基于VISSIM仿真的交叉口交通组织优化设计

韩义磊 韩印 胡荣

摘  要：信号交叉口作为城市道路网络中的关键节点，其所能提供的服务水平往往决定着整个路网的流畅程度。文章以大庆市中央南大街—龙十路交叉口为实例，通过调查该交叉口的交通组织情况以及晚高峰时段的交通量和信号配时等数据，利用VISSIM仿真软件对该交叉口进行建模仿真。根据运行仿真得到的结果对交叉口现状存在的问题进行分析。然后从车道功能划分和信号配时两方面提出对该交叉口的交通组织优化设计方案，再次进行建模仿真，并将仿真后的结果与现状对比分析。结果表明：优化后的方案在车辆平均延误、平均排队长度和最大排队长度方面均大幅减少，交叉口的整体服务水平等级从E提升到C，交叉口的运行状况得到了大幅度的改善，论证了交通组织优化设计方案的可行性。

关键词：交叉口延误;交通调查;信号配时;交通仿真;排队长度

中图分类号：F570    文献标识码：A

Abstract： As a key node in the urban road network， signalized intersection's service level often determines the fluency of the entire road network. This paper takes the intersection of Zhongyang south street-Longshi road in Daqing city as an example， through investigating the traffic organization of the intersection and the data of traffic volume and signal timing in the evening rush hour， and uses VISSIM simulation software to model and simulate the intersection. According to the results of operation simulation， the existing problems of the current intersection are analyzed. Then from the lane function division and signal timing two aspects of the intersection traffic organization optimization design scheme， modeling and simulation again， and the simulation results are compared with the current situation. The results show that the optimized scheme greatly reduces the average delay of vehicles， the average queuing length and the maximum queuing length， the overall service level of the intersection is upgraded from E to C， and the operation condition of the intersection is greatly improved， which proves the feasibility of the traffic organization optimization design scheme.

Key words： delays at intersections;traffic survey;signal timing;traffic simulation;queue length

0  引  言

在城市道路網络中，节点形态最常见的是采用信号器来控制的平面交叉口，其承担了城市各种交通流的集散压力，极大程度上影响着城市交通的运行状态[1]。信号交叉口虽能提升通行安全，但却大大降低了通行能力，使得车辆在交叉口的延误增加。如何在保证安全的前提下，提高信号交叉口的通行效率，国内外学者已经进行了大量的研究。

在交叉口信号控制方面：陈丹丹等针对四相位的交叉口设计了两级模拟控制器，运用MATLAB对模拟控制器进行仿真，结果表明模糊智能控制对红绿灯的实时控制优于定时控制，起到了改善交叉口交通拥堵的作用[2]。在交叉口车道功能划分方面：马林分析了交叉口处动态车道运行所需的交通需求条件、道路渠化条件及交通信号条件，并对动态车道时空资源优化目标及优化策略进行研究，提出了基于非线性整数规划的动态车道单点优化模型。分析表明该方法可以有效降低交叉口车辆延误[3]。而在信号控制与车道划分的组合优化方法上：C K WONG等从理论的角度建立了一系列混合整数规划模型以寻求车道功能划分和信号控制的最优解[4];马晓旦等以具体实例，利用VISSIM仿真软件对优化前后的交叉口进行仿真，论证了运用VISSIM仿真软件对交叉口进行优化设计，可以降低交叉口车辆的冲突，提高交叉口的通行能力[5]。

本文从应用型的角度以大庆市中央南大街—龙十路交叉口为实例，从车道功能划分和信号配时两方面对交叉口现状进行组合优化，并利用VISSIM对优化前后的交叉口进行仿真对比评价。

1  交叉口现状调查

1.1  现  状

大庆市中央南大街—龙十路交叉口位于大庆市市中心，是一个标准的平面十字交叉口。中央南大街为南北走向的城市主干道，龙十路和大港路为东西走向的城市主干道。该交叉口附近有较多小区和一个商业中心，人流密集，在每天的高峰时段，尤其是晚高峰，交通流量大，交通拥堵十分严重。通过调查，得到交叉口现状的渠化图如图1所示。

1.2  交通量数据采集

为了对该交叉口存在的问题进行分析并优化，需要获取交叉口的交通量。本次调查采用录像法，调查时间为17：00～18：00。调查期间，在交叉口的每个进口道放置一个摄像机，摄像时间为1小时。待摄像结束后，对视频中的交通量分车型、分方向进行统计，最后换算成当量交通量，统计结果如表1所示。

1.3  信号周期

根据调查得到交叉口的现状信号相位配时：该交叉口信号共有四个相位，分别是南北直行、南北左转、东进口通行和西进口通行，周期为136s，黄灯时长3s，如图2所示。

2  交叉口现状分析

2.1  现状VISSIM仿真

VISSIM是德国PTV公司开发设计的微观仿真软件，它可以综合考虑各种影响路网运行的因素，例如车道类型、车辆种类、驾驶行为、信号控制等，通过周期运行，产生评价路网服务水平的结果[6]。本文利用VISSIM仿真软件，根据调查得到的数据，对大庆市中央南大街—龙十路交叉口进行建模仿真，仿真效果图如图3所示。

2.2  现状分析

利用VISSIM软件建立中央南大街—龙十路交叉口的仿真模型，输入流量、路径决策、信号配时等现状数据，设置节点后运行仿真600s并输出交叉口各进口道的排队长度、延误等结果。为了保证仿真结果的可靠性，随机种子取10、20、30……100，仿真10次取平均值，结果如图4和图5所示。

从仿真结果可以看出，交叉口东西进口道的直行和左转车辆平均延误较大，并且排队长度较长，主要原因在于西进口一个左转车道已经无法满足左转车辆的通行，东进口直行车辆的排队长度过长导致左转车辆无法正常通行。而南北进口道右转交通量较大，设置直行右转混行车道严重加大了右转车辆的延误。参考美国HCM信号交叉口服务水平[7]，中央南大街—龙十路交叉口东西南北四个进口道的服务水平分别为E、E、D、D，总体服务水平为E。由此可见，现状交叉口服务水平较差，常呈现拥堵和混乱状态。

3  交叉口交通组织优化设计

3.1  车道功能重新划分

依据现状仿真结果，首先对中央南大街—龙十路交叉口四个进口道的车道功能进行重新划分。南北进口道右转交通量较大，将直行右转混行车道改为单独右转，并且不受红灯控制;西进口除保留现状的一个左转车道外，再增加一个左转车道;东进口由于左转交通量过小而直行交通量较大，将专用左转车道改为直行左转混行车道。南北左转车辆与直行车辆分离，故在南北方向设置左转待行区。改进后的渠化方案如图6所示。

3.2  信号配时优化

由于东进口左转流量过少，采用了直行左转共用一个车道的渠化方案。因此，在进行信号配时优化时，交叉口的相位与现状保持一致，依次为南北直行、南北左转、东进口通行和西进口通行。然后依据调查得到的交叉口处交通量，利用韦伯斯特（Webster）信号配时计算方法[8]得到优化后的信号配时方案，周期为102s，黄灯时长3s，如图7所示。

4  优化方案仿真与评价

根据优化后的交叉口渠化设计方案和信号配时，再次对中央南大街—龙十路交叉口进行建模仿真，仿真效果图如图8所示。

将流量等数据输入到VISSIM软件中的流量模块和控制模块，设置节点后运行仿真600s并输出交叉口各进口道的排队长度、延误等结果。改变随机种子仿真10次取平均值，结果如图9和图10所示。

从优化后的仿真评价报告中可以看出，相较于现状，东、西、南、北四个进口道的车辆平均延误分别降低了57.29%、69.08%、41.98%、47.89%;平均排队长度分别减少了40.50%、81.65%、54.90%、64.76%;最大排队长度分别减少了45.96%、64.33%、10.99%、20.20%。东、西、南、北四个进口的服务水平等级均提升到C，整个交叉口的服务水平等级也由E提升到C。

5  结  论

随着社会经济的发展和人民物质生活水平的提高，在一些三四线城市，人们的出行方式大量的向小汽车转移，交通量也持续增长，然而这些城市的交通管理水平却无法提升。城市道路渠化和交叉口信号控制方面不合理的设置，使得城市交通混乱、交通擁堵的问题越发明显。目前，我国关于大城市信号交叉口交通组织优化设计的研究已十分成熟，但是三四线城市的交通组织特征与大城市有所不同，因此关于信号交叉口的渠化设计及信号控制需要我们进一步的研究。

本文以大庆市中央南大街—龙十路交叉口为例，通过调查得到的数据，利用VISSIM仿真分析了现状交叉口存在的问题。结合交叉口的实际情况，针对车道功能划分和信号配时两方面对交叉口交通组织进行优化。最后从优化前后的仿真结果中选取车辆平均延误、平均排队长度和最大排队长度三个评价指标对交叉口进行对比分析。结果表明，优化后的交叉口车辆平均延误减少了55.77%，交叉口的服务水平也有明显的提高。本文的研究成果可以为大庆市的信号交叉口交通组织优化提供参考。

参考文献：

[1] 周巧琪. 基于VISSIM仿真的非常规信号交叉口设计和控制方法研究[D]. 合肥：中国科学技术大学（硕士学位论文），2019.

[2] 陈丹丹，贾娟. 城市交叉口的智能控制策略[J]. 物流科技，2011，34（4）：109-112.

[3] 马林. 基于动态车道的交叉口时空资源优化方法[D]. 长春：吉林大学（硕士学位论文），2020.

[4]  C K Wong， B G Heydecker. Optimal allocation of turns to lanes at an isolated signal-controlled junction[J]. Transportation Research Part B， 2010，45（4）：667-681.

[5] 马晓旦，刘杰. 基于VISSIM的控江路与敦化路交叉口优化设计[J]. 物流科技，2019，42（7）：68-70.

[6]  Muchlisin Muchlisin. Modelling an Unconventional Intersection Single-point Urban interchange with PTV.VISSIM[C] // Proceedings of the Third International Conference on Sustainable Innovation 2019-Technology and Engineering （IcoSITE 2019）， 2019.

[7] 美国交通研究委员会. 道路通行能力手册[S]. 任福田，刘小明，容建，等译. 北京：人民交通出版社，2007.

[8] 吴兵，李晔. 交通管理与控制[M]. 4版. 北京：人民交通出版社，2009.