基于VISSIM 交通仿真的交叉口信号配时优化研究

陈攻CHEN Gong；刘旭彪LIU Xu-biao；赵振峰ZHAO Zhen-feng；唐远TANG Yuan；夏云斌XIA Yun-bin

（①云南交通职业技术学院，昆明 650500；②昆明市政工程设计研究院（集团）有限公司，昆明 650500）

0 引言

随着近年来人民生活水平的不断提高，交通出行需求快速增长，不断提升的机动车保有量对有限的城市道路提出了严峻挑战。交叉口是城市道路的重要组成部分也是城市交通的聚散点[1]。交叉口的通行能力很大程度上影响着整个城市道路网络的通行效率，是城市交通运行顺畅的关键所在。通过交叉口改扩建、增加车道等措施，能够直接提高交叉口通行能力，但考虑建设成本、土地限制、工期等问题，对于已建成的城市交叉口施工影响较大。因此，在现有道路条件的基础上，结合交叉口渠化设计，通过优化交通信号配时来合理分配交叉口通行路权，减少由于信号灯导致的车辆延误，是缓解城市交通拥堵、提高交叉口服务水平的有效途径。

VISSIM 交通仿真是由德国PTV 公司开发的基于时间与驾驶行为的微观仿真软件[2]。VISSIM 交通仿真软件可以通过输入交通数据，模拟城市交通运行状况，现已在交通工程设计、交通规划、交通控制与管理方面得到了广泛应用。目前在利用仿真技术对交叉口进行提升改善的研究中，卞广萌[3]等人以天津市红桥区红桥北大街与光荣道五岔口为例，新增车辆待行区，优化调整信号配时，并利用VISSIM 仿真评估进行对比分析，改善后的车辆延误和排队长度明显降低，有效解决老城区特殊五岔路口问题。马健[4]等人以苏州市吴江区运东大道与东太湖大道交叉口为例，提出四种方案对T 型交叉口进行优化改善，通过VISSIM 仿真对四种方案的延误和排队长度进行对比，选取其中最优方案。屈文秋[5]等人以成都市建设北路一段与红星路交叉口为例，通过调整信号配时，降低了车辆延误并利用VISSIM 仿真进行了验证。李汝楠[6]等人以黄骅市迎宾大街与新海路交叉口为研究对象，优化交叉口渠化设计方案和信号配时，并对改进方案进行了VISSIM 仿真，结果显示优化后的交叉口服务水平显著提高。

本文以昆明市日新中路-前卫西路交叉口为例，结合交通流量调查数据，通过实用信号周期法与Webster 算法分别提出两种信号优化方案，运用VISSIM 交通仿真软件，对优化前后的交叉口交通运行状况进行对比分析，从延误、排队长度等多方面论证改善方案实施的效果。

1 交叉口现状分析

1.1 交叉口概况

日新中路-前卫西路交叉口位于昆明市西山区核心区域，周边分布有居民小区、学校、医院、商场、农贸市场等大型交通集散点，公交线路密集，交通构成复杂。日新路为昆明市东西向城市主干道，是昆明市连接东西片区的重要通道，过境交通比例较高。前卫西路为南北向城市次干道，连接周边多个居民小区、学校、农贸市场等大型交通吸引点，交通需求大。特别是在工作日早晚高峰期间，通勤交通占比高，交叉口交通流量明显增大，道路通行能力下降，车辆延误增加，交通拥堵现象频发。

日新中路设置有中央分隔带，车道总数为双向八车道，道路两侧对称，在交叉口东西向进口道处均设置有展宽车道，车道渠化为2 专左+4 直行+1 专右。

前卫西路设置有中央分隔带，车道总数为双向六车道，道路两侧对称，在交叉口南北向进口道处均设置有展宽车道，北进口车道渠化为2 专左+2 直行+1 专右，南进口车道渠化为1 专左+2 直行+1 直行右转。

1.2 交叉口流量调查

图1 日新中路-前卫西路交叉口渠化图

交叉口流量调查采用人工实地调查的方法，调查时间选取车流量增大明显的工作日晚高峰17:30-18:30，对日新中路-前卫西路交叉口各进口道流量进行调查。根据《城市道路交通规划设计规范》GB50688-2011 车型换算系数对调查的交通量进行折算，折算后的各进口道小汽车标准车型当量交通量（pcu/h）如图2 所示。

图2 日新中路-前卫西路交叉口流量流向图

1.3 交叉口信号周期

日新中路与前卫西路两条道路呈45 度交叉，采用四相位交通信号控制，四个方向进口道均设有左转保护相位，高峰时段固定信号周期时长为170s。所有相位设置有3s 黄灯和2s 全红时间。现状信号配时如图3 所示。

图3 日新中路-前卫西路交叉口信号周期图

2 现状VISSIM 仿真

根据日新中路-前卫西路交叉口道路线形及渠化设计，简历VISSIM 交通仿真交叉口模型。结合现状交通流量与信号周期调查数据，根据不同方向进口道分别输入交通流量、路径决策、交通信号等关键数据，车辆速度取两条道路的设计时速50km/h。运用VISSIM 节点评估功能，在输出的各项数据中选取交叉口排队长度和车辆平均延误等数据作为该交叉口的评价指标。为排除软件仿真评估结果中出现的随机误差，选取不同的随机种子进行十次仿真分析并取平均值。仿真模型与评估结果如图4、表1 所示。

图4 现状日新中路-前卫西路交叉口仿真效果图

表1 现状日新中路-前卫西路交叉口仿真评估结果汇总表

由仿真结果可以看出，现状日新中路与前卫西路交叉口总体延误和排队长度较高。其中日新中路东进口排队长度左转和直行排队长度较长，主要原因在于信号周期设置过长，对于交通流量较大的进口道需等待较长的红灯时间，车辆停车延误高；由于绿灯时间设置时间不合理，前卫西路南北左转相位绿信比较低，造成南进口左转延误较高。参考美国HCM 信号交叉口服务水平[7]，东西南北四个进口服务水平分别为F、E、E、D，交叉口总体服务水平为E，车辆平均延误水平较高。

3 交叉口信号配时优化

目前，应用较为广泛的单点交叉口信号周期有三种，分别为最短信号周期、实用信号周期以及Webster 信号周期[8]。理想状态下，设置最短信号周期可以保证在一个周期内所有进口道的到达车流全部通过交叉口，无车辆滞留。但当高峰时段交叉口出现交通流量激增时，容易造成车辆等待多个周期，导致交叉口通行能力下降。因此，本文分别采用实用信号周期法和Webster 算法对交叉口进行信号配时优化。

3.1 信号配时优化流程

①采用直行当量计算各进口道流率比。

表2 进口道流率比汇总表

日新中路-前卫西路交叉口各进口道均设置有左转保护相位，左转流量转换为直行当量需乘以系数1.05。结合

②确定各相位黄灯时间（A）和全红时间（r），计算信号总损失时间。

式中：t——反应时间，取1s；

v85——85%车速；

a——汽车减速度；

g——坡度；

式中：w——远端对向冲突点与进口道停车线的距离；

v15——15%车速；

L——车辆长度，取5m。

计算黄灯时间和全红时间时，进口道车速取设计车速限制值50km/h，结合交叉口调查数据计算并取整得各相位黄灯时间A 取3s，全红时间r 取2s，即相位之间绿灯间隔时间为I=黄灯时间+全红时间=5s。

取车辆启动损失时间l=2s，计算信号总损失时间：

③确定信号周期时长。

方案一：实用信号周期

实用信号周期法是在最短信号周期公式的基础上，考虑高峰小时系数和交叉口设计饱和度。按照交叉口实用信号周期的计算公式，日新中路与前卫西路交叉口信号周期为：

式中：Cp——实用信号周期，s；

L——信号总损失时间；

PHF——高峰小时流量系数，取0.95；

v/c——交叉口设计饱和度，取0.95。

方案二：Webster 信号周期

韦伯斯特（Webster）信号周期法是以交叉口延误为控制目标，所得最佳信号周期即为交叉口延误值最小时的信号周期。根据Webster 信号周期计算公式，本文交叉口信号周期为：

式中：CO——Webster 信号周期，s；其余参数同上。

④相位绿时分配。

按照等饱和度原则对两种方案下的信号周期进行绿灯时间分配，保持原信号相位顺序不变，优化后的相位图如图5~图6 所示。

图5 实用信号周期优化方案

图6 Webster 信号周期优化方案

3.2 优化方案仿真评估

分别对实用信号周期和Webster 信号周期的信号配时进行VISSIM 仿真评估，并与优化前的排队长度、延误等指标进行对比分析。日新中路与前卫西路交叉口信号配时优化前后对比结果如图7 所示。

图7 交叉口信号配时优化前后对比柱状图

通过仿真评估结果前后对比分析，可以得出两种信号配时优化方案对交叉口排队长度、延误等关键指标均有不同程度的改善，交叉口通行效率得到提升，交通拥堵有效缓解。对于实用信号周期优化方案，平均排队长度下降了20.0%，平均最大排队长度下降了18.1%，平均延误下降了22.2%；对于Webster 信号周期优化方案，平均排队长度下降了11.8%，平均最大排队长度下降了12.3%，平均延误下降了15.2%。

4 结语

本文以昆明市日新中路与前卫西路交叉口为研究对象，针对高峰时段交叉口拥堵问题进行了改善。以实用信号周期法和Webster 算法优化信号配时后，交叉口信号周期明显缩短，且相位配时更加科学合理。通过VISSIM 交通仿真提供的评估数据，对比两种方案下交通信号配时优化前后的交叉口排队长度和车辆延误，可以验证两种配时优化均有效降低了交叉口延误水平。其中实用信号周期改善效果更佳，交叉口服务水平由优化前的E 提升到D，改善效果明显。