城市道路车道缩减区通行效率仿真分析

资 葵,龙科军,吴 伟,蒋立波

(1.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410004;2.长沙理工大学 能源与动力工程学院,湖南 长沙 410004)

城市道路车道缩减区通行效率仿真分析

资 葵1,龙科军1,吴 伟1,蒋立波2

(1.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410004;2.长沙理工大学 能源与动力工程学院,湖南 长沙 410004)

针对城市道路车道缩减现象,以4种常见类型的城市道路缩减区为例,建立VISSIM仿真模型。在40,50和60 km/h速度下,分析4种不同类型道路缩减区的通行能力、车均延误、平均停车次数及排队长度4个指标在不同饱和度下的变化特征,以此来评价4种常见缩减区在3种速度下的通行效果。仿真结果表明:排队长度达到临界饱和度后,将急剧线性增加。计算了各类型缩减区正常工作的临界饱和度限制值,给出不同类型缩减区速度的推荐值。

车道缩减区;通行效益;城市道路;仿真评价

由于道路红线变窄、道路施工及突发交通事故等原因,导致城市道路可用于正常通行的车道数减少,称之为车道缩减。车道缩减普遍存在于城市道路中,由于道路缩减区通行能力突变,当交通需求较大、交通饱和度较高时,将严重影响正常的交通通行,导致车辆排队急剧增长,甚至影响相交道路,导致网络交通流运行受阻和通行延误等问题。

因城市道路车道缩减而造成交通拥堵的现象屡见不鲜。针对车道缩减区对通行能力的影响,许多学者进行了研究。柳广兴[1]等人通过分析各国通行能力标准,采用通行量和通过率指标,建立了通行能力的评价模型。宋涛[2]等人采用交通波原理模型,运用Vissim和Matlab等软件,得到了通行能力的影响程度。祁文洁[3]根据实际交通现状,进行数据采集,采用曲线拟合回归和Vissim等方法,得到了高速公路施工区各区段通行能力。孙曼[4]等人采用数据统计方法,建立了相应的模型。运用Excel软件,进行作图和求解,得到了路段上游通行能力与道路实际通行能力及事故持续时间的关系。针对缩减区交通流特性方面研究,郭啸峰[5—6]等人对施工区道路交通流特性进行了分析,并采用元胞自动机模型仿真施工区道路,采用位韦布尔修正分布模型对新增移位系数取值,对施工区路段的交通流特性进行定量和定性研究。巩建图[7]针对车道缩减区交通管理方面,通过分析交通参与要素,总结缩减区的秩序和设计技术,并采用相应交通组织方法,得到了决策、诱导、监测及完善等保障策略。代振环[8]针对交通组织方面,通过结合TransCAD和Vissim等软件,得到了施工期间最优交通组织方案。雷星[9]通过分析交通流特性,提出相应交通组织策略和优化设计的方法。Chun[10]等人针对公路网建设之间的因果关系及其对区域产业结构的影响、区域经济发展和行业变化进行了研究。针对交通维持和保护计划运行影响方面,建立了相应的仿真模型。并采用动态随机分配的仿真技术,进行了对比分析。但在研究缩减道路时还存在着不足之处:①已有研究在评价城市缩减区通行效益时,大多仅采用通行能力指标,对平均停车次数、车均延误及排队长度等指标的演变趋势分析较少,且缺少考虑道路速度指标的相关研究;②对道路缩减区仿真分析的研究相对较少,由于道路交通流存在不确定性和随机性,采用仿真可以模拟不同缩减区的情况,能最大程度模拟城市道路缩减区的交通运行情况。为了更全面地评价城市道路通行效益,作者拟针对车道缩减区通行能力的影响问题,建立VISSIM仿真模型,分析4种常见车道缩减区在不同道路速度下通行能力、延误、平均停车次数及排队长度等指标的动态演化趋势,对车道缩减区的通行效益进行评价,给出不同类型道路缩减区的限速。

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缩减区更易形成且数量居多,又因市区存在早、晚高峰期,使城市道路缩减区变得更复杂,更需进行相关研究。

1.1 模型的建立及原理

VISSIM是一款成熟的微观交通流仿真软件。该软件自1992年进人市场以来,在行业中一直处于领先地位。VISSIM既可以仿真出道路交通运行状况,又能输出如:车辆数、延误、平均停车次数及排队长度等统计数据,因此,本研究结合目前城市道路中存在的4种常见车道缩减区,使用VISSIM软件,建立相应的路网仿真模型。在VISSIM软件中,分别建立2车道缩减为1车道、3车道缩减为2车道、4车道缩减为2车道及4车道缩减为3车道的仿真模型。

取仿真步长0.1 s,将车辆运行速度分别设置成40,50和60 km/h进行仿真,每次仿真连续运行4 200 s,统计后3 600 s的数据。为模型交通流随机到达,每次仿真取不同的随机数种子(Random Seed)运行10次,取结果的平均值。

1.2 交通特性分析

城市道路特性的改变会对城市道路交通特性产生影响。城市道路特性分为2类:道路路段的特性和道路交叉口特性。城市道路施工期间路面情况和道路数量等发生了变化,此时,对车辆的加、减速会产生一定的影响;因道路数量减少,通行能力降低,对居民出行的安全系数也会产生一定的影响。车流量的不同对车辆进人缩减区速度、加速度及车视距等影响程度也不同。因此,本研究以平峰期和高峰期的车流量为例,对缩减区车辆交通特征进行分析。

由于道路数量存在突然减少,车辆在驶人道路缩减区前就会进行相关的加速或减速措施,在靠近缩减区时表现得更为明显。本研究以长沙市黄土岭一大型主路段处因施工而形成道路缩减区为例,对该主路段所形成的各类缩减区平峰期和晚高峰期的交通流状况进行了实地拍摄。为了显示车流量对车道缩减区通行效益的影响,取各缩减区车流量在晚高峰期的相对较大流和平峰期的相对较小流前10 m为调查区域,运用相关软件,对车辆通过该缩减区晚高峰期和平峰期的情况进行分析,得到各缩减区平峰期和缩减区高峰期速度和加速度的变化特征。随机抽取其中一个缩减区并从该缩减区中随机抽取2辆车分别在车流量为平峰期和高峰期进行对比,抽查结果为2车道缩减为1车道缩减区中的两辆车辆,具体变化特征为:

1)平峰期缩减区

经调查,平峰期缩减区车辆的速度和加速度与时间的关系分别如图1,2所示。

图1 平峰期缩减区车辆速度与时间的关系Fig.1 The relationship between the speed of the vehicle and the time in the flat peak period at reduction zone

图2 平峰期缩减区车辆加速度与时间的关系Fig.2 The relationship between the acceleration of the vehicle and the time in the flat peak period at the reduction zone

从图1,2中可以看出,平峰期车辆从缩减区前10 m处进人缩减区花费2.4 s,在接近缩减区时会降低速度。因车流量较少,降低速度后又快速提高速度驶人缩减区。

2)高峰期缩减区

经调查,高峰期缩减区车辆的速度和加速度与时间的关系分别如图3,4所示。

从图3,4中可以看出,高峰期车辆从缩减区前10 m处进人缩减区花费28.4 s,在接近缩减区时会降低速度。因车流量较大,此时,车辆会频繁地进行加、减速度,缓慢驶人缩减区。

因此,在城市道路车道缩减区,车流量的不同对道路通行所产生的影响也不同,道路车流量越大,缩减区车辆的交通特性越复杂。

图3 高峰期缩减区车辆速度与时间的关系Fig.3 The relationship between the speed of the vehicle and the time in the peak period at the reduction zone

图4 高峰期缩减区车辆加速度与时间的关系Fig.4 The relationship between the acceleration of the vehicle and the time in the peak period at the reduction zone

1.3 基于驾驶行为的车道缩减区车道变化模型

在城市道路车道缩减区,车辆变换车道属于常见的现象。车辆的换道与跟车行为是驾驶员在行驶过程中根据道路上车辆实际速度和间距等一系列信息变化作出分析,并最终驾驶车辆驶出目标区域的过程[5]。驾驶员变换车道的过程分为3个阶段:①驾驶员产生变换车道的意念;②驾驶员通过前方因素判断后认为换道可行;③驾驶员换道行为的实施[12]。因此,车道的变换模型是相互制约的过程,只有满足第一个阶段才会有第二阶段的产生,只有满足第二个阶段才会出现车辆变换车道的行为。该模型需要考虑自由流和约束流[13]在车流状态下变换车道所需要的条件及其所需变换车道前、后车辆之间的净距等。

1.3.1 车道变换模型

城市道路车道缩减区中,车道的变换模型需要考虑在不同的车流状态下,其换道的行为也会相应不同[14]。当S＞S临且L1＞L1max时,车辆处于自由状态;当S＜S临且L1＜L1max时,车辆处于约束状态。其中:S为车辆与前车的间距;S临为车辆变换到目标车道时需要与前车之间保持间距的临界值;L1为目标车道的前净距;L1max为目标车道前净距的最大值。

1)车辆处于自由状态下的车道变换模型:道路上车辆之间的间距较大,由于所需换道的车辆不受前车的约束,此时驾驶员可根据需求或喜好变换车道。在本模型中,车辆根据自己的需求和喜好换到相应车道上后再进行换道的需求不大。

2)车辆处于约束状态下的车道变换模型:道路上交通流密度较大,驾驶员在行驶换道的过程中受到了前车与目标车道上车辆的制约,因此,车辆换道的模型所考虑的因素也较多,涉及前车的速度和与前车保持的净距等3个方面[14]:①车道变换需求产生的条件:若V1＜V＜V2且S1＜S＜S2,则调查车辆满足了需要变换车道的要求;否则,不可变换车道。其中:V为调查车辆前、后车速度之差;V1为调查车辆后车车速;V2为调查车辆前车车速。②目标车道前净距条件为:③调查车辆锁定的目标车道的后净距该满足的条件为:若L2＞l2,则表明符合变道所需后净距要求;若L2≤l2,则无法继续变换车道。其中:L2为调查车辆锁定的目标车道的后净距;l2为调查车辆锁定的目标车道后净距的下限值。

1.3.2 车道跟车模型

在城市道路缩减区,当车流量较大时,车辆会发生跟车行为。通过实地调查施工区车辆的跟车行为可知,其前、后之间的跟车距离大部分小于安全车距,并且相邻车辆的影响较大。施工区道路数量减少,缩减通行能力小于上游未施工区路段通行能力。当车流量较大时,车辆之间的纵向间距减少,导致交通拥堵,此时道路中的车辆行驶易受到周边车辆的影响,处于非自由行驶状态,跟车行为也随之发生,该状态下车辆具有制约性、传递性和延迟性[9]。

车辆在变道前和变道后都要进行跟车,因此,可以通过调查车辆的前、后车速度差V对车辆的跟车状态进行控制。

当V＜0时,则调查车辆需要进行加速,直至提高到与前车车速一致;当V=0时,则调查车辆速度保持不变;当V＞0时,调查车辆要进行减速,直至与前车车速一致。

2 仿真结果分析

建立4种常见车道缩减区仿真模型,即2车道变1车道、3车道变2车道、4车道变2车道及4车道变3车道缩减区。通过改变道路速度和交通流到达饱和度进行仿真分析,获得在不同速度下4种常见类型缩减区通行能力、车均延误、平均停车次数及排队长度的演变趋势,得出道路缩减区的限速值,评价缩减区道路通行效益。

2.1 通行能力分析

3种速度下,不同类型车道缩减区通行能力仿真结果如图5所示。

从图5中可以看出,3种同速度下,2车道变1车道和4车道变2车道缩减区在饱和度小于0.4、3车道变2车道和4车道变3车道缩减区在饱和度小于0.8时,都能顺利通过缩减区。当饱和度等于0.4时,2车道变1车道和4车道变2车道缩减区在3种速度下的通行能力达到最大值,2车道变1车道在3种速度下通行能力的最大值分别为1 268,1 383和1 385 pcu/h。4车道变2车道缩减区通行能力的最大值分别为2 230,2 245和2 246 pcu/h。当饱和度等于0.8时,3车道变2车道和4车道变3车道缩减区在3种速度下的通行能力达到最大值,3车道变2车道缩减区在3种速度下通行能力的最大值分别为2 554,2 792和2 922 pcu/h;4车道变3车道缩减区在3种速度下通行能力的最大值分别为3 863,4 011和4 055 pcu/h。

2.2 车均延误仿真分析

在3种速度下,不同类型车道缩减区车均延误的仿真结果如图6所示。

从图6中可以看出,当速度为40 km/h时,2车道变1车道和4车道变2车道在饱和度小于0.4之前,车均延误趋于零,此时道路车辆处于自由行驶状态。当饱和度大于0.4之后,车均延误急剧上升。当车辆速度为50和60 km/h时,3车道变2车道和4车道变3车道在饱和度小于0.7之前,道路车辆都能畅通行驶;饱和度大于0.7之后,车均延误急剧递增。从总体上分析,在3种不同速度下,2车道变1车道和4车道变2车道缩减区在道路速度为40 km/h时的车均延误最小,它们分别为761.5和922.8 s/pcu;其次为50 km/h时的车均延误,它们分别为769.6和986.1 s/pcu;再次为60 km/h时的车均延误,它们分别为837.9和1 049.2 s/pcu。3车道变2车道和4车道变3车道缩减区在道路速度为50 km/h时的车均延误最小,它们分别为456.6和358.9 s/pcu;其次为40 km/h时的车均延误,它们分别为484.7和374.1 s/pcu;再次为60 km/h时的车均延误,它们分别为497.8和450.4 s/pcu。

图5 4种缩减区通行能力Fig.5 Four kinds of reduced area capacity

图6 4种缩减区车辆的平均延误Fig.6 Four kinds of reduced area average delay

2.3 平均停车次数仿真分析

在3种速度下,各不同类型车道缩减区平均停车次数的仿真结果如图7所示。

从图7中可以看出,各类型缩减区的平均停车次数随饱和度的增加而增加。其中,2车道变1车道和4车道变2车道缩减区的平均停车次数在饱和度小于0.5时增加缓慢,趋于0次;之后,急速递增。3车道变2车道在饱和度小于0.7、4车道变3车道在饱和度小于0.8之前的平均停车次数都增加缓慢,趋于0次;之后,缓慢递增。从总体分析,每种类型缩减区在不同速度下平均停车次数的最大值相差均不大。在3种不同速度下,4种不同类型缩减区(即2车道变1车道、4车道变2车道、3车道变2车道和4车道变3车道)在50 km/h时的平均停车次数最小,它们分别为9.71,16.22,2.45和0.30次/车(在此速度下,交通效益相对最优,且车辆原油的消耗量最少,造成的污染最少);其次为60 km/h时的平均停车次数,它们分别为9.98,16.63,2.69和0.41次/车;再次为40 km/h时的平均停车次数,它们分别为10.32,18.37,2.83和0.43次/车。

图7 4种缩减区平均停车次数Fig.7 Four kinds of reduced area average number of stops

2.4 排队长度仿真分析

在3种速度下,各不同类型车道缩减区排队长度的仿真结果如图8所示。

图8 4种缩减区排队长度Fig.8 Four kinds of reduced area queue length

从图8中可以看出,各种不同类型缩减区的排队长度随饱和度的增加而增加。其中:车辆速度为40和50 km/h时,2车道变1车道和4车道变2车道在饱和度小于0.4之前的排队长度为零;之后,急剧增大。车辆速度为60 km/h时,3车道变2车道和4车道变3车道在饱和度小于0.7之前的排队长度为零;之后,随饱和度的增加而不断上升。车辆速度为50 km/h时,2车道变1车道和4车道变2车道缩减区的排队长度最小,它们分别为4 656和4 456 m。车辆速度为60 km/h时,3车道变2车道和4车道变3车道缩减区排队长度最小,它们分别为2 719和2 360 m。从总体上分析,在饱和度较大时的3种不同速度下,对于2车道变1车道类型的缩减区,其临界饱和度为0.6;对于4车道变2车道类型的缩减区,其临界饱和度为0.7;对于3车道变2车道类型的缩减区,其临界饱和度为0.9;对于4车道变3车道类型的缩减区,其临界饱和度为0.8。以1 000 m的排队空间进行计算,例如:车道缩减区上游1 000 m有一个信号控制交叉口,则需限制2车道变1车道、4车道变2车道、3车道变2车道和4车道变3车道的到达交通流的饱和度分别在0.6,0.7,0.9和0.8以下。

3 结论

以常见的4种类型城市道路缩减区为例,建立VISSIM仿真模型,在3种速度下,分析4种不同类型道路缩减区的通行能力、车均延误、平均停车次数及排队长度4个指标在不同饱和度下的变化特征,以此来评价4种常见缩减区的通行效益,得出各类型缩减区正常工作的临界饱和度限制值,给出不同类型缩减区速度的推荐值。其结论为:

1)城市道路缩减一条车道时,各类型缩减区下降的通行能力大于一条车道的通行能力。在3种速度下,各类缩减区在车辆速度为60 km/h时的通过量最大,其次为50 km/h时的通过量,再次为40 km/h时的通过量。

2)在3种速度下,2车道变1车道和4车道变2车道缩减区在车辆速度为40 km/h时的车均延误最小,交通效益相对最优,3车道变2车道和4车道变3车道缩减区在车辆速度为50 km/h时的延误最小,交通效益相对最优。

3)在3种速度下,各类型缩减区在50 km/h时的平均停车次数最少(在此速度下,交通效益相对最优,且车辆原油的消耗量最少,造成的污染最少),其次为60 km/h时的平均停车次数,再次为40 km/h的平均停车次数。

4)在3种速度下,缩减区2车道变1车道和4车道变2车道在车辆速度为50 km/h时的排队长度最短,而3车道变2车道和4车道变3车道缩减区在车辆速度为60 km/h时的排队长度最短。

5)当排队空间达到饱和度达到临界状态后,排队长度将急剧增加并制约车道缩减区,因此,在实地车道缩减区,需控制到达流量,防止饱和度达到临界值。其中:2车道变1车道、4车道变2车道、3车道变2车道和4车道变3车道的临界饱和度分别为0.6,0.7,0.9和0.8。

6)车道缩减区的交通管理措施:①在平峰期间,为降低车均延误,提升交通通行效益,各类缩减限制在0.4以下。就速度而言,2车道变1车道和4车道变2车道缩减区车辆速度控制在40 km/h。②在高峰期间,为限制平均停车次数和排队长度的扩散,而影响其他相邻网络区域,限制到达饱和度在0.7以下。

通过建立VISSIM仿真模型,评价了车道缩减区的交通效益,为交通管理与控制的决策提供了依据,但在分析过程中,并未考虑不同类型驾驶人的心理特性,针对此类问题仍需进一步的研究。

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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

资 葵(1990—),女,长沙理工大学硕士生。