京沪高速公路（扬州段）改扩建工程交通仿真测试及评价

王强

上海市市政规划设计研究院有限公司 上海 200031

1 工程背景

京沪高速公路是国家公路网的主骨架，在国家公路网中编号为G2，是7条首都放射线之一，经过北京、天津、河北、山东、江苏和上海等六个省市，联通了政治中心的北京与经济中心的上海，路网地位非常重要[1]。

京沪高速公路（扬州段）扩建改造工程路线起于淮安市和扬州市交界处，衔接JHK-HA6施工标段设计终点（对应京沪高速公路桩号K859+049.480），经宝应、高邮、江都，止于正谊枢纽互通北侧（对应京沪高速公路桩号K969+534.093），向东接正在改扩建的京沪高速公路江都至广陵段，向南接建设中的五峰山过江通道北接线工程。路线平面沿原路中心线拟合，路线全长约110.485km（7个标段，含先导段20.7km）。全线采用两侧拼宽技术为主的总体扩建方案，依照双向八车道的高速公路标准扩建，设计速度120km/h，路基宽度42m。

考虑到交通导改设置施工区域会占用道路资源并对京沪高速公路的交通运行产生较大影响，在安全性影响评价中分析了施工围挡区交通流的交通特性和交通流量数据，并利用VISSIM对京沪高速公路不同路段类型及不同施工阶段的施工围挡区进行仿真模拟。依据京沪高速公路各路段的交通数据对仿真模型参数进行标定，并依据仿真结果对导改方案进行分析及评价。

2 交通仿真技术的应用

交通仿真技术是利用交通的组织原理以及基本知识，通过使用现代的计算机技术在一定程度上建立一个能够代替现实交通运输系统的计算机模型的过程[2]。这个模型模拟实际交通运输系统的特点，分析运输系统在不同环境条件下可能出现的行为，并可根据模型模拟的结果，寻求交通问题的最优解决方案，评估各种运输设备的设计成果。

德国PTV公司开发的软件VISSIM，是一款随机离散的、以1/10秒为时间步长的微观仿真软件。该软件的工作原理是通过在路网中移动“驾驶人-车辆-单元”来模拟交通流。使具有特定驾驶行为的驾驶人被分配到特定的车辆，驾驶行为与车辆性能相对应。与施工区车道交通运行有关的算法分别为车道变换算法、车辆跟踪算法[3]。

2.1 交通仿真模型的建立

以高邮互通特殊路段为例，交通导改采用“整幅双向四车道通行+右半幅双向两车道通行”的方案，利用VISSIM软件建立交通仿真模型。

(1) 车辆构成

根据京沪高速公路的交通组成情况，定义客车和货车的交通组成比例，输入相对流量。依据现状交通量调查资料，客车占比76.01%，货车占比23.99%。其中，大客车占比为3.37%。

(2) 车辆输入

由于在仿真模型的前部分时间段，交通流量不稳定，且仿真路段路网长度较长，车辆到达需一定时间。为了保证模型输出数据的准确性，流量的输入时间要长于仿真时间，并在采集数据的过程中，选取仿真后半段时间所输出的数据。本次在仿真过程中，设定的单次仿真时长为4200s，其中0~600s为路网运行填充时间，不列入数据采集的范畴，600~4200s为稳定交通流的仿真时间，其输出结果待检验完成后作为评价依据只选取600~4200s 时间间隔内的数据。

(3) 路径选择

在施工区现状路径的选择上是采用了管理车道的路径决策模型和静态路径来实现的。

(4) 冲突区域集

导改方案为高邮互通特殊路段“整幅双向四车道通行+右半幅双向两车道通行”，冲突区主要为B、D两匝道行驶车辆汇入主线时与主线行驶车辆之间的冲突及交通导改时外侧车道车辆并入内侧车道时与内侧车道行驶车辆之间的冲突。

图1 互通区D匝道车流汇入冲突区设置示意图

(5) 数据监测点

本阶段设置监测点采集数据主要为平均行程车速、车辆数及包括Car、HGV、Bus在内的各车型的平均速度，监测点设置位置见下表。

表1 数据检测器设置一览表

(6) 期望速度分布

为保证车辆行驶状态良好，根据导改方案将设导改及对比路段小客车Car的期望车速设为60 km/h（50 km/h~60 km/h），货车HGV及大客车Bus的期望车速设为50 km/h（40 km/h~50 km/h）。

2.2 交通流特性参数评价

利用VISSIM软件交通流特性参数评价时，选取了交通导改方案各路段的速度指标、路段通行车道的饱和度及其服务水平进行评价。

(1) 速度评价

表2 各路段车速统计一览表

当进行交通导改且其他道路条件相同时，其组成路段的平均车速均大于导改路段，且整幅四车道交通转换为右幅两车道时，整幅双向四车道进口段平均车速低于半幅双向两车道路段，表明并道时已出现拥堵，与仿真情况相符。车辆并道以后跟驰行驶，路段平均速度逐渐提高。

另外，在导改路段的大货车平均车速下降明显，由各类不同车型显现出的比较大的车速差异会显著降低该路段的通行能力。其中大货车所采用的较小车速，会直接影响其它拟采用较高车速车辆的行车速度。因此，在改扩建的施工作业区段之内，将速度比较低的大货车分流出去以免影响拟采用较高车速车辆的行车速度，是十分有必要的。

(2) 饱和度评价

利用现有交通量资料及仿真所得的进行交通导改前后交通量数值，计算V/C得到车道的饱和度，如下表所示。

表3 各阶段车道饱和度对比表

由饱和度对比表可知，在京沪高速公路改扩建过程中，采取半幅路面封闭施工、另外半幅路面维持双向两车道通行的措施，或采取整幅路面各封闭外侧车道而保持整幅双向双车道通行的措施，V/C值均大于1，说明车道已处于饱和或过饱和状态，不仅表明交通量达到道路所能承担的范围，也说明道路处于四级以下服务水平。单位面积内的车辆很多，大部分车辆不能自由的行驶，处于跟驰状态。

2.3 交通仿真结论

(1) 标准路段的平均车速均大于交通导改路段，其中以整幅双向四车道交通转换为右幅双向两车道尤为突出，极易出现拥堵现象，建议在导改点设置交替通行的交安设施，保障车流有序跟驰。

(2) 由于各类不同车型表现出的性能差异比较大，在导改路段各类不同车型行驶采用的的较大车速差异会显著降低改建路段的通行能力，大货车相对比较小的车速会直接影响其它车辆的通行速度。因此在改扩建的施工作业区段之内，宜将速度较小的大货车分流出去，避免影响导改区的交通转换效率。

(3) 由于实际道路运营条件与路段限速标准的不匹配性，可能造成车辆的速度离散性较大，该情况下较易发生交通事故。建议路段限速应尽可能将交通安全性和行车连续性统筹考虑，不宜大幅限制运行速度。

(4) 导改路段长度以1～2km，速度以60～80km/h为宜，对应的车辆通行安全性及效率最高。

3 交通仿真的应用价值

通过在京沪高速公路（扬州段）改扩建中对交通仿真技术的安全性测试及评价应用，发现交通仿真技术在实际工程中具有以下应用价值：

(1) 交通仿真技术的应用可以快捷方便的得到交通评价中想要的数据，并且能够在调研和试验中节约大量的人力和物力。

(2) 交通仿真技术可以通过设定其中的参数范围和特定值组合出想要的模拟方案，从而实现多方案的比选和评价。例如通过控制变量，或者只改变其中一部分变量，就可以考察它们对道路的安全性影响等内容。

(3) 通过建立其中一个仿真模型，在项目评价中可以不断重复仿真过程，从而达到想要的结果。

(4) 交通仿真技术与以往的方法相比，由于它不需要一些非常专业的数学知识去构建解析模型，在应用方面更容易得到推广[4]。

(5) 交通仿真技术的应用可以避免在实地的调查研究和试验过程中可能会出现的一些意外伤害。

(6) 应用交通仿真技术相比实际的交通调查或交通模拟的方法可以更快的得到结果，缩短数据采集的周期，也能够避免因为调查时的人为因素而造成交通中断，从而导致这方面的干扰所引起的数据丢失或失真。

(7) 利用计算机进行交通仿真模拟，可以使其中某些参数（如车速、交通量等）的设置超出在实际调查中得到的范围，从而获得一些在实地的调查研究中所无法获得的数据。并且通过交通仿真技术进行模拟预测，可以再现施工区段复杂的交通环境下的车流运行特征，从而可以弥补由实地观测所获得的数据的缺陷和不足。