基于vissim的城市交叉口改善优化研究

基于vissim的城市交叉口改善优化研究

0在网络交通仿真中的应用该交叉口是道路和道路倡议的重要组成部分。它也是道路上最常见、最常见、最直接的拥堵来源和交通事故频发的地方。对于信号控制的单点平面交叉口来说,信号配时优化往往对于减少车流的平均延误、停车次数,提高交叉口的通行能力、服务水平起到至关重要的作用。交叉口的信号配时方法一直在不断地研究、改进之中,国外目前普遍采用的是Webster方法、澳大利亚的ARRB方法;国内研究应用的配时模型有停车线模型、冲突点模型等。在文献中,我国学者杨锦冬、杨东援利用灰色控制理论研究后提出信号周期与到达率、停车率、排队长度和相位关键车流量等因素灰关联度的YD模型;文献采用遗传模拟退火优化算法以延误与停车次数综合考虑作为目标函数,建立了交叉口的信号控制优化模型。但是实践证明,随着城市机动车的日益增长,这种传统的仅通过信号优化的方法取得的效果已日趋微弱。文献进行了平面信号交叉口的渠化设计应用研究,并结合传统的信号配时优化方法对城市平面交叉口进行了优化设计,也就是从时间和空间两个角度对交叉口进行优化,取得了良好的优化效果。此外,交通仿真技术也越来越多地被用于交叉口的改善优化中,成为研究、解决交通问题的一种必不可少的工具。交通仿真是研究运用现代计算机技术再现实际交通系统的特性、分析交通系统在各种设定条件下的可能行为,以寻求现实交通问题最优解的一种手段,也是评价运输设施各类运用设计方案效果的有效方法。20世纪60年代以来,国外交通仿真系统得到了较大发展。像VISSIM、TSIS、Synchro、Paramics、Dynasmart、Integration、Mitsim、Transims、Watsim等越来越商业化;国内也正在开发类似的软件系统。相比之下,德国PTV公司开发的VISSIM仿真软件在国内外应用最为广泛;而且VISSIM能直观、形象、详细地仿真出车辆、道路、交叉口、信号灯等随时间变化的三维动画状态,能真实、精确地重现交通网络交通运行状况,避免了在拟定交通控制方案及对方案进行评价时因无法直观观测车辆在道路及交叉口的运行状况而引起的不足。实践证明,将VISSIM交通仿真软件应用于城市交通网络(特别是交叉口)交通运行状况仿真分析及交通方案的优化与评定,为在我国的复杂混合交通条件下确定交叉口乃至整个城市交通组织方案提供了一条切实可行的新思路和新方法,具有良好的操作性和实用性。本文以广州市一路口为例,首先通过信号配时优化,然后在VISSIM仿真的基础上,提出空间优化设计方案,最后对时空优化后的交叉口重新进行信号配时优化,并通过VISSIM仿真,发现交通效益有了很大的改善。1vissim仿真软件介绍VISSIM系统是一个离散的、随机的、以0.1s为时间步长的微观交通仿真软件。车辆的纵向运动采用了德国Karlsruhe大学Wiedemann教授的心理-生理跟车模型;横向运动(车道变换)采用了基于规则(Rule-based)的算法。不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。Wiedemann的跟车模型是迄今用于计算机交通仿真的最为精确的模型之一,基于这一理论基础而开发的微观交通仿真软件VISSIM能够较真实地反映和重现实际交通状况,具有广泛的实用价值,并日益成为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、版本更新最频繁的一个商业化软件产品。VISSIM软件系统内部由交通仿真器和信号状态发生器两大程序组成,它们之间通过接口来交换检测器的呼叫和信号状态。交通仿真器是一个微观的交通流仿真模型,它包括跟车模型和车道变换模型。信号状态发生器是一个信号控制软件,它以仿真步长为基础不断地从交通仿真器中获取检测信息,决定下一仿真时刻的信号状态并将这信息传送给交通仿真器。VISSIM仿真软件可以生成一系列的评价指标,这些指标是对路段、车辆、公交、信号灯等等仿真元素在仿真运行过程当中的状态变化的记录或者某个参量的累加,这些指标使得可以对仿真过程中各个元素的运行状态进行量的判断。为了评价信号优化方案的优劣,本文对VISSIM中涉及到的行程时间、平均延误、排队长度、停车次数、通行能力、饱和度及服务水平等指标进行介绍。2评估指标的组成2.1平均行程时间如果在路网中定义了行程时间检测区段,VISSIM能够评价平均行程时间。检测区段由一个起点和一个终点组成。平均行程时间(包括停车时间)是指车辆通过检测区段的起点直至离开终点的时间间隔。2.2车辆行程时间仿真结果确定在行程时间检测区段的基础上,VISSIM能够生成路网的延误数据。一个或多个行程时间检测区段组成一个延误检测区段。通过这些行程时间检测区段的所有车辆都将被其所属的延误检测区段捕获。延误时间是车辆在行程时间所定义的两个断面之间多花费的时间。仿真结果采用平均延误时间,即通过交叉口的所有车辆平均每辆车的延误时间作为评价指标。理论行程时间是指当行程时间检测区段内无其它车辆和信号控制,或无其它车辆停车时(减速区也考虑在内),车辆所能达到的行程时间。延误时间不包括公交站点的乘客上下车时间,但是,公交车进、出站时的加减速带来的时间损失包括在延误时间之内。2.3有机站段设计VISSIM的排队计数器可以提供三类数据:⑴平均排队长度;⑵最大排队长度;⑶排队车辆的停车次数。这里所指的排队是从上游路段或连接器的排队计数器的设置位置开始计数,直至排队状态下的最后一辆车。如果排队计数器设置在多车道路段上,它将记录所有车道的排队信息,并报告最大排队长度。只要车道上仍有车辆满足排队计数器定义的排队条件,排队计数器将始终处于开启状态。排队长度的单位是m,而不是车辆数。2.4vissim仿真停车次数为车辆进入排队状态之后停车的次数的总和。表征车辆的二次停车等特征,VISSIM仿真中采用平均停车次数,即交叉口总的停车次数与通过交叉口的总流量的比值(也称停车率)作为评价指标。2.5未来绿灯时间及控制律设计车道组的通行能力计算方法为:Ci=Si×geiC0(1)Ci=Si×geiC0(1)整个交叉口的通行能力计算公式为:C=n∑i=1Ci(2)C=∑i=1nCi(2)式中:Ci—车道组i或引道i的通行能力/(辆/h);Si—车道组i或引道i的饱和流率/(辆/h);gei—i相有效绿灯时间/s;C0—周期长度/s。2.6渠化设计/配时设计不适合现状及规划要求的产品信号相位的饱和度也就是通常所说的v/c比,是反映信号交叉口通行能力的重要参数,若饱和度超过了1.0,则说明该车道组过饱和,这时的交叉口渠化设计或配时设计不适合现状及规划要求;若饱和度小于1.0,也可能会出现局部时间和局部空间的过饱和。车道组的饱和度计算公式如下:Xi=ViCi=qiCi=qiSλi(3)Xi=ViCi=qiCi=qiSλi(3)式中:qi—车道组i或引道i的交通流量/(辆/h);Ci—车道组i或引道i的通行能力/(辆/h);λi—i相位的绿信比。2.7服务本文使用HCM2000对服务水平的定义来评价交叉口的服务等级;平均每车延误与服务水平的对应关系如表1所示。3工程实例3.1现在的交叉口3.1.1选择研究对象以广州市浣花路(东西向)与花地大道(南北向)交叉口为研究对象,见图2。该路口右转全部渠化,路口几何形状、车道宽度(m)、车道功能划分情况、拓宽段长度(m)等信息如图2所示。3.1.2分流向的机动车流量调查表2为全天高峰小时(8∶00~9∶00)的分流向的机动车流量调查数据。由表2可以看出,南进口的重型车比例最高,达到41.6%,其中左转流向大车率高达52.3%。3.1.3当前的编程方案现有交叉口采用四相位定时信号控制,配时方案如图2所示,周期时长为135s。各相位绿灯之间黄灯时间为3s,全红时间为1s(下同)。3.2行人过街最短绿灯时间的确定应用VISSIM软件对浣花路与花地大道交叉口的几何现状及现有配时进行仿真分析,仿真结果见表3。该交叉口的最大饱和度为1.27,平均每车延误为71.6s,交叉口的整体服务水平为E级,整个交叉口高峰小时的总停车次数为3036次,通行能力达到6593辆/h,总排队长度为837.2m。由表3可知,路口南、北进口的服务水平较低,其中北进口达到最低水平F级;而且南、北进口的饱和度、平均每车延误、排队长度远高于其它进口,大大影响了整个交叉口的交通效益。尤其是北进口直行方向的饱和度高达1.27,平均每车延误为101.7s;而南进口直行方向的饱和程度也接近1.0,平均每车延误达到80.4s,左转方向的车流饱和度和延误也比较大。这说明信号分配给南、北进口的有效绿灯时间不足以满足通车需求,因此需要对路口各信号相位绿灯时间进行重新分配以均衡各进口车流的饱和程度,提高路口的整体服务水平。本文采用美国Trafficware公司开发的信号配时优化软件Synchro系统来优化各相绿信比。在用Synchro系统进行交叉口信号配时优化时,除了信号周期长度要满足大于自然周期(即最短周期)的要求之外,每个信号相位的绿灯时间还要能够满足行人通行的需要,即要对每个相位设置对应的最小绿信比。具体的行人过街最短绿灯时间按下式计算:tp=7+Lpvp-Ι(4)式中:Lp—行人过街道长度/m;vp—行人过街步行速度,取1.2m/s;I—绿灯间隔时间/s。3.3和度结果与共享Synchro软件优化后的相位配时方案如图3所示,周期时长为140s。应用VISSIM软件对配时优化后的交叉口进行仿真,详细的仿真结果见表4。由表4可知,优化后的交叉口的最大饱和度减小到1.03,平均每车延误为60.1s,减少了16.1%。虽然交叉口的整体服务水平仍为E级,但已经较逼近D级服务水平,各进口的车均延误也比较均衡;总的停车次数和排队长度与优化前大体相当、略有增加;总的通行能力略有增加。容易看到优化后西进口左转和直行方向、南进口和北进口的直行方向的车流饱和度仍然较高(在1.0附近),服务水平仍偏低,从VISSIM仿真的画面也可以看出这三个进口经常会出现长时间堵车、排队的现象。这说明仅仅从信号配时上已经不能满足交叉口的通行需求了,因此需要考虑采用改善交叉口几何条件的方法进行进一步改善。3.4南进口+右转车道通过对交叉口的现场调查分析,采取如下的渠化措施:(1)拆除北进口中线位置的绿化带,将左转与掉头车道向靠近中线位置进行拓宽,原先的左转掉头车道改为直行车道。(2)考虑到南出口还有闲置的富余空间,可以将南进口和出口的车道线均向西平移,这样就可以利用腾出来的空间将南进口的直右车道改为直行和右转车道。(3)西进口所处的位置以及空间利用情况都不允许再拓宽,因此维持不变。改善后的交叉口几何示意图如图4所示。应用Synchro软件对改善后的交叉口进行信号优化后的相位配时方案如图5所示,周期时长为116s。采用VISSIM软件对经过时空优化后的交叉口进行仿真,详细的仿真结果见表5。由表5可知,经过时空优化后的交叉口的最大饱和度减小到0.91,平均每车延误降至47.1s,减少了34.2%,交叉口的整体服务水平达到D级(即正常无拥挤的交通状况),所有进口的车均延误更加均衡,且服务水平均在D级以上,东进口甚至提高到了C级;总的排队长度从现状的837.2m减少到671.4m,减少了19.8%;总的通行能力从现状的6593辆/h增加到7634辆/h,增加了15.8%,达到了优化的目的。4优化产品配方本文应用VISSIM微观交