京滬高速公路（揚州段）改擴建工程交通仿真測試及評價

王強

上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 上海 200031

1 工程背景

京滬高速公路是國家公路網(wǎng)的主骨架，在國家公路網(wǎng)中編號為G2，是7條首都放射線之一，經(jīng)過北京、天津、河北、山東、江蘇和上海等六個省市，聯(lián)通了政治中心的北京與經(jīng)濟中心的上海，路網(wǎng)地位非常重要[1]。

京滬高速公路（揚州段）擴建改造工程路線起于淮安市和揚州市交界處，銜接JHK-HA6施工標(biāo)段設(shè)計終點（對應(yīng)京滬高速公路樁號K859+049.480），經(jīng)寶應(yīng)、高郵、江都，止于正誼樞紐互通北側(cè)（對應(yīng)京滬高速公路樁號K969+534.093），向東接正在改擴建的京滬高速公路江都至廣陵段，向南接建設(shè)中的五峰山過江通道北接線工程。路線平面沿原路中心線擬合，路線全長約110.485km（7個標(biāo)段，含先導(dǎo)段20.7km）。全線采用兩側(cè)拼寬技術(shù)為主的總體擴建方案，依照雙向八車道的高速公路標(biāo)準(zhǔn)擴建，設(shè)計速度120km/h，路基寬度42m。

考慮到交通導(dǎo)改設(shè)置施工區(qū)域會占用道路資源并對京滬高速公路的交通運行產(chǎn)生較大影響，在安全性影響評價中分析了施工圍擋區(qū)交通流的交通特性和交通流量數(shù)據(jù)，并利用VISSIM對京滬高速公路不同路段類型及不同施工階段的施工圍擋區(qū)進行仿真模擬。依據(jù)京滬高速公路各路段的交通數(shù)據(jù)對仿真模型參數(shù)進行標(biāo)定，并依據(jù)仿真結(jié)果對導(dǎo)改方案進行分析及評價。

2 交通仿真技術(shù)的應(yīng)用

交通仿真技術(shù)是利用交通的組織原理以及基本知識，通過使用現(xiàn)代的計算機技術(shù)在一定程度上建立一個能夠代替現(xiàn)實交通運輸系統(tǒng)的計算機模型的過程[2]。這個模型模擬實際交通運輸系統(tǒng)的特點，分析運輸系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下可能出現(xiàn)的行為，并可根據(jù)模型模擬的結(jié)果，尋求交通問題的最優(yōu)解決方案，評估各種運輸設(shè)備的設(shè)計成果。

德國PTV公司開發(fā)的軟件VISSIM，是一款隨機離散的、以1/10秒為時間步長的微觀仿真軟件。該軟件的工作原理是通過在路網(wǎng)中移動“駕駛?cè)?車輛-單元”來模擬交通流。使具有特定駕駛行為的駕駛?cè)吮环峙涞教囟ǖ能囕v，駕駛行為與車輛性能相對應(yīng)。與施工區(qū)車道交通運行有關(guān)的算法分別為車道變換算法、車輛跟蹤算法[3]。

2.1 交通仿真模型的建立

以高郵互通特殊路段為例，交通導(dǎo)改采用“整幅雙向四車道通行+右半幅雙向兩車道通行”的方案，利用VISSIM軟件建立交通仿真模型。

(1) 車輛構(gòu)成

根據(jù)京滬高速公路的交通組成情況，定義客車和貨車的交通組成比例，輸入相對流量。依據(jù)現(xiàn)狀交通量調(diào)查資料，客車占比76.01%，貨車占比23.99%。其中，大客車占比為3.37%。

(2) 車輛輸入

由于在仿真模型的前部分時間段，交通流量不穩(wěn)定，且仿真路段路網(wǎng)長度較長，車輛到達需一定時間。為了保證模型輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，流量的輸入時間要長于仿真時間，并在采集數(shù)據(jù)的過程中，選取仿真后半段時間所輸出的數(shù)據(jù)。本次在仿真過程中，設(shè)定的單次仿真時長為4200s，其中0~600s為路網(wǎng)運行填充時間，不列入數(shù)據(jù)采集的范疇，600~4200s為穩(wěn)定交通流的仿真時間，其輸出結(jié)果待檢驗完成后作為評價依據(jù)只選取600~4200s 時間間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)。

(3) 路徑選擇

在施工區(qū)現(xiàn)狀路徑的選擇上是采用了管理車道的路徑?jīng)Q策模型和靜態(tài)路徑來實現(xiàn)的。

(4) 沖突區(qū)域集

導(dǎo)改方案為高郵互通特殊路段“整幅雙向四車道通行+右半幅雙向兩車道通行”，沖突區(qū)主要為B、D兩匝道行駛車輛匯入主線時與主線行駛車輛之間的沖突及交通導(dǎo)改時外側(cè)車道車輛并入內(nèi)側(cè)車道時與內(nèi)側(cè)車道行駛車輛之間的沖突。

圖1 互通區(qū)D匝道車流匯入沖突區(qū)設(shè)置示意圖

(5) 數(shù)據(jù)監(jiān)測點

本階段設(shè)置監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)主要為平均行程車速、車輛數(shù)及包括Car、HGV、Bus在內(nèi)的各車型的平均速度，監(jiān)測點設(shè)置位置見下表。

表1 數(shù)據(jù)檢測器設(shè)置一覽表

(6) 期望速度分布

為保證車輛行駛狀態(tài)良好，根據(jù)導(dǎo)改方案將設(shè)導(dǎo)改及對比路段小客車Car的期望車速設(shè)為60 km/h（50 km/h~60 km/h），貨車HGV及大客車Bus的期望車速設(shè)為50 km/h（40 km/h~50 km/h）。

2.2 交通流特性參數(shù)評價

利用VISSIM軟件交通流特性參數(shù)評價時，選取了交通導(dǎo)改方案各路段的速度指標(biāo)、路段通行車道的飽和度及其服務(wù)水平進行評價。

(1) 速度評價

表2 各路段車速統(tǒng)計一覽表

當(dāng)進行交通導(dǎo)改且其他道路條件相同時，其組成路段的平均車速均大于導(dǎo)改路段，且整幅四車道交通轉(zhuǎn)換為右幅兩車道時，整幅雙向四車道進口段平均車速低于半幅雙向兩車道路段，表明并道時已出現(xiàn)擁堵，與仿真情況相符。車輛并道以后跟馳行駛，路段平均速度逐漸提高。

另外，在導(dǎo)改路段的大貨車平均車速下降明顯，由各類不同車型顯現(xiàn)出的比較大的車速差異會顯著降低該路段的通行能力。其中大貨車所采用的較小車速，會直接影響其它擬采用較高車速車輛的行車速度。因此，在改擴建的施工作業(yè)區(qū)段之內(nèi)，將速度比較低的大貨車分流出去以免影響擬采用較高車速車輛的行車速度，是十分有必要的。

(2) 飽和度評價

利用現(xiàn)有交通量資料及仿真所得的進行交通導(dǎo)改前后交通量數(shù)值，計算V/C得到車道的飽和度，如下表所示。

表3 各階段車道飽和度對比表

由飽和度對比表可知，在京滬高速公路改擴建過程中，采取半幅路面封閉施工、另外半幅路面維持雙向兩車道通行的措施，或采取整幅路面各封閉外側(cè)車道而保持整幅雙向雙車道通行的措施，V/C值均大于1，說明車道已處于飽和或過飽和狀態(tài)，不僅表明交通量達到道路所能承擔(dān)的范圍，也說明道路處于四級以下服務(wù)水平。單位面積內(nèi)的車輛很多，大部分車輛不能自由的行駛，處于跟馳狀態(tài)。

2.3 交通仿真結(jié)論

(1) 標(biāo)準(zhǔn)路段的平均車速均大于交通導(dǎo)改路段，其中以整幅雙向四車道交通轉(zhuǎn)換為右幅雙向兩車道尤為突出，極易出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，建議在導(dǎo)改點設(shè)置交替通行的交安設(shè)施，保障車流有序跟馳。

(2) 由于各類不同車型表現(xiàn)出的性能差異比較大，在導(dǎo)改路段各類不同車型行駛采用的的較大車速差異會顯著降低改建路段的通行能力，大貨車相對比較小的車速會直接影響其它車輛的通行速度。因此在改擴建的施工作業(yè)區(qū)段之內(nèi)，宜將速度較小的大貨車分流出去，避免影響導(dǎo)改區(qū)的交通轉(zhuǎn)換效率。

(3) 由于實際道路運營條件與路段限速標(biāo)準(zhǔn)的不匹配性，可能造成車輛的速度離散性較大，該情況下較易發(fā)生交通事故。建議路段限速應(yīng)盡可能將交通安全性和行車連續(xù)性統(tǒng)籌考慮，不宜大幅限制運行速度。

(4) 導(dǎo)改路段長度以1～2km，速度以60～80km/h為宜，對應(yīng)的車輛通行安全性及效率最高。

3 交通仿真的應(yīng)用價值

通過在京滬高速公路（揚州段）改擴建中對交通仿真技術(shù)的安全性測試及評價應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)交通仿真技術(shù)在實際工程中具有以下應(yīng)用價值：

(1) 交通仿真技術(shù)的應(yīng)用可以快捷方便的得到交通評價中想要的數(shù)據(jù)，并且能夠在調(diào)研和試驗中節(jié)約大量的人力和物力。

(2) 交通仿真技術(shù)可以通過設(shè)定其中的參數(shù)范圍和特定值組合出想要的模擬方案，從而實現(xiàn)多方案的比選和評價。例如通過控制變量，或者只改變其中一部分變量，就可以考察它們對道路的安全性影響等內(nèi)容。

(3) 通過建立其中一個仿真模型，在項目評價中可以不斷重復(fù)仿真過程，從而達到想要的結(jié)果。

(4) 交通仿真技術(shù)與以往的方法相比，由于它不需要一些非常專業(yè)的數(shù)學(xué)知識去構(gòu)建解析模型，在應(yīng)用方面更容易得到推廣[4]。

(5) 交通仿真技術(shù)的應(yīng)用可以避免在實地的調(diào)查研究和試驗過程中可能會出現(xiàn)的一些意外傷害。

(6) 應(yīng)用交通仿真技術(shù)相比實際的交通調(diào)查或交通模擬的方法可以更快的得到結(jié)果，縮短數(shù)據(jù)采集的周期，也能夠避免因為調(diào)查時的人為因素而造成交通中斷，從而導(dǎo)致這方面的干擾所引起的數(shù)據(jù)丟失或失真。

(7) 利用計算機進行交通仿真模擬，可以使其中某些參數(shù)（如車速、交通量等）的設(shè)置超出在實際調(diào)查中得到的范圍，從而獲得一些在實地的調(diào)查研究中所無法獲得的數(shù)據(jù)。并且通過交通仿真技術(shù)進行模擬預(yù)測，可以再現(xiàn)施工區(qū)段復(fù)雜的交通環(huán)境下的車流運行特征，從而可以彌補由實地觀測所獲得的數(shù)據(jù)的缺陷和不足。