信号交叉口智慧交通设计与优化

2023-01-05曹洪斌

黑龙江科学 2022年12期

曹洪斌

(吉林建筑科技学院，长春 130114)

信号交叉口(Signal intersection)是两条或两条以上不同方向道路的交汇处[1]，车辆和行人在信号交叉口时空相汇、转向或疏散，使其成为了限制城市路网道路通畅的节点。诸多因素造成了信号交叉口形式多样、交通流向复杂、信号相位多、转弯半径不合理等问题，严重影响了信号交叉口的有序通行[2]，因此需要调整信号的控制方案并对其不断优化，以缓解信号交叉口处的交通问题。

指出了信号交叉口存在的问题，利用VISSIM(Vision Traffic Simulation，缩写为VISSIM)可视化软件，对信号交叉口交通进行优化设计，为找到解决信号交叉口交通拥堵的方法提供了理论参考。

1 信号交叉口的拥堵现状

我国汽车保有量连年上升。以合肥为例，据不完全统计，2009年合肥的机动车保有量是40万辆，到2013年，达到100万辆，而2016年已突破了150万辆[3]。城市拥堵率逐年上升，仅2016年7—11月城市拥堵里程比例就从8%上升到15%。北京平均上班交通时间为1.5 h，超过30%的上班交通时间为1 h以上，由这些数据可见城市交通压力越来越大[4-5]，究其原因：一方面，当前出行的车辆、人员总量高，特别是新手驾驶员技术不过硬、操作不熟练等因素会影响车辆的行驶速度；行人通过信号交叉口时会对车辆的行进造成阻碍，影响车辆的行驶速度，造成交通堵塞；车型大、行车间距大也会对通行速度造成影响。另一方面，交通组织不畅，预判不足，造成实际交通流量远超过设计之初，特别是交通组织只针对局部，没有宏观掌控和全局设计，受技术限制，信号交叉口的组织优化推进缓慢。除此之外，出行高峰时段也会造成道路拥堵，特别是在遇到恶劣天气时，车辆的行驶难度增加，整体的通行效率降低。急需更新交通管理技术水平，提高交通组织能力。

2 VISSIM可视化软件在交通组织中的应用

VISSIM(Vision Traffic Simulation)软件是一种微观仿真建模软件[6]，是对交通设施，诸如路网情况、车辆属性、信号控制、专用车道及公交站点等进行精准描述，实时反映当前道路的交通现状。从技术层面上看，VISSIM仿真软件具有离散、随机、时间步长短等特点，可根据用户调节参数，形成特定心理或生理条件下的车辆跟驰模型，再现信号交叉口交通现状，模拟驾驶员的驾驶行为，因此VISSIM仿真软件可实现多种条件下的城市交通、公共交通运行状况的全面分析，评价、优化城市交通中路网信号的配时方案。VISSIM仿真软件包括交通仿真器和信号状态产生器两部分，二者之间通过接口实现检测器数据和信号状态信息的共享。与其他的仿真技术相比，如交通模拟软件SATURN(Simulation and Assignment of Traffic to Urban Road Networks，简写为SATURN)[7]，VISSIM能够做到交通运行状况的可视化呈现，也可以离线做成表格输出各种统计数据。VISSIM 的Windows 操作界面菜单+对话框模式便于用户使用，具有广泛的应用性。

国内已有利用VISSIM软件对信号交叉口交通进行优化的成功案例[7-10]，如Nguyen Hoang Son[7]利用VISSIM可视化软件对越南河内市典型信号交叉口进行交通信号设计及交通组织优化，主要调查道路条件、信号相位及配时方案，得出更为适合的优化方案。刘红业等[8]以益阳市康富南路-海棠路交叉口为对象，通过实地调查交通流量、信号配时等数据，选取平均排队长度、平均延误时长等为指标，运用VISSIM仿真软件进行优化，结果表明，优化后的方案提高了通行效率，排队长度、车辆固定延误等指标大幅度降低。韩义磊等[9]通过调查交通组织情况、晚高峰时段的交通量、信号配时等数据，利用VISSIM可视化软件对大庆市中央南大街——龙十路交叉口进行信号交叉口的优化，主要从车道功能划分、信号配时两方面进行优化，结果表明交通拥堵现象得到了极大缓解，交通通畅率大大提升。林赐云等[10]采用 Vissim 软件对长春市解放大路与人民大街交叉口晴天与雪天的交通信号控制进行仿真模型研究，探讨降雪量对交通量、速度、饱和流率、延误等交通流参数的影响，结果表明，优化后的方案可以使交叉口的车均延误减少7%～36%，其根据冰雪天气调整的信号配时方案，能有效降低车辆在信号交叉口的延误，提高信号交叉口的通行效率。

上述分析表明，VISSIM可视化软件可应用于信号交叉口的交通管理，但目前利用VISSIM软件进行不同地区信号交叉口交通信号调控的研究存在片面性，调查不够全面，还需要进一步优化。

3 VISSIM对信号交叉口智慧交通的设计与优化

信号交叉口作为一个典型的混合交通点在我国交通中十分常见[7-8]，即在信号交叉口会出现机动车与行人、机动车与非机动车、特种车辆与机动车混合行驶的现象。各种交通流交错存在，造成信号交叉口的交通流更为复杂。以机动车为例，不同类型的机动车拥有不同的几何尺寸，行驶速度、安全需求、动力特性等诸多方面差异较大，这给信号交叉口造成了巨大压力。因此，大数据、仿真技术对信号交叉口的交通组织优化作用逐渐显现。

3.1 VISSIM对信号交叉口智慧交通的设计

以系统思维指导的VISSIM软件，通过全局分析信号交叉口的交通情况，灵活调节信号时长，能够系统、科学、合理地组织交通[8-9]。

数据采集与建模过程。主要采集信号交叉口的交通流动情况，分段采集调查因其科学性应用于智慧交通设计中，可将全天时段分成早高峰(7∶30～8∶30)、中峰(8∶30～9∶30)、晚高峰(17∶30～18∶30)和低谷(0∶00～1∶00)等4个时段，以保证数据采集的代表性。采集方式是利用信号交叉口的监控系统，获取包括道路几何数据、机动车交通流数据及信号配时数据等在内的实时数据。利用大数据分析软件建立三维立体可视化图形，再将三维路网图作为底图导入VISSIM软件，进一步做实际运行效果分析。

3.2 信号交叉口拥堵原因剖析

利用采集到的信号交叉口基础数据，分析各时间段的交通特性，涉及交叉口车流量、车型比例、各进口流量比例等指标[11]。车辆的车型可以分为客车(大客车、中小客车两种)、货车(中型货车、小型货车两种)和小汽车等。可以获得按照车型的流量数据表、进道口流量比例数据、各路段排队长度、等待中的停车次数等实时数据。基于这些数据，利用VISSIM仿真平面图分析出当前信号交叉口拥堵的主要原因，如信号灯控制不合理、路标设置不合理、车辆行驶过程中的冲突问题等。利用VISSIM可视化图形分析时，还需要进行实地调研，调研不少于6次，尽量涵盖可能造成拥堵的所有原因，为后续的优化奠定基础。

3.3 VISSIM对信号交叉口智慧交通的优化

信号交叉口智慧交通的优化主要包括确定车道数、设置专用左转车道、设置交通渠化岛、设置交通信号设施等。其中，车道数的确定依赖于高峰时段的交通量与不同转向的交通量；左转交通可适当压缩对向车道或新增左转车道以减少冲突点，同时辅以设置禁止左转交通来降低交通压力；通过在信号交叉口设计渠化岛来减少行驶中的冲突问题，包括建立安全岛、道路交通标志和标线的完善等。实践中的仿真模拟次数要尽量多次(6次以上)，以确保数据的科学性。另外，利用大数据协调信号交叉口信号灯的设置是缓解交通压力的重要措施之一。针对不同时段的信号配时策略既满足交通组织需求，又能减少资源投入，更具有实际应用潜力。