基于Vissim的高速公路网应急事件仿真

郭瑞军,刘淼

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

高速公路突发事件是指因气候、地质、地壳运动等自然因素引发的自然灾害或人为灾害突发，危及到高速公路辖区路段及沿线周边地区群众的生命财产安全，影响正常社会、生活和工作秩序的事件[1].高速公路突发事件的紧急救援系统是高速公路管理的重要组成部分，及时且适当的应急处置可减少甚至避免相关人员伤亡与经济损失.张奕等[2]设计并实现了基于地理信息系统(Geographic Information System，GIS)的高速公路突发事件应急资源调度系统，可根据事故等级以及事故种类预测所需应急资源.郝倩妮[3]基于灾害性天气下驾驶员可视距离和路面摩阻系数的变化，提出一种基于可变限速系统的限速对策，采用动态的车速控制降低灾害性天气高速公路事故多发路段的安全风险.许秀[4]通过探讨交通事故影响空间扩散的关联因素与扩散状态，提出交通事故分级方法，结合交通事故分级划分事故影响区，同时根据各阶段影响因素的不同，分别构造交通事故持续时间各阶段的预测模型.郑来等[5]提出基于高速公路天然节点的大区段划分方法.构建了处理大区段内指标异质性的模型变量，采用负二项回归方法建立了大区段条件下的交通事故预测模型.金书鑫等[6]定量确定点、线、面3个层次的事故影响区，结合其交通量、车速、通行能力数据以及交通事故现场状况分析，能快速确定事故影响区范围提高事故处置效率.王顺豪等[7]提出了基于ANP的高速公路应急预案评估模型，并通过模糊综合评价法进行评价.综上所述，应急交通疏散作为规避或减轻灾害性事件危害，是避免受到二次伤害的必要手段，是研究道路网应急事件管理的重要部分.

复杂交通事件具有偶发性、不可预测性的特点，无法用简单抽象的交通流理论、波动理论等数学模型描述时，交通仿真的作用就更为突出.针对现有国内高速公路事故路段具体应急案例研究数量的不足且较少采用交通仿真分析方法的问题，本文基于Vissim仿真软件，将事先构建的高速事故交通运行状况可视化，对设定的不同应急疏散措施进行评价对比，通过分析不同方案缓解拥堵的程度，来防止由于疏导不当带来的附加拥堵，并降低涉及车辆的事故成本.

1 交通紧急事件仿真的构建及性质

1.1 构建路网

选取大连市内的大窑湾、丹大、皮长、沈海四条设计速度120 km/h的高速公路所形成的交叉路网为研究对象.

如图1所示，在路网的六个入口处各设置一个交通小区，皮长高速入口处设置第一与第四小区，丹大高速入口处设置第三与第五小区，沈海高速入口处设置第二与第六小区，并对六个小区进行路径划分及相对流量的设定，各条道路上的交通流流量如表1所示.

表1 路网交通分布表 辆/h

本研究采用8次不同的随机种子进行模拟，通过对得到的仿真结果求平均值来得到比较所用的数据.Vissim输出的行程时间和平均车速数据离散程度较小，延误的离散程度较大，因此在以后的疏导方案比较中将会进行多次随机仿真并求均值.

1.2 架构公路网紧急事件

假定紧急事件：在大窑湾高速出市方向发生一起两辆载有危险品的大型货车相撞并侧翻的交通事故，导致最外侧两车道封闭，单车道通行，事故状态下的运行效果如图2所示，图中标点处为大窑湾高速事故地点，现场聚集大量的救援人员和救援设备，该方向全面降速运行.

1.3 评价指标的获取

本文的评价指标的获取主要依靠仿真的输出结果，因而需要在仿真数字路网中设置检测器，本次研究需要设置的检测器有行程时间检测器，排队长度检测器，数据采集点.

1.3.1 目标路段的延误

为了输出目标路段的延误，行程时间检测器设置在连接南北两个区域的干道，大窑湾高速公路上，具体设置情况如图3所示.

事故影响大窑湾高速入口匝道出现排队的情况，导致沈海高速出市方向运行受阻，实际运行速度下降，具体情况如表2所示.

表2 事故前后指标对比

大窑湾高速入口处排队影响了沈海高速出市方向的平均车速，导致事故后的平均车速较事故前下降75.91%.

1.3.2 目标路段的排队情况

排队是从上游路段/连接器的排队计数器的设置位置开始计数，直至排队状态下的最后一辆车.如果排队计数器设置在多车道路段上，它将记录所有车辆的排队信息，并报告最大排队度.

600仿真秒过后由表3可见，大窑湾高速匝道入口处，仿真过程中每个时间间隔内所出现的最大的排队长度为162 m，车辆在通过排队路段时最多需停车3次.在大窑湾高速路段每个时间间隔内出现的最大排队长度为32 m，车辆在通过排队路段时最多需停车2次.

表3 大窑湾高速匝道入口处排队长度及停车次数

由于Vissim使用随机种子，来仿真车辆到达的泊松分布，具有一定的随机性，因此需要通过求平均值来排除随机性，处理后的排队数据表4所示.

表4 大窑湾高速入口处排队长度及停车次数

2 应急处理方案的效果及对比

2.1 高速公路应急处置

从紧急事件处置时间上划分，高速公路抢修、处置时间在 24 h以上时，为 I 级预警，介于 12 h和 24 h之间时，为Ⅱ级预警，介于 6 h和12 h之间时，为Ⅲ级预警，小于 6 h，为 IV 级预警[8].

本次研究是处于 I 级预警的情况下，由严重的交通事故引发的交通拥堵短时间内无法自行消散，处置过程为高速公路沿线的视频监控系统发现事故存在，将事故报告给辽宁省交通厅突发事件应急工作指挥中心，应急指挥中心判定该事件属于严重的交通事故会导致短时间内无法消散的交通拥堵，故启动Ⅰ级预警响应.

本次研究设置了如下几种处置方案，方案1：封闭大窑湾高速发生事故的两条车道单车道通行；方案2：在第6交通小区出口处以不同比例进行分流.具体的分流比例将在下文详细介绍.

方案1的对大窑湾高速以及沈海高速的影响已经探讨完毕，这里将着重介绍方案1对皮长高速的东行方向的影响.

经Vissim多次随机种子模拟求平均值，得出采用方案1时对皮长高速东行的影响如表5所示.

表5 方案1对皮长高速西行方向的影响

由表5可见，方案1对皮长高速西行方向的影响较小.

方案2：封闭大窑湾高速出市方向，并对从第6交通小区出发的交通流进行分流，具体分流措施如图4所示，删除了原有的从第6交通小区出发转入大窑湾高速的路径，将这条路径上原来0.6的相对流量分配到其余的路径上，重新分配后，从第6小区出发共有3条路径，路径1是沿沈海高速直行，相对流量为0.6，路径2是先沿沈海高速直行后右转进入跨线桥，驶入皮长高速，相对流量为0.35，路径3是直接右转进入丹大高速，相对流量0.05.

多次仿真后该疏导方案得到输出结果如表6所示.

表6 方案1、2对皮长高速和沈海高速影响对比

综上可见，方案2在缓解大窑湾高速的事故拥堵和排队上采用了较为激进的方法——封闭大窑湾高速，但是这一做法将大量的交通量分流到了沈海高速和皮长高速，造成了以上路段的延误增加，平均车速下降，尤其在沈海高速与皮长高速东行方向交汇的匝道上造成了较严重的排队.

因此，在接下来的仿真方案中应该在大窑湾高速上分配适量的交通量，以缓解疏导措施为沈海、皮长高速所带来的压力.

2.2 仿真方案改进

正如前文所介绍，封闭大窑湾高速为皮长高速和丹大高速带来较大的交通压力，因此在方案3中将为大窑湾高速分配一定的交通量.

经多次仿真输出的指标如表7所示.

表7 方案3对沈海高速的影响

2.3 对比评价

最优方案已经确定，现在进行汇总对比分析，具体情况见表8、表9.

表8 各方案影响情况

表9 各方案疏散效果对比

由各表可见，方案3由于较好的分配了经沈海高速绕行的比例，相比其他两个方案在缓解大窑湾高速的拥堵的同时，也减少了大窑湾高速事故对皮长、沈海两条高速的拥堵，由此可得最优方案为方案3.

3 结论

利用Vissim仿真软件，选取在大连市内沈大、丹大、皮长、大窑湾四条高速公路的交叉路网进行仿真路网搭建，设定在某个高峰时段，大窑湾高速出市方向发生两辆大型货车相撞侧翻，导致封闭两条车道，本文设置了三种应急方案，通过Vissim输出了事故情况下的各种指标得到以下结论：

方案1 降低了沈海高速出市方向的平均车速，同时增加了大窑湾高速匝道入口处排队长度.

方案2 将交通量分流到了沈海高速和皮长高速，造成其路段延误增加，平均车速下降，尤其在沈海高速与皮长高速东行方向交汇的匝道上造成较严重的排队.方案3在方案2的基础上为大窑湾高速分配一定的交通量，通过对比各个疏导方案的延误、平均车速、平均排队长度，并与不采取任何措施的情况进行对比分析.最后确定了在缓解沈海、大窑湾高速延误上都有较好效果的方案3.