基于VISSIM的交叉口调头点设置仿真研究

梁鸣璋，孙凤英

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

随着城市机动车数量迅猛增加、路网中交通流的日益复杂，调头交通愈发成为城市道路转向交通中的重要部分。而调头交通一般采用路段开口和交叉口调头处理模式。以VISSIM仿真实验为基础，分析交叉口交通流量与调头点方式设置的关系，得到以交叉口延误、排队长度为指标的交叉口调头点设置模型，可以找出交叉口在不同的交通流量下调头点的合理设置方式，从而降低掉头交通对所在交通流的负面影响，以提高道路的通行效率[1]。

1 交叉口调头设置方式

根据调头交通的运行特征，交叉口进口道调头点的设置方式[2]主要有如下四种。

方式一：交叉口内部调头。掉头车辆与左转弯车辆排队路径吻合，等待同一信号控制，信号放行后掉头车流与左转车流分离，掉头路径经由交叉口内部两次穿越人行横道，转弯半径的选择性较大，但会增加交叉口内部的分流点与冲突点。如图1所示。

图1 方式一

方式二：在进口道停车线处调头。掉头车辆与左转车辆排队路径基本吻合，通常等待同一信号控制，也可在对向车流的间隙灵活组织。掉头路径经由停车线处，在减少了交叉口内部冲突的同时，避免了人车冲突。如图2所示。

图2 方式二

方式三：进口道停车线前展宽段内一定距离处(30 m)调头。掉头路径驶入展宽段后一定距离即与左转路径分离实现掉头交通，一般不受信号控制。车辆在展宽段内实现掉头，掉头路径所引发的分流点与冲突点会施加到渐变段与掉头口之间的双向车道上。如图3所示。

图3 方式三

方式四：进口道渐变段处调头。掉头路径与左转路径可在渐变段掉头点处提前分离，掉头车辆通常不受信号控制。分流点与冲突点主要分布于渐变段内。如图4所示。

图4 方式四

2 交叉口调头设置方式特征分析

方式一，与其他方式相比，方式一的掉头路径与左转路径的重合度最高，绕行距离最长。在接受同一信号管制的情况下，随着本向进口交通量的增加，掉头车辆与左转车辆的叠加排队会导致其延误同时增加。但由于接受同一信号控制，两者只存在排队叠加和停车线后的分流，并不存在冲突点。所以随着交通量的增加，其延误值的增长相对平稳，不会出现剧烈波动。冲突方面，两相位时掉头车辆冲突于对向直行车辆；四相位时冲突于顺时针右转车辆[3]。

方式二，停车线以后的掉头路径与左转路径基本吻合，绕行距离接近于方式一。随着进口道交通量的增加，平均延误会平稳增长，类似于方式一。在此种方式下，由于掉头口距离停车线很近，左转车辆的排队会很快导致后续掉头车辆停车等待。所以除了左转车流量足够小以外，在此种方式下掉头交通脱离信号控制的意义不大。冲突方面，两相位时掉头车辆冲突于对向直行车辆；四相位时冲突于顺时针右转车辆。与方式一不同的是，方式二的冲突点已从交叉口内部转移出去，降低了交叉口内部的冲突点密度。但其掉头转弯半径受限，如遇大车掉头会降低通行效率[4]。

方式三，此种方式下绕行距离较小，若交叉口车流量较小，则掉头路径可灵活选择安全的车流空隙行进，以减少其平均延误。若交叉口车流量较大，由于掉头车辆与左转车辆不受同一信号控制，其中任意一交通流停滞都会产生打结现象，极大的增加延误、降低通行效率。延误会随交通量的增加产生较大波动。冲突方面，与左转车辆存在分流，冲突于对向直行车辆[5-7]。

方式四，掉头路径与左转路径做到提前分离，掉头车辆绕行距离最近。掉头车辆与直左车辆存在交织与分流，在不受信号控制的情况下，掉头车辆的停滞会对后续跟进的直左车辆产生较大影响。类似于方式三，随交通量增大，平均延误会产生较大波动。

基于以上分析，对此交叉口进行微观仿真，在不同时段下调整交叉口交通量，以观察各掉头点设置方式于不同流量下的仿真结果，从而检验以上分析。

3 基于VISSIM的交通仿真与评价

(1)仿真对象。该交叉口为平面四路交叉口，为主次干路相交，主干路规划道路红线宽度为60 m，四块板，双向六车道，次干路规划道路红线宽度为42 m，现状为三块板，双向四车道。各进口道都经过展宽渠化。具体几何条件见表1。仿真3D几何模型如图5所示。

表1 交叉口现状几何条件

图5 VISSIM仿真3D几何模型

(2)仿真时间。当仿真开始时，路网内的车辆是逐渐从路网端点产生的，车辆到达路口需要一定时间。此时仿真的情况与实际偏差较大，需要将仿真初始阶段采集的交通数据剔除，这段时间长度称为仿真暖机时间[8]。由于本文所选取的路网规模较小，所以设定仿真暖机时间长度为600 s，以便使车辆在路段和交叉口处分布均匀。数据采集时间从600 s起，止于27 000 s，数据采集时间间隔为300 s。

(3)流量输入。为了分析不同流量下，不同调头设置方式的交通特征特性，仿真过程中流量输入由低到高分多个时段输入，各进口道流量输入相同。每个时段仿真1 800 s。流量输入情况见表2。

(4)信号配时。由于此次仿真是在不同时段输入不同的交通流量，为了使仿真结果具有客观性与有效性，利用synchro对不同时段，不同流量下的信号配时进行最优化设计，以消除信号配时对仿真结果的影响。

(5)仿真指标的确定。利用交叉口的各种数据，通过VISSIM对交叉口的状况进行计算机仿真，并选取西进口平均延误和排队长度作为评价指标。

表2 流量输入

进口排队延误。延误是指由于道路和环境条件、交通干扰以及交通管理与控制等驾驶员无法控制的因素所引起的行程时间损失，以s/辆计算。排队长度。车辆排队等待通过交叉口时的队伍长度，以辆计算。

(6)仿真数据的计算与分析。在Webster延误模型的基础上，采用百分比延误计算法计算平均延误，此方法在计算固定信号配时与不饱和信号配时的情况下占有优势[9-10]。具体计算方法如下：

(1)

式中：EDq为q时段的每周期车辆延误s；vq为q时段的车流量辆/h；s为饱和流率辆/h；C为信号周期时长s；G为绿灯时间s。

车流量的百分比调整：

(2)

式中：zq按10%、30%、50%、70%、90%的百分比分别取值为：-1.32、-0.56、0、0.56、1.32。

每车延误的计算：

(3)

通过对车流量的百分比调整及每车延误的计算可得到平均百分比延误，平均百分比延误的计算方法：

(4)

排队长度的计算公式：

(5)

式中：Q为排队长度m；R为红灯时间s；S为饱和流量辆/h；V为实际流量辆/h；L为车头间距m；n为车道数；FU为车道利用系数。

通过对仿真数据的采集与计算，可得到关于停车延误与排队长度为评价指标的仿真结果，仿真结果见表3和表4。

表3 各调头方式平均延误仿真结果

表4 各调头方式排队长度仿真结果

通过上面的仿真数据可以看出，四种调头方式各有利弊，四种调头方式的适用情况各有不同。当调头交通量≤130(辆/h)时，四种调头方式的延误与排队长度相差不多，均处于比较良好的状态；当170(辆/h)>调头交通量>130(辆/h)，调头方式三与方式四的延误与排队长度相对较小，更适合在此交通流量下设置其调头方式；当调头交通量>170(辆/h)时，调头方式一与方式二的延误与排队长度相对方式三与方式四较小，更适合在此交通流量下设置其调头方式。基于以上分析，可以看到调头方式的选择与转向流量和调头交通量有关，因此，在交叉口的设计与优化前，有必要对交叉口的转向流量和调头流量进行交通预测，以便更好的来设计交叉口调头点。

4 结束语

作为城市路网中的节点，交叉口不可避免的成为城市拥堵的始作俑者，对其设计的微小改变都会对分布于路网中的车流产生一定影响。掉头交通量虽然在整个交叉口流量中所占比率较低，但基于以上仿真与分析可以看出，交叉口在不同流量下采用不同方式的掉头点设置，对整个进口道车流的延误与排队长度有不同影响。在以上典型应用环境中，选择合理的掉头点设置方式，可有效的减少停车延误达10s以上。因此，在交叉口设计与优化前，有必要单独对掉头交通进行仿真与分析，以便合理的选择最具效率的掉头点设置方式。

【参 考 文 献】

[1]张 宁，陈 恺，高朝晖，等.基于微观仿真的远引掉头选址规划方法[J].交通运输工程学报，2008，8(1)：78-82.

[2]冷军强，冷雨泉，张亚平，等.基于VISSIM仿真的交叉口远引式左转掉头位置的研究[J].昆明理工大学学报，2009，34(3)：56-59.

[3]徐良杰，王 炜.信号交叉口左转非机动车影响分析[J].中国公路学报，2006，19(1)：89-92.

[4]张海雷.信号控制交叉口掉头交通设计研究[J].道路交通与安全，2009，9(6)：6-10.

[5]刘书鹏，马 骏.路段掉头交通流组织方式研究[J].交通运输系统工程与信息，2007，7(2)：124-128.

[6]蔡 军.路段U型掉头设置的适用性研究[J].城市道桥与防洪，2012，12：151-154.

[7]丁柏群，王 雪，米巷枕，等.基于VISSIM仿真的交通疏解方案国民经济评价[J].森林工程，2010，26(5)：52-56.

[8]冯 岩，裴玉龙.VISSIM 在公交优先信号配时中的应用[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39(1)：137-141.

[9]Pirdavani A.Travel time evaluation of a u-turn facility comparison with a conventional signalized intersection [R].Transportation Research Record，2011.

[10]Shahi J，Choupani A.Modelling the operational effects of unconventional U-turns at a highway intersection [J].Transportmetrica，2009，5(3)：173-191.