基于VISSIM仿真的快速路出口控制方式研究

杨艳群， 胡爱秀， 陈少惠， 郑新夷

(1.福州大学 土木工程学院， 福州 350108； 2.福州大学 人文社会科学学院， 福州 350108)



基于VISSIM仿真的快速路出口控制方式研究

杨艳群1， 胡爱秀1， 陈少惠1， 郑新夷2

(1.福州大学 土木工程学院， 福州 350108； 2.福州大学 人文社会科学学院， 福州 350108)

针对当前城市快速路普遍存在的出口匝道控制问题，采用VISSIM仿真软件，根据城市快速路的出口匝道交通特性，对软件的交通模型参数进行标定，运用二分法及控制变量法获得匝道出现停车的交通量临界值，确定基于出口匝道交通情况的辅路交通量和主路交通量综合分区图. 在此条件下，选取辅路延误和主路延误为评价指标，以福州市南二环快速路首山出入口交通控制为研究对象，针对分区图的不同阶段，分别进行辅路车辆让行主路车辆控制、出口辅路感应控制、现状仿真研究，结果表明：畅行阶段采用不控制方式，缓行及拥堵级别II阶段采用出口辅路感应控制方式，拥堵级别较高阶段采用辅路车辆让行主路车辆或关闭出口匝道方式.

快速路； 出口匝道； VISSIM仿真； 交通量分区图； 控制方式

0 引言

作为城市道路网主骨架和城市快速交通未来发展取向的主体，城市快速路在城市道路网系统中占据着十分重要的地位. 城市快速路是解决城市交通拥堵问题的重要手段，保证快速路的快速、高效运行对城市交通的有效运行具有重要意义. 但近年来，随着交通需求量激增，道路设计几何瓶颈或受突发事件的影响极易导致快速路主线交通拥挤甚至“瘫痪”[1-2]. 以福州市为例，市中心区城市功能高度集中，二环路由疏解过境交通转变为服务周边城市发展，导致二环路主线通行能力不足，局部路段交通拥堵常态化. 在造成拥堵的众多因素中，出口匝道车辆排队上溯到主路使得主路交通瘫痪是主要原因[3]. 目前已有的研究中，关于城市快速路出口匝道控制的研究相对较少，对出口的不同情况也没有较完善的研究. 因此，对城市快速路出入口实际交通特性进行探索，借鉴高速公路出口控制方案，从出口匝道交通控制的角度缓解城市快速路的拥堵问题[4]，这对提高快速路的服务水平和通行能力具有重大意义.

1 交通状态拥堵分区图

类比事故次数和事故率综合法，综合考虑主路交通流量和辅路车道交通流量，划分出兼顾主路和辅路交通量的不同拥堵性区域[5]. 以辅路交通量作为横坐标、以主路交通量作为纵坐标，根据主路和辅路交通量临界值，划分出不同的拥堵区域，见图1，右上角的矩阵单元是最拥堵区域，也是出口匝道、主路交通状态受辅路流量干扰最大区. 区域划分不采取平均比例，而按实际辅路交通量与主路交通量的比例确定. 辅路交通量和主路交通量综合法示意图如图1所示，主路交通量和辅路交通量的临界值通过VISSIM仿真，结合二分法和控制变量法得到. 该理论的优势在于兼顾了主路交通量和辅路交通量，可直观地判断不同交通量情况下的拥堵状态，针对不同的交通量阶段，快速路出口相应采用不同的控制方法.

图1 辅路交通量和主路交通量综合法示意图

2 VISSIM仿真实验

2.1 仿真实验目的

1)获得匝道排队临界交通量.

2)对比辅路交通量对出口匝道延误及快速路其他车道的延误，获得临界交通量1，当辅路超过这个交通量时，出口匝道出现排队现象；临界交通量2，在未达到该交通量时，匝道不受辅路交通量影响或受影响很小；临界交通量3，超过该交通量时，影响变化幅度很小，或几乎不变. 即通过仿真手段获得辅路交通量对出口匝道交通运行的影响.

3)考察主路交通量变化时对出口匝道及辅路交通运行的影响.

为达到以上仿真目的，仿真试验因素选用：主路交通量、辅路交通量. 评价指标为出口匝道延误与系统总延误及辅路延误时间.

2.2 仿真模型标定

考虑到VISSIM仿真软件是由国外引进，由于我国城市道路交通的主要特征与国外城市交通的差异，需对仿真模型进行标定，选用参数包括道路几何条件、车辆组成、期望车速及出口环境.

根据快速路的道路几何特征，在VISSIM中建立路网，确定主路和辅路车道数以及车道宽度，设置出口匝道交通量和主路到达交通量的比例. 车辆组成根据具体实测数据进行标定.

期望车速是指在一定的道路条件下，不受或基本不受其他车辆的约束、车辆自由行驶状态下将采用的车速. 在VISSIM软件中是通过期望车速来控制车辆在不同路段的运行速度. 用自由交通流状态下各类小汽车在车速累计分布曲线上第85位百分点的车辆行驶速度作为期望车速.

在国内城市道路中，非机动车对机动车的干扰相比于国外较大，尤其是当辅路机动车道和非机动车道没有硬性隔离，其干扰更为严重. 因此，出口环境通常以电摩作为主要干扰因素.

2.3 感应控制的设置

基于感应控制理论，在出口匝道辅路处安装信号灯，适当截止辅路车流，保证出口匝道车辆优先驶出. 采用信号灯控制后，绿灯期间，辅路车辆和出口匝道车辆同时向下游行驶，红灯期间，辅路车辆在停车线排队等待，而出口匝道车辆正常驶出[7-9].

VISSIM交通模拟器中，含有感应控制模型. 文中选取半感应控制，在主辅路上布设检测器. 出口匝道感应检测器(这里设为D1)的布设位置，主要考虑出口匝道车辆车速、辅路车速及系统反应时间等因素[10-13]，其具体确定方法如式(1)：

(1)

其中：L1为出口匝道感应检测器距D1出口匝道的距离(m)；L2为辅路停车线距出口匝道的距离(m)；t0为系统反应时间(s)，即接收到感应信号等信号灯起亮时间；Δt为安全间隔时间(s)；v1为出口匝道车辆车速(m/s)；v2为辅路车辆车速(m/s).

出口匝道辅路排队检测器D2布设在辅路上，距出口匝道30～50 m. 辅路检测器D3、D4可以布设在距辅路停车线20～30 m处.

辅路最小红灯时间的设置是为了截止辅路车辆保证检测器检测到的主路驶出车辆优先进入辅路，提高驶离车辆的驶出效率. 辅路最小红灯时间确定方法如式(2)：

(2)

其中：L1为D1到出口匝道距离(m)；v1为出口匝道车辆速度(m/s).

3 实例分析

3.1 首山路口道路概况

福州市南二环快速路首山路出口路段为中间设置快速路主路，两侧设辅路，主、辅路间通过绿化带分隔，辅路有辅助车道的平行式城市快速路出口. 根据实地调查，得南二环首山路出口几何图如图2所示；道路几何特征如表1所示.

图2 南二环快速路首山路出口几何图

出口类型单出口匝道，主辅路匝道连接为平行式，出口辅路为三车道主路车道宽度1(右)2(中)3(左)最右侧为车道1，递推35m35m35m辅路车道宽度1(右)2(中)3(辅助车道)最右侧为车道1，递推35m35m-减速车道长度145m渐变段长度60m出口匝道长度50m

3.2 首山路口交通量现状

根据调查，首山路口高峰期为17：00—18:00. 首山路口交通现状如图3所示. 采用雷达测速仪进行速度采集，处理得到首山路口的车辆速度如表2所示；以人工计数法调查路口的高峰小时交通量，结果如表3所示.

3.3 仿真过程及结果

根据首山路口的道路几何特征表1，在VISSIM中建立路网，辅路一般路段为双车道，出口处设置辅路附加车道，即出口处辅路为三车道；车道宽度均为3.5 m；以直线线型为主；主路一般路段为三车道，出口处设置附加车道，宽度均为3.5 m；直线线型. 车辆组成根据表3进行标定：辅路大车比例为0.56%，辅路摩托车比例为72.91%，主路大车比例为4.78%. 出口匝道交通量∶主路到达交通量=1∶6. 期望车速则根据表2进行标定.

图3 南二环出口及辅路交通现状图

表3 福州南二环首山路口高峰小时交通量

3.3.1 主路交通量对系统的延误分析

控制辅路交通量不变，通过改变主路交通量来分析主路交通量对出口匝道车辆、主路、辅路的延误. 仿真结果以折线图的形式来处理，仿真时间设为600 s，设置主路到达量为2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 veh/h，延误分析图如图4～图6.

图4 辅路交通量为1 000 veh/h时延误分析图

图5 辅路交通量为2 000 veh/h时延误分析图

图6 辅路交通量为3 000 veh/h时延误分析图

根据上述仿真结果，辅路交通量一定时，主路流量达到3 000 veh/h前，其对出口匝道、主路的延误影响变化幅度很小，延误也较小；超过3 000 veh/h后，无论是出口匝道还是主路延误都发生较大的变幅. 由图中也可以获得，主路的流量对出口匝道的延误影响最大，对主路的通过车辆延误也有一定的影响，但对辅路的延误影响几乎为0.

3.3.2 辅路交通量对系统的延误分析

考虑到辅路交通中摩托车及电动自行所占比例较大，为73.5%，所以在仿真参数设定中对这两类交通量给予标定，电动自行车的速度与摩托车的差值不大，可通过设置摩托车的期望速度来实现. 延误分析同主路交通量对系统的延误分析，控制主路交通量不变，通过改变辅路交通量来分析辅路交通量对出口匝道车辆、主路车辆及辅路的延误. 仿真结果以折线图的形式来处理，仿真时间设为600 s，设置辅路到达量为1 000、2 000、3 000、4 000 veh/h，延误分析图如图7～图9.

图7 主路交通量为2 000 veh/h时延误分析图

图8 主路交通量为3 000 veh/h时延误分析图

图9 主路交通量为4 000 veh/h时延误分析图

根据上述仿真结果，主路交通量一定时(当主路流量为1 000 veh/h时，辅路对出口匝道几乎没有影响，不予考虑)，辅路流量达到3 000 veh/h前，其对出口匝道、主路的延误影响变化幅度小，延误也较小；超过3 000 veh/h后，出口匝道延误急剧上升. 由图中也可以获得，辅路的流量对出口匝道影响较大，对主路的通过车辆延误影响几乎为0，对辅路车辆延误的影响呈上升趋势.

3.3.3 匝道排队形成的临界交通量

选用不同的主辅路交通量作为输入量，以匝道车辆平均停车时间作为输出条件，通过二分法来获得临界交通量，用VISSIM仿真的方式进行二分法的过程如表示：

表4 二分法求临界交通量过程表

由表4可以看出，辅路交通量2 000 veh/h，主路交通量3 000 veh/h，为匝道排队出现的临界交通量组合. 同时考虑当只受主路交通量影响时(辅路交通量设为1 000 veh/h)，临界的主路交通量为4 000 veh/h. 根据上述临界值，确定出口交通状态拥堵性分区的临界交通量，分区图如图10所示：

图10 辅路交通量和主路交通量综合分区图

由于出口匝道辅路调节可以根据交通流的运行状态(畅行、缓行、拥堵)确定相应的控制方法. 在畅行时段，对出口辅路不设置信号灯控制. 在缓行及拥堵级别II时段，可以采用感应控制. 该图对快速路出口的交通情况进行了分区，为快速路控制方式的使用提供了控制区域.

4 三种控制方式对比分析

4.1 首山路口感应控制方案

根据首山路口的几何特征及交通调查数据，利用式(1)(2)得到：辅路停车线距出口匝道的距离L2=5 m，出口匝道车辆车速v1=50.9 km/h=14.1 m/s，辅路车辆车速v2=45 km/h=12.5 m/s，系统反应时间t0=2s，安全间隔时间Δt=3 s；出口匝道感应检测器距出口匝道的距离L1=80 m. 又已知车辆驶出出口匝道速度v3=12.5 m/s. 则辅路最小红灯时间Rmin取整得Rmin=7 s.

辅路单位红灯延长时间R0取值，与一般感应控制不同，辅路的控制只是在对出口匝道影响上进行控制，所以单位延长时间的设置可以小于辅路最小红灯时间. 这里取为5 s.

出口匝道辅路排队检测器D2布置的位置：布置在辅路上，距出口匝道50 m处. 辅路检测器D3、D4的布置位置：布置在距辅路停车线25 m处.

4.2 三种控制方案仿真评价

首山路口不同控制方案评价选用平均延误作为评价指标，用有无对比法进行比较分析.

由3.3仿真分析可知，在畅行阶段，主辅路的流量都较小，辅路的车流对出口匝道车辆延误的影响很小或几乎没有影响，不需采用控制方式. 因此，下文分别对后2个阶段采取辅路让行主路出口匝道，辅路出口匝道感应控制，保持原状进行仿真，并将延误进行比较分析.

4.2.1 拥堵级别I阶段仿真

拥堵级别I位于辅路交通量和主路交通量综合分区图的右上角，仿真时用最大的流量值来进行，这样便于3种控制方式的比较，因此设主路流量6 000 veh/h，辅路流量为4 000 veh/h. 仿真输出为出口匝道车辆平均延误时间、主路通过车辆延误时间、辅路车辆平均延误时间、整个出口系统车辆平均延误时间，见表5.

4.2.2 缓行及拥堵级别II阶段仿真

由辅路交通量和主路交通量综合分区图可知，缓行及拥堵级别II阶段主路交通量和辅路的交通量介于畅行阶段与拥堵级别I阶段之间. 仿真时，主路流量为5 000 veh/h，辅路流量为3 000 veh/h. 以出口匝道车辆平均延误时间、主路通过车辆延误时间、辅路车辆平均延误时间、整个出口系统车辆平均延误时间4个评价指标值为仿真输出，见表6.

表6 缓行及拥堵级别II阶段延误汇总表 s

通过对出口交通情况仿真实验分析，可得结论：交通情况为畅行时，可以直接保持现状，不用采取其他控制方式；交通情况为拥堵级别较高时，采用辅路让行主路的形式较佳. 同时，当主路出口匝道交通量较小时，可以采用出口匝道让行辅路来降低辅路的延误. 这时若采取感应控制，虽然主路及出口匝道的延误有所改善，但辅路产生排队迅速汇集，使得辅路延误增大，致使整个系统的总体平均延误增加，不提倡使用感应控制. 交通情况为缓行及拥堵级别II阶段时 ，采用让行可以增大主路的通行效率，但通常让行还要考虑驾驶员的素质及心理，在高峰期，一般会出现互不相让的情形，所以建议采用信号控制规范驾驶员的行驶行为，感应控制对主路延误及出口匝道延误都有减小的作用，兼顾辅路车辆的延误.

5 结论

本文提出应用VISSIM仿真软件，结合二分法获得快速路出口匝道出现停车的主路和辅路交通量临界值，对快速路出口的交通情况进行分区，从而得到不同控制方式的交通量临界值. 文中以福州市二环快速路首山路口控制方式为例，利用该研究方法得到首山路口的辅路交通量和主路交通量综合分区图，并针对不同的分区阶段进行不同控制方式的VISSIM仿真对比分析，结果表明：畅行阶段采用不控制方式，缓行及拥堵级别II阶段采用出口辅路感应控制方式，拥堵级别较高阶段采用辅路车辆让行主路车辆或关闭出口匝道方式. 该方法能为确定快速路出口匝道的控制方式提供参考.

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Study on Off-Ramp Metering of Expressways Based on VISSIM Simulation

YANG Yan-qun1， HU Ai-xiu1， CHEN Shao-hui1， ZHENG Xin-yi2

(1.College of Civil Engineering of Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China;2.College of Humanities and Social Science of Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China)

In view of the current control problems of off-ramp on urban expressway, traffic simulation software VISSIM is applied. According to the traffic characteristics of the off-ramp to expressway, the parameters of traffic model are categorized. Then this paper uses dichotomy and control variables to obtain the thresholds as vehicles start queuing at exit ramps, and draws a comprehensive zoning map based on the side roads and the main road traffic flow. By selecting delay of main and side road as accessing indices, taking the traffic control mode of the Shoushan entrance of South Second Ring Expressway in Fuzhou as an example, on account of the different stages of the comprehensive zoning map, a few following simulation analyses were performed: the vehicles on the main lanes have priority; simulation of off-ramp metering signal; existing condition simulation. The simulation results show that optimal control methods, which use no metering.

expressway； off-ramp； VISSIM； traffic zoning map； off-ramp metering

10.13986/j.cnki.jote.2015.04.002

2014- 12- 15.

福建省交通运输厅2012年科技研究项目，编号201229

杨艳群(1969—)， 男， 硕士， 副教授， 研究方向为交通安全、交通规划. E-mail:yangyanqun@fzu.edu.cn.

U 491.4

A

1008-2522(2015)04-08-06