基于高速公路基本路段通行能力分析的VISSIM模型优化

王 君

(中交第四公路工程局有限公司西安工程设计分公司,陕西 西安 710065)

1 通行能力计算方法

计算通行能力时，理想条件有两方面，首先就是道路条件，主要包括了以下参数，双向四车道，理想的设计速度具体为120 km/h，道路理想的宽度具体为3.75 m，硬路肩理想情况下设定为3.5 m的宽度，左侧路缘带理想情况下设定为0.75 m的宽度，中央分隔带理想情况下设定为3 m的宽度。其次就是交通条件，车辆全部都是小客车，相应的驾驶员全部都是职业的。不过上述道路、交通条件在现实中难以达到，很多因素均会影响到通行能力，如设计速度等，只要某一部分因素出现了改变，这在一定程度上也就改变了速度—流率—密度关系。通行能力分析始于设计速度，后续基于规划等因素来调整设计速度，最终计算获得现实通行能力值。依托于交通流率来针对性的调整观测交通流率，最终所获得的结果就是高峰小时流率。综合上述两项指标来展开规划、设计。基于(1)来调整设计速度。

VR=V0+ΔVW+ΔVN

(1)

其中，VR—实际道路条件下的设计速度，km/h；V0—理想条件下的设计速度，km/h；ΔVW—车道宽度和路侧净空对设计速度的修正值，km/h；ΔVN—车道数对设计速度的修正值，km/h。

2 仿真建模

2.1 微观仿真软件介绍

VISSIM是基于时间间隔和驾驶行为的微观建模工具。VISSIM既可以在线生成可视化的交通运行状况，也可以离线输出各种统计数据，如排队长度、交通量、车头时距和行程时间等。本文在确定已知条件的基础上，设计仿真实验，并构建仿真环境，进行车辆的数字和动态仿真，最后对统计结果，即通行能力进行分析。

2.2 VISSIM中通行能力测定方法

美国德克萨斯州交通运输协会研究分析了高速公路所具备的通行能力，其取值为拥挤状态中作业区小时流量。该法精度较高，非常容易操作，后续得到广泛应用。本文通行能力值也采用了该值。先对模拟路段进行考察，打开VISSIM，根据实际需求完成模型的构建，在作业区后部设置检测点，作业区所拥有通行能力值在此次研究中选择了拥挤状态中该检测点的检测数据。根据实际需要来设置各参数，保证2 000个标准小汽车的小时流量，此为基础值，对这些因素进行全方位的考察，探究其如何影响通行能力。而后续所需要做的就是扩展双向4车道模型，这样也就形成了双向6车道、双向8车道模型，探究其间所存在的关联性。

3 仿真案例及结果分析

参照《公路通行能力手册》，影响通行能力的因素非常多，在VISSIM中不能对侧向净空的影响进行模拟，因而主要分析车道数量、车道宽度、设计速度、交通组成的影响。在VISSIM中，对上述因素进行设置，其它对照参数的实验条件均为理想条件。将试验得到的通行能力值与《公路通行能力手册》中的经验实测值对比。

3.1 车道宽度的影响

在车道宽度方面若设计低于3.75 m的数值，相比于理想条件，车辆行驶时将会有着相对更小的横向间距。驾驶员在这种情况下需要做的就是让行驶间距进一步增大，亦或是让行驶速度降低一些，这样就可以使得行驶变得更加安全一些，整体来看，该路段有着相对更低的通行能力。

基本参数设置：路段长度为0.5 km，路段类型为高速公路。交通量输入2 200 pcu/h/ln，交通组成为小汽车，司机是职业驾驶员，期望车速为120 km/h。在实际中，最小车道宽度为3 m，此处为说明极限情况，设置车道宽度的范围是0.5～4 m，以0.5 m为等差间隔。从图1中可以看到，车道宽度对通行能力没有影响，因而在VISSIM中，车道只是一个图形上的表示。

图1 车道宽度对通行能力的影响

3.2 车道数量的影响

在单向2车道的基础之上，将其转变为3车道或4车道，尽管在一定程度上会改变通行能力，不过与车道数增加倍数并不匹配。出现这种情况的原因如下，尽管有了相对更多的车道，不过每个车道所分布的交通量也就与以往不同，有些情况下道路十分的拥挤，在这种情况下，交通量也无法实现均匀的分布。若扩展了一条车道，此时不能理解为也就增加了一倍的通行能力，具体就是2 200辆小客车/h/ln，可以理解为在车道扩增后，每车道将有着相对更低的通行能力。

基本参数设置：路段长度为0.5 km，路段类型为高速公路，车道宽度为3.75 m。交通量输入2 200 pcu/h/ln，交通组成为小汽车，司机是职业驾驶员，期望车速为120 km/h。高速公路一般很少有双向两车道，为了说明极限情况，添加了双向两车道。图2为车道数量对通行能力的影响，可以得到如下的结果：(1)随着车道数量的增加，通行能力增大，这一趋势与《公路通行能力手册》正好相反，考虑可能是VISSIM在建模的过程中，没有考虑车道宽度对通行能力的影响，因而在做改扩建高速公路仿真模拟的过程中，需谨慎选择仿真软件；(2)期望速度为120 km/h的时候通行能力大于80 km/h时的通行能力，且80 km/h的期望速度所对应的通行能力值更接近于《公路通行能力手册》，可以看出，在VISSIM中，车辆会严格按照期望速度的设置行驶，不会因为流量大的原因自动调整，这是VISSIM的一个缺点，因而在VISSIM的仿真模拟中，需要根据实际调查的交通流状况输入期望速度，这点对通行能力的影响很大。

图2 车道数量对通行能力的影响

3.3 设计速度的影响

设计速度未达到理想条件，即低于120 km/h，这在一定程度上也就改变了高速公路所拥有的运行条件。若交通量条件是固定的，车速此时将会有着相对更低的观测值，即要比120 km/h更低，导致速度—流量—密度关系曲线改变，在一定程度上也就改变了道路的通行能力值。

基本参数设置：路段长度为0.5 km，路段类型为高速公路，车道宽度为3.75 m。交通量输入2 200 pcu/h/ln，交通组成为小汽车，司机是职业驾驶员。图3为设计速度对通行能力的影响，可以得到以下几点结论；(1)随着设计速度的增加，通行能力增大，这一趋势与《公路通行能力手册》一致；(2)对比可以发现，实验得到的值比《公路通行能力手册》的经验实测值要大，这也是由于VISSIM中的车辆严格按照期望车速行驶的原因，导致车辆按照期望速度的设置行驶，而非以行驶速度行驶。

图3 设计速度对通行能力的影响

3.4 交通组成的影响

中型车、大型车和拖挂车与小客车是不同的，最显著的差异体现在外形尺寸上，其次就是在车辆行驶性能上有着极大的差距：(a)相比于小客车，中型车、大型车和拖挂车的体积更大一些，轴距更长，其在道路行驶状态中需要占据相对更大的空间。(b)中型车、大型车和拖挂车有着非常大的重量，因此其行驶中加速、减速都需要耗费更长的时间，同时与小客车相比也有着相对更低的保持速度的能力。在交通流中，型车、大型车和拖挂车所占据的动态空间也就相对更大一些。

基本参数设置：路段长度为0.5 km，路段类型为高速公路，车道宽度为3.75 m。交通量输入2 200 pcu/h/ln，交通组成为小汽车(car)和货车(HGV)，司机是职业驾驶员，小汽车期望速度为120 km/h，货车期望速度为80 km/h。图4为大车比例对通行能力的影响，可以得到以下几点结论；(1)随着大车比例的增加，通行能力减小，这一趋势与《公路通行能力手册》一致；(2)对比可以发现，实验得到的值比《公路通行能力手册》的经验实测

值要大，这点分析与设计速度的分析相同。考虑是模型建立的不够精准，大车受交通量的影响较大，因而在以后的应用中需要考虑通行能力的折减。

图4 大车比例对通行能力的影响

4 结 论

本文通过对通行能力影响因素的定性分析，以及在VISSIM中建立模型，通过上面一系列研究，得到了如下结论。(1)随着大车率的增加、设计速度的降低，通行能力都是降低的趋势，其规律符合《公路通行能力手册》的要求，但是值都比手册中的值大。在仿真的过程中，期望车速的输入一般参照实际调查的数据，并对其进行参数校正后，方可模拟。(2)随着车道数量的增加，通行能力呈现与《公路通行能力手册》相反的趋势。因而在做改扩建高速公路路段通行能力的仿真模拟的时候，应当谨慎使用VISSIM。(3)在VISSIM中，车道宽度对通行能力没有影响，因而在VISSIM中，车道只是一个图形上的表示。