姚 宇（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210005）

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交通仿真技術(shù)在互通立交設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

姚 宇
（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210005）

交通仿真是一種采用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真或半實(shí)物仿真方式的交通分析技術(shù)。利用VISSIM中跟車模型與車道變換模型，分析匝道車道數(shù)量與交織區(qū)的長度對方案通行能力產(chǎn)生的影響，建立微觀仿真模型直觀反應(yīng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。對工程方案進(jìn)行事先評價(jià)，根據(jù)評價(jià)結(jié)果逐步優(yōu)化工程方案，在一定程度上指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合蘇州中環(huán)快速路婁江立交工程實(shí)例，為特殊情況下的方案比選論證、領(lǐng)導(dǎo)決策提供參考。

互通立交設(shè)計(jì)；交通仿真；微觀仿真模型

交通仿真是上世紀(jì) 50 年代以來，隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的采用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真或半實(shí)物仿真方式來復(fù)現(xiàn)交通流時(shí)間空間變化、解析復(fù)雜交通系統(tǒng)現(xiàn)象的交通分析技術(shù)［1］。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，交通仿真作為一項(xiàng)交通系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)，已廣泛地應(yīng)用于道路交通設(shè)計(jì)、智能交通系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與技術(shù)研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)交通流理論研究等諸多方面。本文利用交通仿真技術(shù)，闡述蘇州中環(huán)快速路婁江立交的設(shè)計(jì)。

1　交通仿真技術(shù)的發(fā)展歷程

Vissim是由德國PTV公司開發(fā)的微觀交通流仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)離散的、隨機(jī)的、以1/10 s為時(shí)間步長的微觀仿真軟件。早期主要有宏觀仿真模型，其描述精度低，可仿真的路網(wǎng)區(qū)域較小。二十世紀(jì)七八十年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微觀交通仿真模型隨之出現(xiàn)，仿真描述的精度提高，較多應(yīng)用于交通設(shè)計(jì)方面。目前的一些主流微觀交通仿真模型VISSIM就起源于這一時(shí)期。

VISSIM的路網(wǎng)仿真模型中并沒有明確的交叉口概念，仿真中通過節(jié)點(diǎn)（Connector）具體描述交叉口范圍內(nèi)車道的連接（Link）情況。VISSIM中也沒有特別定義環(huán)形交叉口，而是在通過描述利用節(jié)點(diǎn)與車道連接的基礎(chǔ)上定義一系列的優(yōu)先規(guī)則實(shí)現(xiàn)環(huán)形交叉口 的概念。

綜上所述，VISSIM 的微觀仿真模型具有靈活性，可通過節(jié)點(diǎn)和連接對設(shè)計(jì)方案中車道數(shù)、交織區(qū)進(jìn)行仿真分析，從而實(shí)現(xiàn)對方案的事先評價(jià)。

2001年王元慶、朱海濱介紹了雙向雙車道公路通行能力仿真研究中關(guān)于車輛行為的技術(shù)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)車輛行駛狀況及關(guān)系的設(shè)定，確定了車輛跟馳方式模型；根據(jù)車輛行車間距的選定，利用開發(fā)出的仿真程序得到以小轎車為標(biāo)準(zhǔn)車的車輛折算系數(shù)［1］；2006年李志明提出了基于遺傳算法的交通仿真模型參數(shù)校正方法［2］。并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)以vissim仿真平臺(tái)為例，對模型進(jìn)行參數(shù)校正。研究給出了vissim仿真模型的校正參數(shù)及參數(shù)的取值范圍。

2008年李永義基于vissim進(jìn)行了高速公路施工路段服務(wù)水平的評價(jià)，建立了高速公路施工路段交通服務(wù)水平的評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采取多指標(biāo)綜合評價(jià)方法對施工路段交通服務(wù)水平進(jìn)行評價(jià)［3］。

楊小寶等（2009 年）運(yùn)用實(shí)證調(diào)研和行為分析方法，對北京和上海的典型路段進(jìn)行觀測，主要是對車道數(shù)與每車道通行能力的研究，研究顯示在不受外界干擾的情況下，車道數(shù)在達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，每車道的通行能力會(huì)隨車道數(shù)的增加而減少［4］。

胡婷（2010年）分析總結(jié)快速路交織區(qū)的交通運(yùn)行特征，并以VISSIM微觀仿真模型為基礎(chǔ)，針對交織區(qū)開展模型參數(shù)的敏感性測試分析工作，確定需要標(biāo)定的模型參數(shù)及其閾值。選取的標(biāo)定參數(shù)包括期望速度分布和8個(gè)交織區(qū)駕駛員行為參數(shù)。再次，基于選定的標(biāo)定參數(shù)，構(gòu)建面向快速路交織區(qū)的多目標(biāo)規(guī)劃仿真參數(shù)標(biāo)定模型［5］。

2　VISSIM微觀仿真模型的應(yīng)用意義

通常情況設(shè)計(jì)人員在如何確定車道數(shù)的問題上，主要考慮基本路段的交通量大小以及對超車的需求，然后結(jié)合所需適應(yīng)的交通量和單個(gè)車道的通行能力來確定車道數(shù)，理念上均等化每個(gè)車道的通行能力。比如，我國的相關(guān)規(guī)范中就規(guī)定在理想條件下每車道的通行能力為 2 200 pcu/（ln·h），這在基本路段可以適用，然而未能充分考慮車輛變換車道的情況，也未給出相應(yīng)的修正措施。美國的第四版《HCM2000》中認(rèn)為雙向 6 車道的平均每車道通行能力的數(shù)值大于雙向 4 車道，并未深入分析車道數(shù)對通行能力的影響。

在很多文獻(xiàn)［6］中多次指出，隨著車輛變道情況的頻繁發(fā)生，道路上每個(gè)車道的通行能力會(huì)隨車道數(shù)的增加而降低，即雙向 6 車道平均每個(gè)車道的通行能力可能低于 4 車道中平均每個(gè)車道的通行能力。實(shí)際上，不同的設(shè)計(jì)速度對應(yīng)不同的最大通行能力，且車道的最大通行能力不僅取決于車道基本路段，還應(yīng)該考慮車道變換的影響，這在匝道路段體現(xiàn)比較明顯，連接部通行能力也是影響路段通行能力的重要因素。隨著道路交通量的增大，再根據(jù)原來規(guī)范中規(guī)定的交通量來確定車道數(shù)可能不合時(shí)宜。

在設(shè)計(jì)方案中利用VISSIM中跟車模型與車道變換模型，充分分析匝道車道數(shù)量與交織區(qū)的長度對方案通行能力產(chǎn)生的影響，建立微觀仿真模型直觀反映設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。合理選擇模型參數(shù)對工程方案進(jìn)行事先評價(jià)，根據(jù)評價(jià)結(jié)果逐步優(yōu)化工程方案，在一定程度上指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

3　交通仿真實(shí)例

3.1互通概況

婁江立交位于蘇州北環(huán)東延線與中環(huán)東線的交叉位置，位于蘇虹路以北、京滬鐵路以南，東西向?yàn)榕R婁江北岸地面式敷設(shè)的婁江快速路，南北向?yàn)榭v貫中新區(qū)和唯亭街道的既有星華街高架，婁江立交是結(jié)合現(xiàn)有工程條件的交通完善，將其改造成全互通式立交。

3.2互通方案

互通節(jié)點(diǎn)位置條件復(fù)雜，現(xiàn)有興華街高架橋預(yù)留的匝道鼻端需盡可能利用，東西向婁江為旅游航道，立交北側(cè)為滬寧鐵路，婁江南岸約500 m處的蘇虹路是園區(qū)內(nèi)重要的東西向主干道，立交方案需考慮其溝通轉(zhuǎn)換，立交的建設(shè)條件和功能要求極高，將該節(jié)點(diǎn)與蘇虹東路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整體研究，經(jīng)多輪方案比選最終采用所有匝道變定向連接的樞紐互通形式，與蘇虹路形成復(fù)合式立交，出入口采用先出后入形式，避免交通頻繁出入對東環(huán)主線行車的干擾。立交平面方案圖如圖1所示。

圖1　立交平面方案圖

婁江立交南北長1.3 km，東西寬2 km，該立交成為蘇州快速路網(wǎng)系統(tǒng)中最為復(fù)雜的立交，也是園區(qū)迄今為止規(guī)模最大的全互通立交，總體布置為3層，婁江大道為地面一層，現(xiàn)狀星華街高架為第3層，8條轉(zhuǎn)向匝道連接星華街高架和婁江大道，均為第2層。在婁江南側(cè)落地段設(shè)置一對地面出入口，可出入中環(huán)主線，同時(shí)也可進(jìn)入匝道轉(zhuǎn)向婁江快速路，出入口外側(cè)設(shè)置兩條匝道實(shí)現(xiàn)南—西、南—東兩個(gè)方向樞紐轉(zhuǎn)換，該方案較好地解決了蘇虹東路出入快速問題，同時(shí)先出后入的設(shè)置方式也避免了對主線的干擾。出入口布置如圖2所示。

圖2　出入口布置圖

3.3技術(shù)問題

由于蘇虹路北即為婁江航道，其成為婁江南部區(qū)域?qū)ν獾闹匾傻?，在匝道上設(shè)置出入口的方式在方案階段存在一些爭議，一旦引起匝道擁堵，將直接導(dǎo)致樞紐的轉(zhuǎn)換癱瘓，進(jìn)而影響到兩條快速路的通行。如何處理好互通匝道與主線間的地面道路和匝道斷面上的車道數(shù)量以及交織長度是保障樞紐匝道運(yùn)行狀態(tài)的前置條件。車道不夠?qū)⒂绊懙脚抨?duì)長度，過多則存在變道困難，而由于條件限制，增加交織段長度也無可能性。

規(guī)范中對出入口的距離和要求已進(jìn)行了闡述，但多是對主線的要求，且未考慮交通流向和流量的問題，基于《通行能力手冊》的理論計(jì)算更無法解決該問題，因此提出交通仿真的手段來對該細(xì)節(jié)處理進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.4仿真模型建立

為了建立該立交節(jié)點(diǎn)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)仿真模型對現(xiàn)實(shí)工程方案的最合理模擬，按照以下步驟建立仿真模型。（1）導(dǎo)入該仿真對象的帶比例尺的現(xiàn)狀互通立交平面圖，即model background；（2）使用VISSIM的路段（Link）和連接（Connector）兩個(gè)基本組件（含車道數(shù)、車道寬度、坡度等屬性）來建立路網(wǎng)，根據(jù)平縱設(shè)計(jì)成果完成對該立交節(jié)點(diǎn)的平面與縱斷面的模擬；（3）微觀交通流特性及行駛規(guī)則的設(shè)置：包含車輛的期望速度（Desired speed）、加減速特性、幾何尺寸、駕駛行為參數(shù)（Driving behavior）等，該立交位于城市內(nèi)，因此按照城市相關(guān)規(guī)范完成參數(shù)設(shè)置；（4）宏觀交通流特性設(shè)置及行駛規(guī)則的設(shè)置：將該立交的交通組成和交通量輸入模型后定義車輛行駛路徑（Route decision），使車輛轉(zhuǎn)向量符合該立交遠(yuǎn)景年交通量預(yù)測結(jié)果；（5）完成對限速路段（例如左轉(zhuǎn)匝道）、有行車優(yōu)先權(quán)路段（例如出入口處）等宏觀行駛規(guī)則的設(shè)置。最終，完成模型建立，進(jìn)行仿真運(yùn)行，獲得相關(guān)仿真數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而指導(dǎo)該立交的設(shè)計(jì)。

3.5仿真應(yīng)用

3.5.1地面道路車道數(shù)量

由于該段地面道路分為東西兩幅，均夾在主線和匝道之間，項(xiàng)目一旦實(shí)施，遠(yuǎn)期無拓寬條件，設(shè)計(jì)初期結(jié)合交叉口布置，按照最大條件的預(yù)留，東西兩側(cè)均預(yù)留了4車道。為了最大程度地驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的通行能力，選取在高峰時(shí)段30 min內(nèi)的運(yùn)行結(jié)果來分析，仿真驗(yàn)證表明，西半幅蘇虹東路北入口路段內(nèi)4車道可以匹配，對交叉口車道數(shù)布置方案適應(yīng)性較強(qiáng)，最大交通量下2個(gè)信號周期可以通過，遠(yuǎn)景年高峰期平均延誤約40 s，車輛積壓影響到匝道及主線情況未發(fā)生。東半幅采用3車道和4車道均可適應(yīng)，但4車道未明顯改善運(yùn)行效率，對交通量進(jìn)行適量放大后汽車變換車道數(shù)量多引起的交通紊亂有所增加，最終確定采用非對稱車道斷面，即東側(cè)設(shè)3車道、西側(cè)設(shè)4車道，相對原雙八的方案降低了工程規(guī)模。方案布置如圖3、圖4所示。

圖3　西4東3平面布置

圖4　西4東3斷面布置

3.5.2匝道斷面上的車道數(shù)量

南—東、南—西匝道設(shè)置地面式出入口后交織段長度為360 m，根據(jù)交通量，出入口采用了單車道，從規(guī)范上車道平衡角度考慮，路段內(nèi)是可以采用2車道（方案1），出口處設(shè)置漸變段處理的。但該交織段交通組織有其特殊性，以東側(cè)SW、SE匝道為例，SW交通流向?yàn)橹髁飨?，蘇虹路北側(cè)的入口匝道交通量和SE匝道交通量相對略小，而由于地面入口設(shè)置在了交織段左側(cè)，出入車輛采用漸變段的處理方式可能會(huì)對主流向左側(cè)車道干擾較大。因而又提出了拉通為3車道的方案（方案2），地面入口車輛可在最左側(cè)車道上組織交通，但橋梁規(guī)模有所增加。為驗(yàn)證兩個(gè)方案的優(yōu)劣，分別建立了兩種模型進(jìn)行交通仿真，如圖5、圖6所示。

圖5　匝道2車道模型

圖6　匝道3車道模型

仿真結(jié)果顯示方案1由于入口車輛車速與匝道車速存在速度差（10～20 km/h），左側(cè)進(jìn)入，對主流向的SW匝道左側(cè)車道影響較大，受干擾后車輛陸續(xù)向右側(cè)變道進(jìn)而影響到了整個(gè)車道的穩(wěn)定性，平均車速降低至40 km/h，達(dá)不到匝道設(shè)計(jì)速度50 km/h，而方案2拉通為3車道后，由于進(jìn)入車輛可以在整個(gè)360 m范圍內(nèi)來組織交通，車流的穩(wěn)定性相對較好，最終確定整個(gè)路段內(nèi)進(jìn)行3車道斷面布置。兩種方案運(yùn)行模擬示意圖如圖7、圖8所示。

4　結(jié)論

本文結(jié)合蘇州中環(huán)快速路婁江立交工程實(shí)例，對仿真軟件在立交設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)處理中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，總結(jié)了項(xiàng)目實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，為在特殊情況下的方案比選論證、領(lǐng)導(dǎo)決策提供參考。目前婁江立交已通車，調(diào)研結(jié)果顯示，立交總體方案以及上述提到的兩處設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)處理方式，駕駛員評價(jià)較好。

圖7　2車道運(yùn)行模擬

圖8　3車道運(yùn)行模擬

［1］王元慶，朱海濱.雙向雙車道公路路段仿真研究中車輛行為［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（l）:68- 70.

［2］李志明.基于遺傳算法的交通仿真模型參數(shù)校正方法研究［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2006（4）：21-23.

［3］李永義，柴干，胡軍紅，等.基于Vissim的高速公路施工路段服務(wù)水平的評價(jià)［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，30（2）：54-58.

［4］楊小寶，張寧，關(guān)羽.基于行為分析的道路通行能力中車道因素研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009（10）：104-110.

［5］胡婷.面向快速路交織區(qū)的微觀交通仿真模型標(biāo)定研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

［6］楊齊.對交通仿真模型軟件開發(fā)及應(yīng)用問題的考［J］.城市交通，2006，4（3）：42-46.

Application of Traffic Simulation Technology in Interchange Design

Yao Yu
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210005， China）

Traffic simulation is a traffic analysis techniques using computer digital simulation or HILS （hardware-in-loop simulation）. Based on the model of car following model and lane changing model in VISSIM， the influence of the number and the length of the mixed zone on the capacity is analyzed， also the advantages and disadvantages of the scheme are reflected directly by micro simulation model. According to the evaluation results， the project plan is optimized in advance to a certain extent， so the risk of the project is reduced. Combining with the example of Loujiang overpass project of Central Expressway in Suzhou， it provides a reference value for the selection and demonstration of the special cases. According to the survey results， the overall scheme of the interchange and design details of the treatment get a good evaluation.

interchange design； traffic simulation； micro simulation model

U491.2+3

A

1672-9889（2016）02-0077-04

姚宇（1978-），男，江蘇蘇州人，高級工程師，主要從事路橋設(shè)計(jì)工作。

（2016-02-17）