高速公路改擴建施工期交通組織方案仿真分析

劉艷強

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

隨著我國經濟的持續快速發展，早期修建的高速公路交通量增長較快，年平均增長率多在10%以上，甚至達到20%以上。交通量增長遠遠超過項目規劃立項時的預測值，部分高速服務水平明顯降低，已經不能適應社會、經濟發展的需要，迫切需要對原路進行改擴建，高速公路改擴建工程不可避免地成為未來交通發展的重要方向[1-2]。高速公路改擴建過程中將面臨的問題是：通行能力大幅折減、交通流處于不穩定狀態、車輛間沖突增加等[3]，由此需要對改擴建施工期交通組織方案開展分析驗證。

依據山西省晉陽高速改擴建施工期的交通組織方案，利用VISSIM軟件進行交通仿真分析，從斷面通過流量、車輛平均延誤的情況分析改擴建方案的合理性，可為改擴建施工期交通組織方案的設計驗證提供思路和參考。

1 仿真模型建立

1.1 建模思路

改擴建交通組織仿真建模包括如下流程：a）確定交通組織仿真分析目標、設計交通組織仿真分析方案、界定交通仿真分析區域、選擇交通仿真分析精度；b）采集和分析高速公路仿真模型基礎數據，包括幾何數據、道路網絡、車流密度、車頭時距、車速和其他數據等；c）根據基礎數據資料，建立靜態路網模型、交通樞紐模型和路段特征模型；d）建立各路段交通流量模型、車輛速度仿真模型、駕駛員仿真模型、交通控制與管理模型等動態仿真模型；e）調整和校準交通仿真系統模型；f）分析交通組織方案。

依據可研報告中的實施方案和交通量分析及預測部分，對實測數據分析，發掘施工類型對施工路段交通特性的影響是否顯著，確定VISSIM仿真場景；檢驗速度、速度變化趨勢以及車頭時距在不同施工布置下是否存在差異，并采用實測數據對場景參數進行標定，使VISSIM仿真結果更加貼近實際情況。

1.2 交通參數

晉陽高速原為雙向四車道通行（4×3.75 m），設計速度60 km/h；擬采取的改擴建方案為雙向四車道改為雙向八車道（8×3.75 m），設計速度80 km/h。根據交通調查結果，晉陽高速客車比重72.6%，貨車比重27.4%。在改擴建期間，考慮到改擴建施工的復雜性及部分路段平縱指標偏低，擬對長途貨運車輛采取分流措施，降低安全風險，提高通行能力。故改擴建期間取晉城至陽城方向高峰小時交通量約為2390×72.6%=1735 veh/h，陽城至晉城方向高峰小時交通量約為2491×72.6%=1808 veh/h；周村互通立交出口高峰小時交通量為462×72.6%=335 veh/h，入口高峰小時交通量約為490×72.6%=356 veh/h。

1.3 仿真場景

針對改擴建前、改擴建施工中、改擴建后分別設計6種仿真試驗場景如圖1所示。在仿真軟件中，統計仿真時長1 000～3 600 s的情況下通過道路斷面的交通量和通過整個試驗場景車輛的平均延誤結果。

圖1 仿真試驗場景

2 仿真模型分析

2.1 改擴建方案有效性分析

將6種場景下的仿真試驗結果取平均后，繪制于柱狀圖2、圖3中。分析可知，交通量增長會導致通過道路橫斷面的車輛數及車輛延誤增大，交通量的增長會給道路通行能力和服務水平提出新的要求；采取的道路改擴建方案能有效降低車輛延誤，保障道路通行能力和服務水平。

圖2 平均流量試驗結果

圖3 平均延誤/路段長度試驗結果

改擴建施工中不同路段的平均流量明顯小于改擴建施工前后路段平均流量，改擴建施工中不同路段的平均延誤/路段長度同樣小于改擴建施工前后路段平均延誤/路段長度，這主要與保通方案在施工期間對長途貨運車輛采取分流措施有關，該措施可以保證高速公路在改擴建期間仍能提供較高的服務水平。

綜上，將晉陽高速由四車道改建為八車道有利于提高道路通行能力和服務水平；改擴建期間路段不同斷面平均流量相差不大，車輛延誤較低，說明改擴建施工中采取的保通方案具有一定的合理性。

2.2 突發情況與對策分析

為探究改擴建施工中交通事故、交通量激增、惡劣天氣等突發情況及相關對策條件下改擴建方案的有效性，對上述仿真場景2～場景4，改變其參數設定后，進行仿真試驗與分析，鑒于篇幅原因，文中未列出詳細仿真結果數據，僅給出仿真試驗設計與仿真試驗結果分析。

2.2.1 事故與對策

采取在交通事故點設置紅綠燈、限制車輛通行的方法減小下游離去率，從而模擬交通事故對交通擁堵產生的實際影響。事故未發生時，將該節點信號燈設置為綠色模擬無事故；當事故發生后，將該節點信號燈設置為紅色模擬交通擁堵，設置紅色信號燈時長為1 800 s。此外，在信號燈前方設置200 m長度的減速區，期望速度為20 km/h。高速公路實際情況中并未設置紅綠燈，以上設置方式僅是為了在VISSIM交通仿真中模擬交通事故對事故點及下游交通的影響。在交通事故對策方面主要考慮交通誘導，仿真方案利用路段連接器將交通流提前誘導至未發生交通事故的車道。利用交通事故前后斷面平均流量之比對交通事故的影響進行評價，定義評價指標如式（1）所示。

式中：C1為交通事故發生后斷面平均流量；C2為交通事故發生前斷面平均流量。

經仿真試驗，在雙側拼寬和單側拓寬的改擴建施工方案中，若交通事故發生后封閉內側車道或外側車道，k值約為0.85～0.86。在雙側拼寬改擴建方案中，交通誘導前后，k值提升7%～8%達到0.93左右；在單側拓寬改擴建方案中，交通誘導前后，k值提升3%～4%達到0.88～0.89。這表明雙側拼寬和單側拓寬的改擴建施工方案中，若出現交通事故占用一條車道的情況，斷面通行能力會出現一定程度的下降；在雙側拼寬改擴建施工方案中采用交通誘導措施作用比單側拓寬改擴建施工方案中更加顯著。

2.2.2 交通量激增與對策

仿真方案為將交通量擴大至原來的3倍。仿真統計仿真時長1 000～3 600 s。在交通量激增對策方面主要考慮分流，參考類似高速公路改擴建工程及該項目依托工程晉陽高速的特點，在仿真方案中主要考慮15%、30%兩種分流比例。利用輸入交通量與斷面平均流量的關系對交通量激增造成的影響進行評價。定義評價指標如式（2）所示。

式中：C1為交通量激增后（或交通流激增狀況下采取分流措施后）斷面平均流量；V1為交通量激增后（或交通流激增狀況下采取分流措施后）輸入交通量；C2為交通量激增前斷面平均流量；V2為交通量激增前輸入交通量。

經仿真試驗，雙側拼寬和單側拓寬的改擴建施工方案中，若出現交通量激增的情況，斷面通行能力下降；在雙側拼寬改擴建施工方案的第一、二階段，晉城至陽城方向需分流15%，陽城至晉城方向需分流30%；在單側拓寬改擴建施工方案的第一階段，需雙向分流30%，在單側拓寬改擴建施工方案的第二階段，晉城至陽城方向和陽城至晉城方向需分別分流15%和30%。

2.2.3 惡劣天氣與對策

考慮因惡劣天氣（如冰、雪、雨、霧等）引起的車輛運行速度下降，以及其導致的道路擁擠程度的改變。仿真方案將期望車速修改為30 km/h。仿真統計仿真時長1 000～3 600 s。在惡劣天氣對策方面主要考慮分流，仿真方案中主要考慮15%、30%兩種分流比例。利用車道占有率的改變對惡劣天氣造成的影響進行評價。定義評價指標如式（3）所示。

式中：R1為惡劣天氣條件下（或惡劣天氣條件下采取分流措施后）道路占有率；R2為正常天氣條件下道路占有率。

經仿真試驗，雙側拼寬和單側拓寬的改擴建施工方案中，惡劣天氣對道路占有率的影響主要體現在晉城至陽城方向，陽城至晉城方向影響不大。在對策方面，建議對晉城至陽城方向交通流分流30%左右。

3 結語

采用VISSIM交通仿真分析方法，探討了晉陽高速改擴建方案的合理性以及施工期交通組織方案及其應對突發情況的有效性。得出以下主要結論：

a）將晉陽高速由四車道改建為八車道的改擴建方案有利于提高道路通行能力和服務水平。

b）在改擴建施工期間，路段不同斷面的平均流量相差不大，車輛延誤較低，說明改擴建施工中采取的保通方案是合理可行的。

c）交通誘導措施對通行能力提升作用顯著，交通流激增或惡劣天氣時需要調整交通分流措施。