基于VISSIM仿真的交叉口信号配时优化分析
魏子凯 梁梦凯
摘要：随着我国城市化发展和车辆保有量的增加，城市交通负荷也随之急剧增长，现有交通信号配时方案与交通需求不能很好地匹配。为了缓解交通延误、提高道路通行效率，文章以石河子市北五路—东二路交叉口为例，利用交通仿真软件VISSIM对该交叉口建立微观道路交通流模型并进行仿真优化分析。结果表明，优化后交叉口排队长度、车辆延误等指标明显降低，能够有效缓解交通拥堵、提高安全性。
关键词：VISSIM;交叉口;信号配时;Webster算法
0 引言
随着国民经济发展和城市化进程持续推进，私家车保有量在过去的十年间增长了四倍多，交通需求与道路设施之间不断产生尖锐矛盾[1]，而交叉口是城市道路网中的重要节点[2]，某些交叉口路段通行能力不足，由此导致了交通拥堵问题日益严重。因此，对交叉口的交通状况进行分析，对信号灯配时进行优化，可以在一定程度上提高道路通行能力[3-4]，减少延误，保证行车畅通。
VISSIM为德国 PTV 公司开发的一种基于时间间隔和驾驶行为的微观交通流仿真软件系统，被广泛地应用于城市交通状况仿真[5]。本文以石河子市北五路—东二路交叉口为例，利用 Vissim 交通微观仿真模型对该交叉口进行仿真，利用Webster算法优化信号配时，通过排队长度、车辆延误等指标评估改善效果。
1 交叉口基本状况
石河子市北五路第五中学路段是一条双向四车道的城市道路，方向为东西向，从东至西连接了北五路—东二路交叉口、石河子大学北苑新区、石河子市第五中学、石河子大学北校区以及数个住宅小区，交通需求较大，交通作业繁忙，尤其是在上下班、上下学高峰时带来的行人流、车流对道路通行能力会产生很大的影响。
该交叉口为城市主干道北五路与东二路相交形成的十字型交叉口。交叉口西进口为一条宽12 m的双向四车道道路，道路两旁没有停车位，道路中央为黄色双实线，未设立中央分隔栏。道路两侧基本对称，各有一条宽3.5 m的非机动车道、一条宽2 m人行道，设有宽2 m机动车道、非机动车道隔离带。其他三个方向道路情况与东进口基本一致，均为双向四车道，每个方向进口均为一条直行或左转车道，一条直行或右转车道，车辆右转不受限。
同方向的两条车道可以变道，但各个方向进口道车辆在接近交叉口停止线后禁止变道。车辆通过交叉口进口道时，左右两个车道分别可以直行或左转、直行或右转。
选择13：00-14：00午高峰时间段对北五路—东二路交叉口交通流量进行调查，由于路段上的交通流量的多少受影响因素很多，存在偶然性，因此对多次观测的结果取平均值，结果如表1所示。同时统计出高峰期交通流的各种车型占比，各个进口的车流中，小汽车约占85%，货车等大型车辆约占10%，公交车约占5%。
根据现场观察，该交叉口采用两相位控制，信号周期为70 s，具体信号配时数据见表2，信号相位如图1所示。
北五路—东二路交叉口四个方向的限速均为60 km/h，但是由于该路段的学校、斑马线数量较多，实际车速比60 km/h低。
2 VISSIM模型建立与仿真
根据路段交通现状调查所获得的数据，使用CAD软件绘制底图，导入VISSIM微观交通仿真软件。由于最终的评价指标为车流的排队长度、车辆延误等信息，因此选择忽略非机动车道和非交叉口的人行横道的设置，将交叉口行人及非机动车简化为在人行横道两端的面域中产生和结束。
根据交通现状调查的结果，设置每个进口不同路径的车流量和车辆类型等参数，设置相對应的检测器。出于模型的简化考虑，假设所有车辆、行人均遵守交通规则。在完成VISSIM模型后，仿真过程如图2所示。
通过仿真模拟，得到东进口、西进口、南进口及北进口上各流向车辆的平均排队长度、最大排队长度、车辆延误、静态停车延误和停车次数，仿真结果如表3所示。
由于各进口车流量的差异，在现有配时方案下，必然会出现车流大的方向排队长度较长，如西进口与北进口的排队长度远远大于东进口和南进口。观察表1的调查数据可知，南进口的车辆路径选择左转车辆数量较多，占比达到37.7%，由于车辆左转时行驶轨道的半径较右转更大，行驶距离较右转较长，并且同其他方向行驶车辆的冲突点更多，所以造成南进口车辆延误、静态停车延误数值较大。北进口方向选择左转的车辆占比为21.3%，仅低于南进口左转车辆占比。
3 信号配时优化
本文选择采用最为普遍的Webster方法对北五路—东二路交叉口信号配时进行优化，此模型是以车辆延误时间最少为目标计算信号配时的一种方法，核心为车辆延误和最佳周期的计算，是目前交通信号控制中常用的计算方法[5-8]。
首先确定每个进口方向不同车道设计交通量，这里采用实测高峰小时交通量来计算，计算公式为式（1）：
通过行人过街所需要的时间作为最短绿灯时间，检验上述计算的显示绿灯时间是否满足设计要求，Webster方法计算出的显示绿灯时间必须大于最短绿灯时间。
应用上述Webster方法优化的到新信号方案的周期为55 s，东西向绿灯24 s，黄灯3 s，红灯28 s。南北向绿灯21 s，黄灯3 s，红灯31 s。
根据优化后的道路渠化以及信号配时，对该交叉口再次进行 VISSIM 仿真，并与优化前的各数据进行对比分析。优化前后排队长度、车辆延误对比如图3、图4所示。
通过优化前后的数据对比，可以发现北五路—东二路交叉口交通状况有很大幅度的改善，东、西、南、北四个进口排队长度分别下降了28%、21%、17%、32%，各进口车辆延误分别下降了22.8%、16.6%、15.7%、25.7%，优化效果十分显著。这说明优化后的方案能够提高交叉口的通行效率，改善交叉口的拥堵情况。
4 结语
本文以石河子市北五路—东二路交叉口为研究对象，运用VISSIM软件建立微观交通模型并进行仿真，采用Webster方法优化信号配时方案，对比优化前后评价指标，结果表明，车辆延误与排队长度均有明显减少，论证了优化方案的可行性，能够有效缓解交通拥堵，提高行人过街安全性。
参考文献：
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