision.VISSIM 5.40 User Manual[M].Germany：Planung Transport Verkehr AG，2011.