基于VISSIM仿真的冰雪條件下快速路交織區(qū)長度確定研究

李明劍，練象平，王志華

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300074)

基于VISSIM仿真的冰雪條件下快速路交織區(qū)長度確定研究

李明劍，練象平，王志華

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300074)

通過控制交織區(qū)長度以及快速路主線交通量對道路在正常條件、積雪條件、冰板條件以及冰膜條件四種情況下的交通狀況，利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行仿真。選取了時間占有率的指標(biāo)進(jìn)行服務(wù)水平評價。結(jié)果表明，隨著道路條件變得逐漸惡劣，時間占有率有大幅增加。在正常、積雪和冰板條件下，交織區(qū)長度的增加可以在一定程度上提高快速路的服務(wù)水平。而在冰膜條件下，交織區(qū)長度對于快速路服務(wù)水平的影響并不顯著。該研究成果可以為快速路交織區(qū)的設(shè)計提供參考。

城市快速路;交織區(qū)長度;冰雪條件;交通仿真;服務(wù)水平

1 概述

城市快速路中的交織區(qū)由于受到進(jìn)出快速路車流的影響，是整條快速路中交通流最不穩(wěn)定的一部分，極易發(fā)生擁堵。而在冰雪狀況下，由于道路條件變得較為惡劣，駕駛員的駕駛行為會發(fā)生改變，這樣一來，快速路交織區(qū)的服務(wù)水平就會急劇下降。為了改善交通狀態(tài)，增加交織區(qū)長度成為了較為普遍的解決方案。但相關(guān)規(guī)范僅給出了路面良好時的交織區(qū)最短長度，因此很有必要對冰雪狀態(tài)下快速路交織區(qū)長度的選取進(jìn)行研究。

對于冰雪環(huán)境下城市快速路交織區(qū)長度的研究，需要對各種不通過冰雪條件下，不同交通量所對應(yīng)的評價指標(biāo)進(jìn)行對比分析，這一過程需要獲取大量的數(shù)據(jù)。如果采取實際調(diào)查的方法，不僅無法在獲得不同冰雪條件下的路面狀況，而且還需要花費(fèi)大量的人力、物力、財力。因此，國內(nèi)大多數(shù)的研究都會利用交通軟件進(jìn)行交通仿真來得到相關(guān)數(shù)據(jù)。張碧琴等通過對正常狀態(tài)下快速路交織區(qū)的仿真得到了交織區(qū)長度和交織車道交通量對應(yīng)于各級服務(wù)水平的臨界線圖[1]。張騰以實際的快速路立交為例通過Vissim仿真軟件分析了長安立交分合流區(qū)的通行能力[2]。彭樺在Vissim的仿真環(huán)境中研究了快速路出入口間距設(shè)置條件及交通量變化下的變速車道設(shè)置，并運(yùn)用理想點(diǎn)法對評價指標(biāo)進(jìn)行分析計算得出不同出入口形式中最優(yōu)的幾何設(shè)置[3]。何永明等利用交通仿真軟件Vissim，建立冰雪條件下雙向4車道高速公路通行能力衰減仿真模型，得到不同路面狀況下，低速時通行能力差異較小，高速時通行能力隨附著系數(shù)降低衰減明顯[4]。結(jié)合已有文獻(xiàn)中的研究經(jīng)驗，本文將通過控制交織區(qū)長度以及快速路主線交通量對道路在正常條件、積雪條件、冰板條件以及冰膜條件四種情況下的交通狀況，利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行仿真，通過多元線性回歸得到快速路交織區(qū)服務(wù)水平的評價方法。

2 仿真過程

2.1 仿真軟件的選取

研究中使用的Vissim仿真軟件是由德國PTV公司開發(fā)的一款微觀交通仿真軟件，可以通過相關(guān)參數(shù)的更改對駕駛員行為進(jìn)行較好的仿真。Vissim的模擬結(jié)果具有較好的精確性和有效性，比較符合實際情況。

2.2 仿真路段的建立

根據(jù)基本交織區(qū)形式，在Vissim模型中建立本次研究的仿真模型平臺。圖1是實驗中所構(gòu)建的交織區(qū)仿真模型。其中，快速路主線為三車道，出、入口匝道為單車道，出、入口過渡段為四車道。該仿真路段由7個車道組和8個連接器構(gòu)成。

在仿真時，按照設(shè)計規(guī)程中對交織區(qū)最短長度的要求[5]從交織區(qū)最短長度750 m開始，選取750 m、850 m、950 m、1 050 m、1 150 m、1 250 m、1350m七種情況進(jìn)行仿真。

圖1 交織區(qū)仿真路段示意圖

2.3 仿真評價指標(biāo)

目前，對于快速路交織區(qū)服務(wù)水平的評價規(guī)范中選用交織區(qū)車輛運(yùn)行速度和道路密度。然而由于道路密度難以獲得，因此在對交織區(qū)服務(wù)水平進(jìn)行評價時選取與密度具有近似作用的車輛時間占有率作為評價指標(biāo)。仿真中將時間占有率置于交織區(qū)中點(diǎn)E處。

2.4 仿真流程

根據(jù)高峰期實地觀測值設(shè)定入口、出口匝道交通量為恒定值400 veh/h?？焖俾分骶€起始端，即A端輸入交通量由2 400 veh開始，以200 veh的步長遞增至4 400 veh。每次仿真時，都要調(diào)整路徑?jīng)Q策中的路徑流量比使得出口匝道交通量，即A到D的交通量為400 veh/h。對道路路面為正常條件以及積雪、冰板、冰膜條件時，不同長度交織區(qū)的交通狀況進(jìn)行仿真。仿真運(yùn)行過程見圖2。

圖2 仿真示意圖

2.5 駕駛行為參數(shù)的確定

在冰雪條件下，由于受到道路摩擦系數(shù)等因素的影響，各行車參數(shù)相較于正常路面會有一定的變化，為了在VISSIM仿真中能夠更加真實的反應(yīng)不同條件下的駕駛行為，需要對正常條件下和冰雪環(huán)境下的仿真參數(shù)進(jìn)行確定。

研究中，選取了VISSIM中適合于城市快速了的Wiedemann99跟馳模型。模型中需要確定的敏感參數(shù)有，最小車頭時距、停車間距、最大減速度等。

2.5.1 停車間距

停車間距指的是兩停止車輛之間的平均期望間隔距離，沒有變量。正常條件下的停車間距取1.5 m，冰雪環(huán)境下取2 m[4]。

2.5.2 最小車頭時距

最小車頭時距可以通過式(1)和式(2)進(jìn)行計算[6]。

式中: Smin為安全車頭間距，單位:m;St為停車視距，單位:m;L為車輛長度，單位:m;v為行駛速度，單位:m/s;t為駕駛員知覺反應(yīng)時間，一般取2.5 s; u為路面與輪胎之間的縱向摩阻系數(shù);i為道路縱坡，單位:%。對于摩擦系數(shù)u根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供的參考值，正常路面u值取0.75，積雪覆蓋路面u值取0.35，冰板路面u值取0.25，冰膜路面u值取0.1[7]。

其他相關(guān)Wiedemann99模型中跟馳參數(shù)值得選取見表1。

表1 不同條件下W iedem ann99模型中跟馳參數(shù)值

2.5.3 最大減速度

最大減速度a=ug的值根據(jù)式(3)可以得到。

式中:a為最大減速度，單位:m/s2;u為摩擦系數(shù);g為重力加速度，單位:m/s2，這里取10。計算后，可以得到四種條件下的最大減速度見表2。

表2 不同冰雪條件下的車輛最大減速度值(單位:m/s2)

3 冰雪條件對快速路交織區(qū)時間占有率影響分析

3.1 時間占有率變化趨勢分析

將四種冰雪條件下，加載不同交通量時所對應(yīng)的交織區(qū)車輛時間占有率值繪制成散點(diǎn)圖，見圖3。

(1)正常條件下交織區(qū)車輛時間占有率變化趨勢

在正常條件下，根據(jù)圖3(a)中的曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)快速路主線上加載交通量小于3 200 veh/時，時間占有率隨著加載交通量的增加而增加;而當(dāng)主路加載交通量大于3 200 veh/h時，時間占有率逐漸趨于穩(wěn)定，不隨加載交通量的變化而發(fā)生顯著變。這說明，交通量大于3 200 veh/h時，道路已經(jīng)處于過飽和狀態(tài)，車輛運(yùn)行效率很低。

圖3 四種條件下交織區(qū)車輛時間占有率變化趨勢

將不同長度交織區(qū)下的時間占有率進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，交織區(qū)長度相差100 m時，兩者的時間占有率數(shù)值相差不大，而交織區(qū)長度相差在200 m以上時，交織區(qū)長度長的時間占有率要明顯低于交織區(qū)長度短的。交織區(qū)長度在1 350 m時占有率的值明顯低于750 m的交織區(qū)。

(2)積雪條件下交織區(qū)車輛時間占有率變化趨勢

積雪條件下交織區(qū)車輛時間占有率的變化趨勢見圖3(b)。隨著主線加載交通量的增加，時間占有率都會有所上升，但上升幅度比較小。由圖中的趨勢線還可以觀察到，交織區(qū)長度在750～1 150 m時，占有率都集中在了陰影區(qū)域A;交織區(qū)長度在1 250～1 350 m時，占有率值都集中在了陰影區(qū)域B。B區(qū)域較A區(qū)域的值有小幅度下降。

(3)冰板條件下交織區(qū)車輛時間占有率變化趨勢

冰板條件下交織區(qū)車輛時間占有率的變化趨勢見圖3(c)。隨著主線加載交通量的增加，時間占有率都會略有上升，上升幅度比積雪條件下的還要緩慢。由圖中的趨勢線還可以觀察到，交織區(qū)長度在750～950 m時，占有率都集中在了陰影區(qū)域A;交織區(qū)長度在1 050～1 250 m時，占有率值都集中在了陰影區(qū)域B;交織區(qū)長度在1 350 m時，占有率值處于陰影區(qū)域C。C區(qū)域的占有率最小，B區(qū)域其次，A區(qū)域最大。說明交織區(qū)長度對冰板條件下交織區(qū)車輛運(yùn)行狀態(tài)有顯著影響，交織區(qū)長度在1 050 m以上時，車輛時間占有率有顯著降低。

(4)冰膜條件下交織區(qū)車輛時間占有率變化趨勢

冰膜條件下交織區(qū)車輛時間占有率的變化趨勢見圖3(d)。隨著主線加載交通量的增加，時間占有率上升的非常緩慢。由圖中的趨勢線還可以觀察到，交織區(qū)長度在750～1 050 m時，占有率都集中在了陰影區(qū)域A;交織區(qū)長度在1 150 m時，占有率值都集中在了陰影區(qū)域B;交織區(qū)長度在1 250～1 350 m時，占有率值處于陰影區(qū)域C。C區(qū)域的占有率最小，B區(qū)域其次，A區(qū)域最大。說明交織區(qū)長度對冰板條件下交織區(qū)車輛運(yùn)行狀態(tài)有顯著影響，交織區(qū)長度在1 150 m以上時，車輛時間占有率有顯著降低。

主路交通量的改變對交通的影響隨著道路環(huán)境惡劣程度的增加而越不顯著，交織區(qū)長度的變化是影響時間占有率的主要因素。交織區(qū)長度越長，時間占有率越小，交通越為暢通。

3.2 時間占有率回歸模型的建立

由于時間占有率受到交織區(qū)長度和交通量雙因素的作用，因此對交織區(qū)長度、主線交通量以及時間占有率進(jìn)行二元線性回歸分析。選取主線交通量為自變量x1(單位:veh/h)，交織區(qū)長度為自變量x2(單位:m)，時間占有率為因變量y(單位:%)。通過回歸分析可以得到各種冰雪條件下x1、x2與y的關(guān)系。

正常條件下，時間占有率與交通量的關(guān)系以3 200 veh/h為分界點(diǎn)，x1≤3 200時，y隨著x1的增加而增加;當(dāng)x1≥3 200時，y值趨于穩(wěn)定，不隨x1的變化而發(fā)生顯著變。因此，建立回歸模型時，以x1=3 200為分界點(diǎn)建立分段函數(shù)。

x1≤3 200時，對x2為750、850、950、1 050、1 150、1 250和1 350時，共35組數(shù)據(jù)進(jìn)行二元線性回歸分析得到回歸公式，而在x1≥3 200時，取y∈[22，24]。

綜上，主線交通量x1、交織區(qū)長度x2以及時間占有率y之間回歸模型為

在積雪條件下，主線交通量x1、交織區(qū)長度x2以及時間占有率y之間回歸模型為

在冰板條件下，主線交通量x1、交織區(qū)長度x2以及時間占有率y之間回歸模型為

對路面條件為正常、積雪及冰板三種條件下的回歸方程進(jìn)行相關(guān)性檢驗和顯著性檢驗，見表3?？梢缘玫剑齻€回歸方程的調(diào)整多重判定系數(shù)都在0.85以上，即交織區(qū)長度、主線交通量以及時間占有率能被該多元線性回歸方程所解釋的比例大于85%。此外，三個回歸方程中F顯著性統(tǒng)計量(Significance F)的P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顯著性水平0.05，說明該回歸方程回歸效果十分顯著。因此，可以說該二元線性回歸方程能夠較為準(zhǔn)確的擬合交織區(qū)長度、主線交通量以及時間占有率之間的關(guān)系。

表3 正常、積雪及冰板條件下多重判定系數(shù)及P值

而對于冰膜條件下的回歸模型來說，由于在冰膜條件下，交織區(qū)長度一定時，時間占有率會在一定的范圍內(nèi)波動，而與主線交通量沒有顯著關(guān)系。因此，只給出仿真得到的不同交織區(qū)長度下時間占有率的參考值，見表4。

表4 冰膜條件下交織區(qū)長度與時間占有率

4 結(jié)論

冰雪條件對城市快速路，尤其是快速路交織區(qū)的交通流有著較大的影響。本文通過控制交織區(qū)長度以及快速路主線交通量對道路為正常條件、積雪條件、冰板條件以及冰膜條件四種情況在VISSIM中進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，隨著道路條件變得逐漸惡劣，時間占有率有大幅增加，地點(diǎn)速度大幅度降低。在正常、積雪以及冰板條件下隨著快速路交織區(qū)長度的增加，時間占有率降低，道路交通狀況有所改善;而在冰膜條件下，交織區(qū)長度的變化對交通狀況的改善影響不大。這是由于這時的道路狀況極其惡劣，駕駛員的駕駛行為極其謹(jǐn)慎，車輛之間保持了較大的車頭時距所致。根據(jù)本文所給出的回歸方程來計算交織區(qū)服務(wù)水平的指標(biāo)值，進(jìn)而根據(jù)規(guī)范中的服務(wù)水平劃分方法，在對應(yīng)的服務(wù)水平下選擇合適的交織區(qū)長度。本文的研究結(jié)果可以在實際施工設(shè)計中給予一定參考。

[1] 張碧琴，張強(qiáng)，馬亞坤，等.Vissim在新建快速路交織區(qū)長度研究中的應(yīng)用[J].市政技術(shù)，2013(5):32-35

[2] 張騰.基于VISSIM的長安立交合流區(qū)通行能力仿真研究[D].陜西西安:長安大學(xué)，2013.

[3] 彭樺.基于VISSIM城市快速路出入口幾何設(shè)置研究[D].湖北武漢:華中科技大學(xué)，2012.

[4] 何永明，丁柏群.冰雪條件下高速公路通行能力衰減仿真研究[J].森林工程，2012(2):68-70.

[5] CJJ 129-2009，城市快速路設(shè)計城市快速路設(shè)計規(guī)程[S].

[6] 羅麗君，高晗，裴玉龍.冰雪道路條件下最小安全行車間距的確定[J].黑龍江交通科技，1999(1):33-34.

[7] GA/T643-2006，典型交通事故形態(tài)車輛行駛速度技術(shù)鑒定[S].

[8] 才西月，劉錦河，王志濤.冰雪路面平面設(shè)計指標(biāo)取值的探討[J].北方交通，2008(1):6-7.

[9] National Highway Traffic Administration，F(xiàn)ederal Highway Administration. Speeding and Highway Safety[Z].The U.S Department of Transportation Policy and Implementation Strategy，1997.

[10] Boselly，E. S.，Thornes， E.J.，etc.Road Weather Information Systems Volume 1:Research Report[R].Strategic Highway Research Program Publication-SHRP-H-350，NationalResearch Council，Washington，D.C.，1993.

U 491.1

A

1009-7716(2015)11-0179-04

2015-07-15

李明劍(1981-)，男，天津市人，高級工程師，從事公路與市政道路設(shè)計工作。