京滬高速公路（揚州段）改擴建工程交通仿真測試及評價

王強

上海市市政規劃設計研究院有限公司 上海 200031

1 工程背景

京滬高速公路是國家公路網的主骨架，在國家公路網中編號為G2，是7條首都放射線之一，經過北京、天津、河北、山東、江蘇和上海等六個省市，聯通了政治中心的北京與經濟中心的上海，路網地位非常重要[1]。

京滬高速公路（揚州段）擴建改造工程路線起于淮安市和揚州市交界處，銜接JHK-HA6施工標段設計終點（對應京滬高速公路樁號K859+049.480），經寶應、高郵、江都，止于正誼樞紐互通北側（對應京滬高速公路樁號K969+534.093），向東接正在改擴建的京滬高速公路江都至廣陵段，向南接建設中的五峰山過江通道北接線工程。路線平面沿原路中心線擬合，路線全長約110.485km（7個標段，含先導段20.7km）。全線采用兩側拼寬技術為主的總體擴建方案，依照雙向八車道的高速公路標準擴建，設計速度120km/h，路基寬度42m。

考慮到交通導改設置施工區域會占用道路資源并對京滬高速公路的交通運行產生較大影響，在安全性影響評價中分析了施工圍擋區交通流的交通特性和交通流量數據，并利用VISSIM對京滬高速公路不同路段類型及不同施工階段的施工圍擋區進行仿真模擬。依據京滬高速公路各路段的交通數據對仿真模型參數進行標定，并依據仿真結果對導改方案進行分析及評價。

2 交通仿真技術的應用

交通仿真技術是利用交通的組織原理以及基本知識，通過使用現代的計算機技術在一定程度上建立一個能夠代替現實交通運輸系統的計算機模型的過程[2]。這個模型模擬實際交通運輸系統的特點，分析運輸系統在不同環境條件下可能出現的行為，并可根據模型模擬的結果，尋求交通問題的最優解決方案，評估各種運輸設備的設計成果。

德國PTV公司開發的軟件VISSIM，是一款隨機離散的、以1/10秒為時間步長的微觀仿真軟件。該軟件的工作原理是通過在路網中移動“駕駛人-車輛-單元”來模擬交通流。使具有特定駕駛行為的駕駛人被分配到特定的車輛，駕駛行為與車輛性能相對應。與施工區車道交通運行有關的算法分別為車道變換算法、車輛跟蹤算法[3]。

2.1 交通仿真模型的建立

以高郵互通特殊路段為例，交通導改采用“整幅雙向四車道通行+右半幅雙向兩車道通行”的方案，利用VISSIM軟件建立交通仿真模型。

(1) 車輛構成

根據京滬高速公路的交通組成情況，定義客車和貨車的交通組成比例，輸入相對流量。依據現狀交通量調查資料，客車占比76.01%，貨車占比23.99%。其中，大客車占比為3.37%。

(2) 車輛輸入

由于在仿真模型的前部分時間段，交通流量不穩定，且仿真路段路網長度較長，車輛到達需一定時間。為了保證模型輸出數據的準確性，流量的輸入時間要長于仿真時間，并在采集數據的過程中，選取仿真后半段時間所輸出的數據。本次在仿真過程中，設定的單次仿真時長為4200s，其中0~600s為路網運行填充時間，不列入數據采集的范疇，600~4200s為穩定交通流的仿真時間，其輸出結果待檢驗完成后作為評價依據只選取600~4200s 時間間隔內的數據。

(3) 路徑選擇

在施工區現狀路徑的選擇上是采用了管理車道的路徑決策模型和靜態路徑來實現的。

(4) 沖突區域集

導改方案為高郵互通特殊路段“整幅雙向四車道通行+右半幅雙向兩車道通行”，沖突區主要為B、D兩匝道行駛車輛匯入主線時與主線行駛車輛之間的沖突及交通導改時外側車道車輛并入內側車道時與內側車道行駛車輛之間的沖突。

圖1 互通區D匝道車流匯入沖突區設置示意圖

(5) 數據監測點

本階段設置監測點采集數據主要為平均行程車速、車輛數及包括Car、HGV、Bus在內的各車型的平均速度，監測點設置位置見下表。

表1 數據檢測器設置一覽表

(6) 期望速度分布

為保證車輛行駛狀態良好，根據導改方案將設導改及對比路段小客車Car的期望車速設為60 km/h（50 km/h~60 km/h），貨車HGV及大客車Bus的期望車速設為50 km/h（40 km/h~50 km/h）。

2.2 交通流特性參數評價

利用VISSIM軟件交通流特性參數評價時，選取了交通導改方案各路段的速度指標、路段通行車道的飽和度及其服務水平進行評價。

(1) 速度評價

表2 各路段車速統計一覽表

當進行交通導改且其他道路條件相同時，其組成路段的平均車速均大于導改路段，且整幅四車道交通轉換為右幅兩車道時，整幅雙向四車道進口段平均車速低于半幅雙向兩車道路段，表明并道時已出現擁堵，與仿真情況相符。車輛并道以后跟馳行駛，路段平均速度逐漸提高。

另外，在導改路段的大貨車平均車速下降明顯，由各類不同車型顯現出的比較大的車速差異會顯著降低該路段的通行能力。其中大貨車所采用的較小車速，會直接影響其它擬采用較高車速車輛的行車速度。因此，在改擴建的施工作業區段之內，將速度比較低的大貨車分流出去以免影響擬采用較高車速車輛的行車速度，是十分有必要的。

(2) 飽和度評價

利用現有交通量資料及仿真所得的進行交通導改前后交通量數值，計算V/C得到車道的飽和度，如下表所示。

表3 各階段車道飽和度對比表

由飽和度對比表可知，在京滬高速公路改擴建過程中，采取半幅路面封閉施工、另外半幅路面維持雙向兩車道通行的措施，或采取整幅路面各封閉外側車道而保持整幅雙向雙車道通行的措施，V/C值均大于1，說明車道已處于飽和或過飽和狀態，不僅表明交通量達到道路所能承擔的范圍，也說明道路處于四級以下服務水平。單位面積內的車輛很多，大部分車輛不能自由的行駛，處于跟馳狀態。

2.3 交通仿真結論

(1) 標準路段的平均車速均大于交通導改路段，其中以整幅雙向四車道交通轉換為右幅雙向兩車道尤為突出，極易出現擁堵現象，建議在導改點設置交替通行的交安設施，保障車流有序跟馳。

(2) 由于各類不同車型表現出的性能差異比較大，在導改路段各類不同車型行駛采用的的較大車速差異會顯著降低改建路段的通行能力，大貨車相對比較小的車速會直接影響其它車輛的通行速度。因此在改擴建的施工作業區段之內，宜將速度較小的大貨車分流出去，避免影響導改區的交通轉換效率。

(3) 由于實際道路運營條件與路段限速標準的不匹配性，可能造成車輛的速度離散性較大，該情況下較易發生交通事故。建議路段限速應盡可能將交通安全性和行車連續性統籌考慮，不宜大幅限制運行速度。

(4) 導改路段長度以1～2km，速度以60～80km/h為宜，對應的車輛通行安全性及效率最高。

3 交通仿真的應用價值

通過在京滬高速公路（揚州段）改擴建中對交通仿真技術的安全性測試及評價應用，發現交通仿真技術在實際工程中具有以下應用價值：

(1) 交通仿真技術的應用可以快捷方便的得到交通評價中想要的數據，并且能夠在調研和試驗中節約大量的人力和物力。

(2) 交通仿真技術可以通過設定其中的參數范圍和特定值組合出想要的模擬方案，從而實現多方案的比選和評價。例如通過控制變量，或者只改變其中一部分變量，就可以考察它們對道路的安全性影響等內容。

(3) 通過建立其中一個仿真模型，在項目評價中可以不斷重復仿真過程，從而達到想要的結果。

(4) 交通仿真技術與以往的方法相比，由于它不需要一些非常專業的數學知識去構建解析模型，在應用方面更容易得到推廣[4]。

(5) 交通仿真技術的應用可以避免在實地的調查研究和試驗過程中可能會出現的一些意外傷害。

(6) 應用交通仿真技術相比實際的交通調查或交通模擬的方法可以更快的得到結果，縮短數據采集的周期，也能夠避免因為調查時的人為因素而造成交通中斷，從而導致這方面的干擾所引起的數據丟失或失真。

(7) 利用計算機進行交通仿真模擬，可以使其中某些參數（如車速、交通量等）的設置超出在實際調查中得到的范圍，從而獲得一些在實地的調查研究中所無法獲得的數據。并且通過交通仿真技術進行模擬預測，可以再現施工區段復雜的交通環境下的車流運行特征，從而可以彌補由實地觀測所獲得的數據的缺陷和不足。