基于VISSIM的地下交通關鍵節點通行能力評估與優化

王壽生，黃天榮，陸文韜

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092；2.上海城建職業學院土木與交通工程學院，上海 200438；3.上海國際航運服務中心開發有限公司，上海 200082）

0 引言

港區是占有一定面積的空間，承擔著內部物流與外部聯系等諸多功能，因而其交通組織設計是港口設計建造中需著重解決的關鍵問題之一。自2009年交通運輸部提出老港區改造以來，眾多港口城市紛紛將中心區域的老碼頭轉型升級，積極打造成集航運、金融、商務、旅游與休閑等多功能于一體的現代航運服務區。由于地處城市中心，現代航運服務區通常設計為具有地下空間的綜合體以解決土地資源短缺問題，而地下空間的交通組織往往也較為復雜。前人已開展了自動化集裝箱碼頭港內交通組織[1]、港口道路集疏運系統[2]以及自動化集裝箱碼頭交通仿真模擬[3]等港口領域的交通組織探索，同時也圍繞地下空間停車效率[4]、路徑規劃[5]、路徑誘導[6]及泊車行為[7]等核心問題進行了研究，取得了豐碩成果并促進了港口的發展。但縱觀當前研究，有關港口領域地下空間交通組織的研究還比較少，為了促進老港區轉型升級與空間再生，對老港區地下空間交通組織加以研究具有現實意義與應用價值。

以上海市某老港區改造后新建的超大型地下空間為例，利用VISSIM微觀仿真軟件，構建其地下停車的交通流組織，確定了評估的關鍵節點和通行能力指標參數，然后運用指數函數對各個節點的通行能力進行評估。最后利用仿真環境下的車輛延誤來評價停車場關鍵節點的服務水平等級，并結合數學規劃方法進行地下空間停車疏導優化。最后通過工程應用表明，該方案技術合理且效果良好，可為類似工程提供技術參考。

1 項目概況

某老港區改造項目[8]位于上海市北外灘地區、上海國際客運中心以東、秦皇島路以西、南臨黃浦江，沿江濱水岸線將近800 m。項目占地面積約103 000 m2，建設以上海新航運服務大廈為代表的14幢建筑，總建設面積近630 000 m2，項目通過船閘、港池與地下空間三位一體的獨特設計，形成了別具一格的濱水景觀港口建筑群，將來廢棄的老港區打造成多功能的現代航運服務集聚區。其地下建筑面積約210 000 m2，有3層地下結構，屬于超大型地下空間結構。由于地下空間面積特別大，周邊為市中心交通繁忙區域，區位特殊，其交通組織合理性極為重要，項目方提出專項研究的需求，以確保該區域功能完善與交通順暢。

2 仿真模型建立

隨著計算機仿真模擬技術的迅猛發展，利用微觀仿真模擬并結合數學規劃的方法兼具了定性與定量分析的優點，具有一定的創新性。因此本研究采用VISSIM進行交通仿真模擬，然后結合數學規劃工具進行優化，形成定性與定量相結合的模式，以達到分析更精準與合理的目的。

2.1 VISSIM軟件

VISSIM是由德國PTV公司開發的一款微觀交通仿真系統[9]，是一種微觀、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具。在VISSIM軟件中車輛縱向運動采用德國Karlsruhe大學Wiedemann教授于1974年建立的生理-心理駕駛行為模型，橫向運動采用Willmann和Sparmann提出的基于行為閾值的換車道模型。

2.2 路網構建

進行VISSIM模擬仿真時，需要根據實際情況在VISSIM軟件中建立實際停車場內部道路仿真路網，具體步驟包括：導入背景圖、創建Link、創建Connector、設置沖突點優先規則、設置交通需求以及其他輔助元素等。

2.3 關鍵節點

模型建立后，運用VISSIM軟件對地下停車場每一層的道路交通情況進行仿真模擬，逐一發現并鎖定潛在的安全沖突點。這些點的特征主要包括：靠近進出口、車流量相對較大、交叉口有多向車流。為方便后續研究與分析，現將這些點定義為關鍵節點。圖1給出了B1層關鍵節點1A。

圖1 關鍵節點1A示意Fig.1 Key node of 1A

限于篇幅，對B2、B3兩層逐一進行VISSIM仿真模擬，識別出其所有關鍵節點，并將所有各層關鍵節點統一標記如下：

B1層：1A

B2層：2A，2B，2C，2D

B3層：3A，3B，3C

包含字母A或B的為進出口，包含字母C的為有多向車流的交叉口，包含字母D的為車流量相對較大區域。在運營中可根據實際需要設置安全警示標識，妥善安排人員、車流疏導與控制。

3 數學模型及評價

3.1 平均延誤模型

對于地下空間的交通通過能力，關鍵節點延誤時間可較全面地反映綜合作用因素影響大小。為此本研究提出采用指數函數構建節點平均延誤模型進行合理評估與優化，其數學表達式如下：

式中：y為因變量；x為自變量且x=q/c；q為當前停車場車流量，輛/h；c為停車場高峰車流量，輛/h；α、β為模型待定參數。

3.2 模型參數確定

節點通行能力評估的延誤函數模型包含有待標定的參數，對于不同節點的參數也會有差異。以B1層節點1A為例，通過一系列VISSIM交通數值仿真試驗，得到其對應的仿真結果，如表1所示。

表1 節點1A仿真數值結果Table 1 Simulation results of node 1A

采用回歸方法來估計節點延誤模型的參數，結果如圖2所示。由于相關系數R2為0.980 3，表明了回歸模擬的結果良好。最后，得到1A節點的平均延誤回歸模型表達式如下：Tdelay=3.429exp（1.897x）

圖2 關鍵節點1A平均延誤模型回歸結果Fig.2 Average delay model regression results of key node 1A

采用同樣的方法，可得到B2、B3各節點對應的平均延誤回歸模型參數，限于篇幅，此處不再一一列舉。

3.3 服務水平評價

根據JTG B01—2014《公路工程技術標準》，我國采用四級服務水平評價模式，即一級、二級、三級及四級服務水平，且從一級到四級交通需求持續增大并趨于不穩定流狀態。類似地，鑒于交叉口通常用車輛延誤來描述其服務水平，本研究采用車輛延誤時間T來評價地下交通關鍵節點服務水平等級，制定等級標準如表2所示。

表2 服務水平等級表Table 2 Service level table

根據以上制定的地下交通關鍵節點服務水平等級標準，結合前述基于數值模擬建立的平均延誤模型，得到停車場各樓層在高峰小時的平均延誤時間及服務等級，如表3所示。

表3 各節點高峰小時仿真服務等級Table 3 Simulation service level of each node in peak hours

表3反映出，在所有關鍵節點中，樓層B2的2B節點服務等級為一般，為本項目地下空間交通的瓶頸節點。

4 基于數學規劃的疏導優化

通過上述VISSIM軟件微觀仿真可見，該地下空間各樓層2個出入口流量分配不均，導致不同出入口延誤差異較大。因此擬采用在各樓層出入口進行疏導的方式，重新合理分配出入口的交通量，從而達到減小總延誤的目的。

4.1 數學規劃模型

車流量的疏導優化通過建立數學優化模型[10]來實現。

1）決策變量

決策變量主要為B2及B3樓層2個出入口的交通量分配占比，用如下符號表示：

xB2，A為B2樓層A出口交通量占比，0

xB2，B為B2樓層B出口交通量占比，0

xB3，A為B3樓層A出口交通量占比，0

xB3，B為B3樓層B出口交通量占比，0

B3樓層A出口交通量為：

qB3，A=xB3，AQB3

B3樓層B出口交通量為：

qB3，B=xB3，BQB3

B2樓層A出口交通量為：

qB2，A=xB2，（AQB2+QB3）

B2樓層B出口交通量為：

qB2，B=xB2，（BQB2+QB3）

B1樓層A出口交通量為：

qB1，A=xB1，（AQB2+QB3）+QB1

其中QB1、QB2、QB3分別為B1、B2、B3層的總流量，輛。

2）目標函數

目標函數為各樓層所有出入口車流產生的總延誤時間，

3）約束條件

約束條件主要為各樓層交通量占比守恒，數學表達式如下：xB2，A+xB2，B=1 xB3，A+xB3，B=1

4）求解方法

鑒于以上數學規劃模型為非線性模型，本研究采用Excel自帶的非線性GRG方法求解最佳流量分配比例。

4.2 優化結果

疏導優化結果如表4所示。可以看出優化前后的總延誤從136 457 s降低至102 444 s，降了25%，疏導效果顯著。通過系統研究，最終得出優化后的疏導方案如下：B2樓層A、B兩出口車流量分配比例分別為0.37和0.63；B3樓層A、B兩出口車流量分配比例分別為0.30和0.70，如表4所示。

表4 疏導優化結果對比Table 4 Comparison of optimization results of dredging

4.3 工程應用

通過以上仿真模擬與數學規劃，設計單位對該大型地下空間交通線位與布置進行綜合優化，形成了更合理的地下空間設計方案。項目于2018年12月全面竣工，是上海國際航運服務中心的重要組成部分。經近3 a的應用表明，優化后方案確保了該大型地下空間的交通順暢，對于打造北外灘地區航運集聚地、形成交通部認可的全國航運服務中心起到了積極的作用。

5 主要結論

利用VISSIM微觀交通仿真，以上海市某老港區改造后新建的超大型地下空間為例，針對停車場關鍵節點通行能力及服務水平進行了分析，并采用指數函數形式來構建節點平均延誤同車流量與高峰小時車流量比值之間的關系，定量分析了案例區域地下3層各層的通行能力及相應的服務水平等級，通過數學模型實現停車庫疏導優化，協調了出入口車流量分配比例，降低停車總延誤，提升了該項目的地下交通組織運作效率，研究成果通過工程應用取得了良好效果，表明了其適用性與先進性。相關研究成果對于類似項目地下空間交通組織與優化具有借鑒意義與指導作用。