基于高速公路基本路段通行能力分析的VISSIM模型優(yōu)化

王 君

(中交第四公路工程局有限公司西安工程設(shè)計(jì)分公司,陜西 西安 710065)

1 通行能力計(jì)算方法

計(jì)算通行能力時(shí)，理想條件有兩方面，首先就是道路條件，主要包括了以下參數(shù)，雙向四車道，理想的設(shè)計(jì)速度具體為120 km/h，道路理想的寬度具體為3.75 m，硬路肩理想情況下設(shè)定為3.5 m的寬度，左側(cè)路緣帶理想情況下設(shè)定為0.75 m的寬度，中央分隔帶理想情況下設(shè)定為3 m的寬度。其次就是交通條件，車輛全部都是小客車，相應(yīng)的駕駛員全部都是職業(yè)的。不過上述道路、交通條件在現(xiàn)實(shí)中難以達(dá)到，很多因素均會(huì)影響到通行能力，如設(shè)計(jì)速度等，只要某一部分因素出現(xiàn)了改變，這在一定程度上也就改變了速度—流率—密度關(guān)系。通行能力分析始于設(shè)計(jì)速度，后續(xù)基于規(guī)劃等因素來調(diào)整設(shè)計(jì)速度，最終計(jì)算獲得現(xiàn)實(shí)通行能力值。依托于交通流率來針對(duì)性的調(diào)整觀測(cè)交通流率，最終所獲得的結(jié)果就是高峰小時(shí)流率。綜合上述兩項(xiàng)指標(biāo)來展開規(guī)劃、設(shè)計(jì)。基于(1)來調(diào)整設(shè)計(jì)速度。

VR=V0+ΔVW+ΔVN

(1)

其中，VR—實(shí)際道路條件下的設(shè)計(jì)速度，km/h；V0—理想條件下的設(shè)計(jì)速度，km/h；ΔVW—車道寬度和路側(cè)凈空對(duì)設(shè)計(jì)速度的修正值，km/h；ΔVN—車道數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)速度的修正值，km/h。

2 仿真建模

2.1 微觀仿真軟件介紹

VISSIM是基于時(shí)間間隔和駕駛行為的微觀建模工具。VISSIM既可以在線生成可視化的交通運(yùn)行狀況，也可以離線輸出各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如排隊(duì)長(zhǎng)度、交通量、車頭時(shí)距和行程時(shí)間等。本文在確定已知條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，并構(gòu)建仿真環(huán)境，進(jìn)行車輛的數(shù)字和動(dòng)態(tài)仿真，最后對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即通行能力進(jìn)行分析。

2.2 VISSIM中通行能力測(cè)定方法

美國(guó)德克薩斯州交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)研究分析了高速公路所具備的通行能力，其取值為擁擠狀態(tài)中作業(yè)區(qū)小時(shí)流量。該法精度較高，非常容易操作，后續(xù)得到廣泛應(yīng)用。本文通行能力值也采用了該值。先對(duì)模擬路段進(jìn)行考察，打開VISSIM，根據(jù)實(shí)際需求完成模型的構(gòu)建，在作業(yè)區(qū)后部設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，作業(yè)區(qū)所擁有通行能力值在此次研究中選擇了擁擠狀態(tài)中該檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)置各參數(shù)，保證2 000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小汽車的小時(shí)流量，此為基礎(chǔ)值，對(duì)這些因素進(jìn)行全方位的考察，探究其如何影響通行能力。而后續(xù)所需要做的就是擴(kuò)展雙向4車道模型，這樣也就形成了雙向6車道、雙向8車道模型，探究其間所存在的關(guān)聯(lián)性。

3 仿真案例及結(jié)果分析

參照《公路通行能力手冊(cè)》，影響通行能力的因素非常多，在VISSIM中不能對(duì)側(cè)向凈空的影響進(jìn)行模擬，因而主要分析車道數(shù)量、車道寬度、設(shè)計(jì)速度、交通組成的影響。在VISSIM中，對(duì)上述因素進(jìn)行設(shè)置，其它對(duì)照參數(shù)的實(shí)驗(yàn)條件均為理想條件。將試驗(yàn)得到的通行能力值與《公路通行能力手冊(cè)》中的經(jīng)驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比。

3.1 車道寬度的影響

在車道寬度方面若設(shè)計(jì)低于3.75 m的數(shù)值，相比于理想條件，車輛行駛時(shí)將會(huì)有著相對(duì)更小的橫向間距。駕駛員在這種情況下需要做的就是讓行駛間距進(jìn)一步增大，亦或是讓行駛速度降低一些，這樣就可以使得行駛變得更加安全一些，整體來看，該路段有著相對(duì)更低的通行能力。

基本參數(shù)設(shè)置：路段長(zhǎng)度為0.5 km，路段類型為高速公路。交通量輸入2 200 pcu/h/ln，交通組成為小汽車，司機(jī)是職業(yè)駕駛員，期望車速為120 km/h。在實(shí)際中，最小車道寬度為3 m，此處為說明極限情況，設(shè)置車道寬度的范圍是0.5～4 m，以0.5 m為等差間隔。從圖1中可以看到，車道寬度對(duì)通行能力沒有影響，因而在VISSIM中，車道只是一個(gè)圖形上的表示。

圖1 車道寬度對(duì)通行能力的影響

3.2 車道數(shù)量的影響

在單向2車道的基礎(chǔ)之上，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?車道或4車道，盡管在一定程度上會(huì)改變通行能力，不過與車道數(shù)增加倍數(shù)并不匹配。出現(xiàn)這種情況的原因如下，盡管有了相對(duì)更多的車道，不過每個(gè)車道所分布的交通量也就與以往不同，有些情況下道路十分的擁擠，在這種情況下，交通量也無法實(shí)現(xiàn)均勻的分布。若擴(kuò)展了一條車道，此時(shí)不能理解為也就增加了一倍的通行能力，具體就是2 200輛小客車/h/ln，可以理解為在車道擴(kuò)增后，每車道將有著相對(duì)更低的通行能力。

基本參數(shù)設(shè)置：路段長(zhǎng)度為0.5 km，路段類型為高速公路，車道寬度為3.75 m。交通量輸入2 200 pcu/h/ln，交通組成為小汽車，司機(jī)是職業(yè)駕駛員，期望車速為120 km/h。高速公路一般很少有雙向兩車道，為了說明極限情況，添加了雙向兩車道。圖2為車道數(shù)量對(duì)通行能力的影響，可以得到如下的結(jié)果：(1)隨著車道數(shù)量的增加，通行能力增大，這一趨勢(shì)與《公路通行能力手冊(cè)》正好相反，考慮可能是VISSIM在建模的過程中，沒有考慮車道寬度對(duì)通行能力的影響，因而在做改擴(kuò)建高速公路仿真模擬的過程中，需謹(jǐn)慎選擇仿真軟件；(2)期望速度為120 km/h的時(shí)候通行能力大于80 km/h時(shí)的通行能力，且80 km/h的期望速度所對(duì)應(yīng)的通行能力值更接近于《公路通行能力手冊(cè)》，可以看出，在VISSIM中，車輛會(huì)嚴(yán)格按照期望速度的設(shè)置行駛，不會(huì)因?yàn)榱髁看蟮脑蜃詣?dòng)調(diào)整，這是VISSIM的一個(gè)缺點(diǎn)，因而在VISSIM的仿真模擬中，需要根據(jù)實(shí)際調(diào)查的交通流狀況輸入期望速度，這點(diǎn)對(duì)通行能力的影響很大。

圖2 車道數(shù)量對(duì)通行能力的影響

3.3 設(shè)計(jì)速度的影響

設(shè)計(jì)速度未達(dá)到理想條件，即低于120 km/h，這在一定程度上也就改變了高速公路所擁有的運(yùn)行條件。若交通量條件是固定的，車速此時(shí)將會(huì)有著相對(duì)更低的觀測(cè)值，即要比120 km/h更低，導(dǎo)致速度—流量—密度關(guān)系曲線改變，在一定程度上也就改變了道路的通行能力值。

基本參數(shù)設(shè)置：路段長(zhǎng)度為0.5 km，路段類型為高速公路，車道寬度為3.75 m。交通量輸入2 200 pcu/h/ln，交通組成為小汽車，司機(jī)是職業(yè)駕駛員。圖3為設(shè)計(jì)速度對(duì)通行能力的影響，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論；(1)隨著設(shè)計(jì)速度的增加，通行能力增大，這一趨勢(shì)與《公路通行能力手冊(cè)》一致；(2)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)得到的值比《公路通行能力手冊(cè)》的經(jīng)驗(yàn)實(shí)測(cè)值要大，這也是由于VISSIM中的車輛嚴(yán)格按照期望車速行駛的原因，導(dǎo)致車輛按照期望速度的設(shè)置行駛，而非以行駛速度行駛。

圖3 設(shè)計(jì)速度對(duì)通行能力的影響

3.4 交通組成的影響

中型車、大型車和拖掛車與小客車是不同的，最顯著的差異體現(xiàn)在外形尺寸上，其次就是在車輛行駛性能上有著極大的差距：(a)相比于小客車，中型車、大型車和拖掛車的體積更大一些，軸距更長(zhǎng)，其在道路行駛狀態(tài)中需要占據(jù)相對(duì)更大的空間。(b)中型車、大型車和拖掛車有著非常大的重量，因此其行駛中加速、減速都需要耗費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)與小客車相比也有著相對(duì)更低的保持速度的能力。在交通流中，型車、大型車和拖掛車所占據(jù)的動(dòng)態(tài)空間也就相對(duì)更大一些。

基本參數(shù)設(shè)置：路段長(zhǎng)度為0.5 km，路段類型為高速公路，車道寬度為3.75 m。交通量輸入2 200 pcu/h/ln，交通組成為小汽車(car)和貨車(HGV)，司機(jī)是職業(yè)駕駛員，小汽車期望速度為120 km/h，貨車期望速度為80 km/h。圖4為大車比例對(duì)通行能力的影響，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論；(1)隨著大車比例的增加，通行能力減小，這一趨勢(shì)與《公路通行能力手冊(cè)》一致；(2)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)得到的值比《公路通行能力手冊(cè)》的經(jīng)驗(yàn)實(shí)測(cè)

值要大，這點(diǎn)分析與設(shè)計(jì)速度的分析相同。考慮是模型建立的不夠精準(zhǔn)，大車受交通量的影響較大，因而在以后的應(yīng)用中需要考慮通行能力的折減。

圖4 大車比例對(duì)通行能力的影響

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)通行能力影響因素的定性分析，以及在VISSIM中建立模型，通過上面一系列研究，得到了如下結(jié)論。(1)隨著大車率的增加、設(shè)計(jì)速度的降低，通行能力都是降低的趨勢(shì)，其規(guī)律符合《公路通行能力手冊(cè)》的要求，但是值都比手冊(cè)中的值大。在仿真的過程中，期望車速的輸入一般參照實(shí)際調(diào)查的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)校正后，方可模擬。(2)隨著車道數(shù)量的增加，通行能力呈現(xiàn)與《公路通行能力手冊(cè)》相反的趨勢(shì)。因而在做改擴(kuò)建高速公路路段通行能力的仿真模擬的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎使用VISSIM。(3)在VISSIM中，車道寬度對(duì)通行能力沒有影響，因而在VISSIM中，車道只是一個(gè)圖形上的表示。