王凱茜，王乙婷，朱勇，田龍

城市交叉口信號(hào)燈相位設(shè)置與配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王凱茜1，王乙婷2，朱勇1，田龍1

（1.長安大學(xué) 運(yùn)輸工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為了解決西安市小寨東路與文娛巷交叉口早晚高峰間的交通擁堵問題，文章提出了一種交叉口信號(hào)燈相位及信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方案。首先進(jìn)行現(xiàn)狀交通量調(diào)查，然后根據(jù)所得的調(diào)查數(shù)據(jù)，利用韋伯斯特公式，進(jìn)行交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行VISSIM仿真模擬，針對(duì)車輛延誤平均值以及車輛平均排隊(duì)長度進(jìn)行優(yōu)化前后對(duì)比。證實(shí)所得結(jié)果可以較好改善該交叉口的早晚高峰擁堵情況。

交通擁堵；交叉口；信號(hào)配時(shí)優(yōu)化；VISSIM交通仿真

引言

隨著城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展，我國機(jī)動(dòng)車數(shù)量呈現(xiàn)大規(guī)模增長的態(tài)勢(shì)[1]。由于城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐與機(jī)動(dòng)車數(shù)量增長不相匹配，導(dǎo)致了我國城市交通擁堵現(xiàn)象日益凸顯。在這當(dāng)中，道路交叉口車流混雜，因此其交通擁堵現(xiàn)象更加受社會(huì)關(guān)注，而合理優(yōu)化交叉口的信號(hào)相位設(shè)置及信號(hào)配時(shí)方案可以有效緩解城市道理擁堵狀況[1-3]。薛詠梅等人[1]研究了路口現(xiàn)狀的信號(hào)配時(shí)方案，對(duì)比分析了車輛平均排隊(duì)長度和車輛平均延誤對(duì)交叉口交通狀況的具體影響；王曉安等通過分析典型四相位信號(hào)控制交叉口，提出了時(shí)間優(yōu)化與空間優(yōu)化相結(jié)合的交叉口優(yōu)化模型[2]；金嘉等[3]研究了信號(hào)配時(shí)系統(tǒng)在環(huán)形交叉口當(dāng)中發(fā)揮的作用，利用VISSIM 交通仿真軟件來對(duì)比優(yōu)化前后的車輛延誤參數(shù)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以西安市小寨東路和文娛巷交匯的“丁”字形交叉口為例，進(jìn)行交叉口信號(hào)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，以緩解路口的交通擁堵狀況。

1 交叉口現(xiàn)狀調(diào)查

小寨東路和文娛巷交叉口是西安市城市交通的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。交叉口東連大雁塔以及陜西省歷史博物館，西接賽格國際購物中心，北進(jìn)口道與興善寺東街相交接，早晚高峰期間的車流量較大。該交叉口東西進(jìn)口均為三車道，北進(jìn)口為兩車道。具體調(diào)查結(jié)果如表1所示。為了較為準(zhǔn)確獲得交叉口的交通流量，本文采用人工調(diào)查方法[1]。三位調(diào)查員分別調(diào)查三個(gè)進(jìn)口道在工作日晚高峰期間的車流量，調(diào)查時(shí)間為17：30至18:30，共計(jì)一小時(shí)。隨機(jī)選取周內(nèi)三天進(jìn)行調(diào)查，并將所有調(diào)查車輛換算成當(dāng)量小汽車數(shù)量。最終取三天的平均值即為本文的調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

表1 交叉口車道情況調(diào)查

進(jìn)口道車道總數(shù)渠化車道數(shù)量左轉(zhuǎn)直行右轉(zhuǎn) 東34031 北12101 西34130

表2 交叉口車流量情況

進(jìn)口方向車流方向PCU 東直行1 042 右轉(zhuǎn)192 北左轉(zhuǎn)234 右轉(zhuǎn)300 西直行1 009 左轉(zhuǎn)242

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該交叉口主要存在以下幾個(gè)問題：（1）車輛擁堵嚴(yán)重。由西向東方向車流量較大，而綠燈時(shí)間設(shè)置較短，車輛排隊(duì)長度過長，車輛擁堵非常嚴(yán)重。（2）相位設(shè)置不合理。未能將西東直行和左轉(zhuǎn)方向的車流分開布設(shè)信號(hào)燈控制，導(dǎo)致西東方向左轉(zhuǎn)進(jìn)入文娛巷的車流和東西直行車流發(fā)生沖突現(xiàn)象。（3）機(jī)非混雜情況比較嚴(yán)重。東西方向常有非機(jī)動(dòng)車混入機(jī)動(dòng)車右轉(zhuǎn)車道，影響正常交通秩序。

本文在獲得現(xiàn)狀交通量之后，利用傳統(tǒng)韋伯斯特公式，進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。而后將優(yōu)化方案進(jìn)行仿真模擬，利用車輛平均延誤時(shí)間和車輛平均排隊(duì)長度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性[6]。

2 交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)調(diào)查員實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，該交叉口現(xiàn)狀采用三相位信號(hào)控制。東西直行為第一相位，西東直行及左轉(zhuǎn)為第二相位，北向左轉(zhuǎn)為第三相位。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由西向東方向直行車輛數(shù)量較多而綠燈時(shí)間過短，造成了相當(dāng)大程度的交通擁堵現(xiàn)象。因此有相當(dāng)長一段時(shí)間，車輛排隊(duì)達(dá)到了該節(jié)點(diǎn)向西方向的下一個(gè)交叉口——紅小巷和小寨東路交叉口，最長車輛排隊(duì)甚至到達(dá)賽格國際購物中心停車場(chǎng)附近；且未能將西東直行和左轉(zhuǎn)方向的車流分開布設(shè)信號(hào)燈控制，導(dǎo)致西東方向左轉(zhuǎn)進(jìn)入文娛巷的車流和東西直行車流發(fā)生沖突現(xiàn)象，導(dǎo)致該方向車流排隊(duì)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。具體調(diào)查情況如表3所示。

表3 交叉口現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)

相位綠燈紅燈黃燈 東西直行36633 北左轉(zhuǎn)26733 西東直行/西東左轉(zhuǎn)72273

本文利用韋伯斯特法，并改進(jìn)相位設(shè)置方案，將不相交的車流由一個(gè)相位控制，來計(jì)算交叉口的最佳周期長度以及各相位有效綠燈時(shí)間[5]。具體計(jì)算可根據(jù)公式（1）—（5）來進(jìn)行[5]。

=+（1）

式中，為交叉口損失時(shí)間，為相位個(gè)數(shù)，為各相位損失時(shí)間，為全紅時(shí)間。

式中，為各相位交通流量比之和，為相位臨界流量比。

式中，0為最佳周期長度，為損失時(shí)間，為各相位交通流量比總和。

G=0?（4）

式中，G為有效綠燈時(shí)間，0為最佳周期長度，為損失時(shí)間。

式中，g為各相位有效綠燈時(shí)間，G為有效綠燈時(shí)間，為各相位交通流量比之和，為相位臨街流量比。

經(jīng)過計(jì)算，周期總長度為118 s，各相位的設(shè)置情況及紅綠燈時(shí)長如圖1所示。

圖1 優(yōu)化方案信號(hào)配時(shí)

3 信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方案仿真模擬

將優(yōu)化后的信號(hào)配時(shí)方案應(yīng)用到VISSIM仿真軟件當(dāng)中，模擬小寨東路和文娛巷交叉口的晚高峰時(shí)期交通狀況。通過在三個(gè)進(jìn)口道設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，將輸出的平均車輛排隊(duì)長度和平均延誤時(shí)間作為評(píng)估指標(biāo)，來衡量?jī)?yōu)化后方案的可靠性[6]。交通仿真圖如圖2所示，評(píng)價(jià)指標(biāo)如表4所示。

圖2 仿真效果圖

表4 輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

方案方向平均排隊(duì)長度/m平均延誤/s 優(yōu)化前西東直行52.1626.88 西東左轉(zhuǎn)54.11112.32 東西直行14.846.21 優(yōu)化后西東直行22.559.62 西東左轉(zhuǎn)30.2146.08 東西直行20.268.14

由表4可得：相位設(shè)置及信號(hào)配時(shí)優(yōu)化之后，西東直行及西東左轉(zhuǎn)方向的車輛平均延誤和平均排隊(duì)長度大幅減少，西東直行方向平均延誤減少64.2%，平均排隊(duì)長度減少56.8%，西東左轉(zhuǎn)方向平均延誤減少59.0%，平均排隊(duì)長度減少44.1%；只是在東西直行方向上，兩個(gè)指標(biāo)均有輕微上漲，但考慮一直以來，該方向車流幾乎不存在擁堵情況，故認(rèn)為優(yōu)化方案可以緩解小寨東路和文娛巷交叉口的交通擁堵狀況，方案優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)語

交叉口作為城市公共交通的重要節(jié)點(diǎn)，一直以來都是交通擁堵情況的高發(fā)地帶。本文為緩解小寨東路和文娛巷交叉口交通擁堵問題，進(jìn)行交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過人工調(diào)查得到現(xiàn)狀交通量，再利用韋伯斯特公式，計(jì)算得出最佳的信號(hào)配時(shí)，并進(jìn)行相位的重新安排設(shè)置。最后通過仿真軟件模擬，比較優(yōu)化前后的車輛平均延誤時(shí)間及排隊(duì)長度，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后方案的各項(xiàng)指標(biāo)平均值明顯降低，交通通行效率大大提高。

[1] 薛詠梅,盧歡歡,李荀.西安市典型交叉口優(yōu)化與仿真研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019,28(01):139-140.

[2] 王曉安,熊堅(jiān),郭鳳香,等.典型四相位信號(hào)交叉口交通組織優(yōu)化應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(23):5818-5822+5830.

[3] 金嘉,彭遠(yuǎn)行,屈新明.基于VISSIM的五叉環(huán)形交叉口信號(hào)控制仿真實(shí)現(xiàn)[J].交通運(yùn)輸部管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2016,26(2):41-44.

[4] PTV中國.Vissim8用戶手冊(cè)[Z].PTVag公司,2016.

[5] 徐吉謙,陳學(xué)武.交通工程總論[M].北京:人民交通出版社,2016.

[6] 張世豪,王玉杰,任海鵬.VISSIM 在提高交叉口通行能力中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)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

U491

A

1671-7988(2021)21-114-03

王凱茜（1996—），女，碩士研究生，長安大學(xué)運(yùn)輸工程學(xué)院。