城市交叉口信号配时优化及仿真分析

郭星星，冯宇锋 （重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074）

0 引 言

交叉口往往是一个道路通行效率的瓶颈，是交通的咽喉部分。正确设计道路交叉口，合理优化交叉口的信号配时方案，是提高道路交通通行能力和保障交通安全的重要方面。在城市道路网络中，节点形态最常见的是采用信号器来控制的平面交叉口，其承担了城市各种交通流的集散压力，在极大程度上影响着城市交通的运行状态[1]。

目前，大量学者对优化交叉口信号控制来改善交叉口运行现状进行了研究 。王安格等[2]根据区域实际情况，采用定性和定量分析相结合的方法进行分析，建立优化方案的仿真环境，从时间和空间两方面改善区域通行能力。吴啸宇等[3]引入人工鱼群算法来改进目标配时方案，使用 JAVA 语言设计算法程序，对优化模型进行求解，提高交通运行效率。任耀等[4]分析机动车与过街行人冲突情况，在Webster配时模型的基础上，提出叠加相位设计与人车冲突时空分离策略相结合的信号配时优化方法。尹聪慧等[5]建立了以车辆延误最小化和车辆通行能力最大化为优化目标的多目标信号配时优化模型，提高了交叉口的通行效率。本文以山东省济南市长清区大学路和海棠路交叉口为例，对此路口信号配时方案进行分析优化，通过VISSIM软件进行仿真，分析优化前的评价指标数据，并与优化后的评价指标数据对比，从而达到通过信号配时优化来缓解该路口的通行压力的目的。

1 交叉口基本信息

1.1 交叉口情况

大学路—海棠路路口位于山东省济南市长清区大学城内，被多所高校环绕，临近华谊兄弟电影小镇及园博园公园，人流量较大。大学路为一条东西走向的主干道，通向主城区，其为双向六车道，在各个进口道又扩宽了一个车道为四条进口车道，其中一条为专用左拐车道、两条直行车道、一条专用右拐车道，出口道各为三条机动车道。海棠路为一条南北方向的次干道，进口道为四车道，进口道包括两条直行车道、一条专用右转车道、一条专用左转车道，其中北进口为三车道变四车道，北出口为三车道，南出口为四车道。该交叉口人流比较密集，交通量大，虽南北走向的轻轨1号线减轻了公路交通的部分压力，但拥堵问题仍然存在。

1.2 交叉口交通量调查

该交叉口的数据调查采用人工计数法，人工计数法简单方便，只需调查人员及简单工具即可。使用的工具除必备的计时器（手表或秒表）外，仅需用于记录的笔和纸，组织工作简单。在早高峰（8:00—9:00）实地调查该十字路口各进口道的车数，记录每个进口直行、左转、右转的机动车交通量并按车辆类型分别记录，连续记录4组，每组15分钟，共记录1小时；最后将调查数据按照表 1车种折算系数计算，得到如表2所示的路口交通量。

表 1 车种折算系数

表 2 大学路—海棠路交叉口的交通量

1.3 信号相位及配时方案情况

大学路与海棠路交叉口信号周期为180s，包括4个相位。第一相位为东西直行，第二相位为东西左转，第三相位为南北直行，第四相位为南北左转。东西直行绿灯时间为75s，南北直行绿灯时间为33s，东西左转、南北左转绿灯时间均为30s，右转不受信号灯控制。该交叉口信号相位现状如图1所示，信号配时方案现状如图2所示。

图 1 大学路与海棠路交叉口信号相位现状

图 2 大学路与海棠路交叉口信号配时方案现状

2 交叉口信号配时优化

本文利用韦伯斯特（Webster）信号配时法对大学路与海棠路交叉口的信号配时进行优化，通过计算得到最优的信号配时方案，从而缓解该交叉口的交通拥堵问题。

2.1 信号相位优化

首先确定大学路与海棠路交叉口是否需要设置专门的左拐机动车道。该路口相位最大周期为180s，一小时内有20个信号周期，东西左转车辆最多为辆/周期，南北左转车辆最多为辆/周期，由此可知，该交叉口仍需要设置专用左拐机动车道，该交叉口的相位保持不变，依旧为四相位，分别为东西直行、东西左转、南北直行、南北左转。

2.2 确定最佳配时方案

根据调查得到表3所示的车头时距表，计算各车道的饱和流量，饱和流量是指在一定的单位时间内，交叉口的停车线处所能通过的最大交通量[6]。计算公式如公式（1）所示：

式中：ht表示车头时距（s）；

Si表示第i相位流向的饱和流量。

表 3 车头时距表

通过计算得到第一相位（东西直行）流向的饱和流量S1为1 512pcu/h，第二相位（东西左转）流向的饱和流量S2为1 348pcu/h，第三相位（南北直行）流向的饱和流量S3为1 384pcu/h，第四相位（南北左转）流向的饱和流量S4为1 267pcu/h。

各相位流量比可通过公式（2）计算：

式中：qi为交叉口第i相位实际达到的流量；

Si为交叉口第i相位流向的饱和流量；

yi为交叉口第i相位的最大交通流量比。

通过计算，第一相位的最大流量比y1为0.312，第二相位的最大流量比y2为0.151，第三相位的最大流量比y3为0.168，第四相位的最大流量比y4为0.205，总流量比Y＝y1＋y2＋y3＋y4＝0.836。

信号总损失时间的计算利用式（3）：

式中：n为相位数；

l为车辆启动损失时间，一般为3s；

I为绿灯间隔时间（黄灯时间加全红时间），该研究路口无全红时间，即取黄灯时间3s；

A为黄灯时间，取3s。

最佳信号周期的计算利用下式：

通过计算可以得知，大学路与海棠路交叉口的最佳信号周期时间约等于140s。

有效绿灯时间计算利用下式：

式中：Ge为总有效绿灯时间，其他符号的含义与前式表示含义相同。

各相位有效绿灯时间计算按照下式：

式中：Gei为第i相位的有效绿灯时间，其他符号的含义与前式表示含义相同。

从而绿灯显示时间计算如下式：

式中：Gi表示第i相位的绿灯显示时间s；

A取3s，为黄灯时长，其他符号的含义与前式表示含义相同。

通过（6）-（8）式计算得知，第一相位（东西直行）的绿灯显示时间G1为48s，第二相位（东西左转）的绿灯显示时间G2为23s，第三相位（南北直行）的绿灯显示时间G3为26s，第四相位（南北左转）的绿灯显示时间G4为31s。

为保证行人过街，最短绿灯时间为行人过街所需要的最短时间，通过下式计算：

式中：vp为行人过街速度，取1.2m/s；Lp为行人过街长度（m）；

I同上，表示为绿灯间隔时间，取黄灯3s。

通过上述检验，各直行相位绿灯显示时间都大于最短绿灯时间，满足设计要求。

综上所述，通过韦伯斯特（Webster）信号配时法对大学路与海棠路交叉口信号进行重新配时，得到新的配时方案为第一相位绿灯时间为48s，第二相位绿灯时间为23s，第三相位绿灯时间为26s，第四相位绿灯时间为31s，总信号周期为140s，如图3所示。

图 3 大学路与海棠路交叉口信号配时优化后的方案

图 4 VISSIM仿真运行过程图

3 VISSIM仿真与优化分析

VISSIM是德国PTV公司开发设计的微观仿真软件，它可以综合考虑各种影响路网运行的因素，例如车道类型、车辆种类、驾驶行为、信号控制等，通过周期运行，产生评价路网服务水平的结果[7]。

通过VISSIM对大学路与海棠路交叉口进行仿真，将交通流量、车辆路径、优化前后的信号配时方案等要素输入VISSIM软件中，并设置仿真时间为600s，其运行仿真过程如图 4所示，对仿真输出的节点结果进行分析得到优化前后的平均排队长度、最大排队长度、延误时间等信息，其优化前后的数据对比效果如图 5、图 6、表 4所示。

图 5 优化前后的平均排队长度对比图

图 6 优化前后的最大排队长度对比图

表 4 优化前后延误（s）对比图

优化后的评价指标总体结果如表5所示：

表 5 优化后的评价指标总体结果

从优化后的仿真结果可以看出：该交叉口的东进口、南进口及北进口的各项评价指标优化效果显著，平均排队长度、最大排队长度指标有明显降低，而西进口的平均排队长度、最大排队长度指标较之前变化微弱，延误值有个别略微增加，大部分值都有所降低。

通过优化后的评价指标总体结果可以看出大学路与海棠路交叉口的平均排队长度、最大排队长度、延误值都有所降低，其中平均排队长度降低了7.09%，最大排队长度降低了11.78%，延误时间减少了3.76%，虽然整体降低幅度不大，但在一定程度上缓解了该交叉口的出行压力，改善了该交叉口的出行效率。

4 结 语

本文以大学路与海棠路交叉口为研究对象，通过webster信号配时法优化现有的信号配时方案，再通过VISSIM建立微观交通模型得到优化前后的平均排队长度、最大排队长度、延误时间等评价指标，通过一系列分析，最终得到优化后的该路口总体平均排队长度、最大排队长度、延误时间都有所减少，有效改善了该交叉口的通行效率，证实了该优化方案的可行性。