面向疏散优先的突发事件交通管制仿真研究

刘 正，李新刚，刘素芳

(北京交通大学 综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室，北京 100044)

火灾、危险化学品事故、爆炸等突发事件情形下，建立区域疏散交通组织优化方案，转移受灾人员至安全区域是保障人民群众生命和财产安全的重要方法。例如，ZHANG等[1]以整个疏散过程中受灾人员接触到的危险化学品浓度最小化为优化目标，建立了混合整数规划模型以优化危险化学品事故情形下的区域疏散交通组织；YAN等[2]以距离危险源的长度为参数，通过构建道路危险水平评估函数分析突发事件对疏散路网交通安全的影响；LIU等[3-4]针对区域疏散交通组织优化问题，提出了一种基于区域危险等级差异性的道路危险水平评估策略，分析了突发事件降低大气能见度对区域疏散交通组织的影响；LIU等[5]通过设计面向救援优先的两阶段优化方法，建立了线性规划模型优化区域疏散和救援交通组织，分析了不同救援需求下，应急区域边界的救援交通入口选择对疏散效果和救援效果的影响。此外，在疏散过程中社会车辆同样会有使用疏散路网的交通需求。覃媛媛等[6]在研究突发事件情形下疏散车辆的交通量分布时，考虑了社会交通流的影响；MAO等[7-8]以社会车辆作为疏散过程的背景交通，研究了区域疏散交通组织优化问题。

综上所述，前人对突发事件情形下区域疏散交通组织优化问题的研究采取了两种方式组织社会交通：①禁止社会车辆使用应急区域内的道路，以避免突发事件影响社会车辆交通安全和社会车辆影响受灾人员转移；②以社会车辆作为疏散过程的背景交通。显然，在疏散过程中，禁止社会车辆使用应急区域内的道路难以保障社会车辆日常通行，同时会导致未被疏散车辆使用的路段无法服务于人们日常出行，浪费路网资源；尽管社会车辆作为疏散过程的背景交通可使路网服务于社会车辆日常出行，但是突发事件会威胁社会车辆通过受灾区域周围道路的交通安全。

为保障社会车辆交通安全，突发事件情形下公安机关交通管理部门会对受灾区域周围的道路进行临时交通管制，禁止社会车辆进入相关区域。例如，在“8·12天津滨海新区爆炸事故”中，天津市公安交通管理局调派警力对事故现场周边道路实施交通管制，禁止社会车辆通行[9]；在“3·30木里县森林火灾”中，为确保现场道路畅通，木里交警采取交通管制，无关车辆禁止进入现场[10]。但是，火灾、危险化学品事故、爆炸等突发事件的现场情况和外部环境，例如危险物质的数量和类型、风向、风速，有时难以确定，突发事件影响范围发生变化时，为保障社会车辆交通安全，在受灾区域周围采取交通管制的道路也应发生变化，而交通管制会限制社会车辆在路网上的通行。

因此，笔者通过优化突发事件情形下的区域疏散交通组织，仿真面向疏散优先的社会车辆交通组织过程，进一步分析疏散过程中受灾区域周围的交通管制范围对社会车辆在路网上通行的影响，为突发事件情景下应急管理部门制定交通管制方案，同时保障社会车辆的交通安全和通行需求提供决策依据。

1 研究方法

为研究面向疏散优先的突发事件交通管制范围对社会车辆通行的影响，笔者采用疏散交通组织优化与社会交通组织仿真相结合的方法：基于模拟疏散车辆在路网上动态转移的路段传输模型[11]，建立突发事件区域疏散交通组织优化模型，获取疏散车辆在应急区域路网上的交通路线；基于并行微观交通仿真，模拟社会车辆在路网上的运行过程：无突发事件、不采取交通管制措施时，社会车辆在路网上正常运行；突发事件情形下，在疏散过程中模拟社会车辆在路网上运行时采取的交通管制措施包括：①遵守疏散优先，禁止社会车辆进入疏散路线、禁止社会车辆与疏散车辆在交叉口的转向发生交织冲突，直至交通管制措施解除；②关闭受灾区域周围道路，禁止社会车辆通行以保障交通安全，直至交通管制措施解除。

1.1 疏散交通组织优化

(2)最优化模型为：

(1)

s.t.

(2)

(3)

(4)

i∈L

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

1.2 社会交通组织仿真

基于并行微观交通仿真软件Paramics 6.9.3模拟社会车辆在路网上的运行过程，面向疏散优先的突发事件社会车辆交通仿真流程如图1所示。突发事件发生前，社会车辆在路网上正常运行；突发事件发生后，对受灾区域周围采取关闭道路的交通管制措施，禁止社会车辆进入关闭路段，以保障社会车辆交通安全，直到解除管制措施，社会车辆可恢复正常通行；基于区域疏散交通组织优化模型，获取疏散路线，禁止社会车辆占用疏散路线、禁止社会车辆进入与疏散车辆在交叉口处交织冲突的转向，以确保疏散车辆优先通行，直到解除管制措施，社会车辆可恢复正常通行。利用Paramics软件继续模拟突发事件发生后的社会车辆运行过程，获取社会车辆在路网上通行的交通仿真数据，分析疏散过程中受灾区域周围的交通管制范围对社会车辆通行的影响。

图1 社会车辆交通组织仿真流程

2 算例分析

笔者以北京中关村区域路网为例分析面向疏散优先的突发事件交通管制：首先，给出中关村区域的路网结构，利用Paramics软件构建社会车辆交通仿真路网；其次，基于疏散交通组织优化与社会交通组织仿真相结合的方法，利用Paramics软件模拟社会车辆在路网上的运行过程，获取社会车辆交通仿真数据；最后，分析在受灾区域周围执行不同范围的交通管制对社会车辆在路网上通行的影响。

2.1 社会车辆交通仿真场景

中关村区域的路网结构如图2所示，其中带箭头的线段表示路段，数字表示路段编号，箭头表示路段的通行方向；带数字的圆圈表示交叉口，数字表示交叉口编号，相应的交叉口转向如图3所示。灰色方形区域为受灾区域，受灾人员借助30辆机动车、选择虚线路段83、86、124、127离开受灾区域。基于突发事件的影响和疏散工作的需求，交叉口1、7、28、32、49、54围成的区域为应急管理部门管控的应急区域。在疏散过程中，受灾人员可选择连接交叉口1、7、28、32、49、54、位于应急区域外部的虚线路段158、160、162、164、166、168、170、172、174和176离开应急区域，到达安全区域。基于路段传输模型模拟疏散车辆在路网上的转移过程时，疏散交通流状态动态更新的时间步总数为30，每个时间步长为3 s。疏散车辆在路段上的阻塞密度为150 辆/(km·车道)，临界密度为30 辆/(km·车道)，自由流速度为72 km/h，激波向后传播的速度为18 km/h。

图2 中关村区域路网

图3 交叉口转向

基于Paramics软件构建的中关村区域交通仿真路网如图4所示，方形表示社会车辆在该区域行程的起始位置和终点位置，各起始位置和终点位置之间的社会交通量由20以内均匀分布的随机数生成。在Paramics软件仿真中，设置社会车辆交通仿真时长为1 h，开始时间标记为“00:00”，结束时间标记为“01:00”，突发事件发生、采取交通管制的时间标记为“00:20”；带箭头的虚线表示基于区域疏散交通组织优化模型确定的疏散交通路线。突发事件发生后，为了保障受灾人员转移和社会车辆交通安全，应急管理部门对受灾区域周围的道路和疏散路线的交通管制持续3 min，至00:23结束。

图4 中关村区域交通仿真路网

2.2 社会车辆交通拥堵分布

突发事件发生前，路网服务于社会车辆日常出行。00:20时刻社会车辆交通拥堵状况如图5所示，可以看出突发事件发生时，路网大部分路段较为畅通，只有局部路段在交叉口处于小规模的拥堵。以这种交通运行状态作为突发事件发生时的背景交通状态，可以排除社会车辆正常的交通拥堵对突发事件交通管制导致交通拥堵的影响。

图5 00:20时刻社会车辆交通拥堵分布

无突发事件、不采取交通管制时，在00:20—00:23时段进入受灾区域周围路段的社会车辆数如表1所示，可知社会车辆日常通行时，通过受灾区域周围大部分路段的车辆数不为0，表明突发事件发生后，对受灾区域周围道路采取交通管制措施会影响社会车辆通行；如果不采取交通管制措施，当受灾范围突然变化时，社会车辆的交通安全会受到影响，并且受影响的社会车辆数与受灾范围有关。

表1 00:20—00:23时段进入受灾区域周围道路的社会车辆数

2.3 交通管制范围与社会车辆交通拥堵

突发事件发生后，采取疏散交通优先通行和关闭受灾区域周围道路的交通管制措施结束时，社会车辆在路网上的交通拥堵分布如图6所示，其中连接实心圆点的虚线框表示受灾区域周围的交通管制范围，虚线空心圆标记的位置为社会车辆发生交通拥堵的交叉口。在图6(a)中，受灾区域周围的交通管制范围为交叉口17、19、24、25连成的区域；在图6(b)中，受灾区域周围的交通管制范围为交叉口15、20、22、26连成的区域；在图6(c)中，未发生突发事件，无受灾区域。

图6 00:23时刻社会车辆交通拥堵分布

由图6可知，突发事件情形下，采取交通管制措施，禁止社会车辆使用局部道路通行会造成交通拥堵，且交通拥堵主要发生在受管制路段的交叉口；而未发生突发事件时，路网基本处于畅通状态。因此，在突发事件情形下，禁止社会车辆使用受灾区域周围道路、保障疏散车辆优先通行时，应该在受管制路段的交叉口引导社会车辆绕行。此外，不同管制范围下社会车辆在受灾区域周围出现交通拥堵的位置明显具有差异性，表明了突发事件情形下受灾区域周围的交通管制范围发生变化后，社会车辆发生交通拥堵的位置也会发生变化，因此引导社会车辆通行的位置也应相应地改变。

2.4 交通管制范围与社会车辆通行效率

突发事件交通管制会阻碍社会车辆在路网上的通行，且发生交通拥堵的位置与交通管制的范围有关。因此，笔者以从起始位置到达终点位置的社会车辆数表示社会车辆完成的行程数量，评估受灾区域周围的交通管制范围对社会车辆通行效率的影响。显然，社会车辆完成的行程数量越多，交通管制对社会车辆通行的限制越小，社会车辆在路网上通行效率越高。

突发事件发生后，在受灾区域周围执行不同范围的交通管制时，社会车辆完成的行程数量如表2所示。其中，“S-1”表示无突发事件、不采取交通管制措施；“S-2”表示突发事件情形下疏散优先、允许社会车辆通过受灾区域周围的道路；“S-3”表示突发事件情形下疏散优先、受灾区域周围的交通管制范围为交叉口17、19、24、25连成的区域；“S-4”表示突发事件情形下疏散优先、受灾区域周围的交通管制范围为交叉口17、20、24、26连成的区域；“S-5”表示突发事件情形下疏散优先、受灾区域周围的交通管制范围为交叉口16、19、23、25连成的区域；“S-6”表示突发事件情形下疏散优先、受灾区域周围的交通管制范围为交叉口15、20、22、26连成的区域。由表2可知，未发生突发事件、不采取交通管制措施(S-1)时，社会车辆在突发事件发生后的40min内完成的行程数量分别为1 101、1 095、1 090、1 081，总计4 367个，明显高于S-2、S-3、S-4、S-5和S-6，表明了为保障疏散车辆优先通行，禁止社会车辆占用疏散路线、禁止社会车辆进入与疏散车辆在交叉口处交织冲突的转向，会降低社会车辆完成的行程数量。在突发事件情形下，对受灾区域周围不同范围内的道路采取交通管制，社会车辆完成的行程数量没有明显差异，表明了在受灾区域周围执行不同范围的交通管制未明显影响社会车辆完成的行程数量。

表2 社会车辆完成的行程数量

2.5 交通管制范围与社会车辆行程时间

突发事件发生后，对受灾区域周围执行不同范围的交通管制时，社会车辆在路网上的行程时间如表3所示。结合表2可知，社会车辆完成第1 000个行程后，交通管制措施已解除。由表3可知，未发生突发事件、不采取交通管制措施(S-1)时，前1 000个社会车辆在路网上的行程时间明显低于突发事件情形下采取交通管制时对应的行程时间。对比S-2、S-3、S-4、S-5和S-6对应的社会车辆在路网上的行程时间，在受灾区域周围采取交通管制的范围发生变化时，社会车辆的行程时间没有明显差异性。交通管制情形下，当社会车辆完成1 000个行程之后，其在路网上的行程时间降低。上述结果表明：突发事件发生后，采取疏散优先的交通管制措施会明显增加社会车辆的行程时间；在受灾区域周围执行不同范围的交通管制对社会车辆行程时间的影响没有明显差异；应对突发事件采取的交通管制解除后，社会车辆行程时间受前期交通管制的影响降低。

表3 社会车辆行程时间 s

3 结论

(1)通过优化突发事件情形下的区域疏散交通组织，仿真面向疏散优先的社会车辆交通组织过程，分析了在受灾区域周围执行交通管制的范围对社会车辆通行的影响，研究结果表明：①在疏散过程中，禁止社会车辆进入受灾区域周围的道路会造成社会车辆交通拥堵，且拥堵主要发生在受管制路段交叉口；改变受灾区域周围执行交通管制的范围，社会车辆交通拥堵的位置也会发生变化。②应对突发事件采取疏散优先措施会明显降低社会车辆完成的行程数量、增加社会车辆在路网上的行程时间；面向疏散优先导致社会车辆在路网上的通行受限时，关闭受灾区域周围不同范围的道路未明显影响社会车辆完成的行程数量和行程时间。③应对突发事件采取的交通管制措施解除后，社会车辆行程时间受前期管制的影响降低。

(2)基于笔者的研究，可为突发事件情形下面向疏散优先的社会车辆交通管制提供如下建议：①突发事件情形下，禁止社会车辆使用受灾区域周围道路、保障疏散车辆优先通行时，应该在受管制路段的交叉口引导社会车辆通行；受灾范围发生变化导致受灾区域周围交通管制的路段发生变化后，需要采取措施引导社会车辆通行的位置也相应地改变；②突发事件发生后，受灾范围的变化难以确定时，可通过扩大受灾区域周围关闭路段的范围来同时保障社会车辆的交通安全和出行需求。

(3)笔者仿真社会车辆在路网上的日常通行过程，研究面向疏散优先的突发事件交通管制对社会车辆在路网上通行的影响时，交通管制路段为社会车辆在路网上通行的瓶颈路段，社会车辆未更改原路线以绕过受管制路段。未进一步研究交通管制期间引导社会车辆通行的管理方法，导致社会车辆不得不在解除交通管制后才恢复通行。相比于应急交通，社会交通的个体出行信息和行为很难被应急管理部门掌握。因此，未来将进一步研究突发事件情形下的社会车辆交通组织管理方法，实现应急交通和社会交通的分级保障及协同优化。