基于Flexsim的大型半苜蓿叶互通立交仿真与优化

王家琦,杨春霞,晋民杰,王学峰

(1.太原科技大学交通与物流学院,太原 030024;2.晋城学院 筹备处,山西 晋城 048026)

随着我国高速建设事业的发展,原有立交受到的线形及交通量的制约也越来越多。国内采用的大部分完全苜蓿叶形、菱形、环形等立交越来越不满足交通安全及通行能力的要求[1]。半苜蓿叶形互通立交作为立交方式的一种,与完全苜蓿叶相比,可消除交织区的影响,而与菱形相比,则有更好的通行能力和服务水平,且其本身具有保证主路车辆快速畅通,简化主线道路交通标志,减小费用,便于分期修建的优点。半苜蓿叶互通立交的不断优化,会大幅度减小道路堵塞,提高通行能力[2]。

一般为消除交织区交通量,会将立交设置为半苜蓿叶+附加直连匝道的形式,但此立交形式会导致次要道路存在冲突点,出现停车冲突或错路运行的现象。有时部分平面交叉口会设交通信号灯,若出口匝道储存量不足,往往会影响主线交通的运行。所以,如何在消除交织交通量的前提下进一步改善平交口冲突点,增加道路通行能力,是现阶段互通立交设计面临的主要问题[3-4]。本文结合FLexsim仿真技术强大的数据分析功能[5-6],根据Flexsim建立半苜蓿叶互通立交仿真模型,重点分析次要道路平交口冲突点的堵塞问题,并利用线形的制约及交通量的变化,对互通立交进行部分及整体优化,进而改善道路通行和堵塞情况,并透过模型分析Flexsim方法的实际应用价值。

1 互通立交基本状况

本文模型为半苜蓿叶附加右转车道的立交形式。出口在跨线结构物之前,故匝道布置方式为A型。被交路下穿,主线上两对出入口相对拉开,对行车视线有利。主路及次要道路均为对向三车道,次要道路平交口存在交通信号灯,即存在冲突点。此冲突点涉及的路段是本文研究道路堵塞的关键。

2 Flexsim仿真模型建立

2.1 互通立交的FLexsim的实体映射

根据Flexsim对象控件功能建立的互通立交与Flexsim对象的实体映射见表1.

表1 互通立交的Flexsim对象的实体映射Tab.1 Entity mapping of Flexsim objects for interchange

2.2 布局的建立

本文以拟建的互通立交规划方案为依据,按照规划布局方案中各设施位置,依次把与设施对应的Flexsim实体放置在布局图的相应位置[7]。

2.3 实体间的连接

所有实体须按照定义的顺序进行连接,否则,实体不会按照顺序在立交上行驶[8]。如图1、图2所示。

图1 车辆与道路的连接Fig.1 Connection between vehicles and roads

图2 道路与道路的连接Fig.2 Connection between roads and roads

2.4 参数设置

实体连接后,须对交通流及各路段进行参数设置。现将交通流(semi、car、ferarri)按统计分布为指数分布(比例为5)来拟定初始参数。由于仿真路段数量较多,现取主线附加右转路段(RightlaneEB1)及附加左转中间道(OffRampCenterLaneEB2)拟定参数分析,中间匝道为直线+圆曲线+直线的匝道形式,具体见图3-图5.

图3 Source-semi的参数设置Fig.3 Parameter setting of source-semi

图4 RightLaneEB1的参数设置Fig.4 Parameter setting of RightLaneEB1

图5 OffRampCenterLaneEB2的参数设置Fig.5 Parameter setting of OffRampCenterLaneEB2

2.5 仿真模型的建立

参数设置后,将所规划的互通立交对象模型导入Flexsim仿真模型,通过调整尺寸、位置以及角度使其适当的显示在局视图背景上。如图6、7.

图6 互通立交全景图Fig.6 Panoramic view of interchange

图7 互通立交正投影鸟瞰图Fig.7 Aerial view of direct projection of interchange

3 仿真数据输出与分析

Flexsim进行的仿真大部分都属于终止型仿真,最终系统中的数据会转换成Excel数据。Excel数据对每一个实体进行数据统计,进而分析当前模型的运行状态[9]。在模型在参数拟定的前提下,给定运行时间6 000 s,首先分析输出车辆通行时间、停留时间,堵塞率等,具体见表2.

表2 车辆通行时间和停留时间表Tab.2 Vehicle passage time and stop schedule

车辆输出完成后,需对道路实体数据分析。模型实体数量较多,因文章重点分析通行及堵塞情况,故选取平交口冲突点所涉及的各路段实体。现选取其中5个实体,每个实体与输出车辆参数指标一致。如表3所示。

表3 路段通行时间与停留时间Tab.3 Road passage time and stay schedule

表3分析中可得到道路某堵塞较大路段数据。从模型整体数据来看,sink1与sink2分别有5条汇聚车流,以sink2为例,主线三车道及附加右转驶出匝道车流堵塞较小,由次要道路驶入匝道从而汇聚到主线的车流在合流区产生的堵塞也基本可忽略(此合流区并不能称为交织区)。而最后一条支流即为次要道路平交口冲突点所涉及的车流,此冲突点影响到附加左转道及次要道路直行路段,其堵塞率平均达到20%左右,为堵塞明显路段,sink1同理。

根据现有仿真参数,可模拟得到道路整体堵塞情况图及道路总体堵塞容量与时间关系图,由Excel表计算可得到堵塞容量总数为83.具体见图8、9.

图8 道路堵塞全局图Fig.8 Global map of road congestion

由于互通立交每条道路都是相互联系的,文中的立交模型始终处于相对平衡的状态。在确定主线的交通量的前提下,根据不同路段的通行水平可得到总体道路的堵塞容量及堵塞百分比。从图8上来看,虽有堵塞情况,但堵塞路段仍可保持正常通行水平,所以立交本身设计具有合理性。

图9 道路拥塞容量与时间关系图Fig.9 Relationship between roadcongestion capacity and time

4 仿真模型优化

受线形制约及交通量的影响,可对平交口冲突点涉及的各路段进行合理优化,进而进一步改善交通堵塞。

4.1 个体路段优化

取主线附加左转中间道为例,分析驶入冲突点之前的中间道(Conveyor-1)路段。在满足吞吐量的情况下,将原有长度24增加为28,可获优化处理,对比分析后见图10、11.

图10 Conveyor-1路段运行图(L=24)Fig.10 Conveyor-1 road map(L=24)

图11 Conveyor-1路段运行图(L=30)Fig.11 Conveyor-1 road map(L=30)

对比分析可得,不同长度会对局部路段的通行能力造成影响。但由于此路段车流输出量并无下降,所以改变此路段长度对其余各路段及道路整体堵塞系数不会产生变化,只会影响到该路段本身。固在满足输出量不变的前提下,可适当增加路段长度来提升其通行能力,但增加幅度不易过大,否则会在冲突点处造成大面积拥堵,增加路段堵塞率,如长度达到40,会造成路段堵塞率达到40.1%,严重影响道路通行。

4.2 整体道路优化

通过上述个体优化的分析,可得到在满足路段本身输出量不变的情况下,改变某一路段线形会对路段本身具有优化作用,但对整体并不会产生较大影响。现将发生器中交通流的指数分布函数均值由5改为6,进而减小路段本身输入交通量,对比分析后见图12、13.

图12 道路堵塞优化全局图Fig.12 Global map of road blockage optimization

图13 道路拥塞容量与时间关系优化图Fig.13 Optimal graph of relationship betweenroad congestion capacity and time

据优化图与原始图对比得到,当均值从5变为6时,因模型处于相对平衡状态,整体的堵塞率及通行率并不会因整体交通量的大幅度减小而明显变化。但交通量的减小会使道路拥塞容量降低,从而降低道路堵塞程度。

5 结论

在Flexsim仿真技术的基础上,运用大量数据,对立交道路的通行能力和堵塞情况进行分析及优化,验证此立交模型设计的合理性,并通过改变某一道路线形或整体交通量的方式对道路堵塞进行优化。在保持路段输出量不变的前提下,改变某一路段线形会增加其通行能力,且立交整体不受影响。在模型运行状态相对平衡的状态下,整体的堵塞率及通行率并不会产生明显变化,立交仍处于相对稳定状态,但交通量的限制会减小路段整体的拥塞容量,从而达到优化交通的目的。

作为通用的可视化交互集成仿真环境,Flexsim对于互通立交设计也存在其独特的优势。各路段线形制约性、系统数据的直观性都能通过仿真模型体现出来,优化后的数据对比明显,结论清晰。但Flexsim并不能以微观的角度来分析路段堵塞率变化的渐进性,只能以宏观的角度来分析结果,对于模型存在的譬如信号灯交叉口等也无法准确配时。所以,利用Flexsim方法来模拟互通立交可大大缩短因研究数据而浪费的时间,但对于实际立交道路的复杂性仍需适应。