基于VISSIM仿真的平面交叉路口信号配时优化.pdf

第 61 卷 第 11 期Vol.61 No.112023 年 11 月November 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.11.027基于 VISSIM 仿真的平面交叉路口信号配时优化杜娟1，李光上2，刘晓燕3（1.252059 山东省 聊城市 聊城大学 机械与汽车工程学院；2.100044 北京市 北京交通大学 交通运输学院；3.011700 内蒙古自治区 呼和浩特市 武川县第一中学）摘要 交叉路口是构成城市路网的重要枢纽，路口信号配时优化是改善通行效率、降低车辆延误的重要手段。以济南市章丘区赭山大街福康路交叉口为例，对交通状况进行实地数据调查，使用 VISSIM 软件对路口进行仿真，输出每个路口的延误时间、排队长度、停车次数等参数。根据交叉口的通行能力和服务水平评价指标对交叉口运行状况进行分析，并通过 TRRL 法对交叉口的信号配时进行优化，重新进行 VISSIM 仿真模拟得出相关参数。结果表明，优化后整个信号交叉口的平均延误时间下降 23.17%，平均排队长度下降 24.53%，平均停车次数下降12.51%，服务由原来的 D 级提升到了 C 级，信号交叉口的通行效率有显著提高。关键词 交叉口；VISSIM 仿真；TRRL；信号配时；优化分析 中图分类号 U491.5+1 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)11-0136-05引用格式：杜娟，李光上，刘晓燕.基于 VISSIM 仿真的平面交叉路口信号配时优化 J.农业装备与车辆工程,2023,61(11):136-140.Traffic signal timing optimization for plane crossroads based on VISSIM simulationDU Juan1,LI Guangshang2,LIU Xiaoyan3(1.School of Mechanical&Automotive Engineering,Liaocheng University,Liaocheng 252059,Shandong,China;2.School of Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;3.Wuchuan No.1 Middle School,Hohhot 011700,Inner Mongolia,China)Abstract Intersection is an important hub of urban road network,and the optimization of intersection signal timing is significant for improving traffic efficiency and decreasing delays.The traffic conditions were investigated and the traffic data were collected from the intersection of Zheshan Street and Fukang Road in Zhangqiu District of Jinan City.The delay time,queue length,parking times and other parameters of each intersection were acquired based on the VISSIM simulation.The operation conditions of the intersection were analyzed according to the traffic capacity and service level evaluation index,and the traffic signal timing of the intersection was optimized through the TRRL method.The VISSIM simulation was conducted again to obtain relevant parameters after optimization.The results demonstrated that the average delay time of the whole signal intersection,the average queue length,and the average number of stops were respectively improved by 23.17%,24.53%,and 12.51%,compared to the previous signal timing scheme.The service level was upgraded from Grade D to Grade C,and the traffic efficiency of signalized intersections was significantly improved based on the optimized signal timing scheme.Key words intersection;VISSIM simulation;TRRL;signal timing;optimization analysis0 引言随着城市交通流量的日益增加，道路网交通负荷越来越大，道路交叉口受车流影响尤其明显1。在现有的交通条件下，通过优化交叉口最大限度提高通行能力，减少延迟和等待时间，可以有效解决目前的交通问题，因此对交叉口信号配时进行合理优化具有重要意义2-3。我国当前大多数城市交通信号控制仍采用定时控制，其配时方案的优化主要包括 3 种方法：英国的 TRRL 法、澳大利亚的 ARRB 法以及美国的 HCM 法4-5。TRRL 法又称 Webster 法，该方法以交叉口车辆延误最小为目标，通过 Webster 延误公式求导而来，主要应用于中低饱和度交叉口。ARRB 方法将停车次数和停车延误时间融合，重新建立了信号配时评价指标，在应用场景及准确度方面具有一定改善；HCM 法是基于美国道路通行能力手册 2000 版（HCM2000）延误模型建立的一种配时优化方法，该方法对设计饱和流量的修正更加全面、完善，充分考虑了行人或自行车对校正系数的影响。3 种方法各有优缺点，采用合理的方法进行信号配时方案优化设计是解决交通拥堵的重要措施。国内外学者针对信号配时优化开展了大量研究。收稿日期：2022-10-24137第 61 卷第 11 期Verma 等6基于 RFID 技术提出了一种智能交通控制系统以缓解交通拥堵；Park 等7改善了过饱和条件下的信号配时优化模型，以延误最小和通行量最大为目标，使用遗传算法（GA）获得更优的配时方案；Khle 等8使用解析法构建函数模型，并引入基于排队论的理论模型，结合人工操作经验完成交叉口的信号控制；徐琛辉等9在分析机动车、非机动车及行人流动特点的基础上，提出混合交叉口交通信号配时优化方法；王秋平等10建立了单点交叉口信号配时优化非线性函数模型，并用遗传算法及遗传模拟退火算法对其进行求解；曹小玲11以时变论域下的模糊集合为基础，研究了交叉口信号灯配时方案的实时控制。本文根据交叉口的通行能力和美国 HCM 信号交叉口的服务水平评价指标分析交叉口运行状况，然后通过英国的 TRRL 法优化交叉口的信号配时，重新进行 VISSIM 仿真模拟得出相关参数，比较优化前后的各参数，并对优化效果进行检验。1 交叉口交通状况1.1 交叉口性质和沿线环境济南市章丘区赭山大街福康路交叉口为平面信号交叉口，路面标志标线、监控设施等交通设施齐全。南北方向的赭山大街和东西方向的福康路均为主干道。赭山大街为双向四车道，4 个入口车道，分别为 1 条左转车道、2 条直行车道、1 条右转弯车道，车道宽度为 3.5 m；福康路东、西 2 个方向各有 3 个车道，分别为 1 条直行车道、1 条左转弯车道、1 条直右车道，车道宽度为 3.5 m。附近有学校、商业区和居民区。交叉口如图 1 所示。1.2 交叉口的数据调查本文采用人工观察法，在每一个入口通道上分别安排一个调查员，分车型记录 17:00-18:00 的交通流量，将统计的交通流量数据按照表 1 的折算系数换算为标准小汽车数量，得出交叉路口的流量如表 2 所示。表 1 城市道路工程设计规范规定的车种折算系数Tab.1 Conversion coefficient of vehicle type specified in Code for Design of Urban Road Engineering车辆类型小客车大型客车大型货车铰接车折算系数122.53表 2 赭山大街富康路交叉口流量表Tab.2 Flow of Zheshan Street and Fukang Road intersection进口道 方向实测交通量Q/(pcu/h)总计 进口道 方向实测交通量Q/(pcu/h)总计东进口左转265723 南进口左转225784直行301直行458右转157右转101西进口左转257740 北进口左转189980直行389直行613右转94右转1781.3 现有交叉口信号相位及配时方案交叉口信号采用固定周期控制模式，由 4 个相位组成，信号灯不对右转行驶的车辆进行控制，具体相位设置如图 2 所示。对于非机动车与行人直行时放行方式与机动车的相同。交叉口的信号周期为112 s，黄灯时间为 3 s。信号配时方案如图 3 所示。图 1 赭山大街福康路交叉口Fig.1 Intersection of Zheshan Street and Fukang Road赭山大街明堂街福康路中康绿城百合花园中康明德府鑫苑悦泉湾恒盛福康馨家园福康社区青未了幼儿园泉韵花苑运通驾校济南市章丘区鼓风机研究所济南慧成铸造有限公司杨胡幼儿园杨胡公寓杨胡村委会中康清照雅居中铁锦悦名筑章丘区实验中学章丘区实验小学西校阳光花园西区赭山大街明泉馨居 （a）（b）（c）（d）图 2 赭山大街福康路交叉口相位图Fig.2 Phase diagram of Zheshan Street and Fukang Road intersection（a）第 1 相位东西直行（b）第 2 相位东西左转（c）第 3 相位南北直行（d）第 4 相位南北左转杜娟 等：基于 VISSIM 仿真的平面交叉路口信号配时优化图 3 赭山大街福康路交叉口信号配时方案Fig.3 Signal timing scheme of Zheshan Street and Fukang Road intersection0 350 35 338 56 359 88 391 109 338 5659 8891 1090 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100138农业装备与车辆工程 2023 年2 交叉口仿真及分析2.1 交叉口的仿真借助 VISSIM 仿真平台，对赭山大街福康路交叉口进行仿真模拟。参照道路交叉口的交通状况以及调查数据建立交叉口仿真路网模型，输出相关参数。路网和车辆运行仿真分别如图 4、图 5 所示。仿真时在各个进口道设置行程时间检测，时间设置 600 s，为了仿真数据的准确性，记录 100 s后的 2 组数据，多次仿真取平均值，分别记录各进口道的排队长度、延误时间、平均停车次数等参数，如图 6图 8 所示。2.2 交叉口评价（1）通行能力：目前该交叉口采用渠化方式。该路口的总通行能力为路口各入口的直行、左、右转弯的各种交通流量总和，计算公式为CSCgiiei0#=(1)整个交叉口的通行能力计算公式为CCiin1=/(2)式中：Ci车道 i 的通行能力，pcu/h；Si车道 i 饱和流率，pcu/h；gei有效绿灯时间，s；C0周期长度，s。计算得通行能力为 4 534 pcu/h，调查高峰小时交通量数据可知整个交叉口的交通量为3 227 pcu/h，饱和度为 0.71，有一定的延误。（2）服务水平：平面交叉口的服务等级与交通管制、通行时间、延误时间、停车次数等因素有关。美国道路通行能力手册中的道路交叉口服务水平（HCM2000）如表 3 所示。我国交通工程手册把路口的服务等级划分为 4 个等级，其中 1 级对应于美国的 A、B级；2、3级分别对应美国的 C、D级；4 级与美国的 E、F 等级相当。表 3 美国 HCM 信号交叉口的服务水平Tab.3 Service levels of HCM signalized intersections in the United States项目道路交叉口服务水平车均延误/(s/辆)10 1020 2035 3555 5580 80服务水平等级ABCDEF从 VISSIM 仿真结果可知：西进口道的排队长度最长，北进口道略低于西进口道，但仍高于东进口道与南进口道；从延误时间来看，西左转道与北左转道延误时间最长，车辆平均停车次数也较多，车辆拥堵情况较为严重。此外，通过表 3 综合来看，西进口道与北进口道的服务水平仅属于 D 级，服务水平较低。因此，本文将重点针对西、北进口道开展信号配时优化。赭山大街福康路图 4 赭山大街福康路交叉口仿真路网图Fig.4 Simulation road network of Zheshan Street and Fukang Road intersection赭山大街福康路图 5 赭山大街福康路交叉口车辆运行仿真图Fig.5 Simulation diagram of vehicle operation at Zheshan Street and Fukang Road intersection西左转 西直行 东左转 东直行 北左转 北直行 南左转 南直行车辆延误时间/s6040200图 7 各进口道的延误时间汇总Fig.7 Summary of delay time for each entrance road西左转 西直行 东左转 东直行 北左转 北直行 南左转 南直行平均停车次数1.41.21.00.80.60.40.20图 8 各进口道的平均停车次数汇总Fig.8 Summary of average stopping times for each entrance road西进口 东进口 北进口 南进口路口排队长度/m150100500图 6 各路口的排队长度汇总Fig.6 Summary of queue length at each intersection平均排队长度 最大排队长度 停车次数139第 61 卷第 11 期杜娟 等：基于 VISSIM 仿真的平面交叉路口信号配时优化3 TRRL 法信号配时优化3.1 信号配时方案计算（1）相位设计：该交叉口更适合设计 4 相位，且已设有左转相位，因此保留原来的相位设计。（2）饱和流量：对车头时距进行调查，且根据式（3）计算各车道的饱和流量，如表 4 所示。Sh3 600t=(3)式中：S饱和流量；ht车头时距，s。表 4 赭山大街福康路交叉口各车道的饱和流量Tab.4 Saturated flow of each lane at Zheshan Street and Fukang Road intersection方向车道 车头时距/s每条车道的饱和流量/(pcu/h)赭山大街方向左转2.311 558直行2.421 487福康路方向左转2.351 532直行2.291 572（3）相位总损失时间，计算公式为LARnlj=+(4)式中：AR交叉口全部显示红灯的时间，s，该交叉口无全红时间；lj各相位车辆启动时消耗的时间，s，一般取 3 s。（4）各相位的交通量比，计算公式为ycqi=(5)Yyyyn12g=+(6)式中：yi各相位交通量比值；q实际交通量，pcu/h；Y总流量比。东 西 直 行 y1=0.247，东 西 左 转 y2=0.173，南 北 直 行 y3=0.197，南 北 左 转 y4=0.152，所 以Y=0.7690.9。（5）最佳周期，计算公式为.CYL11 55=-+(7)计算得到 C100 s。（6）有效绿灯时间，计算公式为 GCLe=-(8)gGVyiei#=(9)式中：Ge总有效绿灯时间，s；gi 各相位有效绿灯时间，s。总有效绿灯时间为 Ge=100-12=88 s，则东西直行 g1=28 s，东西左转 g2=20 s，南北直行 g3=23 s，南北左转 g4=17 s。（7）绿灯显示时间，计算公式为 gglAeiij=+-(10)式中：gei第 i 相位的绿灯时长，s；A黄灯显示时间，s，一般取 3 s。经计算，配时方案为 g1=28 s，g2=20 s，g3=23 s，g4=17 s。（8）最小绿灯时间，是考虑行人过街的时间8，在每个直行相位上，如果每一直行相位显示的绿灯时间比最短的行人过马路的时间长，则不需要改变配时，反之则需要改变。gVLI7minjP=+-(11)式中：Vj行人过街步速，可取 1.2 m/s；LP行人过街长度，m；I绿灯间隔时间，s。3.2 优化后的配时方案通过对行人的过街时间分析，得出由北向南的过街长度约为 22 m，行人通过的时间是 22 s；由东向西的过街长度约为29 m，行人通过时间是29 s，在东西方向上直行的绿色显示时间比行人通过时间要短，因此在第 1 个相位，绿灯显示时间可调整到30 s，总周期为 102 s，优化后的信号时间比优化前缩短了 10 s。信号配时方案如表 5 所示。表 5 优化后的信号配时方案Tab.5 Optimized signal timing scheme项目/s1 相位2 相位3 相位4 相位绿灯时间30202317黄灯时间3333合计时间332326203.3 优化后的通行效益评价根据 TRRL 法对信号配时优化计算得出新的配时方案，对 VISSIM 仿真软件中信号配时方案以及有关数据进行调整，再次仿真运行得出车辆延误时间、排队长度、停车次数等相关参数，进而进行优化后的通行效益评价，结果如表 6 所示。由不可控因素所造成的车辆运行状态中的时间损失均称为延误9。根据分析，得出优化后各进口道各方向的平均延误时间都有所下降，东西进口的车辆延误平均降低了 27.8%，南北进口的车辆延误平均降低了 19.2%，可以看出优化后的通行效率有所提升。排队长度指车辆从停车线至排队车辆末尾的长度。优化后各进口道的排队长度都有一定程度的下降，东西进口道的平均排队长度下降程度大于南北进口道，东西进口的平均排队长度下降了31.1%，南北进口的平均排队长度下降了 15.5%。140农业装备与车辆工程 2023 年表 6 优化前后交叉口通行效率评价Tab.6 Evaluation of intersection traffic efficiency before and after optimization进口道优化前优化后车均延误/s停车次数平均排队长度/m车均延误/s停车次数平均排队长度/m西左转41.070.884027.550.6334西直行30.130.5923.640.51东左转23.160.542115.380.488东直行26.620.4820.780.46北左转44.200.822334.630.8818北直行28.140.7127.830.53南左转36.780.572221.520.5520南直行32.320.5430.290.47VISSIM 仿真中采用平均停车次数作为评价指标。根据分析，该交叉口各进口道各方向的平均停车次数从整体程度上有所下降。3.4 对比分析 对比分析优化前后的平均延误时间、平均排队长度、平均停车时间，由表 7 结果可得，各进口道都下降显著，尤其是西进口和北进口；各相位信号配时调整程度有所不同，从平均排队长度和延误时间上角度看，福康路的进口道比赭山大街的进口道下降程度明显。该交叉口各进口道左转方向与直行方向相比左转方向下降程度更多一些，这是因为各进口道左转的有效绿灯时间调整数值要大于直行的有效绿灯时间。表 7 交叉口信号配时优化前后仿真结果对比Tab.7 Comparison of simulation results before and after optimization of intersection signal timing项目优化前优化后效益/%平均延误时间32.825.223.17平均排队长度26.520.024.53平均停车次数0.640.5612.51总体而言，整个信号交叉口的车辆平均延误时间减少 23.17%，平均排队长度降低 24.53%，平均停车次数下降 12.51%，整个交叉口的交通效益明显提高。根据美国 HCM 信号交叉口服务水平评价指标可以看出，西进口和北进口的道路服务水平属于 C 级，达到了一定的优化效果。4 结论济南市章丘区赭山大街与福康路交叉口是比较典型的路口，可反映济南市绝大多数信号交叉口存在的问题。得出主要结论如下：（1）现状交叉口的交通量接近总通行能力的 71.17%，有一定的延误，服务水平属于 D 级。交叉口信号配时方案优化后，整个信号交叉口的平均延误时间下降 23.17%，平均排队长度下降24.53%，平均停车次数下降 12.51%，服务水平属于 C 级，信号交叉口的通行效率有显著提高。通过对城市道路交叉口信号进行合理优化，以平均延误、平均排队长度、平均停车次数等为优化指标，可以有效提高道路通行能力，减少交通事故；（2）提高城市道路交叉口的通行效率需要合理的交通规划设计，对交叉口进行信号配时设计和优化是关键步骤，同时还要考虑其他的不稳定性因素，进行深入的规划和设计。参考文献1 胡笳,安连华,李欣.面向新型混合交通流的快速路合流区通行能力建模 J.交通信息与安全,2021,39(01):137-144.2 成卫,张燚,雷建明.混合交通流条件下城市环形交叉口通行能力研究 J.公路交通科技,2018,35(09):92-100.2 WANG Xiaoxia,FU Hui,LU Jianfeng,et al.Study on road section environmental traffic capacity model and algorithm under double constraintsJ.Transportation Research Part D,2016,48:14-19.4 蒋贤才,汪贝,曾永松.不良天气和路面环境对交通信号配时方案的影响 J.公路交通科技,2014,31(07):135-142,158.5 陈秀锋,郭玉彤,吴阅晨,等.基于蒲公英算法的多目标信号配时优化方法J/OL.吉林大学学报(工学版):1-92022-10-22.6 VERMA A,NAGARAJA G,ANUSHA C S,et al.Traffic signal timing optimization for heterogeneous traffic conditions using modified webster s delay 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