基于VISSIM仿真的城市主干道潮汐車道設(shè)置研究

閆晨玉,張林,2

(1. 華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2. 唐山市空地智慧交通重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),城市機(jī)動(dòng)車保有量急劇增加,在城市道路資源有限的情況下交通擁堵問題越來越嚴(yán)重。城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、居住區(qū)不斷向城市外圍延伸,逐漸出現(xiàn)了職住分離的模式,從而出現(xiàn)早高峰時(shí)段進(jìn)城方向交通量大,出城方向交通量較小,晚高峰時(shí)段交通量情況相反。這就是潮汐交通流現(xiàn)象,潮汐交通流現(xiàn)象造成了道路交通流時(shí)空不平衡的狀態(tài)變化,從而增加了早晚高峰期交通擁堵情況,為了能緩解城市道路的交通擁堵的問題,潮汐車道應(yīng)運(yùn)而生。

20世紀(jì)20年代美國(guó)及加拿大率先通過設(shè)置潮汐車道來解決潮汐交通問題,之后在全球城市交通管理領(lǐng)域得到廣泛的推廣及應(yīng)用。基于潮汐車道設(shè)置方法的研究及可行性分析,崔研、劉東[1]以北京朝陽路調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)可變車道設(shè)置條件進(jìn)行可行性分析,并進(jìn)行潮汐車道優(yōu)化設(shè)計(jì),從而緩解高峰時(shí)期交通擁堵情況。陳堅(jiān)、霍婭敏[2]論證了成都蜀西路典型潮汐車流路段設(shè)置可變車道的可行性,并通過數(shù)學(xué)建模技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。代磊磊等[3]對(duì)北京2條潮汐交通現(xiàn)象明顯的道路進(jìn)行了高峰時(shí)段交通調(diào)查,根據(jù)交通流特性提出了潮汐車道設(shè)置方案,并使用VISSIM進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)。Kotagi P B, Asaithambi G[4]使用微觀模擬模型對(duì)混合交通的印度城市主干道進(jìn)行模擬評(píng)估。魏雙秋、潘義勇[5]以加拿大Whitemud Drive高速公路為實(shí)例,設(shè)置路網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行VISSIM仿真運(yùn)行效果分析。

基于對(duì)潮汐車道運(yùn)行效果評(píng)價(jià)的研究,Wolshon B, Lanmert L[6]對(duì)美國(guó)45條可變車道進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查,總結(jié)了可變車道的應(yīng)用范圍,并通過使用條件、安全、過度、評(píng)估和評(píng)價(jià)等角度對(duì)可變車道設(shè)置進(jìn)行分析。GolubA[7]以亞利桑那州鳳凰城的2條可逆車道發(fā)起對(duì)居民、企業(yè)、司機(jī)的社會(huì)調(diào)查,來研究所調(diào)查車道的成本和感知收益情況。Bede Z等[8]通過對(duì)可逆車道的實(shí)施效果進(jìn)行研究,得出設(shè)置可逆車道減少出行時(shí)間、降低延誤從而降低汽車油耗,減少有害氣體的排放等。陳靜等[9]對(duì)北京紫竹院路實(shí)施潮汐車道前后交通量、速度等變化進(jìn)行全面評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)因設(shè)置潮汐車道取消中央護(hù)欄增加了行人與車輛的安全隱患。

基于交通擁堵特性對(duì)潮汐車道進(jìn)行研究,并進(jìn)行實(shí)例分析,孟廣志[10]分析了城市交通擁堵特性,對(duì)潮汐車道的設(shè)置條件、設(shè)計(jì)方法和切換時(shí)機(jī)進(jìn)行研究,并以石家莊市新華區(qū)和平西路的一段運(yùn)用VISSIM進(jìn)行仿真驗(yàn)證。丁心茹[11]根據(jù)潮汐交通現(xiàn)象產(chǎn)生原因分析潮汐車道設(shè)置條件,建立潮汐車道分配模型,確定切換時(shí)機(jī),并以長(zhǎng)春市某區(qū)域?yàn)槔龑?duì)所提出的模型進(jìn)行應(yīng)用。

上述研究結(jié)果表明,潮汐車道的設(shè)置能有效地緩解城市交通由潮汐交通流引起的擁堵,但未考慮到城市主干道設(shè)置潮汐車道的影響因素,以及實(shí)施自動(dòng)化潮汐車道的重要性。故本研究從解決城市主干道因潮汐交通流引起的擁堵問題為出發(fā)點(diǎn),分析潮汐交通形成原因及潮汐車道設(shè)置條件,針對(duì)唐山市北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)潮汐交通流現(xiàn)象,設(shè)置自動(dòng)化潮汐車道方案,最終以VISSIM仿真的方式驗(yàn)證方案在提高交通通行效率、降低交通延誤等方面的可行性,并對(duì)進(jìn)一步研究方向提供建議。

1國(guó)內(nèi)外潮汐車道設(shè)置情況及應(yīng)用前景

美國(guó)舊金山金門大橋是連接舊金山市區(qū)和北部的馬林郡的跨海通道,年平均日交通流量約為10萬輛車次,早高峰進(jìn)城流量大,晚高峰出城流量大。早在1962年金門大橋就實(shí)施了潮汐車道,即將6車道在早高峰時(shí)段調(diào)整為進(jìn)城4車道、出城2車道,晚高峰時(shí)段調(diào)整為出城4車道、進(jìn)城2車道,從而提高道路資源利用率,有效緩解了交通擁堵,金門大橋潮汐車道的設(shè)置直至今日,仍為全球推廣的典范。

2013年北京市朝陽路(京廣橋-慈云寺橋西側(cè))開設(shè)首條潮汐車道,朝陽路主路為雙向4車道,2個(gè)方向外側(cè)為快速公交專用車道和內(nèi)側(cè)為小客車車道,潮汐車道是在17～20時(shí)將東向西方向小客車車道改為西向東,增加了晚高峰出城方向車流通行效率。紫竹院路(四季青橋東側(cè)-車道溝橋西端)潮汐車道也于2014年建成投產(chǎn),即紫竹院主路通過渠化在原有6車道的基礎(chǔ)上中間增加1條車道為潮汐車道,潮汐車道在6～12時(shí)方向?yàn)槲飨驏|,其余時(shí)段方向?yàn)闁|向西,根據(jù)調(diào)查分析紫竹院路潮汐車道早高峰進(jìn)城方向和晚高峰出城方向速度均有所提升,大大縮短了通行時(shí)間。

2021年唐山市國(guó)防道(站前路-文化路)開通潮汐車道,實(shí)施長(zhǎng)度約為5.3 km。國(guó)防道為雙向3車道,中間車道在7～9時(shí)的行駛方向?yàn)槲飨驏|,其余時(shí)段行駛方向?yàn)闁|向西。國(guó)防道是貫穿唐山市東西方向的重要干路,沿線包含10所學(xué)校、5家醫(yī)院和2個(gè)早市,機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車交通量均比較大,該路段設(shè)置潮汐車道有效地提高了城市長(zhǎng)距離通行效率,緩解了交通擁堵。

我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快,城市機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增加,居住區(qū)與商務(wù)區(qū)分離嚴(yán)重,必然會(huì)導(dǎo)致在有限的道路資源中潮汐交通流現(xiàn)象越來越明顯。潮汐車道能在不同時(shí)段改變車道行駛方向,從而合理利用道路資源,有效地緩解潮汐交通流帶來的城市擁堵問題,所以潮汐車道在未來城市道路規(guī)劃建設(shè)中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

2潮汐車道設(shè)置可行性分析

2.1 潮汐車道設(shè)置條件

設(shè)置潮汐車道應(yīng)滿足以下前提條件:

(1)潮汐交通流現(xiàn)象嚴(yán)重或已導(dǎo)致重交通流方向擁堵。

(2)路段機(jī)動(dòng)車道數(shù)一般要求在雙向三車道以上。

當(dāng)通過交通量調(diào)查得到每條車道交通量vi時(shí),可得:

(1)

(2)

其中vn、vm為輕、重交通流平均一條車道的交通量。

此時(shí)輕、重交通流的路段飽和度為:

(3)

(4)

其中Cn、Cm為輕、重交通流路段通行能力,c為一條車道路段通行能力。

(5)

(6)

潮汐車道設(shè)置后,以輕交通流方向路段飽和度不高于重交通流方向路段飽和度作為設(shè)置潮汐車道的臨界值,則有:

(7)

得到輕、重交通流交通量關(guān)系:

(8)

帶入重交通流方向分布系數(shù),可得:

(9)

假設(shè)設(shè)置2條潮汐車道,則設(shè)置潮汐車道的重交通流方向分布系數(shù)臨界值為:

(10)

潮汐車道的實(shí)施還應(yīng)滿足以下條件:

(1)實(shí)施潮汐車道后,在提高重交通流方向通行效率的前提下保證其他車流的通行效率,下游承載力能夠容納增加后的重交通流量。

(2)潮汐車道的實(shí)施可能帶來安全問題,如遇司機(jī)未按照潮汐車道指示方向行駛,導(dǎo)致交通違法行駛帶來的安全隱患以及拆除中央護(hù)欄導(dǎo)致路段中存在行人穿行、機(jī)動(dòng)車從岔路向潮汐路左轉(zhuǎn)帶來的安全隱患等,都需要在設(shè)置潮汐車道時(shí)找到解決方案。

(3)根據(jù)潮汐車道實(shí)施后的道路運(yùn)行情況,調(diào)整信號(hào)燈配時(shí)方案,以達(dá)到進(jìn)一步提高交通運(yùn)行效率的最佳控制方案。

2.2 潮汐車道分類

查閱潮汐車道研究文獻(xiàn)并通過對(duì)國(guó)內(nèi)外潮汐車道設(shè)置情況分析,從潮汐車道設(shè)置的自動(dòng)化程度對(duì)潮汐車道進(jìn)行分類。

2.2.1非自動(dòng)化潮汐車道

非自動(dòng)化潮汐車道,又稱標(biāo)線模式潮汐車道,通常是施畫潮汐車道雙黃虛線,并通過設(shè)置可變標(biāo)志牌指示行駛方向的模式。自2003年至今,上海已啟用多條非自動(dòng)化潮汐車道,發(fā)展最為迅速。2021年唐山市國(guó)防道潮汐車道也是非自動(dòng)化潮汐車道。

2.2.2自動(dòng)化潮汐車道

自動(dòng)化潮汐車道,又稱移動(dòng)護(hù)欄模式潮汐車道,通常是在標(biāo)線模式的基礎(chǔ)上使用特種作業(yè)車對(duì)車道上的水馬護(hù)欄進(jìn)行定向移動(dòng),從而與對(duì)向車道隔絕的潮汐車道模式。

自動(dòng)化潮汐車道有效地阻止車輛駛?cè)雽?duì)向車道,減少車輛、行人穿行,使路段行駛更流暢,提高了行駛安全。2016年10月24日,國(guó)內(nèi)首條快速路自動(dòng)化潮汐車道將在深圳布吉路啟用。2019年9月28日,上海首個(gè)拉鏈?zhǔn)匠毕嚨涝跍h高架(漕溪立交-蒲匯塘路)路段正式運(yùn)行。

2.3 潮汐車道的適用情況

2.3.1非自動(dòng)化潮汐車道

非自動(dòng)化潮汐車道中間無安全護(hù)欄,存在行人穿行、機(jī)動(dòng)車從岔路向潮汐路左轉(zhuǎn)帶來的安全隱患,設(shè)置潮汐車道往往要做出安全評(píng)估之后再考慮實(shí)施,通常適用于有輔路的主路、機(jī)非分離的雙向3～4車道。

2.3.2自動(dòng)化潮汐車道

當(dāng)車道數(shù)增多時(shí),設(shè)置非自動(dòng)化潮汐車道,潮汐車道的方向辨識(shí)率下降,行人橫穿、機(jī)動(dòng)車從岔路向潮汐路左轉(zhuǎn)的安全隱患隨著車道增加而增大,非自動(dòng)化潮汐車道不能滿足安全要求,此時(shí)應(yīng)選擇自動(dòng)化潮汐車道。自動(dòng)化潮汐車道使用特種作業(yè)車對(duì)車道上的水馬護(hù)欄進(jìn)行定向移動(dòng),從而與對(duì)向車道隔絕,更能保障交通安全,通常適用于雙向5車道以上路段。

3潮汐車道方案設(shè)計(jì)

以唐山市北新道為研究對(duì)象,針對(duì)路段擁堵問題,進(jìn)行了早、晚高峰路段區(qū)間行車速度和路口直行車輛排隊(duì)長(zhǎng)度調(diào)查,如表1、表2所示。

表1 唐山市北新道各路段早、晚高峰區(qū)間行車速度

表2 唐山市北新道各交叉口早、晚高峰直行車輛排隊(duì)長(zhǎng)度/m

根據(jù)調(diào)查分析,唐山市北新道擁堵情況主要存在學(xué)院路至建設(shè)路路段,該路段存在明顯的潮汐現(xiàn)象。為研判北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段是否滿足設(shè)置潮汐車道的條件,對(duì)該路段早、晚高峰交通流量分布形況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 唐山市北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段早高峰交通流量分布

圖2 唐山市北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段晚高峰交通流量分布

通過對(duì)唐山市北新道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究得出以下結(jié)論:

(1)北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段早晚高峰存在潮汐交通現(xiàn)象,重交通流方向產(chǎn)生交通擁堵;

(2)根據(jù)高峰時(shí)期交通流量分布情況計(jì)算重交通流方向分布系數(shù)KD均大于設(shè)置1條潮汐車道的臨界值0.625,故北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段符合設(shè)置1條潮汐車道的前提條件。

北新道是唐山市重要主干道之一,雙向8車道,路口拓寬至9車道,中間設(shè)置有唐氏景觀護(hù)欄,兩側(cè)設(shè)有公交專用道和2 m的停車預(yù)留帶。2018年之前北新道兩側(cè)設(shè)有路側(cè)停車泊位,2018年后路側(cè)停車泊位全部取消改為停車預(yù)留帶,因此,在北新道設(shè)置潮汐車道最優(yōu)的方法應(yīng)該利用這4 m的停車預(yù)留帶空間增設(shè)1條車道作為潮汐車道。

通過上述分析,并結(jié)合此路段現(xiàn)狀交通設(shè)施設(shè)置情況,制定潮汐車道與可變車道相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路,并且保留原有路口進(jìn)口道展寬增加車道的方案。設(shè)置路段重交通流方向?yàn)?條車道、輕交通流方向?yàn)?條車道;設(shè)置路口重交通流方向?yàn)?條車道、輕交通流方向?yàn)?條車道。以北新道與衛(wèi)國(guó)路交叉口東口為例,設(shè)置方案如圖3所示。

圖3 唐山市北新道與衛(wèi)國(guó)路交叉口東口潮汐車道標(biāo)線設(shè)置方案

此方案設(shè)置自動(dòng)化潮汐車道可移動(dòng)水馬護(hù)欄,需要特種作業(yè)車對(duì)車道上的水馬護(hù)欄進(jìn)行定向移動(dòng)來達(dá)到潮汐車道的切換,并增加指示標(biāo)志、信號(hào)燈等配合使用。

4潮汐車道仿真效果評(píng)價(jià)

采用VISSIM8.0軟件對(duì)潮汐車道設(shè)置進(jìn)行仿真建模,并對(duì)潮汐車道設(shè)置前后排隊(duì)長(zhǎng)度、出行時(shí)間、延誤水平等對(duì)比分析,并對(duì)設(shè)置潮汐車道的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

首先收集早晚高峰流量數(shù)據(jù)、信號(hào)配時(shí)方案等信息,并在VISSIM8.0軟件中建立模型,并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。選擇Wiedemann74模型,設(shè)置最小車頭空距為1.25 m,平均停車間距為1.5 m,消散前的等待時(shí)間為45 s,期望速度分布為40 km/h。

基于VISSIM對(duì)北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段潮汐車道設(shè)置前后模型分別進(jìn)行仿真,設(shè)置隨機(jī)種子42,仿真次數(shù)為3次,隨機(jī)種子增量為5,期望速度40 km/h。仿真結(jié)果如下表3～表5所示。

表3 唐山市北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段潮汐車道設(shè)置前后排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比表

表4 唐山市北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段潮汐車道設(shè)置前后出行時(shí)間對(duì)比表

表5 唐山市北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段潮汐車道設(shè)置前后延誤對(duì)比表

通過仿真結(jié)果對(duì)比分析得出,設(shè)置潮汐車道后,高峰時(shí)期重交通流方向車流排隊(duì)長(zhǎng)度明顯下降,其中最為明顯的是晚高峰學(xué)院-衛(wèi)國(guó)路段東向西降低了42.83%。重交通流方向出行時(shí)間也有明顯提高,其中最為明顯的是晚高峰華巖-建設(shè)路段東向西降低了42.52%,對(duì)應(yīng)延誤最高下降52.11%。從仿真結(jié)果來看,設(shè)置潮汐車道對(duì)輕交通流方向影響不大,排隊(duì)長(zhǎng)度、出行時(shí)間、延誤水平有所提高,但仍能滿足交通需求。因此,潮汐車道的設(shè)置能夠緩解北新道(學(xué)院路-建設(shè)路)路段高峰時(shí)期的交通擁堵狀況。

5結(jié)論

(1)對(duì)潮汐車道設(shè)置條件、分類、適用條件做了可行性分析,并以唐山市北新道為例分析擁堵情況,建立潮汐車道設(shè)置路網(wǎng)模型,并用VISSIM對(duì)設(shè)置潮汐車道前后進(jìn)行仿真對(duì)比,選取排隊(duì)長(zhǎng)度、出行時(shí)間和延誤3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。

(2)自動(dòng)化潮汐車道增加車道辨識(shí)度,減少安全隱患,在城市主干道中適用性更強(qiáng)。潮汐車道的設(shè)置能夠改善重交通流交通擁堵情況,緩解潮汐交通現(xiàn)象造成的道路交通流時(shí)空不均衡狀態(tài)帶來的交通擁堵。