基于VISSIM 仿真的高速公路隧道擁堵優化方案分析

■林啟華

（福建省寧德高速公路有限公司，寧德 352100）

高速公路因其具有運行速度快、 通行能力大、運輸效率高等特點， 使之成為當今一種新型的、具有巨大發展活力的現代運輸手段。 近年來，隨著人們物質和精神生活水平的不斷提高，人們對于節假日旅行出行的需求大幅增長，道路交通流量急劇增加。 隧道作為高速公路的特殊路段，因其所處的環境因素較為復雜， 往往成為高速公路的瓶頸路段，擁堵現象日益嚴重[1]。 針對高速公路隧道擁堵學者們進行了相關研究，肖承凱[2]通過建立元胞自動機仿真模型模擬高速公路隧道擁堵，研究高速公路隧道擁堵的產生、傳播和消散機理；趙樹平[3]通過分析高速公路隧道擁堵成因，研究隧道擁堵的交通流特性，并針對隧道自身特性提出相關疏解方法；郝美英[4]通過分析高速公路隧道擁堵的內在聯系和實際變化過程，提出一種基于隧道進出口車流量的隧道交通流量預警算法。 由于不同車型之間的車輛性能與運行特性差異顯著，導致在特長隧道、隧道群等路段，小型車由于無法變道超車，需長時間跟隨大型車慢速行駛，嚴重影響了高速公路隧道路段的運行效率，加劇了高速公路隧道擁堵。 因此，全國多地開展了隧道內允許超車的相關工作[5-6]。 從近幾年的運行情況來看， 在隧道施劃虛線允許小型車變道后，車輛通行效率明顯提高，且沒有出現事故多發的情況。 基于上述研究成果，本文以寧德市京臺高速崗上上行隧道為研究對象，以提高道路通行能力為出發點， 提出車道分界線虛實線的優化方案，并運用VISSIM 仿真軟件對不同情景狀態下的研究對象進行仿真實驗， 輸出不同情景狀態下的評價指標，以驗證優化方案的可行性。

1 研究對象現況

本文的研究對象為寧德市京臺高速崗上上行隧道，該隧道位于京臺高速排頭樞紐與閩清東橋互通之間，起點樁號為K1819+858，終點樁號為K1822+664，隧道長度為2806 m，雙向四車道。 根據現狀調查資料，該路段年平均日交通量為23578 pcu/d，節假日最高交通量為29900 pcu/d。 節假日期間，崗上隧道貨車交通量占比約為17.9%。 排頭樞紐主要技術指標如表1 所示，排頭樞紐至崗上隧道附屬設施概況如表2 所示。

表1 排頭樞紐主要技術指標

表2 排頭樞紐至崗上隧道附屬設施概況

排頭樞紐連接京臺高速與政永高速，崗上隧道作為京臺高速古田往福州方向連續隧道群的第一座隧道，與其間距小于1 km。 由于隧道與互通式立交出入口間距較小， 兩股交通流在隧道入口前交織，車輛下意識減速，加上節假日高峰期交通量激增，極易在隧道入口附近誘發事故，且該路段為連續隧道群，隧道內無硬路肩且無法變道，隧道內行駛環境改變，容易造成追尾、刮蹭等交通事故，而一般隧道內簡易事故處理不及時，易誘發隧道內二次事故，進而加劇隧道內的交通擁堵。 研究對象交通流向示意圖如圖1 所示。

圖1 研究對象交通流向示意圖

根據京臺高速寧德段（寧德-福州方向）節假日期間的37 起典型交通事故數據， 該路段事故車輛類型主要為小型汽車，事故類型主要為追尾與碰撞事故，事故原因主要為駕駛員操作不當、未保持安全距離，事故時間主要集中在節假日最后一天。 因此， 崗上隧道擁堵表象為節假日擁堵和事故擁堵。崗上隧道典型交通事故統計如表3 所示。

表3 崗上隧道典型交通事故統計

2 優化方案

將隧道入洞口前150 m 至隧道出洞口后100 m 的原有車道分界線清除。 將入洞口前150 m至隧道內第1 個緊急停車帶結束位置、 出洞口前500 m 至出洞后100 m 車道分界線重新施劃實線，采用白色熱熔點狀結構雨夜反光標線。 將隧道內第1 個緊急停車帶結束位置至出洞口前500 m 車道分界線施劃虛實線，采用白色熱熔點狀結構雨夜反光標線。 研究對象標線設置如表4 所示，研究對象優化方案示意圖如圖2 所示。

圖2 研究對象優化方案示意圖

表4 研究對象標線設置

3 仿真分析

3.1 仿真建模

仿真軟件選取由德國PTV 公司開發的VISSIM仿真建模工具，VISSIM 是目前擁有最大用戶群體的微觀交通仿真軟件， 能夠分析各種交通條件下（車道設置、交通構成、交通信號等）城市交通的運行狀況，是評價交通工程設計和城市規劃方案的有效工具[7]。 針對崗上隧道擁堵表象為節假日擁堵和事故擁堵，本文分別對研究對象的4 個情景開展仿真實驗，4 個情景分別為情景Ⅰ（優化前節假日高峰期無事故仿真）、情景Ⅱ（優化前節假日高峰期事故仿真）、情景Ⅲ（優化后節假日高峰期無事故仿真）和情景Ⅳ（優化后節假日高峰期事故仿真），交通輸入按照實際的交通流量和交通組成輸入VISSIM 仿真模型。 仿真流程圖如圖3 所示。

圖3 仿真流程圖

3.2 隧道路段交通事故仿真實驗

仿真路段選取隧道路段，交通事故發生點選在隧道入口處右側車道， 假設事故持續時間為15 min，事故發生后15 min 內車輛僅允許走左側車道。 由于VISSIM 仿真軟件無法直接實現隧道路段交通事故的模擬， 本文采用Visual Studio 2012 接入VISSIM_COM 接口，采用VB 程序語言編寫隧道路段交通事故仿真實驗程序。 隧道路段交通事故仿真實驗的設計思路在于獲取隧道路段的車輛集合，判斷該路段車輛的坐標點屬性，當仿真時間及事故車輛的坐標點均滿足設定的閾值時，事故車輛的期望速度降為0 km/h， 直到事故持續時間結束時，小型車恢復期望速度為80 km/h， 大型車恢復期望速度為60 km/h。 情景二仿真運行圖如圖4 所示，情景四仿真運行圖如圖5 所示。

圖4 情景二仿真運行圖

圖5 情景四仿真運行圖

從圖4 和圖5 可以看出，在未施劃車道分界線虛實線前，當隧道路段發生交通事故時，事故車輛的后方車輛無法繼續行駛。 在施劃車道分界線虛實線后，當隧道路段發生交通事故時，事故車輛的后方車輛可以在判斷變道環境安全后變換車道繼續行駛。

3.3 仿真結果分析

本文選取通過車輛數作為輸出評價指標，運用VISSIM 仿真軟件對研究對象的4 種情景狀態進行仿真實驗，將仿真實驗獲得的4 組評價指標數據進行對比分析，情景Ⅰ通過車輛數為2581 veh/h、情景Ⅱ評通過車輛數為2122 veh/h、 情景Ⅲ通過車輛數為2786 veh/h、 情景Ⅳ通過車輛數為2450 veh/h，如圖6 所示。 采用T 檢驗對仿真數據進行驗證，T檢驗是用于檢驗某個變量的總體均值和某個指定值之間是否存在顯著差異。 通過對仿真數據進行T檢驗發現實際樣本均值和仿真數據沒有顯著統計學差異，表明所構建的仿真模型具有較高的真實性。

圖6 不同情景狀態下的評價指標數據對比

通過對比情景Ⅰ和情景Ⅱ，通過車輛數由2581 veh/h 降至2122 veh/h， 說明由于隧道事故使路段的通過車輛數減少了459 輛。通過對比情景Ⅰ和情景Ⅲ，通過車輛數由2581 veh/h 增至2786 veh/h，說明在施劃車道分界線虛實線后，路段通行能力提高，原因為小型車的期望速度高于大型車，小型車可以在適當的位置完成變道超車。 通過對比情景Ⅱ和情景Ⅳ，通過車輛數由2122 veh/h 增至2450 veh/h，說明施劃車道分界線虛實線能夠提高隧道事故路段的通行能力。 通過對比情景Ⅲ和情景Ⅳ，通過車輛數由2786 veh/h 降至2450 veh/h， 說明在施劃車道分界線虛實線后，由于隧道事故使路段的通過車輛數減少了336 輛， 相較于對比情景Ⅰ和情景Ⅱ，減少了123 輛。 說明施劃車道分界線虛實線能夠在一定程度上提高道路通行能力，增加通行效率。

4 結語

針對寧德市京臺高速崗上上行隧道極易發生節假日擁堵和事故擁堵，本文提出車道分界線虛實線的優化方案， 運用VISSIM 軟件分別對研究對象的4 種情景狀態進行仿真實驗，以通過的車輛數為評價指標， 探究優化方案對研究對象的優化效果。分析仿真結果得出研究結論：采用車道分界線虛實線的優化方案能夠緩解隧道路段的節假日擁堵和事故擁堵，提高道路通行能力，研究成果可為同類型的高速公路隧道擁堵優化提供參考。 目前京臺高速崗上上行隧道已調整設置車道分界線虛實線，根據京臺高速崗上上行隧道標線優化的實施效果評估，車輛通行效率提高，隧道內交通事故減少，運行效果良好。 因此，在高速公路長隧道內設置車道分界線虛實線是可行的。

由于隧道擁堵優化是一項系統工程，除了本文提出的車道分界線虛實線優化方案外，還可優化排頭樞紐福州方向的匝道合流方式，使雙車道匝道先在匝道內合流，再匯入京臺高速公路主線。 構建路段擁堵預警系統和路網誘導分流管理系統，實現對京臺高速交通流量的監測、預警、誘導與管控。 完善交通工程設施，加強隧道洞口過渡段照明。