基于VISSIM的交叉口可變導向車道控制系統仿真與評價

許佳佳,許倩倩，潘立瓊

(1.安徽三聯學院 交通工程學院,安徽 合肥 230601;2.安徽三聯學院 計算機工程學院,安徽 合肥 230601)

0 引言

交叉口作為城市道路網的節點,其通行效率的提升對路網運行通暢有著重要意義,但由于其不同流向的交通流具有時間與空間不均衡性,在固定交叉口渠化方案下,交叉口的通行能力得到了較大的限制,因此可考慮利用設置可變車道的方式,對車道功能進行優化協調,充分利用交叉口內的空間資源,從而提升交叉口的通行能力。相關學者對可變車道也做了諸多研究,曲昭偉通過運用概率統計方法與交通沖突技術,分析了逆向可變車道交叉口的左轉車流的釋放特性以及其對逆向可變車道車流的干擾程度[1]。徐書東提出,在交叉口進口道設置一種能通過信號燈控制的逆向可變車道,解決交叉口因不均衡交通流所導致的交通擁堵問題[2]。張玥玥基于交通流量的特性設計了可變車道與信號燈聯合控制系統,通過系統編程實現對車道變更以及信號配時的變化進行實時監控[3]。張薇通過優化視頻采集技術,并結合交通流的特性及交叉口渠化參數等,提出了一種潮汐車道自主控制系統[4]。劉怡通過對設置逆向可變車道的交叉口交通流情況的分析,建立了交通流分階段消散流率模型,并在此基礎上結合相序優化,建立了可變車道預信號配時參數模型[5]。祝飛通過分析道路交通擁堵原因,在現有的道路形式基礎上提出一種應用中間帶與路肩進行優化設計可變車道的方法[6]。蔡建榮從無人駕駛車輛的角度,對其在用戶最優或系統最優兩個目標下進行系統優化,建立了針對無人駕駛車輛的可變車道模型[7]。徐洪峰通過分析重載交通的特點,并設置可變車道的方法,提出了基于交通事件的拉鏈車且適用于信號控制交叉口的動態車道管理方法[8]。魏家蓉基于油耗與排放費用最低建立目標函數,將可變車道的數量作為決策變量,同時考慮延誤數值的大小,建立了可變車道數量決策模型[9]。上述研究中,主要是從交叉口延誤、無人駕駛或環境效益等不同角度進行可變車道的設置方法的研究,對于信號控制交叉口進口道可變導向車道的交通運行仿真方面的研究較少。

本文針對城市道路信號控制交叉口各進口道流向交通流量的不均衡性進行分析,以及結合交叉車道條件,設計了交叉口可變導向車道的控制系統,并運用VISSIM軟件對交叉口進行建模,對可變導向車道處于不同狀態時的交叉口交通運行情況進行仿真,通過軟件統計所得的進口道總體車均延誤指標前后對比變化情況,確定在不同的進口道左轉與直行交通流量比例情況下可變導向車道所應對應的最佳狀態,為交通管理者進行交叉口可變導向車道的狀態變換提供決策依據。

1 交叉口可變導向車道控制系統設計

針對交叉口每一個進口道,分析其左轉與直行車流量的變化規律,當該進口道車道數在3條以上,而且一天內左轉和直行流量分布具有明顯的潮汐特性時,將該進口道的一條中間車道渠化為可變導向車道。通過對交叉口進口道直行與左轉不同方向的交通流量分布狀況,比較左轉與直行方向及整個路口車道轉變前后的運行效率指標,作為下一相鄰時刻的車道變換的決策依據,向交叉口可變導向車道控制系統輸入命令,根據控制系統的控制流程對可變導向車道實施變道策略,進行進口道導向車道的智能變換控制,并將控制器的執行命令傳遞給可變車道指示牌,實現交叉口進口道直行與左轉方向的導向車道的最佳組合渠化設置。

交叉口進口道可變導向車道的具體設計形式如圖1所示。在可變導向車道,即車道2上設置2條停車線,停車線1為交叉口停車線,停車線2設置在渠化區開始處,并對應有動態LED車道方向信號燈,為左轉與直行組合形式的燈。當車道轉向功能發生變換時,對應的動態LED車道方向信號燈兩種方向均顯示全紅狀態禁止通行,待原通行權下的2條停車線之間的車輛清空后,動態LED車道方向信號燈顯示變換后的車道方向,并允許后續車輛駛入。

圖1 交叉口進口道可變導向車道設置形式Fig.1 Variable guide lane setting form of intersection inlet

2 基于VISSIM的導向車道變換仿真與評價

2.1 VISSIM仿真系統基本原理與步驟

VISSIM由德國PTV公司開發,是一款進行微觀交通與建模仿真的軟件工具,通過在軟件中對實際交通流系統中的車道設置形式、車型比例構成、信號配時方案等路段與交叉口的各種交通條件進行建模設定,實現對交通系統的運行情況進行仿真分析,從而評價交通組織與設計方案的合理性以及提出相應的優化措施。

VISSIM軟件中的交通流是隨機與離散的形式進行定義,車輛進行橫向的車道變換運動采用了基本規則Rule-based的算法,并且劃分保守型和冒險型駕駛員行為;車輛的縱向運動模型采用的是Wiedemann教授1974年發明的“心理-生理跟馳模型”,即當后車駕駛員心理上認為與前車之間的距離小于安全距離時開始減速,直到之間的距離增大到心理安全距離后開始緩慢加速,如此周而復始,形成一個加速、減速的迭代過程,基于這一理論進行的交通仿真能較真實地重現實際交通狀況。其基本步驟如下:

1)確定研究對象,調查其車道功能劃分與尺寸、各車道的交通流量流速、各相位的信號時長、公交站點的布置等基本數據與參數;

2)通過其他繪圖軟件繪制研究對象的bmp格式平面形式圖或效果圖;

3)將上一步中所繪制的底圖作為背景導入VISSIM軟件中,根據研究對象的尺寸設置底圖的比例,并在底圖上對應位置繪制路網;

4)設置車型比例的構成以及車輛運行規則參數,輸入道路的流量數據,劃分路徑,設計信號控制機,布置信號燈;

5)在路網上設置相應的檢測器,選擇需統計的相關交通運行評價指標,設置仿真的時間與步長,進行動畫仿真;

6)根據統計所得到的交通運行評價指標,分析現狀交通問題,優化交通組織與設計方案,重復以上步驟對優化方案仿真評價,直至達到優化效果。

2.2 可變導向車道不同狀態下的VSSIM仿真評價方法

本文選取交叉口作為研究對象,通過VISSIM仿真就交叉口導向車道的現狀設置合理性進行評價,并在交叉口各流向流量分布情況的分析基礎上,通過可變導向車道控制系統進行可變車道的導向轉變,優化交叉口的車道功能劃分,再運用VISSIM仿真對優化后的方案進行對比評價,說明優化后所提升的交叉口通行能力以及減小的交叉口每車平均延誤效果?；赩ISSIM的導向車道變換仿真與評價,具體仿真過程如圖2所示。

圖2 交叉口進口道可變導向車道變換控制運行仿真流程Fig.2 Simulation process of variable guide lane change control operation at intersection entrance

2.2.1基礎數據收集

進行VISSIM仿真運行評價,需要收集相關的仿真數據,作為系統參數輸入仿真系統,從而才能進行仿真的運行,對于交叉口相關的仿真,收集的相關數據主要有:一是交叉口的平面形式,主要包括交叉口各個進口道的不同方向導向的車道數、車道寬度和縱坡度等;二是交叉口信號配時的情況,主要包括相位個數、各相位的時間分配以及全紅時間等;三是交叉口現狀流量的情況,主要是交叉口各個進口道不同流向的高峰小時交通當量。

2.2.2建立可變導向車道變換前狀態所對應的交叉口模型

根據所采集到的交叉口相關數據,在VISSIM軟件中建立可變導向車道變換前狀態所對應的交叉口結構模型,結合實際情況與數據值輸入仿真系統相關的參數值,并設定與實際相符的運行規則,主要包括流量與信號配時,并且設置好仿真過程中需要對模擬運行情況的相關運行評價指標進行數據統計的功能,然后進行調試與運行仿真,并輸出所統計的數據,主要包括交叉口各進口道的車均延誤、排隊長度,在此基礎上可以推算出交叉口的服務水平,從而對交叉口的運行情況進行量化評價。

2.2.3建立可變導向車道變換后狀態所對應的交叉口模型

對可變導向車道變換前狀態所對應的交叉口各進口道交通運行情況進行分析,基于各進口道不同方向導向車道的占有率,結合可變導向車道智能控制策略,優化交叉口各進口道不同流向導向車道的組合設置方案,在VISSIM軟件中建立可變導向車道變換后狀態所對應的交叉口模型,同理于上一步過程,得到此狀態下交叉口的車均延誤、排隊長度,并推算出其服務水平。

2.2.4可變導向車道不同狀態下交叉口運行效益對比與影響分析

通過兩次可變導向車道不同狀態下交叉口模型仿真計算,得到變換前后的參數值,并進行對比,可直觀地看出可變導向車道的變換對交叉口運行情況所產生的影響,從而正確作出可變導向車道變換決策,體現可變導向車道智能控制系統的優越性。

3 實例應用

本文選取合肥市典型擁堵節點——金寨路與繁華大道交叉口作為研究對象,進行可變導向車道控制系統的設計,并運用VISSIM軟件對交叉口可變導向車道不同狀態下的交通運行情況仿真評價。

3.1 交叉口交通流量流向分析與可變車道設置

調查某工作日15點至17點的金寨路與繁華大道交叉口各進口道左轉與直行方向的交通流量,因繁華大道所對應的東、西進口的車流總量較小,因此選取車流量較大的金寨路所對應的的北進口與南進口進行分析。

將金寨路所對應的北進口與南進口左轉與直行流量占進口道總流量的比例差值進行計算、繪圖、分析如圖3所示,南進口左轉與直行車道的比例差距范圍在-7%～61%之間,區間長度為68%;南進口左轉與直行車道的比例差距范圍在39%～85%之間,區間長度為46%?？梢?南進口左轉與直行流量的變化幅度顯著大于北進口,即其交通流量流向的不均衡性更為突出,因此選取北進口進行可變車道設計,選取現狀北進口距中央分隔帶的第二條左轉車道作為可變車道,并且分別選取北進口左轉與直行流量比例差距范圍兩端極限情況的15:40～15:45時刻與16:45～16:50時刻的交通流量作為輸入參數,運用VISSIM軟件進行仿真對比,分析不同時刻可變車道不同狀態下的交叉口運行效益,從而確定可變車道的最佳狀態。

3.2 可變導向車道不同狀態下的交叉口仿真

3.2.1交叉口渠化與配時參數

金寨路與繁華大道交叉口東西方向為繁華大道雙向10車道,南北方向為金寨路雙向12車道,南北進口的導向渠化區域均有展寬增加一條車道,即雙向14車道,其中北進口現狀情況是直行車道3條,左轉車道2條,直右車道1條,右轉車道1條,如圖4中(a)圖所示,可變導向車道為距中央分隔帶的第二條左轉車道,若對其進行控制轉換,由左轉狀態變為直行狀態,則如圖4中(b)所示形式。

金寨路與繁華大道交叉口的信號控制形式為固定信號控制,周期時長149 s,共有5個相位,具體的配時參數如表1所示。

3.2.2可變車道不同狀態下的交叉口交通運行仿真

3.2.2.1 現狀可變車道為左轉狀態的交叉口模型

首先根據交叉口現狀的平面形式在VISSIM中繪制路段與連接器,分別輸入15:40～15:45時刻與16:45～16:50時刻的交通流量數據,并根據各流向流量比例設置各個進口道的車輛行駛路徑,然后根據交叉口的信號配時數據建立信號控制機,并在進口道停車線處設置信號燈,最后在路段上設置行程時間檢測器,選擇延誤評價文件,設置好仿真參數,即進行動畫運行仿真如圖5所示,導出vlz后綴格式的評價文件數據,可變車道為直行狀態時北進口車道的左轉與直行方向的車均延誤、車均停車時間、車均停車次數等運行評價指標。

3.2.2.2 可變車道為直行狀態下的交叉口模型

將現狀的交叉口模型進行復制,在其路網結構中將北進口距中央分隔帶的第2條左轉車道進行修改轉變為直行車道,路段的交通流量依然為15:40～15:45時刻與16:45～16:50時刻的交通流量數據,即輸入的總流量無需修改,但需對路網修改過程中打斷的左轉路徑以及新增的直行車道的路徑進行重新設置,以及由于可變車道導向的轉變對其停車線上的停車燈進行修改,檢查路段上的行程時間檢測器設置情況,并再次進行延誤評價文件的選擇與仿真參數設置,然后進行動畫運行仿真如圖6所示,同理導出vlz后綴格式的評價文件數據,得到同一時刻同樣流量輸入情況下,可變車道為直行狀態時北進口車道的左轉與直行方向的車均延誤、車均停車時間、車均停車次數等運行評價指標。

3.3 數據分析

通過VISSIM軟件的仿真分析,分別得到15:40～15:45時刻與16:45～16:50時刻北進口左轉、直行方向的車均延誤、車均停車時間、車均停車次數以及北進口總體車均延誤數據如表2所示。

表2 金寨路與繁華大道交叉口北進口左轉與直行方向運行評價指標Table 2 Left and straight direction evaluation index of the north entrance in Jinzhai Road and Fanhua Avenue intersection

從上表中數據可以看出,針對15:40～15:45時刻所對應的交叉口北進口交通流量左轉比例偏高的流向組成情況,仿真結果顯示可變導向車道為左轉狀態時,北進口直行、左轉以及總體車均延誤較可變導向車道為直行狀態時均下降50%以上,因此在此時刻的可變導向車道的狀態決策應為左轉,從而減小進口的車均延誤;而16:45～16:50時刻交叉口北進口左轉流量比例相對直行較小的情況下,仿真結果顯示可變導向車道為左轉狀態時,北進口直行、左轉以及總體車均延誤較可變導向車道為直行狀態時均有所上升,所以此時刻的可變導向車道的狀態決策應為直行。

4 結論

本文針對交叉口不同流向的交通流量的時間與空間不均衡性,交叉口進口道導向車道的劃分與交通通行狀況匹配度不高,交叉口的資源利用率提高程度有限,通過選取交叉口的導向車道進行可變設置,對可變車道處于不同狀態的交通運行狀況進行VISSIM仿真,基于所統計的車均延誤、車均停車時間、車均停車次數等指標,直觀地對可變車道設置方案所產生的效果進行評價,實現能夠基于后續時刻各流向的流量預測進行可變車道的預先決策,從而提升實現動態的交叉口車道功能劃分與變換,提升交叉口的通行效率。