王家琦,楊春霞,晉民杰,王學(xué)峰

(1.太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院,太原 030024;2.晉城學(xué)院 籌備處,山西 晉城 048026)

隨著我國高速建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,原有立交受到的線形及交通量的制約也越來越多。國內(nèi)采用的大部分完全苜蓿葉形、菱形、環(huán)形等立交越來越不滿足交通安全及通行能力的要求[1]。半苜蓿葉形互通立交作為立交方式的一種,與完全苜蓿葉相比,可消除交織區(qū)的影響,而與菱形相比,則有更好的通行能力和服務(wù)水平,且其本身具有保證主路車輛快速暢通,簡(jiǎn)化主線道路交通標(biāo)志,減小費(fèi)用,便于分期修建的優(yōu)點(diǎn)。半苜蓿葉互通立交的不斷優(yōu)化,會(huì)大幅度減小道路堵塞,提高通行能力[2]。

一般為消除交織區(qū)交通量,會(huì)將立交設(shè)置為半苜蓿葉+附加直連匝道的形式,但此立交形式會(huì)導(dǎo)致次要道路存在沖突點(diǎn),出現(xiàn)停車沖突或錯(cuò)路運(yùn)行的現(xiàn)象。有時(shí)部分平面交叉口會(huì)設(shè)交通信號(hào)燈,若出口匝道儲(chǔ)存量不足,往往會(huì)影響主線交通的運(yùn)行。所以,如何在消除交織交通量的前提下進(jìn)一步改善平交口沖突點(diǎn),增加道路通行能力,是現(xiàn)階段互通立交設(shè)計(jì)面臨的主要問題[3-4]。本文結(jié)合FLexsim仿真技術(shù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能[5-6],根據(jù)Flexsim建立半苜蓿葉互通立交仿真模型,重點(diǎn)分析次要道路平交口沖突點(diǎn)的堵塞問題,并利用線形的制約及交通量的變化,對(duì)互通立交進(jìn)行部分及整體優(yōu)化,進(jìn)而改善道路通行和堵塞情況,并透過模型分析Flexsim方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 互通立交基本狀況

本文模型為半苜蓿葉附加右轉(zhuǎn)車道的立交形式。出口在跨線結(jié)構(gòu)物之前,故匝道布置方式為A型。被交路下穿,主線上兩對(duì)出入口相對(duì)拉開,對(duì)行車視線有利。主路及次要道路均為對(duì)向三車道,次要道路平交口存在交通信號(hào)燈,即存在沖突點(diǎn)。此沖突點(diǎn)涉及的路段是本文研究道路堵塞的關(guān)鍵。

2 Flexsim仿真模型建立

2.1 互通立交的FLexsim的實(shí)體映射

根據(jù)Flexsim對(duì)象控件功能建立的互通立交與Flexsim對(duì)象的實(shí)體映射見表1.

表1 互通立交的Flexsim對(duì)象的實(shí)體映射Tab.1 Entity mapping of Flexsim objects for interchange

2.2 布局的建立

本文以擬建的互通立交規(guī)劃方案為依據(jù),按照規(guī)劃布局方案中各設(shè)施位置,依次把與設(shè)施對(duì)應(yīng)的Flexsim實(shí)體放置在布局圖的相應(yīng)位置[7]。

2.3 實(shí)體間的連接

所有實(shí)體須按照定義的順序進(jìn)行連接,否則,實(shí)體不會(huì)按照順序在立交上行駛[8]。如圖1、圖2所示。

圖1 車輛與道路的連接Fig.1 Connection between vehicles and roads

圖2 道路與道路的連接Fig.2 Connection between roads and roads

2.4 參數(shù)設(shè)置

實(shí)體連接后,須對(duì)交通流及各路段進(jìn)行參數(shù)設(shè)置?，F(xiàn)將交通流(semi、car、ferarri)按統(tǒng)計(jì)分布為指數(shù)分布(比例為5)來擬定初始參數(shù)。由于仿真路段數(shù)量較多,現(xiàn)取主線附加右轉(zhuǎn)路段(RightlaneEB1)及附加左轉(zhuǎn)中間道(OffRampCenterLaneEB2)擬定參數(shù)分析,中間匝道為直線+圓曲線+直線的匝道形式,具體見圖3-圖5.

圖3 Source-semi的參數(shù)設(shè)置Fig.3 Parameter setting of source-semi

圖4 RightLaneEB1的參數(shù)設(shè)置Fig.4 Parameter setting of RightLaneEB1

圖5 OffRampCenterLaneEB2的參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameter setting of OffRampCenterLaneEB2

2.5 仿真模型的建立

參數(shù)設(shè)置后,將所規(guī)劃的互通立交對(duì)象模型導(dǎo)入Flexsim仿真模型,通過調(diào)整尺寸、位置以及角度使其適當(dāng)?shù)娘@示在局視圖背景上。如圖6、7.

圖6 互通立交全景圖Fig.6 Panoramic view of interchange

圖7 互通立交正投影鳥瞰圖Fig.7 Aerial view of direct projection of interchange

3 仿真數(shù)據(jù)輸出與分析

Flexsim進(jìn)行的仿真大部分都屬于終止型仿真,最終系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)會(huì)轉(zhuǎn)換成Excel數(shù)據(jù)。Excel數(shù)據(jù)對(duì)每一個(gè)實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),進(jìn)而分析當(dāng)前模型的運(yùn)行狀態(tài)[9]。在模型在參數(shù)擬定的前提下,給定運(yùn)行時(shí)間6 000 s,首先分析輸出車輛通行時(shí)間、停留時(shí)間,堵塞率等,具體見表2.

表2 車輛通行時(shí)間和停留時(shí)間表Tab.2 Vehicle passage time and stop schedule

車輛輸出完成后,需對(duì)道路實(shí)體數(shù)據(jù)分析。模型實(shí)體數(shù)量較多,因文章重點(diǎn)分析通行及堵塞情況,故選取平交口沖突點(diǎn)所涉及的各路段實(shí)體?，F(xiàn)選取其中5個(gè)實(shí)體,每個(gè)實(shí)體與輸出車輛參數(shù)指標(biāo)一致。如表3所示。

表3 路段通行時(shí)間與停留時(shí)間Tab.3 Road passage time and stay schedule

表3分析中可得到道路某堵塞較大路段數(shù)據(jù)。從模型整體數(shù)據(jù)來看,sink1與sink2分別有5條匯聚車流,以sink2為例,主線三車道及附加右轉(zhuǎn)駛出匝道車流堵塞較小,由次要道路駛?cè)朐训缽亩鴧R聚到主線的車流在合流區(qū)產(chǎn)生的堵塞也基本可忽略(此合流區(qū)并不能稱為交織區(qū))。而最后一條支流即為次要道路平交口沖突點(diǎn)所涉及的車流,此沖突點(diǎn)影響到附加左轉(zhuǎn)道及次要道路直行路段,其堵塞率平均達(dá)到20%左右,為堵塞明顯路段,sink1同理。

根據(jù)現(xiàn)有仿真參數(shù),可模擬得到道路整體堵塞情況圖及道路總體堵塞容量與時(shí)間關(guān)系圖,由Excel表計(jì)算可得到堵塞容量總數(shù)為83.具體見圖8、9.

圖8 道路堵塞全局圖Fig.8 Global map of road congestion

由于互通立交每條道路都是相互聯(lián)系的,文中的立交模型始終處于相對(duì)平衡的狀態(tài)。在確定主線的交通量的前提下,根據(jù)不同路段的通行水平可得到總體道路的堵塞容量及堵塞百分比。從圖8上來看,雖有堵塞情況,但堵塞路段仍可保持正常通行水平,所以立交本身設(shè)計(jì)具有合理性。

圖9 道路擁塞容量與時(shí)間關(guān)系圖Fig.9 Relationship between roadcongestion capacity and time

4 仿真模型優(yōu)化

受線形制約及交通量的影響,可對(duì)平交口沖突點(diǎn)涉及的各路段進(jìn)行合理優(yōu)化,進(jìn)而進(jìn)一步改善交通堵塞。

4.1 個(gè)體路段優(yōu)化

取主線附加左轉(zhuǎn)中間道為例,分析駛?cè)霙_突點(diǎn)之前的中間道(Conveyor-1)路段。在滿足吞吐量的情況下,將原有長(zhǎng)度24增加為28,可獲優(yōu)化處理,對(duì)比分析后見圖10、11.

圖10 Conveyor-1路段運(yùn)行圖(L=24)Fig.10 Conveyor-1 road map(L=24)

圖11 Conveyor-1路段運(yùn)行圖(L=30)Fig.11 Conveyor-1 road map(L=30)

對(duì)比分析可得,不同長(zhǎng)度會(huì)對(duì)局部路段的通行能力造成影響。但由于此路段車流輸出量并無下降,所以改變此路段長(zhǎng)度對(duì)其余各路段及道路整體堵塞系數(shù)不會(huì)產(chǎn)生變化,只會(huì)影響到該路段本身。固在滿足輸出量不變的前提下,可適當(dāng)增加路段長(zhǎng)度來提升其通行能力,但增加幅度不易過大,否則會(huì)在沖突點(diǎn)處造成大面積擁堵,增加路段堵塞率,如長(zhǎng)度達(dá)到40,會(huì)造成路段堵塞率達(dá)到40.1%,嚴(yán)重影響道路通行。

4.2 整體道路優(yōu)化

通過上述個(gè)體優(yōu)化的分析,可得到在滿足路段本身輸出量不變的情況下,改變某一路段線形會(huì)對(duì)路段本身具有優(yōu)化作用,但對(duì)整體并不會(huì)產(chǎn)生較大影響?，F(xiàn)將發(fā)生器中交通流的指數(shù)分布函數(shù)均值由5改為6,進(jìn)而減小路段本身輸入交通量,對(duì)比分析后見圖12、13.

圖12 道路堵塞優(yōu)化全局圖Fig.12 Global map of road blockage optimization

圖13 道路擁塞容量與時(shí)間關(guān)系優(yōu)化圖Fig.13 Optimal graph of relationship betweenroad congestion capacity and time

據(jù)優(yōu)化圖與原始圖對(duì)比得到,當(dāng)均值從5變?yōu)?時(shí),因模型處于相對(duì)平衡狀態(tài),整體的堵塞率及通行率并不會(huì)因整體交通量的大幅度減小而明顯變化。但交通量的減小會(huì)使道路擁塞容量降低,從而降低道路堵塞程度。

5 結(jié)論

在Flexsim仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用大量數(shù)據(jù),對(duì)立交道路的通行能力和堵塞情況進(jìn)行分析及優(yōu)化,驗(yàn)證此立交模型設(shè)計(jì)的合理性,并通過改變某一道路線形或整體交通量的方式對(duì)道路堵塞進(jìn)行優(yōu)化。在保持路段輸出量不變的前提下,改變某一路段線形會(huì)增加其通行能力,且立交整體不受影響。在模型運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)平衡的狀態(tài)下,整體的堵塞率及通行率并不會(huì)產(chǎn)生明顯變化,立交仍處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),但交通量的限制會(huì)減小路段整體的擁塞容量,從而達(dá)到優(yōu)化交通的目的。

作為通用的可視化交互集成仿真環(huán)境,Flexsim對(duì)于互通立交設(shè)計(jì)也存在其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。各路段線形制約性、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的直觀性都能通過仿真模型體現(xiàn)出來,優(yōu)化后的數(shù)據(jù)對(duì)比明顯,結(jié)論清晰。但Flexsim并不能以微觀的角度來分析路段堵塞率變化的漸進(jìn)性,只能以宏觀的角度來分析結(jié)果,對(duì)于模型存在的譬如信號(hào)燈交叉口等也無法準(zhǔn)確配時(shí)。所以,利用Flexsim方法來模擬互通立交可大大縮短因研究數(shù)據(jù)而浪費(fèi)的時(shí)間,但對(duì)于實(shí)際立交道路的復(fù)雜性仍需適應(yīng)。