基于VISSIM仿真的快速路出口控制方式研究

楊艷群， 胡愛秀， 陳少惠， 鄭新夷

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福州 350108； 2.福州大學(xué) 人文社會(huì)科學(xué)學(xué)院， 福州 350108)

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基于VISSIM仿真的快速路出口控制方式研究

楊艷群1， 胡愛秀1， 陳少惠1， 鄭新夷2

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福州 350108； 2.福州大學(xué) 人文社會(huì)科學(xué)學(xué)院， 福州 350108)

針對(duì)當(dāng)前城市快速路普遍存在的出口匝道控制問題，采用VISSIM仿真軟件，根據(jù)城市快速路的出口匝道交通特性，對(duì)軟件的交通模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，運(yùn)用二分法及控制變量法獲得匝道出現(xiàn)停車的交通量臨界值，確定基于出口匝道交通情況的輔路交通量和主路交通量綜合分區(qū)圖. 在此條件下，選取輔路延誤和主路延誤為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以福州市南二環(huán)快速路首山出入口交通控制為研究對(duì)象，針對(duì)分區(qū)圖的不同階段，分別進(jìn)行輔路車輛讓行主路車輛控制、出口輔路感應(yīng)控制、現(xiàn)狀仿真研究，結(jié)果表明：暢行階段采用不控制方式，緩行及擁堵級(jí)別II階段采用出口輔路感應(yīng)控制方式，擁堵級(jí)別較高階段采用輔路車輛讓行主路車輛或關(guān)閉出口匝道方式.

快速路； 出口匝道； VISSIM仿真； 交通量分區(qū)圖； 控制方式

0 引言

作為城市道路網(wǎng)主骨架和城市快速交通未來發(fā)展取向的主體，城市快速路在城市道路網(wǎng)系統(tǒng)中占據(jù)著十分重要的地位. 城市快速路是解決城市交通擁堵問題的重要手段，保證快速路的快速、高效運(yùn)行對(duì)城市交通的有效運(yùn)行具有重要意義. 但近年來，隨著交通需求量激增，道路設(shè)計(jì)幾何瓶頸或受突發(fā)事件的影響極易導(dǎo)致快速路主線交通擁擠甚至“癱瘓”[1-2]. 以福州市為例，市中心區(qū)城市功能高度集中，二環(huán)路由疏解過境交通轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)周邊城市發(fā)展，導(dǎo)致二環(huán)路主線通行能力不足，局部路段交通擁堵常態(tài)化. 在造成擁堵的眾多因素中，出口匝道車輛排隊(duì)上溯到主路使得主路交通癱瘓是主要原因[3]. 目前已有的研究中，關(guān)于城市快速路出口匝道控制的研究相對(duì)較少，對(duì)出口的不同情況也沒有較完善的研究. 因此，對(duì)城市快速路出入口實(shí)際交通特性進(jìn)行探索，借鑒高速公路出口控制方案，從出口匝道交通控制的角度緩解城市快速路的擁堵問題[4]，這對(duì)提高快速路的服務(wù)水平和通行能力具有重大意義.

1 交通狀態(tài)擁堵分區(qū)圖

類比事故次數(shù)和事故率綜合法，綜合考慮主路交通流量和輔路車道交通流量，劃分出兼顧主路和輔路交通量的不同擁堵性區(qū)域[5]. 以輔路交通量作為橫坐標(biāo)、以主路交通量作為縱坐標(biāo)，根據(jù)主路和輔路交通量臨界值，劃分出不同的擁堵區(qū)域，見圖1，右上角的矩陣單元是最擁堵區(qū)域，也是出口匝道、主路交通狀態(tài)受輔路流量干擾最大區(qū). 區(qū)域劃分不采取平均比例，而按實(shí)際輔路交通量與主路交通量的比例確定. 輔路交通量和主路交通量綜合法示意圖如圖1所示，主路交通量和輔路交通量的臨界值通過VISSIM仿真，結(jié)合二分法和控制變量法得到. 該理論的優(yōu)勢(shì)在于兼顧了主路交通量和輔路交通量，可直觀地判斷不同交通量情況下的擁堵狀態(tài)，針對(duì)不同的交通量階段，快速路出口相應(yīng)采用不同的控制方法.

圖1 輔路交通量和主路交通量綜合法示意圖

2 VISSIM仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1)獲得匝道排隊(duì)臨界交通量.

2)對(duì)比輔路交通量對(duì)出口匝道延誤及快速路其他車道的延誤，獲得臨界交通量1，當(dāng)輔路超過這個(gè)交通量時(shí)，出口匝道出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象；臨界交通量2，在未達(dá)到該交通量時(shí)，匝道不受輔路交通量影響或受影響很?。慌R界交通量3，超過該交通量時(shí)，影響變化幅度很小，或幾乎不變. 即通過仿真手段獲得輔路交通量對(duì)出口匝道交通運(yùn)行的影響.

3)考察主路交通量變化時(shí)對(duì)出口匝道及輔路交通運(yùn)行的影響.

為達(dá)到以上仿真目的，仿真試驗(yàn)因素選用：主路交通量、輔路交通量. 評(píng)價(jià)指標(biāo)為出口匝道延誤與系統(tǒng)總延誤及輔路延誤時(shí)間.

2.2 仿真模型標(biāo)定

考慮到VISSIM仿真軟件是由國外引進(jìn)，由于我國城市道路交通的主要特征與國外城市交通的差異，需對(duì)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定，選用參數(shù)包括道路幾何條件、車輛組成、期望車速及出口環(huán)境.

根據(jù)快速路的道路幾何特征，在VISSIM中建立路網(wǎng)，確定主路和輔路車道數(shù)以及車道寬度，設(shè)置出口匝道交通量和主路到達(dá)交通量的比例. 車輛組成根據(jù)具體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定.

期望車速是指在一定的道路條件下，不受或基本不受其他車輛的約束、車輛自由行駛狀態(tài)下將采用的車速. 在VISSIM軟件中是通過期望車速來控制車輛在不同路段的運(yùn)行速度. 用自由交通流狀態(tài)下各類小汽車在車速累計(jì)分布曲線上第85位百分點(diǎn)的車輛行駛速度作為期望車速.

在國內(nèi)城市道路中，非機(jī)動(dòng)車對(duì)機(jī)動(dòng)車的干擾相比于國外較大，尤其是當(dāng)輔路機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道沒有硬性隔離，其干擾更為嚴(yán)重. 因此，出口環(huán)境通常以電摩作為主要干擾因素.

2.3 感應(yīng)控制的設(shè)置

基于感應(yīng)控制理論，在出口匝道輔路處安裝信號(hào)燈，適當(dāng)截止輔路車流，保證出口匝道車輛優(yōu)先駛出. 采用信號(hào)燈控制后，綠燈期間，輔路車輛和出口匝道車輛同時(shí)向下游行駛，紅燈期間，輔路車輛在停車線排隊(duì)等待，而出口匝道車輛正常駛出[7-9].

VISSIM交通模擬器中，含有感應(yīng)控制模型. 文中選取半感應(yīng)控制，在主輔路上布設(shè)檢測(cè)器. 出口匝道感應(yīng)檢測(cè)器(這里設(shè)為D1)的布設(shè)位置，主要考慮出口匝道車輛車速、輔路車速及系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間等因素[10-13]，其具體確定方法如式(1)：

(1)

其中：L1為出口匝道感應(yīng)檢測(cè)器距D1出口匝道的距離(m)；L2為輔路停車線距出口匝道的距離(m)；t0為系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間(s)，即接收到感應(yīng)信號(hào)等信號(hào)燈起亮?xí)r間；Δt為安全間隔時(shí)間(s)；v1為出口匝道車輛車速(m/s)；v2為輔路車輛車速(m/s).

出口匝道輔路排隊(duì)檢測(cè)器D2布設(shè)在輔路上，距出口匝道30～50 m. 輔路檢測(cè)器D3、D4可以布設(shè)在距輔路停車線20～30 m處.

輔路最小紅燈時(shí)間的設(shè)置是為了截止輔路車輛保證檢測(cè)器檢測(cè)到的主路駛出車輛優(yōu)先進(jìn)入輔路，提高駛離車輛的駛出效率. 輔路最小紅燈時(shí)間確定方法如式(2)：

(2)

其中：L1為D1到出口匝道距離(m)；v1為出口匝道車輛速度(m/s).

3 實(shí)例分析

3.1 首山路口道路概況

福州市南二環(huán)快速路首山路出口路段為中間設(shè)置快速路主路，兩側(cè)設(shè)輔路，主、輔路間通過綠化帶分隔，輔路有輔助車道的平行式城市快速路出口. 根據(jù)實(shí)地調(diào)查，得南二環(huán)首山路出口幾何圖如圖2所示；道路幾何特征如表1所示.

圖2 南二環(huán)快速路首山路出口幾何圖

出口類型單出口匝道，主輔路匝道連接為平行式，出口輔路為三車道主路車道寬度1(右)2(中)3(左)最右側(cè)為車道1，遞推35m35m35m輔路車道寬度1(右)2(中)3(輔助車道)最右側(cè)為車道1，遞推35m35m-減速車道長(zhǎng)度145m漸變段長(zhǎng)度60m出口匝道長(zhǎng)度50m

3.2 首山路口交通量現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)查，首山路口高峰期為17：00—18:00. 首山路口交通現(xiàn)狀如圖3所示. 采用雷達(dá)測(cè)速儀進(jìn)行速度采集，處理得到首山路口的車輛速度如表2所示；以人工計(jì)數(shù)法調(diào)查路口的高峰小時(shí)交通量，結(jié)果如表3所示.

3.3 仿真過程及結(jié)果

根據(jù)首山路口的道路幾何特征表1，在VISSIM中建立路網(wǎng)，輔路一般路段為雙車道，出口處設(shè)置輔路附加車道，即出口處輔路為三車道；車道寬度均為3.5 m；以直線線型為主；主路一般路段為三車道，出口處設(shè)置附加車道，寬度均為3.5 m；直線線型. 車輛組成根據(jù)表3進(jìn)行標(biāo)定：輔路大車比例為0.56%，輔路摩托車比例為72.91%，主路大車比例為4.78%. 出口匝道交通量∶主路到達(dá)交通量=1∶6. 期望車速則根據(jù)表2進(jìn)行標(biāo)定.

圖3 南二環(huán)出口及輔路交通現(xiàn)狀圖

表3 福州南二環(huán)首山路口高峰小時(shí)交通量

3.3.1 主路交通量對(duì)系統(tǒng)的延誤分析

控制輔路交通量不變，通過改變主路交通量來分析主路交通量對(duì)出口匝道車輛、主路、輔路的延誤. 仿真結(jié)果以折線圖的形式來處理，仿真時(shí)間設(shè)為600 s，設(shè)置主路到達(dá)量為2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 veh/h，延誤分析圖如圖4～圖6.

圖4 輔路交通量為1 000 veh/h時(shí)延誤分析圖

圖5 輔路交通量為2 000 veh/h時(shí)延誤分析圖

圖6 輔路交通量為3 000 veh/h時(shí)延誤分析圖

根據(jù)上述仿真結(jié)果，輔路交通量一定時(shí)，主路流量達(dá)到3 000 veh/h前，其對(duì)出口匝道、主路的延誤影響變化幅度很小，延誤也較小；超過3 000 veh/h后，無論是出口匝道還是主路延誤都發(fā)生較大的變幅. 由圖中也可以獲得，主路的流量對(duì)出口匝道的延誤影響最大，對(duì)主路的通過車輛延誤也有一定的影響，但對(duì)輔路的延誤影響幾乎為0.

3.3.2 輔路交通量對(duì)系統(tǒng)的延誤分析

考慮到輔路交通中摩托車及電動(dòng)自行所占比例較大，為73.5%，所以在仿真參數(shù)設(shè)定中對(duì)這兩類交通量給予標(biāo)定，電動(dòng)自行車的速度與摩托車的差值不大，可通過設(shè)置摩托車的期望速度來實(shí)現(xiàn). 延誤分析同主路交通量對(duì)系統(tǒng)的延誤分析，控制主路交通量不變，通過改變輔路交通量來分析輔路交通量對(duì)出口匝道車輛、主路車輛及輔路的延誤. 仿真結(jié)果以折線圖的形式來處理，仿真時(shí)間設(shè)為600 s，設(shè)置輔路到達(dá)量為1 000、2 000、3 000、4 000 veh/h，延誤分析圖如圖7～圖9.

圖7 主路交通量為2 000 veh/h時(shí)延誤分析圖

圖8 主路交通量為3 000 veh/h時(shí)延誤分析圖

圖9 主路交通量為4 000 veh/h時(shí)延誤分析圖

根據(jù)上述仿真結(jié)果，主路交通量一定時(shí)(當(dāng)主路流量為1 000 veh/h時(shí)，輔路對(duì)出口匝道幾乎沒有影響，不予考慮)，輔路流量達(dá)到3 000 veh/h前，其對(duì)出口匝道、主路的延誤影響變化幅度小，延誤也較??；超過3 000 veh/h后，出口匝道延誤急劇上升. 由圖中也可以獲得，輔路的流量對(duì)出口匝道影響較大，對(duì)主路的通過車輛延誤影響幾乎為0，對(duì)輔路車輛延誤的影響呈上升趨勢(shì).

3.3.3 匝道排隊(duì)形成的臨界交通量

選用不同的主輔路交通量作為輸入量，以匝道車輛平均停車時(shí)間作為輸出條件，通過二分法來獲得臨界交通量，用VISSIM仿真的方式進(jìn)行二分法的過程如表示：

表4 二分法求臨界交通量過程表

由表4可以看出，輔路交通量2 000 veh/h，主路交通量3 000 veh/h，為匝道排隊(duì)出現(xiàn)的臨界交通量組合. 同時(shí)考慮當(dāng)只受主路交通量影響時(shí)(輔路交通量設(shè)為1 000 veh/h)，臨界的主路交通量為4 000 veh/h. 根據(jù)上述臨界值，確定出口交通狀態(tài)擁堵性分區(qū)的臨界交通量，分區(qū)圖如圖10所示：

圖10 輔路交通量和主路交通量綜合分區(qū)圖

由于出口匝道輔路調(diào)節(jié)可以根據(jù)交通流的運(yùn)行狀態(tài)(暢行、緩行、擁堵)確定相應(yīng)的控制方法. 在暢行時(shí)段，對(duì)出口輔路不設(shè)置信號(hào)燈控制. 在緩行及擁堵級(jí)別II時(shí)段，可以采用感應(yīng)控制. 該圖對(duì)快速路出口的交通情況進(jìn)行了分區(qū)，為快速路控制方式的使用提供了控制區(qū)域.

4 三種控制方式對(duì)比分析

4.1 首山路口感應(yīng)控制方案

根據(jù)首山路口的幾何特征及交通調(diào)查數(shù)據(jù)，利用式(1)(2)得到：輔路停車線距出口匝道的距離L2=5 m，出口匝道車輛車速v1=50.9 km/h=14.1 m/s，輔路車輛車速v2=45 km/h=12.5 m/s，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間t0=2s，安全間隔時(shí)間Δt=3 s；出口匝道感應(yīng)檢測(cè)器距出口匝道的距離L1=80 m. 又已知車輛駛出出口匝道速度v3=12.5 m/s. 則輔路最小紅燈時(shí)間Rmin取整得Rmin=7 s.

輔路單位紅燈延長(zhǎng)時(shí)間R0取值，與一般感應(yīng)控制不同，輔路的控制只是在對(duì)出口匝道影響上進(jìn)行控制，所以單位延長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)置可以小于輔路最小紅燈時(shí)間. 這里取為5 s.

出口匝道輔路排隊(duì)檢測(cè)器D2布置的位置：布置在輔路上，距出口匝道50 m處. 輔路檢測(cè)器D3、D4的布置位置：布置在距輔路停車線25 m處.

4.2 三種控制方案仿真評(píng)價(jià)

首山路口不同控制方案評(píng)價(jià)選用平均延誤作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用有無對(duì)比法進(jìn)行比較分析.

由3.3仿真分析可知，在暢行階段，主輔路的流量都較小，輔路的車流對(duì)出口匝道車輛延誤的影響很小或幾乎沒有影響，不需采用控制方式. 因此，下文分別對(duì)后2個(gè)階段采取輔路讓行主路出口匝道，輔路出口匝道感應(yīng)控制，保持原狀進(jìn)行仿真，并將延誤進(jìn)行比較分析.

4.2.1 擁堵級(jí)別I階段仿真

擁堵級(jí)別I位于輔路交通量和主路交通量綜合分區(qū)圖的右上角，仿真時(shí)用最大的流量值來進(jìn)行，這樣便于3種控制方式的比較，因此設(shè)主路流量6 000 veh/h，輔路流量為4 000 veh/h. 仿真輸出為出口匝道車輛平均延誤時(shí)間、主路通過車輛延誤時(shí)間、輔路車輛平均延誤時(shí)間、整個(gè)出口系統(tǒng)車輛平均延誤時(shí)間，見表5.

4.2.2 緩行及擁堵級(jí)別II階段仿真

由輔路交通量和主路交通量綜合分區(qū)圖可知，緩行及擁堵級(jí)別II階段主路交通量和輔路的交通量介于暢行階段與擁堵級(jí)別I階段之間. 仿真時(shí)，主路流量為5 000 veh/h，輔路流量為3 000 veh/h. 以出口匝道車輛平均延誤時(shí)間、主路通過車輛延誤時(shí)間、輔路車輛平均延誤時(shí)間、整個(gè)出口系統(tǒng)車輛平均延誤時(shí)間4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值為仿真輸出，見表6.

表6 緩行及擁堵級(jí)別II階段延誤匯總表 s

通過對(duì)出口交通情況仿真實(shí)驗(yàn)分析，可得結(jié)論：交通情況為暢行時(shí)，可以直接保持現(xiàn)狀，不用采取其他控制方式；交通情況為擁堵級(jí)別較高時(shí)，采用輔路讓行主路的形式較佳. 同時(shí)，當(dāng)主路出口匝道交通量較小時(shí)，可以采用出口匝道讓行輔路來降低輔路的延誤. 這時(shí)若采取感應(yīng)控制，雖然主路及出口匝道的延誤有所改善，但輔路產(chǎn)生排隊(duì)迅速匯集，使得輔路延誤增大，致使整個(gè)系統(tǒng)的總體平均延誤增加，不提倡使用感應(yīng)控制. 交通情況為緩行及擁堵級(jí)別II階段時(shí) ，采用讓行可以增大主路的通行效率，但通常讓行還要考慮駕駛員的素質(zhì)及心理，在高峰期，一般會(huì)出現(xiàn)互不相讓的情形，所以建議采用信號(hào)控制規(guī)范駕駛員的行駛行為，感應(yīng)控制對(duì)主路延誤及出口匝道延誤都有減小的作用，兼顧輔路車輛的延誤.

5 結(jié)論

本文提出應(yīng)用VISSIM仿真軟件，結(jié)合二分法獲得快速路出口匝道出現(xiàn)停車的主路和輔路交通量臨界值，對(duì)快速路出口的交通情況進(jìn)行分區(qū)，從而得到不同控制方式的交通量臨界值. 文中以福州市二環(huán)快速路首山路口控制方式為例，利用該研究方法得到首山路口的輔路交通量和主路交通量綜合分區(qū)圖，并針對(duì)不同的分區(qū)階段進(jìn)行不同控制方式的VISSIM仿真對(duì)比分析，結(jié)果表明：暢行階段采用不控制方式，緩行及擁堵級(jí)別II階段采用出口輔路感應(yīng)控制方式，擁堵級(jí)別較高階段采用輔路車輛讓行主路車輛或關(guān)閉出口匝道方式. 該方法能為確定快速路出口匝道的控制方式提供參考.

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Study on Off-Ramp Metering of Expressways Based on VISSIM Simulation

YANG Yan-qun1， HU Ai-xiu1， CHEN Shao-hui1， ZHENG Xin-yi2

(1.College of Civil Engineering of Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China;2.College of Humanities and Social Science of Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China)

In view of the current control problems of off-ramp on urban expressway, traffic simulation software VISSIM is applied. According to the traffic characteristics of the off-ramp to expressway, the parameters of traffic model are categorized. Then this paper uses dichotomy and control variables to obtain the thresholds as vehicles start queuing at exit ramps, and draws a comprehensive zoning map based on the side roads and the main road traffic flow. By selecting delay of main and side road as accessing indices, taking the traffic control mode of the Shoushan entrance of South Second Ring Expressway in Fuzhou as an example, on account of the different stages of the comprehensive zoning map, a few following simulation analyses were performed: the vehicles on the main lanes have priority; simulation of off-ramp metering signal; existing condition simulation. The simulation results show that optimal control methods, which use no metering.

expressway； off-ramp； VISSIM； traffic zoning map； off-ramp metering

10.13986/j.cnki.jote.2015.04.002

2014- 12- 15.

福建省交通運(yùn)輸廳2012年科技研究項(xiàng)目，編號(hào)201229

楊艷群(1969—)， 男， 碩士， 副教授， 研究方向?yàn)榻煌ò踩?、交通?guī)劃. E-mail:yangyanqun@fzu.edu.cn.

U 491.4

A

1008-2522(2015)04-08-06