基于VISSIM仿真信号交叉口优化研究

2021-01-28李汝楠晋民杰

太原科技大学学报 2021年1期

李汝楠，晋民杰

(太原科技大学交通与物流学院，太原 030024)

对于整个城市道路而言，信号交叉口是主要的组成部分，也是整个路网中道路通行能力的“瓶颈”和交通事故的“多发源”[1-4]。在交叉口功能区内，频繁地发生着交通流的各种冲突，如交织运行、合流、分流和交叉等[5]，有大量的交叉路口的非机动车和行人，使交叉口功能区通行能力远远低于道路[6]。无论是国内或国外，交通拥堵发生在交叉口，往往造成严重的交通中断和时间延误。

为解决这些问题，就需要在时间和空间上合理分配信号交叉口的时间与空间资源。Vissim仿真软件作为一种基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，具有分析、评估、优化交通流量和比较交通设计等功能，用以模拟公共交通与城市交通的运行情况[7]。多数学者应用Vissim仿真软件成功解决复杂交叉口拥堵及延迟问题，周海娟[8]以西安市典型十字交叉口为例，根据平面交叉口交通冲突的分布，针对性的从时间和空间两个方面提出了渠化交通和信号控制相结合优化方案，通过Vissim仿真软件对比分析，优化后的方案车辆延误和平均排队长度都得到有效的缓解，优化效果显著。张朝阳[9]等人针对某交叉口采用多渠化多相位优化方法制定了三个不同的交叉口优化设计方案，比选出了平均信控延误时间最小的优化方案，并运用Vissim软件对优化设计结果进行评测。常争艳[10]等人以太原市桃园路口为例进行分析设计，建立了以停车延误、停车次数和通行能力为目标的信号配时优化模型，采用罚函数粒子群优化算法同时优化绿灯时间和信号周期，使二者达到最佳匹配。

本文以黄骅市迎宾大街—新海路交叉口为例，对道路渠化设计和信号周期配时两个方面对此路口进行优化，然后用VISSIM仿真软件对此路口优化前后的状况进行仿真分析，得出最佳优化方案。

1 数据采集与分析

1.1 现状分析

黄骅市迎宾大街—新海路交叉口是黄骅市较为繁忙的交叉口，尤其在节假日期间，交通量大且交通设施不够完善。通过实地调查，可以得到交叉口的基本几何参数，如表1所示。

表1 交叉口基本状况

图1 交叉口CAD效果图Fig.1 CAD Effect Map of Intersection

1.2 交通量数据调查

经过在迎宾大街—新海路交叉口高峰小时统计交通量数据，可以得到高峰时段交通量如表2：

表2 信号交叉口高峰小时交通量

表3 各路口非机动车与行人交通量

1.3 交叉路口信号周期

由实地考察得到现状信号周期：(1)信号灯组1：红灯结束时间128 s，绿灯结束时间60 s，黄灯时间4 s；(2)信号灯组1：红灯结束时间128 s，绿灯结束时间124 s，黄灯时间4 s.如图所示：

图2 信号相位图Fig.2 Signal phase diagram

2 VISSIM仿真

通过VISSIM仿真软件，根据现状调查数据对黄骅市迎宾大街-新海路交叉口进行仿真，将1.2节实地调查数据按步骤输入于VISSIM软件中的交通控制模块和交通流模块，根据设置检测器等方法得出东、南、西、北进口的延误情况及排队长度等指标，其流程见图3：

图3 Vissim设置流程图Fig.3 Vissim setup flow chart

根据各模块参数输入情况，运行仿真，得到各进口道路段的仿真结果：信号灯组1(东西方向直行加左转)及信号灯组2(南北方向直行加左转),见图4-图5.

图4 信号灯组1交通现状Fig.4 Traffic status of signal group 1

图5 信号灯组2交通现状Fig.5 Traffic status of signal group 2

2.1 交通状况现状分析

对黄骅市迎宾大街—新海路交叉口的仿真时间设置为300 s，根据仿真过程给出的各个进口道的排队长度，如图6和图7所示。

图6 各路口排队长度汇总Fig.6 Summary of queue lengths at intersections

图7 各路口延误时间汇总Fig.7 Summary of delays at intersections

由上图可看出南北进口道延误时间较长，参考美国HCM信号交叉口服务水平[11]可知此道路的南北方向的服务水平较差，属于D等级，车流不是很稳定，交通量接近了道路通行能力的90%，常呈混乱状态。所以本文将以交叉口的南北方向为主要优化方向进行设计。

3 优化方案及仿真

3.1 信号交叉口渠化设计

首先对交叉口进行渠化设计，由于东、南、北方向的左转车流量都比较大，所以会在各个方向设置左转待转区域，并且对南北方向交叉口功能区用右侧拓宽的方法，利用右侧相对较宽的绿化带进行拓宽，进口道两车道改为三车道并且设置左转专用道，西方向进口道的两车道改为三车道同时设置左转专用车道方案如图8所示：

图8 渠化设计方案Fig.8 Channelization design scheme

3.2 重新计算信号配时与最佳周期

在优化设计过程中，本文在各个方向设置左转保护相位，也就是将本交叉口的两相位改为四相位的模式，计算过程如下所示：

(1)直行当量计算法计算各进口道的饱和流量：

表4 交叉口高峰小时交通量

如上表所示，本次计算中流量总和Y=0.72，小于0.9，进行下一步配时计算。

(2)计算相位的黄灯时间(A)

式中：V85——85%车速；a——汽车减速度，m/s2；

g——坡度，用小数表示；t——驾驶员反应时间，s.

将数据带入计算得到，A=4 s.

式中：w——从停车线到远端对象冲突车道的距离，m；L——汽车标准长度，m；V15——15%车速，m/s；

由于两个方向车道距离的停车线到远端对象冲突车道的距离不同，故得分别计算全红时间。一相位与二相位是南北向的车道，w取15 m，三相位与四相位w取20 m.车长均取5 m.

代入公式计算得：

r1，2=(20+5)/(40/3.6)≈3 s

r3，4=(15+5)/(40/3.6)≈2 s

即一二相位全红时间为3 s，三四相位全红时间为2 s；

因此，各相位的绿灯间隔时间为：

I1，2=A1，2+r1，2=6 s；

I3，4=A3，4+r3，4=7 s

(3)最佳周期时间

(4)周期有效路灯时间

Ge=Cm-L=95 s

(5)相位有效绿灯时间

一相位(南北左转)有效绿灯时间：

二相位(南北直右)有效绿灯时间：

三相位(东西方向)有效绿灯时间：

四相位(东西直右)有效绿灯时间：

(6)相位显示绿灯时间

一相位：g1=ge1-A+l=26 s

二相位：g2=ge2-A+l=26 s

三相位：g3=ge3-A+l=24 s

四相位：g4=ge4-A+l=29 s

优化后信号配时方案如表5所示：

表5 优化后信号配时方案

对改进后方案进行Vissim仿真，配时图如下：

图9 改进后信号配时图Fig.9 Improved signal timing diagram

图10 改进后各进口排队长度汇总Fig.10 Summary of queue length of imports after improvement

图11 改进后各路口延误时间汇总Fig.11 Summary of delays at improved intersections

4 改进方案仿真分析

通过对优化前后数据对比，可发现黄骅市迎宾大街—新海路交叉口经过优化设计后南北方向的延误时间明显减少，各个方向设置左转待转区域，可提醒左转和直行车辆，避免冲突。参考美国HCM信号交叉口服务水平[9]，可知南北方向和东西方向均交叉口服务水平由原来D的提升到E，车流相对稳定，交通量接近道路通行能力的70%，乘客与驾驶员的感受只是接近饱和，而不是常呈混乱状态。