基于VISSIM的互通立交環形匝道行車道寬度仿真研究

羅冬宇，陳景雅，王為義，吳 菲

（1.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京210098；2.云南省城鄉規劃設計研究院，云南 昆明650100）

基于VISSIM的互通立交環形匝道行車道寬度仿真研究

羅冬宇1，陳景雅1，王為義1，吳 菲2

（1.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京210098；2.云南省城鄉規劃設計研究院，云南 昆明650100）

隨著交通流量逐年遞增，社會對高速公路的行車安全性要求也在不斷提升，而高速公路互通立交又是交通事故的高發地，尤其環形匝道處更表現為事故多發段。因此，對互通立交環形匝道進行改造已經成為亟需解決的問題。結合常州西繞城高速鳴凰樞紐互通立交工程實例，采用交通微觀仿真軟件VISSIM建立鳴凰樞紐互通立交環形匝道的仿真模型，對比各種改造方案下的各項控制指標，從而確定最佳的行車道加寬值為0.50 m。

互通立交；環形匝道；加寬；VISSIM

互通立交的匝道是高速公路系統必不可少的組成部分，是高速公路和地方道路相互轉向的重要連接通道。隨著交通流量的不斷增大，互通立交樞紐運行方向的復雜性以及人為因素，都使得互通式立交成為交通事故的高發地。而匝道區域較主線區域又有著更為復雜的交通環境[1-3]。因此，匝道區域成為高速公路的交通瓶頸和事故易發點、多發點。國內外統計數據表明，高速公路互通立交匝道處發生的交通事故占整個高速公路交通事故的30%以上，而在這其中，環形匝道更是事故多發段[4]。通過調研國內樞紐環形匝道的安全運營狀況，進而發現環形立交匝道設計指標均能滿足設計要求，但事故率仍居高不下，因而環形立交匝道在設計指標使用上仍需進一步深入研究。

鑒于此，本文結合VISSIM交通仿真軟件，并以常州西繞城高速鳴凰樞紐互通立交環形匝道工程為例，優化互通立交環形匝道幾何設計參數的選用，調整環形匝道的加寬值，消除環形匝道的事故隱患[5]。

1 工程概況

鳴凰樞紐互通位于武進區鳴凰鎮西，被交道路為寧常高速公路，路基寬度35.0 m，設計速度120 km/h[6]。該樞紐互通主要是實現常合高速公路和常州西繞城高速公路的交通轉換而設置。隨著交通物流行業和私家車的逐年遞增，由常合高速轉常州西繞城高速的交通流量從開通時日均2 471輛已增加至日均8 938輛。自2011年12月建成通車以來，截至2015年10月，鳴凰樞紐共發生交通事故62起。事故主要集中在環形匝道處，其中多為撞擊外側護欄。現狀該環形匝道的匝道環形曲線上路基橫斷面寬度7.50 m（不含土路肩），此時匝道寬度滿足通行要求，但大型車輛在匝道上仍轉彎困難，且事故造成的原因主要是超速，通過現場測速，通過該環形匝道車輛最小速度為38 km/h，最大車速達到了98 km/h，平均時速64 km/h。由于樞紐匝道主要是單向單車道，交通意外事故發生后易引發交通堵塞，造成車輛積壓。由于匝道寬度較窄（單車道匝道路基寬度8.50 m），超標車輛容易阻斷整個車道，給事故排障和維修作業增加了處理難度，處理事故的時間較長，導致該方向中斷交通時間延長。據不完全統計，自常州西繞城高速公路開通至今，鳴凰西樞紐由于交通意外事故導致中斷交通共計6起，中斷總時長為10小時左右。因此，鳴凰樞紐匝道改造工程是十分必要和迫切的。

適當增加匝道寬度，在發生事故時，便于救援工作的開展，同時有利于駕駛員做出反應，增加緩沖距離，提高行車安全[7-8]。

2 改造方案

2.1 增加行車安全

考慮車速的影響，對半掛車在圓曲線上行駛加寬可由圖1所示，并按下式計算[9]

圖1 車道加寬示意圖Fig.1 Sketch map of lane widening

式中：b1為牽引車加寬值，m；

b2為拖車加寬值，m；

A1為牽引車保險杠至第二軸的距離，m；

A2為第二軸至拖車最后軸的距離，m；

R為圓曲線半徑，m；

N為車道數。

由于物流業的發展，越來越多的大型運輸車輛利用該樞紐。根據《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限值》（GB1589-2004）[10]中有關規定，允許上路的車輛長度不得超過20 m，但經過現場測量，大型運輸車輛長度可達35 m。

因此根據如圖2所示的半掛車的計算示意圖，由公式（1）計算，當半掛車車長為35 m時，在半徑為60 m，設計速度40 km/h的匝道上總加寬值應為6.80 m。

圖2 半掛車計算示意圖Fig.2 Sketch map of semi-trailer

當大型客車、貨車轉向困難時，可占用硬路肩。因此，實際需要匝道路基橫斷面寬度為10.55 m。現狀鳴凰樞紐G匝道為環形匝道路基橫斷面寬度7.50 m（不含硬路肩），此時匝道寬度不能滿足大型運輸車通行要求，需考慮對鳴凰樞紐G匝道進行加寬處理。

2.2 仿真模型建立

借助VISSIM軟件仿真，對鳴凰樞紐G環形匝道的交通運行特性進行統計和分析，建立仿真模型。設定為Wiedemann99車輛跟馳模型，選用重載卡車作為主要大車車輛模型，比例為20%，其他車輛參數依照小汽車進行設定相對流量為80%[11]。假設G匝道單向交通量為1 900 pcu/h，主線車輛行駛進入減速車道并分流到G匝道和C匝道的分流比為7:3，建立環形匝道加寬方案的仿真模型。

仿真模型遵循以下原理：交通流釋放進入路網，在減速車道起點處設置第一個期望速度決策點變速，交通流通過此處開始減速，逐步衰減到匝道設計速度，在出口合流鼻處設置第二個期望速度決策點，合流至主線。由于仿真的隨機性，為確保仿真結果穩定性，需剔除初始階段交通數據[12]。因此交通流通過第一個期望速度決策點后，不進行數據采集，給足車輛變速緩沖距離，在匝道圓曲線上設置一系列數據采集點來采集交通流數據，并進行分析。

2.3 仿真模型評價

根據加寬需要，分別建立了匝道行車道寬度為 3.75，4.00，4.25，4.50 和 4.75 m 5 種匝道仿真模型。仿真模擬得出了設定期望車速決策點以后，交通流在環形匝道的平均延誤情況，繪制對應各方案的平均延誤對比圖如圖3。

經過數據統計分析與處理，高峰時段G匝道（匝道行車道寬3.75 m）的車均延誤的平均值為23.2 s，G匝道行車道每加寬0.25 m車均延誤與初始匝道寬的車均延誤平均值相比，平均降幅依次為45.4%，61.9%，65.8%和78.2%。鳴凰樞紐G匝道行車道加寬至4.50 m及4.75 m時的車均延誤與G匝道行車道4.25 m時車均延誤相比僅降幅3.9%和16.3%。因而，鳴凰樞紐G匝道行車道為4.25 m以上時，以匝道加寬來降低車輛延誤的效果收益降低。

為進一步確定最佳行車道加寬寬度，對鳴凰樞紐G匝道的行車排放和油耗進行統計和分析，得到10 min內高峰時段不同行車道寬度的G匝道全部行車排放總量及車輛總油耗如表1所示。

圖3 匝道車輛平均延誤對比Fig.3 Average delay comparison of ramp vehicles

表1 匝道行車排放與能耗Tab.1 Traffic emission and energy consumption on the ramp

交通能源的消耗及交通排放對環境的污染不容小覷，在保證交通行車安全條件下，還需考慮交通系統能源消耗和排放對環境的影響以及工程的經濟效益的平衡，以交通效益最大化和工程成本最小化為優化目標，進行圖4，圖5所示的綜合對比分析[13]。根據工程量的計算可知，環形匝道每加寬0.5 m，所需工程造價增加約30萬元。

圖4 行車排放與工程造價對比曲線圖Fig.4 Comparison curve of vehicle emission and construction cost

圖5 行車油耗與工程造價對比曲線圖Fig.5 Comparison curve of driving energy consumption and construction cost

由圖表統計的行車排放與能耗可看出，G匝道行車道每加寬0.25 m的行車排放總量，與初始匝道寬的行車排放總量相比，依次降幅為40.1%，60.5%，73.0%和85.2%，匝道行車道寬度超過4.25 m后，行車排放量降幅力度下降。類似的，行車能耗總量的降幅趨勢與行車排放量相同。

通過對比G匝道的加寬方案工程造價發現，當匝道行車道寬4.00 m時，雖可實現較低的工程造價，卻換得的是較高的行車排放和能耗；當匝道行車道寬為4.50 m及4.75 m時，雖可保證穩定的排放和低量的能耗，卻需花費高額造價，在圖5及圖6中的交點處為效益與成本的最優方案，綜合分析推薦匝道行車道加寬至4.25 m，且為了增大緩沖距離，防止車輛撞擊匝道左側護欄，將左側硬路肩寬度從現狀1.0 m加寬至2.0 m（含左側路緣帶）；將右側硬路肩從現狀2.5 m加寬至新規范中規定的3.0 m（含左側路緣帶）。鳴凰樞紐G匝道環形曲線的路基橫斷面整體加寬，加寬后匝道曲線處路基橫斷面寬度為10.75 m。

3 結論

本文結合常州西繞城高速鳴凰樞紐互通立交工程實例，對環形匝道改造方案進行仿真模擬，經統計分析，得出如下結論：

1）環形G匝道是鳴凰樞紐互通立交的事故易發點、多發點，為提高行車安全，滿足大型運輸車的通行要求，經計算，需要匝道路基橫斷面寬度至少為10.55 m，因此對G匝道進行加寬處理；

2）構建鳴凰樞紐G匝道的仿真評價模型，分析匝道曲線段的車均延誤，并進行匝道行車排放和油耗與加寬方案工程造價的綜合對比優化，推薦G匝道行車道寬度加寬至4.25 m，加寬后G匝道曲線處路基橫斷面寬度為10.75 m；

3）本文在鳴凰樞紐環形匝道事故數據統計分析的基礎上，基于VISSIM仿真軟件構建高速公路互通立交環形匝道改造方案模型。通過對仿真模型進行綜合評價和對比分析，有針對性地提出環形匝道的加寬方案，有利于減少由環形匝道不良線形而導致的交通事故黑點，提高高速公路的整體服務質量和安全水平。

[1]張騰.基于VISSIM的長安立交合流區通行能力仿真研究[D].西安：長安大學，2013：8-11.

[2]白志軍，陳慧，張紹理.高速公路互通立交出入口位置行車安全性分析[J].中外公路，2015，35（5）：334-337.

[3]周文杰.淺談互通立交的匝道設計[J].價值工程，2013（33）：78-80.

[4]張煒.高速公路互通立交出口匝道安全設計與評價[D].南京：東南大學，2015：14-15.

[5]姚宇.交通仿真技術在互通立交設計中的應用[J].現代交通技術，2016，13（2）：77-80.

[6]李浩，王城.樞紐立交方案設計探析——以鳴凰西樞紐立交方案設計為例[J].交通工程，2013，9（2）：115-118.

[7]黃光耀，潘飛鵬，羅慧，等.高速公路互通立交改建施工交通組織方案研究[J].公路與汽運，2014（2）：84-87.

[8]李俊鋒，劉濤，俞洪熙.雙向雙車道公路曲線段加寬研究[J].公路交通科技，2014（9）：50-52.

[9]楊少偉.道路勘測設計[M].北京：人民交通出版社，2009：100-101.

[10]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB1589-2004.道路車輛外廓尺寸軸荷及質量限值[S].北京：中國標準出版社，2012.

[11]沈巍，韓敏，王建軍.基于vissim仿真模型的進口道延誤研究[J].公路交通科技，2014（3）：300-303.

[12]尹雨絲，吳中.環形交叉口交織區通行能力的一個新理論模型[J].華東交通大學學報，2015，32（1）：49-53.

[13]龍江英.城市交通體系碳排放測評模型及優化方法[D].武漢：華中科技大學，2012：30-37.

Simulation Study on Lane Width of Interchange Ring Ramp Based on VISSIM

Luo Dongyu1，Chen Jingya1，Wang Weiyi1，Wu Fei2
（1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China；2.Urban and Rural Planning and Design Institute of Yunnan Province,Kunming 650100,China）

With the progressive increase of traffic flow year by year,traffic safety of expressways has been an increasingly important concern in the society.The expressway interchange is the frequent spot for traffic accidents,especially the ring ramp.Therefore,reforming the interchange ramp has become an urgent problem.By investigating Changzhou West Beltway Minghuang hub interchange project,this paper established the simulation model of Minghuang ring hub interchange ramp through the microscopic traffic simulation software VISSIM.It conducted comparative analysis of various controlling indexes under different schemes and obtained the best widening 0.50 m.

interchange； ring ramp； widening； VISSIM

（責任編輯 王建華）

U412.38

A

1005-0523（2017）06-0033-05

2017－08－01

羅冬宇（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為道路路線設計線形安全。

陳景雅（1967—），女，教授，主要研究方向為道路設計與路面材料。