道路交叉口交通信号控制设计——以天津复兴门为例

王少华，张 海，任 超，关志伟

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222；天津市公安交通管理局科研所，天津 300040）

道路交叉口交通信号控制设计
——以天津复兴门为例

王少华1，张 海2，任 超2，关志伟1

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222；天津市公安交通管理局科研所，天津 300040）

对天津市复兴门交叉口的实际交通环境和信号控制状况进行了调查分析，运用Webster信号配时法，对交通信号控制方案进行了设计，并基于交通微观仿真软件VISSIM进行了实验。结果表明：所设计的方案二，平均行程时间可缩短18.90%，平均延误减少24.67%，平均排队长度减少8.97%，各项指标均优于原有配时方案。

复兴门；交叉口；信号控制；VISSIM

交叉口交通控制的优化与完善已经成为缓解交通拥堵、提高道路通行能力、促进交通运输效率的重要内容。交叉口优化的重要内容之一就是交通管理与控制，特别是信号配时方案的设计与实施。2006年至2012年，天津市机动车保有量由120万辆增加到236万辆，过去3年中，增加了100万辆车。原有道路基础设施供给量的不足以及交通控制管理、公共交通建设等方面存在的不足，造成天津市中心城区道路交通堵塞路段增多、出行效率下降、道路网应变能力差等问题，交通拥堵的问题因此也成为影响天津市经济良性发展的症结之一。交通拥堵问题不仅造成居民不便，还造成空气污染加剧，更对城市的可持续发展造成阻碍[1]。因此，有必要进行交通拥堵点的交通优化研究。本文在对天津市复兴门交叉口进行交通现状调查、分析交通拥堵原因和冲突方式的基础上，运用Webster信号配时法进行交通信号控制优化，运用VISSIM仿真软件建立交叉口3D微观仿真模型并进行仿真评价，根据评价结果进行现状问题的分析，对交叉口采取渠化、重新配时等措施进行再次仿真，优化后的仿真有效地降低了车辆的延误和排队长度，大大提高了道路的通行能力。

1 交叉口现状分析

交叉口的交通现状调查主要包括交叉口周边环境、土地使用性质、高峰小时交通量调查、交通渠化调查、行车延误、信号控制、机动车通行能力、交叉口服务水平等，还包括干扰机动车通行的因素和拥堵原因分析。

1.1 交通环境调查

复兴门交叉口实景俯视图如图1所示。复兴门交叉口位于天津市河西区，距海津大桥东南侧约780 m，为五岔路口，属于由大沽南路、微山路、郁江道和清湾路交汇而成平交灯控路口。

图1 复兴门交叉口俯视图

由于外环线内后5 km只有海津大桥一座过河通道，河东区、东丽区进入市区过河通道不足，因此早晚高峰期间，从天津大道进入市区、从河东区沿着海津大桥进入大沽南路车辆数量较大，造成此节点交通拥堵严重，复兴门交叉口前后两处立交桥上的大量快速车流与两条支路上的车流在此形成车速瓶颈。同时，该交叉口西北方向约300 m是地铁1号线复兴门车站，路口东南方向约600 m是北京师范大学天津附属中学，周边还有医院、商铺、住宅小区、消防车队、派出所、研究所和公交车站，车流在此主辅路交织严重。

1.2 信号控制调查

复兴门交叉口固定信号配时方案如图2所示。其中下行是指大沽南路至市外方向，上行是指大沽南路至市内方向。信号周期因时段而有差异，早高峰信号周期总时长是150 s，全红时间2 s，信号控制方案分为4个相位。

图2 复兴门交叉口信号相位图

1.3 交通量调查

本次调查日期选在2012年12月5日（星期三），选取时间段为上午6：30至8：30，下午16：30至18：30。

调查方式采用了人工计数法，每隔5 min记一次车流量。调查对复兴门交叉口机动车流量进行了车型调查、流量调查，调查前对交叉口的车流方向进行编号，共13个车流方向。调查统计如图3所示，该交叉口机动车流量早高峰时段为6：55至7：55，晚高峰时段为17：05至18：05。

图3 复兴门交叉口调查统计图

2 交通现状分析

（1）个别进口标线模糊不清，部分标线设置不全面。大沽南路至市外方向主道和辅道路面中心线、行车道分界线、行车辅助线、车行道边缘线已经模糊不清，车辆在该进口道行驶时交通秩序有些混乱，存在一定安全隐患，并降低了该交叉口的服务水平。

（2）大沽南路上行方向进口主道停车线过于靠后。大沽南路至市内方向主道进口过去靠后，使得车辆通过路口的行驶时间过长，同时也使得主道和辅道左转以及掉头车辆交织严重，排队通过时间过长，制约了交叉口的通行能力。

（3）机非混行严重。该交叉口交通流量大、主道辅道道口较多，且没有机非隔离设施、斑马线及安全岛，导致行人、自行车、摩托车仅依靠主观判断车流间隙穿过路口，因此机非混行严重，造成机动车延误增加，交通秩序混乱，并危及行人过街安全[2]。

从传统的技术理性的认识论来看，教学是一种传送知识的活动，一种技术性工作。这种认识论认为，知识都是科学的、标准的，由别人创造好的，教师基本上承担“执行者”的角色，忠实地执行教育行政部门选定的教材，有效地贯彻教学研究部门提供的教学指导和参考资料，并使用他们编制的考试试卷以评价教和学的效果。[1]也就是说，教学工作相对简单，是确定好的，并且可以进行标准化操作。因此，教学成了杜威所说的一套惯常的、可机械地执行的活动。作为技术人员的教师常常不加批判地接受在学校发生的现实，每天需要做的就是尽力找到最有效率、最有效果的办法去解决问题。他们失去了对工作的目的和结果的反思。[2]

（4）多岔口影响严重。复兴门交叉口不是规则交叉口，并且交叉口所连接的多条道路车道数不同，断面性质不同，车流量不同，导致主道和辅道上的车辆不得不在交叉口范围内进行交织分合流。这一现象主要体现在大沽南路主道和辅道双向直行的车辆，以及大沽南路上行和下行左转和掉头的车辆[3]。

（5）相位设计不够合理。大沽南路主道车辆右转如果不受控，则在相位1和相位2可能与辅路直行车辆冲突。如果受控，则按原相位只能在第4相位实现，这样导致右转进入小海地居住区车辆等待时间过长。

3 交通优化方案设计

国际上固定信号配时一般有英国的TRRL法（Webster法）、澳大利亚的ARRB法以及美国的HCM法，我国有“停车线法”和“冲突点法”等。不同信号配时方法的应用条件、适应场合均不同。本次优化为简化起见，采用Webster法，式（1）和式（2）为配时优化公式，经计算Y值大于0.9，因此须改进进口道设计或信号相位方案[4]。

式中：C0为最佳周期；Y为组成周期的全部信号相位的各个最大车道流量比之和；L为每个周期的总损失时间（s），计算公式为：

式中：l为车辆启动损失时间，应实测，无时间数据可取2 s；I为绿灯间隔时间，即黄灯时间加全红灯时间，全红灯时间为1～4 s；A为黄灯时间，一般为3 s；n为所设相位数。

3.1 方案一

方案一主要采取了以下优化措施，各进口具体渠化设计方案如下：①对交叉口的交通流重新渠化，设置明确标志标线以及渠化导流岛；②增加行人横道线及过街安全岛；③增加左转弯待驶区；④在大沽南路上行和下行辅道上设置公交专用车道；⑤对不够清晰的标志标线进行补充完善；⑥不改变现有信号灯的相位及其配时。⑦加强交通需求管理。对于高峰时段接送孩子家长用车加强停车管理，加强过街行人和非机动车管理，严格执行交通规则。

3.2 方案二

相位1为大沽南路方向上、下行车流直行；相位2为大沽南路上、下行车流左转弯或调头，清弯路车流左转弯或直行至微山路；相位3为微山路方向车流左转弯，大沽南路主道下行车流右转弯。

3.3 方案三

在方案二基础上，将总信号周期改为120 s，信号控制由4相位改成3相位，各相位交通流向与方案二相同。

4 交通优化仿真

4.1 仿真过程

依据交叉口的断面形式、车道功能、流量流向、优化后的信号配时等基础数据，针对所述不同交通信号控制方案，在Vissim软件中对复兴门交叉口进行建模与仿真分析，具体步骤如下[5-6]：

（1）确定仿真对象，并对其进行基本交通数据调查、分析。需要调查的数据包括：交叉口高峰小时车流量数据、交叉口几何尺寸数据、车道功能划分情况及原有信号配时参数等。

（2）利用绘图软件CAD绘制干道仿真蓝图，并将其转换为软件平台能够识别的*.bmp格式。

（3）把位图导入VISSIM软件平台，建立基础路网，注意连接器的选择，务必保证红灯下车辆可以右转。为简化起见，本次仿真没有考虑过街行人的影响因素。

（4）调整参数。根据实际情况调整车辆行驶速度分布/加减速特性、车种/车型、驾驶行为/跟车模型参数标定等参数，本次仿真选择系统默认值。

（5）输入路网基本特征变量。路网的基本特征变量主要包括：车种构成、车型比例、流量、行驶路径。其中，要对不同时段的交通量进行分时段输入，注意路径比例分配、减速区设置、路径决策起终点的设置。

（6）设置信号控制方案。设置信号控制机和信号配时方案，首先定义信号控制机，然后分配信号灯组。需要注意的是本次采用的是固定配时，需要根据算法提前设计好配时方案，画出信号控制时间相位图。

（7）建立检测器，检测器中主要包括行程时间、数据采集点和排队计数器等的设置。可采用数据库形式对所需的评价参数进行统计和对比分析。

（8）进行3D效果设计。重点是设置3D信号灯，同时通过V3DM、3DMAX等软件建立建筑和车辆模型数据库，经过多次调整，3D仿真界面如图4所示。

图4 复兴门交叉口微观仿真图

4.2 仿真评价

微观仿真评价参数如表1所示。

表1 微观仿真评价参数表

对用于VISSIM结果校验的输出指标进行了归纳，确定采用平均行程时间、平均延误和评价排队长度数据作为VISSIM评价指标[7]，结果显示，方案二比方案一平均行程时间缩短18.90%，平均延误减少24.67%，平均排队长度减少8.97%，各指标均优于方案一。为了避免信号周期过长，如果采用方案三，指标优化效果并不明显。整体考虑，建议采用方案二进行短期优化。长期应该考虑建设海河过河通道，减少过河车辆数量。

5 结束语

本文通过对复兴门交叉口的交通现状调查与分析，提出了解决交通拥堵状况的道路渠化和信号优化方案，并采用VISSIM交通微观仿真软件进行了评价验证。结果证明，所设计的方案二各项指标均优于原有方案。本研究为交通管理部门提供管理参考，避免了不必要的财力和人力的浪费，对于缓解复兴门交通问题具有积极的促进作用。然而，本文的优化方案是在所有道路参与者遵守交通规则基础上提出的高峰期间固定配时方案，没有从动态感应的角度提出控制策略。同时，针对复兴门交叉口单点进行优化，没有从大沽南路快速路主干道上进行全面协调控制的角度考虑问题，因此，复兴门交叉口的优化还有待于进一步深入研究。

［1］ 张政.交叉口交通组织优化设计研究［D］.合肥：合肥工业大学，2007.

［2］ 王秋平，谭学龙，张生瑞.城市单点交叉口信号配时优化［J］.交通运输工程学报，2006，6（2）：91-94.

［3］ 王云鹏.多路口感应信号控制优化设计及其仿真［D］.南京：河海大学，2007.

［4］ 周蔚吾.道路交通信号灯控制装置技术手册［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［5］ 柳祖鹏，许彩霞，张献峰.基于VISSIM仿真系统构建3D交通环境［J］.城市交通，2008，6（2）：91-94.

［6］ 卢火平，罗典，许伟立.基于Synchro-VISSIM的干道绿波协调控制仿真研究［J］.交通与运输，2013（2）：33-36.

［7］ 汪滢，张兴强，胡显文.基于VISSIM的交叉口交通改善方案适应性研究［J］.公路与汽运，2013（5）：33-36.

Design traffic signal simulation system based on visual basic——A case study of Fuxingmen，Tianjin City

WANG Shao-hua1，ZHANG Hai2，REN Chao2，GUAN Zhi-wei1
（1.School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Research Institute of Tianjin Traffic Management Bureau，Tianjin 300040，China）

The actual traffic environment and signal control of Tianjin city Fuxingmen intersection are investigated and analyzed，and the traffic signal control scheme is designed by the method of Webster.Experiments with traffic micro-simulation software VISSIM are conducted.The results show that the average travel time is shortened to 18.90%，the average delay time is reduced 24.67%and the average queue length is curtailed 8.97%by the proposed scheme two.All the index surpassed that of the original one.

Fuxingmen；intersection；signal control；VISSIM

U491.51

A

2095－0926（2014）01－0041－04

2013-12-18

国家自然科学基金资助项目（61301040）；公安部公安理论及软科学研究计划项目（2012LLYJTJSJ077）.

王少华（1983—），男，讲师，研究方向为交通仿真、交通安全等.