基于VISSIM的区域交通组织优化设计——以新余市渝水区劳动路与青年路交叉口及其附近区域为例

王安格，邓明君，蒋雪晴，曹杨柳

(1 北京工业大学城市建设学部，北京，100124；2 华东交通大学交通运输与物流学院)

随着我国经济的迅速发展，机动车保有量迅速增长，城市交通拥堵等问题越来越严重，由交叉口拥堵蔓延至路段拥堵，逐渐扩大为区域拥堵，大大降低了道路的通行能力，进而影响人们的交通出行效率[1]。针对以上问题，国内外的学者们主要运用交通仿真的方法验证优化方案的可行性和有效性。如秦焕美等[2]归纳了畸形交叉口交通组织优化的主要方法，利用交通仿真软件对实际案例进行了方案实施效果评价。周海娟[3]以交通组织为基础，分析研究了渠化交通的作用、设计流程以及信号配时的两种计算方法，为信号交叉口的优化提供了理论依据。李硕等[4]通过运用VISSIM交通仿真系统对有两个分离左转车道的道路交叉口实例进行仿真，研究了外侧左转车流对内侧左转车流延误的影响。还有部分学者运用VISSIM仿真评价交叉口配时方案[5～7]，以上研究均表明运用VISSIM仿真优化具有良好的效果。此外，在地铁施工背景下的交通组织优化也有相应的研究[8,9]。而根据区域实际情况，从微观的角度来定量地分析现状存在的问题，并提出相应交通管理措施和对策的案例研究不多。笔者以新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域为例，通过实地调研获取现状数据，分析存在的问题，并提出改善方案，然后建立优化方案的仿真环境，输出对应的交通性能指标，并与现状交通性能指标进行对比。

1 研究区域概述

1.1 地理位置概述

该区域面积约为60 000 m2，卫星图见图1。南北向为劳动路，劳动路南跨铁路线，交叉口西进口处为青年路与站北路交叉，形成五岔交叉口，同时东进口存在小区出入口，出入交通量相对较少。当前劳动路中央隔离，其余冲突点均采用无信号控制，交通混乱，高峰时段交通拥堵严重，为方便对该区域存在的问题进行分析及后续改善，标注序号1～6表示路段端点，字母A～F表示道路。

该区域道路A为单幅路，单车道，远离渠化岛一侧为非机动车道，采用白色实线隔离，路幅宽度约为4.5 m(图1)；道路B为单幅路，双向两车道，采用黄实线隔离，道路两侧各有1条非机动车道，采用白色实线隔离，路幅宽度约为8 m；道路C为单幅路，双向两车道，采用黄色虚线隔离，两侧各有1条非机动车道，路幅宽度约为8 m；道路D为单幅路，双向四车道，道路中央采用隔离栏隔离对向车流，道路两侧为非机动车道，路幅宽度约为22 m；道路E为单幅路，双向四车道，单向车道采用白实线隔离，对向车道采用双黄线隔离，路幅宽度约为22 m；道路F为居住区域，路况不规则，路幅宽度满足双向两车道通行，路面未施画隔离标线或设置隔离措施。

图1 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域航拍图(来源：百度地图)

1.2 交通概况

劳动路和青年路交叉口南北方向设置了隔离栏，将桥上下来的左转车辆变右转再直行再左转，由此减少了交叉口内部的冲突点数量，但同时增加了部分车辆的绕行距离，并且在绕行过程中通过两个小区，仍存在较大的安全隐患，导致交叉口高峰时段交通拥堵严重。图2为现状机动车交通组织流线图。通过交通调查，图1中各路段端点之间的交通OD量见表1。

表1 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域各路段端点OD表(辆)

图2 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域现状机动车交通组织流线

2 现状问题分析

2.1 定性分析

(1)调查数据显示，路段端点1，2，6的交通吸引量和出行量都很大，而相关联的进出路段均为双向四车道，道路通行能力很难满足实际交通量的需求。

(2)慢行交通设施不完善，机动车道与非机动车道隔离不完全，导致行人和非机动车违规占用、横穿机动车道等，造成交通混乱。如在劳动南路的高架桥上，由于路幅宽度小，并且未设置非机动车道，导致机动车和非机动车混合行驶，大大降低了道路的通行能力，导致交通拥挤现象发生。

(3)交通标线和交通标志设施不完善，导致交织段交通混乱、驾驶员无序行驶等问题，加重了高峰时期交通拥堵。如在青年路和劳动路西交织段，未设置引导机动车和非机动车行驶的导流标线，致使本交织段交通秩序混乱。

(4)冲突点过多，加之无信号控制区域优先规则不明确，渠化设施不完善，增加了交通压力，加重了交通拥堵现象。端点1出口处，在现状相位设置下，由于转向车流，造成冲突点(黑色方框标注处)，影响车辆的畅通行驶(图3)。

图3 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域端点1出口冲突点

(5)交通管控措施不完善，交叉口处未设置信号控制，无法保障行人安全过街。

(6)停车场布局不当或建设不当，导致非机动车和机动车占用道路停放，造成交通秩序混乱、安全隐患和交通阻塞等问题。与交叉口相接的路段上非机动车道上一些车辆乱停放，占用了大量的路上资源，有些占用了非机动车道，导致非机动车占用机动车道行驶，从而造成交通混乱。

2.2 定量分析

2.2.1通行能力 对于现状交叉口的通行能力，由于对向车流被隔离栏完全隔离，所以先分别计算每个进口的通行能力，4个进口的通行能力之和即为交叉口的通行能力。

城市道路某路段的设计通行能力可根据1个车道的理想通行能力修正得到。对理想通行能力的修正应包括车道数、车道宽度、自行车影响及交叉口影响等4个方面[10]，即式(1)：

CD=CB·γ·η·β·n′

(1)

CD—设计通行能力，以当量标准小客车计，辆/h；

CB—理想通行能力，以当量标准小客车计，辆/h；

γ—自行车影响修正系数；

η—车道宽影响修正系数；

β—交叉口影响修正系数；

n′—车道数修正系数。

根据《城市道路设计规范》[11]建议的1条车道的理想通行能力，本次研究的区域各路口通行能力修正如下：

西进口 机动车不饱和且未设置分隔带，故γ1取0.8；由于车道宽度为3.5 m，故η1=50×2(%)=1；单向有2条车道，故n1′取1.87；β取1。

故CD1=CB1·γ1·η1·β·n1′=1 550×0.8×1×1.87=2 318 (辆/h)

东进口 非机动车不饱和且未设置分隔带，故γ2取0.8；由于车道宽度为3.5 m，故η2=50×2(%)=1；单向有1条车道，故n2′取1；β取1。

故CD2=CB2·γ2·η2·β·n2′=1 550×0.8×1×1=1 240 (辆/h)

北进口 非机动车设置分隔带，故γ3取1；由于车道宽度为3.5 m，故η3=50×2(%)=1；单向有2条车道，故n3′取1.87；β取1。

故CD3=CB3·γ3·η3·β·n3′=1 640×1×1×1.87=3 067 (辆/h)

南进口 机非混合行驶，QBIKE取500辆/h，CBIKE取1 000辆/h，则γ4为0.5；由于车道宽度为3.5 m，故η4=50×2(%)=1；单向有2条车道，故n4′取1.87；β取1。

故CD4=CB4·γ4·η4·β·n4′=1 550×0.5×1×1.87=1 450 (辆/h)。

故现状交叉口的通行能力为：

CD=CD1+CD2+CD3+CD4=2 318+1 240+3 067+1 450=8 075 (辆/h)

同理，对于拥堵路段的现状通行能力(高架桥下两侧道路)计算如下：

CD1=CD2=CBJ·γJ·ηJ·βJ·nj′=1 550×0.8×1×1=1 240 (辆/h)

2.2.2延误计算 延误常以荷载系数，即实际交通量发通行能力的B值来度量。行车延误与荷载系数成正比。根据模拟研究发现，当荷载系数≤0.3时，每辆车平均延误不超过19 s，而当荷载系数≤0.7时(>0.3)，每辆车平均延误最高可达32～35 s。

交叉口路段负荷度：

西进口Q1/C1=0.51；东进口Q2/C2=0.69；北进口Q3/C3=0.51；南进口Q4/C4=1.24。

故现状交叉口的延误大约为160 s。

3 优化方案及仿真

3.1 仿真过程

3.1.1创建路网 依据现实情况对VISSIM软件默认参数进行了调整，然后进行仿真模拟。首先由百度地图大致测得路网的实际距离，用VISSIM设置好比例，保证仿真场景与实际场景基本一致，添加现状路网背景并确定比例后，根据现状路网条件及交通流流向绘制现状仿真路网图(图4)。

图4 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域仿真现状

3.1.2动态分配

①设置节点。首先通过“Nods”命令进行节点的设置，中间的交叉口区域可设置为1个节点。

②设置停车区。首先通过“Parking lots”命令进行停车区的设置。要注意的是停车区要设置在节点之间，不能有重叠区域；其次，设置的方向要和交通流流向一致。

③创建OD矩阵文本并导入。根据用户定义的相对交通流量，将小区的起始交通流量分配到各个停车场上。针对相同小区的不同出入类型，设置不同的停车场加以区分，从而更清楚的对交通流进行分配。

④导入OD矩阵文本。通过“Traffic”中的子命令“Dynamic Assignment”进行设置，但要注意文本的格式要转换为.fma格式。

3.1.3数据采集 在路网上放置行程时间检测器和排队长度检测器，编辑交通评价各参数数据。通过放置在各小区出入口的时间检测器以及在交叉口处的排队长度检测器，对路网进行评价，最终得到优化路网(图5)。

图5 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域优化路网

3.2 改善分析

根据现状仿真情况，端点4和端点5之间的路段开始发生堵塞，直至路网全部堵塞，原因是此路段冲突点太多，并且没有进行信号控制或者渠化，所以改善方案的突破点为减少此路段的冲突点。因为高架桥两侧的道路相似且与交叉口距离基本相等，所以考虑设置单行道路，并且在劳动路和青年路交叉口拆除隔离栏并设置信号控制，本着尽可能减少相位数量的原则，将能合并为1个相位的流向合并，共分为3个相位。

考虑到东进口处交织段的影响，在东进口增设1条出口车道，通入端点3，考虑到信号相位设置和车流数量，将西进口直行与左转的车辆设置绕行，2条右转车道设置渠化。考虑到南进口、北进口交通流量较大，所以拓宽其进口道为3条车道。

因为高架桥下道路宽度足够，并且从端点4至端点5的车流量不大，在高架桥下设置单独的车道(端点4～5)对道路通行能力影响不大，并且在相应区域设置标志牌进行引导，在高架下设置限高标志等交通标志。

3.3 改善设计

3.3.1信号配时设计方案 优化方案相位图见图6。

图6 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域各路口信号配时优化方案相位

①各行驶方向流量比λj可用式(2)计算：

(2)

qj—第j行驶方向实际到达流量(辆)；

sj—第j行驶方向饱和流量(辆)。

其中东进口和南进口各车道饱和流量为1 550辆/h，北进口直行和右转车道饱和流量为1 640辆/h，西进口右转车道饱和流量为1 550辆/h。

各行驶方向实际行驶流量和对应的流量比计算结果见表2。

表2 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域各行驶方向流量与流量比

②信号周期可用式(3)计算：

(3)

C—信号周期，s；

L—周期总损失时间，s；

i—相位序号；

j—交叉口各行驶方向。

已知L=16 s，λ=0.786，代入公式中可得周期C=107 s。

③各相位实际显示绿灯时间可用式(4)计算：

(4)

λi—第i相位流量比；

Ai—第i相位黄灯时间，s；

li—第i相位绿灯间隔时间，s。

由公式(4)可得各相位实际绿灯时间(表3)。信号配时图见图7。

表2 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域各路口平均行程时间对比

表3 新余市劳动路与青年路交叉口各相位实际显示绿灯时间

图7 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域各路口改善后的信号配时

3.3.2机动车道优化设计

①在劳动路青年路交叉口北进口拓宽，改善后北进口共3条车道——1条直右车道，1条直行车道，1条直左车道。

②南进口进行拓宽，改善后南进口共3条车道——1条专用右转车道，1条直行车道，1条直左车道。

③东出口渠化出1条专用出口道，供北进口和南进口的车辆进入端点3。

④西进口仍保持2条车道，设置渠化岛，不受信号控制，车道功能设置2条右转车道；西进口交织区设置导流线。

⑤高架桥下增加1条车道，供端点4至端点5通行(图8)。

图8 新余市劳动路与青年路交叉口交通改善情况

3.3.3设置单行 通过对交叉口的流量分析得知，环线车流流量很大。同时又因青年路与站北路交叉、路段端点4端点5与环线车流的汇入、驶出，使得环线冲突点极多。通过对环线设置单行的方式减轻环线压力，同时减少青年路与站北路交叉、路段端点4端点5与环线车流的冲突点数量(图9)。

图9 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域单行设置情况

3.3.4增加交通标志 总体改善后的状况见图10。

图10 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域各路口总体改善情况

4 改进方案仿真分析

4.1 行程时间对比分析

首先在路网中定义了行程时间检测区段，检测区段由1个起点和1个终点组成。平均行程时间(包括停车时间)是指车辆通过检测区段的起点直至离开终点的时间间隔[12]。表2为该区域优化前后的平均行程时间仿真结果。

通过调整机动车行车流线，可有效地减少大部分端点间的平均行程时间，总体平均行程时间可减少17%，使整个道路网更加通达、通畅。

4.2 延误时间对比分析

仿真结果采用平均延误时间，即通过交叉口的所有车辆平均每辆车的延误时间作为评价指标[12]。该区域各路口优化前后的平均延误值仿真结果见表3。

表3 新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域各路口平均延误时间对比

与车均停车次数类似，改善后端点6的出行延误可大幅度降低，总体平均延误时间可降低35%，在一定程度上能够降低整个交通系统的总延误，提高整个区域的通行能力。

4.3 排队长度及停车次数

VISSIM仿真中采用平均停车次数，即交叉口总的停车次数与通过交叉口的总流量的比值(也称停车率)作为评价指标[12]。在优化前后4个相同位置放置排队检测器，对300 s时间间隔的车流取平均值，分析车流排队长度和停车次数。对比结果显示，优化后排队长度明显降低，缓解车流排队现象，可有效的减轻了交通压力(表4)。但车均停车次数大幅度增加，这是因为优化方案在交叉口处设置了信号灯，原本减少通过交叉口的车流在优化后经过交叉口时都需要停车等待红灯，从而车均停车次数增加。

5 结论与讨论

针对新余市劳动路与青年路交叉口及其附近区域交通组织问题，采用定性和定量分析相结合的方法进行分析，针对问题提出优化措施，对区域的交通现状进行改善，然后利用VISSIM软件进行仿真优化并对比优化前后的评价指标。评价结果表明：采用本次研究提出的方法进行交叉口优化，效果显著，总体平均行程时间可减少17%，总体平均延误时间可降低35%，优化后排队长度明显降低，可缓解车流排队现象，有效减轻交通压力。本方法能够很好的从时间和空间两方面改善区域通行能力，为实际项目中区域交通组织优化提供参考。

在今后的研究中，可以考虑区域中共享泊位与社会公共停车泊位共存情况下对周边交通流的影响[13～15]，也可以结合机器学习算法优化交叉口信号配时，进而制定更为合理的交通组织方案。