基于VISSIM的交叉口感应信号控制仿真研究.docx

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基于VISSIM的交叉口感应信号控制仿真研究

基于VISSIM的交叉口感应信号控制仿真研究

陈扶崑,吴中

河海大学交通学院,江苏南京（210098

E-mail:

fukunchen163@

摘要:

首先介绍了感应信号控制原理及其主要参数确定方法,并对微观交通仿真软件VISSIM及车辆感应控制编程（VAP进行了简单说明。

以南京市某一典型十字型信号控制交叉口为例,用VISSIM仿真软件作为平台,对该交叉口进行了感应信号控制设计。

以通过交叉口的车辆平均延误,平均停车次数,最大排队长度作为评价指标,对该交叉口在不同交通条件下,进行定时控制与感应控制仿真比较分析。

最后得出感应控制所适用的交叉口及交通流状况,并且说明了利用VISSIM实现感应信号控制仿真的可行性及优越性。

关键词:

感应信号控制,VISSIM,VAP,微观仿真,交通控制

1.前言

目前,某些发达国家（日本、美国等在感应信号控制方面研究与运用较多,国内这方面研究还处于初级阶段,实际运用到道路交叉口中的感应信号控制比较少。

感应信号控制运用到实际交叉口上有较大难度,主要原因是技术与资金问题。

但我们并不能否认我国许多城市的交叉口适合用感应信号控制。

感应信号控制有其自身的优点:

感应控制在交通强度较小交叉口,有其优越性,不致使主要道路上的交通产生不必要的延误;感应信号控制在有几个流向的交通量时有时无或多变的复杂交又口上,可得到最大效益;在交通量变化大而不规则、难于用定时控制处置的交叉口以及必须降低对主要干道干扰的交叉口上,用感应控制效益更大。

因为感应控制有上述诸多优点,感应信号控制运用到适宜的交叉口上能够提高交叉口的通行能力,减少延误及停车次数,能够为整个社会的发展带来效益,所以我们值得对它进行深入研究,并逐步运用到适宜的道路交叉口上。

本文介绍了感应信号控制的基本工作原理,分析了感应信号控制的几种主要形式,并以南京市某一典型十字型信号控制交叉口为例,运用微观交通仿真软件VISSIM对该交叉口在不同交通流情况下采用感应信号控制与定时信号控制进行仿真对比分析,其中利用VISSIM实现感应控制仿真设计是本文的重点与难点。

2.感应信号控制类型及基本原理

根据感应信号控制实施的方式划分,感应控制可以分为以下三种类型:

半感应控制、全感应控制和优化感应控制。

图1是感应信号工作原理图,它体现了感应控制的基本工作原理。

一相位起始绿灯,感应信号控制器内预设有一个“初期绿灯时间”（Gmin,到初期绿灯结束时,如在一个预设的时间间隔内,无后续车辆到达,即可更换相位;如检测器检测到有后续车辆到达,则每测得一辆车,绿灯延长一个预置的“单位绿灯延长时间”（G0,即只要在这个预置的时间间隔内,车辆中断,即换相;连续有车,则绿灯连续延长。

绿灯一直延长到一个预置的“极限延长时间”（Gmax时,即使检测到后面仍有来车,也中断这个相位的通车权。

实际绿灯时间界于初期绿灯时间与绿灯极限延长时间之间[1]。

图1感应信号工作原理图

G0-单位绿灯延长时间;Gmin-初期绿灯时间;

Gmax-绿灯极限延长时间;G-实际绿灯时间。

3.感应信号控制的参数确定

感应信号参数主要包括:

初期绿灯时间,单位绿灯延长时间,绿灯极限延长时间。

3.1初期绿灯时间（Gmin

给每个相位初期预先设置一段最短绿灯时间。

设置初期绿灯时间应考虑以下几个因素:

（1保证停在检测器和停车线之间的车辆,全部驶出停车线所需的最短时间。

（2保证行人安全过街所需的时间;

（3我国还需考虑保证红灯时停在停车线前的非机动车安全过街所需的时间

初期绿灯时间由车辆初始阶段（初始绿灯时间和单位绿灯延长时间组成。

初始绿灯时间必须保证积存在检测器和停车线之间的车辆驶入交叉口。

在欠饱和状态下,可以使用相位关键进口道的车队疏散时间（TS

来确定初始绿灯时间。

车队疏散时间可以参考公式（1[6]。

mSi

QTSq=−（1式中:

TS——相位关键进口道的车队疏散时间,秒;

Qm——相位关键进口道的最大排队长度,Qm=qi*Rei,辆;

S——相位关键进口道的饱和流量,辆/秒;

qi——相位i关键进口道的到达率,辆/秒;

Rei——相位i的等效红灯时间,秒。

所以一个相位初期绿灯时间=初始绿灯时间（TS+单位绿灯延长时间

3.2单位绿灯延长时间

是初期绿灯时间结束后,在一定时间间隔内,测得有后续车辆到达时所延长的绿灯时间,确定单位绿灯延长时间时,一般考虑以下几个因素:

（1单位绿灯延长时间的长短必须能使车辆从检测器开出停车线。

（2单位绿灯延长时间的恰当长度,应尽可能不产生绿灯时间损失。

单位绿灯延长时间可以参考公式（2[7]

△i=Di/Vi（2

式中:

△i——各相位的单位绿灯延时;

Di——为i相位关键进口道上检测器与停车线之间的距离,米;

Vi——为i相位关键进口道上车流的正常行驶速度,米/秒;

3.3绿灯极限延长时间

绿灯极限延长时间是为了保持最佳绿信比而对各相位规定的绿灯时间延长限度。

信号到达绿灯极限延长时间时,强制绿灯结束并改换相位。

绿灯极限延长时间,实际上就是按定时信号最佳周期时长及绿信比分配到各个相位的绿灯时间,绿灯极限时间一般定为30~60s[1]。

4.VISSIM仿真软件及其车辆感应控制编程（VAP介绍

VISSIM是德国PTV公司开发的微观交通流仿真系统。

该系统是一个离散的、随机的、以1/10秒为时间步长的微观仿真软件。

车辆的纵向运动采用了Wiedemann教授的“心理—生理跟驰模型”,横向运动（车道变换采用了基于规则（Rule-based的算法。

VISSIM软件能够仿真出车道类型、交通种类、交通信号控制、停让控制等交通运行情况,具有分析、评价、优化道路网络、不同设计方案比较等功能,是分析许多交通问题的有效工具。

该软件向用户提供了操作方便的网络元素编辑和参数输入功能,网络元素如路段和车道、公共汽车站停车及让路标志、交通信号灯的位置和编号、车辆检测器的位置和编号、路径选择、不同路径交通量分配比例均可通过系统所提供的各种功能进行设计,另外VISSIM还可实现动态交通分配的仿真优化[2]。

VAP是VehicleActuatedProgramming的简写,即车辆感应控制编程。

VAP的控制逻辑用其独有的简单语言来描述。

在VISSIM仿真过程中,VAP解译控制逻辑命令,并且控制VISSIM路网中信号灯色的改变。

为了进行感应控制仿真分析,VISSIM首先需导入*.PUA文件、*.VAP文件和系统文件VAP214.exe。

其中*.PUA文件和*.VAP文件的编写是感应信号控制仿真的关键,这两个文件可以在记事本中编写,也可以用专业软件编写。

例如PTV公司提供的CROSSING软件和VisVAP模块提供了*.PUA文件和*.VAP文件的编写功能。

图2给出了感应控制所需的文件结构图[3][4]。

本文的*.PUA文件是根据VAP的规则,通过记事本编写的;*.VAP文件是通过VisVAP模块编写的文件（*.VV生成的。

图2感应控制所需的文件结构图

5.仿真环境

本文采用南京市一典型十字型交叉口为例来进行感应控制与定时控制仿真对比分析。

交叉口形状如图3所示。

信号控制相位分配如图4所示。

图3交叉口示意图

图4信号控制相位图

各进口道的车辆种类及所占比例为:

小汽车80%,公交车10%,载重汽车10%。

其中小汽车平均车速为40公里/小时,公交车平均车速为30公里/小时,载重汽车平均车速为30公里/小时。

各进口道的左转车辆比例为20%,右转车辆比例为30%,直行车辆比例为50%。

本文定时控制策略:

直行相位绿灯为40秒,左右转相位绿灯为20秒,绿灯后的黄灯时间为2秒。

6.感应控制设计

感应控制设计思想:

两直行相位最小绿灯15秒,最大绿灯时间为40秒,两左右转相位最小绿灯时间10秒,最大绿灯时间为30秒。

当一相位达到最小绿灯时间时,首先判断该相位是否有车辆到来,如果感应器检测有车辆到来,每检测到一辆车,绿灯延长一单位绿灯延长时间（本文根据感应器的铺设位置确定单位绿灯延长时间为9秒,绿灯上限为该相位规定的最大绿灯时间;否则判断下一相位是否有通行需求,有通行需求的条件是:

下一相位出现车辆严重排队现象或车辆在停车线前等待超过一定时间。

本文的感应控制相位判断的次序与定时控制相位次序一样,当判断下一相位没有通行需求时,继续判断后面的相位。

实施感应控制的前提是铺设感应器,感应器的种类很多,例如有环形线圈、超声检测器、红外检测器等多种[8],在VISSIM中,所有的这些手段都通过一种方法来表示,当车辆的前端靠近感应器时,感应器会向信号控制器（SignalController发送一个脉冲,当车辆的末端离开感应器时,感应器会向信号控制器（SignalController发送另外一个脉冲,这些信息最终将由信号控制逻辑（signalcontrollogic来解译[3][4]。

针对本文提出的感应信号控制设计思想的需要,本文在各进口车道铺设三类感应器,第一类检测排队长度,距离停车线90米,第二类检测等待时间,距离停车线6米,第三类检测车辆到来,距离停车线30米,如图5所示。

图5交叉口VISSIM仿真感应器铺设图

图6给出感应信号控制设计流程图,该流程图反映了基本的感应信号控制思想。

图6感应信号控制设计流程图7.VISSIM微观仿真分析本文在上述感应信号控制设计的基础上，借助VISSIM仿真平台，对该交叉口在三种不同交通流条件下进行感应信号控制与定时控制仿真对比分析。

每种情况仿真5次，每次3600秒，最后取5次仿真结果的平均值作为最终结果。

采用的评价参数是平均延误时间，平均停车次数，最大排队长度。

三种情况下的仿真结果见表1，表2，表3。

评价指标平均延误（秒）平均停车次数最大排队长度（米）东进口定时44.70.8996表1各进口道平均到达率为400辆/小时的输出结果西进口南进口感应21.60.7775定时43.30.87127感应23.40.7491定时44.50.8695感应25.40.7173北进口定时40.80.8281感应23.60.6860评价指标平均延误（秒）平均停车次数最大排队表2东西向平均到达率为400辆/小时，南北向平均到达率为1600辆/小时的输出结果东进口西进口南进口北进口定时43.8感应35.6定时45.6感应38.2定时68.0感应44.8定时67.8感应43.80.871060.76800.931020.85951.262401.002051.242341.05204长度（米）-6-

表3各进口道平均到达率为1600辆/小时的输出结果西进口南进口感应60.3定时66.9感应62.1定时70.6感应67.6评价指标平均延误（秒）平均停车次数最大排队长度（米）东进口定时68.0北进口定时68.1感应65.61.292291.002301.212181.132181.222401.242401.282341.28234由表1可以看出，交叉口各向流量均匀且很小时，三种评价指标均反映了各进口道感应控制效果明显好于定时控制；由表2可知，各向流量差异很大（东，西400辆/时；南，北1600辆/时）时，在交通量较大的南北方向我们可以看出，定时控制下，南北进口道平均延误时间接近70秒，平均停车次数达到1.26秒，最大排队长度也达到230米以上，而感应控制下南北进口道三项评价指标值均明显低于定时控制，同时东西方向的感应控制效果也好于定时控制，此结果说明，在不同流向差异很大时，感应控制能够提高交通流量较大进口道的通过能力；由表3可以看出，交叉口各向流量均匀且很大时，定时控制与感应控制下的各进口道平均延误，平均停车次数，最大排队长度都显著增加，虽然感应控制还优于定时控制，但效果不明显，定时控制与感应控制都有向过饱和状态发展的趋势。

以下给出在不同交通流情况下，整个交叉口的感应控制与定时控制总平均延误比较，如图7所示（其中交通流1为各进口道平均到达率为400辆/小时；交通流2为东西向平均到达率为400辆/小时，南北向平均到达率为1600辆/小时；交通流3为各进口道平均到达率为1600辆/小时）。

8070总均误秒平延（6050403020100定时控制感应控制143.323.5260.942.6367.559.8定时控制感应控制三种交通流情况图7感应控制与定时控制延误比较8.结语本文通过运用VISSIM微观仿真软件对采用感应信号控制与定时控制不同交通流下南京市某一典型十字交叉口进行仿真对比分析，从仿真的结果可以看出感应控制在轻交通量交叉口或各向交通量差别较大的交叉口，能够有效的降低车辆的延误，减少停车次数，从而提高交叉口的通行能力和服务水平，达到交通通畅的目的；当交叉口交通量接近饱和或过饱和时，感应信号控制的效果不理想，所以在夜间或中午采用感应信号控制，能得到较好的效果，同时也说明了利用VISSIM实现感应信号控制仿真的可行性及优越性。

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本文借助VISSIM仿真软件进行交通仿真，在运用VISSIM软件进行路网构建过程中，充分考虑了现实交通状况，如拐弯处减速、驾驶员的驾驶特性、车辆的加减速度等，其仿真结果是可信的。

本文难点部分是VISSIM中实现感应控制，其中包括*.PUA文件和*.VV文件的编写，因为在VISSIM中实现感应控制还处于探索阶段，所以文中的感应控制设计有一定的缺陷；由于目前关于VAP语言编写的参考文献基本没有，所以在论文的完成过程中遇到一些问题不能够很好的解决，比如在VAP语言中许多参数只有一个大概范围，要想准确取得这些参数的值，还需参考实践经验，这是在今后研究过程中需要解决的；在考虑车辆构成时，虽然考虑了公交车，但是本文没有考虑公交车的具体路线，这是本文的一点不足，在今后的研究过程中考虑设定公交线路。

参考文献[1]杨佩昆,吴兵.交通管理与控制.北京:

人民交通出版社,2003,89-136[2]PTVPlanungTransportVerkehrAG.VISSIMUserManual-Version3.70[R].PTVCorporation,2003[3]PTVPlanungTransportVerkehrAG.VISSIMManual–VAPVersion2.14APPENDIXA:

ADD-ONVAP，PTVCorporation,2003.[4]PTVPlanungTransportVerkehrAG.VISSIMManual–VAPVersion2.14APPENDIXB:

ADD-ONVisVAP，PTVCorporation,2003.[5]周彤梅.交叉口感应信号控制优化设计研究.中国人民公交人学学报（自然科学版,2001（2,34-37.[6]ZhiliTian.CapacityAnalysisofTraffic-ActuatedIntersections.MassachusettsInstituteofTechnology,2002:

15-22.[7]翟润平.交通感应控制的信号配时设计方法研究.公安大学学报（自然科学版1998（3,43—46[8]ElahiSM,RadwanAE,GoulKM.Trafficsignalusingmixedcontrolleroperations.JournalofTransportationEngineering,1992,116（6:

866-879StudyOnActuatedSignalControlledIntersectionBasedOnVISSIMChenFukun,WuZhongTransportationCollege,HoHaiUniversity,Nanjing（210098）AbstractFirstly,Thispaperintroducestheprinciplesofactuatedsignalcontrolandthemethodsofhowtodetermineitsmainparameters,andalsosimplyexplainsmicrocosmictrafficsimulationsoftwareVISSIMandVehicleAtuatedprogramming（VAP.Usingatypicalfour-IntersectioninNanjingasanexample.VISSIMsimulationsoftwareusedasaplatformfortheactuatedsignalcontroldesignofthisintersection.ThisarticlesimulateandanalysetheTimingControlandActuatedSignalControlindifferenttrafficconditionsbyVISSIMsimulationsoftwarewiththevehicledelays,theaveragenumberofstopsandthelargestqueuelengthastheevaluation.FinallythispaperachievetheconclusionthatwhatkindofIntersectionandtrafficflowconditionsisfitforActuatedsignalcontrol,andnotethesuperiorityoftheuseofVISSIMtoachieveactuatedsignalcontrolsimulation.Keywords:

Actuatedsignalcontrol,VISSIM,VAP,microcosmicsimulation,Trafficcontrol作者简介：

陈扶崑，男，硕士研究生，主要研究方向是交通规划、交通管理与控制，南京河海大学交通学院。

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