顧佳磊，韓 印，姚 佼

(上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093)

交通仿真是隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步而逐步發(fā)展出來的，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)在交通工程、交通管理等領(lǐng)域里的一個(gè)重要應(yīng)用，是有效輔助分析預(yù)測(cè)交通堵塞地段和原因的重要工具及技術(shù)手段[1]，具有經(jīng)濟(jì)性、安全性、可重復(fù)性、易用性、可控制性、快速真實(shí)性及可拓展性等優(yōu)點(diǎn)；比較經(jīng)典的交通仿真軟件有微觀仿真軟件VISSIM、Synchro、Paramics、TransModeler、TSIS及宏觀交通規(guī)劃軟件CUBE、TransCAD、EMME和VISUM等。

通過對(duì)交叉口平面布局、交通流量及信號(hào)配時(shí)的調(diào)查[2]，并輔以交通仿真技術(shù)，對(duì)車道渠化、信號(hào)配時(shí)等進(jìn)行優(yōu)化，是提高城市交叉口運(yùn)行效率、降低交叉口車輛延誤[3]、提升交叉口安全水平[4]的重要工程技術(shù)手段。本文首先對(duì)微觀交通仿真軟件中的Synchro與VISSIM軟件進(jìn)行詳細(xì)闡述，重點(diǎn)介紹Synchro中的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模塊。選取上海市某單點(diǎn)交叉口，調(diào)查其車道布局、高峰小時(shí)交通量及相應(yīng)信號(hào)配時(shí)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)無法利用VISSIM仿真軟件對(duì)原有交叉口交通信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的缺點(diǎn)，提出一種基于Synchro與VISSIM混合仿真的單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化及評(píng)價(jià)方法，首先利用Synchro中的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模塊對(duì)原交叉口信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，再利用VISSIM軟件模擬信號(hào)配時(shí)優(yōu)化前后的交通情況，輸出兩者的交通評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析以此驗(yàn)證本文提出方法的可行性與實(shí)用性。

1 Synchro軟件簡(jiǎn)介

Synchro交通信號(hào)協(xié)調(diào)及配時(shí)設(shè)計(jì)軟件是美國Trafficware公司根據(jù)美國交通運(yùn)輸部道路通行能力手冊(cè)(Highway Capacity Manual，HCM)規(guī)范研發(fā)的，目前最新版本為8.0版本。作者先使用Synchro 8對(duì)原交叉口信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，然后在VISSIM軟件中對(duì)信號(hào)配時(shí)優(yōu)化前后的交通控制方案進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)，故對(duì)Synchro 8中的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型、排隊(duì)長(zhǎng)度計(jì)算模型、車輛延誤計(jì)算模型及停車次數(shù)計(jì)算模型等作詳細(xì)闡述。

1.1 Synchro中信號(hào)配時(shí)優(yōu)化基本流程圖

Synchro的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型含有眾多的信號(hào)優(yōu)化功能，其優(yōu)化基本思想如圖1所示[5]。

圖1 Synchro信號(hào)配時(shí)優(yōu)化基本流程

1.2 Synchro信號(hào)配時(shí)優(yōu)化計(jì)算模型

在單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)方案設(shè)計(jì)中，周期時(shí)長(zhǎng)和相位時(shí)間是其最主要的兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。在Synchro中，信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模塊首先會(huì)分析各信號(hào)相位提供的綠燈時(shí)長(zhǎng)是否滿足90%的車道組流量。如果沒有足夠長(zhǎng)的周期達(dá)到此目的，則分析是否能滿足70%的車道組流量和50%的車道組流量。優(yōu)化周期的方法是Synchro在最短周期的基礎(chǔ)上優(yōu)化信號(hào)相位時(shí)間。如果能滿足一定的百分比車道組流量(如90%或70%的車道組流量)，則采用該周期時(shí)長(zhǎng)，否則增大信號(hào)周期。

在上述過程中，需要計(jì)算綜合性能指標(biāo)(Performance Index，PI)，如果沒有滿足各百分比車道組流量的信號(hào)周期，則采用性能指標(biāo)PI最優(yōu)的信號(hào)周期長(zhǎng)度。性能指標(biāo)PI的計(jì)算公式為：

(1)

式中：PI為綜合性能指標(biāo)；D為百分比信號(hào)延誤；St為車輛停車次數(shù)；Q為排隊(duì)長(zhǎng)度。

1.3 車輛延誤計(jì)算模型

在Synchro軟件中，除使用傳統(tǒng)的道路通行能力手冊(cè)(HCM)中的韋伯斯特(Webster)延誤計(jì)算模型外，還提出了一種百分比延誤計(jì)算方法(Percentile Delay Method，PDM)，其計(jì)算過程如下所示[6]。

(1)計(jì)算某一百分比車道組流量情形下每周期延誤：

(2)

式中：VDp為百分比p∈{10，30，50，70，90}情形下的周期車輛延誤時(shí)間，s；vp為情形p時(shí)的車流量，pcu/h；s為飽和流率，veh/h；R為紅燈時(shí)間，s。

(2)計(jì)算某一百分比車道組流量情形下每車延誤：

(3)

(3)計(jì)算某一百分比車道組流量情形下的調(diào)整車流量的方法為：

(4)

式中：v為車流量；zp則按照各百分比取值見表1。

表1 zp取值表

(4)交叉口平均百分比信號(hào)延誤的基本延誤，計(jì)算公式為：

(5)

1.4 排隊(duì)長(zhǎng)度計(jì)算模型

Synchro中排隊(duì)長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

(6)

式中：V為實(shí)際交通流量；S為飽和交通流量；L為車頭間距，m/veh；n為某車道組中的車道數(shù)；fLU為車道利用系數(shù)，fLU=vg/(vgmax·n)，vg為車道組中某條車道的實(shí)際流量，vgmax為n條車道中的實(shí)際最大流量。

1.5 停車次數(shù)計(jì)算模型

Synchro中停車次數(shù)的計(jì)算類似于停車延誤的計(jì)算，其主要通過統(tǒng)計(jì)車輛延誤來計(jì)算停車車輛數(shù)，且在Synchro中車輛延誤時(shí)間小于10 s不作一次完整停車，對(duì)于延誤小于10 s的車輛來說，根據(jù)表2作相應(yīng)調(diào)整。

表2 停車次數(shù)調(diào)整表

2 VISSIM軟件簡(jiǎn)介

VISSIM微觀交通仿真軟件是德國PTV公司推出的一款離散的、微觀的、基于以10-1s時(shí)間間隔和駕駛行為(跟車模型和車道變換模型等)的微觀交通仿真建模軟件，是評(píng)價(jià)交通工程設(shè)計(jì)方案的有力工具[7]。其最新版本VISSIM 6.0已于2013年7月底發(fā)布。

VISSIM軟件中的車輛跟馳及換道模型是以德國著名學(xué)者Wiedemann先后發(fā)表的論著為理論基礎(chǔ)的。Wiedemann模型有兩種，分別為Wiedemann 74模型和Wiedemann 99模型，其基本思想是可以把車輛行駛狀態(tài)分為4種類型，即自由駕駛(free driving)、接近(approaching)、跟隨(following)及剎車(braking)[8]。

對(duì)于城市內(nèi)部交通來說，選用Wiedemann 74模型對(duì)道路交通流進(jìn)行模擬，其主要參數(shù)包括：

(1)平均停車間距(ax)：停止車輛之間的期望平均停車距離。

(2)期望安全間距的附加部分(bx_add)和期望安全間距的倍數(shù)部分(bx_mult)。

兩車之間的距離d可以用以下公式計(jì)算：

d=ax+bx

(7)

(8)

式中：v′是車輛行駛速度，m/s；z∈[0,1]，是以0.15為標(biāo)準(zhǔn)差、以0.5為均值的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；ax、bx_add及bx_mult在VISSIM中的默認(rèn)值分別為2、2及3。

3 仿真案例

3.1 交叉口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查

選取上海市楊浦區(qū)國定東路翔殷路交叉口作為Synchro與VISSIM混合仿真的案例，并于一工作日早高峰對(duì)其交叉口交通流量及信號(hào)配時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查。圖2、表3及表4分別為其幾何平面圖、早高峰小時(shí)交通流量及現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)。

圖2 國定東路翔殷路交叉口幾何平面圖

表3 早高峰小時(shí)交通流量(pch/h)

表4 交叉口現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)

3.2 Synchro信號(hào)配時(shí)優(yōu)化

由于VISSIM并無對(duì)交叉口現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的功能，故在Synchro中對(duì)表4中的信號(hào)配時(shí)先進(jìn)行優(yōu)化，然后利用VISSIM對(duì)優(yōu)化前后的信號(hào)控制方案進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)、對(duì)比分析。

在Synchro中繪制國定東路翔殷路交叉口，并輸入各進(jìn)口道的車流量及設(shè)置現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案，如圖3所示。

在現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案的基礎(chǔ)上，利用Synchro中的“Optimize Cycle Length”及“Optimize Splits”優(yōu)化功能，對(duì)現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行配時(shí)優(yōu)化，得到見表5中的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方案。

圖3 國定東路翔殷路交叉口Synchro仿真

表5 交叉口交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方案

3.3 交叉口VISSIM仿真及對(duì)比分析

選取最大排隊(duì)長(zhǎng)度、平均排隊(duì)長(zhǎng)度、車均延誤時(shí)間及平均停車次數(shù)作為仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用VISSIM仿真軟件對(duì)表4及表5中的優(yōu)化前后的固定信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)，對(duì)比分析，得到見表6中的比較結(jié)果。

利用VISSIM仿真，對(duì)比分析，可以看到通過Synchro軟件對(duì)現(xiàn)狀交叉口交通信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行優(yōu)化后，交叉口各進(jìn)口道及整個(gè)交叉口的評(píng)價(jià)指標(biāo)都得到了較大的改善(除個(gè)別進(jìn)口道外)；就整個(gè)交叉口而言，優(yōu)化信號(hào)配時(shí)方案下的最大排隊(duì)長(zhǎng)度、平均排隊(duì)長(zhǎng)度、車均延誤時(shí)間及平均停車次數(shù)相較于原信號(hào)配時(shí)方案下的各評(píng)價(jià)指標(biāo)分別下降了26.4%、12.9%、11.7%及8.6%，交叉口整體運(yùn)行效率得到了大幅度地提升。

通過以上分析及仿真案例，可見利用Synchro軟件先對(duì)信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行優(yōu)化，再對(duì)其通過VISSIM軟件仿真評(píng)價(jià)，能較大程度地提高交叉口運(yùn)行效率，可見本文所提出的方法具有較好的工程實(shí)用性與推廣意義。

表6 交叉口信號(hào)配時(shí)方案仿真比較分析

4 結(jié)束語

在城市道路交叉口設(shè)計(jì)中，與交叉口交通條件和道路條件等相匹配的交通信號(hào)控制方案是提高交叉口通行能力、提升交叉口服務(wù)水平、保障交叉口機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車及行人等安全的重要技術(shù)手段。

本文針對(duì)無法利用VISSIM軟件對(duì)原交叉口交通信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的缺點(diǎn)，選取上海市某道路交叉口，先利用Synchro中的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模塊對(duì)交叉口信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，然后再對(duì)交叉口進(jìn)行交通仿真評(píng)價(jià)。仿真結(jié)果表明，本文所提出的基于Synchro與VISSIM混合仿真的方法能較大程度地提升交叉口整體運(yùn)行效率，可見此方法具有較好的工程實(shí)用性，特別對(duì)于未安裝區(qū)域信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的中小城市而言更具推廣意義。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]鄒智軍.新一代交通仿真技術(shù)綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22(9)：2037-2042.

[2]姜 利，賀文彪.典型四相位平面交叉口交通調(diào)查分析與服務(wù)水平評(píng)估[J].森林工程，2013，29(1)：75-77，89.

[3]程宇航，王 儉.基于自修正隸屬函數(shù)的交叉口模糊控制[J].森林工程，2013，29(2)：110-114.

[4]顏桃為，馬健霄，馬 亮.信號(hào)交叉口安全評(píng)價(jià)體系研究[J].森林工程，2010，26(1)：49-52.

[5]Trafficware，Ltd.Synchro studio 8 user guide[M].USA：Trafficware，2011.

[6]孫 超，徐建閩.基于Synchro的單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化研究[J].公路交通科技，2009，26(11)：117-122.

[7]魏 明，楊方廷，曹正清.交通仿真的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15(8)：1179-1183，1187.

[8]PTV vision.VISSIM 5.40 User Manual[M].Germany：Planung Transport Verkehr AG，2011.