高密度流狀態下客貨分離行駛提升行車效率及安全仿真分析

林子超,張家龍

（山東省交通規劃設計院集團有限公司,山東 濟南 250014）

0 引言

影響車流效率與安全的因素有三個：（1）道路條件；（2）載重車輛類型及其比例；（3）駕駛員特性。根據國內外研究[1-3]發現，貨車對交通流的影響遠大于折算成小客車后產生的影響，且會在一定程度上影響其他車輛駕駛員。因此在不改變道路條件和駕駛員群體的條件下，如何降低貨車對交通流的影響顯得尤為重要。目前客貨分離在高速公路上的應用較為普遍。國內外學者也已經逐步開展相關研究[4-6]，并對實施后效果進行評價，而對于高密度流的實施效果分析較為匱乏。

該文依托相關項目，收集高速公路正常情況下的交通流數據，利用微觀仿真軟件可視性強、可重復模擬與成本低的優點，對于高密度交通流進行模擬研究，從而得到實際情況下難以收集的交通流數據并進行分析研究，為提升高速公路通行效率與安全提供建議。

1 仿真軟件的選取

交通仿真是一種模擬交通流隨時、空間變化的技術，具有直觀性、準確性與靈活性的優點，可以高效地模擬道路交通流，運用交通仿真軟件對微觀層面上的交通問題進行模擬仿真，可以得到較為準確的交通流數據[7]。因此，相關部門與科技研究人員加大了對仿真軟件的研究力度，并推出側重宏觀、中觀和微觀三個層次的仿真軟件。

該文研究高密度流條件下，客貨分離對于交通流的影響，評價指標采用平均速度、旅行時間與換道次數等，因此微觀仿真軟件符合研究需求。目前，得到國內外學者認同的主流微觀交通仿真軟件包括Vissim、SimTraffic、Corsim、Paramics、AIMSUM 等[8]。

Vissim是多目標的仿真軟件，具有靈活的模塊功能，可以仿真車輛感應信號控制、車道配置和路口幾何條件、市區道路港灣式停車站、高速公路交織最優車道組合設置等。同時，Vissim是一款包含交通情景的交通模擬器，Vissim相比其他微觀仿真軟件具有更強大的細節建模能力，能夠勝任該研究的建模工作，且Vissim在路網描述、車道描述、通信功能、車輛駕駛模型方面的功能特點更符合該研究的需求。

2 仿真環境校正

在利用仿真軟件模擬交通流前，需要根據采集的交通流數據對Vissim中的車輛模塊與駕駛員模塊進行參數校正，保證仿真效果真實有效。

2.1 交通流數據采集

交通流數據采集是為仿真環境的建立提供數據支持。該文研究的是高密度流下客貨分離交通流特征，在數據調查時應選取短時間內產生大量交通甚至產生擁堵的時間段。因此，選取節假日期間高峰小時作為采集時間段，采集高速公路擁堵狀態下的交通流數據。該次研究在山東高速公路上完成數據采集工作，采集地點包括濟南南互通立交段、青銀高速唐王立交段、濟南繞城高速港溝樞紐立交段等。采集儀器選用NANO-L型道路激光分型測量儀，此儀器具有高精度、體積小、便攜、布設方便且對駕駛員干擾較小的特點，測量的數據可信度高。該儀器獲取的斷面車流數據包括車型、車輛速度與車頭時距等，為仿真環境監理提供數據支持。

2.2 車型校正

車型標定包括小客車與貨車車型校正。分析收集的數據，并且在調查中隨機選取了7 633個小客車數據，對車長統計分析，確定小客車車長分布區間，分布直方圖如圖1所示，小客車車長分布基本處于（3.9，4.5]區間內。小客車車長選用4.0 m、4.2 m、4.4 m三個數值作校正值，并且在仿真軟件中按比例輸入。研究表明，保持最低舒適性的小客車寬度應接近2 m，而大于2 m不利于泊車與駕駛，因此仿真實驗取用寬度2 m作為標準值。

圖1 小客車車長區間分布

根據市場調研，中型與重型卡車是卡車主力車型，且在未來會保持一定量的增長。其中，EQ-140東風卡車為我國道路規范研究使用的代表車型，車長6.91 m，車寬2.47 m，載重總重12.6 t，總功率117 kW，比功率為9.3 kW/t。重型卡車具有代表性的車型為由東風天龍牽引車DFL4251A9+罐式半掛東岳CSQ9401GYY組合的6軸鉸接列車，該組合車型車長12 m，車寬2.5 m，整備質量為8.5 t，準牽引總質量為40 t，發動機最大功率250 kW，比功率為5.2 kW/t。因此，此次仿真選取EQ-140東風卡車與東風天龍牽引車DFL4251A9+罐式半掛東岳CSQ9401GYY組合的6軸鉸接列車作為貨車代表車型。

2.3 駕駛員模型校正

駕駛員模型校正包括駕駛員參數敏感性分析與參數取值。在Vissim軟件中駕駛員參數包括跟車變量、停車間距、車頭時距、進入跟車狀態的閾值、消極跟車狀態的閾值、積極跟車狀態的閾值、觀察到的車輛，應依次進行敏感性分析。

跟車變量（cc2）是仿真軟件中前后車的縱向擺動約束，是指在后車有意識地接近前車之前，后車駕駛員所允許的車輛間距大于目標安全距離的部分，仿真模擬取值為：1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m。以15 min為一次仿真段，進行6次試驗，將不同取值模擬出的平均速度整理如表1。為了提高分析的準確性，將數據保留至小數點后三位。

表1 車輛平均速度 /（km/h）

使用SPSS數據分析軟件對仿真得到的平均速度進行方差分析，通過方差分析可以得出，跟車變量對于平均速度具有顯著影響（p=0.274>0.05）。

通過上述方式一次檢驗停車間距、車頭時距、進入跟車狀態的閾值、消極跟車狀態的閾值、積極跟車狀態的閾值、觀察到的車輛參數，依次得出的p值為：0.979，0，0.967，0.8，0.906。在仿真中，以平均速度為評價指標時，對于輸出結果具有敏感性的基本參數為停車間距、車頭時距。

敏感性參數選取停車間距與車頭時距，每個參數選取三個水平值組合實驗，共需要9次，待標定參數水平因素表見表2。

表2 A和B待標定參數水平因素表

為了直觀地比較不同水平值組合效果，實驗將定義Vsrab（Velocity of simulated result）為AaBb組合下的仿真實驗輸出值，定義Vmr（Velocity of measuring result）為實測平均速度值，其取值為73.65 km/h，建立目標函數見式1：

經計算，當在車頭時距取值1.2、跟車變量取4的參數組合下，其仿真結果最優。

3 客貨分離效果的仿真分析

3.1 仿真實驗設計

為了充分比較不同交通量、客貨比、限制車道數條件下客貨分離的應用效果，該次仿真將搭建雙向四與六車道高速公路路段，同時設置對照組，具體實施情況圖2。

圖2 客貨分離方案設計

3.2 客貨分離效果評價

該文研究高密度流條件下，高速公路實施客貨分離方案后的效果，需要從行車效率與行車安全兩個方面進行評價。Vissim軟件可以輸出多項指標值，包括平均速度、旅行時間、排隊長度與延誤時間。該次研究需要從宏觀上把握整個交通流特征，不考慮微觀指標。因此，采用平均速度作為評價指標；在安全方面，選用換道次數作為評價指標。

通過運行仿真軟件，得出結果整理如圖3、圖4。

圖3 平均速度

圖4 換道次數

雙向四車道高速公路，采取客貨分離措施后，交通流平均速度較未實施前呈上升趨勢，且提升的值隨著交通量與貨車比例的提升逐漸提高，換道次數明顯降低。換道次數隨著交通量的提升呈現出先增加后減少的趨勢，分析認為，隨著交通量的增加，道路上車輛間的間隙減少，導致車輛換道次數減少。

對于雙向六車道高速公路，采取客貨分離措施后，交通流平均速度較未實施前呈上升趨勢，實施效果上內側兩條車道禁止貨車駛入的效果要更明顯，同時該方案換道次數明顯降低。換道次數隨著交通量的提升呈現出先增加后減少的趨勢，分析認為，隨著交通量的增加,道路上車輛間的間隙減少，導致車輛換道次數減少。

4 結論與展望

從仿真結果來看，對于雙四與雙六車道，實施客貨分離，限制貨車駛入內側車道可以有效地改善高密度流狀態下的通行效率與安全問題。

該次研究力求邏輯嚴謹與方法科學，以得到有說服力的交通流數據，為快速的疏散高密度交通流提供依據，但是受數據采集與軟件功能的限制，該次研究有其局限性，以后的研究可以從以下幾個方面考慮：

（1）細化高速公路出入口特征段。

（2）調整貨車比例、路段車道數、客車與貨車的類型等，以增大適用范圍。

（3）研究客車與貨車在不同服從率下的交通流特征。