基于vissim仿真的高速公路客貨分道動(dòng)態(tài)控制

郭麗蘋，朱曉東，高佳寧，羅瑞琪，由婷婷

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津，300074）

中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷發(fā)展，私家車、物流運(yùn)輸貨車等車輛逐年增多，高速公路的服務(wù)水平卻不斷下降。如何對(duì)正在運(yùn)營(yíng)的高速公路進(jìn)行智能控制管理，提高道路的運(yùn)行效率，成為了亟待研究的問(wèn)題?？紤]到客車和貨車在行駛過(guò)程中速度的差異及行駛過(guò)程中相互干擾的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外許多專家提出客貨分線、客貨分道的控制策略。

20 世紀(jì)20 年代初期，美國(guó)交通運(yùn)輸部開始對(duì)可變車道進(jìn)行研究，學(xué)者也逐步提出了客貨分道的理念[1-2]。Mason 等人[3]基于國(guó)外道路多為單向5條車道的情況，提出將道路分成3條客車專用車道和2 條貨車專用車道的分配方法。魯翠娥等人[4]用元胞模型仿真了不同比例的貨車對(duì)高速公路交通流的擾動(dòng)影響。李冠峰等人[5]提出了高速公路客貨車分道通行的概念。劉晨輝[6]論述了在不同交通量和客貨比的情況下，實(shí)施不同貨車限行措施、道路通行效率和運(yùn)營(yíng)安全性。王新慧[7]提出了采用標(biāo)志標(biāo)線分隔車道和設(shè)施分隔道路的選擇模型和實(shí)施條件。馬捷[8]提出了適用于客貨分道管理系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。但客貨分道的研究主要針對(duì)客貨分道管理方法的對(duì)比及具體實(shí)施措施，而不同車道數(shù)、不同交通量下的動(dòng)態(tài)客貨分道控制研究少見(jiàn)。因此，作者擬通過(guò)vissim 建立模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證客貨分道控制的效果，尋找該系統(tǒng)的適用范圍，提出客貨分道動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)流程圖。

1 客貨分道劃分方法

客貨分道指采用設(shè)置標(biāo)志或標(biāo)線的方法來(lái)分隔客貨車輛。客貨分道管理方法應(yīng)具有實(shí)用性和操作性。道路上的交通量和客貨比不斷變化，因此，合理的客貨分道方式也實(shí)時(shí)變化。車道劃分的影響因素主要包括：車道數(shù)量、交通流量和客貨比等。為滿足超車等需求，客貨分道至少要單向三車道及以上，而目前國(guó)內(nèi)單向五車道以上的高速公路相對(duì)較少，同時(shí)考慮到仿真及理論分析的普適性和簡(jiǎn)約性，本研究對(duì)高速公路客貨分道的分析分為3種情況：?jiǎn)蜗蛉嚨?、單向四車道和單向五車道?/p>

1.1 單向三車道

客貨分道應(yīng)先將不同車型折算成標(biāo)準(zhǔn)小客車，然后將客車標(biāo)準(zhǔn)量N客比貨車標(biāo)準(zhǔn)量N貨，即N客/N貨，將其定義為a。在考慮車道劃分多個(gè)影響因素的基礎(chǔ)上，單向三車道客貨分道可劃分為3種形式見(jiàn)表1。

表1 客貨分道劃分表Table 1 Division of passenger-cargo

當(dāng)a＜1/2 時(shí)，理論上應(yīng)采用1 條混行車道+2條貨車車道（M+2T）的劃分形式，鑒于小客車有換道超車需求，可采用2 條混行車道+1 條貨車車道（2M+T）的劃分形式。當(dāng)1/2≤a＜2 時(shí)，可采用1 條客車車道+1 條混行車道+1 條貨車車道（B+M+T）的劃分形式。當(dāng)a≥2 時(shí)，應(yīng)采用2 條客車車道+1條混行車道（2B+M）的劃分形式，鑒于貨車有換道超車需求，可采用1 條客車車道+1 條混行車道+1 條貨車車道（B+M+T）的劃分形式。以2 條混行車道+1 條貨車車道（2M+T）的劃分形式為例，繪制劃分形式圖，如圖1所示。

圖1 2M+T劃分形式Fig.1 The 2M+T division form

1.2 單向四車道

單向四車道客貨分道可劃分為5種形式見(jiàn)表1。

1.3 單向五車道

單向五車道客貨分道可劃分為7種形式見(jiàn)表1。

2 仿真模型建立與參數(shù)設(shè)定

采用vissim軟件，分別對(duì)單向三車道、四車道和五車道建立仿真模型分析客貨分道的效果，并尋找該系統(tǒng)的適用界限[9]，以單向四車道為例，建立仿真模型和仿真參數(shù)的設(shè)定。

2.1 道路條件

以美國(guó)加利福尼亞州i5 高速公路為例進(jìn)行建模，該道路主線為雙向八車道，車道寬度為3.66 m，設(shè)計(jì)速度為112.65 km/h。仿真選取單向車流分析，路網(wǎng)為單向四車道，在進(jìn)行三車道和五車道仿真時(shí)，分別通過(guò)關(guān)閉1 條車道和增加1 個(gè)車道的方式構(gòu)建路網(wǎng)。

2.2 交通量的選取

不同交通量對(duì)道路車輛通行的影響很大，從道路服務(wù)水平的角度出發(fā)，選取合適的客貨分道控制區(qū)間。

根據(jù)美國(guó)交通運(yùn)輸委員會(huì)的《HCM》手冊(cè)，服務(wù)水平分為六級(jí)。A、B 級(jí)服務(wù)水平為自由運(yùn)行或自由交通流，相互間不會(huì)產(chǎn)生干擾，因此，不考慮加入人為的控制。E級(jí)服務(wù)水平為流率達(dá)到通行能力下的運(yùn)行狀況，車輛運(yùn)行狀況極不穩(wěn)定，F(xiàn)級(jí)服務(wù)水平指擁堵車流。因這2個(gè)服務(wù)水平下駕駛自由度受到極大限制，人為控制很難起到正面效應(yīng)，因此同樣不考慮加入人為控制。C級(jí)服務(wù)水平為平均行程車速接近自由流速度，駕駛自由度明顯受到限制。D級(jí)服務(wù)水平為自由度已受到較嚴(yán)重限制。為降低車輛間的相互干擾，降低行車延誤，提高平均車行速度，考慮采用該客貨分道系統(tǒng)進(jìn)行車流控制，即自由流速度為110 km/h，交通量在1 210～2 135 pcu/（h·ln）之間的情況下，進(jìn)行客貨分道動(dòng)態(tài)控制。

2.3 交通流組合形式

為評(píng)估客貨分道控制效果，尋找適用的大小界限，選取 1 440、1 670、1 900 pcu/（h·ln） 3 種交通流狀態(tài)，并分為以多種a值的交通流組合進(jìn)行分析，因單向四車道的判斷決策點(diǎn)分別為a=1/3、1、3，因此，以a＝1/4、2/3、2、4為例，不同比例不同交通流量下的車輛組合形式見(jiàn)表2。

表2 不同交通量及客貨比的車輛組合形式Table 2 Vehicle combinations with different traffic volume and passenger freight ratio

仿真中，選取貨車當(dāng)量系數(shù)為1.5，即：表4中貨車的數(shù)量，在仿真車流量數(shù)據(jù)輸入時(shí)，應(yīng)采用除以1.5 以后的數(shù)據(jù)。車道斷面交通量應(yīng)將客車數(shù)加上處理后的貨車數(shù)，用得到的和乘以車道數(shù)。以車流量 1 440 pcu/（h·ln），a＝1/4，貨車交通量為1152/1.5=768 輛。斷面車流量為（288+768）×4=4 224 輛/h。

在仿真參數(shù)設(shè)置中，客車數(shù)比處理后的貨車數(shù)設(shè)置為相對(duì)車流比例，斷面車流量即為車輛輸入數(shù)據(jù)。

2.4 車型設(shè)置

小汽車長(zhǎng)度3.75～4.76 m，寬度1.85～2.07 m；貨車長(zhǎng)度10.22 m，寬度2.50 m。

2.5 車速設(shè)置

小汽車88～130 km/h；貨車75～110 km/h。

2.6 仿真參數(shù)

為使仿真數(shù)據(jù)在車流平穩(wěn)狀態(tài)下輸出，數(shù)據(jù)采集從3 600 s 開始，采集時(shí)間間隔為3 600 s。仿真時(shí)間根據(jù)不同的交通流組數(shù)，設(shè)置為：（交通流組數(shù)+1）×3 600 s。

2.7 評(píng)估指標(biāo)

評(píng)估指標(biāo)選用車輛路網(wǎng)性能中平均延誤、平均速度對(duì)客貨分道效果進(jìn)行分析。

3 仿真結(jié)果評(píng)估

以單向四車道為例，闡述仿真的方法、思路、分析和結(jié)果，最后簡(jiǎn)要介紹單向三車道和單向五車道的仿真結(jié)果。

3.1 四車道客貨分道仿真效果評(píng)估

單向四車道時(shí)，仿真結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 四車道有無(wú)客貨分道平均延誤對(duì)比Fig.2 Comparison of average delay of four lanes without passenger and freight separation

圖3 四車道有無(wú)客貨分道平均速度對(duì)比Fig.3 Comparison of average speed of four lanes with or without passenger and freight separation

從圖2～3中可以看出，在單向四車道，當(dāng)a＝2/3、2、4 時(shí)，客貨分道控制在3 種交通流狀態(tài)下，均取得了正面效應(yīng)，降低了平均延誤，提高了平均速度，增大了道路通行能力，提高了駕駛員的舒適度。但a＝1/4 時(shí)，客貨分道控制未取得正面效應(yīng)，不但沒(méi)有使交通效率提高，反而造成了延誤增加，平均速度降低。

由表3 可知，單向四車道，當(dāng)交通量為1 670 pcu/（h·ln），a＝2/3、2、4 時(shí)，采用客貨分道控制，降低了平均延誤，提高了平均速度，增大了道路通行能力。當(dāng)a＝2 時(shí)，效果最為顯著，延誤降低率達(dá)到了45.26%，速度提高率達(dá)到了9.50%。但a＝1/4 時(shí)，延誤增加了56.64%，速度降低了13.51%。表明：當(dāng)a值很小或很大時(shí)，可能存在客貨分道效果較差的情況，為分析產(chǎn)生該情況的具體a值，進(jìn)行了客貨分道適用范圍大小界限仿真。

表3 客貨分道控制下交通量為1 670 pcu/（h·ln）的仿真結(jié)果Table 3 Analysis of simulation results of passenger and freight lane separation with the traffic volume of the 1 670 pcu/（h·1n）

3.2 四車道客貨分道大界限仿真結(jié)果評(píng)估

為分析四車道客貨分道的大界限，選取a＝6、8、10、20、30、40、50 進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 四車道大界限仿真平均延誤對(duì)比Fig.4 Comparison chart of average delay of four lane of large boundary simulation

圖5 四車道大界限仿真平均速度對(duì)比Fig.5 Comparison chart of average speed of four lane of large boundary simulation

從圖4～5中可以看出，單向四車道，當(dāng)a＝6、8、10、20時(shí)，客貨分道控制在3種交通流狀態(tài)下，均取得了正面效應(yīng)。但當(dāng)交通量為1 670 pcu/（h·ln）、a＝50，以及交通量為1 990 pcu/（h·ln）、a＝30時(shí)，客貨分道控制產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。因此，為避免客貨分道控制帶來(lái)不必要的負(fù)面效應(yīng)，單向四車道在a＞20時(shí)，不宜對(duì)交通流進(jìn)行客貨分道控制。

3.3 四車道客貨分道小界限仿真結(jié)果

為分析四車道客貨分道的大界限，選取a＝2/7、1/3、2/5、1/2、3/5 時(shí)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 四車道小界限仿真平均延誤對(duì)比Fig.6 Comparison of average delay of four lane of small boundary simulation

圖7 四車道小界限仿真平均速度對(duì)比Fig.7 Comparison chart of average speed of four lane of small boundary simulation

從圖6～7中可以看出，在單向四車道，當(dāng)a＝1/3、2/5、1/2、3/5 時(shí)，客貨分道控制在3 種交通流狀態(tài)下，均取得了正面效應(yīng)，但當(dāng)a＝2/7 時(shí)，客貨分道控制產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。因此，當(dāng)a＜1/3，控制策略為2 條混行車道+2 條貨車車道（2M+2T）時(shí)，不宜對(duì)交通流進(jìn)行客貨分道控制。但當(dāng)a＝1/3時(shí)，采用1 條客車車道+1 條混行車道+2 條貨車車道（B+M+2T）客貨分道控制策略，產(chǎn)生了很好的正面效應(yīng)，延誤降低率、速度提高率均較高。當(dāng)a＜1/3 時(shí)，采用1 條客車車道+1 條混行車道+2 條客車車道（B+M+2T）客貨分道控制策略，會(huì)在一定比例范圍內(nèi)同樣產(chǎn)生正面效應(yīng)，因此，對(duì)該情況進(jìn)行進(jìn)一步的仿真分析。

3.4 四車道a＜1/3和B+M+2T的仿真結(jié)果

為驗(yàn)證四車道a＜1/3 在1 條客車車道+1 條混行車道+2 條貨車車道（B+M+2T）策略下的客貨分道仿真效果，選取a＝1/15、1/12、1/10、1/8、1/6、1/4 的6 組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8～9所示。

圖8 四車道a＜1/3在B+M+2T策略下仿真平均延誤對(duì)比Fig.8 Comparison of simulation average delay of four lane with a＜1/3 under B+M+2T strategy

圖9 四車道a＜1/3在B+M+2T策略下仿真平均速度對(duì)比Fig.9 Comparison of simulated average speed of four lane with a＜1/3 under B+M+2T strategy

從圖8～9 中可以看出，在1 條客車車道+1 條混行車道+2 條貨車車道（B+M+2T）控制策略下，當(dāng)a＝1/8、1/6、1/4 時(shí)，客貨分道控制在3 種交通流狀態(tài)下，均取得了正面效應(yīng)。但在3種交通流狀態(tài)下，當(dāng)a＝1/15、1/12 且交通量為 1 990 pcu/（h·ln）、a＝1/10 時(shí)，客貨分道控制均產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。因此，為避免客貨分道控制帶來(lái)不必要的負(fù)面效應(yīng)，在四車道B+M+2T 控制策略下，a＜1/8時(shí)，不宜對(duì)交通流進(jìn)行客貨分道控制。

3.5 三車道客貨分道界限仿真

運(yùn)用四車道客貨分道控制的仿真與分析方法，得到三車道的仿真界限分析結(jié)果為：

1）三車道客貨分道大界限的仿真結(jié)果：在單向三車道下，當(dāng)a為6、8、10、20 時(shí)，客貨分道控制在3種交通流狀態(tài)下，均取得了正面效應(yīng)。但當(dāng)交通量為 1 440 pcu/（h·ln），a為 30、40 時(shí)，客貨分道控制產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。因此，為避免客貨分道控制帶來(lái)不必要的負(fù)面效應(yīng)，單向三車道在a＞20時(shí)，不宜對(duì)交通流進(jìn)行客貨分道控制。

2）三車道客貨分道小界限的仿真結(jié)果：當(dāng)a＜1/2時(shí)，在控制策略為2條混行車道+1條貨車車道（2M+T）下，客貨分道控制均產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)，因此，摒棄該控制策略；當(dāng)a＜1/2 時(shí)，控制策略為B+M+T，在3 種交通流狀態(tài)下，a＝1/4、2/7、1/3、2/5、1/2 時(shí)，客貨分道控制均取得了正面效應(yīng)。但在3 種交通流狀態(tài)下，a＝1/8 且交通量為1 990 pcu/（h·ln）或a＝1/6 時(shí)，客貨分道控制均產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。因此，為避免客貨分道控制帶來(lái)不必要的負(fù)面影響，單向三車道在a＜1/4 時(shí)，不宜對(duì)交通流進(jìn)行客貨分道控制。

3.6 五車道客貨分道界限仿真

運(yùn)用四車道客貨分道控制的仿真模型與分析方法，得到五車道的仿真界限結(jié)果為：

1）五車道客貨分道大界限仿真的仿真結(jié)果：在單向五車道下，當(dāng)a＝6、8、10時(shí)，客貨分道控制在3種交通流狀態(tài)下，均取得了正面效應(yīng)。但當(dāng)交通量為 1 440 pcu/（h·ln），a＝40 時(shí)；當(dāng)交通量為1 670 pcu/（h·ln），a＝20、30 時(shí)；當(dāng)交通 為 1 990 pcu/（h·ln），a＝30 時(shí)，客貨分道控制產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。因此，為避免客貨分道控制帶來(lái)不必要的負(fù)面效應(yīng)，單向五車道在a＞10時(shí)，不宜對(duì)交通流進(jìn)行客貨分道控制。

2）五車道客貨分道小界限仿真的仿真結(jié)果：當(dāng)a＜1/4 時(shí)，控制策略為2 條混行車道+3 條貨車車道（2M+3T），客貨分道控制均產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)，平均延誤增加，平均速度降低，因此摒棄該控制策略。當(dāng)a＜1/2 時(shí)，控制策略為1 條客車車道+1 條混行車道+3 條貨車車道（B+M+3T），在3種交通流狀態(tài)下，a＝1/12、1/10、1/8、1/6、1/4時(shí)，客貨分道控制均取得了正面效應(yīng)。但在交通量為 1 440 pcu/（h·ln）和 1 990 pcu/（h·ln），a＝1/15時(shí)，客貨分道控制產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。因此，為避免客貨分道控制帶來(lái)不必要的負(fù)面影響，單向五車道在a＜1/12 時(shí)，不宜對(duì)交通流進(jìn)行客貨分道控制。

4 動(dòng)態(tài)客貨分道流程

根據(jù)本試驗(yàn)的仿真結(jié)果，考慮客貨分道系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)交通量變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，繪制流程圖。

4.1 主流程

客貨分道控制主流程如圖10 所示。首先判斷是否發(fā)生交通事故，若發(fā)生交通事故，則中斷流程，并打印“發(fā)生交通事故，不宜啟動(dòng)客貨分道控制流程”。若未發(fā)生交通事故，從檢測(cè)器讀取交通狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷服務(wù)水平。當(dāng)服務(wù)水平在2～4級(jí)服務(wù)水平之間，即交通量在1 210～2 135 pcu/（h·ln）之間時(shí)，根據(jù)道路條件，判斷車道數(shù)，進(jìn)入相應(yīng)客貨分道控制子流程，選定控制方案，否則打印“未包含適合該道路形式的控制子流程”，若工程需要，可增設(shè)子流程。當(dāng)方案執(zhí)行到預(yù)設(shè)時(shí)間5 min，流程循環(huán)至最初判斷交通事故的步驟。

圖10 客貨分道控制主流程Fig.10 Main flow chart of passenger cargo lane control

4.2 單向四車道子流程

當(dāng)?shù)缆窞閱蜗蛩能嚨罆r(shí)，選擇進(jìn)入單向四車道客貨分道子程序。

單向四車道客貨分道控制子流程如圖11所示。通過(guò)獲取道路檢測(cè)器的交通流數(shù)據(jù)，將貨車交通量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)小汽車交通量，判斷a的比值所在區(qū)間，當(dāng)1/8≤a＜1 時(shí)，采用1 條客車車道+1 條混行車道+2 條貨車車道（B+M+2T）的劃分形式。當(dāng)a=1 時(shí)，采用2 條客車道+2 條貨車道（2B+2T）的形式。當(dāng)1＜a＜3 時(shí)，采用2 條客車車道+1 條混行車道+1 條貨車車道（2B+M+T）的劃分形式。當(dāng)3≤a≤20 時(shí)，采用3 條客車車道+1 條混行車道（3B+M）的劃分形式，輸出選定客貨分道方案。

圖11 單向四車道客貨分道控制子流程Fig.11 Sub flow chart of one-way four lane passenger and freight lane separation control

4.3 單向三車道子流程

當(dāng)?shù)缆窞閱蜗蛉嚨罆r(shí)，選擇進(jìn)入單向三車道客貨分道子程序。控制子流程如圖12所示。

圖12 單向三車道客貨分道控制子流程Fig.12 Sub flow chart of one-way three lane passenger-cargo lane separation control

4.4 單向五車道子流程

當(dāng)?shù)缆窞閱蜗蛭遘嚨罆r(shí)，選擇進(jìn)入單向五車道客貨分道子程序?？刂谱恿鞒倘鐖D13所示。

圖13 單向五車道客貨分道控制子流程Fig.13 Sub flow chart of one-way five lane passenger-cargo lane separation control

5 結(jié)論

論基于vissim軟件仿真，依托美國(guó)加利福尼亞州i5高速公路數(shù)據(jù)建模仿真，得到結(jié)論為：

1）在一定條件下，客貨分道可降低車輛平均延誤，提高車輛平均速度，提高道路通行效率。

2）仿真道路客貨分道控制系統(tǒng)適用范圍：?jiǎn)蜗蛩能嚨溃?/8≤a≤20；單向三車道，1/4≤a≤20；單向五車道，1/12≤a≤10。

3）在后續(xù)工作中，可根據(jù)不同道路及交通流的情況，完善該客貨分道動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的適用界限分析。

4）對(duì)該系統(tǒng)軟件開發(fā)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)一步研究，并對(duì)流程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如交通事故判斷和交通流數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行細(xì)化研究。