高速公路特殊路段交通流仿真研究

李德才，儲(chǔ)江偉*，何 萌，張國勝

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 運(yùn)輸車輛運(yùn)行安全技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088)

對(duì)于在高速公路上行駛的車輛，經(jīng)常要使用監(jiān)控系統(tǒng)來對(duì)其進(jìn)行調(diào)查和測試。但是，監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要一定的時(shí)間，并且進(jìn)行交通數(shù)據(jù)采集時(shí)收集的一些數(shù)據(jù)無法通過普通的實(shí)驗(yàn)測試方法，而且花費(fèi)的成本較大。交通流仿真技術(shù)并不需要一個(gè)真正的交通系統(tǒng)，它經(jīng)濟(jì)方便，便于參與，可重復(fù)，特別是在對(duì)交通量發(fā)生顯著變化的道路，例如高速公路等道路類型的研究時(shí)，能夠詳細(xì)地模擬高速公路交通流量的變化，更好地幫助我們理解交通流的物理過程，提供更準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)變化的可行性分析和技術(shù)支持，同時(shí)也為進(jìn)行交通控制提供一個(gè)平臺(tái)來進(jìn)行直觀地分析和決策[1-2]。

1 高速公路特殊路段交通流仿真數(shù)據(jù)調(diào)查

為了進(jìn)行高速公路交通流仿真需要，將哈爾濱市繞城高速的松花江大橋路段中所截取的600 m作為仿真路段，如圖1所示，采用此路段的交通調(diào)查數(shù)據(jù)作為相關(guān)交通仿真參數(shù)。

圖1 哈爾濱繞城高速松花江路段平面圖

1.1 公路基本情況

哈爾濱繞城高速公路(G1001)由東南段(東風(fēng)至瓦盆窯)、西段(瓦盆窯至秦家)和東北段(秦家至東風(fēng))三部分組成，設(shè)計(jì)行車時(shí)速為120 km，全長為92 km。其建設(shè)規(guī)模為雙向四車道、全封閉、全立交高速公路。該路最早投入建設(shè)的東南段(全長29.3 km)于1998年開工，2001年建成通車，經(jīng)過11年的建設(shè)施工，東北段也于2009年10月交工通車，哈爾濱繞城高速公路實(shí)現(xiàn)了全線貫通。作為哈爾濱市乃至黑龍江省公路的中心樞紐，哈爾濱繞城高速公路通過10個(gè)互通區(qū)與京哈、綏滿、黑大、同三等8條高速公路、8條一級(jí)路和19條城市快速干道相連，以哈爾濱為軸心，包括環(huán)城過境高速公路以及向長春、牡丹江、佳木斯、綏化、大慶五個(gè)方向輻射的“一環(huán)五射”高速公路體系已完全形成。實(shí)現(xiàn)過境車輛全環(huán)路通行，不再進(jìn)入哈爾濱市區(qū)，每天可從市區(qū)疏導(dǎo)出近3萬臺(tái)車輛，對(duì)拉動(dòng)黑龍江省經(jīng)濟(jì)發(fā)展、建立新型高效的物流系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用。

1.2 交通流情況

通行能力計(jì)算中大型車換算成小客車的車輛換算系數(shù)見表1[1]。

表1 高速公路的大型車換算系數(shù)

大型車包括中型與重型的載貨汽車、拖掛車、通道式大型客車；小客車包括吉普車、摩托車和載重小于2 t的載貨車以及座位數(shù)小于12個(gè)的面包車。根據(jù)表1，因?yàn)樗÷范蔚貏?shì)較平坦，所以大型車換算系數(shù)取1.7。

調(diào)查時(shí)間為2013年2月，分別挑選正常條件下(路面已清雪)和冰雪條件下(正在下雪或雪后未清雪)的交通調(diào)查，在時(shí)段9∶00～9∶20分別進(jìn)行，室外溫度零下20～25℃，每10 min調(diào)查一次。選取交通量較高的10 min測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過換算后得到小時(shí)流率。

經(jīng)整理后的交通調(diào)查數(shù)據(jù)見2和表3。在進(jìn)行交通調(diào)查時(shí)用雷達(dá)測速儀測量車速，雷達(dá)測速儀配套的高速打印機(jī)可將測量結(jié)果和測量時(shí)間一起打印輸出。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)整理，得出20 min內(nèi)的駛過的車輛的平均車速為78.78 km/h(正常條件下)，72.67 km/h(冰雪條件下)。

表2 正常條件下哈爾濱繞城高速交通調(diào)查表

表3 冰雪條件下哈爾濱繞城高速交通調(diào)查表

表4 正常條件下出口匝道交通調(diào)查表

表5 冰雪條件下出口匝道交通調(diào)查表

表6 正常條件下入口匝道交通調(diào)查表

表7 冰雪條件下入口匝道交通調(diào)查表

2 建立交通流仿真模型

2.1 仿真軟件

本次方針采用VISSIM 軟件，它是一種微觀、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，用以建模分析各種交通條件下(車道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號(hào)、公交站點(diǎn)等)城市和公共交通的運(yùn)行狀況，是評(píng)價(jià)交通工程設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃方案的有效工具[3]。VISSIM采用的核心模型是德國Karlsruhe大學(xué)Wiedemann教授于1974年建立的生理—心理駕駛行為模型，其基本思路是當(dāng)后面行駛的駕駛員自己認(rèn)為前車到自己的距離小于其心理安全距離時(shí)，會(huì)相應(yīng)的減速行駛。但是后車駕駛員沒有辦法準(zhǔn)確無誤地判斷安全距離，則它會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)以低于前車的車速行駛，知道兩車之間距離達(dá)到另一個(gè)心理安全距離時(shí)，后車會(huì)緩慢地加速行駛，這樣周而復(fù)始的形成一個(gè)加速、減速的迭代過程[4-7]。

2.2 參數(shù)設(shè)置

行駛方向?yàn)閺奈髂舷驏|北的路段編號(hào)設(shè)為1，車道數(shù)設(shè)為3，車道寬度設(shè)為3.75 m，道路類型選擇高速公路。同理，行駛方向?yàn)閺臇|北向西南的路段編號(hào)設(shè)為2，車道數(shù)設(shè)為3，車道寬度設(shè)為3.75 m[8-11]。默認(rèn)仿真時(shí)長為3 600 s，隨著路面狀況不同參數(shù)的設(shè)置也不同，具體的參數(shù)設(shè)置詳見表8。

表8 不同路面狀況的參數(shù)設(shè)置

路網(wǎng)評(píng)價(jià)的配置選擇處于激活狀態(tài)的車輛數(shù)、行程時(shí)間、平均車速。行程時(shí)間和路段評(píng)價(jià)中，時(shí)間設(shè)為0到3 600 s，時(shí)間間隔為360 s。路段評(píng)價(jià)中選擇車速、仿真時(shí)間、交通流這三個(gè)參數(shù)。

2.3 交通流仿真結(jié)果

為了方便統(tǒng)計(jì)，仿真出入口匝道的路段設(shè)定長度450 m，該路段為兩個(gè)路幅(從東北到西北方向和從西北到西南方向)，每個(gè)路幅都只有一個(gè)車道。從東北向西北方向的編號(hào)為1，從西北向西南方向的路幅編號(hào)為2。仿真過程完成后將生成文件，整理仿真結(jié)果見表9和10。

表10 冰雪條件下仿真結(jié)果

通過表1和表2對(duì)比發(fā)現(xiàn)：相同的出入口匝道在正常條件下和冰雪條件下的交通量相差不多；冰雪條件下的平均行程時(shí)間略高于正常條件下的平均行程時(shí)間；由雷達(dá)測速儀測出的平均車速都在50～60 km/h，正常條件下的平均車速略高于冰雪條件下的平均車速。

3 結(jié)束語

通過軟件仿真的方法，以哈爾濱市繞城高速的松花江大橋路段的某一段特殊路段作為調(diào)查對(duì)象，進(jìn)行實(shí)際調(diào)研。用雷達(dá)測速儀測出了在實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)經(jīng)過車輛的車速，并且分方向、分車型進(jìn)行了交

通量統(tǒng)計(jì)。經(jīng)計(jì)算后，平均車速都在50～60 km/h，正常條件下的平均車速略高于冰雪條件下的平均車速。用VISSIM軟件仿真，從輸出的數(shù)據(jù)中可以看出冰雪條件下的平均行程時(shí)間略高于正常條件下的平均行程時(shí)間。冰雪條件下的高速公路基本通行能力大幅降低。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]張亞平.道路通行能力理論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

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[4]裴玉龍，張亞平.道路交通系統(tǒng)仿真[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]任三軍.高速公路匝道局部感應(yīng)調(diào)節(jié)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

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