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基于VISSIM-Synchro联合仿真的半苜蓿叶立交匝道分流及协调控制优化

2023-04-07王晓军王家琦陈海波杨春霞

计算机应用与软件 2023年3期
关键词:协调控制左转互通

王晓军 王家琦 陈海波 杨春霞

1(太原科技大学交通与物流学院 山西 太原 030024) 2(大连海亿丰悦科技有限公司 辽宁 大连 116024)

0 引 言

半苜蓿叶互通立交是部分互通立交形式的一种[1],与全互通相比,具有主线畅通、主线标志简化、用地和工程费用较少、便于分期修建等优点,适合用于主干道与次干道相交、地物限制较严等情况。半苜蓿叶互通立交以减少部分匝道的方式换取空间,相应地会增加相关路段的交通复杂性,以某行车方向环形匝道缺少为例,为实现全互通,左转车辆需先驶入定向匝道再通过干道交叉口掉头,因此,匝道出口及其与干道衔接区的交织、冲突要比全线互通立交复杂,易发生拥堵。因此,解决匝道出口与干道的冲突问题是提高该特殊互通立交形式通行效率的核心环节。

目前,国内外学者针对半苜蓿叶互通立交的研究以线形设计和通行能力分析为主,如:陆子文等[2]探讨了自由流半苜蓿叶立交线形设计;朱宗余[3]分析了半苜蓿叶形互通式立交的应用情况;Molan等[4]设计了一种新型部分互通立交形式,并通过VISSIM仿真与传统部分互通立交在交通运行和交通安全两方面进行对比;Sistuk等[5]根据HCM手册,利用VISSIM仿真对部分互通立交服务水平进行确定。上述研究较少涉及匝道出口与干线的冲突问题,为此,进一步对其他立交形式相关研究进行分析。

在匝道与主线衔接研究方面,美国绿皮书AASHTO[6]指出,出入口控制的延伸距离应结合衔接道路等级及重要性来确定,控制距离设定的总目标是让匝道与进口道间车流“回溢”程度最小化,并为车辆的汇入、交织、排队提供空间。美国国家公路合作研究计划出版的报告《NCHRP Report 420: Impact of Access Management Techniques》[7]提出衔接段长度包括交织区长度、排队长度及停止线到交叉口中心线的距离。TRB出版的Access management manual[8]给出立交附近的出入口匝道衔接段推荐值一般为230~800 m。中国的《公路路线设计规范》《交通工程手册》等也部分涉及到了匝道设计的内容。在匝道交通组织方面,Meng等[9]结合某市中心区的高架快速路基本情况,分析了高架快速路既有匝道衔接段的交通组织方案。刘忻梅等[10]通过仿真模拟,研究了城市快速路菱形立交出口至前方灯控平交路口合理距离。孙丽等[11]根据快速路出入口特征,分析了出入口设置存在的问题及其影响因素。朱彤等[12]以交通冲突次数为评价参数,通过仿真评价了不同渠化及设施设置条件下快速路出入口的安全水平。针对快速路出口匝道拥堵问题,张楠等[13]研究了在出口匝道和地面交叉口设置控制信号,建立双层规划模型优化该区域交叉口的信号控制方案。在研究方法方面,大部分都会依托算法和仿真软件进行,宋俊芳等[14]基于车辆之间的实际距离提出一种快速交通状况检测算法。马生涛等[15]基于Anylogic仿真软件对交通堵塞进行了仿真。

上述国内外学者的研究各有偏重,研究内容包括衔接段设计及其交通组织、信号控制或检测评价等,但从研究对象和范畴上,大多关注车流从匝道汇入干道并与干道其他车辆交织、冲突的过程。如引言所述,对于半苜蓿叶互通立交这一特殊形式,部分出口匝道除需承担自身交通流外,还需要承担因同一行驶方向环形匝道缺失而产生的有左转需求的交通流。与现有研究相比,半苜蓿叶互通立交出口匝道及交通流具有以下特点:(1) 匝道需承担两股交通流,交通量大;(2) 两股交通流驶入干道后,目的行驶方向相反,会加剧交织区的复杂度,进而引发交通堵塞等问题。此情况下,单纯针对衔接段的研究不能满足现实需求。

为解决此问题,将从以下几方面开展研究:(1) 将研究范围扩大,除了匝道及其衔接区外,为反映匝道两股交通流对干道交通的影响,将干道上前后两个平面交叉口也纳入研究范围;(2) 考虑一种新的匝道分流设计方案,即在主线出口匝道设置附加左转匝道,此方式能使车辆在干道入口处直接左转,提高通行效率,缓解干道压力,且因为该方案是平面交叉,造价低、可行性强;(3) 附加左转匝道的分流方式使得左转车辆与干道车辆直接冲突,为保证匝道出口车流完整性及干道通行效率,将其视为T型交叉口,并与干道上其他交叉口进行协调控制,得到合理的信号控制方案;(4) 采用VISSIM和Synchro联合仿真方法,对本文设计的可行性和有效性进行分析和验证。

1 问题分析及出口匝道分流方案设计

1.1 问题分析及交通调查

(1) 问题分析。图1为某城市半苜蓿叶互通立交示意图,东西向为主干道,南北向为次干道,主线出口匝道与次干道存在平面冲突点,主线的南面和北面各有一个十字交叉口,形成了一个交通循环。由于该立交为半互通方式,部分车辆需通过右转加掉头的方式实现左转。以主线西向出口为例,车辆通过匝道驶向次干道后,首先进入衔接段,在此处汇入次干道;其次进入交织区,此区域车辆行驶方向不同,如从北向行驶过来的车需要右转(路径1),从匝道下来的车需要左转(路径3)或掉头(路径4),相互混杂;再次,由于十字交叉口受信号控制,车辆还可能进入排队段等待。

图1 半苜蓿叶互通立交冲突分析示意图

由此可知,主线匝道出口到次干道十字路口这一段承载着由出口匝道驶出的右转、直行、左转、掉头等四个路径的车流,状况复杂,当交通流较大时,将会是瓶颈路段。为分析拥堵情况及服务水平,在交通调查基础上,采用仿真模拟方法,给出交通评价指标。

(2) 交通调查及基本交通参数确定。选择早高峰(7:30—8:30)进行调查。如图1所示,主干道出口匝道直接汇入次干道,此处无交通管控,因此,主要对南侧交叉口进行调查与分析。得到交叉口各进口道方向小时流量为:西向进口道791 pcu/h、东向进口道768 pcu/h、北向进口道2 227 pcu/h、南向进口道975 pcu/h。

交叉口信号控制为两相位,分别为东西直行+左转、南北直行+左转。周期60 s,黄灯时间3 s,全红时间2 s,有效绿灯时间分别为30 s、20 s。

同时调查道路基础参数:车道宽3.5 m;大车通行率2%;主线行车速度80 km/h;匝道行车速度40 km/h;次干道行车速度60 km/h;跨线构筑物坡度2%。

1.2 基于VISSIM仿真的交通现状评价

(1) VISSIM软件。VISSIM软件是一种微观的、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具,可对交通运行状况进行模拟。根据交通调查数据,采用VISSIM仿真对上述瓶颈路段进行分析,且为方便与后续研究对比,现状称为分流前方案。

(2) 分流前路网绘制及交通数据输入。利用VISSIM中的“line”及“connectors”模块绘制分流前半苜蓿叶互通立交,设置道路参数,详见图2。

图2 分流前半苜蓿叶互通立交路网图

利用车流量输入模块“Vehicle Input”,输入交叉口各路口的车流量,并进行路径决策。在“Signal Controls”模块中,输入有效绿灯时间、周期等信号配时参数。

(3) 效益评价指标。结合Vissim特有的节点属性“Nodes”,在南边十字交叉口模型处设置固定节点,编号为1。利用数据采集模块“Data Collection Points”,在节点1每个进口道处设置数据采集点,一共设置14个,分别为北向(直行、左转、右转、掉头)、南向(直行、左转、右转、掉头)、东向(直行、左转、右转)及西向(直行、左转、右转),保证在信号控制设置前冲突区车流量的数据准确。

仿真模拟过程中,对14个采集点的数据进行采集,输出4个交通效益评价指标:平均停车延误、平均信控延误、平均排队长度、最大排队长度。

表1为模拟所得交叉口的交通效益指标,其中最后一行为交叉口总体数据,总流量为14个进口道车流总和,最大排队长度为14个进口道的最大值255 m,而平均停车延误、平均信控延误及平均排队长度为14个进口道的平均值,分别为36.2 s、50.1 s和65.9 m。

表1 匝道分流前节点1主要交通效益指标

(4) 通行能力和服务水平分析。交通效益指标还不能全面反映交叉口的状况,进一步需结合交叉口设计通行能力计算公式[16]分析饱和度和服务水平。

将不同相位的有效绿灯时间及占比数值代入计算公式后,可得到交叉口的设计通行能力为6 718 pcu/h,进而求得交叉口饱和度为0.71。依据信号灯交叉口服务水平标准表[16],可判定此时交叉口服务水平为D级,已出现堵塞现象。

考虑到未来交通量增长情况,在现有调查数据基础上分别增长5%和10%,依次代入VISSIM软件进行仿真,得到相应的饱和度数据和服务水平,再通过差值法计算得到:当交通量增长到8.63%时,服务水平为F,此时饱和度已经达到0.95,由衔接、交织和排队段组成的冲突区出现堵塞严重等问题,进而反向影响匝道车流,通行效率急剧下降,交通接近瘫痪。

1.3 出口匝道分流方案设计

针对现有出口匝道与次干道冲突区的问题,将出口匝道设计成右转及左转的双向匝道,利用左转匝道实现全互通。如图3所示,进入路径1、2、3的车辆由右转出口匝道承担,而原有掉头车辆即路径4将由左转匝道来承担,车流提前分流,能缓解原冲突区的问题。然而,分流后,附加左转匝道与次干道形成T型路口,将产生新冲突,形成新问题:一是如何对该路口进行控制;二是如何与次干道上其他十字路口进行协调控制。下面将依据VISSIM和Synchro联合仿真及干线协调控制优化方法对此问题进行分析。

图3 匝道分流设计方案及交通冲突分析示意图

2 T型交叉口信号控制设计

2.1 交通数据获取

如图3所示,次干道上有6个进口节点,从北往南分别是北边十字交叉口、主线东向右转匝道、主线东向左转匝道、主线西向左转匝道、主线西向右转匝道、南边十字交叉口。考虑到左转匝道和右转匝道距离较近,且不会互相干扰,可以把两个匝道简化成一个双车道匝道进行研究,该匝道与次干道形成一个T型交叉口。因此,此区域次干道的交通管控可以理解成两个十字交叉口和两个T型交叉口的协调控制。考虑到互通立交的对称性,在初始方案设计阶段,先研究主线南边的十字交叉口和T型交叉口。

因该分流方案尚在设计阶段,只能在现有调查数据基础上,通过分析交通流走向,确定分流后的交通数据。通过交通调查,已获得图1中①、②、③、④、⑤、⑥处的交通数据,则分流后,图3中路段⑦交通量可视为不变,使用路段①的交通量;附加左转匝道⑧处的交通量为⑥处车道掉头的交通量;右转匝道⑨处交通量为原匝道②处的交通量减去⑧处的交通量;交叉口⑩、、处进口交通量使用③、④、⑤的交通量。处理后获得分流完后的小时流量如表2所示。

表2 匝道分流后小时流量表 单位:pcu/h

2.2 信号设置

(1) 信号设置必要性。根据马东方等[17]给出的T型交叉口信号设置临界流量确定方法,将次干道设定为主路,匝道设定为支路,根据文中的信号设置临界流量与主/支路流量的关系图,可确定本文所述案例都需要设置信号灯。

(2) 信号配时。采用韦伯斯特定时信号交叉口延误计算公式对冲突区进行配时。设:L为每周期总损失时间,l为启动损失时间,A为黄灯时间,I为绿灯间隔时间,Y为周期信号相位各y值最大之和,则信号组控制下的近似最佳周期时长C0公式为:

(1)

(2)

在计算出最佳信号周期C0及总损失时间L后,可相应得到每相位有效绿灯时间公式:

(3)

需注意的是,直行道饱和流量及左转饱和流量应考虑到车道宽度校正系数fw、坡度及大车校正系数fg及道路纵坡G等因素。直行道饱和流量公式和左转饱和流量公式分别为:

ST=Sbt×fw×fg

(4)

SL=Sbl×fw×fg

(5)

根据上述统计的交通数据,同时取fw=1,fg=0.98,G=0,A=3 s,全红时间为3 s,I=6 s,l=3 s。由式(2)计算出每周期总损失时间L=10 s,则最佳周期时长C0=60 s,最后由式(3)可推出有效绿灯时间ge1=33 s,ge2=15 s,则红灯时间re1=24 s,re2=42 s。

3 基于VISSIM的互通立交仿真

3.1 仿真建模及数据采集

根据1.2节所述道路基础参数和附加左转匝道设计方案,在VISSIM中建立匝道分流后的互通立交模型,路网图见图4。利用车流量输入模块输入表2中数据,并进行路径决策。

图4 半苜蓿叶互通立交路网图

数据采集阶段,将南十字交叉口和南T型交叉口两个易发生拥堵的区域设为节点1和节点2,见图3,根据车道和路径情况,分别设置13个和3个采集点。

根据信号配时方案,采用模块“Signal Heads”和3D-信号灯程序对冲突区进行信号灯布置,详见图5。

图5 信号灯布置及配时设计

3.2 匝道分流方案有效性验证

仿真运行后,得到两个节点的交通效益评价指标,见表3。可知,采用匝道分流方案后,十字交叉口平均停车延误24.3 s,平均信控延误31.1 s,最大排队长度126.6 m,平均排队长度34.2 m。T型交叉口为新增冲突区,平均停车延误8.4 s,平均信控延误13.4 s,最大排队长度52.9 m,平均排队长度7.1 m。

表3 匝道分流后两个节点主要交通效益指标

续表3

分流后有两个节点,其中节点2为新增冲突区,故取两节点评价指标之和反映整个区域的交通状况,并与分流前评价指标进行对比。从表4可知,四项交通效益评价指标分别改进9.67%、11.18%、29.61%、37.33%。同时,将匝道分流后所得数据代入通行能力计算公式,可知分流后交叉口服务水平为C,与分流前相比提高1级,说明利用匝道分流法改善冲突区堵塞情况是可行且合理的。

表4 匝道分流前后交通效益对比表

需说明的是,在此阶段的仿真模拟当中,信号配时采用的是单点固定信号控制方法,此时的交通效率及通行水平并不是最优。由于新增T型冲突区的存在,导致干线路口增多,是否需要对多路口的干线进行协调控制成为了接下来的研究重点。

4 基于VISSIM-Synchro的协调控制仿真

4.1 研究思路

在上节仿真模拟中,次干道上四个交叉口的信号控制没有考虑相位差,均为独立的单点控制,本节将在匝道分流方案基础上研究协调控制问题。

干线协调控制可以使车辆以排列紧凑的车队连续地、不停地通过若干个交叉口,减少交叉口停车线前所滞留的车辆数,从而提高道路使用率。而实现协调控制的首要条件是确定各交叉口之间的相位差。

Synchro软件是一款可对路网信号配时进行绩效分析的优异软件,适用于各类型城市交叉口。在进行多路口干线协调控制时,可使用最大绿波带宽法和交通流量线法确定相位差[18],前者尽量使干线绿波带的右侧能够接触到配时带的绿色部分或绿色部分的左侧,后者尽量使交通流量线的右端接触到配时带的绿色部分或绿色部分的左侧,目的都是为了让车辆在下一路口信号灯变绿或即将变绿的瞬间到达路口。本文采用交通流量线法。

除了相位差外,各交叉口各自的相位和周期也会对协调控制的效果产生影响。为了能系统分析相位、周期及相位差三者对延误的影响,本文给出了三种协调控制优化方案:

(1) 优化方案一:假设各交叉口相位和周期不变,只调整交叉口之间的相位差。

(2) 优化方案二:假设各交叉口周期不变,优化各自相位,并在此基础上调整交叉口之间的相位差。

(3) 优化方案三:对各交叉口周期和相位都进行优化,最后调整交叉口相位差。

各优化方案所得结果仅为各交叉口延误时间,为进一步分析协调控制对交通通行能力的影响,采用VISSIM-Synchro联合仿真法,将三种优化方案结果分别代入VISSIM软件进行仿真模拟,得到交通效益等指标。

4.2 Synchro路网建模及现状评价

1) 路网建模。本模型存在四个交叉口,每个交叉口视为一个节点,从北向南标记为1-4。在Sycnhro软件中输入各节点的车道宽、主线速度、道路纵坡等参数和各交通量参数,以南向十字交叉口节点4为例,流量参数设置见图6。

图6 Synchro流量参数设置图

各参数设置完成后,需设置信号相位。与 VISSIM不同的是,Synchro相位设置按编码排序,共8个编码。对象出图时分上下两排,一排为4个方向,为显示方便,各对向方向在同一列,如东的左转为3编码相位,则西左转为7编码相位,其他方向同理。在 Synchro 系统中,可根据相位模块“Phase Templates”确定以东西向或南北向为主相位,不同主相位的编码顺序不一致。设置完成后,建立次干道四交叉口3D模型图,如图7所示。

图7 交叉口3D模型图

2) 初始信号配时方案延误分析。将北、南两十字交叉口调查所得信号配时方案代入节点1、4中,将2.2节中计算所得T型交叉口信号配时方案代入节点2、3中,相位设置见图8。

对初始信号配时方案进行仿真模拟,得到零相位差基础上,四个节点的交叉口延误时间分别为 23.9、11.3、9.8及22.3 s。

4.3 干线协调控制下的信号配时优化

(1) 优化方案一。该方案为保持各节点相位、周期不变,通过调节节点间相位差,获得现有配时方案下的最佳延误。

相位差通过Synchro时空图中的交通流量线法来协调。在调试过程中,若保持节点1不变,即“1”节点相位差为 0,节点2、3、4分别取相位差为45、26、39 s,可得四个节点最佳延误时间,分别为 23.9、11.4、8.4、20.8 s。与零相位差的初始信号配时方案相比,节点1延误保持不变,节点2增加0.1 s,节点3减少1.4 s,节点4减少1.5 s,总体上有一定程度改进。

(2) 优化方案二。该方案在保持各节点周期不变的前提下,对相位进行单点优化。利用Optimize Splits模块优化相位配时,优化完成后,可看到节点1及节点4的有效绿灯时间变为34、16 s,节点2的有效绿灯时间变为28、20 s,而节点3的有效绿灯时间变为17、31 s。

在新配时方案基础上,继续使用交通流量线法设置相位差,当节点2、3、4分别取相位差为3、19、30 s时,仿真结果显示四个节点延误时间分别为18.8、10.0、8.8、15.9 s,此时协调控制最佳。与初始方案相比,四个节点的延误分别减少5.1、1.3、1.0和6.4 s,比优化方案一改进程度要高。

(3) 优化方案三。该方案对各节点的周期、相位及节点间相位差都进行调整优化。

首先利用“Network cycle lengths”模块,设置周期间距为2,将不同周期下各交通效益指标罗列出来,表5给出了周期在50~80 s之间的相关数据。最佳周期选择时,首先考虑剔除含有未到达车辆指标的周期;其次,选择总停车时间最少的,因此确定周期64 s作为周期优化方案。

表5 不同周期效益参数

确定周期后,利用Optimize Splits模块优化相位配时,优化后节点1、4的有效绿灯时间为36、18 s,节点2的有效绿灯时间变为32、20 s,而节点3的有效绿灯时间变为17、35 s。

继续使用交通流量线法协调相位差,当节点2、3、4分别取相位差为24、42、49 s时,四个节点的仿真延误时长最小,分别为16.7、8.3、9.4、13.9 s,与初始方案相比,延误分别减少7.2、3.0、0.4、8.4 s。

(4) 改进效果对比分析。为方便比较,图9给出了三种协调控制优化方案与初始配时方案的延误对比。对于优化方案三,虽然节点3的改进程度不如方案一和方案二,但节点1、2、4的改进效果明显,因此,确定优化方案三为最佳方案。

图9 延误对比分析

4.4 基于信号配时协调优化的联合仿真分析

为进一步分析上述三种协调控制优化方案,将对应信号配时带入VISSIM仿真模型中,实现联合仿真,给出各交通评价指标,并与单点固定信号控制方案(表3结果)进行比较。考虑到互通立交的对称性,给出南十字交叉口和南T型交叉口两个节点的最终评价数据,详见表6、表7。

表6 各优化方案交通效益指标对比(南十字交叉口)

表7 各优化方案交通效益指标对比(南T型交叉口)

从仿真结果可知,对南十字交叉口,与初始方案相比,三个优化方案对于各项交通效益指标都有不同程度的改进,其中以优化方案三最为突出,改进程度最小为21.5%,最大为67.2%。对于南T型交叉口,同样是优化方案三改进程度最为突出,最小为7.04%,最大为33.33%,优化效果明显。

将三种优化方案的数据代入通行能力公式中,得到此时交叉口饱和度分别为0.65、0.67及0.64,结合信控延误数据,可判定前两种方案服务水平仍为C级。对于第三种方案,由于延误与饱和度对应的服务水平不一致,根据规定,以延误对应服务水平为准,故可判定优化方案三下交叉口的服务水平为B级。

综上可知,协调控制优化方案三即对周期、相位及相位差都优化调整的方案可获得较好的信号控制方案,减少交叉口延误,改进交通效益指标,提升服务水平,采用该方法进行多路口干线进行协调控制是必要且有效的。

5 结 语

受立交形式限制,半苜蓿叶互通容易在主线出口匝道与次干道地面衔接处形成交通拥堵,影响次干道整体通行能力。本文给出一种新型匝道分流方案,并联合VISSIM和Synchro对出口匝道与次干道进行协调调度优化,得到较优的信号控制方案。具体的研究结论如下:

(1) 通过在原有匝道附加左转匝道的方式,可提前分流,缓解出口匝道与次干道的堵塞问题;VISSIM模拟仿真表明,采用新型匝道方案后,平均停车延误、平均信控延误、最大排队长度及平均排队长度等交通效益指标得到不同程度改善,交叉口服务水平由D级变为C级,验证了分流方式设计的合理性。

(2) 针对单点固定信号控制的局限性,将匝道分流后形成的两个T型交叉口与次干道上的两个十字交叉口协调控制;采用Synchro中的交通流量线法确定相位差,同时提出位周期固定、相位变化周期固定、相位周期都变化三种优化方案。与VISSIM联合仿真可知,与初始方案相比,相位周期均变化的优化方案对交通效益指标改善程度最高,同时,交叉口服务水平从C级升级到了B级,证明采用干线协调控制解决主线匝道出口与地面衔接段的交通问题是十分合理和有效的。

需指出的是,本文只考虑了节点上的四个交通效益指标,在后续研究中可将车流密度等指标进行综合评价,以期获得更合理的结果。

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