基于VISSIM 仿真的潮汐車道設(shè)置方案優(yōu)化

魏雙秋，潘義勇 WEI Shuangqiu， PAN Yiyong

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

(College of Automobile and Traffic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

0 引 言

潮汐交通流現(xiàn)象造成了道路時(shí)間和空間資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而潮汐車道的應(yīng)用可以有效利用道路的基礎(chǔ)設(shè)施資源。因此，設(shè)置潮汐車道是解決潮汐交通流現(xiàn)象的重要手段之一。

針對潮汐車道，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有了一定的研究，建立了潮汐車道分配優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)方法來印證車道分配的合理性[1]，建立了潮汐車道分配方案的雙層規(guī)劃模型[2]，在考慮車道數(shù)對路段單向通行能力影響的基礎(chǔ)上研究可變車道優(yōu)化設(shè)置方法[3]，考慮環(huán)境效益設(shè)置可變車道方案[4]，潮汐走廊過飽和狀態(tài)下瓶頸路段兩端雙交叉口的信號實(shí)時(shí)協(xié)同配時(shí)方案[5]，Konstantinos 等提出了一種基于FD 的切換策略，用于平穩(wěn)高效的高速公路潮汐流運(yùn)行[6]，Punith 等通過仿真模型評估可變車道的運(yùn)行組織[7]，Lu 等建立了可變車道行駛方向的動(dòng)態(tài)控制方法[8]，在國內(nèi)外的研究中缺少通過仿真得到最優(yōu)方案的案例分析研究。通過對潮汐車道的仿真，可以為潮汐車道方案可行性提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為潮汐車道的應(yīng)用提供理論支持。設(shè)置潮汐車道對緩解道路潮汐交通擁堵，提高交通安全，減少道路基礎(chǔ)設(shè)施資源的浪費(fèi)，降低時(shí)間、成本費(fèi)用具有一定的意義。

本文以解決潮汐交通問題為出發(fā)點(diǎn)，首先介紹形成潮汐交通流的原因和潮汐交通流的時(shí)空分布不均衡特性以及設(shè)置潮汐車道的前提條件，分析交通仿真評價(jià)的基本參數(shù)和指標(biāo)。其次提出潮汐車道的設(shè)置方案，以雙向六車道為例進(jìn)行潮汐車道方案描述和運(yùn)行組織分析。第三以加拿大Whitemud Drive 高速公路作為實(shí)例，設(shè)置路網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行仿真運(yùn)行，對比使用潮汐車道前后對道路交通的改善情況。最后，總結(jié)了本文的研究成果以及進(jìn)一步研究的方向。

1 潮汐車道及其仿真評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)參數(shù)

1.1 潮汐交通現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

（1） 工作地和居住地嚴(yán)重脫離是潮汐交通產(chǎn)生的根本原因。高速公路和城市快速路開始出現(xiàn)明顯潮汐交通流現(xiàn)象。

（2） 城市機(jī)動(dòng)車保有量增加，尤其是私家車的數(shù)量和城市出租車的數(shù)量，使道路基礎(chǔ)設(shè)施通行能力下降。

（3） 大型集會(huì)活動(dòng)、節(jié)假日、休息日、交通事故等偶發(fā)性事件造成道路潮汐式交通現(xiàn)象。

1.2 潮汐交通現(xiàn)象的時(shí)空分布

（1） 時(shí)間分布不均衡特性。潮汐交通集中出現(xiàn)在出行高峰時(shí)段，體現(xiàn)在日變化和時(shí)變化上。

（2） 空間分布不均衡特性。高峰時(shí)，大量車流單方向通過城市道路，使得道路一方嚴(yán)重交通擁堵，另一方基礎(chǔ)設(shè)施資源浪費(fèi)。

1.3 潮汐車道的設(shè)置條件

設(shè)置潮汐車道必須滿足以下基本前提條件：

（1） 路段上機(jī)動(dòng)車道設(shè)置的數(shù)量必須在三個(gè)車道及以上；

（2） 道路上沒有固定式中央分隔設(shè)施或有軌電車；

（3） 交通量的方向分布系數(shù)k＞2/3，有：

其中：k 為q1方向交通流的分布系數(shù)，q1、q2為兩個(gè)流向上的斷面交通流量[4]。

1.4 評價(jià)指標(biāo)

由VISSIM 用戶手冊[9]，選取以下指標(biāo)作為仿真評價(jià)的參數(shù)。

（1） 速度。平均車速評價(jià)道路交通或道路某線路的運(yùn)行狀況。地點(diǎn)速度在現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常用到，是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)行管理和相關(guān)交通學(xué)術(shù)研究的重要參數(shù)指標(biāo)。計(jì)算公式如下所示：

（2） 占有率。如果能夠測出道路上每一正在運(yùn)行車輛的車身長度，便可通過計(jì)算獲得該條道路的車道占有率，即道路資源的利用情況。計(jì)算公式如下所示：

實(shí)際上，所有車輛的長度不易獲得，所以常利用車道的時(shí)間占有率計(jì)算得到。計(jì)算公式如下所示：

（3） 行程時(shí)間。使用行駛時(shí)間作為評價(jià)方案優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算公式如下：

其中：s 為路段長度，v 為車輛平均速度。

（4） 延誤。潮汐交通的行程延誤主要是重交通流方向的交通排隊(duì)延誤，其計(jì)算公式如下：

其中：td為延誤時(shí)間，ts為實(shí)際行程時(shí)間，ta為標(biāo)準(zhǔn)行程時(shí)間。

2 潮汐車道方案設(shè)計(jì)

2.1 潮汐車道方案描述

根據(jù)設(shè)置潮汐車道必須滿足的前提條件，每一方向的車道數(shù)目至少有1 個(gè)，給定總的車道數(shù)為n （n≥ ）3 ，潮汐車道設(shè)置方式有n-1 種，如表1 所示。

以雙向六車道為例，某一高峰時(shí)段潮汐車道的設(shè)置方案如圖1 所示。

表1 潮汐車道方案設(shè)計(jì)表

圖1 潮汐車道設(shè)置方案

假設(shè)AB 路段為有潮汐流現(xiàn)象的路段，從節(jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)B 方向的流量遠(yuǎn)大于該路段的通行能力，而從節(jié)點(diǎn)B 到節(jié)點(diǎn)A 方向的交通量較少，道路資源利用率較低，則可以改變節(jié)點(diǎn)B 到節(jié)點(diǎn)A 方向的一個(gè)或兩個(gè)車道為節(jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)B 方向。以雙向六車道為例，某一高峰時(shí)段的潮汐車道設(shè)計(jì)方案有三種。潮汐車道數(shù)為n=0 時(shí)，為未設(shè)置潮汐車道的情況，仿真時(shí)作為對照進(jìn)行對比。潮汐車道數(shù)為n=1 時(shí)，輕交通流方向（B- A ）改變一條車道為重交通流方向（A- B ）；潮汐車道數(shù)為n=2 時(shí)，輕交通流方向（B- A ）改變兩條車道為重交通流方向（A- B ）。仿真時(shí)將該兩種調(diào)整方案與對照方案進(jìn)行比較。潮汐車道方案設(shè)計(jì)要從所有方案中選擇最優(yōu)方案，確定配置的潮汐車道的數(shù)量。

2.2 設(shè)置潮汐車道的運(yùn)行組織

圖2 雙向六車道潮汐車道運(yùn)行

以圖2 所示的雙向六車道為例，要求中間無硬質(zhì)分隔帶，在潮汐車道兩邊道路標(biāo)線下安裝地?zé)?，?jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)B 方向流量遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)B 到節(jié)點(diǎn)A 方向。高峰時(shí)，車流量增大，潮汐流現(xiàn)象明顯，當(dāng)兩個(gè)方向上車道分布系數(shù)達(dá)到一定的值時(shí)，就開通潮汐車道的通道，此時(shí)重交通流方向地?zé)麸@示為綠色，輕交通流方向地?zé)麸@示為紅色。潮汐車道數(shù)為1 時(shí)，標(biāo)號3、4、5、6四個(gè)車道為重交通流方向的車道，標(biāo)號1、2 為輕交通流方向的車道，其中3 號車道為潮汐車道。潮汐車道數(shù)為2 時(shí)，2、3、4、5、6 號為重交通流方向的車道，1 號為輕交通流方向的車道，其中2、3 號車道為潮汐車道。當(dāng)重交通流方向的擁堵減小到一定程度，關(guān)閉潮汐車道，地?zé)麸@示為黃色，這期間等待正在行駛的車輛駛出潮汐車道。當(dāng)潮汐車道內(nèi)無車輛時(shí)，道路恢復(fù)正常行駛。

3 實(shí)例仿真分析及方案選擇

在OpenITS 中獲得加拿大Whitemud Drive 高速公路的公開數(shù)據(jù)，本文選用該條道路的數(shù)據(jù)作為研究對象。Whitemud Drive高速公路是一條橫穿加拿大阿爾伯塔省埃德蒙頓市的市內(nèi)高速公路，全長28 公里。將這條高速公路作為試驗(yàn)道路，Whitemud Drive 高速公路在其主干道和匝道上裝有地感線圈，可以測得車輛的流量、車輛的速度以及車輛的密度，地感線圈的調(diào)查數(shù)據(jù)采集間隔為20s，記錄長度為24 小時(shí)，采集時(shí)間為2015 年8 月5 日至2015 年8 月20 日。

施工圖是市政建設(shè)施工的關(guān)鍵，包含的內(nèi)容比較多，比如施工質(zhì)量、施工成本投入、工程量、施工進(jìn)度等，市政工程施工方案制定要采取公開招標(biāo)形式，然后在所有的圖紙中進(jìn)行篩選，選出幾個(gè)較為滿意的圖紙，召開施工圖審核大會(huì)，邀請專家、工程師、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者參與，在大會(huì)上設(shè)計(jì)人員要進(jìn)行技術(shù)交底，相關(guān)人員討論施工圖的可行性，同時(shí)還要綜合考慮施工進(jìn)度、施工技術(shù)難度、施工成本等，然后選擇性價(jià)比最高的設(shè)計(jì)圖紙。另外，為了確保施工圖萬無一失，要將圖紙交給專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行審核，確保圖紙中沒有任何錯(cuò)誤，避免實(shí)際施工中頻繁出現(xiàn)圖紙更改，從而引發(fā)市政建設(shè)質(zhì)量問題。

由于本文的研究對象為高速公路主線路段，為了排除匝道車輛對其影響，選用2015 年8 月13 日1032 號檢測器和1033 號檢測器高峰時(shí)段的交通流數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練，路段的長度為1.6km，為雙向六車道，以5 分鐘為間隔統(tǒng)計(jì)其晚高峰時(shí)段（17:00～18:00） 的雙向交通流率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、圖3 所示。

表2 高峰小時(shí)交通流率表

由調(diào)查知道，這條道路上無固定式中央分隔設(shè)施或者有軌電車，道路數(shù)量超過3 個(gè)，方向分布系數(shù)為0.61。

3.1 微觀交通仿真環(huán)境構(gòu)建

通過谷歌地圖獲得Whitemud Drive 高速公路的衛(wèi)星云圖導(dǎo)入VISSIM 中。在仿真軟件中，需要假設(shè)所有的車輛在潮汐車道區(qū)段中正常行駛，同時(shí)忽略駛?cè)牒婉偝龀毕嚨肋@段距離產(chǎn)生的影響。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，選擇Wiedemann74 模型，設(shè)置車頭間距為1.5m，在駕駛行為標(biāo)定中設(shè)置允許在一條車道上車輛可以從左邊超車。設(shè)置路上小汽車的期望速度分布在80km/h 至95km/h 之間，期望速度的具體設(shè)置如表3 所示。

圖3 高峰小時(shí)流率變化圖

表3 期望速度表

路徑?jīng)Q策的校準(zhǔn)主要是車輛行進(jìn)路徑的校準(zhǔn)，在路徑?jīng)Q策中需要所選擇的道路區(qū)間行進(jìn)路徑的始點(diǎn)和終點(diǎn)，文中主要使用靜態(tài)路徑?jīng)Q策。

3.2 仿真模型驗(yàn)證

仿真中，檢測模型的校正是有效驗(yàn)證，驗(yàn)證時(shí)把兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。設(shè)置測試時(shí)間為3 600 秒，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)間隔為300 秒。為了保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，選擇最小車頭時(shí)距和平均停車距離進(jìn)行16 次仿真。在Multirun 窗口選擇隨機(jī)種子初始為1，隨機(jī)種子增量為1，運(yùn)行次數(shù)為4，得到16 組數(shù)據(jù)，如表4 所示。

表4 參數(shù)組合后的仿真數(shù)據(jù)表

用MATLAB 擬合小汽車和貨車的線性回歸方程：

小汽車：

貨車：

式中：y1、y2為平均行駛車速，x1為最小車頭時(shí)距，x2為平均停車距離。

第5 組、第7 組和第10 組參數(shù)相差很小，選取這三組數(shù)據(jù)與實(shí)際速度和估算速度進(jìn)行對比。參數(shù)校正如表5 所示。

表5 參數(shù)校正表

綜合考慮可以看出，第10 組數(shù)據(jù)誤差最小，選擇第10 組的數(shù)據(jù)最接近實(shí)際值。設(shè)置最小車頭時(shí)距為2s，平均停車距離為1.5m。

3.3 潮汐車道設(shè)置前后仿真數(shù)據(jù)采集和分析

（1） 車速分析。整理數(shù)據(jù)采集的評價(jià)文件得到如下行程時(shí)間平均車速前后對比如表6 所示。

通過表6 數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)置潮汐車道數(shù)為1 后，輕交通流方向行程平均車速下降了0.02km/h，對車速影響不大；重交通流方向車速由83.2km/h 上升到86.6km/h，上升了3.4km/h。設(shè)置潮汐車道數(shù)為2 后，輕交通流方向車速從85.0km/h 下降到73.3km/h，下降了16.0%，影響了輕交通流方向車輛的運(yùn)行。從數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)置潮汐車道數(shù)為1 后可以使得重交通流方向行程平均速度得到提高，同時(shí)不影響輕交通流方向車輛的運(yùn)行。

（2） 車道占有率分析。由采集到的評價(jià)文件可以獲得車道占有率情況，如表7 所示。

表6 行程平均車速前后對比表

表7 車道占有率前后對比表

由表7 可以看出設(shè)置潮汐車道為1 后，輕交通流方向車道占有率由12.9%上升到14.1%，可以明顯提高輕交通流方向車道占有率，緩解重交通流方向道路基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)不足的情況；設(shè)置潮汐車道數(shù)為2 后，輕交通流方向車道占有率由12.9%上升到21.7%，對該方向車流正常行駛造成影響。

（3） 行程時(shí)間分析。整理行程時(shí)間評價(jià)文件得到行程時(shí)間平均值統(tǒng)計(jì)表如表8 所示，行程時(shí)間平均值前后對比如圖4 所示。

表8 行程時(shí)間平均值統(tǒng)計(jì)表

由行程時(shí)間平均值表可知，設(shè)置潮汐車道數(shù)為1 后，輕交通流方向行程時(shí)間平均值由原先的67.42s 上升到67.43s，上升了0.1s，說明設(shè)置潮汐車道后對輕交通流方向車流正常行駛的影響不大，同時(shí)重交通流方向行程時(shí)間平均值由原先的69.33s 下降到66.06s，下降了3.27%，說明設(shè)置潮汐車道可以減少重交通流方向的行程時(shí)間，緩解擁堵。而設(shè)置潮汐車道數(shù)為2 后，輕交通流方向平均行程時(shí)間有明顯上升，從67.42s 上升到79.10s，上升了17.32%，不符合潮汐車道的設(shè)置條件。所以，在該路段上增加一條潮汐車道可以在不影響輕交通流方向車輛行駛的情況下，減少總的行程時(shí)間，節(jié)省時(shí)間成本。

（4） 延誤分析。整理延誤評價(jià)文件得到延誤時(shí)間對比如表9、圖5 所示。

表9 延誤時(shí)間前后對比表

圖4 行程時(shí)間平均值前后對比圖

圖5 平均延誤時(shí)間前后對比圖

選擇加拿大Whitemud Drive 高速公路設(shè)置潮汐車道數(shù)為1 后，輕交通流方向上每輛車的平均延誤時(shí)間有所增加，從0.517s上升到了0.525s，上升了0.008s，這主要是因?yàn)樵摳咚俟烦毕F(xiàn)象不是很明顯，同時(shí)也未考慮在換道過程中車輛可能產(chǎn)生的延誤；重交通流方向上每輛車的平均延誤時(shí)間從0.775s 減少到0.683s，下降了11.87%，這說明重交通流方向增設(shè)一條潮汐車道分流后可以減少延誤，緩解該方向的交通擁堵現(xiàn)象。而設(shè)置潮汐車道數(shù)為2 后，雖然重交通流方向平均延誤時(shí)間有明顯減少，但是輕交通流方向延誤時(shí)間增加了，從0.517s 上升到0.908s，上升了75.63%，不符合設(shè)置潮汐車道的條件。

3.4 仿真結(jié)果分析

設(shè)置潮汐車道必須要滿足設(shè)置潮汐車道的前提條件，否則可能加劇交通擁堵的狀況。所選案例加拿大Whitemud Drive 高速公路為雙向六車道，由仿真結(jié)果可以看出潮汐車道的最優(yōu)設(shè)置方案為改變重交通流方向一條車道為輕交通流方向，即設(shè)置一條潮汐車道。設(shè)置一條潮汐車道后，（1） 重交通流方向行程平均車速由83.2km/上升到86.6km/h，上升了3.4km/h，可以使重交通流方向行程平均車速得到提高，同時(shí)不影響輕交通流方向車輛的運(yùn)行； （2） 輕交通流方向車道占有率由12.9%上升到14.1%，上升了1.2%，可以提高輕交通流方向車道占有率，同時(shí)有效緩解重交通流方向道路基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)不足的情況；（3）重交通流方向行程時(shí)間平均值由原先的69.33s 下降到66.06s，下降了3.27%，說明設(shè)置潮汐車道可以減少重交通流方向的行程時(shí)間，緩解擁堵；（4） 設(shè)置一條潮汐車道后，重交通流方向上每輛車的平均延誤從0.775s 減少到0.683s，下降了11.87%，說明重交通流方向增設(shè)一條潮汐車道分流后可以減少延誤，緩解該方向的交通擁堵現(xiàn)象。

4 總 結(jié)

本文在當(dāng)前高速公路擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下，從潮汐交通特性入手，解決現(xiàn)代社會(huì)新出現(xiàn)的潮汐交通擁堵現(xiàn)象。通過對比設(shè)置潮汐車道前后的仿真效果并分析，從行程平均車速、車道占有率、行程時(shí)間和延誤四方面對比，得出設(shè)置一條潮汐車道后，可以使重交通流方向車輛行駛速度提高、行程時(shí)間和延誤減少，同時(shí)輕交通流方向車道占有率提高，有利于緩解重交通流方向擁堵狀況。但是，對潮汐車道仿真進(jìn)行評估時(shí)，選擇了四個(gè)評價(jià)指標(biāo)即速度、車道占有率、行程時(shí)間和延誤，主要反映了道路的運(yùn)行效率和通行能力。由于缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文沒有考慮其他的評價(jià)指標(biāo)，例如安全指標(biāo)、環(huán)境效益指標(biāo)等。