基于vissim仿真的高速公路客貨分道動態控制

郭麗蘋，朱曉東，高佳寧，羅瑞琪，由婷婷

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津，300074）

中國經濟水平不斷發展，私家車、物流運輸貨車等車輛逐年增多，高速公路的服務水平卻不斷下降。如何對正在運營的高速公路進行智能控制管理，提高道路的運行效率，成為了亟待研究的問題。考慮到客車和貨車在行駛過程中速度的差異及行駛過程中相互干擾的現象，國內外許多專家提出客貨分線、客貨分道的控制策略。

20 世紀20 年代初期，美國交通運輸部開始對可變車道進行研究，學者也逐步提出了客貨分道的理念[1-2]。Mason 等人[3]基于國外道路多為單向5條車道的情況，提出將道路分成3條客車專用車道和2 條貨車專用車道的分配方法。魯翠娥等人[4]用元胞模型仿真了不同比例的貨車對高速公路交通流的擾動影響。李冠峰等人[5]提出了高速公路客貨車分道通行的概念。劉晨輝[6]論述了在不同交通量和客貨比的情況下，實施不同貨車限行措施、道路通行效率和運營安全性。王新慧[7]提出了采用標志標線分隔車道和設施分隔道路的選擇模型和實施條件。馬捷[8]提出了適用于客貨分道管理系統的評價指標體系。但客貨分道的研究主要針對客貨分道管理方法的對比及具體實施措施，而不同車道數、不同交通量下的動態客貨分道控制研究少見。因此，作者擬通過vissim 建立模型進行仿真，驗證客貨分道控制的效果，尋找該系統的適用范圍，提出客貨分道動態控制系統流程圖。

1 客貨分道劃分方法

客貨分道指采用設置標志或標線的方法來分隔客貨車輛。客貨分道管理方法應具有實用性和操作性。道路上的交通量和客貨比不斷變化，因此，合理的客貨分道方式也實時變化。車道劃分的影響因素主要包括：車道數量、交通流量和客貨比等。為滿足超車等需求，客貨分道至少要單向三車道及以上，而目前國內單向五車道以上的高速公路相對較少，同時考慮到仿真及理論分析的普適性和簡約性，本研究對高速公路客貨分道的分析分為3種情況：單向三車道、單向四車道和單向五車道。

1.1 單向三車道

客貨分道應先將不同車型折算成標準小客車，然后將客車標準量N客比貨車標準量N貨，即N客/N貨，將其定義為a。在考慮車道劃分多個影響因素的基礎上，單向三車道客貨分道可劃分為3種形式見表1。

表1 客貨分道劃分表Table 1 Division of passenger-cargo

當a＜1/2 時，理論上應采用1 條混行車道+2條貨車車道（M+2T）的劃分形式，鑒于小客車有換道超車需求，可采用2 條混行車道+1 條貨車車道（2M+T）的劃分形式。當1/2≤a＜2 時，可采用1 條客車車道+1 條混行車道+1 條貨車車道（B+M+T）的劃分形式。當a≥2 時，應采用2 條客車車道+1條混行車道（2B+M）的劃分形式，鑒于貨車有換道超車需求，可采用1 條客車車道+1 條混行車道+1 條貨車車道（B+M+T）的劃分形式。以2 條混行車道+1 條貨車車道（2M+T）的劃分形式為例，繪制劃分形式圖，如圖1所示。

圖1 2M+T劃分形式Fig.1 The 2M+T division form

1.2 單向四車道

單向四車道客貨分道可劃分為5種形式見表1。

1.3 單向五車道

單向五車道客貨分道可劃分為7種形式見表1。

2 仿真模型建立與參數設定

采用vissim軟件，分別對單向三車道、四車道和五車道建立仿真模型分析客貨分道的效果，并尋找該系統的適用界限[9]，以單向四車道為例，建立仿真模型和仿真參數的設定。

2.1 道路條件

以美國加利福尼亞州i5 高速公路為例進行建模，該道路主線為雙向八車道，車道寬度為3.66 m，設計速度為112.65 km/h。仿真選取單向車流分析，路網為單向四車道，在進行三車道和五車道仿真時，分別通過關閉1 條車道和增加1 個車道的方式構建路網。

2.2 交通量的選取

不同交通量對道路車輛通行的影響很大，從道路服務水平的角度出發，選取合適的客貨分道控制區間。

根據美國交通運輸委員會的《HCM》手冊，服務水平分為六級。A、B 級服務水平為自由運行或自由交通流，相互間不會產生干擾，因此，不考慮加入人為的控制。E級服務水平為流率達到通行能力下的運行狀況，車輛運行狀況極不穩定，F級服務水平指擁堵車流。因這2個服務水平下駕駛自由度受到極大限制，人為控制很難起到正面效應，因此同樣不考慮加入人為控制。C級服務水平為平均行程車速接近自由流速度，駕駛自由度明顯受到限制。D級服務水平為自由度已受到較嚴重限制。為降低車輛間的相互干擾，降低行車延誤，提高平均車行速度，考慮采用該客貨分道系統進行車流控制，即自由流速度為110 km/h，交通量在1 210～2 135 pcu/（h·ln）之間的情況下，進行客貨分道動態控制。

2.3 交通流組合形式

為評估客貨分道控制效果，尋找適用的大小界限，選取 1 440、1 670、1 900 pcu/（h·ln） 3 種交通流狀態，并分為以多種a值的交通流組合進行分析，因單向四車道的判斷決策點分別為a=1/3、1、3，因此，以a＝1/4、2/3、2、4為例，不同比例不同交通流量下的車輛組合形式見表2。

表2 不同交通量及客貨比的車輛組合形式Table 2 Vehicle combinations with different traffic volume and passenger freight ratio

仿真中，選取貨車當量系數為1.5，即：表4中貨車的數量，在仿真車流量數據輸入時，應采用除以1.5 以后的數據。車道斷面交通量應將客車數加上處理后的貨車數，用得到的和乘以車道數。以車流量 1 440 pcu/（h·ln），a＝1/4，貨車交通量為1152/1.5=768 輛。斷面車流量為（288+768）×4=4 224 輛/h。

在仿真參數設置中，客車數比處理后的貨車數設置為相對車流比例，斷面車流量即為車輛輸入數據。

2.4 車型設置

小汽車長度3.75～4.76 m，寬度1.85～2.07 m；貨車長度10.22 m，寬度2.50 m。

2.5 車速設置

小汽車88～130 km/h；貨車75～110 km/h。

2.6 仿真參數

為使仿真數據在車流平穩狀態下輸出，數據采集從3 600 s 開始，采集時間間隔為3 600 s。仿真時間根據不同的交通流組數，設置為：（交通流組數+1）×3 600 s。

2.7 評估指標

評估指標選用車輛路網性能中平均延誤、平均速度對客貨分道效果進行分析。

3 仿真結果評估

以單向四車道為例，闡述仿真的方法、思路、分析和結果，最后簡要介紹單向三車道和單向五車道的仿真結果。

3.1 四車道客貨分道仿真效果評估

單向四車道時，仿真結果如圖2～3所示。

圖2 四車道有無客貨分道平均延誤對比Fig.2 Comparison of average delay of four lanes without passenger and freight separation

圖3 四車道有無客貨分道平均速度對比Fig.3 Comparison of average speed of four lanes with or without passenger and freight separation

從圖2～3中可以看出，在單向四車道，當a＝2/3、2、4 時，客貨分道控制在3 種交通流狀態下，均取得了正面效應，降低了平均延誤，提高了平均速度，增大了道路通行能力，提高了駕駛員的舒適度。但a＝1/4 時，客貨分道控制未取得正面效應，不但沒有使交通效率提高，反而造成了延誤增加，平均速度降低。

由表3 可知，單向四車道，當交通量為1 670 pcu/（h·ln），a＝2/3、2、4 時，采用客貨分道控制，降低了平均延誤，提高了平均速度，增大了道路通行能力。當a＝2 時，效果最為顯著，延誤降低率達到了45.26%，速度提高率達到了9.50%。但a＝1/4 時，延誤增加了56.64%，速度降低了13.51%。表明：當a值很小或很大時，可能存在客貨分道效果較差的情況，為分析產生該情況的具體a值，進行了客貨分道適用范圍大小界限仿真。

表3 客貨分道控制下交通量為1 670 pcu/（h·ln）的仿真結果Table 3 Analysis of simulation results of passenger and freight lane separation with the traffic volume of the 1 670 pcu/（h·1n）

3.2 四車道客貨分道大界限仿真結果評估

為分析四車道客貨分道的大界限，選取a＝6、8、10、20、30、40、50 進行仿真，仿真結果如圖4～5所示。

圖4 四車道大界限仿真平均延誤對比Fig.4 Comparison chart of average delay of four lane of large boundary simulation

圖5 四車道大界限仿真平均速度對比Fig.5 Comparison chart of average speed of four lane of large boundary simulation

從圖4～5中可以看出，單向四車道，當a＝6、8、10、20時，客貨分道控制在3種交通流狀態下，均取得了正面效應。但當交通量為1 670 pcu/（h·ln）、a＝50，以及交通量為1 990 pcu/（h·ln）、a＝30時，客貨分道控制產生了負面效應。因此，為避免客貨分道控制帶來不必要的負面效應，單向四車道在a＞20時，不宜對交通流進行客貨分道控制。

3.3 四車道客貨分道小界限仿真結果

為分析四車道客貨分道的大界限，選取a＝2/7、1/3、2/5、1/2、3/5 時進行仿真，仿真結果如圖6～7所示。

圖6 四車道小界限仿真平均延誤對比Fig.6 Comparison of average delay of four lane of small boundary simulation

圖7 四車道小界限仿真平均速度對比Fig.7 Comparison chart of average speed of four lane of small boundary simulation

從圖6～7中可以看出，在單向四車道，當a＝1/3、2/5、1/2、3/5 時，客貨分道控制在3 種交通流狀態下，均取得了正面效應，但當a＝2/7 時，客貨分道控制產生了負面效應。因此，當a＜1/3，控制策略為2 條混行車道+2 條貨車車道（2M+2T）時，不宜對交通流進行客貨分道控制。但當a＝1/3時，采用1 條客車車道+1 條混行車道+2 條貨車車道（B+M+2T）客貨分道控制策略，產生了很好的正面效應，延誤降低率、速度提高率均較高。當a＜1/3 時，采用1 條客車車道+1 條混行車道+2 條客車車道（B+M+2T）客貨分道控制策略，會在一定比例范圍內同樣產生正面效應，因此，對該情況進行進一步的仿真分析。

3.4 四車道a＜1/3和B+M+2T的仿真結果

為驗證四車道a＜1/3 在1 條客車車道+1 條混行車道+2 條貨車車道（B+M+2T）策略下的客貨分道仿真效果，選取a＝1/15、1/12、1/10、1/8、1/6、1/4 的6 組數據進行仿真，仿真結果如圖8～9所示。

圖8 四車道a＜1/3在B+M+2T策略下仿真平均延誤對比Fig.8 Comparison of simulation average delay of four lane with a＜1/3 under B+M+2T strategy

圖9 四車道a＜1/3在B+M+2T策略下仿真平均速度對比Fig.9 Comparison of simulated average speed of four lane with a＜1/3 under B+M+2T strategy

從圖8～9 中可以看出，在1 條客車車道+1 條混行車道+2 條貨車車道（B+M+2T）控制策略下，當a＝1/8、1/6、1/4 時，客貨分道控制在3 種交通流狀態下，均取得了正面效應。但在3種交通流狀態下，當a＝1/15、1/12 且交通量為 1 990 pcu/（h·ln）、a＝1/10 時，客貨分道控制均產生了負面效應。因此，為避免客貨分道控制帶來不必要的負面效應，在四車道B+M+2T 控制策略下，a＜1/8時，不宜對交通流進行客貨分道控制。

3.5 三車道客貨分道界限仿真

運用四車道客貨分道控制的仿真與分析方法，得到三車道的仿真界限分析結果為：

1）三車道客貨分道大界限的仿真結果：在單向三車道下，當a為6、8、10、20 時，客貨分道控制在3種交通流狀態下，均取得了正面效應。但當交通量為 1 440 pcu/（h·ln），a為 30、40 時，客貨分道控制產生了負面效應。因此，為避免客貨分道控制帶來不必要的負面效應，單向三車道在a＞20時，不宜對交通流進行客貨分道控制。

2）三車道客貨分道小界限的仿真結果：當a＜1/2時，在控制策略為2條混行車道+1條貨車車道（2M+T）下，客貨分道控制均產生了負面效應，因此，摒棄該控制策略；當a＜1/2 時，控制策略為B+M+T，在3 種交通流狀態下，a＝1/4、2/7、1/3、2/5、1/2 時，客貨分道控制均取得了正面效應。但在3 種交通流狀態下，a＝1/8 且交通量為1 990 pcu/（h·ln）或a＝1/6 時，客貨分道控制均產生了負面效應。因此，為避免客貨分道控制帶來不必要的負面影響，單向三車道在a＜1/4 時，不宜對交通流進行客貨分道控制。

3.6 五車道客貨分道界限仿真

運用四車道客貨分道控制的仿真模型與分析方法，得到五車道的仿真界限結果為：

1）五車道客貨分道大界限仿真的仿真結果：在單向五車道下，當a＝6、8、10時，客貨分道控制在3種交通流狀態下，均取得了正面效應。但當交通量為 1 440 pcu/（h·ln），a＝40 時；當交通量為1 670 pcu/（h·ln），a＝20、30 時；當交通 為 1 990 pcu/（h·ln），a＝30 時，客貨分道控制產生了負面效應。因此，為避免客貨分道控制帶來不必要的負面效應，單向五車道在a＞10時，不宜對交通流進行客貨分道控制。

2）五車道客貨分道小界限仿真的仿真結果：當a＜1/4 時，控制策略為2 條混行車道+3 條貨車車道（2M+3T），客貨分道控制均產生了負面效應，平均延誤增加，平均速度降低，因此摒棄該控制策略。當a＜1/2 時，控制策略為1 條客車車道+1 條混行車道+3 條貨車車道（B+M+3T），在3種交通流狀態下，a＝1/12、1/10、1/8、1/6、1/4時，客貨分道控制均取得了正面效應。但在交通量為 1 440 pcu/（h·ln）和 1 990 pcu/（h·ln），a＝1/15時，客貨分道控制產生了負面效應。因此，為避免客貨分道控制帶來不必要的負面影響，單向五車道在a＜1/12 時，不宜對交通流進行客貨分道控制。

4 動態客貨分道流程

根據本試驗的仿真結果，考慮客貨分道系統可根據實時交通量變化進行動態控制，繪制流程圖。

4.1 主流程

客貨分道控制主流程如圖10 所示。首先判斷是否發生交通事故，若發生交通事故，則中斷流程，并打印“發生交通事故，不宜啟動客貨分道控制流程”。若未發生交通事故，從檢測器讀取交通狀態數據，判斷服務水平。當服務水平在2～4級服務水平之間，即交通量在1 210～2 135 pcu/（h·ln）之間時，根據道路條件，判斷車道數，進入相應客貨分道控制子流程，選定控制方案，否則打印“未包含適合該道路形式的控制子流程”，若工程需要，可增設子流程。當方案執行到預設時間5 min，流程循環至最初判斷交通事故的步驟。

圖10 客貨分道控制主流程Fig.10 Main flow chart of passenger cargo lane control

4.2 單向四車道子流程

當道路為單向四車道時，選擇進入單向四車道客貨分道子程序。

單向四車道客貨分道控制子流程如圖11所示。通過獲取道路檢測器的交通流數據，將貨車交通量轉換成標準小汽車交通量，判斷a的比值所在區間，當1/8≤a＜1 時，采用1 條客車車道+1 條混行車道+2 條貨車車道（B+M+2T）的劃分形式。當a=1 時，采用2 條客車道+2 條貨車道（2B+2T）的形式。當1＜a＜3 時，采用2 條客車車道+1 條混行車道+1 條貨車車道（2B+M+T）的劃分形式。當3≤a≤20 時，采用3 條客車車道+1 條混行車道（3B+M）的劃分形式，輸出選定客貨分道方案。

圖11 單向四車道客貨分道控制子流程Fig.11 Sub flow chart of one-way four lane passenger and freight lane separation control

4.3 單向三車道子流程

當道路為單向三車道時，選擇進入單向三車道客貨分道子程序。控制子流程如圖12所示。

圖12 單向三車道客貨分道控制子流程Fig.12 Sub flow chart of one-way three lane passenger-cargo lane separation control

4.4 單向五車道子流程

當道路為單向五車道時，選擇進入單向五車道客貨分道子程序。控制子流程如圖13所示。

圖13 單向五車道客貨分道控制子流程Fig.13 Sub flow chart of one-way five lane passenger-cargo lane separation control

5 結論

論基于vissim軟件仿真，依托美國加利福尼亞州i5高速公路數據建模仿真，得到結論為：

1）在一定條件下，客貨分道可降低車輛平均延誤，提高車輛平均速度，提高道路通行效率。

2）仿真道路客貨分道控制系統適用范圍：單向四車道，1/8≤a≤20；單向三車道，1/4≤a≤20；單向五車道，1/12≤a≤10。

3）在后續工作中，可根據不同道路及交通流的情況，完善該客貨分道動態控制系統的適用界限分析。

4）對該系統軟件開發的相關內容進一步研究，并對流程中的關鍵節點，如交通事故判斷和交通流數據分析方法進行細化研究。