基于VISSIM仿真的對稱交叉口交通延誤分析

唐一維，漆瑞婷

(1 上海海事大學 交通運輸學院，上海 201306；2 西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031)

0 引言

城市信號交叉口是城市交通網絡的常發性堵點.如何提升城市交叉口的通行能力是交通管理者長期關心的難題.按照是否設計有預信號，可將提升交叉口的通行能力的方案劃分為兩大類.

第一類，設置有預信號.①連續流交叉口[1-4]，將左轉車輛引至道路最右側，如圖1(a)所示.②出口道左轉交叉口[5-7]，將出口車道設置為左轉車道，如圖1(b)所示.③排陣式交叉口[8-10]，在進口道設置排隊區，允許不同流向車輛在不同時段進入，如圖1(c)所示.④可變導向車道[11-12]，允許進口道某條車道功能改變，如圖1(d)所示.該類方案雖然可以提升交叉口的通行能力，但由于需要設置預信號和在中央分隔帶開口，會增加交叉口設施成本.同時如果預信號和主信號之間的信號協調設置不當，會造成駕駛員被困在主預信號之間無法通過交叉口，增加行駛風險，也降低了交叉口通行效率.

圖1 交叉口非常規設計

第二類，沒有設置預信號.①通過優化信號控制，提升交叉口的通行能力.由于交通需求的急劇增加，通過優化信號配時提升交叉口通行能力對于緩解交叉口擁堵的作用越來越不明顯.②對稱交叉口(Symmetric Intersections)[13].通過重新組織交叉口交通流線，一條干道上的車輛靠右行駛，另一條相交道路上的車輛靠左行駛，提升交叉口的通行能力.VISSIM仿真結果顯示[13]在交叉口信號周期固定時，對稱交叉口的通行能力較常規交叉口可提升21.05 %.綜上對稱交叉口具有通行能力大、設置費用低，節約土地等優勢.

通過仿真手段比較對稱交叉口和常規交叉口車輛延誤，驗證其優越性；分析對稱交叉口在不同的交通流量大小、不同的轉向車流比例情況下車輛延誤的變化情況，總結對稱交叉口的最優適用交通條件，對于分析對稱交叉口的使用環境和推廣對稱交叉口的應用具有重要意義.由于對稱交叉口提出時間較晚，暫無該方面的研究.

1 對稱交叉口簡介

對稱交叉口于2018年被提出[13].該類交叉口最大的特征在于在交叉口內部混合有靠左行駛交通流和靠右行駛交通流.通過重新組織車輛行車方向，減少信號交叉口車流沖突和信號相位數，提升交叉口運營效率.對稱交叉口的車輛行車組織和相位設計如圖2所示，對稱交叉口僅需要3個相位就可釋放交叉口的所有車流.

圖2 對稱交叉口相位圖

2 VISSIM仿真平臺搭建

由于對稱交叉口并未實際應用，為橫向分析評價對稱交叉口的延誤情況，采用VISSIM軟件分別仿真傳統交叉口和對稱交叉口在相同流量比下的行人和車輛延誤；為縱向評價對稱交叉口的延誤情況，將仿真不同流量比下對稱交叉口的延誤.仿真平臺搭建步驟主要如下：

圖3 對稱交叉口車道示意圖

圖4 車道屬性

1)繪制仿真路網.將交叉口底圖導入VISSIM軟件，根據傳統交叉口和對稱交叉口的車輛行駛路徑繪制其仿真車道，各方向進口道車道數分別為左轉、右轉車道1條，直行車道1條，設置各進口道名稱，同時繪制各進口道處人行橫道.

2)設置各路段流量.橫向對比組中傳統交叉口和對稱交叉口的對比組設置為進口道總流量固定為1 000 pcu/h，各方向車流量比例變化；對稱交叉口縱向對比組將設置進口道總流量固定為1 000 pcu/h，各方向車流量比例變化和進口道各方向車流量比例固定為3∶4∶3，總流量變化.以上車輛構成均為98 %的小汽車和2 %的貨車，各方向人行橫道的行人流量設置為360 ped/h.

表1 對比組流量設置

表2 進口道總流量固定的信號配時

表3 進口道各方向車流比例固定下的信號配時

3)交通信號設置.利用Webster法對不同情況下的交叉口進行信號配時，得到不同車流狀況下對稱交叉口三個相位的綠燈時長.橫向對比組中傳統交叉口的信號周期時長分別為344 s(2∶6∶2)、148 s(3∶4∶3)、94 s(4∶2∶4)，其中，由于在4∶2∶4的情況下傳統交叉口關鍵流率比較大，故該比例下設置南北、東西向左轉、右轉車流一起釋放.

4)優先原則設置.遵循以人為本的原則，在仿真中設置行人優先，即車輛和行人發生沖突時，車輛停止運動，等待行人先行.

5)設置行程時間檢測器.在各條路徑延誤檢測區段配置相應的行程時間檢測器，配置“行程時間”“延誤”檢測評價，用以最終對比分析，見圖5.

6)運行仿真.由于對稱交叉口遵循左手行駛規則，在仿真參數設置中應選擇“Left-side traffic”.仿真時間為3 600 s，由于軟件仿真前期車流可能存在不穩定情況，需剔除前1 200 s數據，提高仿真結果準確性，見圖6、圖7.

圖5 檢測器設置示意圖

圖6 仿真過程平面示意圖

圖7 仿真過程3D示意圖

3 結果分析

3.1 傳統交叉口與對稱交叉口對比分析

傳統交叉口和對稱交叉口均仿真了各方向進口道總流量為1 000 pcu/h，左轉車流量：直行車流量：右轉車流量分別為2∶6∶2、3∶4∶3、4∶2∶4的情況，得到交通延誤如表4所示.

表4 傳統交叉口和對稱交叉口交通延誤

從表4可知，在相同情況下，傳統交叉口周期時長均大于對稱交叉口周期時長，以左轉車流量∶直行車流量∶右轉車流量=3∶4∶3為例，對稱交叉口較傳統交叉口周期時長降低了61.8 %.從交叉口運行效率來看，對稱交叉口在交通延誤上均優于傳統交叉口，3種轉彎流量比例下行人延誤分別降低了64.02 %、67.78 %、88.66 %，車輛延誤分別降低了19.64 %、55.83 %、41.37 %，對稱交叉口通行能力顯著提升，具有較強的優越性.

3.2 對稱交叉口流量比變化對比分析

因對稱交叉口交通延誤和通行能力優于傳統交叉口，且無需設置預信號和占用額外的土地，在未來可能普遍應用，為實現對稱交叉口實際應用時狀態最優，效率最高，需要進一步分析對稱交叉口在不同的交通流量大小、不同的轉向車流比例情況下車輛延誤的變化情況，總結對稱交叉口的最優適用交通條件.

3.2.1 進口道總流量固定

當進口道總流量固定時，改變進口道左轉、直行、右轉車流量比例，分析對稱交叉口適合何種轉彎車流比率.各轉彎比例的仿真數據如表5所示.

表5 總流量固定時對稱交叉口延誤

從表5可以發現，隨著左轉和右轉車輛的總流量的不斷增加，交叉口的整體延誤呈現先降低后增加的趨勢，行人延誤和車輛延誤分別也先降低后增加.在左轉、直行、右轉車流量接近時(左∶直∶右=3∶4∶3)，交叉口整體延誤最低，為40.91 s，行人延誤和車輛延誤分別為12.76 s和59.68 s.

在2∶6∶2和4∶2∶4比例下，周期時長均為93 s，轉彎比例較小時(左∶直∶右=2∶6∶2)，整體延誤、車輛延誤較轉彎比例較大時(左∶直∶右=4∶2∶4)分別降低了18.90 %、23.66 %.延誤的降低說明，對稱交叉口進口道轉彎車流和直行車流不均衡時，對稱交叉口更適用于轉彎車流較少的情況.這是因為轉彎車流越大，第1相位和3相位中車輛和行人的沖突越多，車輛等待時間也隨之增加，車輛延誤增加.

在行人延誤方面，車輛延誤較轉彎比例較大時(左∶直∶右=4∶2∶4)，行人延誤為20.04 s，轉彎比例較小時(左∶直∶右=2∶6∶2)，行人延誤為23.64 s，說明轉彎車流大，行人延誤反而更小.這是因為當轉彎車流比較小時，第1相位綠燈時間與第3相位綠燈時間相差較大(如表2所示，g1=14 s，g3=35 s)，導致1個周期內第1相位到達的行人可能無法1次全部通行，需等待下1個綠燈時間，行人延誤增加.

3.2.2 車流比例固定

上述研究說明在進口道轉彎車流和直行車流較為均衡的條件下，對稱交叉口可以顯著降低交叉口的通行延誤.因此，在轉彎車流和直行車流較為均衡的條件，分析交叉口總流量改變對交叉口延誤變化的影響也具有重要作用.本文選擇設置高、中、低3種流量條件，進口道車輛總流量分別為800 pcu/h、1 000 pcu/h、1 200 pcu/h，分析交叉口延誤.

表6 車流比例固定時對稱交叉口延誤

由表6可知，在進口道轉彎車流比例一定的情況下，對稱交叉口更適合中等車流量的情況，在車流量較少和較多的情況下，均會引起整體延誤的增加，降低交叉口通行能力.在進口道車流量為800 pcu/h時，周期時長較短，3個相位綠燈時間相近，行人等待時間較短，即行人延誤最低；進口道總車流量越多，3個相位的綠燈時間越接近，導致以直行車道為關鍵車道組的第2、3相位需要等待第1相位增加的轉彎車輛通行時間，車輛延誤增加.

4 總結

本文比較了對稱交叉口和常規交叉口在同一交通環境下交叉口行人和車輛延誤情況，證明了對稱交叉口的優越性.同時本文也分析比較了在進口道總流量固定，車輛轉向流量比變化和車輛轉向流量固定，進口道總流量變化情況下對稱交叉口延誤的變化情況.VISSIM仿真結果顯示，對稱交叉口適合于總車流量中等、轉彎車輛和直行車輛比例均衡的情況.后續研究中可以考慮增加公交車等特殊車輛，研究對稱交叉口的最優適用條件，便于后續對稱交叉口的推廣應用.