交通仿真技术在互通立交设计中的应用

姚 宇（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005）



交通仿真技术在互通立交设计中的应用

姚 宇
（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005）

交通仿真是一种采用计算机数字仿真或半实物仿真方式的交通分析技术。利用VISSIM中跟车模型与车道变换模型，分析匝道车道数量与交织区的长度对方案通行能力产生的影响，建立微观仿真模型直观反应设计方案的优缺点。对工程方案进行事先评价，根据评价结果逐步优化工程方案，在一定程度上指导方案设计，降低工程风险。结合苏州中环快速路娄江立交工程实例，为特殊情况下的方案比选论证、领导决策提供参考。

互通立交设计；交通仿真；微观仿真模型

交通仿真是上世纪 50 年代以来，随着计算技术的进步而发展起来的采用计算机数字仿真或半实物仿真方式来复现交通流时间空间变化、解析复杂交通系统现象的交通分析技术［1］。经过半个多世纪的发展，交通仿真作为一项交通系统实验分析技术，已广泛地应用于道路交通设计、智能交通系统方案设计与技术研发、网络交通流理论研究等诸多方面。本文利用交通仿真技术，阐述苏州中环快速路娄江立交的设计。

1　交通仿真技术的发展历程

Vissim是由德国PTV公司开发的微观交通流仿真系统。该系统是一个离散的、随机的、以1/10 s为时间步长的微观仿真软件。早期主要有宏观仿真模型，其描述精度低，可仿真的路网区域较小。二十世纪七八十年代随着计算机技术的发展，微观交通仿真模型随之出现，仿真描述的精度提高，较多应用于交通设计方面。目前的一些主流微观交通仿真模型VISSIM就起源于这一时期。

VISSIM的路网仿真模型中并没有明确的交叉口概念，仿真中通过节点（Connector）具体描述交叉口范围内车道的连接（Link）情况。VISSIM中也没有特别定义环形交叉口，而是在通过描述利用节点与车道连接的基础上定义一系列的优先规则实现环形交叉口 的概念。

综上所述，VISSIM 的微观仿真模型具有灵活性，可通过节点和连接对设计方案中车道数、交织区进行仿真分析，从而实现对方案的事先评价。

2001年王元庆、朱海滨介绍了双向双车道公路通行能力仿真研究中关于车辆行为的技术设计方法，根据车辆行驶状况及关系的设定，确定了车辆跟驰方式模型；根据车辆行车间距的选定，利用开发出的仿真程序得到以小轿车为标准车的车辆折算系数［1］；2006年李志明提出了基于遗传算法的交通仿真模型参数校正方法［2］。并根据实测数据以vissim仿真平台为例，对模型进行参数校正。研究给出了vissim仿真模型的校正参数及参数的取值范围。

2008年李永义基于vissim进行了高速公路施工路段服务水平的评价，建立了高速公路施工路段交通服务水平的评价指标体系和评价标准，采取多指标综合评价方法对施工路段交通服务水平进行评价［3］。

杨小宝等（2009 年）运用实证调研和行为分析方法，对北京和上海的典型路段进行观测，主要是对车道数与每车道通行能力的研究，研究显示在不受外界干扰的情况下，车道数在达到一定数量时，每车道的通行能力会随车道数的增加而减少［4］。

胡婷（2010年）分析总结快速路交织区的交通运行特征，并以VISSIM微观仿真模型为基础，针对交织区开展模型参数的敏感性测试分析工作，确定需要标定的模型参数及其阈值。选取的标定参数包括期望速度分布和8个交织区驾驶员行为参数。再次，基于选定的标定参数，构建面向快速路交织区的多目标规划仿真参数标定模型［5］。

2　VISSIM微观仿真模型的应用意义

通常情况设计人员在如何确定车道数的问题上，主要考虑基本路段的交通量大小以及对超车的需求，然后结合所需适应的交通量和单个车道的通行能力来确定车道数，理念上均等化每个车道的通行能力。比如，我国的相关规范中就规定在理想条件下每车道的通行能力为 2 200 pcu/（ln·h），这在基本路段可以适用，然而未能充分考虑车辆变换车道的情况，也未给出相应的修正措施。美国的第四版《HCM2000》中认为双向 6 车道的平均每车道通行能力的数值大于双向 4 车道，并未深入分析车道数对通行能力的影响。

在很多文献［6］中多次指出，随着车辆变道情况的频繁发生，道路上每个车道的通行能力会随车道数的增加而降低，即双向 6 车道平均每个车道的通行能力可能低于 4 车道中平均每个车道的通行能力。实际上，不同的设计速度对应不同的最大通行能力，且车道的最大通行能力不仅取决于车道基本路段，还应该考虑车道变换的影响，这在匝道路段体现比较明显，连接部通行能力也是影响路段通行能力的重要因素。随着道路交通量的增大，再根据原来规范中规定的交通量来确定车道数可能不合时宜。

在设计方案中利用VISSIM中跟车模型与车道变换模型，充分分析匝道车道数量与交织区的长度对方案通行能力产生的影响，建立微观仿真模型直观反映设计方案的优缺点。合理选择模型参数对工程方案进行事先评价，根据评价结果逐步优化工程方案，在一定程度上指导方案设计，降低工程风险。

3　交通仿真实例

3.1互通概况

娄江立交位于苏州北环东延线与中环东线的交叉位置，位于苏虹路以北、京沪铁路以南，东西向为临娄江北岸地面式敷设的娄江快速路，南北向为纵贯中新区和唯亭街道的既有星华街高架，娄江立交是结合现有工程条件的交通完善，将其改造成全互通式立交。

3.2互通方案

互通节点位置条件复杂，现有兴华街高架桥预留的匝道鼻端需尽可能利用，东西向娄江为旅游航道，立交北侧为沪宁铁路，娄江南岸约500 m处的苏虹路是园区内重要的东西向主干道，立交方案需考虑其沟通转换，立交的建设条件和功能要求极高，将该节点与苏虹东路节点进行整体研究，经多轮方案比选最终采用所有匝道变定向连接的枢纽互通形式，与苏虹路形成复合式立交，出入口采用先出后入形式，避免交通频繁出入对东环主线行车的干扰。立交平面方案图如图1所示。

图1　立交平面方案图

娄江立交南北长1.3 km，东西宽2 km，该立交成为苏州快速路网系统中最为复杂的立交，也是园区迄今为止规模最大的全互通立交，总体布置为3层，娄江大道为地面一层，现状星华街高架为第3层，8条转向匝道连接星华街高架和娄江大道，均为第2层。在娄江南侧落地段设置一对地面出入口，可出入中环主线，同时也可进入匝道转向娄江快速路，出入口外侧设置两条匝道实现南—西、南—东两个方向枢纽转换，该方案较好地解决了苏虹东路出入快速问题，同时先出后入的设置方式也避免了对主线的干扰。出入口布置如图2所示。

图2　出入口布置图

3.3技术问题

由于苏虹路北即为娄江航道，其成为娄江南部区域对外的重要干道，在匝道上设置出入口的方式在方案阶段存在一些争议，一旦引起匝道拥堵，将直接导致枢纽的转换瘫痪，进而影响到两条快速路的通行。如何处理好互通匝道与主线间的地面道路和匝道断面上的车道数量以及交织长度是保障枢纽匝道运行状态的前置条件。车道不够将影响到排队长度，过多则存在变道困难，而由于条件限制，增加交织段长度也无可能性。

规范中对出入口的距离和要求已进行了阐述，但多是对主线的要求，且未考虑交通流向和流量的问题，基于《通行能力手册》的理论计算更无法解决该问题，因此提出交通仿真的手段来对该细节处理进行分析验证。

3.4仿真模型建立

为了建立该立交节点的仿真模型，实现仿真模型对现实工程方案的最合理模拟，按照以下步骤建立仿真模型。（1）导入该仿真对象的带比例尺的现状互通立交平面图，即model background；（2）使用VISSIM的路段（Link）和连接（Connector）两个基本组件（含车道数、车道宽度、坡度等属性）来建立路网，根据平纵设计成果完成对该立交节点的平面与纵断面的模拟；（3）微观交通流特性及行驶规则的设置：包含车辆的期望速度（Desired speed）、加减速特性、几何尺寸、驾驶行为参数（Driving behavior）等，该立交位于城市内，因此按照城市相关规范完成参数设置；（4）宏观交通流特性设置及行驶规则的设置：将该立交的交通组成和交通量输入模型后定义车辆行驶路径（Route decision），使车辆转向量符合该立交远景年交通量预测结果；（5）完成对限速路段（例如左转匝道）、有行车优先权路段（例如出入口处）等宏观行驶规则的设置。最终，完成模型建立，进行仿真运行，获得相关仿真数据后，进行数据分析，从而指导该立交的设计。

3.5仿真应用

3.5.1地面道路车道数量

由于该段地面道路分为东西两幅，均夹在主线和匝道之间，项目一旦实施，远期无拓宽条件，设计初期结合交叉口布置，按照最大条件的预留，东西两侧均预留了4车道。为了最大程度地验证该设计的通行能力，选取在高峰时段30 min内的运行结果来分析，仿真验证表明，西半幅苏虹东路北入口路段内4车道可以匹配，对交叉口车道数布置方案适应性较强，最大交通量下2个信号周期可以通过，远景年高峰期平均延误约40 s，车辆积压影响到匝道及主线情况未发生。东半幅采用3车道和4车道均可适应，但4车道未明显改善运行效率，对交通量进行适量放大后汽车变换车道数量多引起的交通紊乱有所增加，最终确定采用非对称车道断面，即东侧设3车道、西侧设4车道，相对原双八的方案降低了工程规模。方案布置如图3、图4所示。

图3　西4东3平面布置

图4　西4东3断面布置

3.5.2匝道断面上的车道数量

南—东、南—西匝道设置地面式出入口后交织段长度为360 m，根据交通量，出入口采用了单车道，从规范上车道平衡角度考虑，路段内是可以采用2车道（方案1），出口处设置渐变段处理的。但该交织段交通组织有其特殊性，以东侧SW、SE匝道为例，SW交通流向为主流向，苏虹路北侧的入口匝道交通量和SE匝道交通量相对略小，而由于地面入口设置在了交织段左侧，出入车辆采用渐变段的处理方式可能会对主流向左侧车道干扰较大。因而又提出了拉通为3车道的方案（方案2），地面入口车辆可在最左侧车道上组织交通，但桥梁规模有所增加。为验证两个方案的优劣，分别建立了两种模型进行交通仿真，如图5、图6所示。

图5　匝道2车道模型

图6　匝道3车道模型

仿真结果显示方案1由于入口车辆车速与匝道车速存在速度差（10～20 km/h），左侧进入，对主流向的SW匝道左侧车道影响较大，受干扰后车辆陆续向右侧变道进而影响到了整个车道的稳定性，平均车速降低至40 km/h，达不到匝道设计速度50 km/h，而方案2拉通为3车道后，由于进入车辆可以在整个360 m范围内来组织交通，车流的稳定性相对较好，最终确定整个路段内进行3车道断面布置。两种方案运行模拟示意图如图7、图8所示。

4　结论

本文结合苏州中环快速路娄江立交工程实例，对仿真软件在立交设计细节处理中的应用进行了分析，总结了项目实践中的经验，为在特殊情况下的方案比选论证、领导决策提供参考。目前娄江立交已通车，调研结果显示，立交总体方案以及上述提到的两处设计细节处理方式，驾驶员评价较好。

图7　2车道运行模拟

图8　3车道运行模拟

［1］王元庆，朱海滨.双向双车道公路路段仿真研究中车辆行为［J］.西安公路交通大学学报，2001，21（l）:68- 70.

［2］李志明.基于遗传算法的交通仿真模型参数校正方法研究［J］.交通标准化，2006（4）：21-23.

［3］李永义，柴干，胡军红，等.基于Vissim的高速公路施工路段服务水平的评价［J］.南京工业大学学报（自然科学版），2008，30（2）：54-58.

［4］杨小宝，张宁，关羽.基于行为分析的道路通行能力中车道因素研究［J］.土木工程学报，2009（10）：104-110.

［5］胡婷.面向快速路交织区的微观交通仿真模型标定研究［D］.北京：北京交通大学，2010.

［6］杨齐.对交通仿真模型软件开发及应用问题的考［J］.城市交通，2006，4（3）：42-46.

Application of Traffic Simulation Technology in Interchange Design

Yao Yu
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210005， China）

Traffic simulation is a traffic analysis techniques using computer digital simulation or HILS （hardware-in-loop simulation）. Based on the model of car following model and lane changing model in VISSIM， the influence of the number and the length of the mixed zone on the capacity is analyzed， also the advantages and disadvantages of the scheme are reflected directly by micro simulation model. According to the evaluation results， the project plan is optimized in advance to a certain extent， so the risk of the project is reduced. Combining with the example of Loujiang overpass project of Central Expressway in Suzhou， it provides a reference value for the selection and demonstration of the special cases. According to the survey results， the overall scheme of the interchange and design details of the treatment get a good evaluation.

interchange design； traffic simulation； micro simulation model

U491.2+3

A

1672-9889（2016）02-0077-04

姚宇（1978-），男，江苏苏州人，高级工程师，主要从事路桥设计工作。

（2016-02-17）