城市道路車道縮減區(qū)通行效率仿真分析

資 葵,龍科軍,吳 偉,蔣立波

(1.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,湖南 長沙 410004;2.長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,湖南 長沙 410004)

城市道路車道縮減區(qū)通行效率仿真分析

資 葵1,龍科軍1,吳 偉1,蔣立波2

(1.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,湖南 長沙 410004;2.長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,湖南 長沙 410004)

針對城市道路車道縮減現(xiàn)象,以4種常見類型的城市道路縮減區(qū)為例,建立VISSIM仿真模型。在40,50和60 km/h速度下,分析4種不同類型道路縮減區(qū)的通行能力、車均延誤、平均停車次數(shù)及排隊長度4個指標在不同飽和度下的變化特征,以此來評價4種常見縮減區(qū)在3種速度下的通行效果。仿真結(jié)果表明:排隊長度達到臨界飽和度后,將急劇線性增加。計算了各類型縮減區(qū)正常工作的臨界飽和度限制值,給出不同類型縮減區(qū)速度的推薦值。

車道縮減區(qū);通行效益;城市道路;仿真評價

由于道路紅線變窄、道路施工及突發(fā)交通事故等原因,導(dǎo)致城市道路可用于正常通行的車道數(shù)減少,稱之為車道縮減。車道縮減普遍存在于城市道路中,由于道路縮減區(qū)通行能力突變,當交通需求較大、交通飽和度較高時,將嚴重影響正常的交通通行,導(dǎo)致車輛排隊急劇增長,甚至影響相交道路,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)交通流運行受阻和通行延誤等問題。

因城市道路車道縮減而造成交通擁堵的現(xiàn)象屢見不鮮。針對車道縮減區(qū)對通行能力的影響,許多學(xué)者進行了研究。柳廣興[1]等人通過分析各國通行能力標準,采用通行量和通過率指標,建立了通行能力的評價模型。宋濤[2]等人采用交通波原理模型,運用Vissim和Matlab等軟件,得到了通行能力的影響程度。祁文潔[3]根據(jù)實際交通現(xiàn)狀,進行數(shù)據(jù)采集,采用曲線擬合回歸和Vissim等方法,得到了高速公路施工區(qū)各區(qū)段通行能力。孫曼[4]等人采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法,建立了相應(yīng)的模型。運用Excel軟件,進行作圖和求解,得到了路段上游通行能力與道路實際通行能力及事故持續(xù)時間的關(guān)系。針對縮減區(qū)交通流特性方面研究,郭嘯峰[5—6]等人對施工區(qū)道路交通流特性進行了分析,并采用元胞自動機模型仿真施工區(qū)道路,采用位韋布爾修正分布模型對新增移位系數(shù)取值,對施工區(qū)路段的交通流特性進行定量和定性研究。鞏建圖[7]針對車道縮減區(qū)交通管理方面,通過分析交通參與要素,總結(jié)縮減區(qū)的秩序和設(shè)計技術(shù),并采用相應(yīng)交通組織方法,得到了決策、誘導(dǎo)、監(jiān)測及完善等保障策略。代振環(huán)[8]針對交通組織方面,通過結(jié)合TransCAD和Vissim等軟件,得到了施工期間最優(yōu)交通組織方案。雷星[9]通過分析交通流特性,提出相應(yīng)交通組織策略和優(yōu)化設(shè)計的方法。Chun[10]等人針對公路網(wǎng)建設(shè)之間的因果關(guān)系及其對區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和行業(yè)變化進行了研究。針對交通維持和保護計劃運行影響方面,建立了相應(yīng)的仿真模型。并采用動態(tài)隨機分配的仿真技術(shù),進行了對比分析。但在研究縮減道路時還存在著不足之處:①已有研究在評價城市縮減區(qū)通行效益時,大多僅采用通行能力指標,對平均停車次數(shù)、車均延誤及排隊長度等指標的演變趨勢分析較少,且缺少考慮道路速度指標的相關(guān)研究;②對道路縮減區(qū)仿真分析的研究相對較少,由于道路交通流存在不確定性和隨機性,采用仿真可以模擬不同縮減區(qū)的情況,能最大程度模擬城市道路縮減區(qū)的交通運行情況。為了更全面地評價城市道路通行效益,作者擬針對車道縮減區(qū)通行能力的影響問題,建立VISSIM仿真模型,分析4種常見車道縮減區(qū)在不同道路速度下通行能力、延誤、平均停車次數(shù)及排隊長度等指標的動態(tài)演化趨勢,對車道縮減區(qū)的通行效益進行評價,給出不同類型道路縮減區(qū)的限速。

1 模型的建立及交通特性分析

城市道路比高速公路和城市快速路的縮減區(qū)更易形成且數(shù)量居多,又因市區(qū)存在早、晚高峰期,使城市道路縮減區(qū)變得更復(fù)雜,更需進行相關(guān)研究。

1.1 模型的建立及原理

VISSIM是一款成熟的微觀交通流仿真軟件。該軟件自1992年進人市場以來,在行業(yè)中一直處于領(lǐng)先地位。VISSIM既可以仿真出道路交通運行狀況,又能輸出如:車輛數(shù)、延誤、平均停車次數(shù)及排隊長度等統(tǒng)計數(shù)據(jù),因此,本研究結(jié)合目前城市道路中存在的4種常見車道縮減區(qū),使用VISSIM軟件,建立相應(yīng)的路網(wǎng)仿真模型。在VISSIM軟件中,分別建立2車道縮減為1車道、3車道縮減為2車道、4車道縮減為2車道及4車道縮減為3車道的仿真模型。

取仿真步長0.1 s,將車輛運行速度分別設(shè)置成40,50和60 km/h進行仿真,每次仿真連續(xù)運行4 200 s,統(tǒng)計后3 600 s的數(shù)據(jù)。為模型交通流隨機到達,每次仿真取不同的隨機數(shù)種子(Random Seed)運行10次,取結(jié)果的平均值。

1.2 交通特性分析

城市道路特性的改變會對城市道路交通特性產(chǎn)生影響。城市道路特性分為2類:道路路段的特性和道路交叉口特性。城市道路施工期間路面情況和道路數(shù)量等發(fā)生了變化,此時,對車輛的加、減速會產(chǎn)生一定的影響;因道路數(shù)量減少,通行能力降低,對居民出行的安全系數(shù)也會產(chǎn)生一定的影響。車流量的不同對車輛進人縮減區(qū)速度、加速度及車視距等影響程度也不同。因此,本研究以平峰期和高峰期的車流量為例,對縮減區(qū)車輛交通特征進行分析。

由于道路數(shù)量存在突然減少,車輛在駛?cè)说缆房s減區(qū)前就會進行相關(guān)的加速或減速措施,在靠近縮減區(qū)時表現(xiàn)得更為明顯。本研究以長沙市黃土嶺一大型主路段處因施工而形成道路縮減區(qū)為例,對該主路段所形成的各類縮減區(qū)平峰期和晚高峰期的交通流狀況進行了實地拍攝。為了顯示車流量對車道縮減區(qū)通行效益的影響,取各縮減區(qū)車流量在晚高峰期的相對較大流和平峰期的相對較小流前10 m為調(diào)查區(qū)域,運用相關(guān)軟件,對車輛通過該縮減區(qū)晚高峰期和平峰期的情況進行分析,得到各縮減區(qū)平峰期和縮減區(qū)高峰期速度和加速度的變化特征。隨機抽取其中一個縮減區(qū)并從該縮減區(qū)中隨機抽取2輛車分別在車流量為平峰期和高峰期進行對比,抽查結(jié)果為2車道縮減為1車道縮減區(qū)中的兩輛車輛,具體變化特征為:

1)平峰期縮減區(qū)

經(jīng)調(diào)查,平峰期縮減區(qū)車輛的速度和加速度與時間的關(guān)系分別如圖1,2所示。

圖1 平峰期縮減區(qū)車輛速度與時間的關(guān)系Fig.1 The relationship between the speed of the vehicle and the time in the flat peak period at reduction zone

圖2 平峰期縮減區(qū)車輛加速度與時間的關(guān)系Fig.2 The relationship between the acceleration of the vehicle and the time in the flat peak period at the reduction zone

從圖1,2中可以看出,平峰期車輛從縮減區(qū)前10 m處進人縮減區(qū)花費2.4 s,在接近縮減區(qū)時會降低速度。因車流量較少,降低速度后又快速提高速度駛?cè)丝s減區(qū)。

2)高峰期縮減區(qū)

經(jīng)調(diào)查,高峰期縮減區(qū)車輛的速度和加速度與時間的關(guān)系分別如圖3,4所示。

從圖3,4中可以看出,高峰期車輛從縮減區(qū)前10 m處進人縮減區(qū)花費28.4 s,在接近縮減區(qū)時會降低速度。因車流量較大,此時,車輛會頻繁地進行加、減速度,緩慢駛?cè)丝s減區(qū)。

因此,在城市道路車道縮減區(qū),車流量的不同對道路通行所產(chǎn)生的影響也不同,道路車流量越大,縮減區(qū)車輛的交通特性越復(fù)雜。

圖3 高峰期縮減區(qū)車輛速度與時間的關(guān)系Fig.3 The relationship between the speed of the vehicle and the time in the peak period at the reduction zone

圖4 高峰期縮減區(qū)車輛加速度與時間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the acceleration of the vehicle and the time in the peak period at the reduction zone

1.3 基于駕駛行為的車道縮減區(qū)車道變化模型

在城市道路車道縮減區(qū),車輛變換車道屬于常見的現(xiàn)象。車輛的換道與跟車行為是駕駛員在行駛過程中根據(jù)道路上車輛實際速度和間距等一系列信息變化作出分析,并最終駕駛車輛駛出目標區(qū)域的過程[5]。駕駛員變換車道的過程分為3個階段:①駕駛員產(chǎn)生變換車道的意念;②駕駛員通過前方因素判斷后認為換道可行;③駕駛員換道行為的實施[12]。因此,車道的變換模型是相互制約的過程,只有滿足第一個階段才會有第二階段的產(chǎn)生,只有滿足第二個階段才會出現(xiàn)車輛變換車道的行為。該模型需要考慮自由流和約束流[13]在車流狀態(tài)下變換車道所需要的條件及其所需變換車道前、后車輛之間的凈距等。

1.3.1 車道變換模型

城市道路車道縮減區(qū)中,車道的變換模型需要考慮在不同的車流狀態(tài)下,其換道的行為也會相應(yīng)不同[14]。當S＞S臨且L1＞L1max時,車輛處于自由狀態(tài);當S＜S臨且L1＜L1max時,車輛處于約束狀態(tài)。其中:S為車輛與前車的間距;S臨為車輛變換到目標車道時需要與前車之間保持間距的臨界值;L1為目標車道的前凈距;L1max為目標車道前凈距的最大值。

1)車輛處于自由狀態(tài)下的車道變換模型:道路上車輛之間的間距較大,由于所需換道的車輛不受前車的約束,此時駕駛員可根據(jù)需求或喜好變換車道。在本模型中,車輛根據(jù)自己的需求和喜好換到相應(yīng)車道上后再進行換道的需求不大。

2)車輛處于約束狀態(tài)下的車道變換模型:道路上交通流密度較大,駕駛員在行駛換道的過程中受到了前車與目標車道上車輛的制約,因此,車輛換道的模型所考慮的因素也較多,涉及前車的速度和與前車保持的凈距等3個方面[14]:①車道變換需求產(chǎn)生的條件:若V1＜V＜V2且S1＜S＜S2,則調(diào)查車輛滿足了需要變換車道的要求;否則,不可變換車道。其中:V為調(diào)查車輛前、后車速度之差;V1為調(diào)查車輛后車車速;V2為調(diào)查車輛前車車速。②目標車道前凈距條件為:③調(diào)查車輛鎖定的目標車道的后凈距該滿足的條件為:若L2＞l2,則表明符合變道所需后凈距要求;若L2≤l2,則無法繼續(xù)變換車道。其中:L2為調(diào)查車輛鎖定的目標車道的后凈距;l2為調(diào)查車輛鎖定的目標車道后凈距的下限值。

1.3.2 車道跟車模型

在城市道路縮減區(qū),當車流量較大時,車輛會發(fā)生跟車行為。通過實地調(diào)查施工區(qū)車輛的跟車行為可知,其前、后之間的跟車距離大部分小于安全車距,并且相鄰車輛的影響較大。施工區(qū)道路數(shù)量減少,縮減通行能力小于上游未施工區(qū)路段通行能力。當車流量較大時,車輛之間的縱向間距減少,導(dǎo)致交通擁堵,此時道路中的車輛行駛易受到周邊車輛的影響,處于非自由行駛狀態(tài),跟車行為也隨之發(fā)生,該狀態(tài)下車輛具有制約性、傳遞性和延遲性[9]。

車輛在變道前和變道后都要進行跟車,因此,可以通過調(diào)查車輛的前、后車速度差V對車輛的跟車狀態(tài)進行控制。

當V＜0時,則調(diào)查車輛需要進行加速,直至提高到與前車車速一致;當V=0時,則調(diào)查車輛速度保持不變;當V＞0時,調(diào)查車輛要進行減速,直至與前車車速一致。

2 仿真結(jié)果分析

建立4種常見車道縮減區(qū)仿真模型,即2車道變1車道、3車道變2車道、4車道變2車道及4車道變3車道縮減區(qū)。通過改變道路速度和交通流到達飽和度進行仿真分析,獲得在不同速度下4種常見類型縮減區(qū)通行能力、車均延誤、平均停車次數(shù)及排隊長度的演變趨勢,得出道路縮減區(qū)的限速值,評價縮減區(qū)道路通行效益。

2.1 通行能力分析

3種速度下,不同類型車道縮減區(qū)通行能力仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出,3種同速度下,2車道變1車道和4車道變2車道縮減區(qū)在飽和度小于0.4、3車道變2車道和4車道變3車道縮減區(qū)在飽和度小于0.8時,都能順利通過縮減區(qū)。當飽和度等于0.4時,2車道變1車道和4車道變2車道縮減區(qū)在3種速度下的通行能力達到最大值,2車道變1車道在3種速度下通行能力的最大值分別為1 268,1 383和1 385 pcu/h。4車道變2車道縮減區(qū)通行能力的最大值分別為2 230,2 245和2 246 pcu/h。當飽和度等于0.8時,3車道變2車道和4車道變3車道縮減區(qū)在3種速度下的通行能力達到最大值,3車道變2車道縮減區(qū)在3種速度下通行能力的最大值分別為2 554,2 792和2 922 pcu/h;4車道變3車道縮減區(qū)在3種速度下通行能力的最大值分別為3 863,4 011和4 055 pcu/h。

2.2 車均延誤仿真分析

在3種速度下,不同類型車道縮減區(qū)車均延誤的仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出,當速度為40 km/h時,2車道變1車道和4車道變2車道在飽和度小于0.4之前,車均延誤趨于零,此時道路車輛處于自由行駛狀態(tài)。當飽和度大于0.4之后,車均延誤急劇上升。當車輛速度為50和60 km/h時,3車道變2車道和4車道變3車道在飽和度小于0.7之前,道路車輛都能暢通行駛;飽和度大于0.7之后,車均延誤急劇遞增。從總體上分析,在3種不同速度下,2車道變1車道和4車道變2車道縮減區(qū)在道路速度為40 km/h時的車均延誤最小,它們分別為761.5和922.8 s/pcu;其次為50 km/h時的車均延誤,它們分別為769.6和986.1 s/pcu;再次為60 km/h時的車均延誤,它們分別為837.9和1 049.2 s/pcu。3車道變2車道和4車道變3車道縮減區(qū)在道路速度為50 km/h時的車均延誤最小,它們分別為456.6和358.9 s/pcu;其次為40 km/h時的車均延誤,它們分別為484.7和374.1 s/pcu;再次為60 km/h時的車均延誤,它們分別為497.8和450.4 s/pcu。

圖5 4種縮減區(qū)通行能力Fig.5 Four kinds of reduced area capacity

圖6 4種縮減區(qū)車輛的平均延誤Fig.6 Four kinds of reduced area average delay

2.3 平均停車次數(shù)仿真分析

在3種速度下,各不同類型車道縮減區(qū)平均停車次數(shù)的仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出,各類型縮減區(qū)的平均停車次數(shù)隨飽和度的增加而增加。其中,2車道變1車道和4車道變2車道縮減區(qū)的平均停車次數(shù)在飽和度小于0.5時增加緩慢,趨于0次;之后,急速遞增。3車道變2車道在飽和度小于0.7、4車道變3車道在飽和度小于0.8之前的平均停車次數(shù)都增加緩慢,趨于0次;之后,緩慢遞增。從總體分析,每種類型縮減區(qū)在不同速度下平均停車次數(shù)的最大值相差均不大。在3種不同速度下,4種不同類型縮減區(qū)(即2車道變1車道、4車道變2車道、3車道變2車道和4車道變3車道)在50 km/h時的平均停車次數(shù)最小,它們分別為9.71,16.22,2.45和0.30次/車(在此速度下,交通效益相對最優(yōu),且車輛原油的消耗量最少,造成的污染最少);其次為60 km/h時的平均停車次數(shù),它們分別為9.98,16.63,2.69和0.41次/車;再次為40 km/h時的平均停車次數(shù),它們分別為10.32,18.37,2.83和0.43次/車。

圖7 4種縮減區(qū)平均停車次數(shù)Fig.7 Four kinds of reduced area average number of stops

2.4 排隊長度仿真分析

在3種速度下,各不同類型車道縮減區(qū)排隊長度的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 4種縮減區(qū)排隊長度Fig.8 Four kinds of reduced area queue length

從圖8中可以看出,各種不同類型縮減區(qū)的排隊長度隨飽和度的增加而增加。其中:車輛速度為40和50 km/h時,2車道變1車道和4車道變2車道在飽和度小于0.4之前的排隊長度為零;之后,急劇增大。車輛速度為60 km/h時,3車道變2車道和4車道變3車道在飽和度小于0.7之前的排隊長度為零;之后,隨飽和度的增加而不斷上升。車輛速度為50 km/h時,2車道變1車道和4車道變2車道縮減區(qū)的排隊長度最小,它們分別為4 656和4 456 m。車輛速度為60 km/h時,3車道變2車道和4車道變3車道縮減區(qū)排隊長度最小,它們分別為2 719和2 360 m。從總體上分析,在飽和度較大時的3種不同速度下,對于2車道變1車道類型的縮減區(qū),其臨界飽和度為0.6;對于4車道變2車道類型的縮減區(qū),其臨界飽和度為0.7;對于3車道變2車道類型的縮減區(qū),其臨界飽和度為0.9;對于4車道變3車道類型的縮減區(qū),其臨界飽和度為0.8。以1 000 m的排隊空間進行計算,例如:車道縮減區(qū)上游1 000 m有一個信號控制交叉口,則需限制2車道變1車道、4車道變2車道、3車道變2車道和4車道變3車道的到達交通流的飽和度分別在0.6,0.7,0.9和0.8以下。

3 結(jié)論

以常見的4種類型城市道路縮減區(qū)為例,建立VISSIM仿真模型,在3種速度下,分析4種不同類型道路縮減區(qū)的通行能力、車均延誤、平均停車次數(shù)及排隊長度4個指標在不同飽和度下的變化特征,以此來評價4種常見縮減區(qū)的通行效益,得出各類型縮減區(qū)正常工作的臨界飽和度限制值,給出不同類型縮減區(qū)速度的推薦值。其結(jié)論為:

1)城市道路縮減一條車道時,各類型縮減區(qū)下降的通行能力大于一條車道的通行能力。在3種速度下,各類縮減區(qū)在車輛速度為60 km/h時的通過量最大,其次為50 km/h時的通過量,再次為40 km/h時的通過量。

2)在3種速度下,2車道變1車道和4車道變2車道縮減區(qū)在車輛速度為40 km/h時的車均延誤最小,交通效益相對最優(yōu),3車道變2車道和4車道變3車道縮減區(qū)在車輛速度為50 km/h時的延誤最小,交通效益相對最優(yōu)。

3)在3種速度下,各類型縮減區(qū)在50 km/h時的平均停車次數(shù)最少(在此速度下,交通效益相對最優(yōu),且車輛原油的消耗量最少,造成的污染最少),其次為60 km/h時的平均停車次數(shù),再次為40 km/h的平均停車次數(shù)。

4)在3種速度下,縮減區(qū)2車道變1車道和4車道變2車道在車輛速度為50 km/h時的排隊長度最短,而3車道變2車道和4車道變3車道縮減區(qū)在車輛速度為60 km/h時的排隊長度最短。

5)當排隊空間達到飽和度達到臨界狀態(tài)后,排隊長度將急劇增加并制約車道縮減區(qū),因此,在實地車道縮減區(qū),需控制到達流量,防止飽和度達到臨界值。其中:2車道變1車道、4車道變2車道、3車道變2車道和4車道變3車道的臨界飽和度分別為0.6,0.7,0.9和0.8。

6)車道縮減區(qū)的交通管理措施:①在平峰期間,為降低車均延誤,提升交通通行效益,各類縮減限制在0.4以下。就速度而言,2車道變1車道和4車道變2車道縮減區(qū)車輛速度控制在40 km/h。②在高峰期間,為限制平均停車次數(shù)和排隊長度的擴散,而影響其他相鄰網(wǎng)絡(luò)區(qū)域,限制到達飽和度在0.7以下。

通過建立VISSIM仿真模型,評價了車道縮減區(qū)的交通效益,為交通管理與控制的決策提供了依據(jù),但在分析過程中,并未考慮不同類型駕駛?cè)说男睦硖匦?針對此類問題仍需進一步的研究。

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Evaluation of traffic efficiency at urban road lane reduction area based on traffic simulation

ZI Kui1,LONG Ke-jun1,WU Wei1,JIANG Li-bo2
(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Changsha University of Science&Technology, Changsha 410004,China;2.School of Energy and Power Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410004,China)

For the phenomenon of the urban road lane reduction,with four common types of urban road area as an example,the VISSIM simulation model was set up,under speed of 40,50 and 60 km/h,the four different types of road shrank region of traffic capacity, average delay,average number of stops and queue length four indexes in different saturation variation characteristics are analyzed,in order to evaluate four common cutting area popular effect under three kinds of speed.The simulation shows that after queue length reaches a critical saturation,it will dramatically increase linearly.Therefore,various types of reduced normal work of critical saturation limit can give different types of recommended values of reduced speed.

lane reduce zone;traffic efficiency;urban roadway;simulation evaluation

U491.1

A

1674—599X(2015)04—0088—08

2015—06—08

資 葵(1990—),女,長沙理工大學(xué)碩士生。