面向疏散優(yōu)先的突發(fā)事件交通管制仿真研究

劉 正，李新剛，劉素芳

(北京交通大學 綜合交通運輸大數(shù)據(jù)應用技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京 100044)

火災、危險化學品事故、爆炸等突發(fā)事件情形下，建立區(qū)域疏散交通組織優(yōu)化方案，轉(zhuǎn)移受災人員至安全區(qū)域是保障人民群眾生命和財產(chǎn)安全的重要方法。例如，ZHANG等[1]以整個疏散過程中受災人員接觸到的危險化學品濃度最小化為優(yōu)化目標，建立了混合整數(shù)規(guī)劃模型以優(yōu)化危險化學品事故情形下的區(qū)域疏散交通組織；YAN等[2]以距離危險源的長度為參數(shù)，通過構(gòu)建道路危險水平評估函數(shù)分析突發(fā)事件對疏散路網(wǎng)交通安全的影響；LIU等[3-4]針對區(qū)域疏散交通組織優(yōu)化問題，提出了一種基于區(qū)域危險等級差異性的道路危險水平評估策略，分析了突發(fā)事件降低大氣能見度對區(qū)域疏散交通組織的影響；LIU等[5]通過設計面向救援優(yōu)先的兩階段優(yōu)化方法，建立了線性規(guī)劃模型優(yōu)化區(qū)域疏散和救援交通組織，分析了不同救援需求下，應急區(qū)域邊界的救援交通入口選擇對疏散效果和救援效果的影響。此外，在疏散過程中社會車輛同樣會有使用疏散路網(wǎng)的交通需求。覃媛媛等[6]在研究突發(fā)事件情形下疏散車輛的交通量分布時，考慮了社會交通流的影響；MAO等[7-8]以社會車輛作為疏散過程的背景交通，研究了區(qū)域疏散交通組織優(yōu)化問題。

綜上所述，前人對突發(fā)事件情形下區(qū)域疏散交通組織優(yōu)化問題的研究采取了兩種方式組織社會交通：①禁止社會車輛使用應急區(qū)域內(nèi)的道路，以避免突發(fā)事件影響社會車輛交通安全和社會車輛影響受災人員轉(zhuǎn)移；②以社會車輛作為疏散過程的背景交通。顯然，在疏散過程中，禁止社會車輛使用應急區(qū)域內(nèi)的道路難以保障社會車輛日常通行，同時會導致未被疏散車輛使用的路段無法服務于人們?nèi)粘３鲂校速M路網(wǎng)資源；盡管社會車輛作為疏散過程的背景交通可使路網(wǎng)服務于社會車輛日常出行，但是突發(fā)事件會威脅社會車輛通過受災區(qū)域周圍道路的交通安全。

為保障社會車輛交通安全，突發(fā)事件情形下公安機關交通管理部門會對受災區(qū)域周圍的道路進行臨時交通管制，禁止社會車輛進入相關區(qū)域。例如，在“8·12天津濱海新區(qū)爆炸事故”中，天津市公安交通管理局調(diào)派警力對事故現(xiàn)場周邊道路實施交通管制，禁止社會車輛通行[9]；在“3·30木里縣森林火災”中，為確保現(xiàn)場道路暢通，木里交警采取交通管制，無關車輛禁止進入現(xiàn)場[10]。但是，火災、危險化學品事故、爆炸等突發(fā)事件的現(xiàn)場情況和外部環(huán)境，例如危險物質(zhì)的數(shù)量和類型、風向、風速，有時難以確定，突發(fā)事件影響范圍發(fā)生變化時，為保障社會車輛交通安全，在受災區(qū)域周圍采取交通管制的道路也應發(fā)生變化，而交通管制會限制社會車輛在路網(wǎng)上的通行。

因此，筆者通過優(yōu)化突發(fā)事件情形下的區(qū)域疏散交通組織，仿真面向疏散優(yōu)先的社會車輛交通組織過程，進一步分析疏散過程中受災區(qū)域周圍的交通管制范圍對社會車輛在路網(wǎng)上通行的影響，為突發(fā)事件情景下應急管理部門制定交通管制方案，同時保障社會車輛的交通安全和通行需求提供決策依據(jù)。

1 研究方法

為研究面向疏散優(yōu)先的突發(fā)事件交通管制范圍對社會車輛通行的影響，筆者采用疏散交通組織優(yōu)化與社會交通組織仿真相結(jié)合的方法：基于模擬疏散車輛在路網(wǎng)上動態(tài)轉(zhuǎn)移的路段傳輸模型[11]，建立突發(fā)事件區(qū)域疏散交通組織優(yōu)化模型，獲取疏散車輛在應急區(qū)域路網(wǎng)上的交通路線；基于并行微觀交通仿真，模擬社會車輛在路網(wǎng)上的運行過程：無突發(fā)事件、不采取交通管制措施時，社會車輛在路網(wǎng)上正常運行；突發(fā)事件情形下，在疏散過程中模擬社會車輛在路網(wǎng)上運行時采取的交通管制措施包括：①遵守疏散優(yōu)先，禁止社會車輛進入疏散路線、禁止社會車輛與疏散車輛在交叉口的轉(zhuǎn)向發(fā)生交織沖突，直至交通管制措施解除；②關閉受災區(qū)域周圍道路，禁止社會車輛通行以保障交通安全，直至交通管制措施解除。

1.1 疏散交通組織優(yōu)化

(2)最優(yōu)化模型為：

(1)

s.t.

(2)

(3)

(4)

i∈L

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

1.2 社會交通組織仿真

基于并行微觀交通仿真軟件Paramics 6.9.3模擬社會車輛在路網(wǎng)上的運行過程，面向疏散優(yōu)先的突發(fā)事件社會車輛交通仿真流程如圖1所示。突發(fā)事件發(fā)生前，社會車輛在路網(wǎng)上正常運行；突發(fā)事件發(fā)生后，對受災區(qū)域周圍采取關閉道路的交通管制措施，禁止社會車輛進入關閉路段，以保障社會車輛交通安全，直到解除管制措施，社會車輛可恢復正常通行；基于區(qū)域疏散交通組織優(yōu)化模型，獲取疏散路線，禁止社會車輛占用疏散路線、禁止社會車輛進入與疏散車輛在交叉口處交織沖突的轉(zhuǎn)向，以確保疏散車輛優(yōu)先通行，直到解除管制措施，社會車輛可恢復正常通行。利用Paramics軟件繼續(xù)模擬突發(fā)事件發(fā)生后的社會車輛運行過程，獲取社會車輛在路網(wǎng)上通行的交通仿真數(shù)據(jù)，分析疏散過程中受災區(qū)域周圍的交通管制范圍對社會車輛通行的影響。

圖1 社會車輛交通組織仿真流程

2 算例分析

筆者以北京中關村區(qū)域路網(wǎng)為例分析面向疏散優(yōu)先的突發(fā)事件交通管制：首先，給出中關村區(qū)域的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，利用Paramics軟件構(gòu)建社會車輛交通仿真路網(wǎng)；其次，基于疏散交通組織優(yōu)化與社會交通組織仿真相結(jié)合的方法，利用Paramics軟件模擬社會車輛在路網(wǎng)上的運行過程，獲取社會車輛交通仿真數(shù)據(jù)；最后，分析在受災區(qū)域周圍執(zhí)行不同范圍的交通管制對社會車輛在路網(wǎng)上通行的影響。

2.1 社會車輛交通仿真場景

中關村區(qū)域的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中帶箭頭的線段表示路段，數(shù)字表示路段編號，箭頭表示路段的通行方向；帶數(shù)字的圓圈表示交叉口，數(shù)字表示交叉口編號，相應的交叉口轉(zhuǎn)向如圖3所示?；疑叫螀^(qū)域為受災區(qū)域，受災人員借助30輛機動車、選擇虛線路段83、86、124、127離開受災區(qū)域?；谕话l(fā)事件的影響和疏散工作的需求，交叉口1、7、28、32、49、54圍成的區(qū)域為應急管理部門管控的應急區(qū)域。在疏散過程中，受災人員可選擇連接交叉口1、7、28、32、49、54、位于應急區(qū)域外部的虛線路段158、160、162、164、166、168、170、172、174和176離開應急區(qū)域，到達安全區(qū)域?；诼范蝹鬏斈Ｐ湍M疏散車輛在路網(wǎng)上的轉(zhuǎn)移過程時，疏散交通流狀態(tài)動態(tài)更新的時間步總數(shù)為30，每個時間步長為3 s。疏散車輛在路段上的阻塞密度為150 輛/(km·車道)，臨界密度為30 輛/(km·車道)，自由流速度為72 km/h，激波向后傳播的速度為18 km/h。

圖2 中關村區(qū)域路網(wǎng)

圖3 交叉口轉(zhuǎn)向

基于Paramics軟件構(gòu)建的中關村區(qū)域交通仿真路網(wǎng)如圖4所示，方形表示社會車輛在該區(qū)域行程的起始位置和終點位置，各起始位置和終點位置之間的社會交通量由20以內(nèi)均勻分布的隨機數(shù)生成。在Paramics軟件仿真中，設置社會車輛交通仿真時長為1 h，開始時間標記為“00:00”，結(jié)束時間標記為“01:00”，突發(fā)事件發(fā)生、采取交通管制的時間標記為“00:20”；帶箭頭的虛線表示基于區(qū)域疏散交通組織優(yōu)化模型確定的疏散交通路線。突發(fā)事件發(fā)生后，為了保障受災人員轉(zhuǎn)移和社會車輛交通安全，應急管理部門對受災區(qū)域周圍的道路和疏散路線的交通管制持續(xù)3 min，至00:23結(jié)束。

圖4 中關村區(qū)域交通仿真路網(wǎng)

2.2 社會車輛交通擁堵分布

突發(fā)事件發(fā)生前，路網(wǎng)服務于社會車輛日常出行。00:20時刻社會車輛交通擁堵狀況如圖5所示，可以看出突發(fā)事件發(fā)生時，路網(wǎng)大部分路段較為暢通，只有局部路段在交叉口處于小規(guī)模的擁堵。以這種交通運行狀態(tài)作為突發(fā)事件發(fā)生時的背景交通狀態(tài)，可以排除社會車輛正常的交通擁堵對突發(fā)事件交通管制導致交通擁堵的影響。

圖5 00:20時刻社會車輛交通擁堵分布

無突發(fā)事件、不采取交通管制時，在00:20—00:23時段進入受災區(qū)域周圍路段的社會車輛數(shù)如表1所示，可知社會車輛日常通行時，通過受災區(qū)域周圍大部分路段的車輛數(shù)不為0，表明突發(fā)事件發(fā)生后，對受災區(qū)域周圍道路采取交通管制措施會影響社會車輛通行；如果不采取交通管制措施，當受災范圍突然變化時，社會車輛的交通安全會受到影響，并且受影響的社會車輛數(shù)與受災范圍有關。

表1 00:20—00:23時段進入受災區(qū)域周圍道路的社會車輛數(shù)

2.3 交通管制范圍與社會車輛交通擁堵

突發(fā)事件發(fā)生后，采取疏散交通優(yōu)先通行和關閉受災區(qū)域周圍道路的交通管制措施結(jié)束時，社會車輛在路網(wǎng)上的交通擁堵分布如圖6所示，其中連接實心圓點的虛線框表示受災區(qū)域周圍的交通管制范圍，虛線空心圓標記的位置為社會車輛發(fā)生交通擁堵的交叉口。在圖6(a)中，受災區(qū)域周圍的交通管制范圍為交叉口17、19、24、25連成的區(qū)域；在圖6(b)中，受災區(qū)域周圍的交通管制范圍為交叉口15、20、22、26連成的區(qū)域；在圖6(c)中，未發(fā)生突發(fā)事件，無受災區(qū)域。

圖6 00:23時刻社會車輛交通擁堵分布

由圖6可知，突發(fā)事件情形下，采取交通管制措施，禁止社會車輛使用局部道路通行會造成交通擁堵，且交通擁堵主要發(fā)生在受管制路段的交叉口；而未發(fā)生突發(fā)事件時，路網(wǎng)基本處于暢通狀態(tài)。因此，在突發(fā)事件情形下，禁止社會車輛使用受災區(qū)域周圍道路、保障疏散車輛優(yōu)先通行時，應該在受管制路段的交叉口引導社會車輛繞行。此外，不同管制范圍下社會車輛在受災區(qū)域周圍出現(xiàn)交通擁堵的位置明顯具有差異性，表明了突發(fā)事件情形下受災區(qū)域周圍的交通管制范圍發(fā)生變化后，社會車輛發(fā)生交通擁堵的位置也會發(fā)生變化，因此引導社會車輛通行的位置也應相應地改變。

2.4 交通管制范圍與社會車輛通行效率

突發(fā)事件交通管制會阻礙社會車輛在路網(wǎng)上的通行，且發(fā)生交通擁堵的位置與交通管制的范圍有關。因此，筆者以從起始位置到達終點位置的社會車輛數(shù)表示社會車輛完成的行程數(shù)量，評估受災區(qū)域周圍的交通管制范圍對社會車輛通行效率的影響。顯然，社會車輛完成的行程數(shù)量越多，交通管制對社會車輛通行的限制越小，社會車輛在路網(wǎng)上通行效率越高。

突發(fā)事件發(fā)生后，在受災區(qū)域周圍執(zhí)行不同范圍的交通管制時，社會車輛完成的行程數(shù)量如表2所示。其中，“S-1”表示無突發(fā)事件、不采取交通管制措施；“S-2”表示突發(fā)事件情形下疏散優(yōu)先、允許社會車輛通過受災區(qū)域周圍的道路；“S-3”表示突發(fā)事件情形下疏散優(yōu)先、受災區(qū)域周圍的交通管制范圍為交叉口17、19、24、25連成的區(qū)域；“S-4”表示突發(fā)事件情形下疏散優(yōu)先、受災區(qū)域周圍的交通管制范圍為交叉口17、20、24、26連成的區(qū)域；“S-5”表示突發(fā)事件情形下疏散優(yōu)先、受災區(qū)域周圍的交通管制范圍為交叉口16、19、23、25連成的區(qū)域；“S-6”表示突發(fā)事件情形下疏散優(yōu)先、受災區(qū)域周圍的交通管制范圍為交叉口15、20、22、26連成的區(qū)域。由表2可知，未發(fā)生突發(fā)事件、不采取交通管制措施(S-1)時，社會車輛在突發(fā)事件發(fā)生后的40min內(nèi)完成的行程數(shù)量分別為1 101、1 095、1 090、1 081，總計4 367個，明顯高于S-2、S-3、S-4、S-5和S-6，表明了為保障疏散車輛優(yōu)先通行，禁止社會車輛占用疏散路線、禁止社會車輛進入與疏散車輛在交叉口處交織沖突的轉(zhuǎn)向，會降低社會車輛完成的行程數(shù)量。在突發(fā)事件情形下，對受災區(qū)域周圍不同范圍內(nèi)的道路采取交通管制，社會車輛完成的行程數(shù)量沒有明顯差異，表明了在受災區(qū)域周圍執(zhí)行不同范圍的交通管制未明顯影響社會車輛完成的行程數(shù)量。

表2 社會車輛完成的行程數(shù)量

2.5 交通管制范圍與社會車輛行程時間

突發(fā)事件發(fā)生后，對受災區(qū)域周圍執(zhí)行不同范圍的交通管制時，社會車輛在路網(wǎng)上的行程時間如表3所示。結(jié)合表2可知，社會車輛完成第1 000個行程后，交通管制措施已解除。由表3可知，未發(fā)生突發(fā)事件、不采取交通管制措施(S-1)時，前1 000個社會車輛在路網(wǎng)上的行程時間明顯低于突發(fā)事件情形下采取交通管制時對應的行程時間。對比S-2、S-3、S-4、S-5和S-6對應的社會車輛在路網(wǎng)上的行程時間，在受災區(qū)域周圍采取交通管制的范圍發(fā)生變化時，社會車輛的行程時間沒有明顯差異性。交通管制情形下，當社會車輛完成1 000個行程之后，其在路網(wǎng)上的行程時間降低。上述結(jié)果表明：突發(fā)事件發(fā)生后，采取疏散優(yōu)先的交通管制措施會明顯增加社會車輛的行程時間；在受災區(qū)域周圍執(zhí)行不同范圍的交通管制對社會車輛行程時間的影響沒有明顯差異；應對突發(fā)事件采取的交通管制解除后，社會車輛行程時間受前期交通管制的影響降低。

表3 社會車輛行程時間 s

3 結(jié)論

(1)通過優(yōu)化突發(fā)事件情形下的區(qū)域疏散交通組織，仿真面向疏散優(yōu)先的社會車輛交通組織過程，分析了在受災區(qū)域周圍執(zhí)行交通管制的范圍對社會車輛通行的影響，研究結(jié)果表明：①在疏散過程中，禁止社會車輛進入受災區(qū)域周圍的道路會造成社會車輛交通擁堵，且擁堵主要發(fā)生在受管制路段交叉口；改變受災區(qū)域周圍執(zhí)行交通管制的范圍，社會車輛交通擁堵的位置也會發(fā)生變化。②應對突發(fā)事件采取疏散優(yōu)先措施會明顯降低社會車輛完成的行程數(shù)量、增加社會車輛在路網(wǎng)上的行程時間；面向疏散優(yōu)先導致社會車輛在路網(wǎng)上的通行受限時，關閉受災區(qū)域周圍不同范圍的道路未明顯影響社會車輛完成的行程數(shù)量和行程時間。③應對突發(fā)事件采取的交通管制措施解除后，社會車輛行程時間受前期管制的影響降低。

(2)基于筆者的研究，可為突發(fā)事件情形下面向疏散優(yōu)先的社會車輛交通管制提供如下建議：①突發(fā)事件情形下，禁止社會車輛使用受災區(qū)域周圍道路、保障疏散車輛優(yōu)先通行時，應該在受管制路段的交叉口引導社會車輛通行；受災范圍發(fā)生變化導致受災區(qū)域周圍交通管制的路段發(fā)生變化后，需要采取措施引導社會車輛通行的位置也相應地改變；②突發(fā)事件發(fā)生后，受災范圍的變化難以確定時，可通過擴大受災區(qū)域周圍關閉路段的范圍來同時保障社會車輛的交通安全和出行需求。

(3)筆者仿真社會車輛在路網(wǎng)上的日常通行過程，研究面向疏散優(yōu)先的突發(fā)事件交通管制對社會車輛在路網(wǎng)上通行的影響時，交通管制路段為社會車輛在路網(wǎng)上通行的瓶頸路段，社會車輛未更改原路線以繞過受管制路段。未進一步研究交通管制期間引導社會車輛通行的管理方法，導致社會車輛不得不在解除交通管制后才恢復通行。相比于應急交通，社會交通的個體出行信息和行為很難被應急管理部門掌握。因此，未來將進一步研究突發(fā)事件情形下的社會車輛交通組織管理方法，實現(xiàn)應急交通和社會交通的分級保障及協(xié)同優(yōu)化。