基于VISSIM 仿真的城市道路平面交叉口交通组织优化

胡玉洲，施佳露

（1.惠州学院 经济管理学院；2.惠州学院 数学与统计学院，广东 惠州 516007）

交通基础设施的完善为现代物流发展提供基础支撑，道路交通的畅通为高效物流网络奠定先行基础。道路交叉口是城市路网中的瓶颈，严重制约着道路的通行效率，动态交通需求与约束性交通供给资源间的矛盾日益突出，提高交叉口服务水平能在不增加供给的情况下有效提高路网通行效率，对改善道路交叉口通行效率具有一定的应用价值。

当前关于交叉口交通优化的研究主要有下面3个方面：第一，关于交叉口设计的研究。如畸形交叉口二次优化［1］；交叉口优化的渠道［2］；新型左转交通方式［3-5］；冲突研究［6，7］等。第二，信号控制研究。如混合交通流Webster 法［8］；改进Lagrange 乘子法［9］；Ring-Barrier 相位的配时模型［10］；深度强化学习［11-16］等。相关文献表明，Ring-Barrier相位在非对称车流交叉口更具优越性，而国内将Ring-Barrier相位规则应用于实际的较少。第三，VISSIM仿真研究。如其在交叉口设计与检验中的应用［17］及价值［18，19］；二次开发应用［20］等。梳理已有文献发现，采用VISSIM法基于Ring-Barrier相位规则与Webster 信号配时法优化信控机制对特定交叉口的交通流组织的文献较少，本文拟采用实地调研获取交叉口现状数据，针对交叉口通行效率与平均延误问题，采用Ring-Barrier 相位规则与Webster 信号配时法优化交叉口信号配时，利用VISSIM对优化前后的交叉口建模并对比分析，衡量优化策略的效用，具有一定的创新性。

1 交叉口现状和主要问题

1.1 交叉口概况

演达大道—东江东路交叉口紧密联系多种城市功能区，连接二级公路南岸路，地理位置特殊。其实质为不规则交叉口，受限于西侧惠州学院的交通需求波动性，可视为T 形路口或非对称车流十字型交叉口。当前道路宽度为3.5 m，设置有人行道及自行车道，南进口设有演达大道辅道，未设置非机动车道，无公交专用道。采用高空俯瞰法观测车道，现状渠化如图1 所示。

图1 平面交叉口现状

实地调研中，将大车折算为标准小汽车当量（pcu）得车流量如表1，总体交通流量较大，各空间与时间维度分布不均，混合交通流混乱。

表1 交叉口交通量

该交叉口共5 个相位：第一相位为南进口左转和直行，绿灯时间28 s；第二相位为南北直行，绿灯时间50 s；第三相位为北进口左转和直行，绿灯时间28 s；第四相位为东进口左转和直行，绿灯时间23 s；第五相位为西进口左转和直行，绿灯时间20 s。红绿灯结束前予以10 s 长的倒计时，一个信号周期中最大行车时间为50 s，最大红灯等待时间为129 s，计算其高峰时期交叉口服务水平为F，有很大的优化空间。此外，该交叉口尚未设置非机动车信号灯，非机动车信号控制跟随机动车，行人信号控制跟随直行机动车，必须2 次过街，而道路停留岛无法支持安全条件。

1.2 设计通行能力与实际通行能力

根据《美国道路通行能力手册》（HCM）［21］将大车折算为标准小汽车当量，该交叉口坡度小于7%，车速降低很少，可不予修正，该交叉口各车道的设计通行能力模型如下：

右转车道：

直行车道或左转车道：

直左车道：

直右车道：

直左右车道：

其中，各符号指代含义及取值如下：T指信号周期，取152 s；t0指绿灯亮后第一辆车启动并通过停车线的时间，直行车道和直右车道取2.3 s，直左车道取3.4 s；ti指前后两车连续通过停车线的平均车头时距，取2.65 s/pcu；φ折减系数为0.8；tg指某一车道在信号周期内的绿灯显示时间（s）；β指直左车道中左转车所占比例。

据模型计算该交叉口设计通行能力，与实际通行能力对比如表2 所示，结果表明各进口道实际通行能力均小于设计通行能力，且交叉口整体实际通行能力远不及设计通行能力。

表2 各进口道通行能力对比 pcu/h

2 基于VISSIM的交叉口现状仿真

2.1 仿真步骤

本文选用PTV-VISSIM5.3软件进行建模仿真。首先，合理假设不考虑行人与非机动车干扰且交叉口无掉头行为，明确软件限制、道路参数和仿真参数。其次，绘制仿真底图导入软件并铺连路段、输入调研获得的车流数据、设置静态车辆路径、添加信号配时方案等初步建立仿真路网。最后，不断调整和完善路网至最佳状态后运行仿真，现状仿真如图2所示。

图2 现状仿真运行-2D

2.2 仿真结果

以10 次随机仿真为1 组，去除前100 秒车辆到达交叉口所需时间带来的延误，结合VISSIM中输出的仿真结果根据《美国道路通行能力手册》（HCM）对交叉口服务水平进行评定，其延误时间大于80 s，整体车辆平均延误时间为81.07 s，服务水平为F；东进口车均延误97.77 s，北进口车均延误104.60 s，二者服务水平均为F，交通过于饱和，延误时间均大于80 s；西进口车均延误76.1 s，服务水平为E；南进口车均延误45.69 s，服务水平为D。具体而言，北进口车辆延误最高的是直左车道，平均延误值达162.04 s，远超可忍耐极限，即该车道行车体验极差。南进口整体服务水平尚可接受，但左转车道高峰期时车辆平均延误达106.93 s，服务水平为F，依然有很大的改进空间。

仿真结果表明，该平面交叉口存在信号配时与信号指示灯不合理、慢行系统设计不完善、交通标识混乱、冲突点多等交通管理与控制问题。

3 平面交叉口交通组织优化策略

3.1 基于Ring-Barrie相位的相序优化

3.1.1 优化车道功能划分与掉头方式

首先，重新定义车道功能划分是相位相序设置的先决条件，因此需结合交叉口实际情况对各车道功能进行重新划分。其次，当前采用进口道上游掉头方式，掉头车辆无专用信号灯控制，较小的转弯半径阻碍左转车通行效率，现有展宽段存在较大压力。有学者对3 种主流掉头方式进行研究并表明：安全与通行效率兼顾的条件下，当车速大于50 km/h 时，采用停止线前掉头最优［21］。在60 km/h 车速条件中，该掉头方式下掉头车辆被剥离，追尾冲突少，且不与行人发生冲突，提高交叉口的灵活度。而西进口右转车辆通过右转专用匝道通行，故不与顺时针右转车流形成冲突。

综上，改用停车线前掉头方式，优化车道功能划分后的交叉口渠化情况如图3。

图3 优化后的交叉口渠化情况

3.2.2 Ring-Barrier相位下早启迟断式相序初判

Ring-Barrie 相位具有更高的车辆通行效率，且允许某一相位信号灯早启与迟断，节约时间资源，最大程度利用空间资源。同时，它能够从整体上缩短信号周期，从而减短信号周期内红灯时长，实现单交叉口平均延误最小的目标，在进口流量不均匀的交叉口表现尤为优异。据调研数据，东进口和南进口平均左转车流量（每小时车辆数vph）大于200 vph，需要设置左转保护相位；西进口和北进口高峰左转车流量大于100 vph且小于200 vph，但计算其与东进口单车道直行车流量的乘积大于50 000 vph，需要设置左转保护相位。因此，该交叉口理论上应设置左转专用相位，且实际上满足左转专用相位的设置条件。同时，当前交叉口右转匝道设置较为完善，无需右转专用相位。基于此，据相位规则对各车道组编号如图4。

图4 各车道组编号

3.2 基于Webster法的信号配时优化

综合考量各种优化方法与研究条件，本文拟采用最为常用的Webster 法以单交叉口车辆平均延误最小为目标，交叉口整体车流饱和度为0.56＜1，符合应用条件。故建立信号配时模型如下：

（1）实用周期时长C

定时信号（近似）最佳周期时长计算公式为：

为确保信号配时方案能够将交叉口的饱和度控制在目标饱和度（V/C）之下，且更好的应对高峰小时的波动性，采用交叉口实用信号周期时长模型如下：

（2）总有效绿灯时间

（3）各相位有效绿灯时间

（4）各相位显示绿灯时间

（5）行人最短绿灯时间

式中，y为流率比；l为启动损失时间（s）；L为每周期的总损失时间（s）；q为到达流量（pcu/h）；z为停止线到冲突点距离（m）；i为一个周期内的相位数（个）；A为黄灯时间（s）；I为绿灯间隔时间（s）；ts为车辆制动时间（s）；ua为车辆在进口道上的行驶车速（m/s）；Y为组成周期的全部信号相位的各个最大y值之和；s为饱和流率（pcu/h），直行车道取均值1 650，左转和右转车道取1 550。

由于高峰时段车流更适合以通行能力最大为优化指标而非车辆平均延误最小，为降低高峰时段的“准饱和”车流对此法精确度的影响，采用平均小时车流量求解计算。首先，依据中国道路交叉口习惯设置黄灯时间为3 s，整个交叉口进口道车速控制为60 km/h，各相位停车线到最远冲突车道距离等于交叉口最大宽度，可得全红时长取整为3 s。其次，在左转专用保护相位条件下，左转车流直行当量系数ELT=1.05，通过线性插值法得右转车道直行当量系数ERT=1.192，得出等效车流量后计算流率比为Y=0.49＜0.9 符合条件。最后，计算信号损失时间为24 s，周期时长为75 s，分配绿时。

检验符合要求后信号配时完成，优化后第一相位为南北左转，第二相位为南进口直行和左转，第三相位为南北直行，第四相位为东西左转，第五相位为东进口直行和左转，第六相位为东西直行。各进口道信号配时与相序如表3，优化后的相位控制进程如图5。

表3 优化后的各相位信号配时 s

图5 优化后的相位控制进程图

3.3 优化后的仿真模型

根据优化后的交叉口再次建模仿真，控制假设条件与参数一致，导入优化后的路网并保持各车道命名不变以方便对比，更改信号配时为优化后的Ring-Barrier相位，输入8个相位的控制时间得到优化后的仿真模型与效果如图6。

图6 优化后的VISSIM仿真路网

保持评价指标与数据处理方式一致，将优化前后的数据进行对比如表4，表明交叉口整体服务水平由等级F 提升为等级D，车均延误降低了38.35 s，行车环境得到显著改善。对于单进口到而言，东进口平均延误时间降低了59.85%，效果最为显著。北进口平均延误时间降低了47.64%，西进口平均延误时间降低了55.52%，而南进口到没有明显改变。对于南北进口左转车道而言，优化后的北进口直左车道变为直行车道，车均延误降低由162.04 s 降低为63.33 s，提升了60.92%；南进口左转车道组延误水平降低为74.38 s，服务水平提升为E。结果表明，本文的优化策略对改善交叉口通行能力行之有效，交叉口行车环境有很大的改善，从难以接受的延误水平降低到尚可接受的延误水平。

表4 优化前后的结果比较

4 结论

选取交通组织特殊的演达大道—东江东路交叉口作为研究对象，运用仿真软件评估优化前后交叉口服务水平与通行效率，研究结果表明，优化后交叉口车均延误时长降低了47.30 %，整体服务水平上升两个等级，交叉口整体车均延误降低至尚可接受的水平，且各进口方向车均延误均有所改善，对目标交叉口优化效果较为显著。研究表明，优化车道功能划分与信号配时方案可以提高交叉口通行能力，Ring-Barrier相位与早启迟断式信号控制具有适用性与创新性。本文的研究方法和结论对于非对称车流十字型交叉口交通组织的优化具有一定的参考价值，对于缓解交叉口冲突点和拥堵，改善交叉口通行能力具有一定的指导意义。

本文的局限性在于调研样本不够庞大和全面，缺乏对偶然性因素的探讨；仿真软件可统计时长较短且未纳入临近道路如南岸路信控、行人和非机动车因素。未来可以收集更加全面的数据，结合上下游交叉口对潮汐交通与绿波交通进行研究，或评价降低交叉口通行效率的因素。