基于VISSIM 仿真分析在城市舊路網(wǎng)改造中應(yīng)用研究

李怡冰，李 鵬，王丹生

（1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢430010；2.湖北省城建設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢430051；3.華中科技大學(xué)，湖北 武漢430074）

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量持續(xù)快速增長，對城市道路通行能力的要求越來越高。隨著后期運(yùn)營時間延伸,道路功能不完善、地下管網(wǎng)需要升級、配套設(shè)施不完備、路基路面結(jié)構(gòu)薄弱等弊病逐漸顯露。同時，城市道路在通行能力、服務(wù)水平和安全等方面難以滿足逐年增加的交通需求，極大地影響了城市的可持續(xù)發(fā)展。另外，城市道路運(yùn)營6～8 a 后需要根據(jù)城市規(guī)模的提升和周邊環(huán)境的變化進(jìn)行改擴(kuò)建。因此，城市道路舊路網(wǎng)拓寬改造將是未來城市路網(wǎng)的發(fā)展趨勢之一。城市道路舊路改造不僅要改善道路的交通使用功能，還要考慮與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)。同時，地下管線的升級，城市景觀靚化也成為城市改造的重要組成部分，需要做到功能性、景觀性、人文性三者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。隨著全過程工程總承包的全面推進(jìn)，城市舊路改擴(kuò)建已經(jīng)不是單獨(dú)一條路或幾條路的改造或更新，而是以片區(qū)統(tǒng)籌思維進(jìn)行路網(wǎng)改造，因而對改造道路及其項目周邊區(qū)域的交通體系造成強(qiáng)有力的沖擊[1]。本文通過城市舊路網(wǎng)改造中交通組織提升的模擬與仿真預(yù)演，驗證現(xiàn)狀道路規(guī)模和交通組織方案的合理性與管控措施的有效性。根據(jù)平均延誤、交叉口配時方案、平均排隊長度和服務(wù)水平等評價指標(biāo), 評定該路段是否需要改造、改造方式和實際的改造效果,為城市舊路網(wǎng)改造提供技術(shù)支撐與改擴(kuò)建的依據(jù)，進(jìn)而提出城市區(qū)域統(tǒng)籌提檔升級和周邊路網(wǎng)的改善措施，并加以驗證。最終實現(xiàn)城市更新與城市交通的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 道路改造路徑和案例分析

1.1 道路改造路徑

城市道路經(jīng)過一段時間的運(yùn)營后已經(jīng)不能滿足城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通增長、環(huán)境因素等的發(fā)展要求，需要對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修提升或拓寬改造。陶希東[2]和陳武興等[3]提出舊區(qū)改造模式存在的主要問題,建議城市道路交叉口拓寬、舊城區(qū)路網(wǎng)改造走社會型城市更新的轉(zhuǎn)型路徑和規(guī)劃策略。賴旭等[4]通過引入VISSIM微觀交通仿真軟件對片區(qū)交通的整體統(tǒng)籌考慮，提出交通改善措施，實現(xiàn)城市提檔升級和周邊路網(wǎng)有效銜接。向懷坤[5]和趙光華等[6]建立仿真模型，以擁堵節(jié)點的延誤時間、排隊長度為評價指標(biāo)，優(yōu)化片區(qū)道路和周邊的交通組織。本文通過引入VISSIM 交通仿真軟件對片區(qū)交通整體統(tǒng)籌考慮，提出節(jié)點交通、連線交通、區(qū)域交通改善措施，實現(xiàn)城市綠色低碳運(yùn)營效益和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。交通VISSIM 仿真是現(xiàn)代化交通管控手段之一，通過人工系統(tǒng)模擬再現(xiàn)實際系統(tǒng)交通流運(yùn)行規(guī)律，并根據(jù)評價指標(biāo)模擬城市道路改造的路徑和措施。同時分析各種渠化設(shè)計和信號配時方案下道路和交叉口交通流運(yùn)行狀況，提出交通系統(tǒng)管理、控制和優(yōu)化方案，進(jìn)而提高區(qū)域城市路網(wǎng)道路服務(wù)水平。

1.2 案例分析

按照《某市東西湖區(qū)綜合交通規(guī)劃（2009—2020）》規(guī)劃區(qū)域已經(jīng)形成了“五橫”“八縱”“一環(huán)”交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，見圖1。

圖1 東西湖區(qū)用地規(guī)劃圖

其中，張柏公路為路網(wǎng)骨架南北向“八縱”中至關(guān)重要的一縱。隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地利用規(guī)劃和人口規(guī)劃、區(qū)域人口和周邊環(huán)境的變化，原來作為連接外圍的公路主通道變成城市路網(wǎng)的骨架，功能定位和服務(wù)水平發(fā)生了根本性變化，城市改造迫在眉睫。東西湖區(qū)域張柏公路項目由張柏公路改擴(kuò)建及其六條連接線兩部分組成。張柏公路現(xiàn)狀為一條南北向的二級公路，起于金山大道，途徑金銀湖街道、徑河街道，止于臨空港大道，全長8 430 m；規(guī)劃紅線寬60 m，雙向六車道。張柏公路連接線由徑河路、涇河南路、濱河北路、環(huán)柏二路、金北一路、新橋四路、黃獅海路、新橋二路共計8 條道路組成，現(xiàn)狀以水泥路面為主，主次干道兼顧，紅線寬30～50 m，全長13 230 m。張柏公路及其連接線呈“蜈蚣狀”布局，為臨空港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)區(qū)域路網(wǎng)的重要組成部分。項目對完善區(qū)域路網(wǎng)，疏解臨空港大道的交通壓力，促進(jìn)區(qū)域發(fā)展具有重要意義。

1.2.1 現(xiàn)階段交通狀況調(diào)查和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

道路改造前需要對現(xiàn)狀道路的交通情況進(jìn)行分析，論證交通環(huán)境改善的影響因子和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從而確定對現(xiàn)狀道路改造的具體措施。通過分析張柏公路和其連接線影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)、人口、車輛等現(xiàn)狀，分析建設(shè)條件、項目的現(xiàn)狀道路交通流量和道路斷面組成，了解本項目所在區(qū)域內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)奶匦院蜆?gòu)成，以及區(qū)域內(nèi)客貨運(yùn)的流量和流向，為全面進(jìn)行仿真模擬分析提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段張柏公路兩側(cè)密集分布居住小區(qū)和工業(yè)園區(qū)，土地開發(fā)程度較高，其他區(qū)域土地開發(fā)強(qiáng)度不高，交通量增長相對有限?，F(xiàn)狀車型比例構(gòu)成見表1。

從表1 可知，張柏公路道路兩側(cè)居民區(qū)較為密集、城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢明顯，居民對外出行需求旺盛，現(xiàn)狀出行中客車占比（折算數(shù)，下同）達(dá)到59.86%，且以小客車為主。道路沿線產(chǎn)業(yè)的集聚發(fā)展催生出較大的貨運(yùn)需求，貨車占比為40.14%，分布相對均衡。

表1 項目斷面交通量和車型組成比率一覽表

1.2.2 項目綜合交通分析預(yù)測及改造措施

根據(jù)東西湖區(qū)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)輸現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)狀的交通分區(qū)調(diào)查，考慮張柏公路和其連接線的發(fā)展形態(tài)等相關(guān)因素影響，從而預(yù)測項目所在區(qū)域未來各條道路交通的趨勢和誘增交通出行的產(chǎn)生和吸引量，得出未來各特征年的出行分布情況（新建或拓寬按照規(guī)范設(shè)計年限，改造或配套提升按8 a作用考慮）。然后，充分考慮預(yù)測期內(nèi)項目區(qū)域交通路網(wǎng)對交通量的分流影響，通過交通量分配，最終獲得本項目交通量的預(yù)測結(jié)果和建議改造的初步措施。

2 仿真模型分析流程和參數(shù)設(shè)定

2.1 仿真模型分析流程和應(yīng)用

VISSIM 仿真軟件能模擬車輛（機(jī)動車和非機(jī)動車）和行人在道路交叉口隨時間相位變化二維或三維動畫狀態(tài)，將道路路段和交叉口的信號周期內(nèi)排隊時長、相位配時合理性、車輛車速快慢等形象直觀地表現(xiàn)出來。同時將研究范圍內(nèi)交通流隨時間運(yùn)行狀況、設(shè)計規(guī)劃方案的缺陷和沖突點真實地重現(xiàn)，以便調(diào)整優(yōu)化。

首先對張柏公路及其連接線現(xiàn)狀條件進(jìn)行調(diào)查，包括路網(wǎng)外部、內(nèi)部交通組成、人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)和遠(yuǎn)期發(fā)展趨勢等。依據(jù)四階段法，以交通生成、交通方式劃分、交通誘導(dǎo)、交通量分配為基礎(chǔ)，對區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)建成后的交通量進(jìn)行預(yù)測。同時根據(jù)項目初步擬定的路網(wǎng)改造路徑和措施，導(dǎo)入VISSIM 仿真軟件。輸入道路預(yù)測交通量，動態(tài)的分配流量、交叉口設(shè)置信號配時并對交叉口沖突點進(jìn)行設(shè)定，輸出仿真效果及所需指標(biāo)評價表（見表2 交通預(yù)測流量及改造措施）。改變并優(yōu)化項目外部銜接條件、內(nèi)部交通組織、出入口交通方式、周邊道路路幅斷面、車道拓寬渠化設(shè)計、交叉口信號配時等因素，再次運(yùn)行仿真并輸出仿真效果及指標(biāo)評價表，循環(huán)往復(fù)（見圖2）。通過改變幾條道路車道數(shù)、交叉口渠化、信號周期、專用車道設(shè)置等措施，對比前后仿真輸出的評價指標(biāo)[7]，驗證區(qū)域道路網(wǎng)改造對片區(qū)交通影響程度，以及實施改善方案是否達(dá)到預(yù)想的交通效率，最終確定改造具體措施。

圖2 仿真模型流程圖

表2 道路現(xiàn)狀交通預(yù)測及改造、拓寬措施一覽表

2.2 路網(wǎng)各相交路口仿真后優(yōu)化關(guān)鍵節(jié)點

路網(wǎng)改造的關(guān)鍵節(jié)點是各相交道路路口，張柏公路及其連接線現(xiàn)狀調(diào)查沿線交叉路口存在以下問題。（1）無交通信號燈，交叉口組織混亂，沖突點多，不利于車輛通行。（2）交叉口交通標(biāo)志、標(biāo)線欠缺，對行車安全不利。（3）早晚高峰容易造成擁堵現(xiàn)象，停車延誤時間長。依據(jù)全面性、科學(xué)性、可比性，以及定量為主、定性為輔的原則，結(jié)合VISSIM 交通仿真軟件所提供的模型輸出交叉口評價指標(biāo)（見表3）綜合考慮路網(wǎng)改造方案。為了提高交通效率，改造方案對運(yùn)行速度仿真時，一方面要考慮各條道路等級，依次設(shè)置合適車速；另一方面根據(jù)現(xiàn)狀信號配時交通調(diào)查情況，輸入優(yōu)化后交叉口信號配時方案，結(jié)合交叉口實際情況在適當(dāng)位置添加相應(yīng)的交通標(biāo)志和標(biāo)線，合理地安置交通信號燈等交通改善措施，實時動態(tài)地調(diào)整交叉口信號配時方案[8]。

表3 道路交叉路口優(yōu)化控制指標(biāo)

針對以上分析采取了以下四種有效措施。（1）部分路口增加交通信號燈，信號相位設(shè)置合理，車輛可以順利通行。（2）最大限度消除了交叉路口交通沖突點，盡量避免車輛發(fā)生擁擠、交通堵塞等現(xiàn)象。（3）信號配時適當(dāng)增加了黃燈時間和全紅時間，有充足的清尾時間，使車輛可以順利通過交叉路口。（4）信號周期與行人安全通行匹配。

通過模擬分析證明：路網(wǎng)的交通條件主要由路段和交叉口通行能力決定。交叉口是城市道路交通網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸，單個交叉口的通行能力受到制約后，必然會對整個路網(wǎng)的交通造成影響，交叉口的交通運(yùn)行狀況直接決定了周邊路網(wǎng)的運(yùn)行狀況。VISSIM模擬的二維和三維動態(tài)變化能清晰地發(fā)現(xiàn)方案的缺陷和不足，了解方案的可行性和有效性，并及時對采取的措施進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

3 模型分析結(jié)果對比，評價后運(yùn)用

根據(jù)張柏公路及其連接線每條道路設(shè)計年限內(nèi)交通預(yù)測量，動態(tài)分配到路口的各個方向。結(jié)合VISSIM 模擬仿真流程先確定路段是否滿足要求，不滿足改變路幅組成進(jìn)行拓寬；滿足要求對沿線交叉路口進(jìn)行渠化、信號控制等措施對比，擇優(yōu)選擇改造方案。然后對部分關(guān)鍵節(jié)點調(diào)整交叉口相位配時，使其達(dá)到交叉口所需時間、延誤時間、停車時間、停車次數(shù)最優(yōu)的目的。仿真參數(shù)主要包括交通流量、車輛運(yùn)行速度、交叉口相位配時、車輛路徑、車型比例等。通過分析交叉口所需時間、延誤時間、停車時間、停車次數(shù)和頻率等影響，最終改造措施前后交通評價指標(biāo)綜合分析見表4。

表4 改造前后交通評價指標(biāo)綜合分析

由于本文主要對該路網(wǎng)的平均行程車速和主要路口的平均延誤進(jìn)行評價[5]，所以仿真結(jié)果只需設(shè)定路段的行駛時間和延誤時間，并由此可得出路網(wǎng)的平均行程車速和平均延誤。建議在工程項目實施過程中部分交叉路口配對信號周期，可以根據(jù)高峰時段潮汐交通量進(jìn)一步優(yōu)化完善。道路交叉路口優(yōu)先等待區(qū)、潮汐車道等設(shè)置，使其車輛平均排隊長度減小、平均延誤時間降低、平均運(yùn)行速度提高，從而達(dá)到提高片區(qū)道路整體服務(wù)水平的目的。

通過改變平均延誤、平均排隊長度、交叉口配時方案、服務(wù)水平等改造前后控制性因素分析，模擬仿真張柏公路及其連接線各條道路起點為徑河路，沿線徑河南路、濱河北路、環(huán)柏二路、金北一路、新橋四路、黃獅海路、新橋三路，終點為金山大道。改造前后對比見圖3。道路改造完善城市基礎(chǔ)設(shè)施，不斷增強(qiáng)城市服務(wù)、道路系統(tǒng)功能，扎實推進(jìn)城市精細(xì)化、品質(zhì)化提升，達(dá)到整個片區(qū)路網(wǎng)系統(tǒng)及各條道路服務(wù)水平的最佳狀態(tài)。

圖3 張柏公路及其連接線最終改造措施前后交通對比圖

仿真結(jié)果經(jīng)過計算匯總可知：路網(wǎng)內(nèi)交叉路口平均車速為28.55 km/h（15～38 km/h），比現(xiàn)狀實測車速12.10 km/h（7～16 km/h）提高了23.6%。交叉路口平均延誤降為31.1 s，比現(xiàn)狀實測延誤34.8 s 降低了11.2%。由此可知，在不改變路口信號控制的前提下，整治改造后的交通狀況要優(yōu)于改造前,運(yùn)用改造最終確定的改造措施，結(jié)合大數(shù)據(jù)統(tǒng)計高峰時段擁堵時長和運(yùn)行速度分別減少18%和增加15%以上。張柏公路（起點段）、徑河路、濱河北路、金北一路、新橋四路、黃獅海路改造前交通狀態(tài)分別處于D 級、B級、D 級、D 級、B 級和D 級的服務(wù)水平，2031 年末交通狀態(tài)分別處于E 級、C 級、E 級、E 級、C 級和E 級的服務(wù)水平，2036 年末交通狀態(tài)處于分別處于E級、C 級、E 級、E 級、C 級和E 級的服務(wù)水平。

從對比結(jié)果可知，路網(wǎng)平均延誤和平均排隊長度較之前明顯降低，交叉路口信號燈配對時間明顯改善，片區(qū)幾條道路的服務(wù)水平明顯提高，片區(qū)交通整體運(yùn)行情況良好。這說明在交通改善措施實施之后，改善了道路交通條件，增加了片區(qū)的路網(wǎng)容量和出行條件，有效地降低了城市更新對片區(qū)道路交通的影響。因此，通過仿真評價后得出的方案是可行的。

實踐證明：在應(yīng)用VISSIM 仿真軟件開展城市更新交通咨詢研究工作過程中，應(yīng)合理地設(shè)定交通流量、運(yùn)行速度、信號配時、行駛路徑、車型比例等參數(shù)，真實還原實際運(yùn)行狀況，確保評價結(jié)果的可靠性。

4 結(jié) 語

針對城市路網(wǎng)改造，提出在城市舊路改造的前提下將交通控制與交通誘導(dǎo)相結(jié)合動態(tài)分配的思想，充分分析各條道路現(xiàn)狀條件和遠(yuǎn)期城區(qū)發(fā)展的需求，擬定切實可行的改造措施，通過仿真進(jìn)行對比（包括對交叉口的服務(wù)水平和延誤進(jìn)行評價），提出交叉口設(shè)計和信號配時方案，車輛運(yùn)行管理的效率明顯提高，路網(wǎng)車均延誤和車均停車次數(shù)明顯降低。

城市道路改造不僅是道路結(jié)構(gòu)和地下管線的改造，還是城市道路的服務(wù)功能的提升、交叉路口渠化和靚化等配套設(shè)施的提檔升級。因此需要對道路和周邊路網(wǎng)進(jìn)行完整的分析和服務(wù)水平的判斷，從而達(dá)到面子（道路穿衣戴帽）和里子（交通及配套服務(wù)提升）的有效融合，實現(xiàn)城市更新的真正價值。同時，城市改造作為一個綜合型的項目，公共交通對緩解交通擁堵、促進(jìn)城市綜合發(fā)展體現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢[9]。城市更新對促進(jìn)城市發(fā)展、提升居民生活品質(zhì)有重要的推動作用，但需要城市交通作為城市更新的支撐。因此，只有城市更新與城市交通協(xié)調(diào)發(fā)展，才能實現(xiàn)城市建設(shè)中復(fù)雜系統(tǒng)的和諧發(fā)展。