王少華，張 海，任 超，關(guān)志偉

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；天津市公安交通管理局科研所，天津 300040）

道路交叉口交通信號控制設(shè)計
——以天津復(fù)興門為例

王少華1，張 海2，任 超2，關(guān)志偉1

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；天津市公安交通管理局科研所，天津 300040）

對天津市復(fù)興門交叉口的實際交通環(huán)境和信號控制狀況進行了調(diào)查分析，運用Webster信號配時法，對交通信號控制方案進行了設(shè)計，并基于交通微觀仿真軟件VISSIM進行了實驗。結(jié)果表明：所設(shè)計的方案二，平均行程時間可縮短18.90%，平均延誤減少24.67%，平均排隊長度減少8.97%，各項指標均優(yōu)于原有配時方案。

復(fù)興門；交叉口；信號控制；VISSIM

交叉口交通控制的優(yōu)化與完善已經(jīng)成為緩解交通擁堵、提高道路通行能力、促進交通運輸效率的重要內(nèi)容。交叉口優(yōu)化的重要內(nèi)容之一就是交通管理與控制，特別是信號配時方案的設(shè)計與實施。2006年至2012年，天津市機動車保有量由120萬輛增加到236萬輛，過去3年中，增加了100萬輛車。原有道路基礎(chǔ)設(shè)施供給量的不足以及交通控制管理、公共交通建設(shè)等方面存在的不足，造成天津市中心城區(qū)道路交通堵塞路段增多、出行效率下降、道路網(wǎng)應(yīng)變能力差等問題，交通擁堵的問題因此也成為影響天津市經(jīng)濟良性發(fā)展的癥結(jié)之一。交通擁堵問題不僅造成居民不便，還造成空氣污染加劇，更對城市的可持續(xù)發(fā)展造成阻礙[1]。因此，有必要進行交通擁堵點的交通優(yōu)化研究。本文在對天津市復(fù)興門交叉口進行交通現(xiàn)狀調(diào)查、分析交通擁堵原因和沖突方式的基礎(chǔ)上，運用Webster信號配時法進行交通信號控制優(yōu)化，運用VISSIM仿真軟件建立交叉口3D微觀仿真模型并進行仿真評價，根據(jù)評價結(jié)果進行現(xiàn)狀問題的分析，對交叉口采取渠化、重新配時等措施進行再次仿真，優(yōu)化后的仿真有效地降低了車輛的延誤和排隊長度，大大提高了道路的通行能力。

1 交叉口現(xiàn)狀分析

交叉口的交通現(xiàn)狀調(diào)查主要包括交叉口周邊環(huán)境、土地使用性質(zhì)、高峰小時交通量調(diào)查、交通渠化調(diào)查、行車延誤、信號控制、機動車通行能力、交叉口服務(wù)水平等，還包括干擾機動車通行的因素和擁堵原因分析。

1.1 交通環(huán)境調(diào)查

復(fù)興門交叉口實景俯視圖如圖1所示。復(fù)興門交叉口位于天津市河西區(qū)，距海津大橋東南側(cè)約780 m，為五岔路口，屬于由大沽南路、微山路、郁江道和清灣路交匯而成平交燈控路口。

圖1 復(fù)興門交叉口俯視圖

由于外環(huán)線內(nèi)后5 km只有海津大橋一座過河通道，河?xùn)|區(qū)、東麗區(qū)進入市區(qū)過河通道不足，因此早晚高峰期間，從天津大道進入市區(qū)、從河?xùn)|區(qū)沿著海津大橋進入大沽南路車輛數(shù)量較大，造成此節(jié)點交通擁堵嚴重，復(fù)興門交叉口前后兩處立交橋上的大量快速車流與兩條支路上的車流在此形成車速瓶頸。同時，該交叉口西北方向約300 m是地鐵1號線復(fù)興門車站，路口東南方向約600 m是北京師范大學(xué)天津附屬中學(xué)，周邊還有醫(yī)院、商鋪、住宅小區(qū)、消防車隊、派出所、研究所和公交車站，車流在此主輔路交織嚴重。

1.2 信號控制調(diào)查

復(fù)興門交叉口固定信號配時方案如圖2所示。其中下行是指大沽南路至市外方向，上行是指大沽南路至市內(nèi)方向。信號周期因時段而有差異，早高峰信號周期總時長是150 s，全紅時間2 s，信號控制方案分為4個相位。

圖2 復(fù)興門交叉口信號相位圖

1.3 交通量調(diào)查

本次調(diào)查日期選在2012年12月5日（星期三），選取時間段為上午6：30至8：30，下午16：30至18：30。

調(diào)查方式采用了人工計數(shù)法，每隔5 min記一次車流量。調(diào)查對復(fù)興門交叉口機動車流量進行了車型調(diào)查、流量調(diào)查，調(diào)查前對交叉口的車流方向進行編號，共13個車流方向。調(diào)查統(tǒng)計如圖3所示，該交叉口機動車流量早高峰時段為6：55至7：55，晚高峰時段為17：05至18：05。

圖3 復(fù)興門交叉口調(diào)查統(tǒng)計圖

2 交通現(xiàn)狀分析

（1）個別進口標線模糊不清，部分標線設(shè)置不全面。大沽南路至市外方向主道和輔道路面中心線、行車道分界線、行車輔助線、車行道邊緣線已經(jīng)模糊不清，車輛在該進口道行駛時交通秩序有些混亂，存在一定安全隱患，并降低了該交叉口的服務(wù)水平。

（2）大沽南路上行方向進口主道停車線過于靠后。大沽南路至市內(nèi)方向主道進口過去靠后，使得車輛通過路口的行駛時間過長，同時也使得主道和輔道左轉(zhuǎn)以及掉頭車輛交織嚴重，排隊通過時間過長，制約了交叉口的通行能力。

（3）機非混行嚴重。該交叉口交通流量大、主道輔道道口較多，且沒有機非隔離設(shè)施、斑馬線及安全島，導(dǎo)致行人、自行車、摩托車僅依靠主觀判斷車流間隙穿過路口，因此機非混行嚴重，造成機動車延誤增加，交通秩序混亂，并危及行人過街安全[2]。

從傳統(tǒng)的技術(shù)理性的認識論來看，教學(xué)是一種傳送知識的活動，一種技術(shù)性工作。這種認識論認為，知識都是科學(xué)的、標準的，由別人創(chuàng)造好的，教師基本上承擔“執(zhí)行者”的角色，忠實地執(zhí)行教育行政部門選定的教材，有效地貫徹教學(xué)研究部門提供的教學(xué)指導(dǎo)和參考資料，并使用他們編制的考試試卷以評價教和學(xué)的效果。[1]也就是說，教學(xué)工作相對簡單，是確定好的，并且可以進行標準化操作。因此，教學(xué)成了杜威所說的一套慣常的、可機械地執(zhí)行的活動。作為技術(shù)人員的教師常常不加批判地接受在學(xué)校發(fā)生的現(xiàn)實，每天需要做的就是盡力找到最有效率、最有效果的辦法去解決問題。他們失去了對工作的目的和結(jié)果的反思。[2]

（4）多岔口影響嚴重。復(fù)興門交叉口不是規(guī)則交叉口，并且交叉口所連接的多條道路車道數(shù)不同，斷面性質(zhì)不同，車流量不同，導(dǎo)致主道和輔道上的車輛不得不在交叉口范圍內(nèi)進行交織分合流。這一現(xiàn)象主要體現(xiàn)在大沽南路主道和輔道雙向直行的車輛，以及大沽南路上行和下行左轉(zhuǎn)和掉頭的車輛[3]。

（5）相位設(shè)計不夠合理。大沽南路主道車輛右轉(zhuǎn)如果不受控，則在相位1和相位2可能與輔路直行車輛沖突。如果受控，則按原相位只能在第4相位實現(xiàn)，這樣導(dǎo)致右轉(zhuǎn)進入小海地居住區(qū)車輛等待時間過長。

3 交通優(yōu)化方案設(shè)計

國際上固定信號配時一般有英國的TRRL法（Webster法）、澳大利亞的ARRB法以及美國的HCM法，我國有“停車線法”和“沖突點法”等。不同信號配時方法的應(yīng)用條件、適應(yīng)場合均不同。本次優(yōu)化為簡化起見，采用Webster法，式（1）和式（2）為配時優(yōu)化公式，經(jīng)計算Y值大于0.9，因此須改進進口道設(shè)計或信號相位方案[4]。

式中：C0為最佳周期；Y為組成周期的全部信號相位的各個最大車道流量比之和；L為每個周期的總損失時間（s），計算公式為：

式中：l為車輛啟動損失時間，應(yīng)實測，無時間數(shù)據(jù)可取2 s；I為綠燈間隔時間，即黃燈時間加全紅燈時間，全紅燈時間為1～4 s；A為黃燈時間，一般為3 s；n為所設(shè)相位數(shù)。

3.1 方案一

方案一主要采取了以下優(yōu)化措施，各進口具體渠化設(shè)計方案如下：①對交叉口的交通流重新渠化，設(shè)置明確標志標線以及渠化導(dǎo)流島；②增加行人橫道線及過街安全島；③增加左轉(zhuǎn)彎待駛區(qū)；④在大沽南路上行和下行輔道上設(shè)置公交專用車道；⑤對不夠清晰的標志標線進行補充完善；⑥不改變現(xiàn)有信號燈的相位及其配時。⑦加強交通需求管理。對于高峰時段接送孩子家長用車加強停車管理，加強過街行人和非機動車管理，嚴格執(zhí)行交通規(guī)則。

3.2 方案二

相位1為大沽南路方向上、下行車流直行；相位2為大沽南路上、下行車流左轉(zhuǎn)彎或調(diào)頭，清彎路車流左轉(zhuǎn)彎或直行至微山路；相位3為微山路方向車流左轉(zhuǎn)彎，大沽南路主道下行車流右轉(zhuǎn)彎。

3.3 方案三

在方案二基礎(chǔ)上，將總信號周期改為120 s，信號控制由4相位改成3相位，各相位交通流向與方案二相同。

4 交通優(yōu)化仿真

4.1 仿真過程

依據(jù)交叉口的斷面形式、車道功能、流量流向、優(yōu)化后的信號配時等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對所述不同交通信號控制方案，在Vissim軟件中對復(fù)興門交叉口進行建模與仿真分析，具體步驟如下[5-6]：

（1）確定仿真對象，并對其進行基本交通數(shù)據(jù)調(diào)查、分析。需要調(diào)查的數(shù)據(jù)包括：交叉口高峰小時車流量數(shù)據(jù)、交叉口幾何尺寸數(shù)據(jù)、車道功能劃分情況及原有信號配時參數(shù)等。

（2）利用繪圖軟件CAD繪制干道仿真藍圖，并將其轉(zhuǎn)換為軟件平臺能夠識別的*.bmp格式。

（3）把位圖導(dǎo)入VISSIM軟件平臺，建立基礎(chǔ)路網(wǎng)，注意連接器的選擇，務(wù)必保證紅燈下車輛可以右轉(zhuǎn)。為簡化起見，本次仿真沒有考慮過街行人的影響因素。

（4）調(diào)整參數(shù)。根據(jù)實際情況調(diào)整車輛行駛速度分布/加減速特性、車種/車型、駕駛行為/跟車模型參數(shù)標定等參數(shù)，本次仿真選擇系統(tǒng)默認值。

（5）輸入路網(wǎng)基本特征變量。路網(wǎng)的基本特征變量主要包括：車種構(gòu)成、車型比例、流量、行駛路徑。其中，要對不同時段的交通量進行分時段輸入，注意路徑比例分配、減速區(qū)設(shè)置、路徑?jīng)Q策起終點的設(shè)置。

（6）設(shè)置信號控制方案。設(shè)置信號控制機和信號配時方案，首先定義信號控制機，然后分配信號燈組。需要注意的是本次采用的是固定配時，需要根據(jù)算法提前設(shè)計好配時方案，畫出信號控制時間相位圖。

（7）建立檢測器，檢測器中主要包括行程時間、數(shù)據(jù)采集點和排隊計數(shù)器等的設(shè)置?？刹捎脭?shù)據(jù)庫形式對所需的評價參數(shù)進行統(tǒng)計和對比分析。

（8）進行3D效果設(shè)計。重點是設(shè)置3D信號燈，同時通過V3DM、3DMAX等軟件建立建筑和車輛模型數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過多次調(diào)整，3D仿真界面如圖4所示。

圖4 復(fù)興門交叉口微觀仿真圖

4.2 仿真評價

微觀仿真評價參數(shù)如表1所示。

表1 微觀仿真評價參數(shù)表

對用于VISSIM結(jié)果校驗的輸出指標進行了歸納，確定采用平均行程時間、平均延誤和評價排隊長度數(shù)據(jù)作為VISSIM評價指標[7]，結(jié)果顯示，方案二比方案一平均行程時間縮短18.90%，平均延誤減少24.67%，平均排隊長度減少8.97%，各指標均優(yōu)于方案一。為了避免信號周期過長，如果采用方案三，指標優(yōu)化效果并不明顯。整體考慮，建議采用方案二進行短期優(yōu)化。長期應(yīng)該考慮建設(shè)海河過河通道，減少過河車輛數(shù)量。

5 結(jié)束語

本文通過對復(fù)興門交叉口的交通現(xiàn)狀調(diào)查與分析，提出了解決交通擁堵狀況的道路渠化和信號優(yōu)化方案，并采用VISSIM交通微觀仿真軟件進行了評價驗證。結(jié)果證明，所設(shè)計的方案二各項指標均優(yōu)于原有方案。本研究為交通管理部門提供管理參考，避免了不必要的財力和人力的浪費，對于緩解復(fù)興門交通問題具有積極的促進作用。然而，本文的優(yōu)化方案是在所有道路參與者遵守交通規(guī)則基礎(chǔ)上提出的高峰期間固定配時方案，沒有從動態(tài)感應(yīng)的角度提出控制策略。同時，針對復(fù)興門交叉口單點進行優(yōu)化，沒有從大沽南路快速路主干道上進行全面協(xié)調(diào)控制的角度考慮問題，因此，復(fù)興門交叉口的優(yōu)化還有待于進一步深入研究。

［1］ 張政.交叉口交通組織優(yōu)化設(shè)計研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］ 王秋平，譚學(xué)龍，張生瑞.城市單點交叉口信號配時優(yōu)化［J］.交通運輸工程學(xué)報，2006，6（2）：91-94.

［3］ 王云鵬.多路口感應(yīng)信號控制優(yōu)化設(shè)計及其仿真［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

［4］ 周蔚吾.道路交通信號燈控制裝置技術(shù)手冊［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［5］ 柳祖鵬，許彩霞，張獻峰.基于VISSIM仿真系統(tǒng)構(gòu)建3D交通環(huán)境［J］.城市交通，2008，6（2）：91-94.

［6］ 盧火平，羅典，許偉立.基于Synchro-VISSIM的干道綠波協(xié)調(diào)控制仿真研究［J］.交通與運輸，2013（2）：33-36.

［7］ 汪瀅，張興強，胡顯文.基于VISSIM的交叉口交通改善方案適應(yīng)性研究［J］.公路與汽運，2013（5）：33-36.

Design traffic signal simulation system based on visual basic——A case study of Fuxingmen，Tianjin City

WANG Shao-hua1，ZHANG Hai2，REN Chao2，GUAN Zhi-wei1
（1.School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Research Institute of Tianjin Traffic Management Bureau，Tianjin 300040，China）

The actual traffic environment and signal control of Tianjin city Fuxingmen intersection are investigated and analyzed，and the traffic signal control scheme is designed by the method of Webster.Experiments with traffic micro-simulation software VISSIM are conducted.The results show that the average travel time is shortened to 18.90%，the average delay time is reduced 24.67%and the average queue length is curtailed 8.97%by the proposed scheme two.All the index surpassed that of the original one.

Fuxingmen；intersection；signal control；VISSIM

U491.51

A

2095－0926（2014）01－0041－04

2013-12-18

國家自然科學(xué)基金資助項目（61301040）；公安部公安理論及軟科學(xué)研究計劃項目（2012LLYJTJSJ077）.

王少華（1983—），男，講師，研究方向為交通仿真、交通安全等.