基于微觀仿真的山區過江通道交通適應性分析

李婷

摘要 文章對山區公路過江通道運行過程中的主要交通脆弱點展開研究，使用VISSIM和SSAM軟件對交叉口脆弱點展開仿真分析，通過分析交通沖突和通行效率，總結了山區公路過江通道脆弱點交通適應性研究的主要方法，并以湖北某山區公路長江大橋為例，展開主要脆弱點分析，通過仿真建模研究其交通適應性。結果表明，該項目于建成10年內適應性較好，10年后運行狀態逐漸變差，相關管理部門應通過設置信號燈和渠化設計實現安全運營。

關鍵詞 過江通道；交通適應性；交通沖突；通行效率

中圖分類號 TP301.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0042-03

0 引言

長江干線過江通道連接長江兩岸，是我國南北交通的重要紐帶，也是支撐長江經濟帶新型城鎮化發展的重要設施[1]。公路橋梁是國家公路網的重要組成部分，橋梁工程特別是過江通道建成后會成為區域路網的“咽喉”要道，其交通狀態直接影響周邊路線乃至路網的運行狀態。國外研究中，關于交通脆弱點的研究多集中于網絡節點的研究。Newman[2]通過介數、權重等多個指標辨識網絡重要節點。Muley[3]對車流和行人流的特性展開研究，使用VISSIM對交叉口展開仿真建模，使用安全評估模型（SSAM）來分析模擬軌跡，以識別研究區域內的潛在沖突。國內關于道路中交通脆弱點的微觀研究較少，多使用“圖論”理論對路網節點開展宏觀研究。嚴開[4]考慮道路交通網絡中關鍵節點的特殊性和關聯性，提出了基于貪心策略的Page Rank關鍵節點識別方法。詹微微[5]結合灰色關聯分析方法，對城鄉公路交叉口的交通安全及改善方法進行細致研究，針對重慶某大橋兩頭交叉口開展實例應用，制定了安全綜合改善方案，依托VISSIM實現仿真驗證。該文旨在對山區公路過江通道運行過程中的主要脆弱點展開研究，為過江通道的規劃建設及安全運營提供參考。

1 山區公路過江通道交通脆弱點特性分析

適應性的概念最初出現在生物學中，是指生物個體與周圍環境條件相適應的現象。而交通行業的適應性目前主要探討的是道路網絡的發展水平、城市交通系統的水平或交通建設項目的效益水平與社會經濟發展水平之間的適應性，即經濟適應性。該研究將交通適應性界定為工程建設項目與周邊交通環境相適應的特性。

山區公路路網、交通流及氣候條件均具備特殊性，大型過江通道建成后在運行過程中必定會出現許多交通脆弱點，這些脆弱點亦是網絡中的重要節點，對路網脆弱性影響較大。與城市交通類似，交叉口是各類交通流的沖突點集中區，且公路過江通道與其他道路一般采用平交，沒有信號控制，交叉口交通沖突更大，其整體狀況直接影響到周邊道路甚至路網的整體效率。過江通道脆弱點的交通適應性體現在周圍環境改變時該點的交通沖突或通行效率情況。過江通道建成后與其他道路連接的交叉口往往是路網中的脆弱點，需分析其能否滿足日益增長的交通需求。

為了研究山區公路過江通道脆弱點的交通適應性，首先應識別重要交叉口脆弱點。公路網立體交叉眾多，在山區等特殊區域還存在許多不同等級公路相連接的平交口，應選擇流量大、儲存能力卻有限的交叉口作為主要分析對象。過江通道所在道路與周邊道路形成的交叉口，下橋車輛的運行車速往往較高，需提前減速以進入交叉口。在連續的交通流中，若在特殊點某輛車發生速度改變，影響將會以交通波的形式蔓延，故此處為典型的交叉口脆弱點。分析該類交叉口的交通適應性可從其交通沖突和交通效率著手，分析其對日益增長的交通需求的適應性。可選用沖突數、碰撞時間（Time to Conflict，TTC）、后侵占時間（Position Encroachment Time，PET）等指標分析交叉口脆弱點的交通沖突，選用車均延誤和排隊長度等指標分析交叉口脆弱點的通行效率。

2 交通脆弱點適應性分析方法

分析交叉口的交通沖突，應繪出其交通沖突點圖，分析各類交通沖突點的數目；對交叉口的車輛軌跡交通沖突情況做深入整體分析，分析其在高峰小時交通量和平峰小時交通量情況下的各類交通沖突發生情況。交通沖突分析可采用微觀仿真軟件VISSIM中的沖突模塊輸出車輛路徑數據，并使用SSAM（Surrogate Safety Assessment Model）軟件進行數據分析，得到各類交通沖突數。SSAM是由美國聯邦公路局開發的微觀仿真車輛軌跡數據統計分析軟件，可識別不同類別的沖突點并能通過圖形展示沖突點位置。在SSAM軟件中，交通沖突由沖突路徑方向間的沖突角度來劃分，三種主要沖突分類如表1所示，一般沖突角度的變化范圍為0～180°，其中，沖突角度為0～30°屬于追尾沖突；30～85°屬于變道沖突；85～180°屬于交叉沖突。

其次，運用該軟件還可分析出碰撞時間TTC和后侵占時間PET兩個重要沖突指標。其中，TTC表示兩車在行駛過程中距離逐步減小時，若車輛仍保持原有速度行駛導致沖突值發生碰撞的時間差。PET表征兩輛車到達指定斷面的時間差。TTC和PET的數值越小，表示沖突越大，越容易發生事故。

對于交叉口而言，通常采用車均延誤、區間平均車速及排隊長度等指標評價其運行效率。車均延誤反映車輛通過交叉口時的損失時間，能直觀地反映交叉口通行效率。區間平均車速表征道路中車輛的運行效率。排隊長度描述停駛車輛所占的道路空間，最大排隊長度表示車輛在某個時間段內占據道路的最大空間，平均排隊長度表示各個車道車輛排隊長度的平均值，反映整個交叉口的擁堵程度。以上指標均可使用VISSIM軟件微觀仿真得到。

3 交通脆弱點微觀仿真建模

VISSIM軟件可分析道路交通系統的車流運行情況，不僅可以對時間間隔參數、駕駛行為參數進行設置，亦可對各種條件下的車輛進行仿真，尤其是在跟馳、換道、間距接受模型均具有較大的優勢[6]。故在該研究中使用VISSIM獲取相關評價數據。

3.1 跟車模型設置

VISSIM提供的三種跟車模型中，Wiedemann99模型主要適用于郊區或高速公路交通，能夠較好地模擬山區公路上的行車狀態，故選擇Wiedemann99模型。

3.2 可視距離設置

在視野較開闊的地方駕駛員可視距離可達到《公路工程技術標準》中各級道路的視距要求，但在彎道或不良條件下，參考孫騰等[7]的研究成果，可將前視距離設置為90 m，后視距離設置為60 m。

3.3 期望速度設置

期望車速是指車輛行駛過程中在不受或基本不受其他車輛約束的情況下，駕駛員心目中希望達到的最高安全行駛速度。在車輛行駛中，駕駛員會根據當時的道路平縱線形及交通整體情況改變車速，而在VISSIM中車輛的運行車速則需要根據道路線形具體情況而人為地設置期望車速，以控制車輛在不同路段的運行車速。根據相關研究成果[8]，在運行速度普遍比設計速度大10～20 km/h。而期望速度與運行速度間又滿足如下函數關系：

v運行

式中，k——折減系數，建議取值范圍為0.7～0.9。

故在該次建模過程中，將期望速度設置為高于設計速度10 km/h。將與橋梁連接的重要道路繪制于VISSIM軟件中，將各檢測器設置在所需檢測處，設置寫入評價文件，運行仿真模型，即可獲得相關指標參數。

4 過江通道交通適應性典型案例分析

湖北省某長江大橋工程是《湖北省公路水路交通運輸發展“十二五”規劃綱要》《三峽后續工作規劃》等規劃中實施的重點項目，總投資約21億元，已于2019年正式通車。該項目建設環境為山區，按一級公路標準建設，但與之連接的各級道路等級不一，與之銜接的兩條主要省道均為二級公路。

4.1 交通沖突分析

該長江大橋通車前，輪渡為此處行車的唯一過江通道，效率較低。長江大橋建成通車后，整個路網的效率大幅度地提高，與之相接的兩條省道涌入大量交通量。此處是周邊鄉鎮內車輛進入省道和高速的必經之路，沖突點多，且兩條省道的交叉口處于兩個隧道與長江大橋的出口交界處，交通流類型混雜，矛盾突出，為該長江大橋主要的交通脆弱點之一。另外，該公路交叉口為兩個隧道的匯聚點，一般不允許行人通過，該長江大橋設有專門的行人通道，分流情況較好，故在該模型中不考慮行人。

該交叉口為兩條省道相交的Y字路口，兩條省道均為二級公路，雙向4車道，每個方向均有2個進口道，沖突點分析圖如圖1。其中，合流沖突點（矩形）有3個，分流沖突點（三角形）有3個，交叉沖突點（圓形）有3個。

其次，將交叉口繪制于VISSIM仿真軟件中，根據車流走向設定路徑及優先規則。對于無信號交叉口，按照左轉讓直行、交通量大的方向優先通行的優先規則進行設定；為進入交叉口的車輛設置期望速度決策點，將交叉口內小客車、貨車、客車的速度分別設置為20 km/h，15 km/h，15 km/h。根據年平均日交通量的預測結果，選取高峰小時交通量系數為13.3%，平峰小時交通量為高峰小時的0.8倍。

選擇輸出文件后開始仿真，得到各類情況下的交叉口沖突數據，將VISSIM中生成的含有車輛速度的車輛仿真軌跡文件（prj.格式文件）數據映射在網絡中，使用SSAM分析軟件進行分析。對SSAM模型中的各參數的閾值進行設定，將TTC最小值設置為0 s，最大值設置為1.5 s（假設兩車之間的TTC值小于1.5 s時，兩車之間發生了交通沖突）。PET的最小值設置為0 s，最大值為5 s。運行軟件分析得到沖突分析數據統計結果和交通沖突指標值分別如表2～3所示。

由數據可知，該交叉口沖突數量不斷增大，但交通沖突分析指標較為穩定。運營初年交通量較低時，處于高峰和平峰情況的交通沖突數較為接近。其中，正向沖突明顯多于追尾沖突和變道沖突。隨著交通需求的增長，高峰小時交通沖突數與平峰小時的差距逐漸增大。但交通量足夠大時（2038年以后），差距逐漸減小。在2025后，高峰小時沖突數逐漸超過2 000，但在2030年之前，平峰小時的交通沖突數仍低于2 000。綜上可知，該交叉口2030年以后交通適應性下降趨勢明顯。

4.2 交通脆弱點通行效率分析

設置對比實驗對各年預測交通量進行仿真實驗，通過設置檢測器和數據采集點，可得出交叉口脆弱點在各組模型的交通通行效率仿真結果數據，整理如表4所示。

由實驗結果可知，大橋通車初期運行狀態良好。2025年后，交叉口開始出現延誤和排隊情況，但是仍在可接受范圍之內。從2030年開始，延誤逐漸增大，區間平均車速逐漸降低，整體通行效率呈明顯下降趨勢。

綜合該交叉口交通沖突和通行效率的分析結果，可知通車運營10年內該脆弱點的交通適應性較好，2030年后適應性逐漸降低。

5 結論

該文通過分析山區公路過江通道建設后的交通脆弱點，得出其主要特性；將交通沖突分析和通行效率分析相結合，總結了研究山區公路過江通道交通脆弱點適應性的主要方法；對湖北省某長江大橋交通脆弱點的適應性展開了研究，若該長江大橋及所在山區公路與省道交叉口不設置紅綠燈，該交叉口脆弱點于建成10年內適應性較好，10年后運行狀態逐漸變差，且交通沖突數逐漸變多，增幅逐漸變大，對交通需求的適應性逐漸降低。根據評價結果，該文建議相關管理部門應在該過江通道所在公路與省道交叉口處設置信號燈，并通過渠化設計提高行車安全性。

參考文獻

[1]國家發展和改革委員會. 長江干線過江通道布局規劃（2020—2035年）[Z]北京：國家發展和改革委員會， 2020.

[2]Newman， M. E J . The Structure and Function of Complex Networks[J]. SIAM Review， 2003（2）： 167-256.

[3]Muley D， Ghanim M， Kharbeche M. Prediction of Traffic Conflicts at Signalized Intersections using SSAM[J]. Procedia Computer Science， 2018， 130： 255-262.

[4]嚴開， 李玲， 秦永彬. 道路交通網絡中的關鍵節點識別方法研究[J]. 計算機工程與科學， 2018（11）： 81-88.

[5]詹微微. 城鄉接合部平面交叉口安全改善研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2015.

[6]王世偉. 區域路網條件下的高速公路改擴建交通分流研究[D]. 西安：長安大學， 2018.

[7]孫騰， 石謙. 基于行車安全性的公路三維視距研究[J]. 交通科技， 2019（3）： 104-107.

[8]溫學鈞， 楊屹東， 方靖. 高速公路運行速度研究[J]. 公路交通科技， 2002（1）： 80-82.