基于微观仿真的五路交叉口精细化管理研究

A Study of Five-Way Intersection Precision Management Based on Micro Simulation

摘要: 在城市建设过程中，往往面临少数畸形交叉口难以处理的问题，而在历史变迁的过程中，这些交叉口又是作为城市交通网络的关键节点，其交通量大、交通组成复杂，这些交叉口的通行效率下降，将直接对路网的整体通行能力和区域的交通安全产生不良影响，这实则是城市路口精细化管理持续推进、交通量迅猛增长的必然结果。文章通过对桂林市临桂区的某五路交叉口的交通参数进行实地调查和分析，再基于VISSIM仿真技术对五路交叉口进行仿真模拟，找出造成拥堵问题的原因，对现存问题进行剖析，针对五路交叉口存在的问题进行渠化设计方案，利用韦伯斯特配时法对信号配时进行优化，最后采用VISSIM仿真技术对该五路交叉口优化前后进行仿真对比分析，各进口道的排队长度和车辆延误、停车延误和停车次数均得到改善。结果表明，交叉口的精细化管理能够有效降低排队长度和车辆延误，提升五路交叉口的通行能力。

Abstract: In the process of urban construction, often faced with a few deformed intersections difficult to deal with the problem, and in the process of historical changes, these intersections are key nodes of the urban transport network, its traffic volume is large and traffic composition is complex, the decline in the efficiency of these intersections will directly have an adverse impact on the road network’s overall accessibility and regional traffic safety, which in fact is the inevitable result of the continuous fine management of urban intersections and the rapid growth of traffic volume. The article, through the Guilin Lingui District of a five-way intersection traffic parameter for field investigation and analysis and then based on the VISSIM simulation technology of the five-way intersection simulation, finds out the causes of congestion, analyzes the existing problem, carries out the canalization design scheme for the problems of the five-way intersection, and uses Webster timing method for signal timing optimization. Finally, VISSIM simulation technology is used to compare and analyze the simulation before and after the optimization of the five-way intersection, and the queue length and delay time, stopping delay and number of stops of each inlet channel are improved. The results show that the fine management of intersections can effectively reduce the queue length and delay time and improve the capacity of the five-way intersection.

1. 引言

近年来，机动车保有量不断攀高，对交通系统的良性运行造成了极大压力与挑战，使得城市面临着交通安全隐患和交通拥堵等问题。由于路网规划的滞后，许多的多岔路交叉口存在较大的安全隐患，严重制约城市的发展。

卞广萌等[1]对五路交叉口的优化设计进行研究，针对交叉口交通冲突多、多路内部空间交叉明显的特点，应重点在“疏”而不在“堵”，通过科学、合理制定车辆的路线组合，并优化、整合利用既有路线交叉口资源，以保持一定的设计余量。许多的研究表明，多岔路口道路的交通流量特征比常规道路交叉口的交通流量特征更为复杂，其组织优化面临更大的挑战。此外，在多岔路口的分配车道、设置路标和车辆交通规则等因素也会影响交通流量的运行效率[2]。

因此，本文选取桂林市临桂区一个交通问题较为突出的五路交叉口作为对象，进行交叉口精细化管理研究。

2. 交叉口概况

2.1. 地理状况

桂林市临桂区五路交叉口是由金山路、金水路、榕山路、世纪大道以及人民路相交构成的五岔路交叉口，位于临桂区老城区的中心，周边分布着步行街、休闲广场等功能区，银行、商铺、医院、汽车站、市场、高校分布密集，用地功能复杂多变，人口密集，交通繁忙。五路交叉口现状图见图1。

Figure 1. Picture of the five-way intersection current situation

图1. 五路交叉口现状图

2.2. 交通概况

在该五路交叉口周边，居民区占地面积较大，在早、晚高峰时期有着大量的通勤车流。世纪大道–金山路为主干道，世纪大道、金山路、金水路和榕山路都是重要的交通路线，它们连接了老城区、市政府、机场和多个高校居民区。人民路则通往万福路，连接两江、四塘、会仙等乡镇。随着周边道路的日益完善，这些路线的重要性愈发凸显，为市民的出行提供了便捷和高效的路线选择。通过实地调查，五路交叉口的车流量较大、交通车辆混杂，影响交叉口的出行效率。五路交叉口的车道分布情况见表1。

Table 1. Number of lanes per inlet at intersection

表1. 交叉口各进口车道数

进口道	机动车			非机动车
	左转	直行	右转	直行	左转
金水路(北进口)	1	2	2	1	1
人民路(南进口)	2	2	1	1	1
世纪大道(西进口)	2	2	1	1	1
金山路(东进口)	1	3	1	1	1
榕山路(西北进口)	-	-	1	-	-

在2023年10月26日至10月27日对该五路交叉口进行人工调查，采用视频录像采集法和人工计数法相结合对五路交叉口的早高峰(7:00~9:00)及晚高峰(17:00~19:00)进行交通量调查，从而获取交通量的数据。选取2023年10月27日晚高峰期间(17:30~18:30)的交通量作为五路交叉口交通组织优化设计的分析依据。该交叉口机动车的交通量数据见表2，非机动车交通量数据见表3。

Table 2. Motor vehicle traffic data at intersections

表2. 交叉口机动车交通量数据

进口道	左转(辆/h)	直行(辆/h)	右转(辆/h)
金水路(北进口)	292	806	世纪大道	榕山路
			636	303
人民路(南进口)	246	794	200
世纪大道(西进口)	539	728	225
金山路(东进口)	154	503	282
榕山路(西北进口)	-	-	402

Table 3. Non-motor vehicle traffic data at intersections

表3. 交叉口非机动车交通量数据

进口道	左转(辆/h)	直行(辆/h)	右转(辆/h)
金水路(北进口)	1081	1393	世纪大道	榕山路
			772	612
人民路(南进口)	1060	1421	314
世纪大道(西进口)	1353	1523	374
金山路(东进口)	550	1459	971
榕山路(西北进口)	-	-	755

从表2和表3可以看出，该交叉口交通繁忙，以直行车辆为主，数量远超左转和右转车辆，占总体交通流的多数。交通流量动态变化显著，呈现出繁忙而有序的交通状态。直行车流在交叉口中占据主导地位，反映了交通流的主要特征。

五路交叉口晚高峰时期的机动车流量流向图见图2，非机动车流量流向图见图3。

Figure 2. Diagram of the flow direction of motor vehicle traffic in five-way intersection

图2. 五路交叉口机动车流量流向图

Figure 3. Diagram of the flow direction of non-motor vehicle traffic in five-way intersection

图3. 五路交叉口非机动车流量流向图

2.3. 信号配时

五路交叉口采用了四相位定时信号控制，第一相位为南北进口直行、右转榕山路车辆的通行信号，绿灯持续时间为57 s；第二相位为南北进口左转车辆的通行信号，绿灯持续时间为37 s；第三相位为东西进口直行、右转车辆的通行信号，绿灯持续时间为32 s；第四相位为东西进口左转车辆的通行信号，绿灯持续时间为37 s；同时，北进口右转世纪大道的车辆受信号控制，其绿灯时间与第二和第四相位的绿灯时间相同。该交叉口早、晚高峰使用同一相位周期且现状相位周期为175 s，交叉口相位相序方案见图4，交叉口信号配时方案见图5。

Figure 4. Diagram of the phase and sequence in five-way intersection

图4. 五路交叉口相位相序图

Figure 5. Diagram of the signal timing in five-way intersection

图5. 五路交叉口信号配时图

通过VISSIM仿真软件对桂林市临桂区五路交叉口的交通情况进行仿真分析。VISSIM是由德国PTV公司开发的微观交通流仿真系统。该系统是一个离散的、随机的、以1/10 s为时间步长的微观仿真软件。车辆的纵向运动采用了德国Karlsruhe大学Wiedemann教授的“心理–生理跟驰模型”，横向运动(车道变换)采用了基本规则的算法。Wiedemann的跟驰模型是迄今用于计算机交通仿真的最为精确的模型之一[3]。在利用VISSIM仿真过程中，将仿真时间设置为600 s，采用节点检测法，精确测定交叉口各进口道的车辆排队长度与车辆延误，同时统计停车延误与停车次数，为交叉口精细化管理提供数据支持，车辆通行效率评价内容见表4、表5。

Table 4. List of motor vehicle operational efficiency evaluation

表4. 机动车通行效率评价表

进口道		排队长度/m	车辆延误/s	停车延误/s	停车次数/(次∙min^−^1)
金水路(北进口)	左转	31.30	59.94	48.45	1.17
	直行	39.54	57.77	44.09	0.96
	右转	88.27	80.32	59.14	1.75
	右转榕山路	22.08	42.89	29.03	0.81
人民路(南进口)	左转	9.24	55.84	44.03	1.22
	直行	39.63	52.67	43.35	0.77
	右转	5.14	16.10	8.79	0.58
世纪大道(西进口)	左转	7.57	29.83	21.67	1.00
	直行	25.57	62.17	54.50	0.90
	右转	12.31	20.88	15.04	0.55
金山路(东进口)	左转	34.58	62.02	48.07	1.40
	直行	35.73	52.43	44.11	0.82
	右转	2.71	5.94	1.64	0.26
榕山路(西北进口)右转		0.00	0.32	0.00	0.00

Table 5. List of non-motor vehicle operational efficiency evaluation

表5. 非机动车通行效率评价表

进口道		排队长度/m	车辆延误/s	停车延误/s	停车次数/(次∙min^−^1)
金水路(北进口)	左转	50.34	42.08	2.38	50.34
	直行	69.91	54.84	4.94	69.91
	右转	27.57	19.84	2.48	27.57
	右转榕山路	0.21	4.97	1.36	0.21
人民路(南进口)	左转	12.61	65.58	55.00	2.11
	直行	10.77	51.25	42.43	2.48
	右转	0.00	0.21	0.00	0.00
世纪大道(西进口)	左转	13.85	56.31	46.75	2.77
	直行	16.99	68.25	57.77	3.01
	右转	0.06	1.25	0.51	0.22
金山路(东进口)	左转	0.62	0.01	0.00	0.62
	直行	56.37	47.43	2.36	56.37
	右转	46.88	41.69	1.73	46.88
榕山路(西北进口)右转		0.00	1.05	0.04	0.10

车辆排队长度可以反映交通状况的拥挤情况，对道路安全和通行效率产生重要影响。从表4、表5可以看出，桂林市临桂区五路交叉口交通情况比较拥堵，北进口各进口道的排队长度在该交叉口中居前位，由于该路口有两条右转车道，右转冲突严重，容易造成拥堵，增加了北进口道的排队长度；在各进口道中，直行的排队长度都较长，反映了直行车辆占比大，车流量大。

3. 交叉口现存问题分析

3.1. 右转冲突

金水路(北进口)共设7条进口道，从右到左依次设有1条机动车左转、2条机动车直行、1条非机动车左转、1条非机动车直行、2条机动车右转。由于金水路(北进口)设置了2条右转车道，因此右转到榕山路(西北进口)的车辆不受信号灯的控制，当非机动车直行或左转放行时，2股车流在交叉口内产生冲突，这影响了非机动车的直行和左转能力；右转至世纪大道(西进口)的车辆受信号灯的控制，信号周期与非机动车左转的放行周期相同，2股车流在交叉口内形成冲突，影响了车流速度，增加了车辆事故的发生率，造成了该路口的排队长度过长等问题。车辆右转冲突情况见图6。

Figure 6. Diagram of north inlet right turn conflict

图6. 北进口右转冲突图

3.2. 车辆混行

早晚高峰时期，五路交叉口的交通流量大，金水路(北进口)右转至世纪大道(西进口)的车辆排队长度过长，右转车辆排队时占用了非机动车直行、非机动车左转车道，并且在右转专用道未设置相应的车道标志，右转车辆混行现象严重，由于机动车和非机动车在速度和行驶稳定性上存在较大的差异，降低了交通的通行效率，增加了发生交通事故的风险。

4. 交通精细化设计方案

4.1. 调整车道数量

调整车道数量可以改进车辆的通行空间，减少拥堵，缩短出行时间，在高峰时期，可以有效缓解交通压力[4] [5]。该五路交叉口处于桂林市临桂区中心，位于老城区，该交叉口车流量大，由于五路交叉口的地理位置特殊，在金水路(北进口)变更原2条直行车道为3条机动车直行车道、设置非机动车右转至世纪大道(西进口)专用车道，同时结合五路交叉口平面大的实际特征，在金水路(北进口)增设待行区，将原有的机动车右转停车线后移，有利于提高金水路(北进口)的通行能力，缓解非机动车与右转机动车的冲突问题，减少了高峰延误，如图7所示；取消人民路(南进口)引流设施，改造部分中央分隔带，将非机动车的等待区域由4 m宽变更为3 m，进口的变更车道由3个增加4个，出口车道由2个增加至3个，有利于提高交叉口的通行能力，减少高峰时期的延误时间、排队长度，如图8所示。

Figure 7. Diagram of road drainage revision in Jinshui Road (north inlet)

图7. 金水路(北进口)道路渠化调整

Figure 8. Diagram of road drainage revision in Renmin Road (south inlet)

图8. 人民路(南进口)道路渠化调整

4.2. 优化信号配时

利用韦伯斯特配时法[6] [7]，结合当前交通分布的特点，对交叉口中各进口道现场观测到的流量和车道饱和流量进行了优化，交叉口各流向交通流量比如表6所示。

交叉口最佳周期时长计算公式，即：

$C_0=\frac{1.5L+5}{1-Y}$

式中：$C_0$ ——最佳周期长度，单位为s；

L——总损失时间，单位为s；

Y——交叉口交通流量比。

Table 6. Ratio of traffic flow in each inlet road flow direction at intersections

表6. 交叉口各进口道流向交通流量比

路口方向	金水路(北进口)		人民路(南进口)		世纪大道(西进口)		金山路(东进口)
	左转	直行	左转	直行	左转	直行	左转	直行
交通量	292	806	246	794	539	728	154	503
饱和流量	1519	4851	3038	3234	3038	3234	1519	4851
流量比	0.192	0.166	0.081	0.245	0.177	0.225	0.101	0.103

各相信号临界车道的交通流量比(y_i)之和为：

$Y={\displaystyle \sum _{i=1}^n\max \left(y_1,y_2,\cdots \right)}=0.192+0.245+0.177+0.225=0.839$

总损失时间为：

$L={\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(l_i+I_i-A_i\right)}={\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(3+3-3\right)}=12s$

最佳信号周期为：

$C_0=\frac{1.5L+5}{1-Y}=\frac{1.5\times 12+5}{1-0.839}=142s$

总有效绿灯时间为：

$G_e=C_0-L=142-12=130s$

各相位绿灯时间为：

$g_{e1}=G_e\times \frac{y_1}{Y}=130\times \frac{0.245}{0.839}=38s$

$g_{e2}=G_e\times \frac{y_2}{Y}=130\times \frac{0.192}{0.839}=30s$

$g_{e3}=G_e\times \frac{y_3}{Y}=130\times \frac{0.225}{0.839}=35s$

$g_{e4}=G_e\times \frac{y_4}{Y}=130\times \frac{0.177}{0.839}=27s$

各相位实际显示绿灯时间为：

$G_1=g_{e1}-A_i+l_i=38-3+3=38s$

$G_2=g_{e2}-A_i+l_i=30-3+3=30s$

$G_3=g_{e3}-A_i+l_i=35-3+3=35s$

$G_4=g_{e4}-A_i+l_i=27-3+3=27s$

各相位红灯时间为：

$r_1=C_0-G_1-A_i=142-38-3=101s$

$r_2=C_0-G_2-A_i=142-30-3=109s$

$r_3=C_0-G_3-A_i=142-35-3=104s$

$r_4=C_0-G_4-A_i=142-27-3=112s$

优化后的相位相序图见图9，信号配时图见图10。

Figure 9. Diagram of optimized phase and sequence

图9. 优化后的相位相序图

Figure 10. Diagram of optimized phase timing

图10. 优化后的相位配时图

5. 效果评价

五路交叉口精细化管理设计后，通过VISSIM仿真后得出相应的数据。现以各个进口道排队长度、车辆延误、停车延误、停车次数为评价指标，对其进行比较分析，其中各评价指标的计算方式如下：

排队长度：排队是从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(单位：米)。

车辆延误：车辆总延误的平均值(单位：秒)。

停车延误：每辆车的平均停车时间(单位：秒)。

停车次数：每辆车的平均停车次数(单位：次/分)。

优化后的各评价指标情况见表7，优化前后指标的总体情况见表8。

Table 7. List of optimized operational efficiency evaluation at intersections

表7. 优化后的交叉口通行效率评价表

进口道		排队长度/m	车辆延误/s	停车延误/s	停车次数/(次∙min^−^1)
金水路(北进口)	左转	16.72	44.39	33.83	1.14
	直行	30.26	49.03	40.97	0.86
	右转	15.19	24.35	16.14	0.50
	右转榕山路	15.19	18.61	12.84	0.38
人民路(南进口)	左转	7.87	45.76	34.10	1.39
	直行	21.19	42.51	33.33	0.88
	右转	4.19	15.67	6.75	0.48
世纪大道(西进口)	左转	22.27	46.51	33.90	1.31
	直行	28.55	45.69	37.44	0.77
	右转	6.57	23.27	11.47	1.08
金山路(东进口)	左转	5.20	42.97	33.09	1.21
	直行	17.73	44.94	36.57	0.75
	右转	17.00	31.90	23.33	0.87
榕山路(西北进口)右转		0.00	0.95	0.00	0.00

Table 8. Comparison table before and after optimized operational efficiency evaluation at intersections

表8. 交叉口通行效率优化前后对比表

指标参数	优化前	优化后	提升效率/%
平均排队长度/m	25.26	14.85	41.21
平均车辆延误/s	42.79	34.03	20.45
平均停车延误/s	32.99	25.27	23.41
平均停车次数/(次∙min^−^1)	0.87	0.83	0.05

利用VISSIM仿真，对优化后的交通信号配时方案进行了详尽的评估和分析。结果表明，精细化管理设计后的交叉口在各项运行评价指标上均实现了显著的改善和提升，原最为拥挤的金水路(北进口)排队长度与车辆延误都得到了显著的降低，优化后的平均排队长度缩短了41.21%，平均车辆延误缩减了20.45%，平均停车延误减少了23.41%，平均停车次数降低了0.05%，该交叉口的交通状况将得到了实质性的改善，成效斐然。

6. 结论

本文通过以桂林市临桂区五路交叉口为对象，采用视频录像采集法和人工计数法相结合对桂林市临桂区五路交叉口机动车和非机动车交通量进行了观测，结合实际情况，对五路交叉口进行了渠化设计调整和交通信号配时优化，最后通过VISSIM仿真软件对五路交叉口在优化前后的情况进行了模拟，比较各进口道的排队长度、车辆延误、停车延误和停车次数指标，得出精细化设计后的效果。

结果表明，针对五路交叉口的精细化管理，首先需要详细调查交叉口的交通流情况，找出影响交叉口通行效率的主要问题，再结合现有的道路资源，通过调整交叉口的进口道数量、停车线位置等多种渠化措施减少交叉口的机非冲突，同时依据交叉口进口道流量比合理制定信号配时方案，可极大地减少五路交叉口的交通延误，提升交叉口的服务水平。

基金项目

2021年度广西中国–东盟综合交通国际联合重点实验室运行补助项目(项目编号：21-220-21)；2024年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“人工智能在南宁市停车管理的应用研究”(项目编号：2024KY1890)；南宁学院科研基金项目“汽车客运站客流组织技术应用研究”(项目编号：2024KY033)。