李明劍，練象平，王志華

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300074)

基于VISSIM仿真的冰雪條件下快速路交織區(qū)長度確定研究

李明劍，練象平，王志華

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300074)

通過控制交織區(qū)長度以及快速路主線交通量對道路在正常條件、積雪條件、冰板條件以及冰膜條件四種情況下的交通狀況，利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行仿真。選取了時(shí)間占有率的指標(biāo)進(jìn)行服務(wù)水平評價(jià)。結(jié)果表明，隨著道路條件變得逐漸惡劣，時(shí)間占有率有大幅增加。在正常、積雪和冰板條件下，交織區(qū)長度的增加可以在一定程度上提高快速路的服務(wù)水平。而在冰膜條件下，交織區(qū)長度對于快速路服務(wù)水平的影響并不顯著。該研究成果可以為快速路交織區(qū)的設(shè)計(jì)提供參考。

城市快速路;交織區(qū)長度;冰雪條件;交通仿真;服務(wù)水平

1 概述

城市快速路中的交織區(qū)由于受到進(jìn)出快速路車流的影響，是整條快速路中交通流最不穩(wěn)定的一部分，極易發(fā)生擁堵。而在冰雪狀況下，由于道路條件變得較為惡劣，駕駛員的駕駛行為會發(fā)生改變，這樣一來，快速路交織區(qū)的服務(wù)水平就會急劇下降。為了改善交通狀態(tài)，增加交織區(qū)長度成為了較為普遍的解決方案。但相關(guān)規(guī)范僅給出了路面良好時(shí)的交織區(qū)最短長度，因此很有必要對冰雪狀態(tài)下快速路交織區(qū)長度的選取進(jìn)行研究。

對于冰雪環(huán)境下城市快速路交織區(qū)長度的研究，需要對各種不通過冰雪條件下，不同交通量所對應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，這一過程需要獲取大量的數(shù)據(jù)。如果采取實(shí)際調(diào)查的方法，不僅無法在獲得不同冰雪條件下的路面狀況，而且還需要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。因此，國內(nèi)大多數(shù)的研究都會利用交通軟件進(jìn)行交通仿真來得到相關(guān)數(shù)據(jù)。張碧琴等通過對正常狀態(tài)下快速路交織區(qū)的仿真得到了交織區(qū)長度和交織車道交通量對應(yīng)于各級服務(wù)水平的臨界線圖[1]。張騰以實(shí)際的快速路立交為例通過Vissim仿真軟件分析了長安立交分合流區(qū)的通行能力[2]。彭樺在Vissim的仿真環(huán)境中研究了快速路出入口間距設(shè)置條件及交通量變化下的變速車道設(shè)置，并運(yùn)用理想點(diǎn)法對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算得出不同出入口形式中最優(yōu)的幾何設(shè)置[3]。何永明等利用交通仿真軟件Vissim，建立冰雪條件下雙向4車道高速公路通行能力衰減仿真模型，得到不同路面狀況下，低速時(shí)通行能力差異較小，高速時(shí)通行能力隨附著系數(shù)降低衰減明顯[4]。結(jié)合已有文獻(xiàn)中的研究經(jīng)驗(yàn)，本文將通過控制交織區(qū)長度以及快速路主線交通量對道路在正常條件、積雪條件、冰板條件以及冰膜條件四種情況下的交通狀況，利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行仿真，通過多元線性回歸得到快速路交織區(qū)服務(wù)水平的評價(jià)方法。

2 仿真過程

2.1 仿真軟件的選取

研究中使用的Vissim仿真軟件是由德國PTV公司開發(fā)的一款微觀交通仿真軟件，可以通過相關(guān)參數(shù)的更改對駕駛員行為進(jìn)行較好的仿真。Vissim的模擬結(jié)果具有較好的精確性和有效性，比較符合實(shí)際情況。

2.2 仿真路段的建立

根據(jù)基本交織區(qū)形式，在Vissim模型中建立本次研究的仿真模型平臺。圖1是實(shí)驗(yàn)中所構(gòu)建的交織區(qū)仿真模型。其中，快速路主線為三車道，出、入口匝道為單車道，出、入口過渡段為四車道。該仿真路段由7個(gè)車道組和8個(gè)連接器構(gòu)成。

在仿真時(shí)，按照設(shè)計(jì)規(guī)程中對交織區(qū)最短長度的要求[5]從交織區(qū)最短長度750 m開始，選取750 m、850 m、950 m、1 050 m、1 150 m、1 250 m、1350m七種情況進(jìn)行仿真。

圖1 交織區(qū)仿真路段示意圖

2.3 仿真評價(jià)指標(biāo)

目前，對于快速路交織區(qū)服務(wù)水平的評價(jià)規(guī)范中選用交織區(qū)車輛運(yùn)行速度和道路密度。然而由于道路密度難以獲得，因此在對交織區(qū)服務(wù)水平進(jìn)行評價(jià)時(shí)選取與密度具有近似作用的車輛時(shí)間占有率作為評價(jià)指標(biāo)。仿真中將時(shí)間占有率置于交織區(qū)中點(diǎn)E處。

2.4 仿真流程

根據(jù)高峰期實(shí)地觀測值設(shè)定入口、出口匝道交通量為恒定值400 veh/h。快速路主線起始端，即A端輸入交通量由2 400 veh開始，以200 veh的步長遞增至4 400 veh。每次仿真時(shí)，都要調(diào)整路徑?jīng)Q策中的路徑流量比使得出口匝道交通量，即A到D的交通量為400 veh/h。對道路路面為正常條件以及積雪、冰板、冰膜條件時(shí)，不同長度交織區(qū)的交通狀況進(jìn)行仿真。仿真運(yùn)行過程見圖2。

圖2 仿真示意圖

2.5 駕駛行為參數(shù)的確定

在冰雪條件下，由于受到道路摩擦系數(shù)等因素的影響，各行車參數(shù)相較于正常路面會有一定的變化，為了在VISSIM仿真中能夠更加真實(shí)的反應(yīng)不同條件下的駕駛行為，需要對正常條件下和冰雪環(huán)境下的仿真參數(shù)進(jìn)行確定。

研究中，選取了VISSIM中適合于城市快速了的Wiedemann99跟馳模型。模型中需要確定的敏感參數(shù)有，最小車頭時(shí)距、停車間距、最大減速度等。

2.5.1 停車間距

停車間距指的是兩停止車輛之間的平均期望間隔距離，沒有變量。正常條件下的停車間距取1.5 m，冰雪環(huán)境下取2 m[4]。

2.5.2 最小車頭時(shí)距

最小車頭時(shí)距可以通過式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算[6]。

式中: Smin為安全車頭間距，單位:m;St為停車視距，單位:m;L為車輛長度，單位:m;v為行駛速度，單位:m/s;t為駕駛員知覺反應(yīng)時(shí)間，一般取2.5 s; u為路面與輪胎之間的縱向摩阻系數(shù);i為道路縱坡，單位:%。對于摩擦系數(shù)u根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供的參考值，正常路面u值取0.75，積雪覆蓋路面u值取0.35，冰板路面u值取0.25，冰膜路面u值取0.1[7]。

其他相關(guān)Wiedemann99模型中跟馳參數(shù)值得選取見表1。

表1 不同條件下W iedem ann99模型中跟馳參數(shù)值

2.5.3 最大減速度

最大減速度a=ug的值根據(jù)式(3)可以得到。

式中:a為最大減速度，單位:m/s2;u為摩擦系數(shù);g為重力加速度，單位:m/s2，這里取10。計(jì)算后，可以得到四種條件下的最大減速度見表2。

表2 不同冰雪條件下的車輛最大減速度值(單位:m/s2)

3 冰雪條件對快速路交織區(qū)時(shí)間占有率影響分析

3.1 時(shí)間占有率變化趨勢分析

將四種冰雪條件下，加載不同交通量時(shí)所對應(yīng)的交織區(qū)車輛時(shí)間占有率值繪制成散點(diǎn)圖，見圖3。

(1)正常條件下交織區(qū)車輛時(shí)間占有率變化趨勢

在正常條件下，根據(jù)圖3(a)中的曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)快速路主線上加載交通量小于3 200 veh/時(shí)，時(shí)間占有率隨著加載交通量的增加而增加;而當(dāng)主路加載交通量大于3 200 veh/h時(shí)，時(shí)間占有率逐漸趨于穩(wěn)定，不隨加載交通量的變化而發(fā)生顯著變。這說明，交通量大于3 200 veh/h時(shí)，道路已經(jīng)處于過飽和狀態(tài)，車輛運(yùn)行效率很低。

圖3 四種條件下交織區(qū)車輛時(shí)間占有率變化趨勢

將不同長度交織區(qū)下的時(shí)間占有率進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，交織區(qū)長度相差100 m時(shí)，兩者的時(shí)間占有率數(shù)值相差不大，而交織區(qū)長度相差在200 m以上時(shí)，交織區(qū)長度長的時(shí)間占有率要明顯低于交織區(qū)長度短的。交織區(qū)長度在1 350 m時(shí)占有率的值明顯低于750 m的交織區(qū)。

(2)積雪條件下交織區(qū)車輛時(shí)間占有率變化趨勢

積雪條件下交織區(qū)車輛時(shí)間占有率的變化趨勢見圖3(b)。隨著主線加載交通量的增加，時(shí)間占有率都會有所上升，但上升幅度比較小。由圖中的趨勢線還可以觀察到，交織區(qū)長度在750～1 150 m時(shí)，占有率都集中在了陰影區(qū)域A;交織區(qū)長度在1 250～1 350 m時(shí)，占有率值都集中在了陰影區(qū)域B。B區(qū)域較A區(qū)域的值有小幅度下降。

(3)冰板條件下交織區(qū)車輛時(shí)間占有率變化趨勢

冰板條件下交織區(qū)車輛時(shí)間占有率的變化趨勢見圖3(c)。隨著主線加載交通量的增加，時(shí)間占有率都會略有上升，上升幅度比積雪條件下的還要緩慢。由圖中的趨勢線還可以觀察到，交織區(qū)長度在750～950 m時(shí)，占有率都集中在了陰影區(qū)域A;交織區(qū)長度在1 050～1 250 m時(shí)，占有率值都集中在了陰影區(qū)域B;交織區(qū)長度在1 350 m時(shí)，占有率值處于陰影區(qū)域C。C區(qū)域的占有率最小，B區(qū)域其次，A區(qū)域最大。說明交織區(qū)長度對冰板條件下交織區(qū)車輛運(yùn)行狀態(tài)有顯著影響，交織區(qū)長度在1 050 m以上時(shí)，車輛時(shí)間占有率有顯著降低。

(4)冰膜條件下交織區(qū)車輛時(shí)間占有率變化趨勢

冰膜條件下交織區(qū)車輛時(shí)間占有率的變化趨勢見圖3(d)。隨著主線加載交通量的增加，時(shí)間占有率上升的非常緩慢。由圖中的趨勢線還可以觀察到，交織區(qū)長度在750～1 050 m時(shí)，占有率都集中在了陰影區(qū)域A;交織區(qū)長度在1 150 m時(shí)，占有率值都集中在了陰影區(qū)域B;交織區(qū)長度在1 250～1 350 m時(shí)，占有率值處于陰影區(qū)域C。C區(qū)域的占有率最小，B區(qū)域其次，A區(qū)域最大。說明交織區(qū)長度對冰板條件下交織區(qū)車輛運(yùn)行狀態(tài)有顯著影響，交織區(qū)長度在1 150 m以上時(shí)，車輛時(shí)間占有率有顯著降低。

主路交通量的改變對交通的影響隨著道路環(huán)境惡劣程度的增加而越不顯著，交織區(qū)長度的變化是影響時(shí)間占有率的主要因素。交織區(qū)長度越長，時(shí)間占有率越小，交通越為暢通。

3.2 時(shí)間占有率回歸模型的建立

由于時(shí)間占有率受到交織區(qū)長度和交通量雙因素的作用，因此對交織區(qū)長度、主線交通量以及時(shí)間占有率進(jìn)行二元線性回歸分析。選取主線交通量為自變量x1(單位:veh/h)，交織區(qū)長度為自變量x2(單位:m)，時(shí)間占有率為因變量y(單位:%)。通過回歸分析可以得到各種冰雪條件下x1、x2與y的關(guān)系。

正常條件下，時(shí)間占有率與交通量的關(guān)系以3 200 veh/h為分界點(diǎn)，x1≤3 200時(shí)，y隨著x1的增加而增加;當(dāng)x1≥3 200時(shí)，y值趨于穩(wěn)定，不隨x1的變化而發(fā)生顯著變。因此，建立回歸模型時(shí)，以x1=3 200為分界點(diǎn)建立分段函數(shù)。

x1≤3 200時(shí)，對x2為750、850、950、1 050、1 150、1 250和1 350時(shí)，共35組數(shù)據(jù)進(jìn)行二元線性回歸分析得到回歸公式，而在x1≥3 200時(shí)，取y∈[22，24]。

綜上，主線交通量x1、交織區(qū)長度x2以及時(shí)間占有率y之間回歸模型為

在積雪條件下，主線交通量x1、交織區(qū)長度x2以及時(shí)間占有率y之間回歸模型為

在冰板條件下，主線交通量x1、交織區(qū)長度x2以及時(shí)間占有率y之間回歸模型為

對路面條件為正常、積雪及冰板三種條件下的回歸方程進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)和顯著性檢驗(yàn)，見表3?？梢缘玫剑齻€(gè)回歸方程的調(diào)整多重判定系數(shù)都在0.85以上，即交織區(qū)長度、主線交通量以及時(shí)間占有率能被該多元線性回歸方程所解釋的比例大于85%。此外，三個(gè)回歸方程中F顯著性統(tǒng)計(jì)量(Significance F)的P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顯著性水平0.05，說明該回歸方程回歸效果十分顯著。因此，可以說該二元線性回歸方程能夠較為準(zhǔn)確的擬合交織區(qū)長度、主線交通量以及時(shí)間占有率之間的關(guān)系。

表3 正常、積雪及冰板條件下多重判定系數(shù)及P值

而對于冰膜條件下的回歸模型來說，由于在冰膜條件下，交織區(qū)長度一定時(shí)，時(shí)間占有率會在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，而與主線交通量沒有顯著關(guān)系。因此，只給出仿真得到的不同交織區(qū)長度下時(shí)間占有率的參考值，見表4。

表4 冰膜條件下交織區(qū)長度與時(shí)間占有率

4 結(jié)論

冰雪條件對城市快速路，尤其是快速路交織區(qū)的交通流有著較大的影響。本文通過控制交織區(qū)長度以及快速路主線交通量對道路為正常條件、積雪條件、冰板條件以及冰膜條件四種情況在VISSIM中進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，隨著道路條件變得逐漸惡劣，時(shí)間占有率有大幅增加，地點(diǎn)速度大幅度降低。在正常、積雪以及冰板條件下隨著快速路交織區(qū)長度的增加，時(shí)間占有率降低，道路交通狀況有所改善;而在冰膜條件下，交織區(qū)長度的變化對交通狀況的改善影響不大。這是由于這時(shí)的道路狀況極其惡劣，駕駛員的駕駛行為極其謹(jǐn)慎，車輛之間保持了較大的車頭時(shí)距所致。根據(jù)本文所給出的回歸方程來計(jì)算交織區(qū)服務(wù)水平的指標(biāo)值，進(jìn)而根據(jù)規(guī)范中的服務(wù)水平劃分方法，在對應(yīng)的服務(wù)水平下選擇合適的交織區(qū)長度。本文的研究結(jié)果可以在實(shí)際施工設(shè)計(jì)中給予一定參考。

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U 491.1

A

1009-7716(2015)11-0179-04

2015-07-15

李明劍(1981-)，男，天津市人，高級工程師，從事公路與市政道路設(shè)計(jì)工作。