基于PARAMICS的高速公路交通事件管控方案仿真評價

郭良久， 章 玉， 譚 衛(wèi)

(1.重慶航運交易所， 重慶 400025； 2.綜合交通大數(shù)據(jù)應用技術重慶市工程研究中心， 重慶 401121；3.重慶市交通運輸綜合行政執(zhí)法總隊， 重慶 401121)

0 引言

隨著高速公路網(wǎng)的日趨完善和私家車擁有量的增加，選擇高速公路出行的車輛也呈現(xiàn)大幅增加，高速公路交通量的大幅增加，為交通執(zhí)法和安全管理帶來了壓力，在重大節(jié)假日期間、避暑期間高速公路交通擁堵也成為常態(tài)性問題，部分互通立交節(jié)點擁堵排隊過長，如何采用合理的管控方法提高路網(wǎng)通行能力是要解決的重要問題. 當前高速公路交通管理部門在進行交通管控或執(zhí)行突發(fā)事件預案時，交通執(zhí)法管理人員主要依靠經(jīng)驗判斷和制定的突發(fā)事件應急預案流程執(zhí)行，但高速公路網(wǎng)交通流運行特征復雜，不同事件的影響程度和時空范圍不同，采取的管控措施和條件也不同. 因此，需要對不同情景下的交通管控預案進行科學評價，分析高速公路交通流的擁堵機理，以找出最優(yōu)的管控方案，指導一線交通執(zhí)法管理人員在不同情景下快速疏散交通，保證高速公路快速通行.

相關學者基于城市交通仿真對局部某區(qū)域內路網(wǎng)的特征影響和交通流的擁堵機理開展了大量研究，相較于城市交通的開放性，高速公路具有相對封閉性，但交通流特性不同于城市交通. 部分學者在此領域開展了一些研究，如：徐建閩等[1]針對高速公路交通管控措施的評價問題, 提出基于VISSIM交通仿真軟件的評價方法；陳立新等[2]提出面向高效與節(jié)能的高速公路智慧管控總體框架構建與關鍵技術；姜紫峰等[3]基于不同高速公路入口匝道控制策略進行了仿真研究；劉偉銘等[4-5]高速公路發(fā)生交通事故后，采用VISSIM 仿真的方法定量地分析了交通事故對高速公路通行能力造成的影響；李志斌等[7]研究了高速公路可變限速策略下的效果；陳凱賢等[8-9]分別研究了交通事故下限速管控特征和事故影響范圍；范立權等[10]采用PARAMICS仿真模型進行了城市快速出入口控制算法研究；尚鵬[11]研究了惡劣天氣條件下高速公路的風險分級管控方法. 總體來看，現(xiàn)有關于高速公路交通管控方案的仿真研究中，以理論分析方法為主，在大規(guī)模分級分類型的交通實際仿真管控模擬的應用較少.

為摸清高速公路交通運行特征，本文采用微觀仿真的方法，以區(qū)域高速公路網(wǎng)為研究對象建立基于PARAMICS的高速公路交通仿真模型，結合實際交通運行管控情況設計管控預案，對大流量、惡劣天氣和交通事件等3種易發(fā)擁堵場景進行仿真，對多管控方案進行評價優(yōu)選最佳管控方案，為高速公路在不同事件下采取科學管制、分流疏導措施、選擇最優(yōu)分流管控措施，指導路網(wǎng)指揮調度及提高公眾服務水平提供決策支撐.

1 仿真模型構建

1.1 區(qū)域路網(wǎng)特征描述

為反映不同仿真方案下對駕駛行為路徑誘導效果，以重慶至南川區(qū)域高速公路為研究對象，區(qū)域內共有8條高速公路，總里程約200 km，區(qū)域內高速公路特征如表1所示：研究路網(wǎng)共包括39個互通立交、7個隧道，如圖1所示.

表1 研究區(qū)域內高速公路主要特征

圖1 仿真研究的區(qū)域高速公路網(wǎng)

1.2 仿真模型構建

PARAMICS是一款基于微觀的仿真軟件，能以OD數(shù)據(jù)為基本輸入實現(xiàn)多路徑動態(tài)微觀仿真，能模擬突發(fā)惡劣天氣、突發(fā)事件、大流量、速度管控等不同情景的仿真模型. 為了與真實的仿真情景吻合，仿真路網(wǎng)在構建時按照1∶1的仿真比例進行建模，首先以衛(wèi)星地圖為背景對每一個路段、互通和關鍵節(jié)點進行描述，在此基礎上基于PARAMICS模型中對路網(wǎng)文件的構造原理，將繪制的CAD文件轉化為GIS文件后輸入到模型中，對路網(wǎng)進行修正和細化，按照路網(wǎng)的車道屬性、通行能力、車速、車型等對區(qū)域內的高速公路網(wǎng)和39個互通進行了車道級建模，并根據(jù)路網(wǎng)收費站流量輸入點，劃分為39個小區(qū)，如圖2所示. 在構建了基礎路網(wǎng)以后，對PARAMICS仿真模型的基本仿真參數(shù)進行了設置，包括加減速行為、變道行為、車頭時距等.

圖2 研究構建的區(qū)域仿真路網(wǎng)

1.3 仿真OD獲取

仿真路網(wǎng)的OD獲取是重要基礎輸入數(shù)據(jù)，研究基于重慶市高速公路網(wǎng)的收費數(shù)據(jù)，首先獲得全市所有收費站間的OD表，通過TRANSCAD交通流量分配獲取全路網(wǎng)各路段的段面流量，然后基于路段流量采用OD反推技術獲得研究區(qū)域的39個小區(qū)OD. 其技術路線如圖3所示.

圖3 仿真OD獲取思路

2 大流量情景仿真分析

2.1 情景設置和管控方案

為了模擬大流量情景下的擁堵情況和評價不同方案的管控效果，對構建的基本仿真模型進行仿真后，通過斷面流量對仿真結果進行比對，并不斷修正仿真參數(shù)，直到仿真模型與實際輸出結果吻合后，進行不同方案仿真評價. 將大流量基本情景設置為區(qū)域內高速公路某路段入城方向主線車流量大、路段發(fā)生擁堵，持續(xù)時間約2 h. 對基本情景擁堵情況進行分析后，提出如下4種交通管控方案，見表2.

表2 大流量情景下管控方案

對4種管控方案進行仿真分析，如圖4所示.

2.2 仿真結果分析

從最優(yōu)管控條件與管控方案的角度出發(fā)，選取平均車速、平均行程時間、總延誤時間、最大排隊長度作為評價指標，對仿真路網(wǎng)實施管控措施前后路網(wǎng)擁堵改善情況進行分析，如圖5所示.

圖4 不同管控方案關鍵互通、路段仿真效果圖

圖5 大流量情景仿真結果對比分析

基本情景下平均車速為86.5 km/h，實施管控方案后，全路網(wǎng)平均車速均有一定程度的降低，其中方案1對平均車速的影響最大，平均車速下降了2.7 km/h. 方案2、方案3和方案4對平均車速的影響較小，分別降低了1.2、0.7、0.4 km/h. 基本情景下仿真路網(wǎng)中的平均行程時間為21.5 min，管控方案實施后全路網(wǎng)均會增加平均行程時間，其中方案1的影響最大，平均行程時間增加了2.6 min. 方案2、方案3和方案4的影響較小，分別增加了1.7、1.5、1.2 min. 基本場景下?lián)矶虑闆r較嚴重，總延誤時間為106 min，管控方案實施后，總延誤時間均有一定的降低，分別降低了9、24、31、43 min. 基本情景下，仿真路網(wǎng)中最大排隊長度達到了2.7 km，最大排隊長度分別下降了6 914、12 209、23 209、26 880 m，說明在大流量基本情景下，綜合關鍵互通節(jié)點分流和上游收費站管控方案的效果，優(yōu)于對上游收費站車輛進行管制的方法.

由以上分析可得出如下結論：1)從路網(wǎng)的運行效率來看，實施交通管控會降低路網(wǎng)的平均車速、增加路網(wǎng)的延誤時間，對局部大流量交通擁堵的管控應謹慎實施；2)從交通管控方案的優(yōu)劣分析，上游收費站管制結合關鍵互通誘導分流的管控效果優(yōu)于僅對上游收費站進行車輛管制的效果，對上游多個關鍵互通誘導分流效果優(yōu)于對上游單個關鍵互通，在實際操作過程中，應綜合考慮排隊長度的減少量、排隊長度的忍受度以及繞行距離等因素.

3 突發(fā)事件情景仿真分析

3.1 情景設置和管控方案

為了模擬突發(fā)事件情景下交通管控的效果，以區(qū)域內某特長隧道某車輛突發(fā)交通事故占用一車道為例進行分析，在仿真模型中模擬交通事件占道后通過仿真發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)交通發(fā)生了嚴重擁堵，提出以下2種管控方案：①對上游臨近的收費站進入隧道方向的車流進行管制，并在樞紐互通發(fā)布交通誘導分流信息，相關車輛繞行至其他互通進入；②在上游遠端樞紐互通和近端的樞紐互通同時進行誘導分流，如圖6所示. 對管控前后的仿真車流量進行對比分析如圖7所示.

圖6 突發(fā)事件下交通管控方案示意圖

圖7 交通管控方案實施前后的仿真效果圖

3.2 仿真結果分析

選取路網(wǎng)的平均車速、平均行程時間、總延誤時間和最大排隊長度4個指標對管控方案前后的結果進行分析，如圖8所示.

圖8 突發(fā)事件情景仿真結果對比分析

在實施交通管控方案后，全路網(wǎng)的平均車速均提高，方案2的平均車速要高于方案1，平均行程時間、總延誤時間和最大排隊長度均有所下降，方案2的總延誤時間和最大排隊長度均低于方案1，但在平均行程時間上，方案1的行程時間低于方案2，這是由于實施誘導分流后，增加了車輛的行程時間，但從總體效果來看，方案2要優(yōu)于方案1. 由以上分析可得出如下結論：當發(fā)生突發(fā)事件占道時，為保證高速公路正常通行，應優(yōu)先實施遠端分流的管制策略，從源頭減少車流量；對于占道時間較長的再采取近端收費站限流的措施.

4 惡劣天氣情景仿真分析

為了探討在惡劣天氣情況下高速公路交通流的運行機理，以及對行車延誤、安全方面的影響. 基本情景設置為區(qū)域路網(wǎng)天氣正常通行，對比方案設置為區(qū)域內路網(wǎng)發(fā)生大雨、大霧天氣. 對模型進行仿真后，結果分析如圖9所示.

圖9 惡劣天氣下仿真結果對比分析

在基本情景下仿真路網(wǎng)的平均車速為86.5 km/h. 當仿真路網(wǎng)發(fā)生惡劣天氣條件后，平均車速下降了3.1 km/h. 基本情景下平均行程時間為21.6 min，惡劣天氣發(fā)生后，仿真路網(wǎng)中的平均行程時間增加了2.8 min. 說明惡劣天氣條件下，對平均行程時間造成了影響. 進一步分析時間平均車速的變化如圖10所示.

圖10 惡劣天氣下時間平均車速變化圖

在對仿真路網(wǎng)添加惡劣天氣條件后，路網(wǎng)經(jīng)過仿真預熱后車速達到最大值86.7 km/h，之后開始逐漸下降，最后速度變?yōu)?6.8 km/h，車速下降了9.9 km/h，說明隨著惡劣天氣的影響，對路網(wǎng)車流的車速影響較大. 針對惡劣天氣情景后，可得到如下結論：惡劣天氣情景下，會造成仿真路網(wǎng)中平均車速的降低，平均行程時間的增加，管理部門應加強惡劣天氣下重點路段的引導、管理、安全措施.

5 結論

本文利用高速公收費數(shù)據(jù)，以區(qū)域高速公路交通管控為應用場景，建立了基于PARAMICS的仿真模型，對高速公路大流量、惡劣天氣和突發(fā)事件3種情景進行了多管控方案的模擬仿真評價，結果表明：大流量和突發(fā)事件下為盡快疏導交通，采取交通管控方案能提高路網(wǎng)的整體運行效率，在交通管控策略中，應優(yōu)先采用遠端分流措施，從源頭減緩上游行駛的車輛，實現(xiàn)路網(wǎng)交通流均衡；其次對突發(fā)事件影響區(qū)內的近端應實施限流的管制策略，限流措施包括可對上游1～2個收費站實施管制或限制貨運通行，在交通烣復后再解除管制；在惡劣天氣情景下，通過仿真發(fā)現(xiàn)會造成路網(wǎng)中平均車速降低、平均行程時間增加. 研究成果可為高速公路交通事件執(zhí)行最優(yōu)管控方案提供參考.