1、第 卷第期湖北工业大学学报 年 月 收稿日期 第一作者陈厚廷（），男，江苏南通人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为交通安全工程、系统优化与决策 通信作者李昊（），女，湖北黄冈人，工学博士，湖北工业大学，研究方向为交通安全工程，系统优化与决策 文章编号 （）基于 仿真的混行交叉口优化研究陈厚廷，李昊，张麦宣，郭亚红，寇乾文，张月阳（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北 武汉 ）摘要为有效解决混行交叉口的拥堵问题，提高通行效率，改善城市路网拥堵现状，以武汉市洪山区南李路文祥街混合交通流交叉口为例开展优化研究，通过现场调查的方式来采集其高峰时间段的交通流量及信号配时等数据，并利用 软件建立微观道路
2、模型，并进行仿真模拟，得出车辆延误和排队长度等指标。此外还对影响交叉口拥堵的因素进行分析，并对其进行车道功能划分和信号配时优化，最后对比仿真前后的交通状况，发现优化后的车辆延误和排队长度均有大幅减少，交通运行状况得到显著改善，从而验证了优化方案的科学性与合理性。关键词信号配时；车辆延误；排队长度 中图分类号 文献标识码目前，国内的城市道路交叉口多数呈现混合流形式。交叉口作为城市交通路网的重要组成部分，对交通的流畅运行起着关键性作用。它是路网的重要组成部分，同时也是交通冲突的多发地。过多的交通冲突造成了交通路网的阻塞，此现象导致居民 出 行 成 本 增 加，降 低 了 工 作 效 益 和 生 活
3、 质量。因此，妥善合理地处理交叉口拥堵现象，改善道路通行状况，成为当前亟需解决的问题。针对上述出现的问题，需要在时空上合理的分配交叉口资源，以缓解交通压力。截至目前，已有多位国内外专家针对此类问题做出相关研究，李汝楠等通过 软件分析交通现状，对其进行车道功能划分和信号配时优化，极大地改善了交通运行情况。常争艳等对太原市桃园路口进行分析设计，建立了信号配时优化模型。该模型的指标包括停车延误、停车次数和通行能力，采用罚函数粒子群优化算法（）对绿灯时间和信号周期进行重新规划，提高了道路潜在的通行能力。陈丹丹等通过设计 两 级 模 拟 控 制 器 优 化 四 相 位 交 叉 口，运 用 对模拟控制器进
4、行仿真，结果表明在信号控制方面，相比定时控制，模糊控制能够更好地改善交通拥堵情况。张卫华将公交优先的概念纳入信号配时设计中，通过仿真分析表明此举可以有效地缓解交叉口的拥堵情况，提高通行效率。等从理论概念出发，设计了一系列混合整数规划模型以寻求车道功能划分和信号配时优化的最优解。此次研究以武汉市洪山区南李路文祥街交叉口为例，通过对其进行车道功能划分以及信号配时优化，利用 仿真软件进行模拟测试，根据仿真前后的指标对比分析，得出最佳优化方案。交叉口现状平面交叉口现状布局武汉市洪山区南李路是一条城市次干道，且方向为南北向，该道路日常高峰时间段交通量大，其与文祥街东西方向的路段连接组成十字型交叉口，此外
5、该交叉口南进口道的车道标志由内而外分别为直行车道、直行车道、右转车道。北进口道的车道标志由内而外则依次为直左车道、直右车道。西进口道为桥面路段，宽度有限，因此仅有一条直左右合用车道。东进口道由内而外依次为直左车道、直右车道。各个进出口道均采用双黄线进行分隔。其中除了南边路段，其他三个方向的路段均有设置人行横道。在南、北、东三个方向上设有非机动车道。该处交叉口具体状况如图所示。图南李路文祥街交叉口现状路段车速测试车速测 试 可 以 反 映 出 对 应 路 段 车 速 分 布 情况，此外也能间接体现该处交叉口的车辆通行状况，通过对南李路文祥街交叉口南北方向总长为 的路段进行早高峰时间段车速测试，得
6、出在测试时段内经过该处交叉口的车辆速度分布态势，具体的车辆速度频率分布情况如图所示。图车辆速度频率分布由图可以看出，该路段的车速总体呈现正态分布，且均低于道路限速值 ，车速频率峰值出现在 ，且主要集中在 左右，这表明该路段处于较拥堵状态，而且根据现场观察可知，该路段上车辆频繁出现走走停停的现象，通行状况出现显著拥堵，因此需对路段进行优化设计。现状信号配时南李路文祥街交叉口的信号配时是两相位控制方式，该处相位周期为 ，第一相位为南北进口直行车辆及左转车辆通行，绿灯时间为。第二相位为东西进口直行车辆及左转车辆通行，绿灯时间为。相位之间间隔的黄灯时间为。现状相位配时如图所示。图交叉口现状相位配时交叉
7、口流量数据此次在南李路文祥街交叉口展开的交通流量统计由四名调查员组成，调查员均匀分布在四个进口道，对通过的车辆流向进行观察并记录实时转向数据。本次现场调查时间为早上：，由于该时间段为早高峰时期，道路车流量较大，因此所测得的数据更具有代表性。考虑到高峰期的车流量难免受到外在因素的影响，存在着许多偶然性，所以此次交通量统计分几天进行，最后将多次统计的结果取平均值。作为早高峰时段小时交通量，以保证数据的准确性。与此同时，统计出通过该交叉口的各种车型占比，小汽车占据，货车占据，公交车占据。南李路文祥街交叉口现状交通流量如表所示。表现状交通流量进口道车道流量（）通行能力（）流量比南进口直左 直行 右转
8、北进口直左 直右 东进口直左 直右 西进口直左右 根据表的交通流量等数据可以看出，南李路文祥街交叉口各个方向路段的通行能力充足，在满足现有车辆通行的前提下，仍有很大冗余，然而，由于不合理的规划，导致交通资源浪费，其中北进口和西进口的流量不及通行能力的一半，因此有待进一步优化。现状仿真通过 仿真软件对南李路文祥街交叉口交通情况进行仿真分析。首先，将先前调查的交通流量和信号配时等数据输入软件，然后设置交通控制 模 块 和交 通 流 量 模块。设置仿真时间为 ，每 输出一次结果，采用节点检测的方法，得出交叉口各个进口道的车辆延误和排队长度。仿真流程如图所示，仿真现状如图所示，仿真现状数据如表所示。图
9、 仿真流程图 仿真现状湖北工业大学学报 年第期表 仿真现状数据路口转向南进口左 直 右北进口左 直 右东进口左 直 右西进口左 直 右排队长度 车辆延误 从图、表可以看出南李路文祥街交叉口南北方向的交通状况比较拥堵，该方向路段在中国道路服务水平中处于三级道路水平，经过具体分析，可知有如下原因，第一，南进口存在左转和掉头车辆，但是却未设置相应的车道标志。导致车辆混行现象严重。第二，信号配时设计的不科学，致使交叉口未能在相位周期内清空车辆，当第一相位南北车辆同时放行时，南北进口的左转车辆会因避让对向行驶的直行车辆而未能及时转弯，导致后续车辆拥堵在交叉口，造成堵塞。第三，根据调查可知，该处交叉口并不
10、是主要交通集散地，行人稀少，设计者却在此设置了人行横道，但又未设置相应的行人相位，致使行人过街安全性没有保障，容易造成堵塞。本文以南李路文祥街交叉口南北方向为主要研究对象进行优化。交叉口优化车道功能划分原南进口道的车道数保持不变，将该处的车道标志依次更改，由内而外分别为直左车道、直行车道、右转车道。与此同时，对道路宽度进行压缩。新增一条南出口道。原北进口新增一条进口车道，将该处的车道标志依次更改，由内而外分别为左转车道、直行车道、直右车道。将其车道宽度依次进行适当压缩。将原南北方向的双黄线改为隔离栏。东西进口道路旁设置行人让行标志。取消北进口人行横道，行人可选择去上游的南李路武梁路交叉口或下游
11、的南李路 研究所处过街。其他方向的道路保持现状，原南李路南进口方向设置禁止掉头标志，掉头车辆可选择去上游南李路武梁路交叉口掉头。交叉口优化设计如图所示，横断面设计如图所示。图南李路文祥街交叉口优化信号配时优化信号灯的配时优化采用阿氏最佳周期长进行计图南李路文祥街横断面设计算，该计算方法是在传统的 方案配时的基础上进行优化，使用平均停车次数和延误时间作为评价配时的综合指标。综合指标可以表示为：式中，的含义表示为停车补偿系数。根据以往的研究可以发现，取不同的值有不同的实际意义，的取值为.时，可以使得汽车油耗最小；的取值为.时，可以使得交叉口路段的运营开支最少；的取值为.时，可以使得交叉口路段的排队
12、车辆最少，此次优化设计目的是为了减少排队长度，所以值取，经过求导演算之后，优化后的最佳信号周期公式为：。.（）（）首先，运用阿氏最佳信号周期长确定南李路文祥街交叉口优化周期，然后对各个相位的配时进行设计，将黄灯时间设置为，最后，在周期时长内，将可用的有效绿灯时间在不同的相位之间进行合理分配，以此来实现相位和相序的优化。南李路文祥街交叉口的配时方案如表所示。周期内的总有效绿灯时间：。式中：为周期总损失时间，；。为信号控制最佳周期长，。周期内各相位有效绿灯时间 （，）式中：为第相位有效绿灯时间，；为总有效绿灯时间，；为组成周期的全部相位最大流量比之和。周期内各相位实际显示绿灯时间 式中：为第相位实
13、际显示绿灯时间，；为第相位启动损失时间，；为黄灯时间，。表交叉口优化信号配时方案第一相位第二相位第三相位绿灯时间 黄灯时间 合计时间 第 卷第期陈厚廷，等基于 仿真的混行交叉口优化研究南李路文祥街路口优化后为三相位方案，周期为 。第一相位为南进口直行、左转车辆及北进口直行车辆通行，绿灯时间为。第二相位为北进口左转车辆通行，绿灯时间为。第三相位为东西进口直行及左转车辆通行，绿灯时间为，优化相位如图所示。图交叉口优化相位配时 优化仿真通过对南李路文祥街交叉口进行优化设计之后，使用 软件对其进行仿真模拟，重新调整交通控制模块和交通流量模块，继续采用节点模拟进行仿真，得到优化过后的车辆延误和排队长度，
14、优化后的仿真图如图所示。南李路文祥街交叉口优化后仿真数据如表所示，交叉口优化前后的对比数据如图、图 所示。图 仿真优化图表 仿真优化数据路口转向南进口左 直 右北进口左 直 右东进口左 直 右西进口左 直 右排队长度 车辆延误 图 优化前后排队长度对比图 优化前后车辆延误对比优化方案分析通过对南李路文祥街交叉口优化前后的仿真数据进行对比，可以观察到该交叉口经过优化后，原先交通最拥堵的南北方向各个进口道的排队长度和车辆延误均有明显的减少。北进口左转方向的排队长度从 降至，改善度为，直行方向的排队长度从 降至，改善度为。南进口左转方向的排队长度从 降至，改善度为，直行方向的排队长度从 降至，改善度
15、为。南北进口左转、直行方向的车辆延误同样也得到了减少。与此同时，东进口左转、直行、右转方向的车辆延误分别增加了、，不过由于这几个车道交通状况良好，所以总体影响甚微，优化过后，南李路文祥街交叉口整体的道路服务水平也由三级提升为二级，该处的交通情况也得到了明显改善。结论针对武汉市洪山区南李路文祥街交叉口高峰时间段出现的交通拥堵现象，本研究通过现场调查结合 仿真的方式，分析了该交叉口现存的问题，随后，对该交叉口进行车道功能划分和信号配时优化，将其优化前后的排队长度和车辆延误进行对比、分析。结果表明，关键车道上的两项指标的数值均有明显的减小，证实了此交叉口的设计优化是可行的，能够缓解此处的交通拥堵，有
16、助于提高车辆通行效率和道路交通服务水平。参考文献周诚城市中心区道路交叉口优化改造交通世界，（）：李汝楠，晋民杰 基于 仿真信号交叉口优化研究 太原科技大学学报，（）：刘肇湛，黎建辉，谢尚东，等基于 干道协调交通信号配时优化设计 以市南大道为例 科学技术创新，（）：甘杨杰混合交通流环境下交叉口多目标配时优化研究 北京：北京交通大学，周国志面向信号交叉口的微观交通仿真系统开发北京：北京交通大学，徐琛辉，马明辉，王栋 城市道路混合交通流道路交叉口信号配时优化方法农业装备与车辆工程，（）：常争艳，贾志绚，武美先信号配时与交通设计协同优化太原科技大学学报，（）：陈丹丹，贾娟 城市交叉口的智能控制策略 物流科湖北工业大学学报 年第期技，（）：张卫华，石琴，刘强公交优先信号交叉口延误计算与配时优化方法华中科技大学学报（城市科学版），（）：，（）：陈铭，王雪松城市主干路车速影响因素研究交通与运输（学术版），（）：魏子凯，梁梦凯基于 仿真的交叉口信号配时优化分析 西部交通科技，（）：韩义磊，韩印，胡荣 基于 仿真的交叉口交通组织优化设计 物流科技，（）：屈文秋，张淳，张昊，等 基于 的交叉口配时优化研究
