李汝楠，晉民杰

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024)

對于整個城市道路而言，信號交叉口是主要的組成部分，也是整個路網(wǎng)中道路通行能力的“瓶頸”和交通事故的“多發(fā)源”[1-4]。在交叉口功能區(qū)內(nèi)，頻繁地發(fā)生著交通流的各種沖突，如交織運行、合流、分流和交叉等[5]，有大量的交叉路口的非機動車和行人，使交叉口功能區(qū)通行能力遠遠低于道路[6]。無論是國內(nèi)或國外，交通擁堵發(fā)生在交叉口，往往造成嚴重的交通中斷和時間延誤。

為解決這些問題，就需要在時間和空間上合理分配信號交叉口的時間與空間資源。Vissim仿真軟件作為一種基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，具有分析、評估、優(yōu)化交通流量和比較交通設(shè)計等功能，用以模擬公共交通與城市交通的運行情況[7]。多數(shù)學(xué)者應(yīng)用Vissim仿真軟件成功解決復(fù)雜交叉口擁堵及延遲問題，周海娟[8]以西安市典型十字交叉口為例，根據(jù)平面交叉口交通沖突的分布，針對性的從時間和空間兩個方面提出了渠化交通和信號控制相結(jié)合優(yōu)化方案，通過Vissim仿真軟件對比分析，優(yōu)化后的方案車輛延誤和平均排隊長度都得到有效的緩解，優(yōu)化效果顯著。張朝陽[9]等人針對某交叉口采用多渠化多相位優(yōu)化方法制定了三個不同的交叉口優(yōu)化設(shè)計方案，比選出了平均信控延誤時間最小的優(yōu)化方案，并運用Vissim軟件對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行評測。常爭艷[10]等人以太原市桃園路口為例進行分析設(shè)計，建立了以停車延誤、停車次數(shù)和通行能力為目標(biāo)的信號配時優(yōu)化模型，采用罰函數(shù)粒子群優(yōu)化算法同時優(yōu)化綠燈時間和信號周期，使二者達到最佳匹配。

本文以黃驊市迎賓大街—新海路交叉口為例，對道路渠化設(shè)計和信號周期配時兩個方面對此路口進行優(yōu)化，然后用VISSIM仿真軟件對此路口優(yōu)化前后的狀況進行仿真分析，得出最佳優(yōu)化方案。

1 數(shù)據(jù)采集與分析

1.1 現(xiàn)狀分析

黃驊市迎賓大街—新海路交叉口是黃驊市較為繁忙的交叉口，尤其在節(jié)假日期間，交通量大且交通設(shè)施不夠完善。通過實地調(diào)查，可以得到交叉口的基本幾何參數(shù)，如表1所示。

表1 交叉口基本狀況

圖1 交叉口CAD效果圖Fig.1 CAD Effect Map of Intersection

1.2 交通量數(shù)據(jù)調(diào)查

經(jīng)過在迎賓大街—新海路交叉口高峰小時統(tǒng)計交通量數(shù)據(jù)，可以得到高峰時段交通量如表2：

表2 信號交叉口高峰小時交通量

表3 各路口非機動車與行人交通量

1.3 交叉路口信號周期

由實地考察得到現(xiàn)狀信號周期：(1)信號燈組1：紅燈結(jié)束時間128 s，綠燈結(jié)束時間60 s，黃燈時間4 s；(2)信號燈組1：紅燈結(jié)束時間128 s，綠燈結(jié)束時間124 s，黃燈時間4 s.如圖所示：

圖2 信號相位圖Fig.2 Signal phase diagram

2 VISSIM仿真

通過VISSIM仿真軟件，根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)對黃驊市迎賓大街-新海路交叉口進行仿真，將1.2節(jié)實地調(diào)查數(shù)據(jù)按步驟輸入于VISSIM軟件中的交通控制模塊和交通流模塊，根據(jù)設(shè)置檢測器等方法得出東、南、西、北進口的延誤情況及排隊長度等指標(biāo)，其流程見圖3：

圖3 Vissim設(shè)置流程圖Fig.3 Vissim setup flow chart

根據(jù)各模塊參數(shù)輸入情況，運行仿真，得到各進口道路段的仿真結(jié)果：信號燈組1(東西方向直行加左轉(zhuǎn))及信號燈組2(南北方向直行加左轉(zhuǎn)),見圖4-圖5.

圖4 信號燈組1交通現(xiàn)狀Fig.4 Traffic status of signal group 1

圖5 信號燈組2交通現(xiàn)狀Fig.5 Traffic status of signal group 2

2.1 交通狀況現(xiàn)狀分析

對黃驊市迎賓大街—新海路交叉口的仿真時間設(shè)置為300 s，根據(jù)仿真過程給出的各個進口道的排隊長度，如圖6和圖7所示。

圖6 各路口排隊長度匯總Fig.6 Summary of queue lengths at intersections

圖7 各路口延誤時間匯總Fig.7 Summary of delays at intersections

由上圖可看出南北進口道延誤時間較長，參考美國HCM信號交叉口服務(wù)水平[11]可知此道路的南北方向的服務(wù)水平較差，屬于D等級，車流不是很穩(wěn)定，交通量接近了道路通行能力的90%，常呈混亂狀態(tài)。所以本文將以交叉口的南北方向為主要優(yōu)化方向進行設(shè)計。

3 優(yōu)化方案及仿真

3.1 信號交叉口渠化設(shè)計

首先對交叉口進行渠化設(shè)計，由于東、南、北方向的左轉(zhuǎn)車流量都比較大，所以會在各個方向設(shè)置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)域，并且對南北方向交叉口功能區(qū)用右側(cè)拓寬的方法，利用右側(cè)相對較寬的綠化帶進行拓寬，進口道兩車道改為三車道并且設(shè)置左轉(zhuǎn)專用道，西方向進口道的兩車道改為三車道同時設(shè)置左轉(zhuǎn)專用車道方案如圖8所示：

圖8 渠化設(shè)計方案Fig.8 Channelization design scheme

3.2 重新計算信號配時與最佳周期

在優(yōu)化設(shè)計過程中，本文在各個方向設(shè)置左轉(zhuǎn)保護相位，也就是將本交叉口的兩相位改為四相位的模式，計算過程如下所示：

(1)直行當(dāng)量計算法計算各進口道的飽和流量：

表4 交叉口高峰小時交通量

如上表所示，本次計算中流量總和Y=0.72，小于0.9，進行下一步配時計算。

(2)計算相位的黃燈時間(A)

式中：V85——85%車速；a——汽車減速度，m/s2；

g——坡度，用小數(shù)表示；t——駕駛員反應(yīng)時間，s.

將數(shù)據(jù)帶入計算得到，A=4 s.

式中：w——從停車線到遠端對象沖突車道的距離，m；L——汽車標(biāo)準(zhǔn)長度，m；V15——15%車速，m/s；

由于兩個方向車道距離的停車線到遠端對象沖突車道的距離不同，故得分別計算全紅時間。一相位與二相位是南北向的車道，w取15 m，三相位與四相位w取20 m.車長均取5 m.

代入公式計算得：

r1，2=(20+5)/(40/3.6)≈3 s

r3，4=(15+5)/(40/3.6)≈2 s

即一二相位全紅時間為3 s，三四相位全紅時間為2 s；

因此，各相位的綠燈間隔時間為：

I1，2=A1，2+r1，2=6 s；

I3，4=A3，4+r3，4=7 s

(3)最佳周期時間

(4)周期有效路燈時間

Ge=Cm-L=95 s

(5)相位有效綠燈時間

一相位(南北左轉(zhuǎn))有效綠燈時間：

二相位(南北直右)有效綠燈時間：

三相位(東西方向)有效綠燈時間：

四相位(東西直右)有效綠燈時間：

(6)相位顯示綠燈時間

一相位：g1=ge1-A+l=26 s

二相位：g2=ge2-A+l=26 s

三相位：g3=ge3-A+l=24 s

四相位：g4=ge4-A+l=29 s

優(yōu)化后信號配時方案如表5所示：

表5 優(yōu)化后信號配時方案

對改進后方案進行Vissim仿真，配時圖如下：

圖9 改進后信號配時圖Fig.9 Improved signal timing diagram

圖10 改進后各進口排隊長度匯總Fig.10 Summary of queue length of imports after improvement

圖11 改進后各路口延誤時間匯總Fig.11 Summary of delays at improved intersections

4 改進方案仿真分析

通過對優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比，可發(fā)現(xiàn)黃驊市迎賓大街—新海路交叉口經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后南北方向的延誤時間明顯減少，各個方向設(shè)置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)域，可提醒左轉(zhuǎn)和直行車輛，避免沖突。參考美國HCM信號交叉口服務(wù)水平[9]，可知南北方向和東西方向均交叉口服務(wù)水平由原來D的提升到E，車流相對穩(wěn)定，交通量接近道路通行能力的70%，乘客與駕駛員的感受只是接近飽和，而不是常呈混亂狀態(tài)。

5 結(jié)論

針對迎賓大街—新海路交叉口高峰時間的交通擁堵和延時問題，對實際交叉口的交通現(xiàn)狀進行改善。在這一過程中交通仿真提供了指導(dǎo)，對解決交通擁堵問題起了關(guān)鍵作用。最后，通過重新計算與高峰期相適應(yīng)的信號配時，并對交叉口進行渠化改良，然后進行優(yōu)化后的仿真，結(jié)果驗證了交叉口交通服務(wù)水平的提高。