高速公路匝道入口處沖突點(diǎn)仿真研究

李慶印， 宋博文, 張俊波

(1. 淄博市公安局交通警察支隊(duì)， 山東 淄博 255043； 2. 山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

1 研究背景

近年來(lái)，高速公路行車(chē)安全性越來(lái)越受到廣泛的重視.我國(guó)高速公路交通事故致死率與國(guó)外相比高得驚人，近幾年其統(tǒng)計(jì)平均值高達(dá)29%，而德、美、日等國(guó)家的高速公路交通事故致死率只有 1%～3%左右[1].盡管2001-2012年高速公路百公里事故率、百公里死亡率和百公里受傷率呈逐年下降趨勢(shì)，但仍然需要引起更多重視[2]. Papagcorgiou基于高速交通事故，設(shè)計(jì)了區(qū)間分段交通流誘導(dǎo)控制方法[3],但該方法未實(shí)時(shí)有效地聯(lián)系各區(qū)間狀態(tài).1983年，Gershwin以單個(gè)出行者為假設(shè)，針對(duì)高速交通事故，設(shè)計(jì)了混合最優(yōu)化規(guī)劃模型(HOP) ，但該模型僅適應(yīng)于單出行者情況[4].Sasaki T[5]和Chen L[6]基于高速公路交通事故對(duì)入口匝道的影響，研究了事故條件下入口匝道的模糊誘導(dǎo)控制方法.Parisini及Zoppoli運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以各種交通流為對(duì)象，設(shè)計(jì)了誘導(dǎo)與控制模型[7]，但該模型計(jì)算量大，對(duì)于大型高速路網(wǎng)難以實(shí)現(xiàn)有效控制.2007年，西安交通大學(xué)的靳引利，雷雨同樣采用模糊控制的原理試圖解決高速擁擠問(wèn)題[8].2009年，長(zhǎng)安大學(xué)的曹偉、孫大躍等人運(yùn)用GSM通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的緊急救助與誘導(dǎo)控制模式的方法，來(lái)解決高速匝道入口的沖突問(wèn)題，但該方法需在目標(biāo)位置配備各種通信設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理[9].本文提出針對(duì)濱博高速淄博段的交通管理措施，以期能夠在基本不改變現(xiàn)實(shí)道路狀況的條件下，在保證不降低車(chē)輛通行效率的前提下，以最少的資金投入，消除原有沖突點(diǎn)，提高行車(chē)安全性.

眾所周知，高速公路主干路與入口匝道存在交匯沖突點(diǎn)，高速公路匝道入口處沖突點(diǎn)示意圖如圖1所示.高速公路車(chē)流在平均時(shí)速(限速120km/h)較高，車(chē)輛主體反應(yīng)時(shí)間有限的情況下，很容易在沖突點(diǎn)處發(fā)生嚴(yán)重交通事故.

圖1 高速公路入口匝道處沖突點(diǎn)示意圖

所謂交匯沖突點(diǎn)，是指來(lái)自于不同方向的車(chē)流在相互影響的情況下，易發(fā)生沖突的交通事故點(diǎn).在國(guó)內(nèi)，聶磊、楊曉光等研究了匝道單點(diǎn)控制的問(wèn)題[10]；張海軍、楊曉光等研究了各種不同形式道路交通銜接的問(wèn)題[11].而國(guó)外目前對(duì)于此類(lèi)沖突點(diǎn)的解決同樣沒(méi)有一套成熟的應(yīng)用體系.在這種情況下，一般通過(guò)相應(yīng)的避讓行動(dòng)來(lái)達(dá)到避免沖突事故的目的，但是這顯然不足以完全避免交通事故的發(fā)生.

2 交通誘導(dǎo)方法

為解決高速公路入口匝道入流車(chē)輛與主干道車(chē)輛相沖突的問(wèn)題，在最大限度降低管理改造成本的前提下，采用設(shè)定限制行駛區(qū)間的管理措施來(lái)達(dá)到消除沖突點(diǎn)，進(jìn)而相應(yīng)減少發(fā)生交通事故的目的.限制行駛區(qū)間設(shè)定示意圖如圖2所示.

圖2 限制行駛區(qū)間設(shè)定示意圖

圖2中，C點(diǎn)為入口匝道處沖突點(diǎn)，區(qū)間[A,B]為針對(duì)最外側(cè)車(chē)道的車(chē)輛限制通行區(qū)間.

主干路最右側(cè)車(chē)道(編號(hào)為第1車(chē)道)車(chē)輛行至A點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置智能車(chē)道誘導(dǎo)屏并結(jié)合地面變道標(biāo)識(shí)的方式，誘導(dǎo)原先行駛在最右側(cè)車(chē)道的主干道直行車(chē)輛逐步變道至第2,3車(chē)道，避免行駛至匝道時(shí)與入流車(chē)輛發(fā)生沖突.而來(lái)自于入口匝道的入流車(chē)輛在不存在沖突點(diǎn)的情況下，便直接進(jìn)入第1車(chē)道，在主干路上與原有車(chē)輛匯流，當(dāng)匯合流車(chē)輛行至B點(diǎn)后，便可繼續(xù)行駛，并重新調(diào)整大小車(chē)型正確行駛車(chē)道.

3 仿真驗(yàn)證

交通仿真是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)工程和交通工程領(lǐng)域的基本理論和專(zhuān)業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為主要工具，利用系統(tǒng)仿真模型模擬道路交通系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，采用數(shù)字方式或圖形方式來(lái)描述動(dòng)態(tài)交通系統(tǒng)，復(fù)現(xiàn)交通流時(shí)間空間變化，反映復(fù)雜的交通現(xiàn)象，并對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行解釋、預(yù)測(cè)、分析，以便更好地把握和控制該系統(tǒng)的一門(mén)實(shí)用技術(shù).

Transmodeler是美國(guó) Caliper公司為城市交通規(guī)劃和仿真開(kāi)發(fā)的多功能交通仿真軟件包.該軟件可以模擬從高速公路到市中心區(qū)路網(wǎng)道口在內(nèi)的各類(lèi)道路交通網(wǎng)絡(luò)，可以詳細(xì)逼真地分析大范圍多種出行方式的交通流.為驗(yàn)證該方法對(duì)高速公路入口匝道沖突點(diǎn)影響的可行性，采用TransModeler仿真軟件，以濱博高速淄博段為例進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證.

濱博高速公路為雙向四車(chē)道，主干道車(chē)道寬度均為3.75m，應(yīng)急車(chē)道寬度為2.5m(圖3中省略).主干道限制車(chē)速為120km/h，入口匝道限制車(chē)速為60km/h.仿真周期取30min，每5min為一數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)間隔.濱博高速公路某收費(fèi)站處TransModeler仿真模型如圖3所示.

圖3 濱博高速某收費(fèi)站處TransModeler仿真模型

為驗(yàn)證該交通管理措施的適用范圍及主干道流量與匝道入口流量的影響作用，在仿真之前調(diào)查了濱博高速淄博段各路段的交通流量及各匝道入口的交通流量.經(jīng)調(diào)查分析得到，各匝道入口交通流量較為平均，約為2 800輛/天，而主干道各路段流量則相差較大.濱博高速主干道各路段的交通流量分布圖如圖4所示.

圖4 濱博高速主干道各路段的交通流量分布圖

在TransModeler仿真模型運(yùn)行之后，通過(guò)數(shù)據(jù)輸出器將Summary Trip Statistics與Summary Dalay Statistics數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告輸出，整理后的仿真模型相關(guān)結(jié)論數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，仿真結(jié)果示意圖如圖5所示.

由仿真模型相關(guān)結(jié)論數(shù)據(jù)表可以看出，根據(jù)實(shí)行限制行駛區(qū)間交通管理措施前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，所有完成行程的主干道車(chē)輛平均速度提高了14.1%，而匝道車(chē)輛平均速度提高了26.89%.在車(chē)輛平均延誤方面，主干道車(chē)輛平均延誤降低了4.13%，而匝道車(chē)輛此數(shù)據(jù)提高了28.72%.這表明實(shí)行限制行駛區(qū)間的管理措施，對(duì)于提高濱博高速淄博段主干道車(chē)輛及入口匝道車(chē)輛的通過(guò)率，提高所有車(chē)輛的平均行駛速度，以及降低車(chē)輛平均延誤都具有積極的作用.最重要的是，該管理措施雖然一定程度上降低了直行車(chē)輛的優(yōu)先通行效率，但是消除了原有的高速?zèng)_突點(diǎn)，保證了車(chē)輛行駛的安全性.

表1 仿真模型相關(guān)結(jié)論數(shù)據(jù)

(a)平均速度 (b)延誤圖5 交通管理措施實(shí)施前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4 結(jié)束語(yǔ)

高速公路交通管理誘導(dǎo)策略直接消除了濱博高速淄博段各收費(fèi)站匝道入口與主干道之間的沖突點(diǎn)，宏觀上保證了所有車(chē)輛的通行效率，以最小的交通設(shè)施投入成本，最大限度地提高了高速公路行車(chē)安全性.該方法對(duì)于解決目前濱博高速淄博段各收費(fèi)站匝道入口處的交通安全問(wèn)題，具有重要的實(shí)踐意義.

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