例城市交叉路口通行能力仿真优化设计.docx
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例城市交叉路口通行能力仿真优化设计
城市交叉路口通行能力仿真优化设计
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摘要
城市道路信号交叉口是城市道路的重要节点，它把城市道路相互连接起来构成路网，其通行能力直接影响城市道路的通达，交叉口的交通流密度过大，会造成路口的拥挤与堵塞，影响城市道路的正常运行，而提高信号交叉口通行能力、减少交叉口停车延误是城市道路交通追求的目标，鉴于此，以信号交叉口为研究对象，通过典型交叉口的调查，探究其通行能力，并分析信号交叉口的运行状况。
本设计以沈阳市青年大街与文萃路交叉口为研究对象，采用人工调查法，通过现场调查，取得交叉口高峰小时的交通特征参数，对其进行现状分析，提出优化方案。
并通过信号交叉口的调查数据统计分析，从空间交通设计优化方面提出交叉口优化方案，并利用VISSIM仿真软件对交叉口的现状和优化方案进行仿真研究。
仿真评价结果表明，采用该方法优化交叉口效果显著，对交叉口的性能有很大改善，因此该优化方案具有很大的推广价值。
关键词：
道路交叉口；通行能力；VISSIM仿真；优化
Abstract
Signalizedintersectionistheimportantcomponentoftheurbanroad.Itconnectsurbanroaduparoadnetwork,anditscapacitydirectlyaffecttherunningefficiencyoftheurbanroad.Urbanroadwillnotworknormallyifthetrafficcongestionorjamhappenedthesignalintersectionwhenthetrafficflowdesityoftheintersectionistoolarge.Toimprovethetrafficcapacityandreduceparkinganddelayingintheintersectionarethegoalsofurbanroadtraffic.Forreasonabove,thesignalintersectionisstudiedasaresearchobject,andthetrafficcapacityofintersectionisexplored.Therunningstatusofthesignalintersectionisanalyzedinthepaper.
ThisdesignistoShenyangYouthwithWencuistreetintersectionastheresearchobject,usingartificialinvestigationmethod,throughfieldinvestigation,characteristicparametersofintersectionpeakhourtraffic,byanalyzingitscurrentsituation,andproposedtheoptimizationprogram.Bysurveyingandanalyzingdatathatgotfrompracticalresearchofsignalizedintersection,theimprovedintersectionoptimalplanningfromspaceangletooptimalsignalcontrolandroaddesignisputforward.FinallysimulationisdonewithsoftwareVISSIM,andsimulationresultsshowthatintersectionoptimizationeffectisverygood,andtheperformanceofintersectionisimproved.So,thenewplanninghasmuchvaluetoapplication.
KeyWord:
Roadintersection;Capacity;VISSIMsimulation;Optimize
引言
随着我国国民经济的迅速发展，城市化速度不断加快，机动车数量不断增加，城市交通量快速增长，现阶段的城市交通问题是社会经济发展的必然结果：
交通延误增加、事故频发、行车时间增加、环境污染严重、经济发展受到限制。
存在潜在的交通流冲突是城市交叉口的固有特点。
来自各个方向的车流集中在交叉口，且由多个方向的交通流汇入造成众多的冲突点，导致交叉口常常人车纠结，效率低下。
据统计，城市整体交通中有约45%的交通事故发生在交叉口；14%的恶性交通事故发生在城市中央商务区，而其中2/3发生在交叉口。
对城市平面信号灯交叉口通行能力的研究，可以有效提高城市交通整体的效率[1]。
而我国目前城市道路发展，未来若干年内仍然会以平面信号交叉口作为城市交通的主要枢纽。
作为车辆汇集和分流的所在地，在这里，行驶在道路上的机动车、非机动车、行人等都有直行和转向的不同需求，相互之间产生干扰，使其易成为交通拥挤和交通事故的多发地，从而降低了路网的通行能力，增加了车辆的行程时间。
近几年来，人们逐渐意识到利用交通控制手段的重要性，尤其是应用计算机，针对我国道路的交通特性，利用合适的仿真模型，模拟复杂的交通情况，成为当今交通问题研究的重要手段[2]。
本设计追求是的是可量化的、可操作的措施，而不仅仅是定性意义上的泛泛而谈。
同时，摒弃过于学究气、令人生畏的分析公式，试图提供一些易于操作的策略。
尽可能参考一些权威著作的最新版本，在总结国内外相关经验的基础上，对交叉口的空间设计进行完整详细的分析。
利用计算机仿真的手段结合我国城市交通现状，采用VISSIM仿真软件，对典型城市信号交叉口的通行能力进行仿真优化设计，以便减少交通流之间的冲突，减少延误，降低运行时间，提高交叉口的通行能力。
同时对城市道路交叉口的各种优化进行质量评价，使城市交通流运行趋于优化，使城市交通组织管理科学化和现代化。
目前，交通仿真软件在交通工程理论研究中的应用主要集中在交通流理论方面。
随着计算机技术的迅猛发展，以计算机为辅助工具，利用其可重复性、可延续性模拟交通运行状况，进行交通运行特性和通行能力研究，已经成为交通流理论研究的一个发展方向[3]。
广泛的实践已经证明，通过合理的几何设计以及对交叉口的交通控制管理来分离交叉口冲突的交通流，提高交叉口的通行能力是提高城市交通安全与效率的有效方法。
对于交叉口通行能力的挖掘，可以使时空资源得到有效利用，从很多程度上改善交叉口的运行状况。
本设计将先根据道路交叉口的实际情况，应用VISSIM仿真软件对其进行仿真，在此基础上，通过对该交叉口的空间布局的重新设置，进行优化设计，并再次应用VISSIM交通仿真软件进行仿真，通过优化前后数据对比，效果分析，对比优化前后的交叉口的通行能力的改变，为什么优化后的道路交叉口通行能力更强，分析其中原因，得出最终结论[4]。
1仿真优化的可行性分析
1.1备选软件
（1）VISSIM
VISSIM是一种微观、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，用以建模和分析各种交通条件下（车道设置、交通构成、交通信号、公交站点等），城市交通和公共交通的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具。
（2）PARAMICS
是由英国Quadstone公司开发的微观交通仿真产品。
它为交通工程师研究人员提供了一个崭新的计算工具，用于理解、模拟和分析实际的道路交通情况。
PARAMICS包括完全并行的路阻计算模块，用来完成巨大规模路网的交互式路阻计算。
理论上能够支持100万个节点（nodes）、400万个路段（links）和32000个区域（zones）的路网。
（3）AIMSUN
是西班牙TSS公司的微观交通仿真产品。
AIMSUNSimulator可以处理各种类型的交通网络，包括城市街道、高速公路和一般公路，能处理环形道路、干线道路以及混合道路网络。
作为有效的交通分析工具，AIMSUNSimulator能模拟自适应交通控制系统、先进的交通管理系统、车辆引导系统和公交车辆行程安排和控制系统；能对环境污染和能源消耗进行评估等。
（4）TRANSMOELER
在继承MITSIMLAB模型合理结构的基础上，增加了一些新的功能。
TRANSMOELER实现了微观仿真、准微观仿真和宏观仿真的无缝集成，可依据网络范围和仿真解析度选择合适的仿真模型。
最为重要的是，TRANSMOELER将交通仿真模型和GIS有机结合起来，路网等空间数据存储与管理完全采用GIS数据处理方式，并且可通过数据库管理系统来管理路网等空间数据。
此外,TRANSMOELER
可在GIS图形界面上微观显示车辆运行状况及详细交通状况。
1.2本设计应用的仿真软件的选择
交通仿真模型对交通现况的仿真效率和精度是衡量模型质量的重要标准。
考虑到各交通仿真模型各具特色，在不同的应用环境中有着各自不同的表现。
交通仿真主要有三个重要环节，分别是路网、信号灯等交通设施表达及通信能力、车辆行为模型和其他扩展功能。
本设计根据实际情况，最终确认选择VISSIM仿真软件[5]。
1.3VISSIM仿真软件特点
1.3.1系统模块的构成
VISSIM软件系统由众多模块组成，这些模块各自承担着不同的功能。
（1）车辆定义模块
该模块用于对仿真的车辆进行定义，包括车型组成（小汽车、大货车、公交车等），每种车型又根据车体的不同设计尺寸和标准细分为若干不同的类型，例如小汽车就有十几种之多。
该模块可对每种车型的各个类型进行详细设置，如车辆的长度、宽度等。
（2）车速分布模块
用于定义各种车型的运行速度，该速度以区间形式表示。
（3）车辆跟驰模块
用于定义并设置车辆跟驰行为。
VISSIM融入了德国和世界上跟车模型和车道变换模型等方面的研究成果，采用迄今为止最为精确的心灵-物理学车辆跟驰模型为基本模型核心，用于模拟随机驾驶行为，包括驾驶员不同驾驶能力和对危险情况的不同反应等。
（4）驾驶行为模块
定义驾驶员的驾驶行为。
VISSIM是一个离散的、随机的，将驾驶员和车辆视为一个整体的，以0.01s为时间步长的微观仿真系统。
（5）车道变换模块
在一个多车道路段上,VISSIM采用一系列规则来仿真车道改变。
如果前面的车辆以低速行驶而迫使后面的车辆以低于理想速度行驶，驾驶员就会找机会尝试改变车道。
首先,驾驶员将查看是否能通过改变车道提高自己的车速；然后,他将查看如果他改变车道会不会引起危险情况发生,如果驾驶员通过以上判断认为可以改变车道,他就试着改变车道。
该模块不仅能够对车辆拟进行车道变换的位置及变换方式进行定义,而且能够设置不允许进行车道变换的区域（如距离交叉口20m以内不允许进行车道变换）。
（6）交通量定义模块
包括交通组成及每种交通的运行速度定义,各路段的输入交通量采用绝对交通量,即混合交通量。
（7）车辆感应式相位控制模块（VAP）
VAP是VISSIM仿真软件的一个可选的附带软件。
它采用与C语言类似的编程语言,可以用来模拟城市道路控制系统（UTC）。
VAP向用户提供了进行任意模拟控制逻辑的工具以及方便的数据接口和错误校验功能,允许连接VISSIM和其他的信号控制系统[6]。
1.3.2系统的功能
VISSIM系统是目前世界上微观仿真系统中功能最完善、界面最友好、使用最灵活、版本最新最频繁的一个商业软化产品，该系统具有以下功能。
（1）模拟分析路段上交通流的运行情况
通过模拟,再现路段交通流的运行情况,直观地反映车流的密集程度、拥挤状况、排队状况等。
（2）模拟分析交叉口处交通流的运行情况
VISSIM能够模拟不同类型（平交、立交、环交等）的交叉口,在不同的交通控制方式（如信号控制、停车控制、停让控制等）、不同的信号配时方案、不同的速度限制以及减速区等条件下,交叉口处车流的运行情况。
系统不仅提供了定时信号控制方式,而且还提供了感应信号控制方式。
对立交以及由若干立交组成的立交系统的模拟也是VISSIM系统的一大特色。
三维模拟技术的应用使得我们可以从各个不同的角度观看车流的运动,对桥上、桥下以及辅路车流的拥挤及排队状况一目了然。
（3）模拟公交专用道和公交车辆的运行
通过设置和定义公共汽车停靠站、公交车辆的发车间隔、车辆在公交站点处的停留时间分布、公交线路及公交专用道走向、各站点上客量及下客量分布等,模拟公交专用道和公交车辆的运行情况。
不仅如此,VISSIM还能够模拟交叉口处公交的优先通行规则。
（4）模拟非机动车及行人交通流
这VISSIM有别于其他仿真系统的一个显著优点。
我国各大城市不仅人口众多,而且自行车的使用也很广泛。
行人和自行车对机动车交通流的影响很大,尤其在交叉口处,行人和自行车干扰机动车行驶的现象更加严重，因此，妥善合理解决行人及非机动车交通问题对于改善城市交通，有效地实施交通运营管理和交通组织管理，减少拥挤，提高安全等无疑有着重要意义。
（5）模拟停车场、地下通道以及公交汽车站
VISSIM系统能够对停车场、地下通道以及公共汽车站的设计方案进行运营模拟，通过模拟可以对这些场站的规模、选址等的可行性及合理性做出评估。
（6）为各种交通设计、规划和改造方案提供决策支持
对于路段、交叉口、路网以及各种交通信号控制的设计方案、规划方案以及改善方案，可以用VISSIM进行方案模拟，这样不仅能够从微观上预先知道方案的实施结果，而且能够评价方案的合理性及有效性，尤其当需要进行方案实施前后的效果对比时，VISSIM的应用更加必要和有效。
对于不合理的方案，可以通过不断改善方案并反复进行方案模拟，以得到最佳方案。
（7）形象而逼真地显现各种三维实体
除了模拟人和车这两类交通实体外,VISSIM还能够形象而逼真地表现树木、隔离带、建筑物、路灯等路边及路侧实物。
并能够将模拟系统叠加在被模拟的道路、交叉口或路网系统的平面图上,使对道路交通及其相关设施的模拟达到极至。
（8）能够进行二维与三维的随意操作与动画显示,在任意视角、场景和时间段模拟动画文件制作,任意时段的仿真回放三维模拟显示也是VISSIM的一大特色。
模拟系统的各种定义和编辑在二维系统中完成，模拟现实则既可在二位系统中也可在三维系统中进行。
除此之外，系统提供了根据用户的需要而制作任意视角、任意场景和任意时段的模拟动画文件，当需要重新观看某一时段的车流情形时，还可以方便地进行回放。
1.3.3VISSIM的应用领域
（1）在高速公路上的应用
VISSIM可以并已经在高速公路上得到应用,用来试验和研究高速公路上车道数减少的位置、施工区域和短时间内因事故暂时封锁道路以及限速区的交通流状况。
除此之外,可以应用VISSIM进行高速公路进出口匝道控制、运营分析以及整个立交设计方案的可行性研究。
（2）在城市道路上的应用
城市普通道路和快速道路的交通流均可以应用VISSIM进行模拟。
（3）在交叉口上的应用
VISSIM可以方便地用于无信号控制交叉口、信号灯控制交叉口和立交设施的方案设计、评价、比选和优化。
不仅如此,VISSIM还可以评估绿波系统及区域交通面控系统的可行性及有效性
（4）在路网系统中的应用
VISSIM能够对各类路网系统如轨道网络系统、公交网络系统以及混合路网系统进行运行模拟,从中可以系统而细致地看出路网整体以及局部路段或交叉口存在的问题，为路网的进一步改造及规划提供技术支持和依据。
（5）其他
其他包括公交优先系统分析、道路收费设施分析、路径诱导和可变信息的影响分析等。
2城市道路交叉口的特点
2.1城市道路交叉口现状
目前我国车辆种类繁多，车种复杂。
有些车辆外形相似，但是性能相差很大。
交叉口处的车队有各种不同种类的车辆组成，车辆组成不同，通行能力就随之不同。
大型车比例越大，穿过路口的时间就越长，反之则短。
信号交叉口的机动车混合交通流分为：
小型车、中型车、大型车三类。
因为白天对货车进行管制，因此货车数量很少，实地观测货车数量很少，所以车型划分中没有单独考虑货车。
机动车在交叉口的转向一般可以分为左转、直行和右转三类[7]。
2.2目前存在的主要问题
2.2.1交叉口车道渠化不合理
根据理论以及实践验证，在城市道路交通的组织设计当中，支路与支路交叉通常不设置渠化，除此之外的其他所有形式的道路交叉口都需要进行渠化设计。
渠化设计的目标就是通过简单的右转道、左转道的设计，实现交叉口交通的有序流动。
然而，根据目前所进行的城市道路交叉口的情况来看，很多道路的交叉口没有渠化设计或者渠化设计不够合理[8]。
2.2.2平面交叉形式不合理
两条道路相交时，其交角应该大于45度，过小的交角使停车线之间的距离增长，交叉口面积增大，车辆往往以较高速度通过，而且司机也不容易判断被交道路的交通状况，容易引发交通事故。
2.2.3行人及非机动车过街设置不完善
由于行人和非机动车过街设施设置不完善，导致行人和非机动车过街困难，甚至出现与机动车的相互干扰情况，会大大减弱交叉口的正常通行能力，降低安全水平。
2.2.4交通标志标线设计不合理
目前各个城市的道路交通标线有自己的常规做法，并不相同，导致行人和机动车驾驶员不能正确的辨识道路运行规则。
目前，在城市道路交叉口处表现出的标志标线问题主要为：
标志牌字体太小，距离稍远就看不清；交叉口标线缺失严重，没有进行及时的加锚；有些地方的标志线出现错误的情况等。
2.2.5公交站点设置不合理
根据相关规定，公交车站点一般设置在交叉口的出口道，少数可以设置在进口道。
现实状况是，很多交叉口的公交站点虽然设置在了出口道，但没有按照相关的规范和要求来设置，例如有些公交站点设置在了没有展宽的出口道，导致交通繁忙的时候，驶出交叉口的车辆无法及时离开，在交叉口附近聚集，容易造成交通阻塞，使整个道路的通行能力大大下降[9]。
2.3道路交叉口研究的意义
近年来，随着社会经济的讯速发展，机动车保有量增加，城市道路交通拥堵频频出现，交通事故数也在不断地攀升。
平面交叉口在城市道路网中处于城市路网中咽喉位置,是整个交通系统中交通汇集的地方,是交通事故和拥堵多发点。
改善城市平面交叉口的交通安全水平是提高我国城市道路交通安全的重要途径。
如果解决好交叉口拥堵问题，也会在一定程度上促进整个城市的发展[10]。
3具体路口调研
3.1交叉口交通状况调查方法
3.1.1交叉口交通量调查
交通量是指在单位时间内，通过道路某一地点、某一断面或某一车道的交通实体数量。
交通量可以分为机动车交通量、非机动车交通量和行人交通量。
调查平面交叉口交通量的主要目的，是为了获得有关交通量的实际情况、通行能力、流向分布、交通量变化及高峰小时交通量和交通组成等方面的资料，以便对交叉口的运行效能作出准确的评价，提出交通管理、控制措施或者改建、扩建方案。
由于交叉口交通流比较复杂，需分车种和流向进行调查，故一般均采用人工计数，并以入口引道的停车线作为观测断面[11]。
本设计选取青年大街与文萃路交叉口作为观察路口，采用人工计算，观察时间为一周，选择观察的时间段分别为早晨7：
30～8：
30和下午16:
30～17:
30，因为此时间段为早晚高峰的一部分，是车辆拥堵最严重的时间段之一，具有代表性。
并最终将仿真时段确定在下午16:
30～17:
30时间段。
3.1.2交叉口信号控制调查
交叉口信号控制调查中需明确以下概念：
a）固定周期信号控制固定周期信号控制是最基本的交叉口信号控制方式，这种控制方式设备简单、投资最省、维护方便；
b）控制原理按事先设计好的控制程序，每个方向均通过红、绿、黄色灯循环显示来指挥交通流，在时间上实施隔离；
c）信号相位方案信号灯轮流给某些方向的车辆或行人分配通行权的一种顺序安排，把每一种控制（即对各个进口道不同方向所显示的不同色灯的组合）称为一个信号相位。
一般情况下，信号控制灯多采用两个相位，即二相制，如东西方向放行，显示绿灯，而南北方向禁行，显示红灯，这是第一相。
第二相时，南北向放行，显示绿灯，而东西方向禁行，显示红灯。
当左转交通量比较大时，可设置左转专用相位，此时，信号灯控制采用三相制。
青年大街与文萃路交叉口为二相制。
但是，当南北方向红灯时，东进口左转车辆不仅与东进口非机动车辆和行人形成冲突，东进口左转车辆还与西进口非机动车和行人形成冲突点。
3.2实际路口的调研
选取沈阳市青年大街与文萃路交叉口作为研究对象。
3.2.1交叉路口基本情况
青年大街与文萃路交叉口为十字形交叉路口，位于沈阳市沈河区主干路，文萃路为东西走向，青年大街为南北走向。
文萃路为一块板形式，入口道四条车道（其中一条为自行车道）、出口道四条车道（其中两条自行车道）；青年大街为两块板结构的南北走向线，入口道和出口道均为四车道。
周围分布着百货大楼、华人大酒店、新麒麟酒店等大的客流吸引地，此外还有建设银行、工商银行等服务机构，并与被誉为“东北硅谷”的三好街相邻，交通环境较为复杂。
如图1所示。
图1青年大街文萃路交叉路口
道路交叉口南北方向为双向八车道，东方向为双向四车道，西方向为单向四车道。
（四个路口不远处都分布着公交站点，通过实际观察，不是影响交通通过能力主要因素，所以本文不做详细介绍）。
采用两相位信号控制，是一种比较常见交叉口，再加上该交叉口所处的位置和面临的问题都为城市交通的典型问题，在交叉口的研究上具有代表意义，通过对该信号交叉口的分析，可以触类旁通，稍加变换可用来解决其他类似问题。
因此，本文以青年大街与文萃路信号交叉口为研究对象，通过实际调查交通量、渠化现状、配时和放行方式，进行道路交叉口通行能力仿真设计，为后面设计中研究信号交叉口存在的问题、更新其控制方案提供依据[12]。
3.2.2交叉口的通行能力计算的基本参数
信号交叉口的参数包括：
交叉口的几何线形，交通流量，信号配时及控制方式、相位和相序。
（1）交叉口的几何线性
青年大街与文萃路交叉口南北向为双向八车道，其中三条为直行车道，一条右直车道；东西方向为双向四车道，其中一条直左车道，一条直右车道。
具体如图2所示。
图2交叉口几何线性图
（2）十字交叉口的交通流量
调研得知，青年大街与文萃路交叉口的车辆类型主要以小汽车为主，其次为公共汽车，所以就将车辆归类为小型车和大型车两类。
如表1所示。
表1十字交叉口的交通量表
进
口
道
流
向
小型车
实际交
通量veh/h
大型车
实际交通量
veh/h
小型车
当量系数
大型车
当量系数
交通
当量pcu/h
车
道
数
左转车
比例
直行
比例
右转车
比例
南
进
口
直行
8320
200
1
2
8720
4
0
0.8785
0.1214
右转
830
130
1
2
1090
1
北
进
口
直行
8520
380
1
2
8780
4
0
0.8671
0.1328
右转
1180
130
1
2
1440
1
东
进
口
左转
840
60
1
2
960
1
0.267
0.4028
0.3300
直行
5980
284
1
2
6
升级会员 