城市道路改擴建交通流安全分析

■羅 強

(山西省交通科學研究院，太原 030006)

0 引言

隨著我國經濟的發(fā)展以及人民生活水平的提高，機動車的保有量也在逐年遞增。為了適應日益增長的交通需求、緩解城市交通壓力以及提供更加便捷、高效、舒適的道路行駛環(huán)境，提高城市居民出行的生活質量。我國各個城市都在不同程度地進行著交通基礎設施的建設，對于已經建成的城市道路仍需要進行定期的養(yǎng)護和應急維修[1-2]。交通基礎建設以及道路的養(yǎng)護、維修工程都需要進行占道施工，即工程項目施工期間在道路上設置施工作業(yè)區(qū)，關閉一條或多條車道的部分區(qū)域，該區(qū)域被稱為城市道路施工區(qū)域[3]。

我國城市道路施工區(qū)域的存在是比較常見的，道路施工占用了交通資源，縮減了有限的道路空間，會對道路上正常行駛的交通流產生十分嚴重的影響。一方面，由于施工段車道數量的減少直接導致了縮減區(qū)前后路段的通行能力的差異，限制了車輛在道路縮減區(qū)的快速暢行，車輛在施工路段的平均行駛速度下降，車輛密度增加，延誤增加，容易造成交通擁堵，使得施工路段通行效率較正常路段明顯下降[4-5]；另一方面，車輛在通過施工路段時，處于被縮減車道上的車輛需要進行變道至臨近車道上，當道路上車輛數量較多時，處于被縮減車道上的車輛往往難以實現正常情況下的變道行為，通常會采取強制變道措施，增大了施工路段不同車道上的車輛之間的相互干擾，如果縮減區(qū)車輛運行速度過快，則會加大車輛之間交通沖突的可能性，并且非常容易引發(fā)交通事故。因此，為了保障縮減區(qū)道路安全高效的運行，有必要分析縮減區(qū)的交通運行狀況，在此基礎上提出合理的限速值，從而尋求城市道路施工區(qū)域安全性與通行效率之間的最佳平衡點[6-8]。

1 城市道路施工區(qū)概述

1.1 道路施工區(qū)的定義

道路施工區(qū)是指通過交通設施將施工區(qū)域維護起來，從而保障占道施工現場施工人員、施工設備以及車輛和行人交通安全的交通管制區(qū)域。

1.2 道路施工區(qū)的形式和分類

道路施工區(qū)以分為全封閉和半封閉施工區(qū)兩類，全封閉施工是指完全占用整條道路進行大規(guī)模集中施工的方式；半封閉施工是指施工時只占用部分車道進行作業(yè)，半封閉施工根據現場施工情況的不同又可分為占用道路一個方向全部車道施工和占用道路一個方向部分車道施工兩種情況。占用道路一個方向全部道路施工時，是將道路施工區(qū)所在方向的車道進行全部封閉，施工區(qū)一側車輛通過借用對向一條或多條車道實現半幅路雙向通車的模式，這種情況下車輛的運行狀況會非常的復雜，一般適用于道路交通量不大的路段并且需要通過交通管制的手段來實現。

1.3 道路施工區(qū)的的道路特征

無論何種形式的施工作業(yè)，由于施工區(qū)的存在都會導致車道的縮減，所以施工區(qū)附近交通環(huán)境相對較差，施工區(qū)路段由于車道的縮減會產生瓶頸路段，當施工區(qū)上游的交通量大于瓶頸路段的通行能力時，則會產生交通擁堵現象。城市道路施工區(qū)一般都會配備相關的標志標線或渠化設施來有效引導交通流的疏散，從而保障道路使用者的出行安全和施工作業(yè)人員的安全。道路施工區(qū)一般可以分為以下幾個部分：

(1)警告區(qū)：在整個交通管制區(qū)的最前端，該區(qū)域內設有限速標志、前方施工標志及變道燈標志，該區(qū)域主要是提醒駕駛員前方施工需要進行交通管制。

(2)上游過渡區(qū)：在警告區(qū)的后方，主要起到引導交通流平穩(wěn)安全通過施工區(qū)的作用。

(3)緩沖區(qū)：在上游過渡區(qū)和作業(yè)區(qū)的之間，該區(qū)域主要是保障施工安全，給交通流提供緩沖和等待的區(qū)域。

(4)作業(yè)區(qū)：道路維修的關鍵的節(jié)點，一般會有柵欄進行施工隔離，該區(qū)域內車輛通行必須十分小心，注意交通安全，不干擾正常施工秩序。

(5)下游過渡區(qū)：設置于作業(yè)區(qū)之后，與上游過渡區(qū)一樣起導流作用。

(6)終止區(qū)：處于整個交通管制區(qū)域的最末端，終止區(qū)的作用是用來提醒駕駛員交通管制的結束，駕駛員可以調整車輛運行狀態(tài)使其恢復正常運行。在終止區(qū)末端應設置解除限制標志。施工作業(yè)區(qū)車道的縮減會導致道路環(huán)境的改變，施工區(qū)路段交通環(huán)境較差，與正常路段相比較，道路的特征如道路周圍環(huán)境、道路線性、交通標志標線、行車道寬度和行車道數量等都發(fā)生了較大的變化。

施工期間通常會在施工區(qū)修筑施工便道，道路環(huán)境會發(fā)生顯著變化，穿越便道的施工車輛以及施工人員會對過往車輛產生一定的影響，路的線性也會發(fā)生變化，影響到車輛的運行速度和順暢度。施工路段行車道寬度和行車道數量都有所減少，增大了車輛間的橫向阻抗，交通流的運動會受到限制，駕駛員很難進行超車過程，只能保持車輛在車流中的平穩(wěn)運行，而一些交通標志、標線等管制措施的存在，更加限制了施工區(qū)車輛的自由行駛。

2 仿真模擬基礎理論與模型建立

2.1 VISSIM微觀仿真軟件簡介

VISSIM仿真軟件為一款德國公司研發(fā)的交通仿真工具，可以模擬不同環(huán)境條件下交通的運行特征，是評價城市交通流運行合理性的軟件。VISSIM仿真軟件與交通流理論緊密結合，包括信號設計、車道設計、交通組成設計、跟馳模型、車道變壞模型等等，可以做到與實際現實環(huán)境的緊密關聯和有效模擬。

2.2 建立基本仿真路段

利用VISSIM軟件對仿真工具路段的模型進行建立：

(1)警告區(qū)路段的設置

城市道路車道功能無快慢車道之分，且車輛可變換車道，所以對于這種各車道功能沒有特殊劃分的路段，可以用一條包含多車道的Link來表示，如圖1所示。

圖1 警告區(qū)路段的設置

(2)過渡區(qū)路段的設置

城市道路施工作業(yè)一般為占道施工，道路上會產生車道增加或縮減現象。行駛在過渡區(qū)上的車輛的變道行為和跟車行為與正常路段的車輛都有所區(qū)別，情況較正常路段更加復雜。在VISSIM中這種過渡區(qū)即車道漸變段的設置依舊要通過Link和Connector來設置，而且設置要切合實際，如果設置不當則會引起仿真失真。

①上游過渡區(qū)路段的設置

在城市道路施工作業(yè)區(qū)的上游會發(fā)生車道縮減現象，在正常路段與施工路段之間會產生一個漸變段，也是交通瓶頸處。漸變段的Link和Connector之間不同的設置方法會產生不同的仿真效果。所以要根據城市道路車道功能以及路段上實際的交通流來處理。例如以單向三車道城市道路為例，上游過渡段是由三車道縮減至兩車道，在VISSIM中主要有兩種設置方法。方法一(圖2)是用一條連接器Connector1連接兩條車道，用另一條連接器Connector2連接一條車道。方法二(圖3)是用兩條連接器Connector1、Connector2分別連接兩條車道。

圖2 方法一Link設置

圖3 方法二Link設置

兩種漸變段Link的設置方法對應的沖突區(qū)域設置如圖4和 5。

圖4 方法一沖突區(qū)域

圖5 方法二沖突區(qū)域

從圖4和圖5可以看出方法二漸變段Link的設置所產生的沖突區(qū)域較方法一的設置所產生的沖突區(qū)域更為復雜，即車輛在過渡區(qū)的行駛狀況更加混亂。并且考慮到在實際情況中，位于內側和中間車道上的車輛一般不會輕易變道，只有最外側車道上的車輛因外側車道的縮減才不得不采取變道措施，所以方法一的漸變段Link的設置更加切合實際。同時兩種設置方法的仿真試運行結果也表明方法二漸變段Link的設置導致車輛在漸變段的運行混亂且車輛出現無故停車現象，與實際情況不符，從兩種設置方法的仿真試運行結果中可以得出方法一漸變段Link的設置更加符合仿真要求。

②下游過渡區(qū)路段的設置

城市道路施工區(qū)下游過渡區(qū)漸變段的設置與上游過渡區(qū)漸變段的Link和Connector的設置方法基本相同，只是方向相反。

2.3 仿真方案設計

運用VISSIM軟件進行交通仿真主要是為了獲取道路施工路段車輛在不同的限速值下的仿真運行軌跡文件，進而將車輛運行軌跡文件導入SSAM模型中獲取施工路段在不同限速值下的交通沖突個數。VISSIM仿真模型中通過在施工路段設置減速區(qū)對車輛發(fā)布限速指令，限速方案定為20至50km/h，以10km為間隔進行調控，綜合考慮交通安全和通行效率兩方面的影響來確定施工區(qū)合理的限速值。進行VISSIM仿真時在仿真文件輸出中勾選“車輛軌跡記錄文件”選項，從而獲得仿真車輛的運行軌跡以便導入SSAM模型進行交通沖突分析。通行效率則以排隊長度作為評價指標，通過在施工區(qū)上游路段設置排隊計數器可獲得車輛通過施工區(qū)路段的平均排隊長度。

3 仿真結果及分析

3.1 仿真輸出

在已經建好的仿真模型中，將主要的仿真參數值修改為上文所標定的數值，并分別以不同的限速值進行仿真運行。根據所設定的限速值，分別進行了4組仿真，每組仿真時間為3600s，共輸出了4組不同限速值下的車輛運行軌跡，所輸出的4組仿真車輛軌跡文件用于后續(xù)導入SSAM模型中獲取交通沖突數量，進而進行交通安全評價。利用VISSIM仿真除了獲取不同限速值下仿真車輛的運行軌跡之外，還可得到不同限速值下施工區(qū)路段的平均排隊長度，用以評價施工區(qū)路段的通行效率，兩車道縮減路段和三車道縮減路段在不同限速值下仿真車輛的平均排隊長度見表1。

表1 不同限速值下車輛排隊長度

由表1可以看出，施工區(qū)路段在不同限速值仿真模擬下，仿真車輛的平均車速都能夠保持在限速值附近變化，車輛的平均排隊長度也因限速值的不同而不同，平均排隊長度與限速值的變化有著十分密切的關系。

3.2 道路縮減區(qū)安全性評價

通過綜合評價交通沖突數以及沖突發(fā)生時間這兩個交通安全指標和平均排隊長度這一通行效率指標來研究不同限速值下施工區(qū)路段車流的變化情況。

(1)兩車道縮減區(qū)

根據仿真結果，不同限速值對上述指標的影響是不同的，兩車道施工區(qū)路段在4種不同限速值下的平均排隊長度以及交通沖突數目等仿真實驗的主要結果如表2所示。

表2 仿真實驗結果

當限速值為20km/h時，車輛的平均排隊長度最大，隨著限速值的提高，車輛的平均排隊長度呈下降趨勢，在限速值為30km/h時車輛平均排隊長度值基本降至最低，此后隨著限速值的增大，車輛平均排隊長度值又呈現出緩慢的上升趨勢，但是限速值在30km/h至50km/h區(qū)間段時，車輛平均排隊長度值相差不大。施工路段的交通沖突數基本是隨著限速值的提高而增加的，限速值越高所產生的交通沖突數目越多。變化趨勢近似是以30km/h的限速值為分界點，在限速值在20km/h至30km/h之間時，交通沖突數目隨著限速值的變化趨勢較為緩慢，在限速值為30km/h之后，交通沖突數目隨限速值的變化趨勢即曲線的斜率增加的明顯較為迅速。在限速值為40km/h之后，隨著限速值的增加，交通沖突數的變化不是很明顯。

(2)三車道縮減區(qū)

根據仿真結果，不同限速值對上述指標的影響是不同的，三車道施工區(qū)路段在4種不同限速值下的平均排隊長度以及交通沖突數目等仿真實驗的主要結果如表3所示。

表3 仿真實驗結果

當限速值為20km/h時，車輛的平均排隊長度最大，隨著限速值的提高，車輛的平均排隊長度呈下降趨勢，在限速值為30km/h時至50km/h時車輛平均排隊長度值相差不大。這是因為限速值較低時，施工區(qū)路段車速大幅度下降，降低了路段通行能力，而限速值過高時，所能提供的車速變化范圍也隨之增大了。施工區(qū)路段平均行駛速度與限速值之間基本呈線性關系，不同限速值下仿真車輛平均車速均能維持在限速值上下變動。施工路段的交通沖突數是隨著限速值的提高而增加的，限速值越高所產生的交通沖突數目越多。變化趨勢近似是以30km/h的限速值為分界點，限速值在20km/h至30km/h之間時，交通沖突數目隨著限速值的變化趨勢較為緩慢，在限速值為30km/h之后，交通沖突數目隨限速值的變化趨勢即曲線的斜率增加的明顯較為迅速。

4 結語

利用VISSIM交通仿真軟件對不同限速值下城市道路施工路段進行了仿真，得到了可以體現施工路段縮減區(qū)通行效率的車輛平均排隊長度值。對仿真結果進行分析，綜合考慮了限速值對交通沖突數、沖突時間、車輛平均排隊長度等交通安全和通行效率指標的影響，得到了仿真案例的合理限速值為30km/h的結論。