城市交叉口信号灯相位设置与配时优化设计

王凯茜，王乙婷，朱勇，田龙

城市交叉口信号灯相位设置与配时优化设计

王凯茜1，王乙婷2，朱勇1，田龙1

（1.长安大学 运输工程学院，陕西 西安 710064；2.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

为了解决西安市小寨东路与文娱巷交叉口早晚高峰间的交通拥堵问题，文章提出了一种交叉口信号灯相位及信号配时优化方案。首先进行现状交通量调查，然后根据所得的调查数据，利用韦伯斯特公式，进行交叉口信号配时优化设计。最后进行VISSIM仿真模拟，针对车辆延误平均值以及车辆平均排队长度进行优化前后对比。证实所得结果可以较好改善该交叉口的早晚高峰拥堵情况。

交通拥堵；交叉口；信号配时优化；VISSIM交通仿真

引言

随着城市现代化的快速发展，我国机动车数量呈现大规模增长的态势[1]。由于城市基础设施建设步伐与机动车数量增长不相匹配，导致了我国城市交通拥堵现象日益凸显。在这当中，道路交叉口车流混杂，因此其交通拥堵现象更加受社会关注，而合理优化交叉口的信号相位设置及信号配时方案可以有效缓解城市道理拥堵状况[1-3]。薛咏梅等人[1]研究了路口现状的信号配时方案，对比分析了车辆平均排队长度和车辆平均延误对交叉口交通状况的具体影响；王晓安等通过分析典型四相位信号控制交叉口，提出了时间优化与空间优化相结合的交叉口优化模型[2]；金嘉等[3]研究了信号配时系统在环形交叉口当中发挥的作用，利用VISSIM 交通仿真软件来对比优化前后的车辆延误参数。本文在前人研究的基础上，以西安市小寨东路和文娱巷交汇的“丁”字形交叉口为例，进行交叉口信号仿真优化设计，以缓解路口的交通拥堵状况。

1 交叉口现状调查

小寨东路和文娱巷交叉口是西安市城市交通的一个重要节点。交叉口东连大雁塔以及陕西省历史博物馆，西接赛格国际购物中心，北进口道与兴善寺东街相交接，早晚高峰期间的车流量较大。该交叉口东西进口均为三车道，北进口为两车道。具体调查结果如表1所示。为了较为准确获得交叉口的交通流量，本文采用人工调查方法[1]。三位调查员分别调查三个进口道在工作日晚高峰期间的车流量，调查时间为17：30至18:30，共计一小时。随机选取周内三天进行调查，并将所有调查车辆换算成当量小汽车数量。最终取三天的平均值即为本文的调查数据，结果如表2所示。

表1 交叉口车道情况调查

进口道车道总数渠化车道数量左转直行右转 东34031 北12101 西34130

表2 交叉口车流量情况

进口方向车流方向PCU 东直行1 042 右转192 北左转234 右转300 西直行1 009 左转242

实地调查发现，该交叉口主要存在以下几个问题：（1）车辆拥堵严重。由西向东方向车流量较大，而绿灯时间设置较短，车辆排队长度过长，车辆拥堵非常严重。（2）相位设置不合理。未能将西东直行和左转方向的车流分开布设信号灯控制，导致西东方向左转进入文娱巷的车流和东西直行车流发生冲突现象。（3）机非混杂情况比较严重。东西方向常有非机动车混入机动车右转车道，影响正常交通秩序。

本文在获得现状交通量之后，利用传统韦伯斯特公式，进行信号配时优化设计[5]。而后将优化方案进行仿真模拟，利用车辆平均延误时间和车辆平均排队长度作为评价指标，来验证优化结果的可靠性[6]。

2 交叉口信号配时优化设计

经调查员实地考察发现，该交叉口现状采用三相位信号控制。东西直行为第一相位，西东直行及左转为第二相位，北向左转为第三相位。调查发现，由西向东方向直行车辆数量较多而绿灯时间过短，造成了相当大程度的交通拥堵现象。因此有相当长一段时间，车辆排队达到了该节点向西方向的下一个交叉口——红小巷和小寨东路交叉口，最长车辆排队甚至到达赛格国际购物中心停车场附近；且未能将西东直行和左转方向的车流分开布设信号灯控制，导致西东方向左转进入文娱巷的车流和东西直行车流发生冲突现象，导致该方向车流排队现象十分严重。具体调查情况如表3所示。

表3 交叉口现状信号配时

相位绿灯红灯黄灯 东西直行36633 北左转26733 西东直行/西东左转72273

本文利用韦伯斯特法，并改进相位设置方案，将不相交的车流由一个相位控制，来计算交叉口的最佳周期长度以及各相位有效绿灯时间[5]。具体计算可根据公式（1）—（5）来进行[5]。

=+（1）

式中，为交叉口损失时间，为相位个数，为各相位损失时间，为全红时间。

式中，为各相位交通流量比之和，为相位临界流量比。

式中，0为最佳周期长度，为损失时间，为各相位交通流量比总和。

G=0−（4）

式中，G为有效绿灯时间，0为最佳周期长度，为损失时间。

式中，g为各相位有效绿灯时间，G为有效绿灯时间，为各相位交通流量比之和，为相位临街流量比。

经过计算，周期总长度为118 s，各相位的设置情况及红绿灯时长如图1所示。

图1 优化方案信号配时

3 信号配时优化方案仿真模拟

将优化后的信号配时方案应用到VISSIM仿真软件当中，模拟小寨东路和文娱巷交叉口的晚高峰时期交通状况。通过在三个进口道设置数据采集点，将输出的平均车辆排队长度和平均延误时间作为评估指标，来衡量优化后方案的可靠性[6]。交通仿真图如图2所示，评价指标如表4所示。

图2 仿真效果图

表4 输出评价指标对比

方案方向平均排队长度/m平均延误/s 优化前西东直行52.1626.88 西东左转54.11112.32 东西直行14.846.21 优化后西东直行22.559.62 西东左转30.2146.08 东西直行20.268.14

由表4可得：相位设置及信号配时优化之后，西东直行及西东左转方向的车辆平均延误和平均排队长度大幅减少，西东直行方向平均延误减少64.2%，平均排队长度减少56.8%，西东左转方向平均延误减少59.0%，平均排队长度减少44.1%；只是在东西直行方向上，两个指标均有轻微上涨，但考虑一直以来，该方向车流几乎不存在拥堵情况，故认为优化方案可以缓解小寨东路和文娱巷交叉口的交通拥堵状况，方案优化效果明显。

4 结语

交叉口作为城市公共交通的重要节点，一直以来都是交通拥堵情况的高发地带。本文为缓解小寨东路和文娱巷交叉口交通拥堵问题，进行交叉口信号配时优化设计。通过人工调查得到现状交通量，再利用韦伯斯特公式，计算得出最佳的信号配时，并进行相位的重新安排设置。最后通过仿真软件模拟，比较优化前后的车辆平均延误时间及排队长度，发现优化后方案的各项指标平均值明显降低，交通通行效率大大提高。

[1] 薛咏梅,卢欢欢,李荀.西安市典型交叉口优化与仿真研究[J].汽车实用技术,2019,28(01):139-140.

[2] 王晓安,熊坚,郭凤香,等.典型四相位信号交叉口交通组织优化应用研究[J].科学技术与工程,2010,10(23):5818-5822+5830.

[3] 金嘉,彭远行,屈新明.基于VISSIM的五叉环形交叉口信号控制仿真实现[J].交通运输部管理干部学院学报,2016,26(2):41-44.

[4] PTV中国.Vissim8用户手册[Z].PTVag公司,2016.

[5] 徐吉谦,陈学武.交通工程总论[M].北京:人民交通出版社,2016.

[6] 张世豪,王玉杰,任海鹏.VISSIM 在提高交叉口通行能力中的应用[J].科技创新与应用,2016(03):56.

Optimal Design of Signal Phase Setting and Timing at Urban Intersections

WANG Kaixi1, WANG Yiting2, ZHU Yong1, TIAN Long1

( 1.School of transportation engineering, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064;2.School of automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to solve the problem of traffic congestion at the intersection of Xiaozhai East Road and Wenyu Lane in Xi'an City, this article puts forward an optimization scheme for the signal light phase and signal timing at the intersection.First, carry out the current traffic volume survey, and then use the Webster formula to optimize the design of intersection signal timing based on the survey data. Finally, a VISSIM simulation was performed to compare the average vehicle delay and the average queue length of vehicles before and after optimization. It was confirmed that the results obtained can better improve the morning and evening peak congestion at the intersection.

Traffic congestion; Intersection; Signal timing optimization; VISSIM traffic simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.029

U491

A

1671-7988(2021)21-114-03

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王凯茜（1996—），女，硕士研究生，长安大学运输工程学院。