城市信控交叉口优化方法仿真研究

关雅丽，刘小勇

（新疆农业大学 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐830052）

信号控制是调节城市交通流的重要手段。城市交通形成拥堵的一项重要因素是受交叉口信号的阻滞。交叉口以不同颜色信号来控制交通流，一方面给予不同方向有序的通行权，另一方面却又阻断了交叉口交通流连续的运行。因此，如何合理、有效地组织好单点交叉口的交通运行，给城市交通管理与控制带来方便，已成为重要的研究课题。

为更好地解决城市道路拥堵问题，合理设计交叉口信号周期时长，优化信号配时方案是关键。传统的信号周期时长优化方法有国外的TRRL法、ARRB法、HCM法以及由杨佩昆教授提出冲突点法。其中TRRL法和ARRB法都是对Webster法的进一步修正与改进方法，具有形式简单、所需参数较少及精度高等优点。HCM法中交通流的到达为均匀到达，模型在设计交通量的基础上寻求最佳信号周期时长并建立模型，而杨佩昆教授提出的冲突点法则是分析两相位交叉口中对向两股车流存在冲突点，并以此建立周期时长优化模型，其公式较为繁琐，参数的设置相对较难。本文以最小车辆延误为目标，采用经典的Webster配时模型对交叉口信号配时进行优化分析。

1 信控交叉口Webster配时及排队模型

1.1 信控交叉口Webster配时模型

Webster配时模型是交通控制理论中计算信号配时参数的经典方法之一，模型以求得最小车辆延误时为目标来计算信号配时。其主要步骤如下

根据韦伯斯特法计算最佳周期长度

式中:L为交叉口总损失时间；Y为各相临界车道交通流量比之和；C0为最佳周期长度。

各相临界车道交通流量比之和，就是相位流量比之和，算式如下

式中:yi为各相位的流量比。

当算得最大流量比Y＜0.9时，计算各相位绿信比及配时，此时需满足最小绿灯时间大于行人安全过街时间，如不满足，则适当扩大信号周期。最小绿灯时间计算式为

式中:Lr为行人过街长度；Vr为行人步速；I为绿灯间隔时间；gmin为最小绿灯时间。

1.2 信控交叉口排队长度模型

车流通过信号交叉口遇到红灯时，车辆便逐渐开始在停车线形成排队。直到绿灯启亮，车辆起动并通过停车线，排队才开始消散，但这时由于队尾车辆还未开始移动，后续到达的车辆依然会在队尾处停车，排队队尾的位置以停车波速Vp不断的向后传播，直到队尾消散为止，此时队尾的位置称为排队最远点。当交叉口绿灯启亮时，产生启动波S1以起动波速Vs追赶停车波S2，在起动波追上停车波之前，排队队尾的位置即是停车波的位置，S1和S2重合的时刻就是排队消散的时刻，也是排队队尾达到最远点的时刻，如图1所示。

图1 车流运行示意图

设从红灯启亮时刻开始，排队消散时间为T，于是有

式中:vp为停车波波速；vs为起动波波速；tr为红灯时长。

求解可得排队消散时间为

分析可知，T＜C若，则排队车辆在一个信号周期内可以完全消散；否则车队在一个周期内将无法完全消散。设排队最远点距停车线的距离为Ld，排队的车辆以v2通过交叉口，则在一个周期内处于排队最尾部的车辆通过交叉口所需要的为Td＝Ld∶v2，若Td＜T－tr则排队车辆在一个周期内可以完全通过交叉口，否则排队的车辆将在交叉口形成二次排队。

排队最远点位置为

式（5）中停车波波速vp根据具体的交通环境而定，当上游通行的车流密度较低时，采用格林希尔治停车波，当上游同行的车流密度较高时，采用格林伯格停车波。由于起动波的波振面前后密度都较大，因此启动波采用格林伯格启动波模型。进一步分析可知，车辆起动后以饱和流率通过停车线，因此，可以认为车辆从停车起动到通过停车线这段时间以最佳密度和最佳速度行驶，则起动波下游车流密度km＝k1，根据格林伯格启动波模型可以得出起动波速其实是一个定值。

2 VISSIM仿真流程

VISSIM是由德国PTV公司开发的微观交通流仿真系统，主要以单个车辆为基本单位，以时间步长为0.1s的作为仿真条件。车辆的纵向运动采用了“心理－生理跟车模型”；横向运动采用了基于规则（Rule－based）的算法。其仿真流程为:

1）确定仿真对象，绘制选择对象底图；

2）导入绘制底图，在底图的基础上按实际比例绘制仿真路口；

3）建立路网，并根据交叉口进口道车流创建路径决策、设置信号配时；

4）输入交通构成。其中交通构成包括进口道不通车辆类型比例及速度；

5）设立路段检测器，以此获得进行仿真的的评价数据；

6）输出并分析仿真结果。

3 实例分析

3.1 交叉口交通特性调查

本文以乌鲁木齐市新市区友好北路—新医路交叉口为例，于2014年11月20日19:00—20:00对友好北路－新医路交叉口进行交叉口平面布局、信号配时方案及各进口道方向进行了交通特性调查，获得高峰小时调查结果如图2、表1和表2所示。

1）友好北路—新医路交叉口平面布局

图2 友好北路—新医路交叉口平面布局

2）交叉口信号相位配时，如表1所示。

表1 友好北路—新医路现状信号配时

3）交叉口流量流向调查，如表2所示。

表2 友好北路与新医路交叉口流量流向表

3.2 仿真分析

为比较分析信控交叉口方案的优劣性，总结更为适合的信号控制方案，本文选用VISSIM对信控交叉口方案进行仿真分析。根据友好北路—新医路西交叉口平面布局及其交通组织，按照仿真步骤，输入现状高峰时段交通参数，建立仿真模型，如图3所示。

图3 VISSIM仿真模型示意图

通过现场调查结果，现状友好北路—新医路各进口道已实施路口拓宽，并设置了相应的路口渠化，并对该交叉口现状信号配时进行优化。根据Webster配时模型计算，得优化后的信号配时如表3所示。

表3 信号配时优化方案

同时为比较分析信号交叉口控制方案的优劣，笔者选用交叉口进口道车辆的排队长度进行评价，具体仿真结果如表4所示。

表4 现行方案与优化方案评价指标比对表

4 结束语

本文对交叉口进行配时优化，利用VISSIM软件进行仿真分析，并应用于乌鲁木齐市友好北路—新医路交叉口信控交叉口，提出改进信号控制方案并对结果进行仿真评价。通过仿真对比优化前后各进口道平均排队长度与最大排队长度，优化方案交叉口平均排队长度和最大排队长度较优化前分别降低10.39%、9.20%，其中较为明显的是东西进口平均排队长度较优化前分别降低17.65%、23.68%，但从各进口道的最大排队长度看来，除去东进口道排队长度较优化前降低40.2%，其他进口道排队长度变化不为明显，特别是西进口排队长度几乎保持不变，因此，若实行优化方案还需要配合相应的交通管理措施来改善整个交叉口的服务水平，减少了车辆在交叉口的停留时间，提升交叉口性能。

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