基于vissim的城市交叉口改善優(yōu)化研究

基于vissim的城市交叉口改善優(yōu)化研究

0在網(wǎng)絡(luò)交通仿真中的應(yīng)用該交叉口是道路和道路倡議的重要組成部分。它也是道路上最常見、最常見、最直接的擁堵來源和交通事故頻發(fā)的地方。對于信號控制的單點(diǎn)平面交叉口來說,信號配時優(yōu)化往往對于減少車流的平均延誤、停車次數(shù),提高交叉口的通行能力、服務(wù)水平起到至關(guān)重要的作用。交叉口的信號配時方法一直在不斷地研究、改進(jìn)之中,國外目前普遍采用的是Webster方法、澳大利亞的ARRB方法;國內(nèi)研究應(yīng)用的配時模型有停車線模型、沖突點(diǎn)模型等。在文獻(xiàn)中,我國學(xué)者楊錦冬、楊東援利用灰色控制理論研究后提出信號周期與到達(dá)率、停車率、排隊(duì)長度和相位關(guān)鍵車流量等因素灰關(guān)聯(lián)度的YD模型;文獻(xiàn)采用遺傳模擬退火優(yōu)化算法以延誤與停車次數(shù)綜合考慮作為目標(biāo)函數(shù),建立了交叉口的信號控制優(yōu)化模型。但是實(shí)踐證明,隨著城市機(jī)動車的日益增長,這種傳統(tǒng)的僅通過信號優(yōu)化的方法取得的效果已日趨微弱。文獻(xiàn)進(jìn)行了平面信號交叉口的渠化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究,并結(jié)合傳統(tǒng)的信號配時優(yōu)化方法對城市平面交叉口進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),也就是從時間和空間兩個角度對交叉口進(jìn)行優(yōu)化,取得了良好的優(yōu)化效果。此外,交通仿真技術(shù)也越來越多地被用于交叉口的改善優(yōu)化中,成為研究、解決交通問題的一種必不可少的工具。交通仿真是研究運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)再現(xiàn)實(shí)際交通系統(tǒng)的特性、分析交通系統(tǒng)在各種設(shè)定條件下的可能行為,以尋求現(xiàn)實(shí)交通問題最優(yōu)解的一種手段,也是評價(jià)運(yùn)輸設(shè)施各類運(yùn)用設(shè)計(jì)方案效果的有效方法。20世紀(jì)60年代以來,國外交通仿真系統(tǒng)得到了較大發(fā)展。像VISSIM、TSIS、Synchro、Paramics、Dynasmart、Integration、Mitsim、Transims、Watsim等越來越商業(yè)化;國內(nèi)也正在開發(fā)類似的軟件系統(tǒng)。相比之下,德國PTV公司開發(fā)的VISSIM仿真軟件在國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛;而且VISSIM能直觀、形象、詳細(xì)地仿真出車輛、道路、交叉口、信號燈等隨時間變化的三維動畫狀態(tài),能真實(shí)、精確地重現(xiàn)交通網(wǎng)絡(luò)交通運(yùn)行狀況,避免了在擬定交通控制方案及對方案進(jìn)行評價(jià)時因無法直觀觀測車輛在道路及交叉口的運(yùn)行狀況而引起的不足。實(shí)踐證明,將VISSIM交通仿真軟件應(yīng)用于城市交通網(wǎng)絡(luò)(特別是交叉口)交通運(yùn)行狀況仿真分析及交通方案的優(yōu)化與評定,為在我國的復(fù)雜混合交通條件下確定交叉口乃至整個城市交通組織方案提供了一條切實(shí)可行的新思路和新方法,具有良好的操作性和實(shí)用性。本文以廣州市一路口為例,首先通過信號配時優(yōu)化,然后在VISSIM仿真的基礎(chǔ)上,提出空間優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,最后對時空優(yōu)化后的交叉口重新進(jìn)行信號配時優(yōu)化,并通過VISSIM仿真,發(fā)現(xiàn)交通效益有了很大的改善。1vissim仿真軟件介紹VISSIM系統(tǒng)是一個離散的、隨機(jī)的、以0.1s為時間步長的微觀交通仿真軟件。車輛的縱向運(yùn)動采用了德國Karlsruhe大學(xué)Wiedemann教授的心理-生理跟車模型;橫向運(yùn)動(車道變換)采用了基于規(guī)則(Rule-based)的算法。不同駕駛員行為的模擬分為保守型和冒險(xiǎn)型。Wiedemann的跟車模型是迄今用于計(jì)算機(jī)交通仿真的最為精確的模型之一,基于這一理論基礎(chǔ)而開發(fā)的微觀交通仿真軟件VISSIM能夠較真實(shí)地反映和重現(xiàn)實(shí)際交通狀況,具有廣泛的實(shí)用價(jià)值,并日益成為目前世界上微觀仿真系統(tǒng)中功能最完善、界面最友好、使用最靈活、版本更新最頻繁的一個商業(yè)化軟件產(chǎn)品。VISSIM軟件系統(tǒng)內(nèi)部由交通仿真器和信號狀態(tài)發(fā)生器兩大程序組成,它們之間通過接口來交換檢測器的呼叫和信號狀態(tài)。交通仿真器是一個微觀的交通流仿真模型,它包括跟車模型和車道變換模型。信號狀態(tài)發(fā)生器是一個信號控制軟件,它以仿真步長為基礎(chǔ)不斷地從交通仿真器中獲取檢測信息,決定下一仿真時刻的信號狀態(tài)并將這信息傳送給交通仿真器。VISSIM仿真軟件可以生成一系列的評價(jià)指標(biāo),這些指標(biāo)是對路段、車輛、公交、信號燈等等仿真元素在仿真運(yùn)行過程當(dāng)中的狀態(tài)變化的記錄或者某個參量的累加,這些指標(biāo)使得可以對仿真過程中各個元素的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行量的判斷。為了評價(jià)信號優(yōu)化方案的優(yōu)劣,本文對VISSIM中涉及到的行程時間、平均延誤、排隊(duì)長度、停車次數(shù)、通行能力、飽和度及服務(wù)水平等指標(biāo)進(jìn)行介紹。2評估指標(biāo)的組成2.1平均行程時間如果在路網(wǎng)中定義了行程時間檢測區(qū)段,VISSIM能夠評價(jià)平均行程時間。檢測區(qū)段由一個起點(diǎn)和一個終點(diǎn)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(diǎn)直至離開終點(diǎn)的時間間隔。2.2車輛行程時間仿真結(jié)果確定在行程時間檢測區(qū)段的基礎(chǔ)上,VISSIM能夠生成路網(wǎng)的延誤數(shù)據(jù)。一個或多個行程時間檢測區(qū)段組成一個延誤檢測區(qū)段。通過這些行程時間檢測區(qū)段的所有車輛都將被其所屬的延誤檢測區(qū)段捕獲。延誤時間是車輛在行程時間所定義的兩個斷面之間多花費(fèi)的時間。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(jià)指標(biāo)。理論行程時間是指當(dāng)行程時間檢測區(qū)段內(nèi)無其它車輛和信號控制,或無其它車輛停車時(減速區(qū)也考慮在內(nèi)),車輛所能達(dá)到的行程時間。延誤時間不包括公交站點(diǎn)的乘客上下車時間,但是,公交車進(jìn)、出站時的加減速帶來的時間損失包括在延誤時間之內(nèi)。2.3有機(jī)站段設(shè)計(jì)VISSIM的排隊(duì)計(jì)數(shù)器可以提供三類數(shù)據(jù):⑴平均排隊(duì)長度;⑵最大排隊(duì)長度;⑶排隊(duì)車輛的停車次數(shù)。這里所指的排隊(duì)是從上游路段或連接器的排隊(duì)計(jì)數(shù)器的設(shè)置位置開始計(jì)數(shù),直至排隊(duì)狀態(tài)下的最后一輛車。如果排隊(duì)計(jì)數(shù)器設(shè)置在多車道路段上,它將記錄所有車道的排隊(duì)信息,并報(bào)告最大排隊(duì)長度。只要車道上仍有車輛滿足排隊(duì)計(jì)數(shù)器定義的排隊(duì)條件,排隊(duì)計(jì)數(shù)器將始終處于開啟狀態(tài)。排隊(duì)長度的單位是m,而不是車輛數(shù)。2.4vissim仿真停車次數(shù)為車輛進(jìn)入排隊(duì)狀態(tài)之后停車的次數(shù)的總和。表征車輛的二次停車等特征,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(jià)指標(biāo)。2.5未來綠燈時間及控制律設(shè)計(jì)車道組的通行能力計(jì)算方法為:Ci=Si×geiC0(1)Ci=Si×geiC0(1)整個交叉口的通行能力計(jì)算公式為:C=n∑i=1Ci(2)C=∑i=1nCi(2)式中:Ci—車道組i或引道i的通行能力/(輛/h);Si—車道組i或引道i的飽和流率/(輛/h);gei—i相有效綠燈時間/s;C0—周期長度/s。2.6渠化設(shè)計(jì)/配時設(shè)計(jì)不適合現(xiàn)狀及規(guī)劃要求的產(chǎn)品信號相位的飽和度也就是通常所說的v/c比,是反映信號交叉口通行能力的重要參數(shù),若飽和度超過了1.0,則說明該車道組過飽和,這時的交叉口渠化設(shè)計(jì)或配時設(shè)計(jì)不適合現(xiàn)狀及規(guī)劃要求;若飽和度小于1.0,也可能會出現(xiàn)局部時間和局部空間的過飽和。車道組的飽和度計(jì)算公式如下:Xi=ViCi=qiCi=qiSλi(3)Xi=ViCi=qiCi=qiSλi(3)式中:qi—車道組i或引道i的交通流量/(輛/h);Ci—車道組i或引道i的通行能力/(輛/h);λi—i相位的綠信比。2.7服務(wù)本文使用HCM2000對服務(wù)水平的定義來評價(jià)交叉口的服務(wù)等級;平均每車延誤與服務(wù)水平的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。3工程實(shí)例3.1現(xiàn)在的交叉口3.1.1選擇研究對象以廣州市浣花路(東西向)與花地大道(南北向)交叉口為研究對象,見圖2。該路口右轉(zhuǎn)全部渠化,路口幾何形狀、車道寬度(m)、車道功能劃分情況、拓寬段長度(m)等信息如圖2所示。3.1.2分流向的機(jī)動車流量調(diào)查表2為全天高峰小時(8∶00~9∶00)的分流向的機(jī)動車流量調(diào)查數(shù)據(jù)。由表2可以看出,南進(jìn)口的重型車比例最高,達(dá)到41.6%,其中左轉(zhuǎn)流向大車率高達(dá)52.3%。3.1.3當(dāng)前的編程方案現(xiàn)有交叉口采用四相位定時信號控制,配時方案如圖2所示,周期時長為135s。各相位綠燈之間黃燈時間為3s,全紅時間為1s(下同)。3.2行人過街最短綠燈時間的確定應(yīng)用VISSIM軟件對浣花路與花地大道交叉口的幾何現(xiàn)狀及現(xiàn)有配時進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果見表3。該交叉口的最大飽和度為1.27,平均每車延誤為71.6s,交叉口的整體服務(wù)水平為E級,整個交叉口高峰小時的總停車次數(shù)為3036次,通行能力達(dá)到6593輛/h,總排隊(duì)長度為837.2m。由表3可知,路口南、北進(jìn)口的服務(wù)水平較低,其中北進(jìn)口達(dá)到最低水平F級;而且南、北進(jìn)口的飽和度、平均每車延誤、排隊(duì)長度遠(yuǎn)高于其它進(jìn)口,大大影響了整個交叉口的交通效益。尤其是北進(jìn)口直行方向的飽和度高達(dá)1.27,平均每車延誤為101.7s;而南進(jìn)口直行方向的飽和程度也接近1.0,平均每車延誤達(dá)到80.4s,左轉(zhuǎn)方向的車流飽和度和延誤也比較大。這說明信號分配給南、北進(jìn)口的有效綠燈時間不足以滿足通車需求,因此需要對路口各信號相位綠燈時間進(jìn)行重新分配以均衡各進(jìn)口車流的飽和程度,提高路口的整體服務(wù)水平。本文采用美國Trafficware公司開發(fā)的信號配時優(yōu)化軟件Synchro系統(tǒng)來優(yōu)化各相綠信比。在用Synchro系統(tǒng)進(jìn)行交叉口信號配時優(yōu)化時,除了信號周期長度要滿足大于自然周期(即最短周期)的要求之外,每個信號相位的綠燈時間還要能夠滿足行人通行的需要,即要對每個相位設(shè)置對應(yīng)的最小綠信比。具體的行人過街最短綠燈時間按下式計(jì)算:tp=7+Lpvp-Ι(4)式中:Lp—行人過街道長度/m;vp—行人過街步行速度,取1.2m/s;I—綠燈間隔時間/s。3.3和度結(jié)果與共享Synchro軟件優(yōu)化后的相位配時方案如圖3所示,周期時長為140s。應(yīng)用VISSIM軟件對配時優(yōu)化后的交叉口進(jìn)行仿真,詳細(xì)的仿真結(jié)果見表4。由表4可知,優(yōu)化后的交叉口的最大飽和度減小到1.03,平均每車延誤為60.1s,減少了16.1%。雖然交叉口的整體服務(wù)水平仍為E級,但已經(jīng)較逼近D級服務(wù)水平,各進(jìn)口的車均延誤也比較均衡;總的停車次數(shù)和排隊(duì)長度與優(yōu)化前大體相當(dāng)、略有增加;總的通行能力略有增加。容易看到優(yōu)化后西進(jìn)口左轉(zhuǎn)和直行方向、南進(jìn)口和北進(jìn)口的直行方向的車流飽和度仍然較高(在1.0附近),服務(wù)水平仍偏低,從VISSIM仿真的畫面也可以看出這三個進(jìn)口經(jīng)常會出現(xiàn)長時間堵車、排隊(duì)的現(xiàn)象。這說明僅僅從信號配時上已經(jīng)不能滿足交叉口的通行需求了,因此需要考慮采用改善交叉口幾何條件的方法進(jìn)行進(jìn)一步改善。3.4南進(jìn)口+右轉(zhuǎn)車道通過對交叉口的現(xiàn)場調(diào)查分析,采取如下的渠化措施:(1)拆除北進(jìn)口中線位置的綠化帶,將左轉(zhuǎn)與掉頭車道向靠近中線位置進(jìn)行拓寬,原先的左轉(zhuǎn)掉頭車道改為直行車道。(2)考慮到南出口還有閑置的富余空間,可以將南進(jìn)口和出口的車道線均向西平移,這樣就可以利用騰出來的空間將南進(jìn)口的直右車道改為直行和右轉(zhuǎn)車道。(3)西進(jìn)口所處的位置以及空間利用情況都不允許再拓寬,因此維持不變。改善后的交叉口幾何示意圖如圖4所示。應(yīng)用Synchro軟件對改善后的交叉口進(jìn)行信號優(yōu)化后的相位配時方案如圖5所示,周期時長為116s。采用VISSIM軟件對經(jīng)過時空優(yōu)化后的交叉口進(jìn)行仿真,詳細(xì)的仿真結(jié)果見表5。由表5可知,經(jīng)過時空優(yōu)化后的交叉口的最大飽和度減小到0.91,平均每車延誤降至47.1s,減少了34.2%,交叉口的整體服務(wù)水平達(dá)到D級(即正常無擁擠的交通狀況),所有進(jìn)口的車均延誤更加均衡,且服務(wù)水平均在D級以上,東進(jìn)口甚至提高到了C級;總的排隊(duì)長度從現(xiàn)狀的837.2m減少到671.4m,減少了19.8%;總的通行能力從現(xiàn)狀的6593輛/h增加到7634輛/h,增加了15.8%,達(dá)到了優(yōu)化的目的。4優(yōu)化產(chǎn)品配方本文應(yīng)用VISSIM微觀交