基于仿真技术的高速公路多场景管控策略.pdf

年増刊（总第 期）中国交通信化 ：基于仿真技术的高速公路多场景管控策略刘海峰云旭，朱婷婷，吴昊（天津市公路事业发展服务中心，天津，北京交研智 慧科技有限公司，北京）摘要：本文针对高速公路的高峰流量、交通事故和道路旅工三种典型场 景，以津蓟 高速为例，分析了历史流 量与阻断信 息，结合实际的 管控措施和建议策略，搭建仿真模型，为天津 市全高速公路网仿真体系建设工作奠定研究基础，为公路中心在高速路网交通组织管理、交通事件预警和评估、交通基础设施规划建设、交通政策可行性研究等各 应用场景的 定量化交通决策提供思路和方向。关键词：交通仿真；高速公路；管控措施交通仿真技术是随着计算机技术的进步而发展起来的，它是一种反映复 杂道路交通现象的交通分析技术和方法，是再现交通流时间 和空间变化的模拟工具，能够对未来交通运行状况进行模拟或预先把握，是定量评价各类交通规划设计、组织方案、交通政策等实施效果 的有效方法，交通仿真也已成为支撑智能交通发展、优化交通运行的行业关键技术。另一方面，随着智能化交通采集设备的建设，高速公路具备长期采集和监测交通运行数据的能力，包括 视频监控、断面流量速度 等数据，长期积累的各类型交通事故事件、养护施工真实经验数据，已满足高速公路交通仿真所需的基础数据需求。基于仿真技术对高速公路多场景的管控策略进行研究，为开展典型场景定量评估和科学决策研 究，为实际管理工作提供支撑。一、高速公路典型场景分析（一）高峰流量场景高 速公路由于节 假日、特殊天气等原因常造成收 费 站 间 的交通需 求增加，导致主路交通流量增大。通过仿真模拟再现高峰时段交通运行情况，分析拥堵产生的节点、时间、服务水平评价指标，从流量控制角度提出疏导方法和科学管控建议，借助情报板、收费 站 车道控制、上游交通管制 等手段，提髙高速公路通行效率和服务水平。（二）养护施工养护施工造成高速公路车道封闭，由于车道数目不匹配形成瓶颈，导致路段通行能力降低造成交通拥堵，或安全设施不到位造成交通事故。通过仿真手段从多维度评价指标进行方案分析评价，从施工区限速、作业区长度、交通安全设施设置等 方面，通过仿真手段分析对交通的影响，优化施工养护时间，减少因同时施工造成的拥堵及事故，提出施工期间 交通组织方案的优化建议，提高管理单位对养护施工组织方案审批决策的科学性。（三）交通事故交通事故与道路养护施工类似，会导致部分车道无法通行，但是没有 相应的设施提醒及缓冲区，后方车辆断崖式减速，一是容易造 成追 尾，二是最易形成严重堵点。针对在不同占道数目、占道 长度、事故处理时长下的交通事故，通过仿真技术模拟再现事故 发生前后交通流的变化情况，分析事故影响及消散情况。从事故处置力量部署优化、响应 及处理时间调优、流量管控等 方面提出事故应急处置策略优化建议，提高事故处置效率，从而降低交通事故对道路通行的影响。二、主动交通管控策略分析交通 管控策略能够提高高速公路的安全性和通行效率，常见的高 速公路交通管控策略包括收 费站黄牌货车限行、收费站车道管控、道路限速、匝道控制和开放硬路肩。不同的交通管制措施的局限性和适用性不同，需要通过仿真的手段，针对高速公路多场景下不同管制策略的实施效果进行评估评价，从而为优选出最优的交通 管控策略提供科学合理的依据，从而改善高速公路运行的安全和效率。（一）收费站黄牌货车限行收费站 黄牌货车限行一般适用于货车占比较大的高速。在客车与货车混合行驶的交通流中，由于货车的性能限制，导致加减速慢，换道时间较 长，受货车 的最大车速限制，后车或选择接道超车，或减速慢行，导致高速公路的移动瓶颈效应，造成了通行能力的降低，且由于车辆的频繁加减速，导致交通流的安全性降低。因此，收费站 黄牌货车限行主要考虑缓解移动瓶颈效应，通过控制车型占比，提升交通流的通行效率与安全性。（二）收费站车道管控综合图津蓟 高速小时流 量统计收费站车道管控场景适用于进入高速流量较大的收费站，通过限开车道限制进入高速主路的车辆，降低主路的交通流密度。收费站车道管控一般会同时对多个收费站进行管控，而如何在保证主路正常通行的情况下釆取最优车道管控措施，且保证收费站入口不会因为管控措施造成拥堵蔓延，成为高速公路管控措施探索的重点之一。（三）道路限速道路限速适用于施工区或事故区的上游部分，通过降低交通流的速度，一方面能够提醒车辆在施工或事故区上游能够安全换道，避免车辆驶入工作区造成更严重的危害，另一方面，当通过设置上游可变限速区段，能够降低车辆的行驶速度，控制路段交通流密度在临 界密度范围内，使得此时的交通流量最大，通过工作区的交通流效率最高。（四）匝道控制匝道控制适用于高速公路的合流区，可分为单点动态控制、静态控制 和 动 态协调控制，通过 布设检测器对匝道和主路的流量、排队长度进行实时感知，并通过门架情报板或控制 器，引导车辆在合流区内的有效通行，减少合流区车辆冲突，提升高速公路的交通流运行安全。（五）开放硬路肩在满足空间 的情况下开放 硬路肩作为临时车道能够提升高速公路的通行能力，常适用于高峰大流量场景、事故和施工等场景，一般与动态 限速、车道引导组合使用，对道路条件有一定的要求。（一）研究对象确定津蓟高速南起津城，北至蓟州区大岭后隧道（津京界），全长。现状为双向四车道高速公路标准，共设置服务区座，收 费站座。本文所采用的数据来源为津蓟高速交调站点釆集的小时流量数据和施工、事故的阻断信息详情数据，津蓟高速的交通量和阻断次数分布如图和图所示。由图和图可以得出，九园一宝坻路段流量大、阻断事件发生的次数多，因此选取该段作为仿真的重 点 研 究场景，该段包 含九园、温泉城、宝坻三座收费站，通过对该路段 的流量、施工和交通事故多场景建模，探究不同的 管 制措施，得到最优管控方案。（二）仿真模型的搭建流程基于的微观仿真平台仿真流程为：参照仿真路段实际线形，借助调査交通量、交通组织方案及其他参数设置，初步建立仿真路网，并检査仿真特性与现状是否吻合。在确认符合现状三、津蓟局速仿真平台搭建图津蓟 高速阻 断信息次 数统 计后进行仿真动画及评价指标输出，不断优化调整仿真方案并输出最终方案。校核步骤如图所示。图 仿真参数 校 核流 程？丑尿沒灌多彐轵泼职蠢凶职冒崧拽 凶迄？象疾辑 年增刊（总第 期）中 国交通信息化一大车占比大车占比丨一大车占比大车占比大车占比大车占比大车占比大车大车占比大车占比图不同大车占比下事 故区不同限速与最大排队长度和速度离差的关系（）施工作业场景影响因素设置和场景搭建确定施工作业场景的影响因素，包 括流量输入、大车占比、事故占用车道数、不同占道长 度和作业区限速五个影响因素。根据道路交通标志和标线 第部分：道路交通标线（）对施工作业区的限速值和 警告区的取值标准指出，作业区限速值不应大于，警告区最小长度为，限速 过 渡的差值不宜超过，可按每 降低的标准进行设置，过渡段最小值为，并结合实际道路的阻断信息确定不同影响因素的取值边界，模拟不同的施工作业的场景。在施工作业发生点上游范围 内设置数据釆集器，在事故发生上游设置排队长度计数器，仿真时间为 两小时，采样时间设置为分钟，仿真预热时间设置为，釆集车辆经过施工作业区的速度和最大排队长度。探究多场景下交通事故场景的最优管控方案。以大车占比，施工作业区封闭条车道，作业区长度，过渡段 为，警告区每 设置阶梯限速，警告区每设置阶梯限速，分别研究、场景下限速为，以 为 间隔，探究输入流量下不同限速值与最大排队长度和速度离差 的关系，仿真结果如图所示。以交通量为，施工作业区封闭条车道，作业区限速，限速区，分别研 究、下限速为，以为间隔，探究不同输入交通量下交通 流最大排队长度和速度离差，仿真结果如图所示。不同输入流量下事故区限速与最大长度的钱 图不同输入流量下事 故区不同限速与最大排队长度和速度离差的关 系以交通量为 ，交通事故封闭条车道，事故占用车道长度 为（模拟两车追尾），事故持续时间为分钟，上游设置限速，限速区，分别研究大车占比为限速为，以 为间隔，探究不同车流占比下交通流最大排队长度和速度离差，仿真结果如图所示。不同大车占比下事故区限速与最大排队长度的关不同大车占比下事故区限速与速度离差的关系仿真软件中的参数主要包括道路条件、交通条件和驾驶行为三种类型，其中道路条件包括路段长度、路段方向、车道数、车道连接 关系、车道类型等参数；交通条件 包括输入车辆数、车辆组成、静态决策路径、不同车辆类 别的期望速度 分布、最大加速度分布等参数；驾驶行为包括跟驰模型和横向换道行为的相关 参数。为进一步校核车辆的跟驰行为 和横向换道行为参数，分别选取常态场景和实际事故场景作为模型校准的依据。、常态流量下的校核思路输入宝坻、温泉城、九园的出入口匝道和仿真场景南北输入流量，以为采样周期，在主路设置数据采集点以釆集津蓟高速上下行流量与速度。、交通事故场景的校核思路中对于交通事故的仿真是通过在道路中设置停车场的开放关闭时间和停车场容量来控制事故持续时间和持续长度的，并同步设置静态路径决 策点（停车场）。选 取 年月日：两小客车剐蹭事故作为场景校核，？：受前方事故影响，五辆小客车追尾事故，：车辆挪到应急车道。以为周期统计分车型事故上下游各 的断面交通量。在微观仿真软件中设施同时间事故场景，输入事故上游交通量，并在下游设 置检测器以检测车辆流量。通过对比流量误差和事故上游的排队长度时间变化确定驾驶行为参数。、参数校核结果通过不断调整 参数，校核两仿真场景的精度均大于 以上后，确定的驾驶行为参数，选取跟驰模型为，平均停车 间距为，安全距离 的附加部分为，安全距离的倍数部分为，前视距离的最小值设置为，最大值设置为。暂时走神持续时间和概率设置为。车辆换到设置为自由的车道选择，最大减速度设置为，安全距离折减系数为。（）事故场景影响因素设置和仿真结果交 通事故的影响因素包括输入流量、大车占比、事故占用车道数、不同占道长度和事故持续时间五个影响因素。根据 实际道路的阻断信息确定不同影响因素的取值边界，分别选取速度离差和最大排队长度作为评价指标，其中速度离差体现交通流的安全性，而最大排队长度表示事故发生对交通流的影响程度，同时反应交通流的运行效率。在交通事故发生点上游范围 内设置数据釆集器，在事故发生上游设置排队长度计数器，仿真时间为两小时，釆样时间设置为，仿真预热时间设置为，分别釆集车辆经过事故瓶颈的速度和最大排队长度。探究多场景下交通事故场景的最优管控方案。以大车占比，交通事故封闭条车道，事故占用车道长度为（模拟两车追尾），事故持续时间为分钟，上游设置综合 图不同输入流 董 下施工区不同限速与最大排队长度和速度离 差的关系长度，过渡段为，警告区每 设置阶梯限速，大车占比为？，限速为的不同管控措施。探究输入 流量下不同限速值与最大排队长度和速度离差的关系，仿真结果如图所示。不同大笙占比下庙工 区跟速与鼉大长度的关系一大车？大 占比丨一大占比？：大车 占比大 比？不同大车占比下赛工 区限連与遘度离爱的关系大大图不同大车占比下施工区不同限速与最大排队长度和 速度离差的关系（三）管控策略建议、事故场景最优管控策略建议（）以大车占比，交通事故封闭条车道，事故占用车道长度为，事故持续时间为 分钟，限速区为事故上游的事故场景为例，通过对各影响因素的不同取值进行仿真模拟，探究不同流量下事故区最优限速值，见表。表事故场景不同输入流量下的最优限速值输人 流量推荐最优限速值（）限速失效（）中等 交通量 下 不同大车占比对最大排队长度和速度离差 的影响，不同大车占比下推荐的最优限速值见表。表事故场景不同大车占比下的最优限速值大车占比推荐最优限速值（）、施工场景最优管控策略建议（）流量控制：当施工占用一条车 道时，通过对施工上游的收费站限开车道、设置可变限速等措施，控制上游输入流量在 以下，能够有效缓 解 车辆排队不向上游蔓延；此外在高峰时期进行 施工，可通过开启硬路肩等措施提高道路的通行能力，提高高速公路的通行效率。（）施工作业区限速控制：当大车占比为时（参考实际髙速大车占比），推荐不同输人流量下的最优限速值，见表。表施工场 景不同大车占比下的最优限速值输入流量推荐最优限速值（）限速失效（）大车占比：当施工占用一条车道时，通过对收费站 限货等方式降低施工区上游排队长度，对得到 了中等流量下施工场景不同大车占比对应的推荐最优限速值，见表。表施工场景不同大车占比下的最优限速值大车占比推荐最优限速值（）四、结束语本文基于局部路网的交通事件仿真的研究成果和经验，提出全高速公路网交通仿真应用探索和建议，基于搭建了高峰流量和不同车流占比下的交通事故和施工养护微观仿真场景，通过评价高速公路瓶颈点的速度离差和最大排队长度，探究了高速公路多场景下的最优管控措施，为管理部门在高速路网交通组织管理、交通事件预警评估、交通基础设施规划建 设、交通政策可行性研究等各应用场景的定量化交通决策提供思路和方向。参考文献戴红良，刘清林王福建多因素彩咱 下 高速公路交通流管控仿 真分析研究】中国交通信 息 化，丨（）：丨丨丨丨余剑锋，张金杰，张兵，等基于的高速公路隧道交通事 故影响仿 真分析？西部交通科技丨（）：丨 林 培群刘佳辉，姚凯斌道路交 通事故 应急处置的徵 观在 线仿 真方 法系统仿真 学报，（）：丨丨丨】陈凯戴吾 蛟高速公路 施工区限速标志位置确定的仿 其研究】公路工程，（）：】王锐，高磊智慧高速主动交通管控策略探究中国交通信息化，（）：？责任编辑：户 利华