基于vissim的橋梁交通擁堵控制仿真研究

在南沙大橋開通之前，東莞佛高架道路段全年處于中國(guó)道路擁堵名單前五名。虎門大橋位于珠江下游獅子洋,連接珠江東西兩岸,是珠三角乃至廣東省東西方向的交通要道,東連廣深高速太平立交,西接廣珠東線高速亭角立交,是連接深圳、東莞、虎門與廣州、珠海、中山的咽喉通道,也是當(dāng)時(shí)珠江口唯一的高速公路過江通道。由于地處粵港澳大灣區(qū)核心地帶,虎門大橋擁堵問題已成為粵港澳大灣區(qū)“一小時(shí)生活圈”急需解決的難題之一,地理位置如圖1所示。自1997年通車以來,伴隨著珠三角經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展,虎門大橋車流量也在快速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,2017年日均標(biāo)準(zhǔn)小客車交通量達(dá)15.62萬(wàn)車次,飽和度達(dá)1.95,遠(yuǎn)超虎門大橋設(shè)計(jì)日均標(biāo)準(zhǔn)小客車飽和值(8萬(wàn)車次/日)。虎門大橋日常處于超負(fù)荷運(yùn)輸狀態(tài)。在南沙大橋通車前,虎門大橋的交通擁堵不僅出現(xiàn)在重大節(jié)假日期間,日常工作日與周末的擁堵也不容忽視,結(jié)構(gòu)性擁堵已然成為常態(tài),備受社會(huì)公眾與政府部門關(guān)注。因此,本文首先對(duì)虎門大橋當(dāng)時(shí)的擁堵原因進(jìn)行調(diào)查與分析,然后基于交通擁堵控制等理論知識(shí),結(jié)合VISSIM仿真軟件,對(duì)大橋進(jìn)行綜合治堵優(yōu)化研究,以提升大橋的通行效率,降低交通事故率,實(shí)現(xiàn)道路保持安全與暢通的目標(biāo)。一、門門橋的擁堵分析(一)出入口流量分析虎門大橋路段東接廣深高速、西接廣珠東線高速,廣深沿江高速在威遠(yuǎn)立交接入虎門大橋主橋,從東到西分別有:太平立交、威遠(yuǎn)立交、南沙立交以及亭角立交等收費(fèi)出入口,我們從收費(fèi)車流數(shù)據(jù)中篩選出各出入口的車流數(shù)據(jù),得到各出入口一天的車流量數(shù)據(jù),如圖2所示。根據(jù)調(diào)查可知,西行方向車輛來源主要是廣深高速和廣深沿江高速,占過虎門大橋主橋西行車流的88.5%,廣深沿江高速車流(占比24.78%)從威遠(yuǎn)互通立交匯入,形成合流區(qū)擁堵點(diǎn);而東行方向車流主要是從廣珠東線過來的車流,但是在南沙B收費(fèi)站入口匝道處有服務(wù)區(qū),主線車流、服務(wù)區(qū)車流與入口匝道車流形成三股交織,使得南沙B入口處成為虎門東行方向的主要擁堵點(diǎn)。(二)運(yùn)行狀態(tài)及制度據(jù)收集的資料顯示,在南沙大橋(虎門二橋)通車前廣深區(qū)域珠江口位置過珠江的高速公路通道除虎門大橋外,道路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)上無其他高效的可代替道路。當(dāng)時(shí)替代過江方式主要有兩種:(1)虎門輪渡。虎門輪渡通行能力低,過渡時(shí)排隊(duì)等候上船時(shí)間常達(dá)三小時(shí)以上,夜間停航,惡劣天氣封航,使用率低;(2)繞行黃埔大橋,將會(huì)多行駛60多公里,運(yùn)輸成本高且通行費(fèi)用高。目前正在規(guī)劃和建設(shè)的珠江過江通道有港珠澳大橋、虎門二橋、深中通道、蓮花山過江通道等,各通道預(yù)計(jì)通車情況及制度具體見表1。根據(jù)表1可知,近期只有虎門二橋可以有效分擔(dān)虎門大橋交通壓力,而其他道路尚在規(guī)劃階段。由此可見,在南沙大橋通車前虎門大橋的“治堵”仍需要從挖掘現(xiàn)有高速公路通行能力入手,以解決過江通道不足與車流量不斷增長(zhǎng)之間的矛盾。(三)車輛故障情況根據(jù)2017年虎門大橋事故量與事故類型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2017年大橋共發(fā)生交通事故8468宗,日均交通事故達(dá)23.2宗。交通事故主要為車輛追尾事件,合計(jì)發(fā)生5362起,占比達(dá)63.3%;其次是車輛故障,合計(jì)發(fā)生2894起,占比達(dá)34.2%。可知,由于道路日常處于嚴(yán)重飽和狀態(tài),交通流量與車流密度大,導(dǎo)致交通事故頻發(fā),而事故率的上升,反過來又加劇了虎門大橋的擁堵狀況。此外,事故數(shù)據(jù)分析表明:發(fā)現(xiàn)事故主要集中在西行威遠(yuǎn)互通立交匯入點(diǎn)至主橋路段(樁號(hào)K370～K38),占比50.1%;東行南沙B入口處匯入點(diǎn)至上橋爬坡路段(樁號(hào)K41～K43),占比59.4%。威遠(yuǎn)互通立交和南沙B入口此兩處交通合流點(diǎn)是擁堵產(chǎn)生的主要位置。(四)合成全熱值下合成了通行能力為盡可能避免主線車流量超過道路負(fù)荷而引起交通擁堵,2018年2月份虎門大橋?qū)嵤┝撕狭鲄^(qū)信號(hào)燈限流管制措施,如圖3所示,在西行方向威遠(yuǎn)互通立交和東行方向南沙入口采用高速合流信號(hào)控制,在公路主線交通匯合點(diǎn)增設(shè)交通信號(hào)燈,按車道進(jìn)行龍門架信號(hào)燈管制,主線車流與匝道匯入車流交替放行。主要擁堵點(diǎn)具體的分流管制措施如下:①信號(hào)燈設(shè)置:龍門架式交通信號(hào)燈及可變情報(bào)板,主線3號(hào)車道和匝道4號(hào)車道進(jìn)行信號(hào)控制交替放行(圖4),設(shè)有紅綠燈倒計(jì)時(shí),1號(hào)與2號(hào)車道常綠,連續(xù)通行;②信號(hào)燈啟動(dòng)條件:虎門大橋主線車輛排隊(duì)長(zhǎng)度大于3公里時(shí)啟動(dòng);③信號(hào)控制方案:信號(hào)周期為120秒,兩相位控制,3車道和4車道交替放行,綠燈時(shí)間分別為60秒,其有效綠燈時(shí)間為57秒,綠燈閃爍時(shí)間為3秒。此外,進(jìn)一步分析了合流區(qū)信號(hào)燈啟用前1個(gè)月和啟用后1個(gè)月內(nèi)的事件數(shù)(圖5),結(jié)論如下。(1)信號(hào)燈啟用后,東行方向事件合計(jì)減少50宗,下降率12.7%;事件多發(fā)路段(樁號(hào)k41～k42)事件減少74宗,下降34%。(2)西行方向事件合計(jì)增加了37宗,上升率10.25%;事件多發(fā)路段(樁號(hào)k37～k38)事件增加10宗,上升率8.47%。分析結(jié)果表明,合流區(qū)信號(hào)燈限流策略可以使得交通更有序安全,減少車流沖突,一定程度上緩解了交通擁堵,減少事故率。但是西行方向威遠(yuǎn)互通合流區(qū)的信號(hào)控制設(shè)置不合理,存在著較多問題,導(dǎo)致合流區(qū)信號(hào)燈限流控制方案效果不明顯甚至失效,因此本文針對(duì)西行方向威遠(yuǎn)互通合流區(qū)的信號(hào)燈限流控制方案進(jìn)行優(yōu)化研究并提出改善建議。二、在集成區(qū)域內(nèi)，信號(hào)限制域策略的優(yōu)化(一)模擬比較選擇聚焦這方面的紅燈限流定時(shí)方案高速公路互通立交合流區(qū)是高速的主要瓶頸點(diǎn),合流區(qū)的通暢與安全直接影響主線通行效率1、流量檢測(cè)設(shè)施首先搭建仿真路網(wǎng):匯入匝道長(zhǎng)度1000米,主線長(zhǎng)度設(shè)置為合流點(diǎn)上游6000米,下游延伸至大橋主橋路段長(zhǎng)度2000米(圖6),并在如圖6所示1、2、3、4、5位置設(shè)置車輛流量檢測(cè)器,檢測(cè)一定時(shí)間內(nèi)通過該點(diǎn)的車輛數(shù)。主線限速100km/h,匝道限速40km/h,結(jié)合實(shí)際高峰小時(shí)車流量調(diào)查數(shù)據(jù),設(shè)置主線西行交通流量為6500pcu/h,匝道西行交通流量合計(jì)為2000pcu/h,小車與大車比例為8:2。2、散排段運(yùn)行模擬仿真車流行車速度直接影響道路的實(shí)際通過車輛數(shù)。當(dāng)?shù)缆诽幱趽矶聽顟B(tài)時(shí),車輛通行緩慢,車速極低,車輛通過流量也非常低。當(dāng)主線排隊(duì)長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)3公里后,消散該排隊(duì)車輛仍需很長(zhǎng)時(shí)間。排隊(duì)長(zhǎng)度越長(zhǎng),消散排隊(duì)車流越困難。此時(shí)啟動(dòng)信號(hào)控制,是否可以有效疏散排隊(duì)車流,是否使得運(yùn)行效率最佳,需進(jìn)一步通過交通模擬仿真測(cè)試。因此,將現(xiàn)行的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度大于3公里啟動(dòng)條件與其他大于1公里、2公里、4公里、5公里、6公里的啟動(dòng)條件進(jìn)行仿真對(duì)比分析,尋求最優(yōu)的啟動(dòng)控制策略。(1)啟動(dòng)條件方案啟動(dòng)條件優(yōu)化方案設(shè)計(jì)如表2所示。(2)仿真方案比選通過進(jìn)行交通仿真并輸出現(xiàn)狀與各設(shè)計(jì)啟動(dòng)條件的仿真數(shù)據(jù),對(duì)比主線全線8公里路段和匝道至主橋路段3公里路段的車輛平均延誤時(shí)間,如圖7所示。通過仿真結(jié)果對(duì)比可知,車輛排隊(duì)長(zhǎng)度越短,越早啟動(dòng)信號(hào)燈控制,排隊(duì)越快消散,車輛的平均延誤時(shí)間越低。此外,方案一(1公里)和方案二(2公里)啟動(dòng)條件,可使得主線和匝道的車輛延誤時(shí)間最小化;方案一(1公里)可使得仿真過程中全部主線車輛平均延誤時(shí)間最小化;方案二(2公里)可使得仿真過程中全部匝道車輛平均延誤時(shí)間最小化,且車輛分布均勻,延誤時(shí)間方差較小,車輛排隊(duì)與消散過渡更為平緩。綜上所述,建議選用方案二(排隊(duì)長(zhǎng)度大于2公里)作為信號(hào)燈控制的啟動(dòng)條件。3、最優(yōu)信號(hào)方案對(duì)比由于主線交通需求大,平均每車道的需求是2166pcu/h,與匝道需求相近,因此設(shè)置主線12車道保持綠燈,主線3車道與匝道4車道均分綠燈時(shí)間交替放行,使得盡量保障大橋主線路段的暢通,同時(shí)進(jìn)行限流。本文提出的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)如表3所示。由于匝道連接路段為廣深沿江高速,與虎門大橋均屬高速公路,具有同等通行權(quán),因此主線3車道與匝道4車道綠燈時(shí)間相同,本文分別針對(duì)不同的信號(hào)周期180s、150s、90s、60s與現(xiàn)狀無信號(hào)控制、現(xiàn)狀120s信號(hào)周期進(jìn)行仿真對(duì)比,通過對(duì)比各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)通過的車輛數(shù),比選最優(yōu)的信號(hào)周期。輸出現(xiàn)狀與各設(shè)計(jì)方案檢測(cè)點(diǎn)通過的車輛數(shù)仿真結(jié)果如表4和圖8所示。自由交織合流,道路整體通過效率最優(yōu),道路通行能力最大,但是車輛交織嚴(yán)重,道路密度大時(shí)極易發(fā)生交通事故,且無限流控制,道路將超負(fù)荷運(yùn)輸,極易產(chǎn)生擁堵。通行能力有限時(shí),限流管制是必然手段。仿真結(jié)果分析表明,信號(hào)周期方案一(周期180s)和方案三(周期90s)的限流控制效果最佳,上游和下游可以通過較大的車輛數(shù),方案一可以最快疏通主線的排隊(duì)長(zhǎng)度,方案三是使得主線和匝道整體通過效率均衡較優(yōu)。綜上進(jìn)一步分析,建議選用方案三(周期90s),此時(shí)合流區(qū)和下游主橋路段可以通過更大的車輛數(shù),且更為有效地疏通匝道車流,更適用于匝道有較大通行需求時(shí),有效避免匝道排隊(duì)溢出,避免影響廣深沿江高速的正常通行。(二)龍門架從匝道口環(huán)設(shè)置成動(dòng)態(tài)在交通組織上進(jìn)一步解決威遠(yuǎn)互通合流區(qū)擁堵問題。威遠(yuǎn)互通立交合流區(qū)現(xiàn)狀即使設(shè)置了信號(hào)燈控流,理想化地將交織車流交替放行,但效果不佳,現(xiàn)實(shí)仍然存在合流沖突,如圖9所示。因?yàn)辇堥T架信號(hào)燈設(shè)置在匝道口,且設(shè)置了硬性隔離墩,如圖10加粗黑線為隔離墩,合流點(diǎn)在信號(hào)燈停車車下游100米處,重新形成了兩股車流合流沖突問題,導(dǎo)致信號(hào)燈交替放行分離交通沖突的作用失效,因而此處的交通事故率仍然沒有下降,反而略有上升。通過現(xiàn)場(chǎng)交通流交織情況調(diào)查,結(jié)合交通流理論分析,提出以下兩套優(yōu)化方案。信號(hào)配時(shí)方案在合流區(qū)加速車道增設(shè)路側(cè)信號(hào)燈,如圖10,起到分離車流、避免合流沖突的作用,提高車輛的啟動(dòng)加速度和降低對(duì)其他車道車輛的影響。信號(hào)配時(shí)方案:匝道兩處限流信號(hào)燈燈色保持一致,匝道綠燈過渡至紅燈時(shí),主線提前放行,重疊5-8s綠燈時(shí)間;主線綠燈過渡至紅燈時(shí),匝道延時(shí)放行,重疊5-8秒紅燈時(shí)間。一方面,避免信號(hào)燈錯(cuò)位設(shè)置而造成的空間浪費(fèi),另一方面清空主線3號(hào)車道越過主線停止線未越過匝道路側(cè)停止線的車輛。比如假設(shè)周期為90s,匝道綠燈時(shí)間為1～45s,主線綠燈時(shí)間為40～85s,匝道和主線3號(hào)車道全紅5s。方案二:增設(shè)a區(qū)合流點(diǎn)在信號(hào)燈停車線下游10米內(nèi),道路線形滿足公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的位置,打通硬性隔離墩,設(shè)置遠(yuǎn)程控制升降與旋轉(zhuǎn)欄桿,根據(jù)信號(hào)燈啟用情況,協(xié)調(diào)控制欄桿的起落和方向,調(diào)控合流點(diǎn)位置,另外結(jié)合可變指示標(biāo)志,提醒合流位置?？煽貦跅U可以垂直180°升起與降落,可水平180°左右搖擺。(1)如圖11(a),啟動(dòng)信號(hào)燈時(shí),欄桿落下關(guān)閉匝道加速車道,開放“最近合流口”,合流區(qū)在A區(qū);(2)如圖11(b),關(guān)閉信號(hào)燈時(shí),欄桿水平順時(shí)針轉(zhuǎn)90°,關(guān)閉“最近合流口”;合流點(diǎn)恢復(fù)原來的位置,合流區(qū)在B區(qū);(3)如圖11(c),匝道擁堵嚴(yán)重,擁堵延后至廣深高速主線時(shí),為了盡可能疏通匝道排隊(duì),給出兩處合流點(diǎn),合流區(qū)為A區(qū)與B區(qū);(4)如圖11(d),紅色圈內(nèi)合流區(qū)發(fā)生事故時(shí),可以調(diào)控欄桿關(guān)閉A區(qū)合流點(diǎn),實(shí)時(shí)匝道車流在事故點(diǎn)下游匯入主線;同理匝道加速車道中發(fā)生交通事故時(shí),開放A區(qū)合流點(diǎn),車流可避開事故點(diǎn)。初期可以人工設(shè)置雪糕筒或水馬,驗(yàn)證效果再設(shè)置遠(yuǎn)程可控欄桿。綜合對(duì)比上述方案一與方案二分離交通沖突的方法,從交通安全的角度出發(fā),建議選用方案一;從道路交通運(yùn)行效率與靈活性的角度出發(fā),方案二更優(yōu),因此可以針對(duì)各種突發(fā)交通狀況,針對(duì)性調(diào)控合流點(diǎn)。(二)道路交叉口區(qū)域的信號(hào)限制方案總結(jié)1、匝道及匝道合流合流區(qū)信號(hào)燈限流適用于高速公路主線道路處于過飽和的運(yùn)輸狀態(tài),日常出現(xiàn)車輛擁堵排隊(duì)長(zhǎng)度大于5公里,主線車流與匝道車流比例約3:1,合流上下游1公里路段交通事故率高的情況下。2、龍門架信號(hào)放置位置龍門架信號(hào)燈應(yīng)放置于合流區(qū)硬隔離物下游,在實(shí)際合流沖突區(qū)域設(shè)置;信號(hào)燈對(duì)應(yīng)的車輛停車線應(yīng)設(shè)置在合流區(qū)加速車道開始合流的虛線開始位置。3、信號(hào)配時(shí)方案比選信號(hào)燈的啟用條件首先應(yīng)當(dāng)考慮避免排隊(duì)溢出影響銜接高速;其次推薦啟用條件為排隊(duì)長(zhǎng)度大于2公里。信號(hào)燈的配時(shí)方案應(yīng)根據(jù)下游道路實(shí)際通行能力的改變只適應(yīng)設(shè)置信號(hào)配時(shí)方案,根據(jù)匝道車流和主線車流的比例設(shè)置各相位綠信比。通過信號(hào)配時(shí)控制合流區(qū)的通過車輛數(shù)不會(huì)超過下游道路的道路容量,使得道路整體通行能力相互匹配。三、事故狀態(tài)下道路通行能力下降值比選應(yīng)以限制了我國(guó)高速公路全虎門大橋事故率高是交通擁堵或加劇擁堵的主要原因之一,事故一旦發(fā)生,道路通行能力急劇下降,因此本文對(duì)事故條件下的虎門大橋進(jìn)行限流與分流治堵策略研究,從根源上降低交通需求以緩解交通擁堵。交通處于擁擠狀態(tài)下發(fā)生交通事故率比自由流狀態(tài)和平穩(wěn)狀態(tài)大100倍多,擁擠是造成交通事故的重要因素根據(jù)高速公路基本路段、匝道與合流區(qū)通行能力的計(jì)算方法可見,在虎門大橋單向三車道的情形下,發(fā)生一條車道阻塞的交通事故通行能力下降一半,阻塞兩條車道下降到只有原通行能力的17%。事故狀態(tài)下的道路通行能力下降值比想象的大很多,此時(shí)進(jìn)行道路入口限流、路網(wǎng)遠(yuǎn)端分流,以及如何減少事故發(fā)生頻率和減少事故持續(xù)時(shí)間是事件管理最重要的問題。因此發(fā)生事故時(shí),按阻塞車道數(shù)1車道、2車道、3車道超過15分鐘或車輛排隊(duì)長(zhǎng)度超過3公里、5公里、8公里,分別啟動(dòng)三級(jí)、二級(jí)、一級(jí)限流與分流響應(yīng)措施,協(xié)助交警實(shí)施間歇性限流?？勺兦閳?bào)板發(fā)布“虎門大橋交通管制,請(qǐng)繞道行駛”,進(jìn)行路