VISSIM仿真在单向交通组织方案比选与评价中的应用

卓亚娟，王元庆

(1.太原科技大学，山西太原030024；2.长安大学，陕西西安710064)

VISSIM仿真在单向交通组织方案比选与评价中的应用

卓亚娟1，王元庆2

(1.太原科技大学，山西太原030024；2.长安大学，陕西西安710064)

单向交通组织具有缓解交通拥堵、便于实施的优势，但由此带来的绕行、末端压力等交通负担可能会降低更大范围内的交通效率。因此，有必要基于微观交通仿真软件VISSIM的功能及特点，开发出对道路单向交通系统进行方案比选与仿真评价的具体方法，并在西安市唐延路单向交通系统中进行实践。首先对比现状交通与实施单向交通组织仿真模型中的交通效率，证明实施单向交通组织可缓解交通拥堵。其次，针对仿真模型中存在的冲突点提出改善方案。最后，通过方案比选获得最优交通组织方式。实践证明，该方法可以直观、定量、准确地模拟并优化单向交通组织中的单行定向、系统末端交通设计、系统信号控制方案设计及交叉口渠化等设计环节，为单向交通组织方案设计、比选和优化提供科学依据。

VISSIM仿真；单向交通组织；仿真评价；方案比选

0 引言

单向交通组织指只允许车辆按规定方向行驶的交通组织方式。在城市道路系统中，为保证车辆能回到原点，通常会对多条道路实施单向交通组织，使之形成按照某种方式循环衔接的交通系统[1]。实践证明，根据系统中路段或路网结构、交叉口渠化与间距、交通流量流向等道路交通条件科学合理地进行单向交通组织，并对单向交通系统施行正确的交通管理与控制手段，可以充分挖掘原有城市道路系统的通行能力，有效缓解城市交通拥堵，并且几乎不涉及道路改扩建工程，资金投入少，实施快捷、安全。因此，单向交通系统是解决城市交通问题十分有效、快捷的途径。

尽管单向交通有上述优点，但是也存在劣势。例如，增加部分车辆的绕行距离、不便于当地居民出入、对公共交通产生影响以及系统末端交通压力剧增等。因此，有必要对单向交通方案设计进行比选与评价。以往的评价研究主要集中于指标的选取和计算方法，或者是指标的量化分析，缺少对方案设计和比选本身问题以及方案优化过程的探讨，例如交叉口交通组织中的人车冲突、路边停车对单向交通的影响、信号控制方案优化等[2-4]。本文提出将宏观和微观交通仿真相结合进行单向交通系统方案比选和评价的方法和步骤，并以实际项目为背景进行实例研究，以证明该方法的应用价值。

1 单向交通组织方案仿真评价的意义

1.1 经济性

道路单向交通，尤其是干路单向交通的实施，会对城市交通产生广泛而深远的影响。方案中任何一个细小的失误或不足都可能引起区域性的交通拥堵甚至交通事故，并会对后续正式运行造成很大的公众舆论障碍。因此，实施前应对方案的各个环节进行充分、严密的论证，通过论证方可进行试运行。而采用微观交通仿真的方法，可以在无须现场试运行和真实道路交通系统参与的情况下预知试运行期间可能发生的交通问题，具有经济、方便的特点[3]。

1.2 科学性

单向交通的实施会导致整个区域路网系统交通量的重新分配，进而影响到系统中关键交叉口、路段交通量的时空序列。因此，单向交通组织方案的可行性和最优性至关重要，须定性分析与定量分析相结合，宏观分析与微观分析互补，采用微观交通仿真可以实时以及超前地反映道路交通流及交通组织的各种变化。

1.3 灵活性

微观交通仿真模型可以根据不同单向交通组织方案的需要灵活修改，包括路网、信号控制及交通流组成等各个方面，从而模拟各种条件下交通运行情况。同时，仿真还可以体现不同交通组织方案下人—车、车—车的关系与矛盾，为合理组织相同及不同交通流提供依据。

2 VISSIM仿真技术的应用

2.1 单向交通组织方案仿真评价流程

从系统的角度出发，以仿真建模为基础构建单向交通组织方案比选与评价流程(见图1)。首先，根据调查得到的现状交通流、路网、交通管控数据以及系统影响范围内用地发展规划情况，建立相应的宏观交通模型，预测路网近期、中期和远期出行数据。其次，根据预测结果对系统内交通运行状况进行分析并诊断问题，根据交通发展需求制定单向交通组织方案及备选方案。再次，建立上述方案及备选方案的微观仿真模型，并根据交通组织目标建立评价指标体系，结合VISSIM特有功能设置仿真评价模块并进行仿真运行与指标输出。最后，对比分析各方案的输出指标值，对单向交通组织方案进行比选和优化，并得出最终评价指标值[5-7]。

图1 单向交通组织方案比选与仿真评价流程Fig.1 The framework of a Simulation-based methodology to select and evaluate one-way traffic plans

从图1可见，将宏观与微观仿真技术引入单向交通组织方案比选与评价过程，一方面考虑了单向交通组织中常见的方案设计问题，另一方面实现了对单向交通系统进行多方案构造、仿真运行、效果比选与组织优化等目的，使单向交通组织方案设计、比选与评价工作更加细化、直观、全面、有效。

2.2 仿真评价指标输出

单向交通是一种较为复杂的中微观交通组织方式，其方案设计的每个环节均会对单向交通不同方面的效益产生影响。不同交通组织目标，单向交通获得的效益也会有所差别。由于这些影响因素错综复杂，且有些因素的影响难以量化，因此对全部因素进行评价在实际中既不可能，也没必要，应根据交通组织的主要目的，选择具有代表性的因素作为评价指标体系。鉴于单向交通组织方案评价指标的选取和设定尚缺乏相应规范[5]，本文总结以往研究成果，构建如图2所示的单向交通组织方案评价指标体系。

2.3 单向交通组织方案设计关键环节

单向交通组织方案考虑是否周全、设计是否合理直接影响其实施效果，因此要对方案进行全面而细致的论证。道路单向交通组织方案设计主要包括：系统末端交通分析、系统内部交通组织和信号控制三个方面[5]。

1）系统末端交通分析。

图2 单向交通组织方案评价指标体系Fig.2 Evaluation criteria for evaluating one-way traffic plans

单向交通主要是为缓解某段道路或子区路网的交通压力，提高其通行能力。城市交通具有动态关联性，因此在对特定道路系统实施单向交通前，需分析其系统末端(系统出入口或系统与外界交通关联度较高的路段及交叉口)交通变化情况；分析单向交通的实施对其有何影响，若为消极影响，则应制定相应的解决方案，若这种消极影响极大且无法解决，则说明单向交通不可行。

2）系统内部交通组织设计。

系统内部交通组织设计主要包括掉头车道、公交车站和线路、路内停车、机非分隔、交通标志标线等内容。在方案设计时应认真分析每一种设计对单向交通系统整体效益的影响。需要注意的是，道路实施单向交通后，系统内交通流量流向会发生变化，需要根据宏观交通模型及定性分析确定单向交通实施后系统内部的交通流量流向。

3）信号控制优化设计。

单向交通系统应根据系统内部交通流量流向的变化情况制定新的信号控制方案。为强化单向交通组织实施效果，通常采用干路信号协调控制或区域信号协调控制。

2.4 VISSIM仿真模型建立

单向交通组织方案及备选方案确定后，为提升仿真的可靠性，需要全面、准确的基础资料。采用VISSIM进行仿真评价包括以下6个步骤[8]：

1）建立仿真路网。

根据单向交通系统内路网现状调查数据、道路红线等资料，按照实际尺寸绘制路网CAD图，然后导入VISSIM建立仿真背景，在此基础上建立现状仿真路网模型，设置路段车道数、车道宽度、交叉口进口道宽度、车道功能、交叉口转弯等。为使车辆能回到原点，通常会单独设置掉头车道，此时掉头车道可能与非机动车道和人行道存在重叠，应认真处理这一特殊情况，按照单向交通实施后车道的实际划分情况建立路网模型。

2）设置交通流参数。

根据高峰小时流量流向调查结果，将道路交通量、车型比例、各道路交叉口的转向比例输入到路网模型中，根据路段、交叉口车速调查结果，确定各类交通流期望车速值。通常不需要将各种车型的流量进行标准化换算，可直接输入不同车辆类型及转向下的实际交通量。

3）设置公交参数。

指根据调查得到的路网系统内所有公共汽车数据计算公交参数。调查内容主要包括公共汽车行车线路、每车额定载客量、每线路发车频率、公交车站尺寸、站台各线路乘降量等。

4）设置交通管控参数。

根据调查得到的交通管控数据，设置各个路段及交叉口的交通管理与控制模块，主要包括根据标志标线、交通规则等确定的不同交通流之间的让行规则、转向规则，尤其是建立仿真路网中提到的掉头车辆与非机动车、行人的让行规则，此外还包括路内停车、车道限制、车速变化点和减速区域、交叉口信号控制方案等。

5）模型校核。

通过校核现状仿真模型确定一些基本的仿真参数，以确保方案的仿真模型更加可靠，这是决定仿真是否可信的关键步骤[9]。模型校核包含两部分，一部分是观察现状仿真模型与实际交通运行情况是否吻合；另一部分是通过对比路段车速、交叉口排队长度、交叉口各进口道延误和停车率等指标，分析现状仿真模型输出指标值与实际交通调查中得到的现状指标值是否接近。若仿真动画与实际交通运行情况不一致，或仿真输出指标与调查得到的指标误差较大，则应对仿真模型进行修改。

6）设置评价模块，仿真运行并输出评价指标。

VISSIM中每一种评价指标值的获得均需设置相应模块或激活相应功能。VISSIM提供三种指标输出类型：窗口输出可以直观地观察仿真过程，发现交通运行中存在的问题，拥堵发生的路段、节点等；文件输出提供整个仿真过程中各评价指标的详细变化情况；数据库形式的输出有利于优化交通组织过程。

一个完整的仿真模型包括上述6个步骤，但是一次完整的仿真应用还需分别建立单向交通组织方案及备选方案的仿真模型。建模时应注意每个步骤中相关参数的变化，例如路网模型，现状路网模型需要根据实际情况建立，而单向交通组织方案模型需要按照方案中单行路方向、交叉口渠化、车道设置等建立；交通流参数设置时，现状模型输入的是调查得到的实际值，而方案模型输入的是通过宏观仿真模型得到的值。

2.5 单向交通组织方案优化与评价指标输出

运行单向交通组织方案及备选方案的仿真模型并输出评价指标值，通过观察仿真动画以及对比分析输出的指标值，对单向交通组织方案进行改进。重复上述两个步骤，不断优化单向交通方案，得到最优方案以及评价指标值。

3 实例分析

西安市唐延路与沣惠南路地处西二环南延伸线与绕城高速间，是连接高速路、快速路的市级主干路；唐延路走廊联系秦岭北麓旅游观光区、陕西国宾馆，沿线及南端锦业路商业业态逐渐形成；同时走廊地处高新区中心，是高新区南北交通最重要的通道，交通量大。

为提升高新区南北向通行能力，缓解交通拥堵现状，营造平安、有序、畅通的道路交通环境，结合唐延路与沣惠南路及周边路网特征，对现状及预测交通量进行分析，提出对其实施单向交通的方案设想(见图3)，以解决现状交通拥堵问题并适应未来发展：唐延路单向交通系统北至大寨路，南至科技七路，形成逆时针运行的闭合系统，唐延路车流由南向北单向行驶，沣惠南路车流由北向南单向行驶；与唐延路和沣惠南路相交的东西向道路均为双向行驶，掉头车道由原道路非机动车道的一部分构成。

下文以2.3节所述单向交通组织方案设计关键环节为例，说明如何应用VISSIM对单向交通组织方案进行优化及评价。

3.1 系统末端交通仿真分析与评价

由于所选唐延路走廊是西二环向南进入三环的通道，对全市交通具有重要意义，因此应对实施单向交通组织后系统末端的交通状况进行分析。系统末端主要指唐延路北端与二环辅路交叉口、唐延路南端与三环辅路交叉口。由于后者交通量尚未饱和且渠化空间比较大，故前者是分析单向交通系统通行能力和对外围交通影响的关键点，需对该交叉口在项目实施前后的交通情况进行对比分析，判断单向交通对其造成的影响以及应采取的改善措施。

此处采用交叉口各进口道延误时间及服务水平作为主要评价指标[10]。唐延路与二环辅路交叉口现状流量、流向图，采取单向交通后的仿真模型，及采取交通改善措施后的仿真模型如图4所示，方案具体内容及仿真结果如表1、表2所示。

从表2可知，实施单向交通后，唐延路交通流到达规律的变化导致唐延路南进口与二环辅路交叉口交通冲突加大，车均延误增加；二环辅路东进口上游交叉口的拥堵导致唐延路北进口与二环辅路交叉口到达车辆减少，交叉口冲突降低，车均延误减小。对上述两交叉口实施信号协调控制后，交叉口冲突有所减少，车均延误减轻，交叉口服务水平在可接受范围内。因此，实施单向交通可行。

3.2 系统内部交通组织设计仿真分析与评价

图3 唐延路单向限行系统总体方案及宏观、微观仿真Fig.3 Proposal illustration of Tangyan Road one-way traffic plan and macro-and micro-simulation outputs

图4 唐延路与二环辅路交叉口现状及改善后的交通仿真模型Fig.4 Before-after simulation development of the intersection of Tangyan Road and the Second Ring Side Road

表1 唐延路单向交通系统末端交通状态Tab.1 Traffic conditions at end-zones of Tangyan Road with one-way traffic plan

干路单向交通系统的交通组织方式通常有两种：1)逆时针方向环形单向交通的分、合流点及冲突点各4个，复杂度指标为36；2)顺时针方向环形单向交通，分、合流点各4个，无冲突点，复杂度指标为16。因此，通常单向交通采用顺时针环行。但考虑到唐延路两侧商业发展、进出高新区交通问题，采用逆时针环行方案更加合理。为了减少分、合流点及冲突点数量，唐延路设置了左转掉头车道。为评价该设置能否减少系统的分、合流点和冲突点总量，使用VISSIM软件进行仿真，将冲突点数作为主要评价指标。根据是否设置左转掉头车道将内部交通组织方案分为方案1(无左转掉头车道)和方案2(有左转掉头车道)(见图5)。方案1中，单行路(唐延路和沣惠南路)允许左转，与单行路相交道路(科技路至科技六路)不设专用掉头车道。方案2中，与单行路相交道路(科技路至科技六路)在非机动车道内侧划出一条车道作为左转掉头车道，其车辆与非机动车逆向行驶。

从表3可以看出，方案2中系统总冲突点数量相对于方案1显著减少。这表明采用左转专用掉头车道有效避免了单行路上左转交通流同对向直行车流的冲突数；与冲突点数量的减少相关，系统车均延误时间也显著缩短。上述数据表明采用左转专用掉头车道设计形式可显著提高单向交通系统运行效益。

3.3 信号控制优化设计仿真分析与评价

确定交通组织方案后，需根据新的交通流量、流向对系统信号控制进行优化，再通过Vissim vap编程或修改VISSIM中信号控制模块相关参数(如0ff set值)对不同的信控方案进行仿真分析与评价。此处评价指标选用能综合反映系统经济、环境和技术等各层面效益的指标，包括单向交通系统路段通行能力(本文只列出主要干路路段的通行能力和饱和度值)、行程车速、各交叉口进口道信控延误及服务水平、系统燃油消耗及尾气排放(汽车废气成分复杂，难以全面计算，鉴于其主要成分为CO2，故选取VISSIM中提供的节点评价排放指标CO2作为排放指标)四项指标。为说明单向交通组织方案取得的效益，将实施单向交通前系统采用单点定时信号控制的情景定为方案1，将实施单向交通后系统沿用单点定时信号控制的情景定为方案2，采用干路双向绿波协调控制的情景定为方案3。其对应评价指标输出结果见表4、表5和表6。

由表4可见，方案2中系统内大部分路段通行能力和饱和度均有较大幅度提升，方案3中通行能力和饱和度均也有所提升，但提升幅度较小。由表5可见，方案3中系统内各交叉口信控延误显著降低，交叉口平均服务水平亦有所提升。由表6可见，方案2中沣惠南路行程车速有所降低，唐延路车速有所提高，方案3中沣惠南路行程车速降低幅度较小，而唐延路车速大幅提高；方案2中沣惠南路的燃油消耗量和尾气排放量均显著降低，方案3中降低幅度进一步增加；方案2中唐延路的燃油消耗量和尾气排放量较方案1有所增加，而在方案3中又有所降低。这主要是由于实施方案2后交通量在系统内的重新分布以及车速变化所引起的，但从单向交通系统整体衡量，系统的燃油消耗量和尾气排放量显著降低。

表2 唐延路单向交通系统末端交通仿真分析Tab.2 Simulation output analysis for end-zones of Tangyan Road with one-way traffic plan

图5 有无左转掉头车道的单向交通组织示意及局部路网仿真模型Fig.5 One-way traffic plan and local road network simulation with/without left u-turn lanes

表3 唐延路单向交通系统有无左转掉头车道方案仿真评价结果Tab.3 Simulation outputs of Tangyan Road under one-way traffic plan with/without left u-turn lanes

表4 采用不同信号控制方案系统内各路段通行能力及饱和度Tab.4 Road capacity and saturation flow rate at each intersection under different signal control schemes

表5 采用不同信号控制方案系统内各交叉口信号控制延误及服务水平Tab.5 Estimation of signal delay and service level for each intersection under different signal control schemes

通过以上仿真结果可知，单向交通有利于改善原有道路系统的运行效率和环境指标，而采用科学合理的干路信号协调控制可进一步提升单向交通的效益。

4 结语

本文针对单向交通组织方案比选与评价过程中存在的问题，利用微观交通仿真软件VISSIM建模灵活和评价指标完善的特征，开发了对道路单向交通系统进行方案比选与仿真评价的具体方法。文中针对单向交通系统方案设计的三个重要环节进行了详细说明，并以西安市唐延路单向交通系统为对象对上述方法进行验证。结果表明，在唐延路单向交通系统中，系统末端交通设计至关重要，其设计是否合理直接影响相关交叉口甚至相邻路网的通行效率；系统内部交通组织设计，例如单行定向、交叉口车道功能划分、是否禁止左转等需要结合实际情况，反复论证；系统信号控制方式对单行效率影响较大，采取何种信号控制方案更需结合路段通行能力、行程车速、交叉口延误及服务水平、系统燃油消耗及尾气排放等多指标综合比选。VISSIM软件可通过实时动态窗口输出上述单向交通系统方案设计各主要环节，还可得到细致易处理的数据文件。

表6 采用不同信号控制方案系统行程车速、燃油消耗及尾气排放指标Tab.6 Estimation of travel speed,fuel consumption and exhaust emissions index under different signal control schemes

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Application of VISSIM Simulation on Evaluation of One-way Traffic Plans

Zhuo Yajuan1,Wang Yuanqing2
(1.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China;2.Chang'an University,Xi'an Shaanxi 710064,China)

The implementation of One-way traffic system is encouraged to some degree due to its function in relieving congestion and wide applicability,however,it may also result in a long-distance detour and increasing traffic pressures at end-point zones which would consequently harm traffic efficiency in other hand.Therefore,development of simulation-based methodology to evaluate one-way traffic plans turns to be a critical issue which is expected to avoid impolicy in decision making.This paper addressed a simulation tool based on VISSIM platform to assess the impacts of Tangyan Road one-way system in Xi’an.Firstly,the comparison of the simulation output with surveyed data reveals that one-way system is able to release traffic congestion to some degree,and then,several plans are further proposed for coping with conflict points detected by simulation.The main findings suggest that the proposed methodology is able to simulate and evaluate the one-way traffic plans as well as optimizing traffic organization plan,signal plan,and intersection channelization that are function in assisting decision making and proposal selection of oneway traffic plan.

VISSIM simulation;one-way traffic plan;simulative evaluation;scheme comparison

1672-5328（2016）01-0072-08

U491

A

10.13813/j.cn11-5141/u.2016.0111

2014-01-10

卓亚娟(1985—)，女，陕西咸阳人，硕士，实验员。主要研究方向：交通组织与管理、城市公共交通。E-mail:ZYJ_TSS@163.com