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(duì)于整個(gè)城市道路而言，信號(hào)交叉口是主要的組成部分，也是整個(gè)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(yùn)行、合流、分流和交叉等[5]，有大量的交叉路口的非機(jī)動(dòng)車和行人，使交叉口功能區(qū)通行能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于道路[6]。無(wú)論是國(guó)內(nèi)或國(guó)外，交通擁堵發(fā)生在交叉口，往往造成嚴(yán)重的交通中斷和時(shí)間延誤。

為解決這些問題，就需要在時(shí)間和空間上合理分配信號(hào)交叉口的時(shí)間與空間資源。Vissim仿真軟件作為一種基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，具有分析、評(píng)估、優(yōu)化交通流量和比較交通設(shè)計(jì)等功能，用以模擬公共交通與城市交通的運(yùn)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(duì)性的從時(shí)間和空間兩個(gè)方面提出了渠化交通和信號(hào)控制相結(jié)合優(yōu)化方案，通過(guò)Vissim仿真軟件對(duì)比分析，優(yōu)化后的方案車輛延誤和平均排隊(duì)長(zhǎng)度都得到有效的緩解，優(yōu)化效果顯著。張朝陽(yáng)[9]等人針對(duì)某交叉口采用多渠化多相位優(yōu)化方法制定了三個(gè)不同的交叉口優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，比選出了平均信控延誤時(shí)間最小的優(yōu)化方案，并運(yùn)用Vissim軟件對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)測(cè)。常爭(zhēng)艷[10]等人以太原市桃園路口為例進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，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(hào)配時(shí)優(yōu)化模型，采用罰函數(shù)粒子群優(yōu)化算法同時(shí)優(yōu)化綠燈時(shí)間和信號(hào)周期，使二者達(dá)到最佳匹配。

本文以黃驊市迎賓大街—新海路交叉口為例，對(duì)道路渠化設(shè)計(jì)和信號(hào)周期配時(shí)兩個(gè)方面對(duì)此路口進(jìn)行優(yōu)化，然后用VISSIM仿真軟件對(duì)此路口優(yōu)化前后的狀況進(jìn)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(guò)實(shí)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(guò)在迎賓大街—新海路交叉口高峰小時(shí)統(tǒng)計(jì)交通量數(shù)據(jù)，可以得到高峰時(shí)段交通量如表2：

表2 信號(hào)交叉口高峰小時(shí)交通量

表3 各路口非機(jī)動(dòng)車與行人交通量

1.3 交叉路口信號(hào)周期

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

圖2 信號(hào)相位圖Fig.2 Signal phase diagram

2 VISSIM仿真

通過(guò)VISSIM仿真軟件，根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)黃驊市迎賓大街-新海路交叉口進(jìn)行仿真，將1.2節(jié)實(shí)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(cè)器等方法得出東、南、西、北進(jìn)口的延誤情況及排隊(duì)長(zhǎng)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(yùn)行仿真，得到各進(jìn)口道路段的仿真結(jié)果：信號(hào)燈組1(東西方向直行加左轉(zhuǎn))及信號(hào)燈組2(南北方向直行加左轉(zhuǎn)),見圖4-圖5.

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

圖5 信號(hào)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(duì)黃驊市迎賓大街—新海路交叉口的仿真時(shí)間設(shè)置為300 s，根據(jù)仿真過(guò)程給出的各個(gè)進(jìn)口道的排隊(duì)長(zhǎng)度，如圖6和圖7所示。

圖6 各路口排隊(duì)長(zhǎng)度匯總Fig.6 Summary of queue lengths at intersections

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

由上圖可看出南北進(jìn)口道延誤時(shí)間較長(zhǎng)，參考美國(guó)HCM信號(hào)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(jí)，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?yàn)橹饕獌?yōu)化方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 優(yōu)化方案及仿真

3.1 信號(hào)交叉口渠化設(shè)計(jì)

首先對(duì)交叉口進(jìn)行渠化設(shè)計(jì)，由于東、南、北方向的左轉(zhuǎn)車流量都比較大，所以會(huì)在各個(gè)方向設(shè)置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)域，并且對(duì)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(duì)較寬的綠化帶進(jìn)行拓寬，進(jìn)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(jìn)口道的兩車道改為三車道同時(shí)設(shè)置左轉(zhuǎn)專用車道方案如圖8所示：

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

3.2 重新計(jì)算信號(hào)配時(shí)與最佳周期

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文在各個(gè)方向設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，也就是將本交叉口的兩相位改為四相位的模式，計(jì)算過(guò)程如下所示：

(1)直行當(dāng)量計(jì)算法計(jì)算各進(jìn)口道的飽和流量：

表4 交叉口高峰小時(shí)交通量

如上表所示，本次計(jì)算中流量總和Y=0.72，小于0.9，進(jìn)行下一步配時(shí)計(jì)算。

(2)計(jì)算相位的黃燈時(shí)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(shí)間，s.

將數(shù)據(jù)帶入計(jì)算得到，A=4 s.

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

由于兩個(gè)方向車道距離的停車線到遠(yuǎn)端對(duì)象沖突車道的距離不同，故得分別計(jì)算全紅時(shí)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(zhǎng)均取5 m.

代入公式計(jì)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(shí)間為3 s，三四相位全紅時(shí)間為2 s；

因此，各相位的綠燈間隔時(shí)間為：

I1，2=A1，2+r1，2=6 s；

I3，4=A3，4+r3，4=7 s

(3)最佳周期時(shí)間

(4)周期有效路燈時(shí)間

Ge=Cm-L=95 s

(5)相位有效綠燈時(shí)間

一相位(南北左轉(zhuǎn))有效綠燈時(shí)間：

二相位(南北直右)有效綠燈時(shí)間：

三相位(東西方向)有效綠燈時(shí)間：

四相位(東西直右)有效綠燈時(shí)間：

(6)相位顯示綠燈時(shí)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(hào)配時(shí)方案如表5所示：

表5 優(yōu)化后信號(hào)配時(shí)方案

對(duì)改進(jìn)后方案進(jìn)行Vissim仿真，配時(shí)圖如下：

圖9 改進(jìn)后信號(hào)配時(shí)圖Fig.9 Improved signal timing diagram

圖10 改進(jìn)后各進(jìn)口排隊(duì)長(zhǎng)度匯總Fig.10 Summary of queue length of imports after improvement

圖11 改進(jìn)后各路口延誤時(shí)間匯總Fig.11 Summary of delays at improved intersections

4 改進(jìn)方案仿真分析

通過(guò)對(duì)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)黃驊市迎賓大街—新海路交叉口經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后南北方向的延誤時(shí)間明顯減少，各個(gè)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(guó)HCM信號(hào)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(lái)D的提升到E，車流相對(duì)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(duì)迎賓大街—新海路交叉口高峰時(shí)間的交通擁堵和延時(shí)問題，對(duì)實(shí)際交叉口的交通現(xiàn)狀進(jìn)行改善。在這一過(guò)程中交通仿真提供了指導(dǎo)，對(duì)解決交通擁堵問題起了關(guān)鍵作用。最后，通過(guò)重新計(jì)算與高峰期相適應(yīng)的信號(hào)配時(shí)，并對(duì)交叉口進(jìn)行渠化改良，然后進(jìn)行優(yōu)化后的仿真，結(jié)果驗(yàn)證了交叉口交通服務(wù)水平的提高。