基于VISSIM的交通樞紐仿真

龍 元

(長(zhǎng)沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

城市交通樞紐具有規(guī)劃周期長(zhǎng)、建設(shè)要求高、參與部門(mén)多、審批流程復(fù)雜的特點(diǎn)?，F(xiàn)行《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》及《城市道路樞紐站設(shè)計(jì)規(guī)范》主要是原則性確定樞紐的規(guī)劃方針，在工程方面進(jìn)行規(guī)定并明確設(shè)施配置需求。交通樞紐的設(shè)計(jì)能力滿(mǎn)足交通需求即可，未考慮落客平臺(tái)、分流匝道、公交場(chǎng)站進(jìn)出口、出租車(chē)待客區(qū)等重要設(shè)置布局的影響，也沒(méi)考慮各類(lèi)車(chē)流量時(shí)空變化與交織點(diǎn)對(duì)運(yùn)行效率的影響?，F(xiàn)有規(guī)范要求的評(píng)估方式難以預(yù)見(jiàn)樞紐實(shí)際運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的問(wèn)題。

長(zhǎng)沙西站樞紐是一個(gè)具有多類(lèi)型交通參與者和多層次交通環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)，有必要通過(guò)交通仿真來(lái)對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)估和分析，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段預(yù)判運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)不斷的“仿真-評(píng)估-修改”流程優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得效率更高的樞紐交通設(shè)計(jì)方案。

1 仿真的工具與參數(shù)

交通仿真軟件VISSIM模擬所有交通參與者及他們的交互活動(dòng)，是一種時(shí)間驅(qū)動(dòng)、基于駕駛行為的仿真建模工具，可以使用戶(hù)模擬在交通系統(tǒng)中的任何一種幾何特性的路段，以及任何一種駕駛行為。車(chē)輛的縱向運(yùn)動(dòng)采用了心理-物理跟馳模型(psycho-physical car following model)，橫向運(yùn)動(dòng)采用了基于規(guī)則(rule-based)的算法。VISSIM主要利用三維動(dòng)畫(huà)渲染和表現(xiàn)道路交通運(yùn)行的狀況，有利于觀察者直觀感受交通運(yùn)行狀況。

交通仿真自動(dòng)更改隨機(jī)條件、多次運(yùn)行輸出平均指標(biāo)，能夠預(yù)見(jiàn)常態(tài)和極端狀況下的交通運(yùn)行水平，避免宏觀模型中對(duì)交通參與者過(guò)于理想化的行為模式預(yù)測(cè)，有助于發(fā)現(xiàn)規(guī)劃缺陷尤其是微觀層面的交通問(wèn)題，能夠更好的分析交叉口延誤、地塊進(jìn)出口影響、交通組織流線(xiàn)沖突等問(wèn)題。樞紐仿真流程圖見(jiàn)圖1。

仿真中的駕駛行為由跟馳模型決定，跟馳模型采用Wiedemann74跟車(chē)模型為基礎(chǔ)，這種模型的基本思想基于駕駛意識(shí)，高速行駛車(chē)輛的駕駛員當(dāng)達(dá)到與前方行駛車(chē)輛的感知閾值時(shí)開(kāi)始剎車(chē)。由于駕駛員不能非常準(zhǔn)確的估計(jì)出前方行駛車(chē)輛的速度，那么他的車(chē)速將降低至前方行駛車(chē)輛的速度以下，當(dāng)達(dá)到感知閾值后他將再次略微加速，這將導(dǎo)致不斷的略微加速和減速。借助速度和距離狀態(tài)的劃分，可以考慮駕駛員的不同行為。現(xiàn)行跟車(chē)模型依據(jù)卡爾斯魯厄大學(xué)(TH)交通學(xué)院的大量測(cè)繪校準(zhǔn)[1]。

駕駛員行為是車(chē)輛行為模型中的一部分，對(duì)駕駛員在不同的交通環(huán)境中所采取的各種細(xì)節(jié)性行為進(jìn)行管理，包括加減速、車(chē)道變換、車(chē)頭時(shí)間、合流、讓行和其他行為進(jìn)行仿真，以保障微觀仿真模型的精確性，減小仿真結(jié)果與實(shí)際情況之間的誤差[2]。實(shí)際仿真中為獲得更準(zhǔn)確的運(yùn)行效果，相關(guān)參數(shù)將進(jìn)行本地化調(diào)整，包括停車(chē)間距、跟車(chē)距離、反應(yīng)時(shí)間、跟車(chē)速度差等。實(shí)例中將樞紐相關(guān)道路分為快速路、匝道、支路等級(jí)，并根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果將停車(chē)間距、跟車(chē)速度差等調(diào)整為本地?cái)?shù)值(見(jiàn)表1)。

表1 長(zhǎng)沙西站主要本地化參數(shù)設(shè)置

2 仿真的策略

2.1 設(shè)計(jì)方案展現(xiàn)

用視頻展示設(shè)計(jì)方案效果，包括交通運(yùn)行是否順暢、交通樞紐是否可以承載交通需求、交通流的交織情況，并暴露場(chǎng)站設(shè)施進(jìn)出口的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2.2 為方案評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐

交通仿真可對(duì)接上層模型的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，從仿真中驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的承載能力，輸出指標(biāo)與理想指標(biāo)作對(duì)比，計(jì)算路段通行能力的缺口，評(píng)估方案的運(yùn)行效率和可行性，并提出有量化數(shù)據(jù)支撐的改善建議，以?xún)?yōu)化方案設(shè)計(jì)。

3 樞紐仿真案例分析

3.1 仿真案例簡(jiǎn)介

本案例仿真樞紐為規(guī)劃長(zhǎng)沙西站，是集多種交通方式于一體的綜合性多功能鐵路樞紐。長(zhǎng)沙西站站房包括地下3層與地上4層，地上第3層為候車(chē)層；長(zhǎng)沙西站周邊約4 km2的范圍屬于站區(qū)，設(shè)計(jì)了交通集疏運(yùn)系統(tǒng)，設(shè)有東西兩處落客平臺(tái)，與快進(jìn)快出匝道相連，車(chē)輛送客到站后通過(guò)快進(jìn)快出匝道疏散至外部道路或轉(zhuǎn)場(chǎng)至停車(chē)場(chǎng)或候客區(qū)域(見(jiàn)圖2)。

3.2 仿真模型輸入

3.2.1 仿真模型

道路是車(chē)輛行為的主要約束條件，在虛擬交通環(huán)境中，道路模型既需要表現(xiàn)路網(wǎng)的宏觀結(jié)構(gòu)，又應(yīng)能夠表達(dá)出每個(gè)車(chē)道的細(xì)節(jié)信息[3]。長(zhǎng)沙西站仿真根據(jù)設(shè)計(jì)方案構(gòu)建道路模型，包括快進(jìn)快出匝道系統(tǒng)與地面道路系統(tǒng)。站區(qū)內(nèi)共布置有7個(gè)停車(chē)場(chǎng)，南側(cè)布置1個(gè)小汽車(chē)停樓，東南側(cè)為出租車(chē)蓄車(chē)樓，環(huán)站房道路單向逆時(shí)針通行，其他市政道路雙向通行(見(jiàn)圖3)。

3.2.2 車(chē)流分類(lèi)

在長(zhǎng)沙西站交通場(chǎng)站設(shè)施多層布設(shè)的前提下，車(chē)輛通過(guò)快進(jìn)快出系統(tǒng)的組織實(shí)現(xiàn)上下客與候客，可分為小汽車(chē)、出租車(chē)(網(wǎng)約車(chē))、巴士(長(zhǎng)途車(chē)/公交車(chē))三大類(lèi)型。

3.2.3 交通組織

不同車(chē)型有不同的交通組織路線(xiàn)，不同車(chē)型的“送客-進(jìn)場(chǎng)-蓄車(chē)-接客-離場(chǎng)”流程具有不同的行程長(zhǎng)度。仿真中小汽車(chē)與出租車(chē)(網(wǎng)約車(chē))經(jīng)快進(jìn)快出高架系統(tǒng)在東西落客平臺(tái)下客后再通過(guò)快進(jìn)快出系統(tǒng)回轉(zhuǎn)至場(chǎng)內(nèi)接客或返回市區(qū)；巴士(長(zhǎng)途車(chē)/公交車(chē))根據(jù)西站設(shè)計(jì)客流量求得高峰車(chē)次，按照設(shè)計(jì)時(shí)間間隔沿固定路線(xiàn)進(jìn)出場(chǎng)站。小汽車(chē)車(chē)型設(shè)計(jì)交通流線(xiàn)如圖4所示。

3.2.4 車(chē)流量數(shù)據(jù)

首先從宏觀模型中切出樞紐所在片區(qū)的道路網(wǎng)模型，在中觀模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用子區(qū)域萃取模型，將子區(qū)域的基礎(chǔ)道路交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)以及對(duì)應(yīng)的交通需求提取出來(lái)，作為微觀仿真的基礎(chǔ)路網(wǎng)[4]。假設(shè)西站達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，高峰小時(shí)樞紐單向交通約3 900 pcu/h，高峰日系數(shù)1.5，高峰小時(shí)系數(shù)10%。其中東落客平臺(tái)約通行2 000 pcu/h，西落客平臺(tái)約通行700 pcu/h，其他交通量由地面道路進(jìn)入站區(qū)。

3.2.5 評(píng)估指標(biāo)

交通仿真在站房初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，評(píng)估樞紐站區(qū)各類(lèi)交通設(shè)施布局是否合理、設(shè)施規(guī)模是否滿(mǎn)足需求、交通流線(xiàn)設(shè)計(jì)與快進(jìn)快出系統(tǒng)是否有較高的運(yùn)行效率。選取的評(píng)估指標(biāo)主要有交叉口延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度、行程時(shí)間、行程車(chē)速、路段流量、路段飽和度。

3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1)行程時(shí)間。不同車(chē)型的行程車(chē)速等于行程長(zhǎng)度除以行程時(shí)間，行程時(shí)間越短，表明車(chē)輛在站區(qū)內(nèi)完成接送客的速度越快、道路集散效率越高。2)路段車(chē)速。仿真方案主要評(píng)估長(zhǎng)沙西站落客平臺(tái)和主要集散路段的車(chē)速，根據(jù)地方標(biāo)準(zhǔn)，如路段平均車(chē)速低于15 km/h，表明道路出現(xiàn)擁堵，需要找出交通問(wèn)題，調(diào)整交通設(shè)計(jì)，進(jìn)行疏解。3)車(chē)流沖突點(diǎn)。評(píng)價(jià)車(chē)流沖突點(diǎn)出現(xiàn)的數(shù)量、位置，以評(píng)估交通設(shè)施的規(guī)模、進(jìn)出口位置、功能布局是否合理。

3.4 仿真分析

3.4.1 指標(biāo)分析

仿真指標(biāo)分析：站區(qū)平均延誤約212 s，平均行程車(chē)速約13 km/h。

出租車(chē)從高架至蓄車(chē)場(chǎng)、蓄車(chē)場(chǎng)至上客區(qū)(4,5)排隊(duì)長(zhǎng)度超過(guò)800 m，平均車(chē)速約10 km/h，出租車(chē)離場(chǎng)站前東路(1)排隊(duì)長(zhǎng)度130 m，平均車(chē)速低于10 km/h。

小汽車(chē)在望城大道北往南段出現(xiàn)擁堵，平均車(chē)速僅為6 km/h(見(jiàn)表2)。

3.4.2 擁堵問(wèn)題分析

1)出租車(chē)蓄車(chē)場(chǎng)至上下客區(qū)周轉(zhuǎn)里程長(zhǎng)，空駛距離長(zhǎng)。2)望城大道北往南車(chē)流需求超過(guò)通行能力，擁堵嚴(yán)重。3)站前東路并列四處進(jìn)出口，高峰小時(shí)需通過(guò)2 600 pcu，路段設(shè)計(jì)通行能力僅2 000 pcu/h，車(chē)流量超過(guò)通行能力。路段與站前北路交叉口擁堵嚴(yán)重，兩處進(jìn)出口車(chē)流在站前東路出現(xiàn)復(fù)雜的交織(如圖5所示)。

3.4.3 改善建議

1)建議增設(shè)出租車(chē)蓄車(chē)場(chǎng)至上客區(qū)的專(zhuān)用通道，或?qū)⒊鲎廛?chē)蓄車(chē)場(chǎng)靠近上客區(qū)，減少原繞行路段的交通壓力，縮短出租車(chē)周轉(zhuǎn)距離。2)調(diào)整站前東路兩處進(jìn)出口的設(shè)置，拓寬站前東路，優(yōu)化與站前北路交叉口的交通設(shè)計(jì)。3)望城大道涉鐵段設(shè)置主線(xiàn)下穿，并拓寬紅線(xiàn)。4)站前南路拓寬以應(yīng)對(duì)繞行返回站區(qū)接客的車(chē)流，西北角長(zhǎng)途大巴站將進(jìn)出口分別設(shè)置在站前西路兩側(cè)(見(jiàn)圖6)。

表2 交通仿真指標(biāo)輸出表

3.4.4 方案對(duì)比

改善方案將出租車(chē)蓄車(chē)樓改至東南角，原蓄車(chē)樓改為小汽車(chē)停車(chē)場(chǎng)，原站前東路上的兩處進(jìn)出口調(diào)整位置，增設(shè)上跨通道，消除原車(chē)流交織點(diǎn)，望城大道主線(xiàn)下穿。此時(shí)交通仿真得到以下指標(biāo)結(jié)果。

1)平均延誤約106 s，平均行程車(chē)速約23 km/h，平均延誤減小50%，平均車(chē)速提升77%。2)出租車(chē)周轉(zhuǎn)距離大大減小，從高架至蓄車(chē)場(chǎng)入口排隊(duì)長(zhǎng)度縮短至50 m以?xún)?nèi)，平均車(chē)速提升至20 km/h以上。3)高架匝道排隊(duì)長(zhǎng)度縮短，車(chē)速提升至21 km/h,18 km/h。4)出租車(chē)、小汽車(chē)離場(chǎng)基本不用排隊(duì)，車(chē)速提升至18 km/h(見(jiàn)表3)。

表3 改后方案仿真輸出指標(biāo)及與原方案指標(biāo)對(duì)比

改善后仿真運(yùn)行效果見(jiàn)圖7，優(yōu)化后高峰小時(shí)運(yùn)行車(chē)速示意圖見(jiàn)圖8。

結(jié)論：參考仿真預(yù)測(cè)結(jié)果，調(diào)整場(chǎng)站位置，重新設(shè)計(jì)場(chǎng)站進(jìn)出口，增加路段通行能力，能夠消解原有車(chē)流沖突，減少周轉(zhuǎn)里程，提高樞紐總體運(yùn)行效率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合性樞紐的交通組織復(fù)雜多樣，僅按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)易忽略微觀問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)的實(shí)際效率無(wú)法保證。利用VISSIM交通仿真對(duì)樞紐集疏運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，找出擁堵節(jié)點(diǎn)，分析擁堵產(chǎn)生原因，并針對(duì)問(wèn)題提出合理改善建議，可以為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供數(shù)據(jù)支撐，使交通樞紐設(shè)計(jì)不斷完善。