高速公路改擴(kuò)建應(yīng)急車道綜合利用仿真研究

陳雅楠 李美玲* 李廣惠 冉 晉

(山東建筑大學(xué)山東高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室道路與交通工程實(shí)驗(yàn)室1) 濟(jì)南 250101)(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院2) 濟(jì)南 250101) (山東省交通科學(xué)研究院3) 濟(jì)南 250102)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通量的與日俱增，現(xiàn)有雙向四車道高速公路很難滿足道路通行能力的需求，改擴(kuò)建工程在國(guó)內(nèi)成為一種發(fā)展趨勢(shì).由于保通期某段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)單向單車道的特殊性，交通流在同向沒(méi)有其他可利用車道只能被動(dòng)跟馳，車輛違規(guī)占用應(yīng)急車道的現(xiàn)象頻發(fā)，危害極大卻屢禁不止.在此情況下，如何高效利用道路空間以滿足通行效率和行車安全，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題.

道路附屬設(shè)施的有效利用可緩解交通壓力、減少事故隱患.20世紀(jì)70年代，歐美國(guó)家開始利用與應(yīng)急車道性質(zhì)相似的硬質(zhì)路肩作為臨時(shí)車道；1996年德國(guó)結(jié)合道路監(jiān)控設(shè)備觀測(cè)道路占有率達(dá)到一定閾值時(shí)暫時(shí)開放路側(cè)應(yīng)急車道[1]；2006 年法國(guó)利用應(yīng)急車道的模式有兩種：①全天開放；②只在擁堵時(shí)段開放[2].張可等[3]提出雙車道公路設(shè)置附加車道專供慢速車輛使用，快速車輛利用原車道超車避免引發(fā)沖突；蔣隆建等[4]認(rèn)為可將緊急停車帶作為爬坡車道使用，擁堵路段分流低速重載的大貨車，高速小客車仍在原車道快速通過(guò)；丁小龍等[5]提出跨越中央分隔帶的應(yīng)急疏導(dǎo)裝置，以現(xiàn)有工程車為基礎(chǔ)，展開廂壁搭建供車輛繞行的通道，從而達(dá)到應(yīng)急疏導(dǎo)功能；劉飛舟等[6]從工效學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)高速動(dòng)態(tài)環(huán)境中的視覺(jué)辨識(shí)機(jī)理,在已建道路上適當(dāng)增加合理尺寸的港灣式停車帶.為深入研究如何布設(shè)安全設(shè)施，學(xué)者采用多種方式探究相關(guān)因素的影響：VAN等[7]利用高仿真駕駛模擬平臺(tái)，研究了應(yīng)急車道對(duì)車輛速度及橫向偏移的影響；BEN等[8]研究了路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)駕駛員感知及駕駛行為效應(yīng)，單因素方差結(jié)果表明路肩寬度變化對(duì)車輛橫向偏移影響顯著；楊永紅等[9]將關(guān)注點(diǎn)放在超車道停車視距的安全性方面，建立了三維動(dòng)態(tài)視距模型；邢小亮等[10]從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析不同間距水平下的變化規(guī)律，研究了緊急停車帶間距與駕駛行為的關(guān)系.

綜上所述，國(guó)內(nèi)外在局部路段安全改善方面做了大量研究，但實(shí)際道路存在較多客觀條件限制，工程案例中缺少明確設(shè)施方案作為支撐.鑒于高速公路改擴(kuò)建期間半幅封閉，亟須道路空間以提高不中斷交通的通行效率，高效利用道路附屬設(shè)施方式較為適用.本文提出了借助利用率較低的應(yīng)急車道作為開放路段，充分考慮駕駛行為對(duì)超車視距、停車間距等因素的影響，重新組合標(biāo)定仿真模型的駕駛參數(shù)，合理設(shè)計(jì)應(yīng)急車道的開放形式和空間布局，通過(guò)仿真手段確定高速公路改擴(kuò)建期間最優(yōu)的應(yīng)急車道綜合利用方案，有效緩解擴(kuò)建施工對(duì)高速公路正常運(yùn)營(yíng)和安全帶來(lái)的影響，為國(guó)內(nèi)類似高速公路的改擴(kuò)建項(xiàng)目提供借鑒和參考價(jià)值.

1 應(yīng)急車道綜合利用

應(yīng)急車道的作用是供車輛遇緊急情況時(shí)臨時(shí)停放等待救援，或有突發(fā)事件造成交通中斷時(shí)作為保障救援車輛趕赴現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急通道.實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同交通量的情況下應(yīng)急車道使用率不同，改擴(kuò)建期間真正服務(wù)于緊急情況的概率較低，長(zhǎng)時(shí)間閑置十分浪費(fèi)道路資源.尤其是單向單車道路段通行能力低下，若能利用已有的空閑應(yīng)急車道資源，有助于緩解交通壓力、改善道路條件.可是一旦全部占用應(yīng)急車道作為正常車道通行，道路將失去緊急狀況處理功能，勢(shì)必會(huì)影響故障車輛?？亢途仍囕v的通行.可見，根據(jù)道路狀況開放應(yīng)急車道具備可行性，本文通過(guò)仿真模擬，探究了應(yīng)急車道的具體利用條件，確定其使用形式，并提出根據(jù)交通流特征將不同開放形式的應(yīng)急車道相結(jié)合，從而使綜合利用效用更大化.

基于以上考慮，本文提出了全部路段開放和部分路段開放兩種利用方式，對(duì)應(yīng)三種方案分別是：改擴(kuò)建期間車道數(shù)受限，高速公路出現(xiàn)兩側(cè)附應(yīng)急車道的單向單車道保通情況，即為仿真的原方案，參考圖1a)；對(duì)于借助部分應(yīng)急車道增設(shè)開放路段，其長(zhǎng)度、相鄰開放路段設(shè)置間距及一定路網(wǎng)范圍內(nèi)設(shè)置數(shù)目等不確定的關(guān)鍵元素，應(yīng)根據(jù)錯(cuò)車時(shí)間、視距、交通量、通行效率等情況綜合決定，即為對(duì)比方案一，見圖1b)；高速公路開放全部應(yīng)急車道作為正常行車道使用，即為對(duì)比方案二，詳見圖1c).

2 仿真方案設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)取值

為充分了解路段交通狀況，按樁號(hào)分方向、分車道、分車型進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，分析數(shù)據(jù)作為交通特性和車速特性的基礎(chǔ)內(nèi)容，仿真參數(shù)取值如下：

1)模型尺寸 仿真參數(shù)時(shí)間為3 600 s，精度10仿真步長(zhǎng)/仿真s，隨機(jī)種子20～180以40為間隔共五個(gè)水平，即每組相同的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)五個(gè)水平，指標(biāo)取敏感性最大的平均值；初次實(shí)驗(yàn)仿真路網(wǎng)長(zhǎng)為6 km路段，行車道寬度3.75 m，硬路肩3.5 m，應(yīng)急車道寬3.75 m，過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)100 m.

2)交通組成 不同車型交通運(yùn)行特點(diǎn)有所差異，仿真涉及車輛采用各區(qū)段平均比例：中小客車70%；小貨車5%；中貨車5%；大貨車10%；大客車10%.去掉限行后的數(shù)據(jù)，大車率約為0.2.

3)交通量 仿真路網(wǎng)交通量，采取單向輸入方式，以免造成交通負(fù)荷.收集改擴(kuò)建施工開始后濟(jì)青北線交調(diào)站的流量數(shù)據(jù)，換算為年平均日交通量，取高峰小時(shí)流量比10%，方向不均勻系數(shù)0.6，折算幾個(gè)斷面的單向交通量.施工時(shí)交通流的空間分布不均，根據(jù)飽和度和各路段類型的通行能力推算為兩個(gè)研究水平：1 000和2 000，單位為自然車輛數(shù)/h，分別稱之為中低飽和度和高飽和度.

4)參數(shù)變量 開放路段長(zhǎng)度，特指高速公路改擴(kuò)建保通期間借用應(yīng)急車道設(shè)置開放車道的分段長(zhǎng)度.其有效長(zhǎng)度應(yīng)滿足超車車輛在不影響行車道上車輛正常行駛的情況下，進(jìn)入、駛出開放路段及超車所需要的總長(zhǎng)度，通常根據(jù)公路等級(jí)的不同、交通量的大小、可能超車的車輛數(shù)等因素確定.設(shè)置過(guò)長(zhǎng)會(huì)降低超車的效率，過(guò)短未給予超車充足的時(shí)間存在嚴(yán)重的安全隱患.本文將在定性分析工程因素的前提下，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)定量分析仿真數(shù)據(jù)以確定車道長(zhǎng)度.

開放路段間距，特指高速公路改擴(kuò)建期間借用應(yīng)急車道設(shè)置相鄰兩開放車道間的直線距離，不小于超車的最短安全距離.設(shè)置開放路段有利于快速疏散長(zhǎng)時(shí)間被慢車壓制的緊急車輛，在一定程度上緩解瓶頸路段延誤.但道路順暢時(shí)，設(shè)置距離相近的多個(gè)開放路段贅余且效率低下，所以如何定距也是仿真過(guò)程中值得研究的問(wèn)題.

2.2 模型標(biāo)定

現(xiàn)有VISSIM模型中的參數(shù)缺省值根據(jù)德國(guó)交通情況設(shè)定，不同地區(qū)、不同研究對(duì)象的交通特性存在顯著差異，為了使仿真結(jié)果如實(shí)反映國(guó)內(nèi)道路情況，在仿真前必須先進(jìn)行微觀參數(shù)的檢驗(yàn)和標(biāo)定.本文提出參數(shù)選取依據(jù)和指標(biāo)參數(shù)集組合，應(yīng)用微觀參數(shù)敏感性分析與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的校正方法，梳理并完善為適合于改擴(kuò)建高速模型的校正流程，以保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確性.

1)敏感性分析 敏感性分析實(shí)質(zhì)是科學(xué)的確定對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)關(guān)系密切的待標(biāo)定指標(biāo)及參數(shù)集，考慮到數(shù)據(jù)采集的便捷性，盡可能排除對(duì)標(biāo)定指標(biāo)敏感性較低的微觀參數(shù)，以減少標(biāo)定工作量.通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，選取流量、平均速度、延誤、行程時(shí)間和排隊(duì)長(zhǎng)度五個(gè)標(biāo)定指標(biāo)和14個(gè)微觀參數(shù)，組合成不同水平的參數(shù)指標(biāo)集，以開展敏感性分析工作，取值范圍參考Widemann-99模型.

表1 微觀參數(shù)及其取值范圍表

2)參數(shù)標(biāo)定 本文選擇正交試驗(yàn)法，在試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合(待標(biāo)定參數(shù)已由敏感性分析得出)，利用正交表來(lái)安排與分析多因素試驗(yàn)，參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)方案共有9個(gè)，每個(gè)方案分別在不同的隨機(jī)種子下運(yùn)行五次，找出最優(yōu)的水平組合.最終通過(guò)極差分析和最優(yōu)解的判定，可得期望車速標(biāo)定見表8，微觀參數(shù)標(biāo)定結(jié)果為：CC1=1，CC2=5，CC7=0.6，CC8=7，其他參數(shù)保持缺省值不變.

表2 期望車速標(biāo)定表 單位：km/h

2.3 方案設(shè)計(jì)

仿真階段，首先在兩種水平的飽和度下按照原方案仿真；然后利用部分車道布設(shè)開放路段仿真方案一仿真；之后開放全部應(yīng)急車道進(jìn)行方案二；最后將三種方案的最優(yōu)值對(duì)比研究，評(píng)價(jià)確定合理的綜合利用應(yīng)急車道方案.流程見圖2.

圖2 仿真方案設(shè)計(jì)流程圖

車輛跟馳換道通常是在多車道駕駛環(huán)境中，車輛為了超越前車進(jìn)行兩次換道的駕駛行為，包括強(qiáng)制換道和主動(dòng)換道，前者指車輛為了到達(dá)路徑定義的車道而采取的必要換道行為，后者指車輛為了獲得更高的行駛速度而進(jìn)行的自由換道行為.利用高速公路應(yīng)急車道進(jìn)行跟馳換道需要滿足三個(gè)距離條件：主線慢速跟隨行駛的后車擁有換道距離、應(yīng)急車道上快速超車的行駛距離和行駛至應(yīng)急車道末端回主線距離，所以高速公路應(yīng)急車道的開放設(shè)計(jì)應(yīng)保證車輛超車的安全性，駕駛員必須看到前方足夠距離的車流空隙，才有機(jī)會(huì)變換車道超車，否則只能一直被動(dòng)跟馳行駛.

Harwood等[11]在研究報(bào)告中總結(jié)部分現(xiàn)有模型的超車視距值，但未完成超車與放棄超車之間的平衡，不適合我國(guó)雙車道公路.本文重新計(jì)算不同時(shí)速下的最小超車視距，考慮到對(duì)向來(lái)車的影響，且實(shí)際行駛速度往往大于《規(guī)范》限速80 km/h，超車視距隨之增加，所以仿真中以550 m為基礎(chǔ)搭建模型進(jìn)行仿真，研究確定開放應(yīng)急車道尺寸設(shè)計(jì).對(duì)比方案一中參數(shù)變量包括開放路段的長(zhǎng)度、間距和數(shù)目，以研究對(duì)不中斷交通高速公路交通流的影響.中低、高飽和度兩種水平單向輸入交通量，開放路段長(zhǎng)度以超車視距550 m為基礎(chǔ)，從600～1 000 m以100 m為間隔依次向上遞增，共12組，尋最優(yōu)解.確定最優(yōu)長(zhǎng)度后，增加開放路段數(shù)目至兩到三個(gè)，考慮到高速公路上車速較快，頻繁超車和橫向變道會(huì)大大降低通行效率，嚴(yán)重影響正常行車的舒適性和過(guò)渡段安全性，故設(shè)置間距分別為1 000，2 000，3 000 m，再次進(jìn)行12組仿真，分析得最優(yōu)方案.

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)效率指標(biāo) 交通流效率意指交通的時(shí)效性，可以有效反映該路段交通流運(yùn)行效率.由于特殊交通環(huán)境下的交通組織、繞向頻率、限速取值、行車環(huán)境等均有變化，本文根據(jù)改擴(kuò)建保通期間車輛橫向借道超車過(guò)程的交通流特性，選擇行程時(shí)間和平均延誤作為效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，車輛實(shí)際行程時(shí)間越短、在分合流處延誤時(shí)間越少，代表交通流效率越高、道路通行能力越強(qiáng).

2)安全指標(biāo) 交通安全旨在減少車輛間不必要的相互干擾，是保障高速公路改擴(kuò)建順利進(jìn)行的關(guān)鍵.綜合考慮改擴(kuò)建高速公路交通組織的特殊性，本文選取沖突率和服從率作為安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義沖突數(shù)為分、合流段及橫向借道超車時(shí)與其他相鄰車輛產(chǎn)生潛在危險(xiǎn)事故的數(shù)量，沖突率越低代表該方案不間斷交通安全性越好；服從數(shù)為遵從變道的車輛數(shù)，服從率值高代表超速車輛少安全性好.本文采用便捷高效的間接安全沖突法，SSAM軟件進(jìn)行交通運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)分析，以python算法對(duì)輸出的運(yùn)行軌跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)交互狀態(tài)變化次數(shù)，即可得到不間斷交通轉(zhuǎn)換帶的沖突類型，以此分析交通安全沖突.

3 開放應(yīng)急車道仿真研究

3.1 開放路段長(zhǎng)度仿真評(píng)價(jià)

設(shè)置單個(gè)開放路段，長(zhǎng)度以550 m為基礎(chǔ)，從600～1 000 m每100 m為間隔依次向上遞增.圖3a)反應(yīng)不同開放路段長(zhǎng)度對(duì)通行效率影響，中低飽和度時(shí)隨著開放路段的增加，行程時(shí)間和延誤均無(wú)明顯變化，設(shè)單個(gè)開放路段對(duì)原交通流幾乎無(wú)影響；高飽和度時(shí)兩者皆呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，在開放路段長(zhǎng)度為700 m時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，即為此情況下的最優(yōu)值.圖3b)對(duì)行車安全性影響研究，沖突率低且服從率高表明行車安全性好，圖中可以看出，沖突率多集中在7%～8.5%范圍，服從率高于96%，開放路段長(zhǎng)度增加時(shí)，整體為上升趨勢(shì)，1 km長(zhǎng)度時(shí)達(dá)到最高安全性最好.綜上，開放應(yīng)急車道過(guò)短會(huì)導(dǎo)致超車視距不足，最優(yōu)組合為：中低飽和度時(shí)開放路段長(zhǎng)1 000 m和高飽和度時(shí)開放路段長(zhǎng)度700 m方案.

圖3 不同開放路段長(zhǎng)度通行效率和安全性評(píng)價(jià)

3.2 開放路段間距及數(shù)目仿真評(píng)價(jià)

在開放路段長(zhǎng)度最優(yōu)解集基礎(chǔ)上，增設(shè)開放路段數(shù)目并改變間距為1，2和3 km再次仿真.圖4a)為不同開放路段間距對(duì)通行效率的影響研究，中低飽和度時(shí)行車時(shí)間和延誤均較低，借助應(yīng)急車道設(shè)置開放路段有利于提高行車效率；高飽和度時(shí)兩開放路段的行車效率隨間距增加而升高，間距為3 km時(shí)，行程時(shí)間是三開放路段的三分之二，車均延誤低于其他方案，設(shè)置三個(gè)開放路段時(shí)反之，這是由于車輛在極短距離內(nèi)借道超車再加速行駛回原車道，變化頻率高行車狀況不穩(wěn)定.圖4b)為不同開放路段設(shè)置間距對(duì)安全性影響研究，中低飽和度時(shí)設(shè)置兩個(gè)開放路段安全性在2～3 km時(shí)較高，設(shè)置三個(gè)開放路段時(shí)間距的增大有利于安全性的提高；高飽和度時(shí)隨間距增加安全性降低，不考慮同一施工路段設(shè)置三個(gè)開放路段，車輛狀態(tài)變化幅度過(guò)大，通行效率和安全性協(xié)同性較弱.綜上，中低飽和度下選擇兩個(gè)路段間距為3 km的方案，行車效率高、穩(wěn)定性好.

圖4 不同開放路段間距通行效率和安全性評(píng)價(jià)

3.3 綜合利用應(yīng)急車道的仿真評(píng)價(jià)

三個(gè)仿真方案對(duì)比結(jié)果見圖5.通行效率方面，完全利用應(yīng)急車道在中低飽和度時(shí)最高，此時(shí)路段全部開放交通流最為順暢高效；部分利用應(yīng)急車道較為特殊，中低飽和度時(shí)開放路段有利于疏散交通流，但高飽和度時(shí)通行效率最低，很大原因在于變道頻繁易造成開放路段進(jìn)、出口擁堵.安全性方面，中低飽和度時(shí)，全部開放應(yīng)急車道最高、借助部分應(yīng)急車道設(shè)開放路段次之、不利用應(yīng)急車道的單向單車道最低；高飽和度時(shí)，開放全部應(yīng)急車道安全性最好，部分開放與不開放應(yīng)急車道相等.由此說(shuō)明，應(yīng)急車道的設(shè)置極大可能限制了車輛行駛效率，存在較多安全隱患；合理利用應(yīng)急車道有利于提高通行效率、減少事故發(fā)生.

圖5 不同飽和度下三方案結(jié)果比較

總體而言，中低飽和度的道路交通狀態(tài)明顯好于高飽和度，高速公路改擴(kuò)建期間限制流量十分必要，這與現(xiàn)實(shí)認(rèn)知相同.仿真得知，道路施工保通期間，中低飽和度下綜合利用應(yīng)急車道設(shè)合理的開放路段，在一定程度上能起到增加通行效率和安全性的功能；高飽和度下同一應(yīng)急車道設(shè)置多開放路段存在風(fēng)險(xiǎn)，可以開放全部車道作為正常行車道保通.

本文以微觀仿真模擬駕駛技術(shù)作為研究手段，結(jié)合SSAM交通沖突評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)了改擴(kuò)建期間實(shí)測(cè)試驗(yàn)安金風(fēng)險(xiǎn)大的缺點(diǎn).為使仿真實(shí)驗(yàn)貼近實(shí)際情況，末來(lái)有條件還將考慮開放應(yīng)急車道的視認(rèn)環(huán)境影響因素，針對(duì)不同類型的路況形式展開研究，補(bǔ)充駕駛員不良駕駛行為、主觀感受及交通事故等評(píng)價(jià)指標(biāo)，迸行必要的高速公路環(huán)境驗(yàn)證.

4 結(jié) 論

1)部分開放應(yīng)急車道需考慮開放路段的長(zhǎng)度、間距、數(shù)目和位置等因素變化對(duì)交通流的影響.在較為安全的中低飽和度下，通行效率隨著開放路段長(zhǎng)度的增加而提高，長(zhǎng)度1 000 m方案最優(yōu)；高飽和度下通行效率和安全協(xié)同性先下降后上升，路段長(zhǎng)度700 m時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，同時(shí)安全性較好，即最優(yōu)方案.

2)在長(zhǎng)度最優(yōu)解基礎(chǔ)上，增設(shè)開放路段并改變其間距，中低飽和度時(shí)兩個(gè)開放路段長(zhǎng)度1 000 m間距3 000 m的方案最優(yōu)；高飽和度時(shí)通行效率隨開放路段間距的增加而減少.不考慮同一施工路段設(shè)置三個(gè)開放路段.

3)三種方案適應(yīng)性對(duì)比發(fā)現(xiàn)，綜合利用應(yīng)急車道能增加通行效率和安全性，中低飽和度情況下適合開放部分應(yīng)急車道，高飽和度下應(yīng)急車道全部開放優(yōu)于部分開放和不開放.