高速公路改扩建施工期交通组织方案仿真分析

2021-10-28刘艳强

山西交通科技 2021年4期

刘艳强

（山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）

随着我国经济的持续快速发展，早期修建的高速公路交通量增长较快，年平均增长率多在10%以上，甚至达到20%以上。交通量增长远远超过项目规划立项时的预测值，部分高速服务水平明显降低，已经不能适应社会、经济发展的需要，迫切需要对原路进行改扩建，高速公路改扩建工程不可避免地成为未来交通发展的重要方向[1-2]。高速公路改扩建过程中将面临的问题是：通行能力大幅折减、交通流处于不稳定状态、车辆间冲突增加等[3]，由此需要对改扩建施工期交通组织方案开展分析验证。

依据山西省晋阳高速改扩建施工期的交通组织方案，利用VISSIM软件进行交通仿真分析，从断面通过流量、车辆平均延误的情况分析改扩建方案的合理性，可为改扩建施工期交通组织方案的设计验证提供思路和参考。

1 仿真模型建立

1.1 建模思路

改扩建交通组织仿真建模包括如下流程：a）确定交通组织仿真分析目标、设计交通组织仿真分析方案、界定交通仿真分析区域、选择交通仿真分析精度；b）采集和分析高速公路仿真模型基础数据，包括几何数据、道路网络、车流密度、车头时距、车速和其他数据等；c）根据基础数据资料，建立静态路网模型、交通枢纽模型和路段特征模型；d）建立各路段交通流量模型、车辆速度仿真模型、驾驶员仿真模型、交通控制与管理模型等动态仿真模型；e）调整和校准交通仿真系统模型；f）分析交通组织方案。

依据可研报告中的实施方案和交通量分析及预测部分，对实测数据分析，发掘施工类型对施工路段交通特性的影响是否显著，确定VISSIM仿真场景；检验速度、速度变化趋势以及车头时距在不同施工布置下是否存在差异，并采用实测数据对场景参数进行标定，使VISSIM仿真结果更加贴近实际情况。

1.2 交通参数

晋阳高速原为双向四车道通行（4×3.75 m），设计速度60 km/h；拟采取的改扩建方案为双向四车道改为双向八车道（8×3.75 m），设计速度80 km/h。根据交通调查结果，晋阳高速客车比重72.6%，货车比重27.4%。在改扩建期间，考虑到改扩建施工的复杂性及部分路段平纵指标偏低，拟对长途货运车辆采取分流措施，降低安全风险，提高通行能力。故改扩建期间取晋城至阳城方向高峰小时交通量约为2390×72.6%=1735 veh/h，阳城至晋城方向高峰小时交通量约为2491×72.6%=1808 veh/h；周村互通立交出口高峰小时交通量为462×72.6%=335 veh/h，入口高峰小时交通量约为490×72.6%=356 veh/h。

1.3 仿真场景

针对改扩建前、改扩建施工中、改扩建后分别设计6种仿真试验场景如图1所示。在仿真软件中，统计仿真时长1 000～3 600 s的情况下通过道路断面的交通量和通过整个试验场景车辆的平均延误结果。

图1 仿真试验场景

2 仿真模型分析

2.1 改扩建方案有效性分析

将6种场景下的仿真试验结果取平均后，绘制于柱状图2、图3中。分析可知，交通量增长会导致通过道路横断面的车辆数及车辆延误增大，交通量的增长会给道路通行能力和服务水平提出新的要求；采取的道路改扩建方案能有效降低车辆延误，保障道路通行能力和服务水平。

图2 平均流量试验结果

图3 平均延误/路段长度试验结果

改扩建施工中不同路段的平均流量明显小于改扩建施工前后路段平均流量，改扩建施工中不同路段的平均延误/路段长度同样小于改扩建施工前后路段平均延误/路段长度，这主要与保通方案在施工期间对长途货运车辆采取分流措施有关，该措施可以保证高速公路在改扩建期间仍能提供较高的服务水平。

综上，将晋阳高速由四车道改建为八车道有利于提高道路通行能力和服务水平；改扩建期间路段不同断面平均流量相差不大，车辆延误较低，说明改扩建施工中采取的保通方案具有一定的合理性。

2.2 突发情况与对策分析

为探究改扩建施工中交通事故、交通量激增、恶劣天气等突发情况及相关对策条件下改扩建方案的有效性，对上述仿真场景2～场景4，改变其参数设定后，进行仿真试验与分析，鉴于篇幅原因，文中未列出详细仿真结果数据，仅给出仿真试验设计与仿真试验结果分析。

2.2.1 事故与对策

采取在交通事故点设置红绿灯、限制车辆通行的方法减小下游离去率，从而模拟交通事故对交通拥堵产生的实际影响。事故未发生时，将该节点信号灯设置为绿色模拟无事故；当事故发生后，将该节点信号灯设置为红色模拟交通拥堵，设置红色信号灯时长为1 800 s。此外，在信号灯前方设置200 m长度的减速区，期望速度为20 km/h。高速公路实际情况中并未设置红绿灯，以上设置方式仅是为了在VISSIM交通仿真中模拟交通事故对事故点及下游交通的影响。在交通事故对策方面主要考虑交通诱导，仿真方案利用路段连接器将交通流提前诱导至未发生交通事故的车道。利用交通事故前后断面平均流量之比对交通事故的影响进行评价，定义评价指标如式（1）所示。

式中：C1为交通事故发生后断面平均流量；C2为交通事故发生前断面平均流量。

经仿真试验，在双侧拼宽和单侧拓宽的改扩建施工方案中，若交通事故发生后封闭内侧车道或外侧车道，k值约为0.85～0.86。在双侧拼宽改扩建方案中，交通诱导前后，k值提升7%～8%达到0.93左右；在单侧拓宽改扩建方案中，交通诱导前后，k值提升3%～4%达到0.88～0.89。这表明双侧拼宽和单侧拓宽的改扩建施工方案中，若出现交通事故占用一条车道的情况，断面通行能力会出现一定程度的下降；在双侧拼宽改扩建施工方案中采用交通诱导措施作用比单侧拓宽改扩建施工方案中更加显著。

2.2.2 交通量激增与对策

仿真方案为将交通量扩大至原来的3倍。仿真统计仿真时长1 000～3 600 s。在交通量激增对策方面主要考虑分流，参考类似高速公路改扩建工程及该项目依托工程晋阳高速的特点，在仿真方案中主要考虑15%、30%两种分流比例。利用输入交通量与断面平均流量的关系对交通量激增造成的影响进行评价。定义评价指标如式（2）所示。

式中：C1为交通量激增后（或交通流激增状况下采取分流措施后）断面平均流量；V1为交通量激增后（或交通流激增状况下采取分流措施后）输入交通量；C2为交通量激增前断面平均流量；V2为交通量激增前输入交通量。

经仿真试验，双侧拼宽和单侧拓宽的改扩建施工方案中，若出现交通量激增的情况，断面通行能力下降；在双侧拼宽改扩建施工方案的第一、二阶段，晋城至阳城方向需分流15%，阳城至晋城方向需分流30%；在单侧拓宽改扩建施工方案的第一阶段，需双向分流30%，在单侧拓宽改扩建施工方案的第二阶段，晋城至阳城方向和阳城至晋城方向需分别分流15%和30%。

2.2.3 恶劣天气与对策

考虑因恶劣天气（如冰、雪、雨、雾等）引起的车辆运行速度下降，以及其导致的道路拥挤程度的改变。仿真方案将期望车速修改为30 km/h。仿真统计仿真时长1 000～3 600 s。在恶劣天气对策方面主要考虑分流，仿真方案中主要考虑15%、30%两种分流比例。利用车道占有率的改变对恶劣天气造成的影响进行评价。定义评价指标如式（3）所示。