彭余華 王曉玉 王瑋 張含飛

摘要：基于VISSIM仿真軟件，以京港澳高速公路駐信段改擴(kuò)建工程為例，建立雙向四車道高速公路改擴(kuò)建封閉半幅車道的交通仿真模型，根據(jù)工程特征、交通流及車輛運(yùn)行特性，設(shè)置仿真參數(shù)及車輛行駛規(guī)則，對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真運(yùn)行。結(jié)果表明：在封閉半幅車道模式、作業(yè)區(qū)最終限速40 km·h-1時(shí)，雙車道交通流二次變道所產(chǎn)生的車輛延誤低于一次變道。

關(guān)鍵詞：仿真模型；半幅封閉；交通組織方案；參數(shù)設(shè)置

中圖分類號(hào)：U415.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1000033X（2016）06008306

0引言

隨著中國(guó)高速公路交通量的增長(zhǎng)，很多早期建成的高速公路變得通行能力不足，導(dǎo)致服務(wù)水平和行車安全性降低。為了改善這種狀況，部分高速公路進(jìn)行了改擴(kuò)建，其中制定科學(xué)的交通組織方案、設(shè)置合理的參數(shù)，對(duì)于提高改擴(kuò)建道路通行能力、服務(wù)水平及行車安全性具有重要意義。

國(guó)外研究人員率先提出了施工區(qū)道路安全問(wèn)題、施工區(qū)限速問(wèn)題、施工區(qū)作業(yè)標(biāo)志和標(biāo)識(shí)問(wèn)題等，并運(yùn)用Highway Capacity Software（HCS）、Synchro、Corsim、Netsim和QueWZ92等軟件模擬高速公路施工區(qū)的排隊(duì)長(zhǎng)度與延誤[12]。中國(guó)高速公路改擴(kuò)建起步較晚，為了滿足交通量的增長(zhǎng)需求，中國(guó)逐漸開(kāi)始研究高速公路改擴(kuò)建工程。目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行交通組織分析主要是依靠國(guó)外的交通仿真軟件，在實(shí)踐中獲得了較好的效果[35]。東南大學(xué)李永義從養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)各方面的影響因素出發(fā)，探討了各區(qū)段長(zhǎng)度的確定方法以及作業(yè)區(qū)路段交通安全設(shè)施設(shè)置方法[6]；長(zhǎng)安大學(xué)韓躍杰利用VISSIM 仿真軟件建立作業(yè)區(qū)的路網(wǎng)、路段仿真模型，對(duì)已制定的深汕西高速公路改擴(kuò)建交通流組織方案進(jìn)行了驗(yàn)證及修正?！豆佛B(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》（JTG H30—2015）要求，緩沖區(qū)的最小長(zhǎng)度依據(jù)最終限速值及下坡坡度進(jìn)行設(shè)定，相對(duì)于舊規(guī)范中緩沖區(qū)的最小長(zhǎng)度取50 m，加大了過(guò)渡區(qū)與緩沖區(qū)設(shè)置的重要性[78]。

結(jié)合已有研究，本文以京港澳高速公路駐信段的改擴(kuò)建工程為例，運(yùn)用VISSIM仿真技術(shù)，對(duì)封閉半幅車道模式下影響作業(yè)區(qū)交通組織方案的關(guān)鍵因素進(jìn)行建模分析、參數(shù)設(shè)置，為制定科學(xué)合理的高速公路養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)區(qū)交通組織方案提供依據(jù)。

1VISSIM仿真建模原理

VISSIM是一種微觀的基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，主要由交通仿真器和信號(hào)狀態(tài)產(chǎn)生器2個(gè)部分組成。交通仿真器包括跟車模型和車道變換模型；信號(hào)狀態(tài)產(chǎn)生器是一個(gè)信號(hào)控制軟件，可實(shí)現(xiàn)交通流的控制。VISSIM采用的跟車模型可通過(guò)駕駛心理判斷前后車距離，從而調(diào)整行車速度的變化。

高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)通常由警告區(qū)、上游過(guò)渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過(guò)渡區(qū)及終止區(qū)等6個(gè)區(qū)段組成，如圖1所示。上游過(guò)渡區(qū)主要起導(dǎo)流作用，引導(dǎo)車輛改變行駛軌跡，提前調(diào)整變換車道；緩沖區(qū)主要為駕駛員提供一個(gè)緩沖距離，使操作失誤的車輛能夠調(diào)整行車狀態(tài)，避免發(fā)生事故。利用VISSIM構(gòu)建作業(yè)區(qū)的仿真模型，可在6個(gè)區(qū)段中設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，獲得車輛速度及進(jìn)入和駛出檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間數(shù)據(jù)，為上游過(guò)渡區(qū)、緩沖區(qū)及中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度的設(shè)置提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2半幅封閉交通組織仿真模型

2.1建立仿真模型

本文以京港澳高速公路駐信段改擴(kuò)建工程為例，建立設(shè)計(jì)速度為120 km·h-1的雙向四車道高速公路改擴(kuò)建作業(yè)路段的仿真模型。

2.1.1初步建立路段仿真模型

本文依托項(xiàng)目的改擴(kuò)建路段的道路寬為375 m，中間帶（中央分隔帶與兩側(cè)路緣帶）寬為35 m。仿真設(shè)計(jì)作業(yè)區(qū)最終限速為40 km·h-1，道路縱坡統(tǒng)一設(shè)置為0，采用封閉半幅車道模式，車輛需跨越中央分隔帶到對(duì)向車道借道行駛。在VISSIM界面上繪制作業(yè)區(qū)，并通過(guò)連接器將各個(gè)區(qū)段進(jìn)行連接，設(shè)置車輛合流與分流行駛特性，完成路段的基本設(shè)定。

根據(jù)《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》（JTG H30—2015）中的相關(guān)規(guī)定并結(jié)合實(shí)際交通狀況，設(shè)定各交通控制區(qū)長(zhǎng)度分別為：警告區(qū)1 600 m，工作區(qū)500 m，下游過(guò)渡區(qū)30 m，終止區(qū)30 m。由于上游過(guò)渡區(qū)及緩沖區(qū)作為作業(yè)區(qū)交通組織方案影響因素要進(jìn)行分析，故在下面的作業(yè)區(qū)仿真中需多次取值進(jìn)行研究，建立半幅封閉路段仿真模型，如圖2所示。

2.1.2設(shè)定交通流參數(shù)

為了保證仿真結(jié)果的合理性與有效性，交通流特性參數(shù)的設(shè)置要與實(shí)際交通流特性相符，本文從宏觀和微觀2個(gè)層面進(jìn)行設(shè)定。

宏觀交通參數(shù)包括交通流量和交通組成，京港澳高速公路駐信段一區(qū)段最大單向高峰每小時(shí)交通量為1 160 pcu，交通組成見(jiàn)表1。

分析表1可知，京港澳高速公路駐信段南北向的交通組成情況大致相同，小車占60%左右，中車和大車各占20%左右，調(diào)查結(jié)果可以用來(lái)設(shè)定交通仿真中的交通組成參數(shù)。

微觀交通特性參數(shù)包括車輛的期望車速分布曲線、加減速特性和駕駛行為，參數(shù)設(shè)置如圖3～5所示。

2.1.3設(shè)置車輛行駛規(guī)則

VISSIM對(duì)交通流的描述是以單個(gè)車輛為基本單元的，每個(gè)車輛都是單獨(dú)的個(gè)體，按照期望速度和加速度行駛。但在實(shí)際的道路交通系統(tǒng)中，車輛與道路條件、周圍環(huán)境以及車輛之間都是相互關(guān)聯(lián)、密不可分的。為了能夠在VISSIM中盡可能真實(shí)地仿真模擬實(shí)際交通運(yùn)行的狀態(tài)，設(shè)置合理的車輛行駛規(guī)則顯得尤為必要。

車輛行駛規(guī)則主要在超車、速度控制和優(yōu)先3個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)置，設(shè)置對(duì)話框如圖6～8所示。

2.2仿真運(yùn)行

完成仿真模型建立和各項(xiàng)仿真參數(shù)設(shè)置即可運(yùn)行仿真，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算和測(cè)試后輸出模擬結(jié)果，仿真車輛運(yùn)行情況見(jiàn)圖9。

3半幅封閉模式參數(shù)設(shè)置

封閉半幅車道（開(kāi)放中央分隔帶）模式較封閉外（內(nèi)）車道模式復(fù)雜，車輛需跨越中央分隔帶到對(duì)向車道借道行駛。根據(jù)施工作業(yè)區(qū)交通流特性及仿真目的，選取車輛延誤及作業(yè)區(qū)通行能力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)跨越中央分隔帶之前車輛的合流方式進(jìn)行研究，并給出合流漸變段、合流緩沖段及中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度建議取值，以提高作業(yè)區(qū)車輛的通行能力、服務(wù)水平及行車安全性。

3.1車輛合流方式

在封閉半幅（開(kāi)放中央分隔帶）車道模式下，車輛跨越中央分隔帶前，需考慮2種車輛合流方式。一種是在中央分隔帶開(kāi)口前一定距離處，雙車道合流為單車道，在開(kāi)口處以單車道跨越中央分隔帶，二次變道合流，如圖10所示；另一種是在中央分隔帶開(kāi)口處以雙車道模式合流交織跨越中央分隔帶，一次變道合流，如圖11所示。

對(duì)這2種合流設(shè)置模式進(jìn)行仿真，考慮不同仿真輸入量和不同交通組成情況下的車輛延誤情況，如圖12所示。在仿真輸入量未達(dá)到作業(yè)區(qū)最大通行量時(shí)，車輛在這2種合流設(shè)置情況下產(chǎn)生的延誤一致，此時(shí)貨車產(chǎn)生的延誤較大；在仿真輸入量接近作業(yè)區(qū)通行能力時(shí)，延誤隨著仿真輸入量的增加直線上升，趨于一定值，且一次變道合流方式產(chǎn)生的延誤明顯高于二次變道合流。在變換車道前設(shè)置單車道合流路段，使得交織合流與變換車道分離，避免在中央分隔帶開(kāi)口段交織，可以大大提高交通的有序性，減少交通事故的發(fā)生，故在封閉半幅車道模式下，車輛跨越中央分隔帶前宜采用二次變道合流方式。

3.2合流漸變段長(zhǎng)度

在合流漸變段內(nèi)，右側(cè)車輛必須強(qiáng)制完成變換車道的過(guò)程，車道變換行為成為影響整個(gè)作業(yè)區(qū)通行能力的一個(gè)重要參數(shù)，合流漸變段即成為該路段的沖突區(qū)域。

3.2.1仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正常路段車道寬度為375 m，大車率為20%，縱坡為0，仿真輸入交通量為2 500 pcu·h-1，作業(yè)區(qū)最終限速為40 km·h-1，分別在合流漸變段、合流緩沖段末端設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，以10 m為變化間隔，觀察合流漸變段（緩沖段長(zhǎng)度固定）的長(zhǎng)度變化對(duì)仿真通行能力的影響。

3.2.2仿真結(jié)果及分析

在VISSIM軟件中輸入仿真試驗(yàn)參數(shù)，變化合流漸變段的長(zhǎng)度，觀察仿真通行能力，結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖13表明合流漸變段長(zhǎng)度的變化對(duì)仿真通行能力的影響較大：在80 m以前，隨著合流漸變段長(zhǎng)度的增加，作業(yè)區(qū)通行能力在不斷增加；超過(guò)80 m之后，隨著合流漸變段長(zhǎng)度的增加，沖突區(qū)域面積增加，作業(yè)區(qū)通行能力不斷下降；在150 m以后變化幅度已趨于常數(shù)。

因此，可以確定合流漸變段長(zhǎng)度為80 m時(shí)能夠滿足養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)有較大通行能力的需求，建議封閉半幅車道情況下，合流漸變度長(zhǎng)度采用80 m。

3.3合流緩沖段長(zhǎng)度

合流緩沖段設(shè)置在合流漸變段之后，駕駛員能夠適應(yīng)新車道的行駛，同時(shí)壓縮車道，使車輛減速，防止車輛在進(jìn)入中央分隔帶開(kāi)口處時(shí)判斷失誤，發(fā)生交通事故。

3.3.1仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正常路段車道寬度為375 m，大車率為20%，縱坡為0，仿真輸入交通量為2 500 pcu·h-1，作業(yè)區(qū)最終限速為40 km·h-1。分別在合流漸變段、合流緩沖段末端設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，以10 m為變化間隔，觀察合流緩沖段（漸變段長(zhǎng)度固定）的長(zhǎng)度變化對(duì)仿真通行能力的影響。

3.3.2仿真結(jié)果及分析

在VISSIM軟件中輸入仿真試驗(yàn)參數(shù)，變化合流緩沖段的長(zhǎng)度，觀察仿真通行能力的變化，結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖14顯示，在100 m前隨著緩沖段長(zhǎng)度的增加，作業(yè)區(qū)通行能力也隨之增大，之后有所減小，且趨于常數(shù)。因此，合流緩沖段并不是設(shè)置得越長(zhǎng)越好，緩沖段設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，需要更多的安全渠化設(shè)施，且車輛很容易忽略前方車道的變化，而錯(cuò)過(guò)中央分隔帶開(kāi)口處的過(guò)渡，進(jìn)而引起交通事故。故建議合流緩沖段長(zhǎng)度取值在80～120 m，推薦采用100 m。

3.4中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度

中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度影響作業(yè)區(qū)通行能力，開(kāi)口太長(zhǎng)不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且對(duì)兩側(cè)車流的干擾增大，開(kāi)口過(guò)短導(dǎo)致通行能力不足，影響整個(gè)路段的暢通。因此需要對(duì)中央分隔帶路段進(jìn)行仿真建模，從而確定出在較大交通量下中央分隔帶的開(kāi)口長(zhǎng)度。在采用二次變道的車輛合流方式時(shí)，中央分隔帶開(kāi)口處車輛運(yùn)行情況見(jiàn)圖15。

3.4.1仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正常路段車道寬度為3.75 m，中間帶（包括中央分隔帶2 m和兩側(cè)路緣帶1.5 m）寬度取3.5 m，大車率為20%，道路縱坡為0，仿真輸入交通量為2 500 pcu·h-1，作業(yè)區(qū)最終限速為40 km·h-1，以10 m為變化步長(zhǎng)評(píng)價(jià)其路段通行能力，觀察開(kāi)口長(zhǎng)度變化對(duì)仿真通行能力的影響。

3.4.2仿真結(jié)果及分析

在VISSIM軟件中輸入仿真試驗(yàn)參數(shù)，變化中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度，觀察仿真通行能力的變化，結(jié)果見(jiàn)圖16。

由圖16得出：中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度與作業(yè)區(qū)通行能力密切相關(guān)，在開(kāi)口長(zhǎng)度達(dá)到100 m之前，隨著開(kāi)口長(zhǎng)度的增加，其通行能力隨之增長(zhǎng)；而在開(kāi)口長(zhǎng)度達(dá)到100 m以后，隨著開(kāi)口長(zhǎng)度的增加，對(duì)兩側(cè)車流干擾也在不斷增大，最大通行能力隨之減小并趨于常數(shù)，因此建議中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度取值為100 m。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)設(shè)計(jì)速度為120 km·h-1的雙向四車道半幅封閉式高速公路改擴(kuò)建交通組織方案參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)京港澳高速公路特征，運(yùn)用VISSIM仿真軟件建立半幅封閉交通組織仿真模型，并依據(jù)其交通流特性，設(shè)定仿真參數(shù)及車輛行駛規(guī)則。

（2）在封閉半幅車道（開(kāi)放中央分隔帶）模式下，雙車道交通流二次變道所產(chǎn)生的車輛延誤低于一次變道，建議車輛采取二次變道的合流方式，可大大提高交通的有序性及安全性，減少交通事故的發(fā)生。

（3）在二次變道合流方式下，合流漸變段長(zhǎng)度為80 m時(shí)能夠滿足養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)較大交通量的要求，合流緩沖段長(zhǎng)度取值在80～120 m時(shí)，仿真通行能力較大。綜上所述，推薦合流漸變段與合流緩沖段的長(zhǎng)度分別為80 m與100 m。

（4）中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度對(duì)作業(yè)區(qū)通行能力有一定的影響，通過(guò)對(duì)不同的中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度模型進(jìn)行仿真與分析，得出中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度為100 m時(shí)路段通行能力達(dá)到最大值。

（5）本文基于道路的通行能力、服務(wù)水平及行車安全提出了高速公路改擴(kuò)建半幅封閉式交通組織方案的參數(shù)設(shè)置方法。其他類似高速公路改擴(kuò)建工程可參考本文方法，依據(jù)實(shí)際工程的道路條件、車輛運(yùn)行及交通流等特性設(shè)定相關(guān)仿真參數(shù)，得出符合實(shí)際施工特點(diǎn)的各區(qū)段長(zhǎng)度的建議值，為高速公路改擴(kuò)建交通組織提供決策。

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