基于VISSIM仿真的交叉口信号优化配时综合评价*

□ 张 诚，季文倩，谢 衍

(1.华东交通大学 交通运输与物流学院，江西 南昌 330013；2.高铁与区域发展研究中心，江西 南昌 330013 3.华东交通大学 信息工程学院，江西 南昌 330013)

交通堵塞的日益严重，不仅影响城市的正常运转，而且降低了人们的日常工作效率和生活质量[1]。交叉口是城市道路交通中重要的流向转折点，是城市道路网中通行能力的瓶颈，对交叉口采取合理的优化设计及信号配时是提高其通行能力、降低延误的重要手段[2]。我国大多数城市信号交叉口采用单点固定信号配时，然而由于城市格局的不断完善以及城市路网的更新，城市道路交通状况也在不断变化，导致原有的信号配时方案与现有的交通状况不匹配，产生交叉口的通行效率下降，延误增加，相应的交通污染加剧，燃油资源浪费等一系列问题。因此，基于城市交叉口的交通现状，优化城市信号交叉口配时方案，提高交叉口通行能力，对缓解当今城市交通拥堵问题具有重要的意义。

近年来，众多学者对城市信号交叉口优化问题做了大量的研究。在理论研究方面，曾昕等[3]基于可变车道,提出信号交叉口时空资源优化配置方法；赵盼明等[4]针对小区域交叉口群过饱和状态,提出了基于模糊控制的信号协调优化方案；赵靖等[5]为了提升连续流交叉口的通行能力,消除其主信号处左转非机动车与直行机动车的冲突,提出了一种左转非机动车优化设计方法；蒋贤才等[6]为了改善不对称交通流导致信号交叉口进口道交通负荷分布不均、通行效率低下的问题,建立了空间动态车道分配与信号配时相结合的优化模型。

虽然交叉口优化问题在理论研究方面取得了丰富的成果，但是当今大多数城市常规单点信号控制交叉口的配时方法主要是基于英国的TRRL法(也称Webster法)、澳大利亚的ARRB法、美国的HCM法以及我国现有配时方法，并结合我国城市交通特点而确定[7]。众多学者在此基础上优化了国内一些单点定时信号控制交叉口的配时方案，并取得了显著的效益，刘宜恩等[8]优化了广州市天河区天河北路和体育西路交叉口，并以车均延误、平均排队长度、停车时间为评价指标，对信号配时优化前后进行评价；范东凯等[9]优化了淄博市张店区世纪路与人民西路十字交叉口，从交叉口渠化、信号配时等角度提出改善方案，应用VISSIM软件对改善方案进行仿真和分析，逐步得到最好的效果；苏春敏等[10]优化了福州市马尾区罗星西路与青州路十字信号控制交叉口，并将信号管制下交叉口范围内的碳排放作为评价指标进行分析。

城市信号交叉口优化问题在实践的研究中成果颇丰，学者们在优化单点定时信号控制交叉口的配时方案时，却鲜有学者对信号配时优化前后的仿真结果做出系统的对比分析。本文以焦作市塔南路与工业路交叉口为例，基于现状交叉口的交通量数据，在总结前人设计优化信号配时方案的基础上，阐述了优化信号配时的设计过程，并通过VISSIM9.0仿真平台，从交叉口交通效率及尾气排放量两方面的评价参数对信号配时优化前后的仿真结果进行综合评价。

1 交叉口现状

焦作市塔南路与工业路交叉口位于焦作市新城区与老城区连接处，为一规则的平面十字形交叉口。该交叉口高峰时段为定时信号配时，信号周期为160s。第一相位为南进口、北进口方向左转车流通行，通行时间为23秒；第二相位为东进口、西进口直行和右转车流通行，通行时间为31秒；第三相位为北进口、南进口直行和右转车流通行，通行时间为78秒；第四相位为东进口、西进口左转车流通行，通行时间为28秒。该交叉口相交的两条道路是城市主干道和次干道。塔南路为

图1 交叉口位置图

南北走向的城市主干道，一块板形式，双向4车道，进口道拓宽一条车道共3条车道，出口道共两条车道；工业路为东西走向的城市次干道，一块板形式，双向4车道，进口道拓宽一条车道共3条车道，出口道共两条车道。周边分布着钢铁厂、远大未来城，向北直通焦煤集团综合楼，向南途经丹尼斯和太极广场。由于此交叉口贯穿南北交通要塞，交通量较大，高峰时段的交通状况复杂，交通秩序混乱。本文所研究的交叉口位置如图1所示，交叉口渠化现状如图4所示。

根据文献[8]的交通量调查方法，对塔南路与工业路交叉口进行交通量调查，调查晚高峰期间的交通量，调查时间为17∶30-18∶30。调查期间，在交叉口附近小区的楼道里对交叉口进行录像拍摄，时间为1小时，分三次拍摄，每次20分钟。摄像结束后，对视频内的车流量进行整理，每个进口道分左转、直行、右转三个流向进行统计；同时，将车型分为小、中、大、非机动车四种车型进行统计并统一折算为标准车辆数。通过以上数据的整理与统计得到如下图2所示的塔南路与工业路交叉口高峰小时交通量。

图2 交叉口高峰小时交通量

由上图2可以看出，该交叉口的南、北进口道直行和右转车流量较大，占该交叉口总交通量的74.4%；各进口道左转车流量较小，总体左转交通量仅占比为8.69%；东西进口的直行和右转交通量占总交通量的16.9%，仅为南、北进口的直行和右转车流量的22.7%。

2 交叉口信号配时优化

本文基于大量的实测数据，根据文献[7]中信号交叉口配时模型的理论方法，设计焦作市塔南路与工业路信号交叉口的优化配时方案。饱和流量随交叉口的几何因素，渠化方式以及各流向交通冲突等情况而异，因此采用实测数据。依据饱和流量实测数据的计算方法，饱和流量为：

式中：Si为第i条车道的饱和流量，pcu/h；hi为第条进口道的排队车辆第4辆车以后的车头时距，(一般去掉最大值和最小值)；ni为第i条车道车头时距数据个数。

根据调查数据，统计处理得到交叉口各条进口道的饱和流量及流量比如下表1所示。

表1 交叉口各条进口道饱和流量和流量比

周期时长是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数，所以是信号配时的主要设计对象。周期时长按如下方法计算：

式中：C0为交叉口信号周期；L为信号总损失时间；Y为组成周期的各个信号相位最大流量比之和，一般Y<0.92；Ls为起动损失时间，取3s；A为黄灯时长，可定为3s；I为绿灯间隔时间，当绿灯间隔时间I<3s时，配以黄灯时间3s；I>3s时，其中3s配以黄灯，其余时间配以红灯；k为一周期内的绿灯间隔数(本信号交叉口k=3)；z为停车线到突点的距离；va为车辆在进口道上的行驶车速；ts为车辆制动时间。

本交叉口车辆在进口道上的行驶速度取6m/s，此时对应的车辆制动时间取2.1s，从停车线到冲突点距离取18.5m，得到绿灯间隔时间5.2s，取5s，其中黄灯时间为3秒，全红时间为2秒，信号总损失时间为20s，由表2计算可知主流量比总和为0.85，得到最佳信号周期为133s。

各个相位的有效绿灯时间按如下方式计算：

式中：Ge为总有效绿灯时间；C0为交叉口信号周期；L为信号总损失时间；gei为第i相位的有效绿灯时间；yi为第i相位的主流量比；Y为组成周期的全部信号相位的各个主流量比yi之和，一般Y<0.92，得到各相位有效绿灯时间如下表2所示。

表2 各相位有效绿灯时间分配

考虑行人过街的最短绿灯时间为16秒，故第1相位和第4相位取16秒，总周期为148秒。优化配时方案在初次仿真结果的基础上，利用相位相序的调整来改进交叉口的信号配时方案，多次建模仿真后，经过分析筛选得到最佳仿真评价结果[9]。本文通过多次调整相位相序并运行仿真，发现现状相位相序最佳，各信号灯组信号配时如表3所示。

表3 优化交叉口固定信号配时

3 交叉口仿真及分析

3.1 交叉口仿真

VISSIM是一种微观、时间驱动、基于驾驶行为的仿真建模工具，根据Wiedemann发表的核心模型——“生理-心理跟驰模型”开发而来，是迄今为止计算机交通仿真技术中最为精确的模型之一[11-12]。本文基于VISSIM9.0仿真平台，根据现状及优化的焦作市塔南路与工业路交叉口的道路设计、高峰小时交通量、信号配时，建立微观仿真模型，仿真的3D效果如图3所示。

图3 交叉口3D仿真效果图

图4 交叉口渠化平面图

3.2 仿真结果分析

提高交叉口的通行效率是优化信号配时的主要目标，机动车在交叉口产生的有害气体是造成环境污染的重要原因。因此，本文从交叉口的通行效率和机动车在交叉口的尾气排放量两个方面对比分析交叉口优化前后的仿真结果。通行效率选取平均排队长度、车均延误、平均停车延误、停车次数4个主要评价指标；尾气排放量选取CO、NOx、VOC、油耗4个关键评价参数。优化前后交叉口交通效率及尾气排放量结果见表4表5。

表4 优化前后交叉口交通效率指标

表5 优化前后交叉口尾气排放量参数

由交叉口优化前后交通效率评价参数和尾气排放量评价参数的结果可知，交叉口优化前后的主要变化为：南北方向直行和右转车流的交通效率有明显的提高，车均尾气排放量有显著的下降；东西方向直行和右转车流的交通效率有所降低，车均尾气排放量增加。而交叉口交通量调查数据统计结果显示，南北方向直行和右转的车流量远远高于东西方向直行和右转的车流量，因此优化后交叉口整体的交通效率将会有明显的提高，尾气排放量将会出现明显的下降。优化前后交叉口总体的交通效率及尾气排放量具体对比分析结果如下表6所示。

表6 交叉口信号配时优化前后仿真结果对比

由上表7可知，优化后的交叉口信号配时方案与现状的配时方案相比总体车均延误降低了15.26%、总体平均停车延误降低了18.12%，总体车均排队长度减少了23.45%，交叉口总体的服务水平由E提升到D，交叉口总体的通行效率得到了显著的提高；交叉口污染物(CO、NOx、VOC)总排放量及油耗总量均减小了6.79%。由此可知优化后的交叉口通行效率得到显著的提高，环境污染问题得到明显的改善。

4 结语

本文在总结前人单点定时信号配时研究的基础上，基于实地调研获得的现状交通量数据、交叉口渠化方式，并结合交叉口实际情况，优化焦作市塔南路与工业路交叉口的信号配时方案。基于VISSIM9.0仿真平台，建立交叉口仿真模型，并对交叉口优化前后的信号配时方案进行仿真。从通行效率和尾气排放量两个方面对交叉口信号配时方案优化前后的仿真结果进行综合评价。其中，通行效率选取车均排队长度、车均延误、平均停车延误、平均停车次数4个评价指标，尾气排放量选取CO排放总量、NOx排放总量、VOC排放总量以及油耗总量4个评价指标。通过对仿真结果的系统分析可以看出，优化信号配时后的交叉口通行效率得到显著的提高，尾气排放造成的环境污染问题得到明显的改善。该研究成果可为今后交通管理部门或规划部门提供参考。