王安格，鄧明君，蔣雪晴，曹楊柳

(1 北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京，100124；2 華東交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，機動車保有量迅速增長，城市交通擁堵等問題越來越嚴(yán)重，由交叉口擁堵蔓延至路段擁堵，逐漸擴大為區(qū)域擁堵，大大降低了道路的通行能力，進(jìn)而影響人們的交通出行效率[1]。針對以上問題，國內(nèi)外的學(xué)者們主要運用交通仿真的方法驗證優(yōu)化方案的可行性和有效性。如秦?zé)赖萚2]歸納了畸形交叉口交通組織優(yōu)化的主要方法，利用交通仿真軟件對實際案例進(jìn)行了方案實施效果評價。周海娟[3]以交通組織為基礎(chǔ)，分析研究了渠化交通的作用、設(shè)計流程以及信號配時的兩種計算方法，為信號交叉口的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。李碩等[4]通過運用VISSIM交通仿真系統(tǒng)對有兩個分離左轉(zhuǎn)車道的道路交叉口實例進(jìn)行仿真，研究了外側(cè)左轉(zhuǎn)車流對內(nèi)側(cè)左轉(zhuǎn)車流延誤的影響。還有部分學(xué)者運用VISSIM仿真評價交叉口配時方案[5～7]，以上研究均表明運用VISSIM仿真優(yōu)化具有良好的效果。此外，在地鐵施工背景下的交通組織優(yōu)化也有相應(yīng)的研究[8,9]。而根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況，從微觀的角度來定量地分析現(xiàn)狀存在的問題，并提出相應(yīng)交通管理措施和對策的案例研究不多。筆者以新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域為例，通過實地調(diào)研獲取現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，分析存在的問題，并提出改善方案，然后建立優(yōu)化方案的仿真環(huán)境，輸出對應(yīng)的交通性能指標(biāo)，并與現(xiàn)狀交通性能指標(biāo)進(jìn)行對比。

1 研究區(qū)域概述

1.1 地理位置概述

該區(qū)域面積約為60 000 m2，衛(wèi)星圖見圖1。南北向為勞動路，勞動路南跨鐵路線，交叉口西進(jìn)口處為青年路與站北路交叉，形成五岔交叉口，同時東進(jìn)口存在小區(qū)出入口，出入交通量相對較少。當(dāng)前勞動路中央隔離，其余沖突點均采用無信號控制，交通混亂，高峰時段交通擁堵嚴(yán)重，為方便對該區(qū)域存在的問題進(jìn)行分析及后續(xù)改善，標(biāo)注序號1～6表示路段端點，字母A～F表示道路。

該區(qū)域道路A為單幅路，單車道，遠(yuǎn)離渠化島一側(cè)為非機動車道，采用白色實線隔離，路幅寬度約為4.5 m(圖1)；道路B為單幅路，雙向兩車道，采用黃實線隔離，道路兩側(cè)各有1條非機動車道，采用白色實線隔離，路幅寬度約為8 m；道路C為單幅路，雙向兩車道，采用黃色虛線隔離，兩側(cè)各有1條非機動車道，路幅寬度約為8 m；道路D為單幅路，雙向四車道，道路中央采用隔離欄隔離對向車流，道路兩側(cè)為非機動車道，路幅寬度約為22 m；道路E為單幅路，雙向四車道，單向車道采用白實線隔離，對向車道采用雙黃線隔離，路幅寬度約為22 m；道路F為居住區(qū)域，路況不規(guī)則，路幅寬度滿足雙向兩車道通行，路面未施畫隔離標(biāo)線或設(shè)置隔離措施。

圖1 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域航拍圖(來源：百度地圖)

1.2 交通概況

勞動路和青年路交叉口南北方向設(shè)置了隔離欄，將橋上下來的左轉(zhuǎn)車輛變右轉(zhuǎn)再直行再左轉(zhuǎn)，由此減少了交叉口內(nèi)部的沖突點數(shù)量，但同時增加了部分車輛的繞行距離，并且在繞行過程中通過兩個小區(qū)，仍存在較大的安全隱患，導(dǎo)致交叉口高峰時段交通擁堵嚴(yán)重。圖2為現(xiàn)狀機動車交通組織流線圖。通過交通調(diào)查，圖1中各路段端點之間的交通OD量見表1。

表1 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域各路段端點OD表(輛)

圖2 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域現(xiàn)狀機動車交通組織流線

2 現(xiàn)狀問題分析

2.1 定性分析

(1)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，路段端點1，2，6的交通吸引量和出行量都很大，而相關(guān)聯(lián)的進(jìn)出路段均為雙向四車道，道路通行能力很難滿足實際交通量的需求。

(2)慢行交通設(shè)施不完善，機動車道與非機動車道隔離不完全，導(dǎo)致行人和非機動車違規(guī)占用、橫穿機動車道等，造成交通混亂。如在勞動南路的高架橋上，由于路幅寬度小，并且未設(shè)置非機動車道，導(dǎo)致機動車和非機動車混合行駛，大大降低了道路的通行能力，導(dǎo)致交通擁擠現(xiàn)象發(fā)生。

(3)交通標(biāo)線和交通標(biāo)志設(shè)施不完善，導(dǎo)致交織段交通混亂、駕駛員無序行駛等問題，加重了高峰時期交通擁堵。如在青年路和勞動路西交織段，未設(shè)置引導(dǎo)機動車和非機動車行駛的導(dǎo)流標(biāo)線，致使本交織段交通秩序混亂。

(4)沖突點過多，加之無信號控制區(qū)域優(yōu)先規(guī)則不明確，渠化設(shè)施不完善，增加了交通壓力，加重了交通擁堵現(xiàn)象。端點1出口處，在現(xiàn)狀相位設(shè)置下，由于轉(zhuǎn)向車流，造成沖突點(黑色方框標(biāo)注處)，影響車輛的暢通行駛(圖3)。

圖3 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域端點1出口沖突點

(5)交通管控措施不完善，交叉口處未設(shè)置信號控制，無法保障行人安全過街。

(6)停車場布局不當(dāng)或建設(shè)不當(dāng)，導(dǎo)致非機動車和機動車占用道路停放，造成交通秩序混亂、安全隱患和交通阻塞等問題。與交叉口相接的路段上非機動車道上一些車輛亂停放，占用了大量的路上資源，有些占用了非機動車道，導(dǎo)致非機動車占用機動車道行駛，從而造成交通混亂。

2.2 定量分析

2.2.1通行能力 對于現(xiàn)狀交叉口的通行能力，由于對向車流被隔離欄完全隔離，所以先分別計算每個進(jìn)口的通行能力，4個進(jìn)口的通行能力之和即為交叉口的通行能力。

城市道路某路段的設(shè)計通行能力可根據(jù)1個車道的理想通行能力修正得到。對理想通行能力的修正應(yīng)包括車道數(shù)、車道寬度、自行車影響及交叉口影響等4個方面[10]，即式(1)：

CD=CB·γ·η·β·n′

(1)

CD—設(shè)計通行能力，以當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)小客車計，輛/h；

CB—理想通行能力，以當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)小客車計，輛/h；

γ—自行車影響修正系數(shù)；

η—車道寬影響修正系數(shù)；

β—交叉口影響修正系數(shù)；

n′—車道數(shù)修正系數(shù)。

根據(jù)《城市道路設(shè)計規(guī)范》[11]建議的1條車道的理想通行能力，本次研究的區(qū)域各路口通行能力修正如下：

西進(jìn)口 機動車不飽和且未設(shè)置分隔帶，故γ1取0.8；由于車道寬度為3.5 m，故η1=50×2(%)=1；單向有2條車道，故n1′取1.87；β取1。

故CD1=CB1·γ1·η1·β·n1′=1 550×0.8×1×1.87=2 318 (輛/h)

東進(jìn)口 非機動車不飽和且未設(shè)置分隔帶，故γ2取0.8；由于車道寬度為3.5 m，故η2=50×2(%)=1；單向有1條車道，故n2′取1；β取1。

故CD2=CB2·γ2·η2·β·n2′=1 550×0.8×1×1=1 240 (輛/h)

北進(jìn)口 非機動車設(shè)置分隔帶，故γ3取1；由于車道寬度為3.5 m，故η3=50×2(%)=1；單向有2條車道，故n3′取1.87；β取1。

故CD3=CB3·γ3·η3·β·n3′=1 640×1×1×1.87=3 067 (輛/h)

南進(jìn)口 機非混合行駛，QBIKE取500輛/h，CBIKE取1 000輛/h，則γ4為0.5；由于車道寬度為3.5 m，故η4=50×2(%)=1；單向有2條車道，故n4′取1.87；β取1。

故CD4=CB4·γ4·η4·β·n4′=1 550×0.5×1×1.87=1 450 (輛/h)。

故現(xiàn)狀交叉口的通行能力為：

CD=CD1+CD2+CD3+CD4=2 318+1 240+3 067+1 450=8 075 (輛/h)

同理，對于擁堵路段的現(xiàn)狀通行能力(高架橋下兩側(cè)道路)計算如下：

CD1=CD2=CBJ·γJ·ηJ·βJ·nj′=1 550×0.8×1×1=1 240 (輛/h)

2.2.2延誤計算 延誤常以荷載系數(shù)，即實際交通量發(fā)通行能力的B值來度量。行車延誤與荷載系數(shù)成正比。根據(jù)模擬研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷載系數(shù)≤0.3時，每輛車平均延誤不超過19 s，而當(dāng)荷載系數(shù)≤0.7時(>0.3)，每輛車平均延誤最高可達(dá)32～35 s。

交叉口路段負(fù)荷度：

西進(jìn)口Q1/C1=0.51；東進(jìn)口Q2/C2=0.69；北進(jìn)口Q3/C3=0.51；南進(jìn)口Q4/C4=1.24。

故現(xiàn)狀交叉口的延誤大約為160 s。

3 優(yōu)化方案及仿真

3.1 仿真過程

3.1.1創(chuàng)建路網(wǎng) 依據(jù)現(xiàn)實情況對VISSIM軟件默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，然后進(jìn)行仿真模擬。首先由百度地圖大致測得路網(wǎng)的實際距離，用VISSIM設(shè)置好比例，保證仿真場景與實際場景基本一致，添加現(xiàn)狀路網(wǎng)背景并確定比例后，根據(jù)現(xiàn)狀路網(wǎng)條件及交通流流向繪制現(xiàn)狀仿真路網(wǎng)圖(圖4)。

圖4 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域仿真現(xiàn)狀

3.1.2動態(tài)分配

①設(shè)置節(jié)點。首先通過“Nods”命令進(jìn)行節(jié)點的設(shè)置，中間的交叉口區(qū)域可設(shè)置為1個節(jié)點。

②設(shè)置停車區(qū)。首先通過“Parking lots”命令進(jìn)行停車區(qū)的設(shè)置。要注意的是停車區(qū)要設(shè)置在節(jié)點之間，不能有重疊區(qū)域；其次，設(shè)置的方向要和交通流流向一致。

③創(chuàng)建OD矩陣文本并導(dǎo)入。根據(jù)用戶定義的相對交通流量，將小區(qū)的起始交通流量分配到各個停車場上。針對相同小區(qū)的不同出入類型，設(shè)置不同的停車場加以區(qū)分，從而更清楚的對交通流進(jìn)行分配。

④導(dǎo)入OD矩陣文本。通過“Traffic”中的子命令“Dynamic Assignment”進(jìn)行設(shè)置，但要注意文本的格式要轉(zhuǎn)換為.fma格式。

3.1.3數(shù)據(jù)采集 在路網(wǎng)上放置行程時間檢測器和排隊長度檢測器，編輯交通評價各參數(shù)數(shù)據(jù)。通過放置在各小區(qū)出入口的時間檢測器以及在交叉口處的排隊長度檢測器，對路網(wǎng)進(jìn)行評價，最終得到優(yōu)化路網(wǎng)(圖5)。

圖5 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域優(yōu)化路網(wǎng)

3.2 改善分析

根據(jù)現(xiàn)狀仿真情況，端點4和端點5之間的路段開始發(fā)生堵塞，直至路網(wǎng)全部堵塞，原因是此路段沖突點太多，并且沒有進(jìn)行信號控制或者渠化，所以改善方案的突破點為減少此路段的沖突點。因為高架橋兩側(cè)的道路相似且與交叉口距離基本相等，所以考慮設(shè)置單行道路，并且在勞動路和青年路交叉口拆除隔離欄并設(shè)置信號控制，本著盡可能減少相位數(shù)量的原則，將能合并為1個相位的流向合并，共分為3個相位。

考慮到東進(jìn)口處交織段的影響，在東進(jìn)口增設(shè)1條出口車道，通入端點3，考慮到信號相位設(shè)置和車流數(shù)量，將西進(jìn)口直行與左轉(zhuǎn)的車輛設(shè)置繞行，2條右轉(zhuǎn)車道設(shè)置渠化?？紤]到南進(jìn)口、北進(jìn)口交通流量較大，所以拓寬其進(jìn)口道為3條車道。

因為高架橋下道路寬度足夠，并且從端點4至端點5的車流量不大，在高架橋下設(shè)置單獨的車道(端點4～5)對道路通行能力影響不大，并且在相應(yīng)區(qū)域設(shè)置標(biāo)志牌進(jìn)行引導(dǎo)，在高架下設(shè)置限高標(biāo)志等交通標(biāo)志。

3.3 改善設(shè)計

3.3.1信號配時設(shè)計方案 優(yōu)化方案相位圖見圖6。

圖6 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域各路口信號配時優(yōu)化方案相位

①各行駛方向流量比λj可用式(2)計算：

(2)

qj—第j行駛方向?qū)嶋H到達(dá)流量(輛)；

sj—第j行駛方向飽和流量(輛)。

其中東進(jìn)口和南進(jìn)口各車道飽和流量為1 550輛/h，北進(jìn)口直行和右轉(zhuǎn)車道飽和流量為1 640輛/h，西進(jìn)口右轉(zhuǎn)車道飽和流量為1 550輛/h。

各行駛方向?qū)嶋H行駛流量和對應(yīng)的流量比計算結(jié)果見表2。

表2 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域各行駛方向流量與流量比

②信號周期可用式(3)計算：

(3)

C—信號周期，s；

L—周期總損失時間，s；

i—相位序號；

j—交叉口各行駛方向。

已知L=16 s，λ=0.786，代入公式中可得周期C=107 s。

③各相位實際顯示綠燈時間可用式(4)計算：

(4)

λi—第i相位流量比；

Ai—第i相位黃燈時間，s；

li—第i相位綠燈間隔時間，s。

由公式(4)可得各相位實際綠燈時間(表3)。信號配時圖見圖7。

表2 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域各路口平均行程時間對比

表3 新余市勞動路與青年路交叉口各相位實際顯示綠燈時間

圖7 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域各路口改善后的信號配時

3.3.2機動車道優(yōu)化設(shè)計

①在勞動路青年路交叉口北進(jìn)口拓寬，改善后北進(jìn)口共3條車道——1條直右車道，1條直行車道，1條直左車道。

②南進(jìn)口進(jìn)行拓寬，改善后南進(jìn)口共3條車道——1條專用右轉(zhuǎn)車道，1條直行車道，1條直左車道。

③東出口渠化出1條專用出口道，供北進(jìn)口和南進(jìn)口的車輛進(jìn)入端點3。

④西進(jìn)口仍保持2條車道，設(shè)置渠化島，不受信號控制，車道功能設(shè)置2條右轉(zhuǎn)車道；西進(jìn)口交織區(qū)設(shè)置導(dǎo)流線。

⑤高架橋下增加1條車道，供端點4至端點5通行(圖8)。

圖8 新余市勞動路與青年路交叉口交通改善情況

3.3.3設(shè)置單行 通過對交叉口的流量分析得知，環(huán)線車流流量很大。同時又因青年路與站北路交叉、路段端點4端點5與環(huán)線車流的匯入、駛出，使得環(huán)線沖突點極多。通過對環(huán)線設(shè)置單行的方式減輕環(huán)線壓力，同時減少青年路與站北路交叉、路段端點4端點5與環(huán)線車流的沖突點數(shù)量(圖9)。

圖9 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域單行設(shè)置情況

3.3.4增加交通標(biāo)志 總體改善后的狀況見圖10。

圖10 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域各路口總體改善情況

4 改進(jìn)方案仿真分析

4.1 行程時間對比分析

首先在路網(wǎng)中定義了行程時間檢測區(qū)段，檢測區(qū)段由1個起點和1個終點組成。平均行程時間(包括停車時間)是指車輛通過檢測區(qū)段的起點直至離開終點的時間間隔[12]。表2為該區(qū)域優(yōu)化前后的平均行程時間仿真結(jié)果。

通過調(diào)整機動車行車流線，可有效地減少大部分端點間的平均行程時間，總體平均行程時間可減少17%，使整個道路網(wǎng)更加通達(dá)、通暢。

4.2 延誤時間對比分析

仿真結(jié)果采用平均延誤時間，即通過交叉口的所有車輛平均每輛車的延誤時間作為評價指標(biāo)[12]。該區(qū)域各路口優(yōu)化前后的平均延誤值仿真結(jié)果見表3。

表3 新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域各路口平均延誤時間對比

與車均停車次數(shù)類似，改善后端點6的出行延誤可大幅度降低，總體平均延誤時間可降低35%，在一定程度上能夠降低整個交通系統(tǒng)的總延誤，提高整個區(qū)域的通行能力。

4.3 排隊長度及停車次數(shù)

VISSIM仿真中采用平均停車次數(shù)，即交叉口總的停車次數(shù)與通過交叉口的總流量的比值(也稱停車率)作為評價指標(biāo)[12]。在優(yōu)化前后4個相同位置放置排隊檢測器，對300 s時間間隔的車流取平均值，分析車流排隊長度和停車次數(shù)。對比結(jié)果顯示，優(yōu)化后排隊長度明顯降低，緩解車流排隊現(xiàn)象，可有效的減輕了交通壓力(表4)。但車均停車次數(shù)大幅度增加，這是因為優(yōu)化方案在交叉口處設(shè)置了信號燈，原本減少通過交叉口的車流在優(yōu)化后經(jīng)過交叉口時都需要停車等待紅燈，從而車均停車次數(shù)增加。

5 結(jié)論與討論

針對新余市勞動路與青年路交叉口及其附近區(qū)域交通組織問題，采用定性和定量分析相結(jié)合的方法進(jìn)行分析，針對問題提出優(yōu)化措施，對區(qū)域的交通現(xiàn)狀進(jìn)行改善，然后利用VISSIM軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化并對比優(yōu)化前后的評價指標(biāo)。評價結(jié)果表明：采用本次研究提出的方法進(jìn)行交叉口優(yōu)化，效果顯著，總體平均行程時間可減少17%，總體平均延誤時間可降低35%，優(yōu)化后排隊長度明顯降低，可緩解車流排隊現(xiàn)象，有效減輕交通壓力。本方法能夠很好的從時間和空間兩方面改善區(qū)域通行能力，為實際項目中區(qū)域交通組織優(yōu)化提供參考。

在今后的研究中，可以考慮區(qū)域中共享泊位與社會公共停車泊位共存情況下對周邊交通流的影響[13～15]，也可以結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化交叉口信號配時，進(jìn)而制定更為合理的交通組織方案。