基于Vissim的高速公路網應急事件仿真

郭瑞軍,劉淼

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

高速公路突發事件是指因氣候、地質、地殼運動等自然因素引發的自然災害或人為災害突發，危及到高速公路轄區路段及沿線周邊地區群眾的生命財產安全，影響正常社會、生活和工作秩序的事件[1].高速公路突發事件的緊急救援系統是高速公路管理的重要組成部分，及時且適當的應急處置可減少甚至避免相關人員傷亡與經濟損失.張奕等[2]設計并實現了基于地理信息系統(Geographic Information System，GIS)的高速公路突發事件應急資源調度系統，可根據事故等級以及事故種類預測所需應急資源.郝倩妮[3]基于災害性天氣下駕駛員可視距離和路面摩阻系數的變化，提出一種基于可變限速系統的限速對策，采用動態的車速控制降低災害性天氣高速公路事故多發路段的安全風險.許秀[4]通過探討交通事故影響空間擴散的關聯因素與擴散狀態，提出交通事故分級方法，結合交通事故分級劃分事故影響區，同時根據各階段影響因素的不同，分別構造交通事故持續時間各階段的預測模型.鄭來等[5]提出基于高速公路天然節點的大區段劃分方法.構建了處理大區段內指標異質性的模型變量，采用負二項回歸方法建立了大區段條件下的交通事故預測模型.金書鑫等[6]定量確定點、線、面3個層次的事故影響區，結合其交通量、車速、通行能力數據以及交通事故現場狀況分析，能快速確定事故影響區范圍提高事故處置效率.王順豪等[7]提出了基于ANP的高速公路應急預案評估模型，并通過模糊綜合評價法進行評價.綜上所述，應急交通疏散作為規避或減輕災害性事件危害，是避免受到二次傷害的必要手段，是研究道路網應急事件管理的重要部分.

復雜交通事件具有偶發性、不可預測性的特點，無法用簡單抽象的交通流理論、波動理論等數學模型描述時，交通仿真的作用就更為突出.針對現有國內高速公路事故路段具體應急案例研究數量的不足且較少采用交通仿真分析方法的問題，本文基于Vissim仿真軟件，將事先構建的高速事故交通運行狀況可視化，對設定的不同應急疏散措施進行評價對比，通過分析不同方案緩解擁堵的程度，來防止由于疏導不當帶來的附加擁堵，并降低涉及車輛的事故成本.

1 交通緊急事件仿真的構建及性質

1.1 構建路網

選取大連市內的大窯灣、丹大、皮長、沈海四條設計速度120 km/h的高速公路所形成的交叉路網為研究對象.

如圖1所示，在路網的六個入口處各設置一個交通小區，皮長高速入口處設置第一與第四小區，丹大高速入口處設置第三與第五小區，沈海高速入口處設置第二與第六小區，并對六個小區進行路徑劃分及相對流量的設定，各條道路上的交通流流量如表1所示.

表1 路網交通分布表 輛/h

本研究采用8次不同的隨機種子進行模擬，通過對得到的仿真結果求平均值來得到比較所用的數據.Vissim輸出的行程時間和平均車速數據離散程度較小，延誤的離散程度較大，因此在以后的疏導方案比較中將會進行多次隨機仿真并求均值.

1.2 架構公路網緊急事件

假定緊急事件：在大窯灣高速出市方向發生一起兩輛載有危險品的大型貨車相撞并側翻的交通事故，導致最外側兩車道封閉，單車道通行，事故狀態下的運行效果如圖2所示，圖中標點處為大窯灣高速事故地點，現場聚集大量的救援人員和救援設備，該方向全面降速運行.

1.3 評價指標的獲取

本文的評價指標的獲取主要依靠仿真的輸出結果，因而需要在仿真數字路網中設置檢測器，本次研究需要設置的檢測器有行程時間檢測器，排隊長度檢測器，數據采集點.

1.3.1 目標路段的延誤

為了輸出目標路段的延誤，行程時間檢測器設置在連接南北兩個區域的干道，大窯灣高速公路上，具體設置情況如圖3所示.

事故影響大窯灣高速入口匝道出現排隊的情況，導致沈海高速出市方向運行受阻，實際運行速度下降，具體情況如表2所示.

表2 事故前后指標對比

大窯灣高速入口處排隊影響了沈海高速出市方向的平均車速，導致事故后的平均車速較事故前下降75.91%.

1.3.2 目標路段的排隊情況

排隊是從上游路段/連接器的排隊計數器的設置位置開始計數，直至排隊狀態下的最后一輛車.如果排隊計數器設置在多車道路段上，它將記錄所有車輛的排隊信息，并報告最大排隊度.

600仿真秒過后由表3可見，大窯灣高速匝道入口處，仿真過程中每個時間間隔內所出現的最大的排隊長度為162 m，車輛在通過排隊路段時最多需停車3次.在大窯灣高速路段每個時間間隔內出現的最大排隊長度為32 m，車輛在通過排隊路段時最多需停車2次.

表3 大窯灣高速匝道入口處排隊長度及停車次數

由于Vissim使用隨機種子，來仿真車輛到達的泊松分布，具有一定的隨機性，因此需要通過求平均值來排除隨機性，處理后的排隊數據表4所示.

表4 大窯灣高速入口處排隊長度及停車次數

2 應急處理方案的效果及對比

2.1 高速公路應急處置

從緊急事件處置時間上劃分，高速公路搶修、處置時間在 24 h以上時，為 I 級預警，介于 12 h和 24 h之間時，為Ⅱ級預警，介于 6 h和12 h之間時，為Ⅲ級預警，小于 6 h，為 IV 級預警[8].

本次研究是處于 I 級預警的情況下，由嚴重的交通事故引發的交通擁堵短時間內無法自行消散，處置過程為高速公路沿線的視頻監控系統發現事故存在，將事故報告給遼寧省交通廳突發事件應急工作指揮中心，應急指揮中心判定該事件屬于嚴重的交通事故會導致短時間內無法消散的交通擁堵，故啟動Ⅰ級預警響應.

本次研究設置了如下幾種處置方案，方案1：封閉大窯灣高速發生事故的兩條車道單車道通行；方案2：在第6交通小區出口處以不同比例進行分流.具體的分流比例將在下文詳細介紹.

方案1的對大窯灣高速以及沈海高速的影響已經探討完畢，這里將著重介紹方案1對皮長高速的東行方向的影響.

經Vissim多次隨機種子模擬求平均值，得出采用方案1時對皮長高速東行的影響如表5所示.

表5 方案1對皮長高速西行方向的影響

由表5可見，方案1對皮長高速西行方向的影響較小.

方案2：封閉大窯灣高速出市方向，并對從第6交通小區出發的交通流進行分流，具體分流措施如圖4所示，刪除了原有的從第6交通小區出發轉入大窯灣高速的路徑，將這條路徑上原來0.6的相對流量分配到其余的路徑上，重新分配后，從第6小區出發共有3條路徑，路徑1是沿沈海高速直行，相對流量為0.6，路徑2是先沿沈海高速直行后右轉進入跨線橋，駛入皮長高速，相對流量為0.35，路徑3是直接右轉進入丹大高速，相對流量0.05.

多次仿真后該疏導方案得到輸出結果如表6所示.

表6 方案1、2對皮長高速和沈海高速影響對比

綜上可見，方案2在緩解大窯灣高速的事故擁堵和排隊上采用了較為激進的方法——封閉大窯灣高速，但是這一做法將大量的交通量分流到了沈海高速和皮長高速，造成了以上路段的延誤增加，平均車速下降，尤其在沈海高速與皮長高速東行方向交匯的匝道上造成了較嚴重的排隊.

因此，在接下來的仿真方案中應該在大窯灣高速上分配適量的交通量，以緩解疏導措施為沈海、皮長高速所帶來的壓力.

2.2 仿真方案改進

正如前文所介紹，封閉大窯灣高速為皮長高速和丹大高速帶來較大的交通壓力，因此在方案3中將為大窯灣高速分配一定的交通量.

經多次仿真輸出的指標如表7所示.

表7 方案3對沈海高速的影響

2.3 對比評價

最優方案已經確定，現在進行匯總對比分析，具體情況見表8、表9.

表8 各方案影響情況

表9 各方案疏散效果對比

由各表可見，方案3由于較好的分配了經沈海高速繞行的比例，相比其他兩個方案在緩解大窯灣高速的擁堵的同時，也減少了大窯灣高速事故對皮長、沈海兩條高速的擁堵，由此可得最優方案為方案3.

3 結論

利用Vissim仿真軟件，選取在大連市內沈大、丹大、皮長、大窯灣四條高速公路的交叉路網進行仿真路網搭建，設定在某個高峰時段，大窯灣高速出市方向發生兩輛大型貨車相撞側翻，導致封閉兩條車道，本文設置了三種應急方案，通過Vissim輸出了事故情況下的各種指標得到以下結論：

方案1 降低了沈海高速出市方向的平均車速，同時增加了大窯灣高速匝道入口處排隊長度.

方案2 將交通量分流到了沈海高速和皮長高速，造成其路段延誤增加，平均車速下降，尤其在沈海高速與皮長高速東行方向交匯的匝道上造成較嚴重的排隊.方案3在方案2的基礎上為大窯灣高速分配一定的交通量，通過對比各個疏導方案的延誤、平均車速、平均排隊長度，并與不采取任何措施的情況進行對比分析.最后確定了在緩解沈海、大窯灣高速延誤上都有較好效果的方案3.