基于VISSIM仿真的交叉口优化设计文献综述
- 研究背景
交叉口是两条以上不同方向的道路的相交处，是整个城市路网中必不可少的组成部分，也是城市交通的咽喉所在。机动车、非机动车、行人在交叉口汇集、转向以及疏散，各种交通流混合交通，相互之间冲突，极易造成交叉口通行能力的降低。这种情形，一方面造成车辆尤其公交车行驶速度缓慢，道路堵塞，交通事故频繁，废气、噪声等环境污染严重；另一方面，一旦某一个交叉口发生交通拥堵，将不仅影响交叉口各个方向的路段，还会影响到与交叉口相邻的几个路段甚至整个区域车辆的有效运行。并且由于信号交叉口交通组织存在各种问题，包括渠化交通不合理、交通信号灯配时不科学，路权不够明确，导致车辆在交叉口区域内争夺路权，不能在一个有效绿灯时间内完成过街，致使交叉口发生拥堵及交通秩序混乱，甚至增大交通事故发生的可能性。当某个交叉口发生交通拥挤时，不仅会波及临近路段和交叉口，而且会影响整个路网系统交通的顺畅运行，还会使该路段的噪声、空气污染、能源消耗等问题更加严重，这是影响城市环保的一个重要因素。大量事实证明：对城市进行合理的交通组织，对于解决城市拥堵、混乱等交通问题起到关键性作用；同理，解决城市交叉口交通问题的重点在于怎样对其进行合理的交通组织点在于怎样对其进行合理的交通组织。因此，对平面交叉口进行合理渠化，并对信号灯进行科学配时，使各种混合交通流在时间、空间上有条不紊，各行其道，互不干扰，是确保城市交通畅通无阻的必要举措。 因此，结合我国城市混合交通现状，选择合适的仿真软件，模拟复杂的交通现象，是解决道路交通问题的一个重要手段。本文以实例城市信号交叉口存在的具体交通问题为出发点，分析其混合交通流冲突的分布，拟以交通组织的两个方法（渠化交通及信号控制）为切入点，对该信号交叉口进行优化，以减少或消除冲突点。然后采用合适的仿真软件对该信号交叉口的现有交通组织方案和各种优化方案进行仿真建模与分析并对延误、排队长度等指标做出评价，这对于改善城市交通拥堵、秩序混乱的现状、提高道路通行能力、减少交通事故的发生都具有重要研究意义。
- 国外研究概况
国外的渠化设计研究较为成熟，一般都形成了规范或手册。如美国的MUTCD手册，介绍了各种渠化措施以及设施的尺寸、颜色和使用时需注意的问题。日本的《平面交叉路口的规划与设计》中对交叉口的渠化作了很多论述，认为渠化对解决交通拥堵非常有效。其中渠化的定义是:“为了减轻、改善 平面交叉路口处交通流的交错数量及性质，在正常交通流不利用的位置设置适当的lsquo;岛rsquo;，规定车辆的行驶位置，诱导车辆按正常方向行驶，为行人提供避车场所，以整顿交通流为目的，这就叫平面交叉路口的渠化”。渠化的主要目的是规范车辆的行驶，减少车流的冲突，保护行人和非机动车。国外所用的渠化手段一般有交通岛、导流设施、路障等。各种不同形式的交通岛如中间岛、安全岛可以有效地分隔车流、保护行人。导流设施可以使行驶车辆明确行驶路线，提高安全水平。
国外在交叉口信号控制方面的研究开始较早，1868年英国伦敦燃气信号灯的问世，标志着城市路口信号控制的开始。之后，人们对城市路口信号控 制的研究经历了从固定周期到可变周期、从定时到实时、从点控到线控再到面 控的发展阶段。对于交叉口信号设计，世界各国都展开了相当多的研究，其中比较典型的是英国交通与道路研究所(TRRL)于1966年开始研发的交通网络研究系统(Traffic Network Study Tool，TRANSYT)，澳大利亚从上个世纪70年 代开始研发的悉尼协调自适应交通控制系统(Sydney Coordinated Adaptive 'IracSystem ，SCATS)和英国交通与道路研究所(TRRL)于1973年开始研 发的绿信比、信号周期及相位差优化技术(Split．Cycle．Offset Optimization Technique，SCOOT)。
交通仿真方面，在国外，20世纪60年代，宏观交通仿真模型开始出现，但由于该模型在使用范围和描述能力方面的局限性，导致仿真结果不理想。1967年，美国计算机仿真学会的成立，成为推动仿真技术在美国得以兴起和应用的主要动力。随后几年，随着电子计算机技术的快速发展，计算机的精度、准确度都有很大程度的提高，因此微观交通仿真模型开始出现，并被广泛应用于交通流运行分析、渠化设计以及各种信号控制方案的优化等方面。1976 年，英国利兹大学交通研究院研究编写了交通模拟软件 SATURN(Simulation and Assignment of Traffic to Urban Road Networks)，用来控制平面交叉口的交通信号，尤其适用于对中小区域的交通进行模拟。二十世纪八十年代以后，由于交通智能系统 ITS 的快速发展，国外纷纷开始研究与 ITS 相关的交通仿真软件，至此，大量用于分析和评价ITS 的仿真软件迅速出现。目前，国外的一些主流交通仿真软件包括美国联邦公路局开发的包括城市交通仿真模型 NETSIM(Network simulation)和高速公路交通仿真模型FRESIM(Freeway Simulation)在内的微观仿真模型 CORSIM(Corridor Simulation)、英国Quadstone 公司开发的用于大规模路网仿真的 PARAMICS、德国 PTV(Planungsbuero Transport und Verkehr, Karlsruhe) 公司开发的用于城市交通控制系统和公共交通的VISSIM、西班牙TSS公司开发的用于研究车辆导航系统的 AIMSUN 以及德国 DLR 宇航中心开发的用于实现和评估研究者算法的 SUMO 等。
- 国内研究概况
对于渠化的手段，我国学者也做了不少的研究，其中最为有效的是高出路 面的各种交通岛，如分流岛、中心岛、方向岛和安全岛等，许多岛可以一岛多用。在交叉口还必须有一定的标志标线来引导车辆行驶，一般交叉口常用的标志标线，1986年，曾静康对深圳的平交路口进行了综合控制实验，在考察行人、 机动车、自行车相互之间冲突的基础上，以每一交通流通过路口可能遇到的“冲 突点串”为单位，提出了“综合模式”的控制方法，其关键是寻求渠化、相位 和灯色三者的协调。1991年陈洪仁在道路交叉设计中提出了交叉口渠化的措施。2001年，邹联赐和薛博在深圳市交通整治工程的基础上，总结了交叉口 渠化的方法。2001年，上海市出版了工程建设规范《城市道路平面交叉口规 划与设计规程》，对平面交叉口的规划与设计作了规定，规定平面交叉口应采 用交通岛、路面标线及交通流向标志作渠化设计。
我国在交通信号控制系统开发与应用方面起步较晚，1973年开始进行单点信号机的研制，1985年在北京“前三门大街”实现城市交通线控系统控制。作为“七五”国家重大攻关项目，南京市在同济大学的协助下开发了一套国产智能交通信号控制系统，但由于种种原因，一些重要功能如实时自适应配时等没有使用。天津大学1989-1991年研究开发的城市交通控制系统TICS(Trafile Intelligent Control System)首次成功地把自学习智能原理应用于交通信号控制系统中，其产生也是受到人工智能和知识工程在其它领域成功应用的启发。
我国在交通仿真方面的研究大致始于上世纪 80 年代末，但长时间内都致力于研究局部或特定问题。在学习和借鉴国外的成果之后，我国交通工作者进行了一些系统化的研究。北京工业大学用 BASIC 语言编写了仿真程序，通过该程序可以对车头运动方程及跟车模型的方程进行求解，可以直观、开放的了解直行车辆经过信号交叉口时的运行情况。交通仿真模型 SIMSO 介绍了平面信号交叉口的优化设计方法，在此基础上提供了适合我国实际交通状况的设计工具。科进英华智能交通技术有限公司的微观仿真系统FLOWSIM 是以中国混合交通流模型为前提而开发出来的仿真系统，该系统适用于各类路网的仿真，能准确的对交通预案进行分析研究，还可以直观逼真地再现道路上混合交通流的运动过程。与此同时，同济大学、东南大学、华中科技大学、吉林大学等高校和相关单位也开始了对交通仿真方面的研究，并取得了一定成果相关单位也开始了对交通仿真方面的研究，并取得了一定成果。
- 国内外研究现状总结
目前，交通仿真软件主要是应用在交通工程的理论研究方面，国内外的专家对交通仿真软件的研究应用主要是针对交通流理论方面，计算机技术可以重复地和延续地模拟交通运行的状况，借助计算机技术的发展，以它作为一种工具来研究交通流理论是目前的研究方向，在国内和国外利用仿真模型对通行能力进行研究的成功实例有以下这些：美国交通运输研究委员会(TRB)研发出来的可以与美国《道路通行能力于册》配套使用的美国HCS软件系统，这个系统软件在以下方面具有很大的作用：美国道路运输与交通工程设计，美国道路运输与交通工程规划，同一时期国内东南大学研究所领先开展了对道路路段以及交叉口通行能力的研究。传统的交叉口优化方法常从时间和空间两个角度对交叉口进行优化, 随着城市交叉口能力的日益紧张, 这种传统信号优化方法取得的效果已日趋微弱。因此必须寻找新的优化方法来提高交叉口的性能, 通过信号优化, 然后在通过VISSIM仿真的基础上, 提出空间优化, 最后对空间优化后的交叉口重新进行信号优化, 并通过VISSIM仿真,发现其效果良好, 对交叉口的性能有了很大的改善。
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