基于Flexsim的大型半苜蓿葉互通立交仿真與優(yōu)化

王家琦,楊春霞,晉民杰,王學(xué)峰

(1.太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院,太原 030024;2.晉城學(xué)院 籌備處,山西 晉城 048026)

隨著我國高速建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,原有立交受到的線形及交通量的制約也越來越多。國內(nèi)采用的大部分完全苜蓿葉形、菱形、環(huán)形等立交越來越不滿足交通安全及通行能力的要求[1]。半苜蓿葉形互通立交作為立交方式的一種,與完全苜蓿葉相比,可消除交織區(qū)的影響,而與菱形相比,則有更好的通行能力和服務(wù)水平,且其本身具有保證主路車輛快速暢通,簡化主線道路交通標(biāo)志,減小費用,便于分期修建的優(yōu)點。半苜蓿葉互通立交的不斷優(yōu)化,會大幅度減小道路堵塞,提高通行能力[2]。

一般為消除交織區(qū)交通量,會將立交設(shè)置為半苜蓿葉+附加直連匝道的形式,但此立交形式會導(dǎo)致次要道路存在沖突點,出現(xiàn)停車沖突或錯路運行的現(xiàn)象。有時部分平面交叉口會設(shè)交通信號燈,若出口匝道儲存量不足,往往會影響主線交通的運行。所以,如何在消除交織交通量的前提下進一步改善平交口沖突點,增加道路通行能力,是現(xiàn)階段互通立交設(shè)計面臨的主要問題[3-4]。本文結(jié)合FLexsim仿真技術(shù)強大的數(shù)據(jù)分析功能[5-6],根據(jù)Flexsim建立半苜蓿葉互通立交仿真模型,重點分析次要道路平交口沖突點的堵塞問題,并利用線形的制約及交通量的變化,對互通立交進行部分及整體優(yōu)化,進而改善道路通行和堵塞情況,并透過模型分析Flexsim方法的實際應(yīng)用價值。

1 互通立交基本狀況

本文模型為半苜蓿葉附加右轉(zhuǎn)車道的立交形式。出口在跨線結(jié)構(gòu)物之前,故匝道布置方式為A型。被交路下穿,主線上兩對出入口相對拉開,對行車視線有利。主路及次要道路均為對向三車道,次要道路平交口存在交通信號燈,即存在沖突點。此沖突點涉及的路段是本文研究道路堵塞的關(guān)鍵。

2 Flexsim仿真模型建立

2.1 互通立交的FLexsim的實體映射

根據(jù)Flexsim對象控件功能建立的互通立交與Flexsim對象的實體映射見表1.

表1 互通立交的Flexsim對象的實體映射Tab.1 Entity mapping of Flexsim objects for interchange

2.2 布局的建立

本文以擬建的互通立交規(guī)劃方案為依據(jù),按照規(guī)劃布局方案中各設(shè)施位置,依次把與設(shè)施對應(yīng)的Flexsim實體放置在布局圖的相應(yīng)位置[7]。

2.3 實體間的連接

所有實體須按照定義的順序進行連接,否則,實體不會按照順序在立交上行駛[8]。如圖1、圖2所示。

圖1 車輛與道路的連接Fig.1 Connection between vehicles and roads

圖2 道路與道路的連接Fig.2 Connection between roads and roads

2.4 參數(shù)設(shè)置

實體連接后,須對交通流及各路段進行參數(shù)設(shè)置?，F(xiàn)將交通流(semi、car、ferarri)按統(tǒng)計分布為指數(shù)分布(比例為5)來擬定初始參數(shù)。由于仿真路段數(shù)量較多,現(xiàn)取主線附加右轉(zhuǎn)路段(RightlaneEB1)及附加左轉(zhuǎn)中間道(OffRampCenterLaneEB2)擬定參數(shù)分析,中間匝道為直線+圓曲線+直線的匝道形式,具體見圖3-圖5.

圖3 Source-semi的參數(shù)設(shè)置Fig.3 Parameter setting of source-semi

圖4 RightLaneEB1的參數(shù)設(shè)置Fig.4 Parameter setting of RightLaneEB1

圖5 OffRampCenterLaneEB2的參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameter setting of OffRampCenterLaneEB2

2.5 仿真模型的建立

參數(shù)設(shè)置后,將所規(guī)劃的互通立交對象模型導(dǎo)入Flexsim仿真模型,通過調(diào)整尺寸、位置以及角度使其適當(dāng)?shù)娘@示在局視圖背景上。如圖6、7.

圖6 互通立交全景圖Fig.6 Panoramic view of interchange

圖7 互通立交正投影鳥瞰圖Fig.7 Aerial view of direct projection of interchange

3 仿真數(shù)據(jù)輸出與分析

Flexsim進行的仿真大部分都屬于終止型仿真,最終系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)會轉(zhuǎn)換成Excel數(shù)據(jù)。Excel數(shù)據(jù)對每一個實體進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,進而分析當(dāng)前模型的運行狀態(tài)[9]。在模型在參數(shù)擬定的前提下,給定運行時間6 000 s,首先分析輸出車輛通行時間、停留時間,堵塞率等,具體見表2.

表2 車輛通行時間和停留時間表Tab.2 Vehicle passage time and stop schedule

車輛輸出完成后,需對道路實體數(shù)據(jù)分析。模型實體數(shù)量較多,因文章重點分析通行及堵塞情況,故選取平交口沖突點所涉及的各路段實體?，F(xiàn)選取其中5個實體,每個實體與輸出車輛參數(shù)指標(biāo)一致。如表3所示。

表3 路段通行時間與停留時間Tab.3 Road passage time and stay schedule

表3分析中可得到道路某堵塞較大路段數(shù)據(jù)。從模型整體數(shù)據(jù)來看,sink1與sink2分別有5條匯聚車流,以sink2為例,主線三車道及附加右轉(zhuǎn)駛出匝道車流堵塞較小,由次要道路駛?cè)朐训缽亩鴧R聚到主線的車流在合流區(qū)產(chǎn)生的堵塞也基本可忽略(此合流區(qū)并不能稱為交織區(qū))。而最后一條支流即為次要道路平交口沖突點所涉及的車流,此沖突點影響到附加左轉(zhuǎn)道及次要道路直行路段,其堵塞率平均達(dá)到20%左右,為堵塞明顯路段,sink1同理。

根據(jù)現(xiàn)有仿真參數(shù),可模擬得到道路整體堵塞情況圖及道路總體堵塞容量與時間關(guān)系圖,由Excel表計算可得到堵塞容量總數(shù)為83.具體見圖8、9.

圖8 道路堵塞全局圖Fig.8 Global map of road congestion

由于互通立交每條道路都是相互聯(lián)系的,文中的立交模型始終處于相對平衡的狀態(tài)。在確定主線的交通量的前提下,根據(jù)不同路段的通行水平可得到總體道路的堵塞容量及堵塞百分比。從圖8上來看,雖有堵塞情況,但堵塞路段仍可保持正常通行水平,所以立交本身設(shè)計具有合理性。

圖9 道路擁塞容量與時間關(guān)系圖Fig.9 Relationship between roadcongestion capacity and time

4 仿真模型優(yōu)化

受線形制約及交通量的影響,可對平交口沖突點涉及的各路段進行合理優(yōu)化,進而進一步改善交通堵塞。

4.1 個體路段優(yōu)化

取主線附加左轉(zhuǎn)中間道為例,分析駛?cè)霙_突點之前的中間道(Conveyor-1)路段。在滿足吞吐量的情況下,將原有長度24增加為28,可獲優(yōu)化處理,對比分析后見圖10、11.

圖10 Conveyor-1路段運行圖(L=24)Fig.10 Conveyor-1 road map(L=24)

圖11 Conveyor-1路段運行圖(L=30)Fig.11 Conveyor-1 road map(L=30)

對比分析可得,不同長度會對局部路段的通行能力造成影響。但由于此路段車流輸出量并無下降,所以改變此路段長度對其余各路段及道路整體堵塞系數(shù)不會產(chǎn)生變化,只會影響到該路段本身。固在滿足輸出量不變的前提下,可適當(dāng)增加路段長度來提升其通行能力,但增加幅度不易過大,否則會在沖突點處造成大面積擁堵,增加路段堵塞率,如長度達(dá)到40,會造成路段堵塞率達(dá)到40.1%,嚴(yán)重影響道路通行。

4.2 整體道路優(yōu)化

通過上述個體優(yōu)化的分析,可得到在滿足路段本身輸出量不變的情況下,改變某一路段線形會對路段本身具有優(yōu)化作用,但對整體并不會產(chǎn)生較大影響。現(xiàn)將發(fā)生器中交通流的指數(shù)分布函數(shù)均值由5改為6,進而減小路段本身輸入交通量,對比分析后見圖12、13.

圖12 道路堵塞優(yōu)化全局圖Fig.12 Global map of road blockage optimization

圖13 道路擁塞容量與時間關(guān)系優(yōu)化圖Fig.13 Optimal graph of relationship betweenroad congestion capacity and time

據(jù)優(yōu)化圖與原始圖對比得到,當(dāng)均值從5變?yōu)?時,因模型處于相對平衡狀態(tài),整體的堵塞率及通行率并不會因整體交通量的大幅度減小而明顯變化。但交通量的減小會使道路擁塞容量降低,從而降低道路堵塞程度。

5 結(jié)論

在Flexsim仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上,運用大量數(shù)據(jù),對立交道路的通行能力和堵塞情況進行分析及優(yōu)化,驗證此立交模型設(shè)計的合理性,并通過改變某一道路線形或整體交通量的方式對道路堵塞進行優(yōu)化。在保持路段輸出量不變的前提下,改變某一路段線形會增加其通行能力,且立交整體不受影響。在模型運行狀態(tài)相對平衡的狀態(tài)下,整體的堵塞率及通行率并不會產(chǎn)生明顯變化,立交仍處于相對穩(wěn)定狀態(tài),但交通量的限制會減小路段整體的擁塞容量,從而達(dá)到優(yōu)化交通的目的。

作為通用的可視化交互集成仿真環(huán)境,Flexsim對于互通立交設(shè)計也存在其獨特的優(yōu)勢。各路段線形制約性、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的直觀性都能通過仿真模型體現(xiàn)出來,優(yōu)化后的數(shù)據(jù)對比明顯,結(jié)論清晰。但Flexsim并不能以微觀的角度來分析路段堵塞率變化的漸進性,只能以宏觀的角度來分析結(jié)果,對于模型存在的譬如信號燈交叉口等也無法準(zhǔn)確配時。所以,利用Flexsim方法來模擬互通立交可大大縮短因研究數(shù)據(jù)而浪費的時間,但對于實際立交道路的復(fù)雜性仍需適應(yīng)。