基于微观仿真的山区过江通道交通适应性分析

李婷

摘要 文章对山区公路过江通道运行过程中的主要交通脆弱点展开研究，使用VISSIM和SSAM软件对交叉口脆弱点展开仿真分析，通过分析交通冲突和通行效率，总结了山区公路过江通道脆弱点交通适应性研究的主要方法，并以湖北某山区公路长江大桥为例，展开主要脆弱点分析，通过仿真建模研究其交通适应性。结果表明，该项目于建成10年内适应性较好，10年后运行状态逐渐变差，相关管理部门应通过设置信号灯和渠化设计实现安全运营。

关键词 过江通道；交通适应性；交通冲突；通行效率

中图分类号 TP301.6文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）14-0042-03

0 引言

长江干线过江通道连接长江两岸，是我国南北交通的重要纽带，也是支撑长江经济带新型城镇化发展的重要设施[1]。公路桥梁是国家公路网的重要组成部分，桥梁工程特别是过江通道建成后会成为区域路网的“咽喉”要道，其交通状态直接影响周边路线乃至路网的运行状态。国外研究中，关于交通脆弱点的研究多集中于网络节点的研究。Newman[2]通过介数、权重等多个指标辨识网络重要节点。Muley[3]对车流和行人流的特性展开研究，使用VISSIM对交叉口展开仿真建模，使用安全评估模型（SSAM）来分析模拟轨迹，以识别研究区域内的潜在冲突。国内关于道路中交通脆弱点的微观研究较少，多使用“图论”理论对路网节点开展宏观研究。严开[4]考虑道路交通网络中关键节点的特殊性和关联性，提出了基于贪心策略的Page Rank关键节点识别方法。詹微微[5]结合灰色关联分析方法，对城乡公路交叉口的交通安全及改善方法进行细致研究，针对重庆某大桥两头交叉口开展实例应用，制定了安全综合改善方案，依托VISSIM实现仿真验证。该文旨在对山区公路过江通道运行过程中的主要脆弱点展开研究，为过江通道的规划建设及安全运营提供参考。

1 山区公路过江通道交通脆弱点特性分析

适应性的概念最初出现在生物学中，是指生物个体与周围环境条件相适应的现象。而交通行业的适应性目前主要探讨的是道路网络的发展水平、城市交通系统的水平或交通建设项目的效益水平与社会经济发展水平之间的适应性，即经济适应性。该研究将交通适应性界定为工程建设项目与周边交通环境相适应的特性。

山区公路路网、交通流及气候条件均具备特殊性，大型过江通道建成后在运行过程中必定会出现许多交通脆弱点，这些脆弱点亦是网络中的重要节点，对路网脆弱性影响较大。与城市交通类似，交叉口是各类交通流的冲突点集中区，且公路过江通道与其他道路一般采用平交，没有信号控制，交叉口交通冲突更大，其整体状况直接影响到周边道路甚至路网的整体效率。过江通道脆弱点的交通适应性体现在周围环境改变时该点的交通冲突或通行效率情况。过江通道建成后与其他道路连接的交叉口往往是路网中的脆弱点，需分析其能否满足日益增长的交通需求。

为了研究山区公路过江通道脆弱点的交通适应性，首先应识别重要交叉口脆弱点。公路网立体交叉众多，在山区等特殊区域还存在许多不同等级公路相连接的平交口，应选择流量大、储存能力却有限的交叉口作为主要分析对象。过江通道所在道路与周边道路形成的交叉口，下桥车辆的运行车速往往较高，需提前减速以进入交叉口。在连续的交通流中，若在特殊点某辆车发生速度改变，影响将会以交通波的形式蔓延，故此处为典型的交叉口脆弱点。分析该类交叉口的交通适应性可从其交通冲突和交通效率着手，分析其对日益增长的交通需求的适应性。可选用冲突数、碰撞时间（Time to Conflict，TTC）、后侵占时间（Position Encroachment Time，PET）等指标分析交叉口脆弱点的交通沖突，选用车均延误和排队长度等指标分析交叉口脆弱点的通行效率。

2 交通脆弱点适应性分析方法

分析交叉口的交通冲突，应绘出其交通冲突点图，分析各类交通冲突点的数目；对交叉口的车辆轨迹交通冲突情况做深入整体分析，分析其在高峰小时交通量和平峰小时交通量情况下的各类交通冲突发生情况。交通冲突分析可采用微观仿真软件VISSIM中的冲突模块输出车辆路径数据，并使用SSAM（Surrogate Safety Assessment Model）软件进行数据分析，得到各类交通冲突数。SSAM是由美国联邦公路局开发的微观仿真车辆轨迹数据统计分析软件，可识别不同类别的冲突点并能通过图形展示冲突点位置。在SSAM软件中，交通冲突由冲突路径方向间的冲突角度来划分，三种主要冲突分类如表1所示，一般冲突角度的变化范围为0～180°，其中，冲突角度为0～30°属于追尾冲突；30～85°属于变道冲突；85～180°属于交叉冲突。

其次，运用该软件还可分析出碰撞时间TTC和后侵占时间PET两个重要冲突指标。其中，TTC表示两车在行驶过程中距离逐步减小时，若车辆仍保持原有速度行驶导致冲突值发生碰撞的时间差。PET表征两辆车到达指定断面的时间差。TTC和PET的数值越小，表示冲突越大，越容易发生事故。

对于交叉口而言，通常采用车均延误、区间平均车速及排队长度等指标评价其运行效率。车均延误反映车辆通过交叉口时的损失时间，能直观地反映交叉口通行效率。区间平均车速表征道路中车辆的运行效率。排队长度描述停驶车辆所占的道路空间，最大排队长度表示车辆在某个时间段内占据道路的最大空间，平均排队长度表示各个车道车辆排队长度的平均值，反映整个交叉口的拥堵程度。以上指标均可使用VISSIM软件微观仿真得到。

3 交通脆弱点微观仿真建模

VISSIM软件可分析道路交通系统的车流运行情况，不仅可以对时间间隔参数、驾驶行为参数进行设置，亦可对各种条件下的车辆进行仿真，尤其是在跟驰、换道、间距接受模型均具有较大的优势[6]。故在该研究中使用VISSIM获取相关评价数据。

3.1 跟车模型设置

VISSIM提供的三种跟车模型中，Wiedemann99模型主要适用于郊区或高速公路交通，能够较好地模拟山区公路上的行车状态，故选择Wiedemann99模型。

3.2 可视距离设置

在视野较开阔的地方驾驶员可视距离可达到《公路工程技术标准》中各级道路的视距要求，但在弯道或不良条件下，参考孙腾等[7]的研究成果，可将前视距离设置为90 m，后视距离设置为60 m。

3.3 期望速度设置

期望车速是指车辆行驶过程中在不受或基本不受其他车辆约束的情况下，驾驶员心目中希望达到的最高安全行驶速度。在车辆行驶中，驾驶员会根据当时的道路平纵线形及交通整体情况改变车速，而在VISSIM中车辆的运行车速则需要根据道路线形具体情况而人为地设置期望车速，以控制车辆在不同路段的运行车速。根据相关研究成果[8]，在运行速度普遍比设计速度大10～20 km/h。而期望速度与运行速度间又满足如下函数关系：

v运行

式中，k——折减系数，建议取值范围为0.7～0.9。

故在该次建模过程中，将期望速度设置为高于设计速度10 km/h。将与桥梁连接的重要道路绘制于VISSIM软件中，将各检测器设置在所需检测处，设置写入评价文件，运行仿真模型，即可获得相关指标参数。

4 过江通道交通适应性典型案例分析

湖北省某长江大桥工程是《湖北省公路水路交通运输发展“十二五”规划纲要》《三峡后续工作规划》等规划中实施的重点项目，总投资约21亿元，已于2019年正式通车。该项目建设环境为山区，按一级公路标准建设，但与之连接的各级道路等级不一，与之衔接的两条主要省道均为二级公路。

4.1 交通冲突分析

该长江大桥通车前，轮渡为此处行车的唯一过江通道，效率较低。长江大桥建成通车后，整个路网的效率大幅度地提高，与之相接的两条省道涌入大量交通量。此处是周边乡镇内车辆进入省道和高速的必经之路，冲突点多，且两条省道的交叉口处于两个隧道与长江大桥的出口交界处，交通流类型混杂，矛盾突出，为该长江大桥主要的交通脆弱点之一。另外，该公路交叉口为两个隧道的汇聚点，一般不允许行人通过，该长江大桥设有专门的行人通道，分流情况较好，故在该模型中不考虑行人。

该交叉口为两条省道相交的Y字路口，两条省道均为二级公路，双向4车道，每个方向均有2个进口道，冲突点分析图如图1。其中，合流冲突点（矩形）有3个，分流冲突点（三角形）有3个，交叉冲突点（圆形）有3个。

其次，将交叉口绘制于VISSIM仿真软件中，根据车流走向设定路径及优先规则。对于无信号交叉口，按照左转让直行、交通量大的方向优先通行的优先规则进行设定；为进入交叉口的车辆设置期望速度决策点，将交叉口内小客车、货车、客车的速度分别设置为20 km/h，15 km/h，15 km/h。根据年平均日交通量的预测结果，选取高峰小时交通量系数为13.3%，平峰小时交通量为高峰小时的0.8倍。

选择输出文件后开始仿真，得到各类情况下的交叉口冲突数据，将VISSIM中生成的含有车辆速度的车辆仿真轨迹文件（prj.格式文件）数据映射在网络中，使用SSAM分析軟件进行分析。对SSAM模型中的各参数的阈值进行设定，将TTC最小值设置为0 s，最大值设置为1.5 s（假设两车之间的TTC值小于1.5 s时，两车之间发生了交通冲突）。PET的最小值设置为0 s，最大值为5 s。运行软件分析得到冲突分析数据统计结果和交通冲突指标值分别如表2～3所示。

由数据可知，该交叉口冲突数量不断增大，但交通冲突分析指标较为稳定。运营初年交通量较低时，处于高峰和平峰情况的交通冲突数较为接近。其中，正向冲突明显多于追尾冲突和变道冲突。随着交通需求的增长，高峰小时交通冲突数与平峰小时的差距逐渐增大。但交通量足够大时（2038年以后），差距逐渐减小。在2025后，高峰小时冲突数逐渐超过2 000，但在2030年之前，平峰小时的交通冲突数仍低于2 000。综上可知，该交叉口2030年以后交通适应性下降趋势明显。

4.2 交通脆弱点通行效率分析

设置对比实验对各年预测交通量进行仿真实验，通过设置检测器和数据采集点，可得出交叉口脆弱点在各组模型的交通通行效率仿真结果数据，整理如表4所示。

由实验结果可知，大桥通车初期运行状态良好。2025年后，交叉口开始出现延误和排队情况，但是仍在可接受范围之内。从2030年开始，延误逐渐增大，区间平均车速逐渐降低，整体通行效率呈明显下降趋势。

综合该交叉口交通冲突和通行效率的分析结果，可知通车运营10年内该脆弱点的交通适应性较好，2030年后适应性逐渐降低。

5 结论

该文通过分析山区公路过江通道建设后的交通脆弱点，得出其主要特性；将交通冲突分析和通行效率分析相结合，总结了研究山区公路过江通道交通脆弱点适应性的主要方法；对湖北省某长江大桥交通脆弱点的适应性展开了研究，若该长江大桥及所在山区公路与省道交叉口不设置红绿灯，该交叉口脆弱点于建成10年内适应性较好，10年后运行状态逐渐变差，且交通冲突数逐渐变多，增幅逐渐变大，对交通需求的适应性逐渐降低。根据评价结果，该文建议相关管理部门应在该过江通道所在公路与省道交叉口处设置信号灯，并通过渠化设计提高行车安全性。

参考文献

[1]国家发展和改革委员会. 长江干线过江通道布局规划（2020—2035年）[Z]北京：国家发展和改革委员会， 2020.

[2]Newman， M. E J . The Structure and Function of Complex Networks[J]. SIAM Review， 2003（2）： 167-256.

[3]Muley D， Ghanim M， Kharbeche M. Prediction of Traffic Conflicts at Signalized Intersections using SSAM[J]. Procedia Computer Science， 2018， 130： 255-262.

[4]严开， 李玲， 秦永彬. 道路交通网络中的关键节点识别方法研究[J]. 计算机工程与科学， 2018（11）： 81-88.

[5]詹微微. 城乡接合部平面交叉口安全改善研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2015.

[6]王世伟. 区域路网条件下的高速公路改扩建交通分流研究[D]. 西安：长安大学， 2018.

[7]孙腾， 石谦. 基于行车安全性的公路三维视距研究[J]. 交通科技， 2019（3）： 104-107.

[8]温学钧， 杨屹东， 方靖. 高速公路运行速度研究[J]. 公路交通科技， 2002（1）： 80-82.