基于VISSIM 仿真的城市道路平面交叉口交通組織優化

胡玉洲，施佳露

（1.惠州學院 經濟管理學院；2.惠州學院 數學與統計學院，廣東 惠州 516007）

交通基礎設施的完善為現代物流發展提供基礎支撐，道路交通的暢通為高效物流網絡奠定先行基礎。道路交叉口是城市路網中的瓶頸，嚴重制約著道路的通行效率，動態交通需求與約束性交通供給資源間的矛盾日益突出，提高交叉口服務水平能在不增加供給的情況下有效提高路網通行效率，對改善道路交叉口通行效率具有一定的應用價值。

當前關于交叉口交通優化的研究主要有下面3個方面：第一，關于交叉口設計的研究。如畸形交叉口二次優化［1］；交叉口優化的渠道［2］；新型左轉交通方式［3-5］；沖突研究［6，7］等。第二，信號控制研究。如混合交通流Webster 法［8］；改進Lagrange 乘子法［9］；Ring-Barrier 相位的配時模型［10］；深度強化學習［11-16］等。相關文獻表明，Ring-Barrier相位在非對稱車流交叉口更具優越性，而國內將Ring-Barrier相位規則應用于實際的較少。第三，VISSIM仿真研究。如其在交叉口設計與檢驗中的應用［17］及價值［18，19］；二次開發應用［20］等。梳理已有文獻發現，采用VISSIM法基于Ring-Barrier相位規則與Webster 信號配時法優化信控機制對特定交叉口的交通流組織的文獻較少，本文擬采用實地調研獲取交叉口現狀數據，針對交叉口通行效率與平均延誤問題，采用Ring-Barrier 相位規則與Webster 信號配時法優化交叉口信號配時，利用VISSIM對優化前后的交叉口建模并對比分析，衡量優化策略的效用，具有一定的創新性。

1 交叉口現狀和主要問題

1.1 交叉口概況

演達大道—東江東路交叉口緊密聯系多種城市功能區，連接二級公路南岸路，地理位置特殊。其實質為不規則交叉口，受限于西側惠州學院的交通需求波動性，可視為T 形路口或非對稱車流十字型交叉口。當前道路寬度為3.5 m，設置有人行道及自行車道，南進口設有演達大道輔道，未設置非機動車道，無公交專用道。采用高空俯瞰法觀測車道，現狀渠化如圖1 所示。

圖1 平面交叉口現狀

實地調研中，將大車折算為標準小汽車當量（pcu）得車流量如表1，總體交通流量較大，各空間與時間維度分布不均，混合交通流混亂。

表1 交叉口交通量

該交叉口共5 個相位：第一相位為南進口左轉和直行，綠燈時間28 s；第二相位為南北直行，綠燈時間50 s；第三相位為北進口左轉和直行，綠燈時間28 s；第四相位為東進口左轉和直行，綠燈時間23 s；第五相位為西進口左轉和直行，綠燈時間20 s。紅綠燈結束前予以10 s 長的倒計時，一個信號周期中最大行車時間為50 s，最大紅燈等待時間為129 s，計算其高峰時期交叉口服務水平為F，有很大的優化空間。此外，該交叉口尚未設置非機動車信號燈，非機動車信號控制跟隨機動車，行人信號控制跟隨直行機動車，必須2 次過街，而道路停留島無法支持安全條件。

1.2 設計通行能力與實際通行能力

根據《美國道路通行能力手冊》（HCM）［21］將大車折算為標準小汽車當量，該交叉口坡度小于7%，車速降低很少，可不予修正，該交叉口各車道的設計通行能力模型如下：

右轉車道：

直行車道或左轉車道：

直左車道：

直右車道：

直左右車道：

其中，各符號指代含義及取值如下：T指信號周期，取152 s；t0指綠燈亮后第一輛車啟動并通過停車線的時間，直行車道和直右車道取2.3 s，直左車道取3.4 s；ti指前后兩車連續通過停車線的平均車頭時距，取2.65 s/pcu；φ折減系數為0.8；tg指某一車道在信號周期內的綠燈顯示時間（s）；β指直左車道中左轉車所占比例。

據模型計算該交叉口設計通行能力，與實際通行能力對比如表2 所示，結果表明各進口道實際通行能力均小于設計通行能力，且交叉口整體實際通行能力遠不及設計通行能力。

表2 各進口道通行能力對比 pcu/h

2 基于VISSIM的交叉口現狀仿真

2.1 仿真步驟

本文選用PTV-VISSIM5.3軟件進行建模仿真。首先，合理假設不考慮行人與非機動車干擾且交叉口無掉頭行為，明確軟件限制、道路參數和仿真參數。其次，繪制仿真底圖導入軟件并鋪連路段、輸入調研獲得的車流數據、設置靜態車輛路徑、添加信號配時方案等初步建立仿真路網。最后，不斷調整和完善路網至最佳狀態后運行仿真，現狀仿真如圖2所示。

圖2 現狀仿真運行-2D

2.2 仿真結果

以10 次隨機仿真為1 組，去除前100 秒車輛到達交叉口所需時間帶來的延誤，結合VISSIM中輸出的仿真結果根據《美國道路通行能力手冊》（HCM）對交叉口服務水平進行評定，其延誤時間大于80 s，整體車輛平均延誤時間為81.07 s，服務水平為F；東進口車均延誤97.77 s，北進口車均延誤104.60 s，二者服務水平均為F，交通過于飽和，延誤時間均大于80 s；西進口車均延誤76.1 s，服務水平為E；南進口車均延誤45.69 s，服務水平為D。具體而言，北進口車輛延誤最高的是直左車道，平均延誤值達162.04 s，遠超可忍耐極限，即該車道行車體驗極差。南進口整體服務水平尚可接受，但左轉車道高峰期時車輛平均延誤達106.93 s，服務水平為F，依然有很大的改進空間。

仿真結果表明，該平面交叉口存在信號配時與信號指示燈不合理、慢行系統設計不完善、交通標識混亂、沖突點多等交通管理與控制問題。

3 平面交叉口交通組織優化策略

3.1 基于Ring-Barrie相位的相序優化

3.1.1 優化車道功能劃分與掉頭方式

首先，重新定義車道功能劃分是相位相序設置的先決條件，因此需結合交叉口實際情況對各車道功能進行重新劃分。其次，當前采用進口道上游掉頭方式，掉頭車輛無專用信號燈控制，較小的轉彎半徑阻礙左轉車通行效率，現有展寬段存在較大壓力。有學者對3 種主流掉頭方式進行研究并表明：安全與通行效率兼顧的條件下，當車速大于50 km/h 時，采用停止線前掉頭最優［21］。在60 km/h 車速條件中，該掉頭方式下掉頭車輛被剝離，追尾沖突少，且不與行人發生沖突，提高交叉口的靈活度。而西進口右轉車輛通過右轉專用匝道通行，故不與順時針右轉車流形成沖突。

綜上，改用停車線前掉頭方式，優化車道功能劃分后的交叉口渠化情況如圖3。

圖3 優化后的交叉口渠化情況

3.2.2 Ring-Barrier相位下早啟遲斷式相序初判

Ring-Barrie 相位具有更高的車輛通行效率，且允許某一相位信號燈早啟與遲斷，節約時間資源，最大程度利用空間資源。同時，它能夠從整體上縮短信號周期，從而減短信號周期內紅燈時長，實現單交叉口平均延誤最小的目標，在進口流量不均勻的交叉口表現尤為優異。據調研數據，東進口和南進口平均左轉車流量（每小時車輛數vph）大于200 vph，需要設置左轉保護相位；西進口和北進口高峰左轉車流量大于100 vph且小于200 vph，但計算其與東進口單車道直行車流量的乘積大于50 000 vph，需要設置左轉保護相位。因此，該交叉口理論上應設置左轉專用相位，且實際上滿足左轉專用相位的設置條件。同時，當前交叉口右轉匝道設置較為完善，無需右轉專用相位?；诖?，據相位規則對各車道組編號如圖4。

圖4 各車道組編號

3.2 基于Webster法的信號配時優化

綜合考量各種優化方法與研究條件，本文擬采用最為常用的Webster 法以單交叉口車輛平均延誤最小為目標，交叉口整體車流飽和度為0.56＜1，符合應用條件。故建立信號配時模型如下：

（1）實用周期時長C

定時信號（近似）最佳周期時長計算公式為：

為確保信號配時方案能夠將交叉口的飽和度控制在目標飽和度（V/C）之下，且更好的應對高峰小時的波動性，采用交叉口實用信號周期時長模型如下：

（2）總有效綠燈時間

（3）各相位有效綠燈時間

（4）各相位顯示綠燈時間

（5）行人最短綠燈時間

式中，y為流率比；l為啟動損失時間（s）；L為每周期的總損失時間（s）；q為到達流量（pcu/h）；z為停止線到沖突點距離（m）；i為一個周期內的相位數（個）；A為黃燈時間（s）；I為綠燈間隔時間（s）；ts為車輛制動時間（s）；ua為車輛在進口道上的行駛車速（m/s）；Y為組成周期的全部信號相位的各個最大y值之和；s為飽和流率（pcu/h），直行車道取均值1 650，左轉和右轉車道取1 550。

由于高峰時段車流更適合以通行能力最大為優化指標而非車輛平均延誤最小，為降低高峰時段的“準飽和”車流對此法精確度的影響，采用平均小時車流量求解計算。首先，依據中國道路交叉口習慣設置黃燈時間為3 s，整個交叉口進口道車速控制為60 km/h，各相位停車線到最遠沖突車道距離等于交叉口最大寬度，可得全紅時長取整為3 s。其次，在左轉專用保護相位條件下，左轉車流直行當量系數ELT=1.05，通過線性插值法得右轉車道直行當量系數ERT=1.192，得出等效車流量后計算流率比為Y=0.49＜0.9 符合條件。最后，計算信號損失時間為24 s，周期時長為75 s，分配綠時。

檢驗符合要求后信號配時完成，優化后第一相位為南北左轉，第二相位為南進口直行和左轉，第三相位為南北直行，第四相位為東西左轉，第五相位為東進口直行和左轉，第六相位為東西直行。各進口道信號配時與相序如表3，優化后的相位控制進程如圖5。

表3 優化后的各相位信號配時 s

圖5 優化后的相位控制進程圖

3.3 優化后的仿真模型

根據優化后的交叉口再次建模仿真，控制假設條件與參數一致，導入優化后的路網并保持各車道命名不變以方便對比，更改信號配時為優化后的Ring-Barrier相位，輸入8個相位的控制時間得到優化后的仿真模型與效果如圖6。

圖6 優化后的VISSIM仿真路網

保持評價指標與數據處理方式一致，將優化前后的數據進行對比如表4，表明交叉口整體服務水平由等級F 提升為等級D，車均延誤降低了38.35 s，行車環境得到顯著改善。對于單進口到而言，東進口平均延誤時間降低了59.85%，效果最為顯著。北進口平均延誤時間降低了47.64%，西進口平均延誤時間降低了55.52%，而南進口到沒有明顯改變。對于南北進口左轉車道而言，優化后的北進口直左車道變為直行車道，車均延誤降低由162.04 s 降低為63.33 s，提升了60.92%；南進口左轉車道組延誤水平降低為74.38 s，服務水平提升為E。結果表明，本文的優化策略對改善交叉口通行能力行之有效，交叉口行車環境有很大的改善，從難以接受的延誤水平降低到尚可接受的延誤水平。

表4 優化前后的結果比較

4 結論

選取交通組織特殊的演達大道—東江東路交叉口作為研究對象，運用仿真軟件評估優化前后交叉口服務水平與通行效率，研究結果表明，優化后交叉口車均延誤時長降低了47.30 %，整體服務水平上升兩個等級，交叉口整體車均延誤降低至尚可接受的水平，且各進口方向車均延誤均有所改善，對目標交叉口優化效果較為顯著。研究表明，優化車道功能劃分與信號配時方案可以提高交叉口通行能力，Ring-Barrier相位與早啟遲斷式信號控制具有適用性與創新性。本文的研究方法和結論對于非對稱車流十字型交叉口交通組織的優化具有一定的參考價值，對于緩解交叉口沖突點和擁堵，改善交叉口通行能力具有一定的指導意義。

本文的局限性在于調研樣本不夠龐大和全面，缺乏對偶然性因素的探討；仿真軟件可統計時長較短且未納入臨近道路如南岸路信控、行人和非機動車因素。未來可以收集更加全面的數據，結合上下游交叉口對潮汐交通與綠波交通進行研究，或評價降低交叉口通行效率的因素。