基于Vissim的高速公路網(wǎng)應(yīng)急事件仿真

郭瑞軍,劉淼

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

高速公路突發(fā)事件是指因氣候、地質(zhì)、地殼運(yùn)動(dòng)等自然因素引發(fā)的自然災(zāi)害或人為災(zāi)害突發(fā)，危及到高速公路轄區(qū)路段及沿線周邊地區(qū)群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，影響正常社會(huì)、生活和工作秩序的事件[1].高速公路突發(fā)事件的緊急救援系統(tǒng)是高速公路管理的重要組成部分，及時(shí)且適當(dāng)?shù)膽?yīng)急處置可減少甚至避免相關(guān)人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失.張奕等[2]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)的高速公路突發(fā)事件應(yīng)急資源調(diào)度系統(tǒng)，可根據(jù)事故等級(jí)以及事故種類預(yù)測(cè)所需應(yīng)急資源.郝倩妮[3]基于災(zāi)害性天氣下駕駛員可視距離和路面摩阻系數(shù)的變化，提出一種基于可變限速系統(tǒng)的限速對(duì)策，采用動(dòng)態(tài)的車速控制降低災(zāi)害性天氣高速公路事故多發(fā)路段的安全風(fēng)險(xiǎn).許秀[4]通過探討交通事故影響空間擴(kuò)散的關(guān)聯(lián)因素與擴(kuò)散狀態(tài)，提出交通事故分級(jí)方法，結(jié)合交通事故分級(jí)劃分事故影響區(qū)，同時(shí)根據(jù)各階段影響因素的不同，分別構(gòu)造交通事故持續(xù)時(shí)間各階段的預(yù)測(cè)模型.鄭來等[5]提出基于高速公路天然節(jié)點(diǎn)的大區(qū)段劃分方法.構(gòu)建了處理大區(qū)段內(nèi)指標(biāo)異質(zhì)性的模型變量，采用負(fù)二項(xiàng)回歸方法建立了大區(qū)段條件下的交通事故預(yù)測(cè)模型.金書鑫等[6]定量確定點(diǎn)、線、面3個(gè)層次的事故影響區(qū)，結(jié)合其交通量、車速、通行能力數(shù)據(jù)以及交通事故現(xiàn)場(chǎng)狀況分析，能快速確定事故影響區(qū)范圍提高事故處置效率.王順豪等[7]提出了基于ANP的高速公路應(yīng)急預(yù)案評(píng)估模型，并通過模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià).綜上所述，應(yīng)急交通疏散作為規(guī)避或減輕災(zāi)害性事件危害，是避免受到二次傷害的必要手段，是研究道路網(wǎng)應(yīng)急事件管理的重要部分.

復(fù)雜交通事件具有偶發(fā)性、不可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn)，無法用簡(jiǎn)單抽象的交通流理論、波動(dòng)理論等數(shù)學(xué)模型描述時(shí)，交通仿真的作用就更為突出.針對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)高速公路事故路段具體應(yīng)急案例研究數(shù)量的不足且較少采用交通仿真分析方法的問題，本文基于Vissim仿真軟件，將事先構(gòu)建的高速事故交通運(yùn)行狀況可視化，對(duì)設(shè)定的不同應(yīng)急疏散措施進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)比，通過分析不同方案緩解擁堵的程度，來防止由于疏導(dǎo)不當(dāng)帶來的附加擁堵，并降低涉及車輛的事故成本.

1 交通緊急事件仿真的構(gòu)建及性質(zhì)

1.1 構(gòu)建路網(wǎng)

選取大連市內(nèi)的大窯灣、丹大、皮長(zhǎng)、沈海四條設(shè)計(jì)速度120 km/h的高速公路所形成的交叉路網(wǎng)為研究對(duì)象.

如圖1所示，在路網(wǎng)的六個(gè)入口處各設(shè)置一個(gè)交通小區(qū)，皮長(zhǎng)高速入口處設(shè)置第一與第四小區(qū)，丹大高速入口處設(shè)置第三與第五小區(qū)，沈海高速入口處設(shè)置第二與第六小區(qū)，并對(duì)六個(gè)小區(qū)進(jìn)行路徑劃分及相對(duì)流量的設(shè)定，各條道路上的交通流流量如表1所示.

表1 路網(wǎng)交通分布表 輛/h

本研究采用8次不同的隨機(jī)種子進(jìn)行模擬，通過對(duì)得到的仿真結(jié)果求平均值來得到比較所用的數(shù)據(jù).Vissim輸出的行程時(shí)間和平均車速數(shù)據(jù)離散程度較小，延誤的離散程度較大，因此在以后的疏導(dǎo)方案比較中將會(huì)進(jìn)行多次隨機(jī)仿真并求均值.

1.2 架構(gòu)公路網(wǎng)緊急事件

假定緊急事件：在大窯灣高速出市方向發(fā)生一起兩輛載有危險(xiǎn)品的大型貨車相撞并側(cè)翻的交通事故，導(dǎo)致最外側(cè)兩車道封閉，單車道通行，事故狀態(tài)下的運(yùn)行效果如圖2所示，圖中標(biāo)點(diǎn)處為大窯灣高速事故地點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)聚集大量的救援人員和救援設(shè)備，該方向全面降速運(yùn)行.

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取

本文的評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取主要依靠仿真的輸出結(jié)果，因而需要在仿真數(shù)字路網(wǎng)中設(shè)置檢測(cè)器，本次研究需要設(shè)置的檢測(cè)器有行程時(shí)間檢測(cè)器，排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)器，數(shù)據(jù)采集點(diǎn).

1.3.1 目標(biāo)路段的延誤

為了輸出目標(biāo)路段的延誤，行程時(shí)間檢測(cè)器設(shè)置在連接南北兩個(gè)區(qū)域的干道，大窯灣高速公路上，具體設(shè)置情況如圖3所示.

事故影響大窯灣高速入口匝道出現(xiàn)排隊(duì)的情況，導(dǎo)致沈海高速出市方向運(yùn)行受阻，實(shí)際運(yùn)行速度下降，具體情況如表2所示.

表2 事故前后指標(biāo)對(duì)比

大窯灣高速入口處排隊(duì)影響了沈海高速出市方向的平均車速，導(dǎo)致事故后的平均車速較事故前下降75.91%.

1.3.2 目標(biāo)路段的排隊(duì)情況

排隊(duì)是從上游路段/連接器的排隊(duì)計(jì)數(shù)器的設(shè)置位置開始計(jì)數(shù)，直至排隊(duì)狀態(tài)下的最后一輛車.如果排隊(duì)計(jì)數(shù)器設(shè)置在多車道路段上，它將記錄所有車輛的排隊(duì)信息，并報(bào)告最大排隊(duì)度.

600仿真秒過后由表3可見，大窯灣高速匝道入口處，仿真過程中每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)所出現(xiàn)的最大的排隊(duì)長(zhǎng)度為162 m，車輛在通過排隊(duì)路段時(shí)最多需停車3次.在大窯灣高速路段每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的最大排隊(duì)長(zhǎng)度為32 m，車輛在通過排隊(duì)路段時(shí)最多需停車2次.

表3 大窯灣高速匝道入口處排隊(duì)長(zhǎng)度及停車次數(shù)

由于Vissim使用隨機(jī)種子，來仿真車輛到達(dá)的泊松分布，具有一定的隨機(jī)性，因此需要通過求平均值來排除隨機(jī)性，處理后的排隊(duì)數(shù)據(jù)表4所示.

表4 大窯灣高速入口處排隊(duì)長(zhǎng)度及停車次數(shù)

2 應(yīng)急處理方案的效果及對(duì)比

2.1 高速公路應(yīng)急處置

從緊急事件處置時(shí)間上劃分，高速公路搶修、處置時(shí)間在 24 h以上時(shí)，為 I 級(jí)預(yù)警，介于 12 h和 24 h之間時(shí)，為Ⅱ級(jí)預(yù)警，介于 6 h和12 h之間時(shí)，為Ⅲ級(jí)預(yù)警，小于 6 h，為 IV 級(jí)預(yù)警[8].

本次研究是處于 I 級(jí)預(yù)警的情況下，由嚴(yán)重的交通事故引發(fā)的交通擁堵短時(shí)間內(nèi)無法自行消散，處置過程為高速公路沿線的視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)事故存在，將事故報(bào)告給遼寧省交通廳突發(fā)事件應(yīng)急工作指揮中心，應(yīng)急指揮中心判定該事件屬于嚴(yán)重的交通事故會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)無法消散的交通擁堵，故啟動(dòng)Ⅰ級(jí)預(yù)警響應(yīng).

本次研究設(shè)置了如下幾種處置方案，方案1：封閉大窯灣高速發(fā)生事故的兩條車道單車道通行；方案2：在第6交通小區(qū)出口處以不同比例進(jìn)行分流.具體的分流比例將在下文詳細(xì)介紹.

方案1的對(duì)大窯灣高速以及沈海高速的影響已經(jīng)探討完畢，這里將著重介紹方案1對(duì)皮長(zhǎng)高速的東行方向的影響.

經(jīng)Vissim多次隨機(jī)種子模擬求平均值，得出采用方案1時(shí)對(duì)皮長(zhǎng)高速東行的影響如表5所示.

表5 方案1對(duì)皮長(zhǎng)高速西行方向的影響

由表5可見，方案1對(duì)皮長(zhǎng)高速西行方向的影響較小.

方案2：封閉大窯灣高速出市方向，并對(duì)從第6交通小區(qū)出發(fā)的交通流進(jìn)行分流，具體分流措施如圖4所示，刪除了原有的從第6交通小區(qū)出發(fā)轉(zhuǎn)入大窯灣高速的路徑，將這條路徑上原來0.6的相對(duì)流量分配到其余的路徑上，重新分配后，從第6小區(qū)出發(fā)共有3條路徑，路徑1是沿沈海高速直行，相對(duì)流量為0.6，路徑2是先沿沈海高速直行后右轉(zhuǎn)進(jìn)入跨線橋，駛?cè)肫らL(zhǎng)高速，相對(duì)流量為0.35，路徑3是直接右轉(zhuǎn)進(jìn)入丹大高速，相對(duì)流量0.05.

多次仿真后該疏導(dǎo)方案得到輸出結(jié)果如表6所示.

表6 方案1、2對(duì)皮長(zhǎng)高速和沈海高速影響對(duì)比

綜上可見，方案2在緩解大窯灣高速的事故擁堵和排隊(duì)上采用了較為激進(jìn)的方法——封閉大窯灣高速，但是這一做法將大量的交通量分流到了沈海高速和皮長(zhǎng)高速，造成了以上路段的延誤增加，平均車速下降，尤其在沈海高速與皮長(zhǎng)高速東行方向交匯的匝道上造成了較嚴(yán)重的排隊(duì).

因此，在接下來的仿真方案中應(yīng)該在大窯灣高速上分配適量的交通量，以緩解疏導(dǎo)措施為沈海、皮長(zhǎng)高速所帶來的壓力.

2.2 仿真方案改進(jìn)

正如前文所介紹，封閉大窯灣高速為皮長(zhǎng)高速和丹大高速帶來較大的交通壓力，因此在方案3中將為大窯灣高速分配一定的交通量.

經(jīng)多次仿真輸出的指標(biāo)如表7所示.

表7 方案3對(duì)沈海高速的影響

2.3 對(duì)比評(píng)價(jià)

最優(yōu)方案已經(jīng)確定，現(xiàn)在進(jìn)行匯總對(duì)比分析，具體情況見表8、表9.

表8 各方案影響情況

表9 各方案疏散效果對(duì)比

由各表可見，方案3由于較好的分配了經(jīng)沈海高速繞行的比例，相比其他兩個(gè)方案在緩解大窯灣高速的擁堵的同時(shí)，也減少了大窯灣高速事故對(duì)皮長(zhǎng)、沈海兩條高速的擁堵，由此可得最優(yōu)方案為方案3.

3 結(jié)論

利用Vissim仿真軟件，選取在大連市內(nèi)沈大、丹大、皮長(zhǎng)、大窯灣四條高速公路的交叉路網(wǎng)進(jìn)行仿真路網(wǎng)搭建，設(shè)定在某個(gè)高峰時(shí)段，大窯灣高速出市方向發(fā)生兩輛大型貨車相撞側(cè)翻，導(dǎo)致封閉兩條車道，本文設(shè)置了三種應(yīng)急方案，通過Vissim輸出了事故情況下的各種指標(biāo)得到以下結(jié)論：

方案1 降低了沈海高速出市方向的平均車速，同時(shí)增加了大窯灣高速匝道入口處排隊(duì)長(zhǎng)度.

方案2 將交通量分流到了沈海高速和皮長(zhǎng)高速，造成其路段延誤增加，平均車速下降，尤其在沈海高速與皮長(zhǎng)高速東行方向交匯的匝道上造成較嚴(yán)重的排隊(duì).方案3在方案2的基礎(chǔ)上為大窯灣高速分配一定的交通量，通過對(duì)比各個(gè)疏導(dǎo)方案的延誤、平均車速、平均排隊(duì)長(zhǎng)度，并與不采取任何措施的情況進(jìn)行對(duì)比分析.最后確定了在緩解沈海、大窯灣高速延誤上都有較好效果的方案3.