基于VISSIM仿真的对称交叉口交通延误分析

唐一维，漆瑞婷

(1 上海海事大学 交通运输学院，上海 201306；2 西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031)

0 引言

城市信号交叉口是城市交通网络的常发性堵点.如何提升城市交叉口的通行能力是交通管理者长期关心的难题.按照是否设计有预信号，可将提升交叉口的通行能力的方案划分为两大类.

第一类，设置有预信号.①连续流交叉口[1-4]，将左转车辆引至道路最右侧，如图1(a)所示.②出口道左转交叉口[5-7]，将出口车道设置为左转车道，如图1(b)所示.③排阵式交叉口[8-10]，在进口道设置排队区，允许不同流向车辆在不同时段进入，如图1(c)所示.④可变导向车道[11-12]，允许进口道某条车道功能改变，如图1(d)所示.该类方案虽然可以提升交叉口的通行能力，但由于需要设置预信号和在中央分隔带开口，会增加交叉口设施成本.同时如果预信号和主信号之间的信号协调设置不当，会造成驾驶员被困在主预信号之间无法通过交叉口，增加行驶风险，也降低了交叉口通行效率.

图1 交叉口非常规设计

第二类，没有设置预信号.①通过优化信号控制，提升交叉口的通行能力.由于交通需求的急剧增加，通过优化信号配时提升交叉口通行能力对于缓解交叉口拥堵的作用越来越不明显.②对称交叉口(Symmetric Intersections)[13].通过重新组织交叉口交通流线，一条干道上的车辆靠右行驶，另一条相交道路上的车辆靠左行驶，提升交叉口的通行能力.VISSIM仿真结果显示[13]在交叉口信号周期固定时，对称交叉口的通行能力较常规交叉口可提升21.05 %.综上对称交叉口具有通行能力大、设置费用低，节约土地等优势.

通过仿真手段比较对称交叉口和常规交叉口车辆延误，验证其优越性；分析对称交叉口在不同的交通流量大小、不同的转向车流比例情况下车辆延误的变化情况，总结对称交叉口的最优适用交通条件，对于分析对称交叉口的使用环境和推广对称交叉口的应用具有重要意义.由于对称交叉口提出时间较晚，暂无该方面的研究.

1 对称交叉口简介

对称交叉口于2018年被提出[13].该类交叉口最大的特征在于在交叉口内部混合有靠左行驶交通流和靠右行驶交通流.通过重新组织车辆行车方向，减少信号交叉口车流冲突和信号相位数，提升交叉口运营效率.对称交叉口的车辆行车组织和相位设计如图2所示，对称交叉口仅需要3个相位就可释放交叉口的所有车流.

图2 对称交叉口相位图

2 VISSIM仿真平台搭建

由于对称交叉口并未实际应用，为横向分析评价对称交叉口的延误情况，采用VISSIM软件分别仿真传统交叉口和对称交叉口在相同流量比下的行人和车辆延误；为纵向评价对称交叉口的延误情况，将仿真不同流量比下对称交叉口的延误.仿真平台搭建步骤主要如下：

图3 对称交叉口车道示意图

图4 车道属性

1)绘制仿真路网.将交叉口底图导入VISSIM软件，根据传统交叉口和对称交叉口的车辆行驶路径绘制其仿真车道，各方向进口道车道数分别为左转、右转车道1条，直行车道1条，设置各进口道名称，同时绘制各进口道处人行横道.

2)设置各路段流量.横向对比组中传统交叉口和对称交叉口的对比组设置为进口道总流量固定为1 000 pcu/h，各方向车流量比例变化；对称交叉口纵向对比组将设置进口道总流量固定为1 000 pcu/h，各方向车流量比例变化和进口道各方向车流量比例固定为3∶4∶3，总流量变化.以上车辆构成均为98 %的小汽车和2 %的货车，各方向人行横道的行人流量设置为360 ped/h.

表1 对比组流量设置

表2 进口道总流量固定的信号配时

表3 进口道各方向车流比例固定下的信号配时

3)交通信号设置.利用Webster法对不同情况下的交叉口进行信号配时，得到不同车流状况下对称交叉口三个相位的绿灯时长.横向对比组中传统交叉口的信号周期时长分别为344 s(2∶6∶2)、148 s(3∶4∶3)、94 s(4∶2∶4)，其中，由于在4∶2∶4的情况下传统交叉口关键流率比较大，故该比例下设置南北、东西向左转、右转车流一起释放.

4)优先原则设置.遵循以人为本的原则，在仿真中设置行人优先，即车辆和行人发生冲突时，车辆停止运动，等待行人先行.

5)设置行程时间检测器.在各条路径延误检测区段配置相应的行程时间检测器，配置“行程时间”“延误”检测评价，用以最终对比分析，见图5.

6)运行仿真.由于对称交叉口遵循左手行驶规则，在仿真参数设置中应选择“Left-side traffic”.仿真时间为3 600 s，由于软件仿真前期车流可能存在不稳定情况，需剔除前1 200 s数据，提高仿真结果准确性，见图6、图7.

图5 检测器设置示意图

图6 仿真过程平面示意图

图7 仿真过程3D示意图

3 结果分析

3.1 传统交叉口与对称交叉口对比分析

传统交叉口和对称交叉口均仿真了各方向进口道总流量为1 000 pcu/h，左转车流量：直行车流量：右转车流量分别为2∶6∶2、3∶4∶3、4∶2∶4的情况，得到交通延误如表4所示.

表4 传统交叉口和对称交叉口交通延误

从表4可知，在相同情况下，传统交叉口周期时长均大于对称交叉口周期时长，以左转车流量∶直行车流量∶右转车流量=3∶4∶3为例，对称交叉口较传统交叉口周期时长降低了61.8 %.从交叉口运行效率来看，对称交叉口在交通延误上均优于传统交叉口，3种转弯流量比例下行人延误分别降低了64.02 %、67.78 %、88.66 %，车辆延误分别降低了19.64 %、55.83 %、41.37 %，对称交叉口通行能力显著提升，具有较强的优越性.

3.2 对称交叉口流量比变化对比分析

因对称交叉口交通延误和通行能力优于传统交叉口，且无需设置预信号和占用额外的土地，在未来可能普遍应用，为实现对称交叉口实际应用时状态最优，效率最高，需要进一步分析对称交叉口在不同的交通流量大小、不同的转向车流比例情况下车辆延误的变化情况，总结对称交叉口的最优适用交通条件.

3.2.1 进口道总流量固定

当进口道总流量固定时，改变进口道左转、直行、右转车流量比例，分析对称交叉口适合何种转弯车流比率.各转弯比例的仿真数据如表5所示.

表5 总流量固定时对称交叉口延误

从表5可以发现，随着左转和右转车辆的总流量的不断增加，交叉口的整体延误呈现先降低后增加的趋势，行人延误和车辆延误分别也先降低后增加.在左转、直行、右转车流量接近时(左∶直∶右=3∶4∶3)，交叉口整体延误最低，为40.91 s，行人延误和车辆延误分别为12.76 s和59.68 s.

在2∶6∶2和4∶2∶4比例下，周期时长均为93 s，转弯比例较小时(左∶直∶右=2∶6∶2)，整体延误、车辆延误较转弯比例较大时(左∶直∶右=4∶2∶4)分别降低了18.90 %、23.66 %.延误的降低说明，对称交叉口进口道转弯车流和直行车流不均衡时，对称交叉口更适用于转弯车流较少的情况.这是因为转弯车流越大，第1相位和3相位中车辆和行人的冲突越多，车辆等待时间也随之增加，车辆延误增加.

在行人延误方面，车辆延误较转弯比例较大时(左∶直∶右=4∶2∶4)，行人延误为20.04 s，转弯比例较小时(左∶直∶右=2∶6∶2)，行人延误为23.64 s，说明转弯车流大，行人延误反而更小.这是因为当转弯车流比较小时，第1相位绿灯时间与第3相位绿灯时间相差较大(如表2所示，g1=14 s，g3=35 s)，导致1个周期内第1相位到达的行人可能无法1次全部通行，需等待下1个绿灯时间，行人延误增加.

3.2.2 车流比例固定

上述研究说明在进口道转弯车流和直行车流较为均衡的条件下，对称交叉口可以显著降低交叉口的通行延误.因此，在转弯车流和直行车流较为均衡的条件，分析交叉口总流量改变对交叉口延误变化的影响也具有重要作用.本文选择设置高、中、低3种流量条件，进口道车辆总流量分别为800 pcu/h、1 000 pcu/h、1 200 pcu/h，分析交叉口延误.

表6 车流比例固定时对称交叉口延误

由表6可知，在进口道转弯车流比例一定的情况下，对称交叉口更适合中等车流量的情况，在车流量较少和较多的情况下，均会引起整体延误的增加，降低交叉口通行能力.在进口道车流量为800 pcu/h时，周期时长较短，3个相位绿灯时间相近，行人等待时间较短，即行人延误最低；进口道总车流量越多，3个相位的绿灯时间越接近，导致以直行车道为关键车道组的第2、3相位需要等待第1相位增加的转弯车辆通行时间，车辆延误增加.

4 总结

本文比较了对称交叉口和常规交叉口在同一交通环境下交叉口行人和车辆延误情况，证明了对称交叉口的优越性.同时本文也分析比较了在进口道总流量固定，车辆转向流量比变化和车辆转向流量固定，进口道总流量变化情况下对称交叉口延误的变化情况.VISSIM仿真结果显示，对称交叉口适合于总车流量中等、转弯车辆和直行车辆比例均衡的情况.后续研究中可以考虑增加公交车等特殊车辆，研究对称交叉口的最优适用条件，便于后续对称交叉口的推广应用.