基于仿真的機場路側高架系統(tǒng)可靠性研究

【摘 " "要】：路側高架系統(tǒng)作為機場路側交通的主要載體，需要在有限距離內完成多次分流合流且由于相對封閉，路徑冗余有限，對其可靠性研究非常重要。采用交通仿真的方法，提出路側高架系統(tǒng)的容量冗余評估和極端天氣下高架系統(tǒng)服務水平評估方法，并結合國內典型機場的路側高架系統(tǒng)給出了實際應用案例。

【關鍵詞】：機場側路；交通仿真；高架系統(tǒng)

【中圖分類號】：U491.2 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-01-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.001

Research on the Reliability of Airport Roadside Elevated System Based

on Simulation

LIU Yan

（Tianjin Highway Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.， Tianjin 300170， China）

【Abstract】： The roadside elevated system， as the main carrier of airport roadside traffic， needs to complete multiple diversion and merging within a limited distance. Due to its relative enclosure and limited path redundancy， the study of its reliability is very important. In this paper， a method for evaluating the capacity redundancy of the roadside elevated system and assessing the service level of the elevated system under extreme weather conditions using traffic simulation is proposed. Combined with the roadside elevated systems of typical domestic airports， practical application cases are provided.

【Key words】： airport roadside；traffic simulation；elevated system

機場作為城市交通的重要節(jié)點，交通流量大、交通方式眾多，因此其路側交通系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。作為機場路側交通系統(tǒng)的重要組成部分，高架系統(tǒng)在保障機場交通運行安全、高效、順暢方面發(fā)揮著重要作用；因此，對機場路側高架系統(tǒng)的可靠性進行研究具有重要性、必要性和重大意義。交通系統(tǒng)可靠性研究始于20世紀80年代，主要集中于連通可靠性、行程時間可靠性、容量可靠性、出行行為可靠性等方面[1～2]；而對機場路側交通系統(tǒng)的研究則主要是面向常態(tài)下的交通組織和運行評估[3]，缺乏可靠性方面的考慮。

機場路側交通系統(tǒng)的可靠性包括多方面，其中容量冗余和極端天氣下的運行情況對于保證高架系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。容量冗余可以保證高架系統(tǒng)在高峰期或未來交通增長的情況下順利運行，避免因為流量過大而導致的堵塞和延誤；極端天氣下的運行情況研究可以了解高架系統(tǒng)在極端天氣條件下的運行表現(xiàn)，從而采取相應的措施來應對雨雪、大風等天氣因素對交通系統(tǒng)的影響，確保高架系統(tǒng)的正常運行。基于此，本文提出機場路側高架系統(tǒng)的可靠性研究方法，結合在國內某大型機場的應用，為國內其他機場、高鐵站等類似綜合樞紐交通集散系統(tǒng)評估提供借鑒。

1 研究方法

采用VISSIM仿真軟件對路側交通系統(tǒng)中的高架系統(tǒng)建模，選取合適指標對其運行進行評價。VISSIM是一個微觀交通流仿真系統(tǒng)，由德國PTV公司開發(fā)，系統(tǒng)核心仿真模型——車輛跟蹤模型采用德國Karlsruhe大學Wiedemann教授的“心理-物理學跟車模型”，模型建立在司機反應行為之上。作為目前世界上最先進、功能最完善的仿真系統(tǒng)之一，在很多領域，如：交叉口配時優(yōu)化、交通評估中都得到了廣泛應用[4～6]。

1.1 評價方法

路側交通系統(tǒng)的可靠性，主要是在流量波動或者其他災害天氣下，交通系統(tǒng)是否能具備一定的冗余和適應性，而不至于發(fā)生系統(tǒng)性癱瘓。相對于地面道路系統(tǒng)，高架系統(tǒng)因為全封閉、只有有限匝道與其他系統(tǒng)連通的特性，而成為相對完美的系統(tǒng)；但也正因為其封閉，導致一旦因天氣等原因局部擁堵，整個系統(tǒng)會更快陷入癱瘓。系統(tǒng)的可靠性主要體現(xiàn)之一就是系統(tǒng)的冗余，即在外界因素波動時，系統(tǒng)有足夠的冗余應對。通過流量增加和極端天氣可能帶來的速度降低情況下主要服務水平指標的變化，對系統(tǒng)的可靠性進行評估。

1.2 評價指標選取

每一種交通設施用最能說明其運行質量的一項或幾項運行參數來確定服務水平。目前，高速公路、快速路基本路段及多車道公路主要采用密度作為服務水平度量；而城市信號交叉口則采用延誤作為服務水平度量。為更全面展示評價結果，本次仿真采用的評價指標包括密度和飽和度兩項指標，通過不同時間點的密度圖和飽和度圖來更加直觀地反映路網運行狀況。密度分布圖采用藍色，隨著密度增加，顏色由淺變深，從而可以直觀看到路側高架系統(tǒng)的車輛密度分布；飽和度為流量與通行能力的比值，其顏色則用傳統(tǒng)的紅黃綠表示，綠色代表暢通，黃色代表輕微擁堵，紅色代表嚴重擁堵。

2 可靠性評價

2.1 機場路側高架系統(tǒng)概況

某機場樓前道路交通采取逆時針單向交通進行組織，流線組織按照出發(fā)送客和到達迎客的模式進行設計。進場交通通過西北側互通立交節(jié)點匯集不同方向的高速公路和快速路交通流，由港前快速路統(tǒng)一進場，在航站樓前又逐級分流去往國際出發(fā)、國內出發(fā)、交通中心（GTC）、停車庫等。出發(fā)層、到達層、車庫層3個層面交通流離場后，采用先合后分的方式，分別向高速公路路和快速路方向分流離場；此外，還設置有一條容錯匝道，可回轉至進場道路。整個高架系統(tǒng)需要在較短的距離內頻繁分流和合流，車輛交織換道頻繁。

2.2 流量冗余評估

節(jié)假日或者重要會展時，航空旅客流量會激增。采用情景模擬方式，主要分析基礎高峰流量增加10%、20%、30%3種情況。比較不同情況下和基礎高峰流量下高架系統(tǒng)的密度和飽和度指標。

隨著流量的增加，越來越多的路段密度增加，服務水平下降。見圖1。

相對于密度，飽和度隨流量的變化更為明顯。流量增長10%，飽和度變化不大；但增長達到20%后，港前快速路出現(xiàn)了輕微擁堵，一直向右側延伸；增長達到30%后，右側方向來的車流已經出現(xiàn)嚴重擁堵，下側快速路進入港前快速路的匝道也已輕微擁堵。見圖2。

不同方向進入港前快速路的流量是不均衡的，或者說道路的冗余是不均衡的，右側方向冗余最小，其次是下側快速路方向；如果流量普遍增長，則會導致部分方向首先進入擁堵狀態(tài)，進而影響其他方向，導致整個系統(tǒng)癱瘓；因此，需要通過手機信息推送、信息誘導板等方式，合理引導車流，從而促進各方向飽和度更加均衡，提升整個系統(tǒng)的通行能力和可靠性。

為更好地說明不同流量情景下，高架系統(tǒng)運行狀態(tài)的演化，通過流密度來進行分析。三角形流密圖是美國學者Newell提出的，因簡單且更符合實際情況，目前被多數學者接受。圖中橫軸代表密度、豎軸代表流量，在雙向高峰流量下，高架系統(tǒng)的運行狀態(tài)是暢通狀態(tài)，位于左側斜線上最下方點處，隨著流量的增加，高架系統(tǒng)狀態(tài)點先是往上升，密度增加，速度基本沒有明顯下降，當密度超過一定閾值后，則進入擁堵狀態(tài)，雖然這個時候流量更大，但是速度明顯下降，速度上升，整個系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)，很容易因其他因素影響而進入系統(tǒng)擁堵。見圖3。

總體來說，整個高架系統(tǒng)可靠性較好，即使在流量增加20%的情況下，也能承受；但如果流量增加超過20%，會進入不穩(wěn)定狀態(tài)，需要控制。

2.3 極端天氣下的可靠性評估

據查詢，2011年1月1日—2021年5月1日，該機場所在城市共有1 351 d雨、1 025 d多云、998 d晴、296 d陰、25 d雪，風力最大為7級且只有2 d，給高架交通運行帶來影響的主要是暴雨和雪。天氣的影響主要帶來速度的降低，這一方面是《中華人民共和國道路交通安全法》的要求；同時也是因為能見度下降后，司機自身為保證安全所采取的措施。極端天氣發(fā)生后，在仿真軟件中將快速路的速度上限從60 km/h降至40 km/h。

極端天氣降速對整個交通系統(tǒng)的影響并不明顯，相較于常規(guī)情況，大多數道路依然處于暢通狀態(tài)，只有部分路段有輕微擁堵。事實上，根據通行能力與速度的關系，在一定速度范圍內，通行能力變化并不十分明顯，因此雖然整個高架系統(tǒng)的飽和度有一定變化，但仍能保證順暢運行。見圖4。

但需要說明的是，相較于流量增加，雖然極端天氣下通行能力仍然足夠，但是車輛更為密集，這意味著一旦發(fā)生事故，影響也更為嚴重，相較正常狀態(tài)，這一狀態(tài)更不穩(wěn)定，承受系統(tǒng)擾動的能力會大大降低。見圖5。

3 結語

機場路側交通系統(tǒng)中的高架系統(tǒng)因其相對封閉，缺乏路徑冗余且分合流頻繁，一旦流量增加或者遇到極端天氣，易發(fā)生交通擁堵甚至癱瘓，對其可靠性研究非常重要。本文采用交通仿真方法，給出了容量冗余和極端天氣下高架系統(tǒng)可靠性的評價方法和典型案例，可為國內同類型的樞紐集散系統(tǒng)評估提供借鑒。

參考文獻：

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