高速公路改扩建应急车道综合利用仿真研究

2022-03-12陈雅楠李美玲李广惠

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2022年1期

陈雅楠李美玲* 李广惠冉晋

(山东建筑大学山东高校重点实验室道路与交通工程实验室1) 济南 250101)(山东建筑大学土木工程学院2) 济南 250101) (山东省交通科学研究院3) 济南 250102)

0 引言

随着经济的发展和交通量的与日俱增，现有双向四车道高速公路很难满足道路通行能力的需求，改扩建工程在国内成为一种发展趋势.由于保通期某段时间内会出现单向单车道的特殊性，交通流在同向没有其他可利用车道只能被动跟驰，车辆违规占用应急车道的现象频发，危害极大却屡禁不止.在此情况下，如何高效利用道路空间以满足通行效率和行车安全，是一个值得研究的问题.

道路附属设施的有效利用可缓解交通压力、减少事故隐患.20世纪70年代，欧美国家开始利用与应急车道性质相似的硬质路肩作为临时车道；1996年德国结合道路监控设备观测道路占有率达到一定阈值时暂时开放路侧应急车道[1]；2006 年法国利用应急车道的模式有两种：①全天开放；②只在拥堵时段开放[2].张可等[3]提出双车道公路设置附加车道专供慢速车辆使用，快速车辆利用原车道超车避免引发冲突；蒋隆建等[4]认为可将紧急停车带作为爬坡车道使用，拥堵路段分流低速重载的大货车，高速小客车仍在原车道快速通过；丁小龙等[5]提出跨越中央分隔带的应急疏导装置，以现有工程车为基础，展开厢壁搭建供车辆绕行的通道，从而达到应急疏导功能；刘飞舟等[6]从工效学角度出发，根据高速动态环境中的视觉辨识机理,在已建道路上适当增加合理尺寸的港湾式停车带.为深入研究如何布设安全设施，学者采用多种方式探究相关因素的影响：VAN等[7]利用高仿真驾驶模拟平台，研究了应急车道对车辆速度及横向偏移的影响；BEN等[8]研究了路侧基础设施对驾驶员感知及驾驶行为效应，单因素方差结果表明路肩宽度变化对车辆横向偏移影响显著；杨永红等[9]将关注点放在超车道停车视距的安全性方面，建立了三维动态视距模型；邢小亮等[10]从统计学角度分析不同间距水平下的变化规律，研究了紧急停车带间距与驾驶行为的关系.

综上所述，国内外在局部路段安全改善方面做了大量研究，但实际道路存在较多客观条件限制，工程案例中缺少明确设施方案作为支撑.鉴于高速公路改扩建期间半幅封闭，亟须道路空间以提高不中断交通的通行效率，高效利用道路附属设施方式较为适用.本文提出了借助利用率较低的应急车道作为开放路段，充分考虑驾驶行为对超车视距、停车间距等因素的影响，重新组合标定仿真模型的驾驶参数，合理设计应急车道的开放形式和空间布局，通过仿真手段确定高速公路改扩建期间最优的应急车道综合利用方案，有效缓解扩建施工对高速公路正常运营和安全带来的影响，为国内类似高速公路的改扩建项目提供借鉴和参考价值.

1 应急车道综合利用

应急车道的作用是供车辆遇紧急情况时临时停放等待救援，或有突发事件造成交通中断时作为保障救援车辆赶赴现场的应急通道.实际调查发现，不同交通量的情况下应急车道使用率不同，改扩建期间真正服务于紧急情况的概率较低，长时间闲置十分浪费道路资源.尤其是单向单车道路段通行能力低下，若能利用已有的空闲应急车道资源，有助于缓解交通压力、改善道路条件.可是一旦全部占用应急车道作为正常车道通行，道路将失去紧急状况处理功能，势必会影响故障车辆停靠和救援车辆的通行.可见，根据道路状况开放应急车道具备可行性，本文通过仿真模拟，探究了应急车道的具体利用条件，确定其使用形式，并提出根据交通流特征将不同开放形式的应急车道相结合，从而使综合利用效用更大化.

基于以上考虑，本文提出了全部路段开放和部分路段开放两种利用方式，对应三种方案分别是：改扩建期间车道数受限，高速公路出现两侧附应急车道的单向单车道保通情况，即为仿真的原方案，参考图1a)；对于借助部分应急车道增设开放路段，其长度、相邻开放路段设置间距及一定路网范围内设置数目等不确定的关键元素，应根据错车时间、视距、交通量、通行效率等情况综合决定，即为对比方案一，见图1b)；高速公路开放全部应急车道作为正常行车道使用，即为对比方案二，详见图1c).

2 仿真方案设计

2.1 参数取值

为充分了解路段交通状况，按桩号分方向、分车道、分车型进行实地调查，分析数据作为交通特性和车速特性的基础内容，仿真参数取值如下：

1)模型尺寸仿真参数时间为3 600 s，精度10仿真步长/仿真s，随机种子20～180以40为间隔共五个水平，即每组相同的数据实验五个水平，指标取敏感性最大的平均值；初次实验仿真路网长为6 km路段，行车道宽度3.75 m，硬路肩3.5 m，应急车道宽3.75 m，过渡区长100 m.

2)交通组成不同车型交通运行特点有所差异，仿真涉及车辆采用各区段平均比例：中小客车70%；小货车5%；中货车5%；大货车10%；大客车10%.去掉限行后的数据，大车率约为0.2.

3)交通量仿真路网交通量，采取单向输入方式，以免造成交通负荷.收集改扩建施工开始后济青北线交调站的流量数据，换算为年平均日交通量，取高峰小时流量比10%，方向不均匀系数0.6，折算几个断面的单向交通量.施工时交通流的空间分布不均，根据饱和度和各路段类型的通行能力推算为两个研究水平：1 000和2 000，单位为自然车辆数/h，分别称之为中低饱和度和高饱和度.

4)参数变量开放路段长度，特指高速公路改扩建保通期间借用应急车道设置开放车道的分段长度.其有效长度应满足超车车辆在不影响行车道上车辆正常行驶的情况下，进入、驶出开放路段及超车所需要的总长度，通常根据公路等级的不同、交通量的大小、可能超车的车辆数等因素确定.设置过长会降低超车的效率，过短未给予超车充足的时间存在严重的安全隐患.本文将在定性分析工程因素的前提下，按照评价指标定量分析仿真数据以确定车道长度.

开放路段间距，特指高速公路改扩建期间借用应急车道设置相邻两开放车道间的直线距离，不小于超车的最短安全距离.设置开放路段有利于快速疏散长时间被慢车压制的紧急车辆，在一定程度上缓解瓶颈路段延误.但道路顺畅时，设置距离相近的多个开放路段赘余且效率低下，所以如何定距也是仿真过程中值得研究的问题.

2.2 模型标定

现有VISSIM模型中的参数缺省值根据德国交通情况设定，不同地区、不同研究对象的交通特性存在显著差异，为了使仿真结果如实反映国内道路情况，在仿真前必须先进行微观参数的检验和标定.本文提出参数选取依据和指标参数集组合，应用微观参数敏感性分析与实验分析相结合的校正方法，梳理并完善为适合于改扩建高速模型的校正流程，以保证仿真结果准确性.

1)敏感性分析敏感性分析实质是科学的确定对实验设计目标关系密切的待标定指标及参数集，考虑到数据采集的便捷性，尽可能排除对标定指标敏感性较低的微观参数，以减少标定工作量.通过实测数据分析，选取流量、平均速度、延误、行程时间和排队长度五个标定指标和14个微观参数，组合成不同水平的参数指标集，以开展敏感性分析工作，取值范围参考Widemann-99模型.

表1 微观参数及其取值范围表

2)参数标定本文选择正交试验法，在试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合(待标定参数已由敏感性分析得出)，利用正交表来安排与分析多因素试验，参数标定试验方案共有9个，每个方案分别在不同的随机种子下运行五次，找出最优的水平组合.最终通过极差分析和最优解的判定，可得期望车速标定见表8，微观参数标定结果为：CC1=1，CC2=5，CC7=0.6，CC8=7，其他参数保持缺省值不变.

表2 期望车速标定表单位：km/h

2.3 方案设计

仿真阶段，首先在两种水平的饱和度下按照原方案仿真；然后利用部分车道布设开放路段仿真方案一仿真；之后开放全部应急车道进行方案二；最后将三种方案的最优值对比研究，评价确定合理的综合利用应急车道方案.流程见图2.

图2 仿真方案设计流程图

车辆跟驰换道通常是在多车道驾驶环境中，车辆为了超越前车进行两次换道的驾驶行为，包括强制换道和主动换道，前者指车辆为了到达路径定义的车道而采取的必要换道行为，后者指车辆为了获得更高的行驶速度而进行的自由换道行为.利用高速公路应急车道进行跟驰换道需要满足三个距离条件：主线慢速跟随行驶的后车拥有换道距离、应急车道上快速超车的行驶距离和行驶至应急车道末端回主线距离，所以高速公路应急车道的开放设计应保证车辆超车的安全性，驾驶员必须看到前方足够距离的车流空隙，才有机会变换车道超车，否则只能一直被动跟驰行驶.

Harwood等[11]在研究报告中总结部分现有模型的超车视距值，但未完成超车与放弃超车之间的平衡，不适合我国双车道公路.本文重新计算不同时速下的最小超车视距，考虑到对向来车的影响，且实际行驶速度往往大于《规范》限速80 km/h，超车视距随之增加，所以仿真中以550 m为基础搭建模型进行仿真，研究确定开放应急车道尺寸设计.对比方案一中参数变量包括开放路段的长度、间距和数目，以研究对不中断交通高速公路交通流的影响.中低、高饱和度两种水平单向输入交通量，开放路段长度以超车视距550 m为基础，从600～1 000 m以100 m为间隔依次向上递增，共12组，寻最优解.确定最优长度后，增加开放路段数目至两到三个，考虑到高速公路上车速较快，频繁超车和横向变道会大大降低通行效率，严重影响正常行车的舒适性和过渡段安全性，故设置间距分别为1 000，2 000，3 000 m，再次进行12组仿真，分析得最优方案.

2.4 评价指标

1)效率指标交通流效率意指交通的时效性，可以有效反映该路段交通流运行效率.由于特殊交通环境下的交通组织、绕向频率、限速取值、行车环境等均有变化，本文根据改扩建保通期间车辆横向借道超车过程的交通流特性，选择行程时间和平均延误作为效率评价指标，车辆实际行程时间越短、在分合流处延误时间越少，代表交通流效率越高、道路通行能力越强.

2)安全指标交通安全旨在减少车辆间不必要的相互干扰，是保障高速公路改扩建顺利进行的关键.综合考虑改扩建高速公路交通组织的特殊性，本文选取冲突率和服从率作为安全评价指标，定义冲突数为分、合流段及横向借道超车时与其他相邻车辆产生潜在危险事故的数量，冲突率越低代表该方案不间断交通安全性越好；服从数为遵从变道的车辆数，服从率值高代表超速车辆少安全性好.本文采用便捷高效的间接安全冲突法，SSAM软件进行交通运行安全性评价分析，以python算法对输出的运行轨迹进行统计分析，通过交互状态变化次数，即可得到不间断交通转换带的冲突类型，以此分析交通安全冲突.

3 开放应急车道仿真研究

3.1 开放路段长度仿真评价

设置单个开放路段，长度以550 m为基础，从600～1 000 m每100 m为间隔依次向上递增.图3a)反应不同开放路段长度对通行效率影响，中低饱和度时随着开放路段的增加，行程时间和延误均无明显变化，设单个开放路段对原交通流几乎无影响；高饱和度时两者皆呈现先下降后上升趋势，在开放路段长度为700 m时出现拐点，即为此情况下的最优值.图3b)对行车安全性影响研究，冲突率低且服从率高表明行车安全性好，图中可以看出，冲突率多集中在7%～8.5%范围，服从率高于96%，开放路段长度增加时，整体为上升趋势，1 km长度时达到最高安全性最好.综上，开放应急车道过短会导致超车视距不足，最优组合为：中低饱和度时开放路段长1 000 m和高饱和度时开放路段长度700 m方案.

图3 不同开放路段长度通行效率和安全性评价

3.2 开放路段间距及数目仿真评价

在开放路段长度最优解集基础上，增设开放路段数目并改变间距为1，2和3 km再次仿真.图4a)为不同开放路段间距对通行效率的影响研究，中低饱和度时行车时间和延误均较低，借助应急车道设置开放路段有利于提高行车效率；高饱和度时两开放路段的行车效率随间距增加而升高，间距为3 km时，行程时间是三开放路段的三分之二，车均延误低于其他方案，设置三个开放路段时反之，这是由于车辆在极短距离内借道超车再加速行驶回原车道，变化频率高行车状况不稳定.图4b)为不同开放路段设置间距对安全性影响研究，中低饱和度时设置两个开放路段安全性在2～3 km时较高，设置三个开放路段时间距的增大有利于安全性的提高；高饱和度时随间距增加安全性降低，不考虑同一施工路段设置三个开放路段，车辆状态变化幅度过大，通行效率和安全性协同性较弱.综上，中低饱和度下选择两个路段间距为3 km的方案，行车效率高、稳定性好.

图4 不同开放路段间距通行效率和安全性评价

3.3 综合利用应急车道的仿真评价

三个仿真方案对比结果见图5.通行效率方面，完全利用应急车道在中低饱和度时最高，此时路段全部开放交通流最为顺畅高效；部分利用应急车道较为特殊，中低饱和度时开放路段有利于疏散交通流，但高饱和度时通行效率最低，很大原因在于变道频繁易造成开放路段进、出口拥堵.安全性方面，中低饱和度时，全部开放应急车道最高、借助部分应急车道设开放路段次之、不利用应急车道的单向单车道最低；高饱和度时，开放全部应急车道安全性最好，部分开放与不开放应急车道相等.由此说明，应急车道的设置极大可能限制了车辆行驶效率，存在较多安全隐患；合理利用应急车道有利于提高通行效率、减少事故发生.

图5 不同饱和度下三方案结果比较

总体而言，中低饱和度的道路交通状态明显好于高饱和度，高速公路改扩建期间限制流量十分必要，这与现实认知相同.仿真得知，道路施工保通期间，中低饱和度下综合利用应急车道设合理的开放路段，在一定程度上能起到增加通行效率和安全性的功能；高饱和度下同一应急车道设置多开放路段存在风险，可以开放全部车道作为正常行车道保通.

本文以微观仿真模拟驾驶技术作为研究手段，结合SSAM交通冲突评价，弥补了改扩建期间实测试验安金风险大的缺点.为使仿真实验贴近实际情况，末来有条件还将考虑开放应急车道的视认环境影响因素，针对不同类型的路况形式展开研究，补充驾驶员不良驾驶行为、主观感受及交通事故等评价指标，迸行必要的高速公路环境验证.