城市道路交叉口交通信号配时优化研究

郭宏玉，高媛，姚树森

（长安大学，陕西 西安 710064）

城市道路交叉口交通信号配时优化研究

郭宏玉，高媛，姚树森

（长安大学，陕西 西安 710064）

∶文章针对西安市小寨十字交叉口的交通问题。结合实际情况，以Webster法对实地调查数据进行计算，确定了优化配时方案，并对改善前后的方案利用Vissim软件进行了仿真演示。通过对平均排队长度和延误两评价指标对比可知重新计算并优化后的方案能大大减小车辆延误，从而能有效改善交叉口拥堵状况。

∶交通量；Webster法；优化配时；延误；

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.002

CLC NO.: U491.5+1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-03-04

引言

随着城市化和汽车工业的快速发展，城市交通问题日益严重，交通拥堵有很多原因造成，作为承载多方向分流任务的道路交叉口，其车辆通过能力的最优化利用显得十分重要。而交叉口是否最大化的发挥通行作用最终决定于该交叉口交通信号配时的好坏。本文通过对小寨十字交叉口进行实际调查，对相关数据进行了调查、整理和处理，通过典型的Webster法对现有的信号配时进行优化设计，运用仿真软件对比优化前后的车辆平均排队长度和延误，确定合适的方案，目的是减少拥堵。

1、交叉口现状分析

西安市小寨十字是一个重要的大规模交叉口，东西方向上其有着十分重要的作用，它东接大雁塔，且东边有陕西省历史博物馆，人流量较大，西边为朱雀大街等繁华路段，东西为双向六车道，通行能力较强。而实际上南北方向是车流高峰时期拥堵的主要因素，特别是北边，其接南二环上的重要枢纽长安路立交，且途中又长安大学家属区及附中、西安音乐学院等学校，人流车流量极大，南边有西安邮电大学等重要机构，车流量也不小，虽然进行了扩宽道路等措施，但由于车流量极大，加上交叉口配时不合理，使得小寨十字交叉口车辆延误和排队长度比较大，拥堵问题严重。

通过实地调查，发现该交叉口主要存在以下几个问题：（1）南北方向车流量大，南北直行相位结束时，直行车辆没有完全通过，与下一相位的车流形成冲突，致使拥堵较为严重，车辆排队长度和车辆延误较大；（2）北入口道路标线施画得不是很清楚，机动车行驶较为混乱，部分行人过街不看红绿灯，存在事故隐患；（3）南北左转车流量大，但实际信号灯允许的行驶时间较短，三相位实际绿灯时间设置不合理，使得东西相位绿灯时间有所浪费，周期绿灯时间利用效率降低。

本文采用经典的Webster法对该交叉口重新计算，进行配时，并对改善后的配时方案运用Vissim 软件进行仿真，通过对交叉口平均延误和平均排队长度指标对结果进行评价。

表1　小寨十字各进口道车道数及渠化情况调查

据实地调查，交叉口周期为148s，全红时间0s,两相位信号配时，黄灯3s，右转相位不做限制，其相序、相位及配时方案如表2所示。

表2　当前交叉口信号灯相位相序分布表

（备注：周期148s，全红时间0s，黄灯时间3s，右转不限）

2、设计交叉口信号配时方案

2.1交通量调查

统计时把各种车型折算为标准小汽车，折算系数如下表3：

表3　各种车型换算成标准小汽车折算系数

以10分钟为间隔进行统计，通过连续五天（工作日）对晚高峰期间（18:00——19:00）的机动车交通量进行调查，最终取值为五天的平均值如下表4。

表4　晚高峰（18:00—19∶00）小寨十字各进口道交通流量统计

2.2Webster配时的基本方法

经过调查和计算，交叉口的单车道通行能力为1800 pcu/h，根据表3的交通流量比较，交叉口没有达到饱和状态，所以利用韦伯斯特法来计算参数：

（1）定时信号的最佳周期时长为C0：

其中，L——周期总损失时间；

Y——各相位的最大流量比之和。

（2）周期总损失时间为L：

其中，j——第j相位

lj——个相位内的起动损失时间，一般取3s；

AR——全红时间

（3）最大流量比之和Y；

其中，yj1,yj2,yj3,yj4——指第j相位内不同方向的流量比；

Qj1,Q,j2,Qj3,Qj4——第j相位内不同方向的流量；

Sj1,Sj2,Sj3,Sj4——对应相位的设计饱和流量；

当Y≥0.9时，韦伯斯特法不再适用。

（4）总的有效绿灯时间为Ge

（5）第j相位的有效绿灯时间为gei

（6）第j相位的显示绿灯时间为gj

其中，lj——第j相位的启动损失时间

（7）最短绿灯时间gmin

其中，Lp——街道长度

Vp——过街速度，一般取1—1.2m/s

I——绿灯间隔时间

2.3小寨十字交叉口信号配时的Webster计算及优化设计

通过实地调查和计算，该交叉口单车道通行能力为1800pcu/h，跟表4所示的交通流量相比并通过计算各相位关键流量比、绿信比从而算得的相位饱和度可知，各个道路均未饱和，且各相位最大流量比之和不大于0.9，所以我们采取三相位设计方案，我们可以用Webster法进行计算。

（1）计算周期的总损失时间

首先，在优化流程中确定信号相位时信号相位必须同交叉口进口车道渠化和车道功能划分方案同时进行，一般来说如果相位数越多就会使分配给各个相位的绿灯时间减少，从而增加了损失时间，通常设定的相位数一般限制在2——4个，周期时间过短，周期损失时间增加，通行能力下降；如果信号周期过长，周期内相位损失增加，单位时间内放行次数减少，同样降低通行能力。

根据调查情况我们继续采用三相位设计，为保证清空时间车流冲突减少，为增强南北方向通行能力，同时为保证安全，我们利用上述数据及Webster公式求出通行方向的流量比、有效绿灯时间等指标，如表5所示：

表5　小寨东路与翠华路交叉口信号相位参数表

（2）其次，我们根据公式和数据求得Y：

所以我们完全可以用Webster算法来计算。

（4）总的有效绿灯时间为Ge=C0−L=125s 。

表6　重新计算设计相位表

（备注：周期长度为134s，黄灯时间为3s，全红时间为0s,右转不限）

以上优化方案也就是我们基于Webster算法重新优化的方案，在最佳周期长度的基础上，根据关键车流量比，我们可以根据实际的计算结果所确定的绿信比再次计算其饱和度，并与之前的饱和度对比可知优化后的方案可以充分利用绿灯时间，减少延误，提高交叉口通行能力。通过对该交叉口信号配时的优化，交叉口将能够实时应对在各种情况下的交通状况，给各个通行方向上的车辆最大的通行权，最大限度的减少延误和排队长度。

我们对原配时方案a、重新计算后的设计方案b运用交通仿真软Vissim进行仿真，输出的结果表明，b方案的通过车辆数、最大排队长度、延误、人均延误、停车时间等指标都要比a方案小，而两方案的平均排队长度差不多，通过仿真可以看到Vissim仿真运行时的画面显示交通流运行也很流畅，我们认为达到了我们此次优化该交叉口配时的目的。

图1　原设计方案的仿真结果

图2　重新优化设计后的方案仿真结果

3、结论

在城市交通管理中，交叉口交通信号灯控制是这项工作的重要组成部分，本文以西安市小寨十字交叉口为研究对象，通过实地调查、数据采集和分析，结合实际情况并运用经典的Webster算法，重新计算并优化设计了交叉口的信号配时方案。该设计中，我们根据南北左转车流量较大的实际情况，为解决高峰期间拥堵问题，增加了南北左转相位显示绿灯时间。相应的减少了东西相位的绿灯时间，增强了交叉口的通行能力，在利用Webster算法求周期时，我们还可以根据实际情况对计算结果进行了修正，使得采用的最佳周期时长更加符合实际情况。

设计完成后，我们运用仿真软件对优化前后两种方案进行了仿真演示，仿真结果显示重新设计并优化的方案b能大大减小延误，很好的解决交叉口存在的延误问题，提高交叉口通过能力和服务水平。

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Traffic signal timing optimization research of Urban road intersection

Guo Hongyu, Gao Yuan, Yao Shusen
(Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064)

In this paper, to solve the traffic problem of small village crossing intersection ,we combined with the actual situation, using Webster method to carriy out and calculate the survey data. Then determine the optimal timing plan, and to improve the solution before and after the simulation is conducted using Vissim software demo. Based on the average queue length and delay two evaluation index ,we can find that the optimized scheme calculated can greatly reduce the vehicle delay, and it can effectively improve intersection congestion.

Traffic volume; Webster method; Optimization timing; Delay

∶U491.5+1

∶A

∶1671-7988 (2016)09-03-04

郭宏玉（1989.2—），硕士研究生，就读于长安大学。