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、交通流及車輛運行特性，設(shè)置仿真參數(shù)及車輛行駛規(guī)則，對建立的模型進(jìn)行仿真運行。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，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：U415.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1000033X（2016）06008306

0引言

隨著中國高速公路交通量的增長，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。

國外研究人員率先提出了施工區(qū)道路安全問題、施工區(qū)限速問題、施工區(qū)作業(yè)標(biāo)志和標(biāo)識問題等，并運用Highway Capacity Software（HCS）、Synchro、Corsim、Netsim和QueWZ92等軟件模擬高速公路施工區(qū)的排隊長度與延誤[12]。中國高速公路改擴(kuò)建起步較晚，為了滿足交通量的增長需求，中國逐漸開始研究高速公路改擴(kuò)建工程。目前，國內(nèi)進(jìn)行交通組織分析主要是依靠國外的交通仿真軟件，在實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)的最小長度依據(jù)最終限速值及下坡坡度進(jìn)行設(shè)定，相對于舊規(guī)范中緩沖區(qū)的最小長度取50 m，加大了過渡區(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，運用VISSIM仿真技術(shù)，對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狀態(tài)產(chǎn)生器2個部分組成。交通仿真器包括跟車模型和車道變換模型；信號狀態(tài)產(chǎn)生器是一個信號控制軟件，可實現(xiàn)交通流的控制。VISSIM采用的跟車模型可通過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)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)及終止區(qū)等6個區(qū)段組成，如圖1所示。上游過渡區(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個區(qū)段中設(shè)置檢測點，獲得車輛速度及進(jìn)入和駛出檢測點的時間數(shù)據(jù)，為上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)及中央分隔帶開口長度的設(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向車道借道行駛。在VISSIM界面上繪制作業(yè)區(qū)，并通過連接器將各個區(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)合實際交通狀況，設(shè)定各交通控制區(qū)長度分別為：警告區(qū)1 600 m，工作區(qū)500 m，下游過渡區(qū)30 m，終止區(qū)30 m。由于上游過渡區(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)置要與實際交通流特性相符，本文從宏觀和微觀2個層面進(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交通量為1 160 pcu，交通組成見表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對交通流的描述是以單個車輛為基本單元的，每個車輛都是單獨的個體，按照期望速度和加速度行駛。但在實際的道路交通系統(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中盡可能真實地仿真模擬實際交通運行的狀態(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個方面進(jìn)行了設(shè)置，設(shè)置對話框如圖6～8所示。

2.2仿真運行

完成仿真模型建立和各項仿真參數(shù)設(shè)置即可運行仿真，經(jīng)過一系列計算和測試后輸出模擬結(jié)果，仿真車輛運行情況見圖9。

3半幅封閉模式參數(shù)設(shè)置

封閉半幅車道（開放中央分隔帶）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)通行能力作為評價指標(biāo)，對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口長度建議取值，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口前一定距離處，雙車道合流為單車道，在開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，車輛在這2種合流設(shè)置情況下產(chǎn)生的延誤一致，此時貨車產(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，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程，車道變換行為成為影響整個作業(yè)區(qū)通行能力的一個重要參數(shù)，合流漸變段即成為該路段的沖突區(qū)域。

3.2.1仿真試驗設(shè)計

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)置檢測點，以10 m為變化間隔，觀察合流漸變段（緩沖段長度固定）的長度變化對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參數(shù)，變化合流漸變段的長度，觀察仿真通行能力，結(jié)果見圖13。

圖13表明合流漸變段長度的變化對仿真通行能力的影響較大：在80 m以前，隨著合流漸變段長度的增加，作業(yè)區(qū)通行能力在不斷增加；超過80 m之后，隨著合流漸變段長度的增加，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度為80 m時能夠滿足養(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，合流漸變度長度采用80 m。

3.3合流緩沖段長度

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，同時壓縮車道，使車輛減速，防止車輛在進(jìn)入中央分隔帶開口處時判斷失誤，發(fā)生交通事故。

3.3.1仿真試驗設(shè)計

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)置檢測點，以10 m為變化間隔，觀察合流緩沖段（漸變段長度固定）的長度變化對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參數(shù)，變化合流緩沖段的長度，觀察仿真通行能力的變化，結(jié)果見圖14。

圖14顯示，在100 m前隨著緩沖段長度的增加，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)置得越長越好，緩沖段設(shè)置過長，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，而錯過中央分隔帶開口處的過渡，進(jìn)而引起交通事故。故建議合流緩沖段長度取值在80～120 m，推薦采用100 m。

3.4中央分隔帶開口長度

中央分隔帶開口長度影響作業(yè)區(qū)通行能力，開口太長不夠經(jīng)濟(jì)實用，且對兩側(cè)車流的干擾增大，開口過短導(dǎo)致通行能力不足，影響整個路段的暢通。因此需要對中央分隔帶路段進(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口長度。在采用二次變道的車輛合流方式時，中央分隔帶開口處車輛運行情況見圖15。

3.4.1仿真試驗設(shè)計

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為變化步長評價其路段通行能力，觀察開口長度變化對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參數(shù)，變化中央分隔帶開口長度，觀察仿真通行能力的變化，結(jié)果見圖16。

由圖16得出：中央分隔帶開口長度與作業(yè)區(qū)通行能力密切相關(guān)，在開口長度達(dá)到100 m之前，隨著開口長度的增加，其通行能力隨之增長；而在開口長度達(dá)到100 m以后，隨著開口長度的增加，對兩側(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口長度取值為100 m。

4結(jié)語

本文對設(shè)計速度為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，合流漸變段長度為80 m時能夠滿足養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)較大交通量的要求，合流緩沖段長度取值在80～120 m時，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度分別為80 m與100 m。

（4）中央分隔帶開口長度對作業(yè)區(qū)通行能力有一定的影響，通過對不同的中央分隔帶開口長度模型進(jìn)行仿真與分析，得出中央分隔帶開口長度為100 m時路段通行能力達(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)實際工程的道路條件、車輛運行及交通流等特性設(shè)定相關(guān)仿真參數(shù)，得出符合實際施工特點的各區(qū)段長度的建議值，為高速公路改擴(kuò)建交通組織提供決策。

參考文獻(xiàn)：

[1]CHIEN S， SCHONFELD P.Optimal Work Zone Legths for Fourlane Highways[J].Journal of Transportation Engineering，2001，127（2）：124131.

[2]高凡丁，王衛(wèi)平，李升科.美國管控車道概念對中國交通組織管理的啟示[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2015，32（4）：6772.

[3]李淑慶，瞿春濤，單傳平，等.基于交通仿真軟件的交通組織方案評價研究[J].交通與計算機(jī)，2007，25（4）：2628.

[4]南春麗，嚴(yán)寶杰，歐嚴(yán)嚴(yán)，等.城市交通組織優(yōu)化仿真模型及參數(shù)估計方法[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，27（5）：8488.

[5]韋勇球，趙利蘋，袁春建，等.高速公路改擴(kuò)建交通組織仿真.[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，32（4）：3843.

[6]李永義.高速公路施工路段交通組織方案設(shè)計與評價研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[7]韓躍杰.高速公路改擴(kuò)建作業(yè)區(qū)交通組織及安全保障技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[8]王麗，劉小明，任福田，等.交通仿真在交通影響分析中的應(yīng)用[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2004，4（3）：7073.