基于VISSIM 仿真的潮汐車(chē)道設(shè)置方案優(yōu)化

魏雙秋，潘義勇 WEI Shuangqiu， PAN Yiyong

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

(College of Automobile and Traffic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

0 引 言

潮汐交通流現(xiàn)象造成了道路時(shí)間和空間資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而潮汐車(chē)道的應(yīng)用可以有效利用道路的基礎(chǔ)設(shè)施資源。因此，設(shè)置潮汐車(chē)道是解決潮汐交通流現(xiàn)象的重要手段之一。

針對(duì)潮汐車(chē)道，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有了一定的研究，建立了潮汐車(chē)道分配優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)學(xué)方法來(lái)印證車(chē)道分配的合理性[1]，建立了潮汐車(chē)道分配方案的雙層規(guī)劃模型[2]，在考慮車(chē)道數(shù)對(duì)路段單向通行能力影響的基礎(chǔ)上研究可變車(chē)道優(yōu)化設(shè)置方法[3]，考慮環(huán)境效益設(shè)置可變車(chē)道方案[4]，潮汐走廊過(guò)飽和狀態(tài)下瓶頸路段兩端雙交叉口的信號(hào)實(shí)時(shí)協(xié)同配時(shí)方案[5]，Konstantinos 等提出了一種基于FD 的切換策略，用于平穩(wěn)高效的高速公路潮汐流運(yùn)行[6]，Punith 等通過(guò)仿真模型評(píng)估可變車(chē)道的運(yùn)行組織[7]，Lu 等建立了可變車(chē)道行駛方向的動(dòng)態(tài)控制方法[8]，在國(guó)內(nèi)外的研究中缺少通過(guò)仿真得到最優(yōu)方案的案例分析研究。通過(guò)對(duì)潮汐車(chē)道的仿真，可以為潮汐車(chē)道方案可行性提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為潮汐車(chē)道的應(yīng)用提供理論支持。設(shè)置潮汐車(chē)道對(duì)緩解道路潮汐交通擁堵，提高交通安全，減少道路基礎(chǔ)設(shè)施資源的浪費(fèi)，降低時(shí)間、成本費(fèi)用具有一定的意義。

本文以解決潮汐交通問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，首先介紹形成潮汐交通流的原因和潮汐交通流的時(shí)空分布不均衡特性以及設(shè)置潮汐車(chē)道的前提條件，分析交通仿真評(píng)價(jià)的基本參數(shù)和指標(biāo)。其次提出潮汐車(chē)道的設(shè)置方案，以雙向六車(chē)道為例進(jìn)行潮汐車(chē)道方案描述和運(yùn)行組織分析。第三以加拿大Whitemud Drive 高速公路作為實(shí)例，設(shè)置路網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行仿真運(yùn)行，對(duì)比使用潮汐車(chē)道前后對(duì)道路交通的改善情況。最后，總結(jié)了本文的研究成果以及進(jìn)一步研究的方向。

1 潮汐車(chē)道及其仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)參數(shù)

1.1 潮汐交通現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

（1） 工作地和居住地嚴(yán)重脫離是潮汐交通產(chǎn)生的根本原因。高速公路和城市快速路開(kāi)始出現(xiàn)明顯潮汐交通流現(xiàn)象。

（2） 城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量增加，尤其是私家車(chē)的數(shù)量和城市出租車(chē)的數(shù)量，使道路基礎(chǔ)設(shè)施通行能力下降。

（3） 大型集會(huì)活動(dòng)、節(jié)假日、休息日、交通事故等偶發(fā)性事件造成道路潮汐式交通現(xiàn)象。

1.2 潮汐交通現(xiàn)象的時(shí)空分布

（1） 時(shí)間分布不均衡特性。潮汐交通集中出現(xiàn)在出行高峰時(shí)段，體現(xiàn)在日變化和時(shí)變化上。

（2） 空間分布不均衡特性。高峰時(shí)，大量車(chē)流單方向通過(guò)城市道路，使得道路一方嚴(yán)重交通擁堵，另一方基礎(chǔ)設(shè)施資源浪費(fèi)。

1.3 潮汐車(chē)道的設(shè)置條件

設(shè)置潮汐車(chē)道必須滿足以下基本前提條件：

（1） 路段上機(jī)動(dòng)車(chē)道設(shè)置的數(shù)量必須在三個(gè)車(chē)道及以上；

（2） 道路上沒(méi)有固定式中央分隔設(shè)施或有軌電車(chē)；

（3） 交通量的方向分布系數(shù)k＞2/3，有：

其中：k 為q1方向交通流的分布系數(shù)，q1、q2為兩個(gè)流向上的斷面交通流量[4]。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

由VISSIM 用戶手冊(cè)[9]，選取以下指標(biāo)作為仿真評(píng)價(jià)的參數(shù)。

（1） 速度。平均車(chē)速評(píng)價(jià)道路交通或道路某線路的運(yùn)行狀況。地點(diǎn)速度在現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常用到，是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)行管理和相關(guān)交通學(xué)術(shù)研究的重要參數(shù)指標(biāo)。計(jì)算公式如下所示：

（2） 占有率。如果能夠測(cè)出道路上每一正在運(yùn)行車(chē)輛的車(chē)身長(zhǎng)度，便可通過(guò)計(jì)算獲得該條道路的車(chē)道占有率，即道路資源的利用情況。計(jì)算公式如下所示：

實(shí)際上，所有車(chē)輛的長(zhǎng)度不易獲得，所以常利用車(chē)道的時(shí)間占有率計(jì)算得到。計(jì)算公式如下所示：

（3） 行程時(shí)間。使用行駛時(shí)間作為評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算公式如下：

其中：s 為路段長(zhǎng)度，v 為車(chē)輛平均速度。

（4） 延誤。潮汐交通的行程延誤主要是重交通流方向的交通排隊(duì)延誤，其計(jì)算公式如下：

其中：td為延誤時(shí)間，ts為實(shí)際行程時(shí)間，ta為標(biāo)準(zhǔn)行程時(shí)間。

2 潮汐車(chē)道方案設(shè)計(jì)

2.1 潮汐車(chē)道方案描述

根據(jù)設(shè)置潮汐車(chē)道必須滿足的前提條件，每一方向的車(chē)道數(shù)目至少有1 個(gè)，給定總的車(chē)道數(shù)為n （n≥ ）3 ，潮汐車(chē)道設(shè)置方式有n-1 種，如表1 所示。

以雙向六車(chē)道為例，某一高峰時(shí)段潮汐車(chē)道的設(shè)置方案如圖1 所示。

表1 潮汐車(chē)道方案設(shè)計(jì)表

圖1 潮汐車(chē)道設(shè)置方案

假設(shè)AB 路段為有潮汐流現(xiàn)象的路段，從節(jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)B 方向的流量遠(yuǎn)大于該路段的通行能力，而從節(jié)點(diǎn)B 到節(jié)點(diǎn)A 方向的交通量較少，道路資源利用率較低，則可以改變節(jié)點(diǎn)B 到節(jié)點(diǎn)A 方向的一個(gè)或兩個(gè)車(chē)道為節(jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)B 方向。以雙向六車(chē)道為例，某一高峰時(shí)段的潮汐車(chē)道設(shè)計(jì)方案有三種。潮汐車(chē)道數(shù)為n=0 時(shí)，為未設(shè)置潮汐車(chē)道的情況，仿真時(shí)作為對(duì)照進(jìn)行對(duì)比。潮汐車(chē)道數(shù)為n=1 時(shí)，輕交通流方向（B- A ）改變一條車(chē)道為重交通流方向（A- B ）；潮汐車(chē)道數(shù)為n=2 時(shí)，輕交通流方向（B- A ）改變兩條車(chē)道為重交通流方向（A- B ）。仿真時(shí)將該兩種調(diào)整方案與對(duì)照方案進(jìn)行比較。潮汐車(chē)道方案設(shè)計(jì)要從所有方案中選擇最優(yōu)方案，確定配置的潮汐車(chē)道的數(shù)量。

2.2 設(shè)置潮汐車(chē)道的運(yùn)行組織

圖2 雙向六車(chē)道潮汐車(chē)道運(yùn)行

以圖2 所示的雙向六車(chē)道為例，要求中間無(wú)硬質(zhì)分隔帶，在潮汐車(chē)道兩邊道路標(biāo)線下安裝地?zé)?，?jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)B 方向流量遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)B 到節(jié)點(diǎn)A 方向。高峰時(shí)，車(chē)流量增大，潮汐流現(xiàn)象明顯，當(dāng)兩個(gè)方向上車(chē)道分布系數(shù)達(dá)到一定的值時(shí)，就開(kāi)通潮汐車(chē)道的通道，此時(shí)重交通流方向地?zé)麸@示為綠色，輕交通流方向地?zé)麸@示為紅色。潮汐車(chē)道數(shù)為1 時(shí)，標(biāo)號(hào)3、4、5、6四個(gè)車(chē)道為重交通流方向的車(chē)道，標(biāo)號(hào)1、2 為輕交通流方向的車(chē)道，其中3 號(hào)車(chē)道為潮汐車(chē)道。潮汐車(chē)道數(shù)為2 時(shí)，2、3、4、5、6 號(hào)為重交通流方向的車(chē)道，1 號(hào)為輕交通流方向的車(chē)道，其中2、3 號(hào)車(chē)道為潮汐車(chē)道。當(dāng)重交通流方向的擁堵減小到一定程度，關(guān)閉潮汐車(chē)道，地?zé)麸@示為黃色，這期間等待正在行駛的車(chē)輛駛出潮汐車(chē)道。當(dāng)潮汐車(chē)道內(nèi)無(wú)車(chē)輛時(shí)，道路恢復(fù)正常行駛。

3 實(shí)例仿真分析及方案選擇

在OpenITS 中獲得加拿大Whitemud Drive 高速公路的公開(kāi)數(shù)據(jù)，本文選用該條道路的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。Whitemud Drive高速公路是一條橫穿加拿大阿爾伯塔省埃德蒙頓市的市內(nèi)高速公路，全長(zhǎng)28 公里。將這條高速公路作為試驗(yàn)道路，Whitemud Drive 高速公路在其主干道和匝道上裝有地感線圈，可以測(cè)得車(chē)輛的流量、車(chē)輛的速度以及車(chē)輛的密度，地感線圈的調(diào)查數(shù)據(jù)采集間隔為20s，記錄長(zhǎng)度為24 小時(shí)，采集時(shí)間為2015 年8 月5 日至2015 年8 月20 日。

施工圖是市政建設(shè)施工的關(guān)鍵，包含的內(nèi)容比較多，比如施工質(zhì)量、施工成本投入、工程量、施工進(jìn)度等，市政工程施工方案制定要采取公開(kāi)招標(biāo)形式，然后在所有的圖紙中進(jìn)行篩選，選出幾個(gè)較為滿意的圖紙，召開(kāi)施工圖審核大會(huì)，邀請(qǐng)專(zhuān)家、工程師、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者參與，在大會(huì)上設(shè)計(jì)人員要進(jìn)行技術(shù)交底，相關(guān)人員討論施工圖的可行性，同時(shí)還要綜合考慮施工進(jìn)度、施工技術(shù)難度、施工成本等，然后選擇性價(jià)比最高的設(shè)計(jì)圖紙。另外，為了確保施工圖萬(wàn)無(wú)一失，要將圖紙交給專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行審核，確保圖紙中沒(méi)有任何錯(cuò)誤，避免實(shí)際施工中頻繁出現(xiàn)圖紙更改，從而引發(fā)市政建設(shè)質(zhì)量問(wèn)題。

由于本文的研究對(duì)象為高速公路主線路段，為了排除匝道車(chē)輛對(duì)其影響，選用2015 年8 月13 日1032 號(hào)檢測(cè)器和1033 號(hào)檢測(cè)器高峰時(shí)段的交通流數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練，路段的長(zhǎng)度為1.6km，為雙向六車(chē)道，以5 分鐘為間隔統(tǒng)計(jì)其晚高峰時(shí)段（17:00～18:00） 的雙向交通流率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、圖3 所示。

表2 高峰小時(shí)交通流率表

由調(diào)查知道，這條道路上無(wú)固定式中央分隔設(shè)施或者有軌電車(chē)，道路數(shù)量超過(guò)3 個(gè)，方向分布系數(shù)為0.61。

3.1 微觀交通仿真環(huán)境構(gòu)建

通過(guò)谷歌地圖獲得Whitemud Drive 高速公路的衛(wèi)星云圖導(dǎo)入VISSIM 中。在仿真軟件中，需要假設(shè)所有的車(chē)輛在潮汐車(chē)道區(qū)段中正常行駛，同時(shí)忽略駛?cè)牒婉偝龀毕?chē)道這段距離產(chǎn)生的影響。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，選擇Wiedemann74 模型，設(shè)置車(chē)頭間距為1.5m，在駕駛行為標(biāo)定中設(shè)置允許在一條車(chē)道上車(chē)輛可以從左邊超車(chē)。設(shè)置路上小汽車(chē)的期望速度分布在80km/h 至95km/h 之間，期望速度的具體設(shè)置如表3 所示。

圖3 高峰小時(shí)流率變化圖

表3 期望速度表

路徑?jīng)Q策的校準(zhǔn)主要是車(chē)輛行進(jìn)路徑的校準(zhǔn)，在路徑?jīng)Q策中需要所選擇的道路區(qū)間行進(jìn)路徑的始點(diǎn)和終點(diǎn)，文中主要使用靜態(tài)路徑?jīng)Q策。

3.2 仿真模型驗(yàn)證

仿真中，檢測(cè)模型的校正是有效驗(yàn)證，驗(yàn)證時(shí)把兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。設(shè)置測(cè)試時(shí)間為3 600 秒，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)間隔為300 秒。為了保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，選擇最小車(chē)頭時(shí)距和平均停車(chē)距離進(jìn)行16 次仿真。在Multirun 窗口選擇隨機(jī)種子初始為1，隨機(jī)種子增量為1，運(yùn)行次數(shù)為4，得到16 組數(shù)據(jù)，如表4 所示。

表4 參數(shù)組合后的仿真數(shù)據(jù)表

用MATLAB 擬合小汽車(chē)和貨車(chē)的線性回歸方程：

小汽車(chē)：

貨車(chē)：

式中：y1、y2為平均行駛車(chē)速，x1為最小車(chē)頭時(shí)距，x2為平均停車(chē)距離。

第5 組、第7 組和第10 組參數(shù)相差很小，選取這三組數(shù)據(jù)與實(shí)際速度和估算速度進(jìn)行對(duì)比。參數(shù)校正如表5 所示。

表5 參數(shù)校正表

綜合考慮可以看出，第10 組數(shù)據(jù)誤差最小，選擇第10 組的數(shù)據(jù)最接近實(shí)際值。設(shè)置最小車(chē)頭時(shí)距為2s，平均停車(chē)距離為1.5m。

3.3 潮汐車(chē)道設(shè)置前后仿真數(shù)據(jù)采集和分析

（1） 車(chē)速分析。整理數(shù)據(jù)采集的評(píng)價(jià)文件得到如下行程時(shí)間平均車(chē)速前后對(duì)比如表6 所示。

通過(guò)表6 數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)置潮汐車(chē)道數(shù)為1 后，輕交通流方向行程平均車(chē)速下降了0.02km/h，對(duì)車(chē)速影響不大；重交通流方向車(chē)速由83.2km/h 上升到86.6km/h，上升了3.4km/h。設(shè)置潮汐車(chē)道數(shù)為2 后，輕交通流方向車(chē)速?gòu)?5.0km/h 下降到73.3km/h，下降了16.0%，影響了輕交通流方向車(chē)輛的運(yùn)行。從數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)置潮汐車(chē)道數(shù)為1 后可以使得重交通流方向行程平均速度得到提高，同時(shí)不影響輕交通流方向車(chē)輛的運(yùn)行。

（2） 車(chē)道占有率分析。由采集到的評(píng)價(jià)文件可以獲得車(chē)道占有率情況，如表7 所示。

表6 行程平均車(chē)速前后對(duì)比表

表7 車(chē)道占有率前后對(duì)比表

由表7 可以看出設(shè)置潮汐車(chē)道為1 后，輕交通流方向車(chē)道占有率由12.9%上升到14.1%，可以明顯提高輕交通流方向車(chē)道占有率，緩解重交通流方向道路基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)不足的情況；設(shè)置潮汐車(chē)道數(shù)為2 后，輕交通流方向車(chē)道占有率由12.9%上升到21.7%，對(duì)該方向車(chē)流正常行駛造成影響。

（3） 行程時(shí)間分析。整理行程時(shí)間評(píng)價(jià)文件得到行程時(shí)間平均值統(tǒng)計(jì)表如表8 所示，行程時(shí)間平均值前后對(duì)比如圖4 所示。

表8 行程時(shí)間平均值統(tǒng)計(jì)表

由行程時(shí)間平均值表可知，設(shè)置潮汐車(chē)道數(shù)為1 后，輕交通流方向行程時(shí)間平均值由原先的67.42s 上升到67.43s，上升了0.1s，說(shuō)明設(shè)置潮汐車(chē)道后對(duì)輕交通流方向車(chē)流正常行駛的影響不大，同時(shí)重交通流方向行程時(shí)間平均值由原先的69.33s 下降到66.06s，下降了3.27%，說(shuō)明設(shè)置潮汐車(chē)道可以減少重交通流方向的行程時(shí)間，緩解擁堵。而設(shè)置潮汐車(chē)道數(shù)為2 后，輕交通流方向平均行程時(shí)間有明顯上升，從67.42s 上升到79.10s，上升了17.32%，不符合潮汐車(chē)道的設(shè)置條件。所以，在該路段上增加一條潮汐車(chē)道可以在不影響輕交通流方向車(chē)輛行駛的情況下，減少總的行程時(shí)間，節(jié)省時(shí)間成本。

（4） 延誤分析。整理延誤評(píng)價(jià)文件得到延誤時(shí)間對(duì)比如表9、圖5 所示。

表9 延誤時(shí)間前后對(duì)比表

圖4 行程時(shí)間平均值前后對(duì)比圖

圖5 平均延誤時(shí)間前后對(duì)比圖

選擇加拿大Whitemud Drive 高速公路設(shè)置潮汐車(chē)道數(shù)為1 后，輕交通流方向上每輛車(chē)的平均延誤時(shí)間有所增加，從0.517s上升到了0.525s，上升了0.008s，這主要是因?yàn)樵摳咚俟烦毕F(xiàn)象不是很明顯，同時(shí)也未考慮在換道過(guò)程中車(chē)輛可能產(chǎn)生的延誤；重交通流方向上每輛車(chē)的平均延誤時(shí)間從0.775s 減少到0.683s，下降了11.87%，這說(shuō)明重交通流方向增設(shè)一條潮汐車(chē)道分流后可以減少延誤，緩解該方向的交通擁堵現(xiàn)象。而設(shè)置潮汐車(chē)道數(shù)為2 后，雖然重交通流方向平均延誤時(shí)間有明顯減少，但是輕交通流方向延誤時(shí)間增加了，從0.517s 上升到0.908s，上升了75.63%，不符合設(shè)置潮汐車(chē)道的條件。

3.4 仿真結(jié)果分析

設(shè)置潮汐車(chē)道必須要滿足設(shè)置潮汐車(chē)道的前提條件，否則可能加劇交通擁堵的狀況。所選案例加拿大Whitemud Drive 高速公路為雙向六車(chē)道，由仿真結(jié)果可以看出潮汐車(chē)道的最優(yōu)設(shè)置方案為改變重交通流方向一條車(chē)道為輕交通流方向，即設(shè)置一條潮汐車(chē)道。設(shè)置一條潮汐車(chē)道后，（1） 重交通流方向行程平均車(chē)速由83.2km/上升到86.6km/h，上升了3.4km/h，可以使重交通流方向行程平均車(chē)速得到提高，同時(shí)不影響輕交通流方向車(chē)輛的運(yùn)行； （2） 輕交通流方向車(chē)道占有率由12.9%上升到14.1%，上升了1.2%，可以提高輕交通流方向車(chē)道占有率，同時(shí)有效緩解重交通流方向道路基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)不足的情況；（3）重交通流方向行程時(shí)間平均值由原先的69.33s 下降到66.06s，下降了3.27%，說(shuō)明設(shè)置潮汐車(chē)道可以減少重交通流方向的行程時(shí)間，緩解擁堵；（4） 設(shè)置一條潮汐車(chē)道后，重交通流方向上每輛車(chē)的平均延誤從0.775s 減少到0.683s，下降了11.87%，說(shuō)明重交通流方向增設(shè)一條潮汐車(chē)道分流后可以減少延誤，緩解該方向的交通擁堵現(xiàn)象。

4 總 結(jié)

本文在當(dāng)前高速公路擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下，從潮汐交通特性入手，解決現(xiàn)代社會(huì)新出現(xiàn)的潮汐交通擁堵現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比設(shè)置潮汐車(chē)道前后的仿真效果并分析，從行程平均車(chē)速、車(chē)道占有率、行程時(shí)間和延誤四方面對(duì)比，得出設(shè)置一條潮汐車(chē)道后，可以使重交通流方向車(chē)輛行駛速度提高、行程時(shí)間和延誤減少，同時(shí)輕交通流方向車(chē)道占有率提高，有利于緩解重交通流方向擁堵?tīng)顩r。但是，對(duì)潮汐車(chē)道仿真進(jìn)行評(píng)估時(shí)，選擇了四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)即速度、車(chē)道占有率、行程時(shí)間和延誤，主要反映了道路的運(yùn)行效率和通行能力。由于缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文沒(méi)有考慮其他的評(píng)價(jià)指標(biāo)，例如安全指標(biāo)、環(huán)境效益指標(biāo)等。