高速公路匝道入口处冲突点仿真研究

李庆印， 宋博文, 张俊波

(1. 淄博市公安局交通警察支队， 山东 淄博 255043； 2. 山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255091)

1 研究背景

近年来，高速公路行车安全性越来越受到广泛的重视.我国高速公路交通事故致死率与国外相比高得惊人，近几年其统计平均值高达29%，而德、美、日等国家的高速公路交通事故致死率只有 1%～3%左右[1].尽管2001-2012年高速公路百公里事故率、百公里死亡率和百公里受伤率呈逐年下降趋势，但仍然需要引起更多重视[2]. Papagcorgiou基于高速交通事故，设计了区间分段交通流诱导控制方法[3],但该方法未实时有效地联系各区间状态.1983年，Gershwin以单个出行者为假设，针对高速交通事故，设计了混合最优化规划模型(HOP) ，但该模型仅适应于单出行者情况[4].Sasaki T[5]和Chen L[6]基于高速公路交通事故对入口匝道的影响，研究了事故条件下入口匝道的模糊诱导控制方法.Parisini及Zoppoli运用神经网络，以各种交通流为对象，设计了诱导与控制模型[7]，但该模型计算量大，对于大型高速路网难以实现有效控制.2007年，西安交通大学的靳引利，雷雨同样采用模糊控制的原理试图解决高速拥挤问题[8].2009年，长安大学的曹伟、孙大跃等人运用GSM通信网络平台的紧急救助与诱导控制模式的方法，来解决高速匝道入口的冲突问题，但该方法需在目标位置配备各种通信设备，才能实现实时管理[9].本文提出针对滨博高速淄博段的交通管理措施，以期能够在基本不改变现实道路状况的条件下，在保证不降低车辆通行效率的前提下，以最少的资金投入，消除原有冲突点，提高行车安全性.

众所周知，高速公路主干路与入口匝道存在交汇冲突点，高速公路匝道入口处冲突点示意图如图1所示.高速公路车流在平均时速(限速120km/h)较高，车辆主体反应时间有限的情况下，很容易在冲突点处发生严重交通事故.

图1 高速公路入口匝道处冲突点示意图

所谓交汇冲突点，是指来自于不同方向的车流在相互影响的情况下，易发生冲突的交通事故点.在国内，聂磊、杨晓光等研究了匝道单点控制的问题[10]；张海军、杨晓光等研究了各种不同形式道路交通衔接的问题[11].而国外目前对于此类冲突点的解决同样没有一套成熟的应用体系.在这种情况下，一般通过相应的避让行动来达到避免冲突事故的目的，但是这显然不足以完全避免交通事故的发生.

2 交通诱导方法

为解决高速公路入口匝道入流车辆与主干道车辆相冲突的问题，在最大限度降低管理改造成本的前提下，采用设定限制行驶区间的管理措施来达到消除冲突点，进而相应减少发生交通事故的目的.限制行驶区间设定示意图如图2所示.

图2 限制行驶区间设定示意图

图2中，C点为入口匝道处冲突点，区间[A,B]为针对最外侧车道的车辆限制通行区间.

主干路最右侧车道(编号为第1车道)车辆行至A点，通过设置智能车道诱导屏并结合地面变道标识的方式，诱导原先行驶在最右侧车道的主干道直行车辆逐步变道至第2,3车道，避免行驶至匝道时与入流车辆发生冲突.而来自于入口匝道的入流车辆在不存在冲突点的情况下，便直接进入第1车道，在主干路上与原有车辆汇流，当汇合流车辆行至B点后，便可继续行驶，并重新调整大小车型正确行驶车道.

3 仿真验证

交通仿真是以相似原理、信息技术、系统工程和交通工程领域的基本理论和专业技术为基础，以计算机为主要工具，利用系统仿真模型模拟道路交通系统的运行状态，采用数字方式或图形方式来描述动态交通系统，复现交通流时间空间变化，反映复杂的交通现象，并对这些现象进行解释、预测、分析，以便更好地把握和控制该系统的一门实用技术.

Transmodeler是美国 Caliper公司为城市交通规划和仿真开发的多功能交通仿真软件包.该软件可以模拟从高速公路到市中心区路网道口在内的各类道路交通网络，可以详细逼真地分析大范围多种出行方式的交通流.为验证该方法对高速公路入口匝道冲突点影响的可行性，采用TransModeler仿真软件，以滨博高速淄博段为例进行实例验证.

滨博高速公路为双向四车道，主干道车道宽度均为3.75m，应急车道宽度为2.5m(图3中省略).主干道限制车速为120km/h，入口匝道限制车速为60km/h.仿真周期取30min，每5min为一数据统计间隔.滨博高速公路某收费站处TransModeler仿真模型如图3所示.

图3 滨博高速某收费站处TransModeler仿真模型

为验证该交通管理措施的适用范围及主干道流量与匝道入口流量的影响作用，在仿真之前调查了滨博高速淄博段各路段的交通流量及各匝道入口的交通流量.经调查分析得到，各匝道入口交通流量较为平均，约为2 800辆/天，而主干道各路段流量则相差较大.滨博高速主干道各路段的交通流量分布图如图4所示.

图4 滨博高速主干道各路段的交通流量分布图

在TransModeler仿真模型运行之后，通过数据输出器将Summary Trip Statistics与Summary Dalay Statistics数据统计报告输出，整理后的仿真模型相关结论数据见表1，仿真结果示意图如图5所示.

由仿真模型相关结论数据表可以看出，根据实行限制行驶区间交通管理措施前后的数据对比，在相同的时间间隔内，所有完成行程的主干道车辆平均速度提高了14.1%，而匝道车辆平均速度提高了26.89%.在车辆平均延误方面，主干道车辆平均延误降低了4.13%，而匝道车辆此数据提高了28.72%.这表明实行限制行驶区间的管理措施，对于提高滨博高速淄博段主干道车辆及入口匝道车辆的通过率，提高所有车辆的平均行驶速度，以及降低车辆平均延误都具有积极的作用.最重要的是，该管理措施虽然一定程度上降低了直行车辆的优先通行效率，但是消除了原有的高速冲突点，保证了车辆行驶的安全性.

表1 仿真模型相关结论数据

(a)平均速度 (b)延误图5 交通管理措施实施前后数据对比分析

4 结束语

高速公路交通管理诱导策略直接消除了滨博高速淄博段各收费站匝道入口与主干道之间的冲突点，宏观上保证了所有车辆的通行效率，以最小的交通设施投入成本，最大限度地提高了高速公路行车安全性.该方法对于解决目前滨博高速淄博段各收费站匝道入口处的交通安全问题，具有重要的实践意义.

[1]周钱，陆化普，徐薇.交通事故规律及其模型[J].交通运输工程学报，2006，6(4): 112-115.

[2]马壮林，邵春福，李霞.高速公路隧道交通事故严重程度影响因素分析[J].北京交通大学学报：自然科学版，2009，33(6):52-55.

[3]Papageorgiou M. Multilayer control system design applied to freeway traffic[J].IEEE Transportations on Automatic Control, 1980，29(6):482-490.

[4]Gershwin S B. Optimal static traffic control constrained by drivers route choice behavior,laboratory for information and decision system report LIDS-P_870[D].Boston:Massachusetts Institute of Techology,1983.

[5]Sasaki T. Fuzzy on-ramp control model on urban expressway and its extension[J]. International Symposium on Transportations and Traffic Theory, 1987，26(7):377-395.

[6]Chen L. Freeway ramp control using fuzzy set theory for inexact reasoning[J]. Transportation Research, 1990， 24(1)：15-25.

[7]Parisini R, ZoPPoli T. Neural network information of traveling time on freeway systems[J].Theory and Applications of Advanced Technology, 1994， 22(4):803-808.

[8]靳引利，雷雨.基于交通事故的高速公路交通流诱导系统研究[J].现代电子技术，2007， 14(4):36-41.

[9]曹伟，孙大跃.高速公路交通事故条件下信息服务系统的研究[J].山东交通学院学报，2009， 15(3) :36-42.

[10]聂磊，杨晓光，杨晓芳，等.上海快速路入口匝道单点控制策略仿真评价研究[C]//第一届中国智能交通年会论文集,2005.

[11]张海军,杨晓光,赵建新.城市快速路交通衔接组织研究[J].城市交通，2005(1)：51-54.