公路应急交通组织方案生成及仿真评估

刘 娜，张敖木翰，张 平

(交通运输部 科学研究院, 北京 100029)



公路应急交通组织方案生成及仿真评估

刘 娜，张敖木翰，张 平

(交通运输部 科学研究院, 北京 100029)

针对目前直接面向公路应急交通组织方案研究较少的情况，从我国公路交通应急管理现状出发，提出了公路应急交通组织方案生成流程，并以该流程为主线，对初步方案制定和方案评估两个关键环节进行了研究，形成了气象灾害和地质灾害两种典型灾害类型下的应急交通组织方案，提出了利用交通仿真技术构建方案评估平台的建议。以新疆乌鲁木齐、奎屯、克拉玛依形成的三角区域为示范区域，就夏季洪水水毁灾害条件下的公路应急交通组织方案生成及仿真评估进行了实证研究，验证了研究成果的合理性和可行性。

公路应急;交通组织;生成流程；仿真评估

应急交通组织是应急交通管理的重要内容。国外相关研究体现在应急疏散方面且以城市交通应急疏散为主，研究方法主要有数学分析方法和计算机仿真技术两种。数学分析方法方面，DUNN等[1]基于路网通行能力研究，提出了疏散路径的最大流方法，以实现在路网通行能力允许的范围内将绝大多数的撤离者从危险区域疏散到安全区域；YAMADA[2]运用最小成本流问题方法对区域行人撤退至避难所进行交通分配，并给出了以“全部撤离至所有避难所的行程总和最小”为目标的最短路径撤退规划。计算机仿真方面，美国橡树岭国家实验室研究并开发了紧急疏散模拟系统(oak ridge evacuation modeling system，OREMS)[3]，能够对突发事件的疏散方案、疏散路径及疏散时间等进行仿真和分析。

国内的相关研究则涉及城市交通和公路交通两大领域，前者主要是大型赛事的城市交通组织研究，如陈艳艳等[4]基于交通分离原则进行的奥运交通组织；后者则集中于高速公路改扩建工程施工的交通组织研究，如黄进堂等[5]针对沪宁高速公路拓宽改建期间制定的交通组织方案和管理措施等。总体来看，国内外应急交通组织的集中代表为王长君等[6]进行的高速公路网应急交通组织技术研究，其以长三角高速公路网为依托，从应急需求、供给需求和应对技术措施3个层面阐述了区域高速公路网紧急情况下交通组织技术，同时融合了实际管理工作中的交通组织策略、理论模型方法和仿真手段，具有较好的借鉴意义。

笔者从我国公路交通应急管理现状出发，以科学、适用为原则，对应急交通组织方案生成流程及关键环节进行研究，为我国公路应急交通组织方案生成提供技术支持。

1 公路应急交通组织方案生成流程

1.1 公路交通应急管理现状

2008年南方低温雨雪冰冻灾害和四川汶川地震之后，我国对突发事件应急管理工作的重视程度空前提高。交通运输行业也从制度建设、组织体系、管理机制和应急队伍等多方面积极推进了公路交通应急管理体系建设。目前已形成《公路交通突发事件应急预案》、《交通部公路交通阻断信息报送制度(试行)》 等相关制度，确定了公路应急管理组织体系、职责分工和应急处理流程等内容[7]，并且，在部、省两级推动建立了路网管理与应急处置中心等机构进行公路应急日常管理；同时，全国大多省份都针对不同灾害类型编制了应急预案，并定期组织开展应急演练，极大地增强了我国公路交通应急能力。

1.2 方案生成流程

根据我国公路交通应急管理现状，各地针对灾害条件下的应急管理制定了相应预案，明确了管理流程。而应急交通组织方案处于该管理流程的底端，直接指导应急救援。通过对新疆、重庆、河南及福建等省份的应急预案进行梳理，提出的公路应急交通组织方案生成流程，如图1所示。

图1 公路应急交通组织方案生成流程

1.3 方案生成关键环节

根据生成流程，切实可行的应急交通组织方案形成需依靠初步方案制定和方案评估两大关键环节的支撑。其中，初步方案制定可基于实际组织经验，结合具体灾害情况人为形成；方案评估则可借助计算机系统、仿真模型等现代技术，形成评估平台、输出评价指标，以保障评估工作的高效性和评估结果的客观性。

2 初步方案制定

2.1 气象灾害条件下的公路交通组织

气象灾害主要指雾、雨、雪、冰冻、沙尘等恶劣天气造成的能见度下降、路面湿滑等灾害，影响范围大。该灾害条件下的公路交通组织方案多见于高速公路，主要包括交通管制、封路、交通组织与分流，以及交通诱导与信息发布等。

2.1.1 交通管制

交通管制措施包括控制车辆驶入、警车压速领行和巡逻监控3种方式，其目的是保障灾害条件下，通行车辆低速、安全驶离受灾区域。受控车辆可能包括所有车型车辆，也可能包括部分车型车辆。交通管制的同时需做好交通组织和交通信息发布等相关工作。

2.1.2 封路

封路是一种极端的交通管控措施，当采取其他必要措施无法保障行车安全时，经上级批准后，可以临时封闭道路、禁止车辆通行。紧急情况下，也可先行封路，并及时向上级报告。同时需做好交通组织、交通诱导及交通信息发布等相关工作。

2.1.3 交通组织与分流

交通组织与分流基于路网整体，目的在于减少延误车辆，提高路网运行效率。实际工作中，公路交通执法部门应根据灾害路段及周边路网布局，综合考虑交通流量、交通构成和道路通行能力等因素，选择能见度良好的互通立交等交叉节点作为分流点，并设置限速导流牌等标志。同时做好信息发布和分流车辆组织疏导等工作。

2.1.4 交通诱导与信息发布

交通诱导与信息发布主要实现交通管制、交通组织和分流措施相关信息的及时发布和传递，引导公路交通合理出行。发布方式包括电子显示屏、可变情报板、收费站或出入口指示牌、宣传册，以及交通广播、电视、网络、微博、微信等。

2.2 地质灾害条件下的公路交通组织

地质灾害主要指地震、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等灾害，影响范围相对较小。该灾害条件下公路交通组织方案主要包括借道通行、交通组织与分流、交通诱导与信息发布等，其中，后两种组织方式与气象灾害条件下的公路交通组织内容相同。

借道通行适用于公路单幅路面发生交通中断的情形，目的在于最大限度地拓宽分流渠道，减少车流滞留压力。根据灾害点数量的多少，可分为单点和多点两种情况。

2.2.1 单点借道通行

适用于灾害点为一处，且预计疏通时间在2 h以内的情形，以高速公路为例，主要实现过程为：打开灾害点后方最近一个中央活动护栏，在满足另一半幅车辆通行的前提下，借用该幅部分车道，设置变道指示标志和导流锥标，渠化安全区，引导被堵车辆从另一半幅绕至灾害点前方中央活动护栏处进入正常行驶车道。同时，在借道通行现场，应视情安排民警执勤，并备好清障机械，防止交通堵塞。具体组织方式如图2所示。

图2 单点借道通行示意图

2.2.2 多点借道通行

适用于灾害点为多处，且预计疏通时间超过2 h的情形，以高速公路为例，主要实现过程为：封闭另一半幅车道，分段打开中央活动护栏，将能够正常行驶的车辆引导至另一半幅借道通行，之后清障等车辆由中央活动护栏开口处进入该区域实施作业。具体组织方式如图3所示。

图3 多点借道通行示意图

3 评估平台构建

3.1 评估平台的功能需求

评估平台主要实现对灾害条件下公路网实时交通运行状态的直观展示，对交通组织和交通控制方案的仿真模拟，并能够对方案的实施效果进行定量化评价。其功能需求主要包括:①基础路网模型构建功能，实现对路网拓扑结构的构建及路段车道数和路口类型等属性信息的设置。②灾害条件下相关特征的支持实现功能，能够通过参数设置、模块设置等方式实现对灾害条件下道路和交通等环境特征呈现，以及封路、限行、分流等交通组织方案的设置和展现，使平台能够真实地模拟和反映现实。③对交通运行状态的直观展示功能，能够真实展示不同交通组织方案下车辆加速、减速、换道、路径选择等行驶状态，以及路网流量和拥挤程度等不同运行状态，辅助决策者决策。④输出量化评价指标值功能，且能够基于指标快速、方便地生成专题图和统计图表等形式，便于决策者分析判断。

3.2 基础平台比选

经过多年发展，交通仿真领域具有一定应用的软件系统有数10个[8]，国内主要应用的有CORSIM、Synchro/SimTraffic、VISSIM、INTEGRATION、Paramics和TransModeler等。其中，CORSIM对智能交通系统的仿真是其最大优势，但是缺乏分配算法；Synchro/SimTraffic的强项在于能对交叉口的信号配对时进行优化；VISSIM中规中矩，具有良好的3D仿真效果，但模型本身没有交通事件模拟功能，不能支持灾害特征描述[9]；INTEGRATION的中观模型构造是其优势，但不提供GUI，数据编辑较为繁琐；Paramics在仿真ITS基础设施和拥挤道路网方面有突出表现，但对用户的API编程能力要求较高；TransModele支持GIS功能，且模型结构合理清晰，可以实现不同解析度下的集成化仿真。

根据仿真评估平台功能需求，选取TransModeler微观仿真模型作为基础平台进行仿真平台构建，支撑应急交通组织方案仿真评价。

4 评价指标选取

评价指标直接影响评估结果。以科学、系统、可操作为原则，以姜桂艳等[10]的研究成果为参考，同时考虑应急条件下“时间性高于经济性”等特征，选择交通量、车速和最大排队长度等典型指标作为评价指标，进行应急交通组织方案的评价。

5 实证研究

5.1 区域交通特征分析

基于以上研究成果，以新疆乌鲁木齐、奎屯、克拉玛依形成的区域路网为研究对象，对其夏季洪水水毁灾害条件下的交通组织方案生成进行实证研究。示范区域路网较为发达，乌奎高速(G30)、S115线横跨东西，G217纵贯南北，S201、S204和S101在区域内纵横交错；区域交通量逐年递增，2011年月均交通量在1.5万以上；车型构成中，以7座以下和2 t以下的小型车为主，占比超过1/2；时间分布上，每年的4月—10月是交通量较大的月份，占全年交通流量的60%以上[11]。区域路网结构及交通特征如图4所示。

图4 区域路网及交通特征

5.2 仿真评估平台搭建

首先，基于TransModeler仿真模型，搭建示范区域路网、完成主要构造物建模、形成路网拓扑结构，如图5(a)所示；然后根据实际情况设置道路名称、道路等级、道路车道数，以及设计速度等信息；最后根据区域交通特征，标定模型参数，包括车型构成参数、路径选择模型参数和跟驰模型参数等，标定界面如图5(b)所示。

图5 路网拓扑结构及参数标定界面图

5.3 灾害情形设置

根据区域灾害情况，以乌奎高速(G30)K4407+000 m路段由东向西方向(北侧路幅)发生洪水冲毁混凝土护坡(预计50 m)，路肩部分路面下陷，危及路面行车安全为分析对象，制定交通组织方案。

5.4 初步组织方案制定

方案一：封闭事故路段半幅路，将对向路幅由单向变为双向借道通行，同时做好信息发布和收费撤离等工作。方案二：封闭1条单向车道，组织社会车辆利用剩余1条车道通行；在奎屯立交处设置“中型及以上车型驶入路段”和允许通过车辆限速60 km/h及“限行车辆请绕行G312”的标志标牌；同时做好信息发布和收费撤离等工作。

5.5 仿真设置

5.5.1 方案设置

将方案特征和方案实施对交通通行的影响对应到评估平台中，使道路连通和车辆运行路径等体现出方案的实施效果。方案二在仿真平台中的情形如图6所示。

图6 方案二在仿真评估平台中的设置界面图

5.5.2 交通需求设置

交通需求主要指区域交通量，具体可基于区域交通特征确定相关路段的交通量；根据事故路段出入口和连接线等基础设施特征，设定事故路段服务的OD点；根据路段交通量值，反推OD矩阵作为交通需求，供方案仿真评价使用。

5.5.3 检测器设置

设置检测器的目的在于获取不同方案的评价指标数据，用于方案比较和择优。该方案中检测器设置位置如图7所示。

图7 检测器设置位置界面图

5.6 仿真过程及结果输出

分别对正常状况(不封闭G30奎屯西—奎屯路段车道)、方案一(封闭半幅道路)和方案二(封闭单向1条车道)条件下区域交通运行情况进行仿真，输出灾害路段(G30)的交通运行指标作为方案比选评价指标，结果如表1所示。

表1 不同情形下G30的交通参数(评价指标)对比

从表1可知：与正常状态相比，方案一和方案二的实施都带来了G30通行交通量和平均运行车速的降低，方案一的交通量降幅较大(1.37%)，方案二的平均运行车速降幅较大(26.93%)。

实际中，可基于评价指标计算结果，综合安全性、高效性，以及交通组织方案易实施性等多方面进行应急交通组织方案决策。

6 结论

针对目前直接面向公路应急交通组织方案研究较少的情况，笔者基于公路交通应急管理实际，提出了包括启动应急预案、制定初步交通组织方案和方案评估与优化等环节的公路应急交通组织方案生成流程，并形成了气象灾害和地质灾害两种典型灾害类型下的交通组织方案；同时，根据公路交通应急不可预测和不可重复的特点，提出了利用交通仿真技术构建方案评估平台的建议。通过对新疆区域路网夏季洪水水毁灾害条件下的交通组织方案生成过程进行实际应用，验证了所提方案生成流程的合理性及基于TransModeler交通仿真技术进行方案评估的可行性，可为我国公路应急交通组织方案的科学制定和高效生成提供一定的技术支持。

[1] DUNN C E，NEWTON D. Optimal routes in GIS and emergency planning applications[J]. Area, 1992，24(3)：259-267.

[2] YAMADA T. A network flow approach to a city emergency evacuation planning[J]. International Journal of Systems Science，1996，27(10)：931-936.

[3] OREMS. Maryland capital region transportation emergency management plan[R]. Maryland: Daniel Consultants Inc，2003.

[4] 陈艳艳，史建港，洪锋,等.北京奥运交通组织规划初探[J].城市规划汇刊，2003(5)：63-67.

[5] 黄进堂，刘俊，贺磊,等.沪宁高速公路扩建工程施工期间交通组织的经验浅谈[J].交通与运输(学术版)，2008(1)：25-27.

[6] 王长君,方守恩,李瑞敏,等.高速公路网应急交通组织技术[M].上海：同济大学出版社，2011：36-52.

[7] 交通运输部.关于印发《公路交通突发事件应急预案》的通知[EB/OL]. [2015-03-14].http://www.moc.gov.cn/zhuzhan/zhengwugonggao/jiaotongbu/gongluguanli/200906/t20090602_586878.html.

[8] 毛保华，杨肇夏，陈海波.道路交通仿真技术与系统研发[J].北京交通大学学报，2002，26(5)：37-46.

[9] 臧志刚，陆锋，李海峰,等.7种微观交通仿真系统的性能评价与比较研究[J].交通与计算机，2007,25(1)：66-70.

[10] 姜桂艳，郭海锋，孟志强.基于实时信息的城市道路交通状态评价指标体系研究[J].交通与计算机，2007,25(5)：21-24.

[11] 刘娜，曹剑东，于丹阳.灾害条件下公路交通应急组织与优化调度辅助决策支持系统[R].北京：交通运输部科学研究院，2012.

LIU Na:Engineer; China Academy of Transportation Sciences, Beijing 100029, China.

[编辑：王志全]

Scheme Generation and Simulation Evaluation of Highway Traffic Organization under Emergency

LIUNa,ZHANGAomuhan,ZHANGPing

There is scare study directly on the traffic organization under emergency. The current situation of highway emergency management in China was taken as basis and the generation process of highway traffic organization under emergency was proposed. Furthermore, taking it as the main line, specific study was made on the two key points, namely initial scheme development and the scheme evaluation. The corresponding traffic organization schemes respectively for the meteorological disasters situation and geological disasters situation were formed; and the suggestion of taking advantage of traffic simulation technology to build the evaluation platform was put forward. At last, taking the triangle area constituted by Urumqi, Kuitun and Karamay in Xinjiang as the demonstration area, the empirical research on the scheme generation and simulation evaluation of highway traffic organization under water hazards was made and the result proved the rationality and feasibility of the research.

highway emergency; traffic organization; generation process; simulation evaluation

2015-03-14.

刘娜(1981-)，女，河北廊坊人，交通运输部科学研究院工程师.

交通部西部交通建设科技基金资助项目(200931822089).

2095-3852(2015)05-0621-05

A

U492

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.021