可逆车道在城市道路交通事故应急疏导中应用研究

何雅琴 邓 霞

(武汉科技大学汽车与交通工程学院 武汉 430081)

0 引 言

随着城市化进程的加快和机动化水平的提高，车辆保有量增长迅速，城市交通事故的发生也日益频繁.交通事故不仅带来生命和财产的损失，也会对城市交通系统造成一定的负面影响.由于交通事故具有突发性和破坏性，如果事故点疏散不及时，将产生一系列连锁反应，并导致大面积的交通拥堵，甚至交通中断.因此，研究城市道路交通事故应急疏导对策，对于减少损失，快速恢复交通，具有重要的理论意义和现实价值.

目前，针对应急区域疏散以及潮汐交通采取的可变车道，作为一种新型交通组织方案被广泛应用于城市交叉口.国内外学者对可变车道的应用也进行了一定的研究，Waleczek等[1]对可逆车道系统进行了交通流和道路安全影响分析，认为可变车道系统是一种实用、安全的智能交通管理工具.Liz[2]对可变车道疏散应急的研究表明设置可变车道后，应急延误得到有效缓解.Wolshon等[3-4]在飓风灾害时，运用了疏散逆向车道设置.Wang等[5]使用仿真软件 DYNASMART提出容量再分派问题，分析研究应急疏散期间动态地控制车道逆向的策略问题.Bede等[6]指出可变车道能够在现有道路基础上很好地应对主要拥挤方向的交通量动态变化.张灿等[7]以交叉口进口道车道组的车均延误为优化目标，建立可变导向车道车均延误模型，并绘制出信号交叉口进口道可变导向车道功能属性改变的阈值曲线.张卫华等[8]利用可变车道设置效果评价模型得到道路设置可变车道的速度临界值，结合路段实时车辆行驶速度等交通流特征，可以较好的处理“潮汐交通”下道路拥堵问题.司倩倩[9]提出基于改进的最小费用流的逆向车道选择及基于失效概率和失效后果的模型分析，对路网中影响最大或节约路网费用最多的路段进行疏散逆向管制，为突发事件下应急交通网络组织管制提供疏散备选方案.蔡建荣等[10]以系统总出行时间最小为目标构建可变车道优化的混合整数双层规划模型，有效缓解了因潮汐现象所导致的交通拥堵和道路资源闲置并存的问题.

综上所述，国内外学者对可变车道的研究主要是应用于高速路、省道等公路网上的应急区域疏散，城市交叉口的潮汐交通，以及城市应急疏散网络中整条路段的逆向管制，而缺乏针对城市道路交通事故发生路段短时间内采取可变车道疏导交通的应用研究.可变车道是指可以随时根据交通流特征更改指示方向的车道，包括可逆车道和可变导向车道.可逆车道主要设置在路段上，可变导向车道主要设置在交叉口.可逆车道设置有利于提升道路利用率，另外由于临时设置也不会增大交通吸引[11-12]，从而可以缓解由于事故占道造成的交通拥堵，有利于快速恢复交通运行.基于此，文中针对城市路段交通事故，对可逆车道在应急疏导中的设置方案及适用性进行研究，以期为交通管理部门在交通事故发生后疏导交通提供一定的决策依据.

1 可逆车道设置条件

1.1 道路条件

城市路段设置应急可逆车道的道路条件为：①路段位于交叉口之间，假设不受两端交叉口的影响；②路段至少为双向3车道，且路中央无固定隔离带，便于可逆车道起终点位置的布设；③路段长度适中，以保证车辆安全快速的驶入和驶出.

1.2 交通条件

设置应急可逆车道的交通条件为：①路段发生突发交通事件并产生交通拥堵；②路段要有相对充分的通行能力，可借对向车道实现可逆车道的应急疏导；③事故反向车道和对向车道服务水平无特定要求，无潮汐现象也可；④可逆车道设置后，不形成新的交通瓶颈.

1.3 其他条件

应急可逆车道的设置需要交通警察和专业人员到场协助布设.设置原则应满足路段断面车均延误小于设置前断面车均延误原则，即疏导效率应大于0.

2 可逆车道设置方案

2.1 可逆车道长度

在事故路段进行应急可逆车道设置时，需要考虑该车道的长度.若车道过短，不利于车辆驶入驶出，从而疏导无效；若车道过长，不仅会影响对向车道进口道的车辆通行，增大对向车辆的通行延误，还会由于车道清空时间过长而与事故消散后的正常直行车形成冲突，导致二次事故发生.徐嫚谷[13]在城市主干道交通拥挤态势预测及评估研究中得到交通事故条件下车道占用对通行能力的折减系数，路段为双向6车道时事故占道三车道的系数为0.00、两车道为0.17、单车道为0.49.考虑事故占道情况、剩余通行能力和交通量不同导致排队长度不同，占道越多交通量越大剩余通行能力越小时排队长度越长，以资源节约型、不降低疏导效率和不影响对向车道进口道车辆通行为原则，本文提出应急可逆车道的长度应满足：

(1)

式中：L逆为万路段应急可逆车道的长度，m；L为事故发生后车辆排队长度，m；L1为路段上行驶车辆的最大长度，m；L2为事故点与上游交叉口的距离，m；φ为可逆车道长度折减系数，其中事故占单车道时为0.51，事故占两车道时为0.83，事故占三车道时为1.00.

2.2 可逆车道开闭时间

为满足应急可逆车道能有效安全的保证车辆疏散，并且不过多占用对向车道，需对车道使用时间有一定的规定.因该可逆车道需交警或专业人员的到场布设，则起点开启时间t应满足：

t>(t1，t2)

(2)

式中：t1为接警响应时间,考虑事故点与警局的距离、出警速度和天气环境等综合因素，一般为5～10 min；t2为开始排队时间，在不同交通量和不同事故占道情况下均表现不同，所以拟定应急可逆车道起点开启时间为5 min.因事故结束后车辆排队自行消散速度较快，拟定关闭时间为事故持续时间.

对向车道提前关闭对向行驶通道时间为

(3)

式中：t关为对向车道提前关闭时间，s；K为安全系数，可取1.0或1.2；v为对向车辆的平均速度，m/s，可通过实地测速取值.

对向车道开启时间(可逆车道清空时间)为

(4)

式中：t开为对向车道开启时间，s；K为安全系数，可取1.0或1.2；v′为最后一辆驶入可逆车道车辆的平均速度，m/s，可通过实地测速取值.

2.3 附属设施

根据应急疏散案例经验，当发生突发交通事件时应立即在距可逆车道开口处前50，100和150 m处分别设置临时应急标志和指示牌[14]，提示开口位置从而诱导车辆提前选择可逆车道进行疏导.为保证安全通行，应急可逆车道还需设置相应的隔离设施，以防止跟对向车辆发生冲突.除此之外，交警的现场控制也是可逆车道正常使用的关键.

3 可逆车道应用适应性分析

3.1 基于VISSIM可逆车道应用仿真

3.1.1事故背景假设

假定城市路网中一长度为0.78 km的双向6车道路段上发生一起两车追尾交通事故，该路段设计车速为40 km/h，中央无固定隔离设施，交通构成为：car0.92，bus0.06，HGV0.02.事故发生位置在距离上游交叉口520 m处，不考虑路段两端交叉口的影响，根据文献[15]事故持续时间为20 min.利用VISSIM仿真里面的停车场功能模拟交通事故的发生，信号灯控制可逆车道的开闭，即事故方向车辆在绿灯亮时可借对向车道1(从中心线向外侧，依次为车道1、车道2、车道3)进行应急疏导，此时可逆车道终点为红灯，禁止对向车辆使用该段车道，疏导车辆将绕过事故点驶回原始方向车道.仿真软件中调用车辆最长长度为11.54 m.本文分别模拟了事故占车道1、占车道1和车道2两车道场景(因事故占车道1、2、3时排队长度随持续时间增加势必会蔓延到上游交叉口，且剩余通行能力为0，若设置可逆车道会影响对向进口道车辆通行，这将违背设置原则，所以认为可逆车道不适用于该情况；事故占车道2、或占车道3、或占车道2和3时引起的车辆排队主要靠道路外侧，此时利用可逆车道进行疏导会导致各车道交通混乱，从而增加安全隐患和延误，后续将不予考虑其应用).仿真运行图见图1～2.

图1 事故占车道1时疏导效果图

图2 事故占车道1和车道2时疏导效果图

3.1.2考虑各级服务水平下不同交通量的可逆车道长度

可逆车道长度的设置与事故车辆排队长度和剩余通行能力相关，根据《城市道路设计规范》中一条车道通行能力建议值，取该路段一条车道通行能力为1 640 pcu/h[16].基于不同服务水平的V/C比，研究不同流量下的可逆车道长度，对应服务水平A～F级，可取流量分别为1 500，2 000/2 800，3 000/3 600，3 800/4 300，4 500/4 900，5 100 pcu/h，见表1.

表1 各级服务水平下交通量取值

基于VISSIM软件分别模拟了不同事故占道情况下，事故发生后5，20和60 min的平均排队长度(分别考虑可逆车道开启前车辆排队情况、事故持续时间内车辆排队情况和路段小时平均排队长度，分析各时间段流量和排队相关性).结果(见表2和表3)表明：事故占车道1和车道2两车道时交通量与事故发生后5 min的平均排队长度相关性最强，事故占车道1时交通量与事故发生后20 min时的平均排队长度相关性最强.所以事故占车道1和车道2时选取事故发生5 min后的排队长度为可逆车道长度设置依据，事故占车道1时选取事故发生20 min后的排队长度为可逆车道长度设置依据.

表2 事故占车道1和车道2各时间段排队长度

表3 事故占车道1各时间段排队长度

根据式(1)对各占道情况排队长度进行.

折减后得到最终各级服务水平交通量下的可逆车道设置长度.例：当事故占车道1，事故方向交通量为3 000 pcu/h，此时可逆车道不适用(22×0.51=11.22<仿真模型中调用车辆最大长度11.54 m)，可理解为车辆排队自发的消散速度较快；当事故占车道1和车道2，事故方向交通量为4 500 pcu/h，此时可逆车道长度设置为214 m(258×0.83=214.14)，最终统计结果见表4.

通过对可逆车道长度与交通量进行数据分析，见图3～4，得到以下关系式.

图3 事故占车道1和车道2的可逆车道长度模型

y12=-8E-09X3+8E-05X20.180 8X+116.17

R2=0.998 8

(5)

y1=-5E-12X4+4E-08X3-

4E-05X2-0.161 8X+237.11

R2=0.962 2

在水资源利用方面，河道能够在一定程度上调配水资源，实现对农业生产所需水资源的供给和满足农村居民生活用水需要。但随着水资源枯竭和污染等问题日益严重，河道的水资源调配功能大幅度降低，河道淤积问题在很多农村较为常见。这些趋势不利于农村发展和农村居民收入水平的提高。因此，农村河道整治工作十分必要。

(6)

式中：y1为事故占车道1时可逆车道长度，m；y12为事故占车道1和车道2时可逆车道长度，m；X为事故方向交通量，pcu/h；R为相关系数.

图4 事故占车道1的可逆车道长度模型

通过以上函数关系可类推事故条件下任意交通量对应的可逆车道长度，此时事故点为可逆车道终点位置，可逆车道长度对应的事故点上游位置为起点位置.

3.1.3可逆车道开闭时间设置

根据上述对可逆车道开闭时间的定义，即在事故发生300 s时可逆车道绿灯开放，事故发生1 200 s时车道起点红灯关闭.当对向车辆平均行驶速度为40 km/h，可逆车道长200 m，取安全系数1.2，则对向车道提前关闭时刻为第278 s(300-1.2×200/11.11).若最后一辆驶入可逆车道的车辆平均速度为40 km/h，则对向车道开启时刻为第1 222 s(1 200+1.2×200/11.11).

3.2 应急疏导效果评价

本文采用应急疏导效率指标来评价可逆车道实施的效果，应急疏导效率是指城市交通事故发生后设置可逆车道前后路段断面的车均延误差值百分比，为

(7)

eij=(Aij-Bij)/Aij×100%

(8)

Aij=(ai×i+bj×j)/(i+j)

(9)

(10)

ai为可逆车道设置前事故方向交通量为i时20 min的平均延误，s；bj为可逆车道设置前对向车道交通量为j时20 min的平均延误，s；ci为可逆车道设置后事故方向交通量为i时20 min的平均延误，s；dj为可逆车道设置后对向车道交通量为j时20 min的平均延误，s；i为事故方向车道交通量，pcu/h；j为对向车道小时交通量，pcu/h；M为事故占道情况；情况一为事故占车道1和车道2两车道、情况二为事故占车道1.

通过上述仿真运行，得到各方案疏导效果评价结果，统计见图5～6.

图5 事故占车道1和车道2时事故向和对向疏导效果

图6 事故占车道1时事故向和对向疏导效果

由图5～6可知：

1) 当事故方向交通量达到2 000 pcu/h以上,即B级服务水平以上应急可逆车道均适用.考虑为当交通量较少时产生排队的速度与消散速度相当，车辆可自发有序的快速通过事故段，不需要其他措施辅助.而当事故向交通量较少对向交通量较大时，利用可逆车道进行应急疏导反而加大对向车辆延误，导致断面车均延误增大，失去了缓解交通的意义.由图可知在对向车道服务水平为A级、事故向交通量为2 000 pcu/h时有最大疏导效率，断面车均延误减少51.65%.当对向交通量低于3 600 pcu/h时，疏导效果较好，且随对向交通量增大而减小.考虑为C级服务水平以内，事故向车辆可较好利用对向车道进行应急疏散，路段通行效率最大化.当对向交通量超过3 600 pcu/h，疏导效果减弱，但较事故占车道1的效果波动相对平稳.考虑为事故占两个车道时车辆排队主要通过可逆车道和车道3进行交通疏导，因此疏导效率比较稳定.

2) 事故方向交通量需达到3 000 pcu/h，即C级服务水平以上才适用.考虑为单车道事故情况产生的排队速度较慢，尤其是交通量较小时，排队车辆可自发有序的利用剩余车道通过事故段，此时无需借助对向车道进行应急疏导.在适用范围内，事故占车道1的疏导效率整体高于事故占车道1和车道2情况.当对向交通量低于3 600 pcu/h时，疏导效率随对向交通量增大而减小的趋势明显.考虑为对向车道交通压力较小时可有效地满足来自事故向的交通应急疏导需求，一旦对向车辆过多时可逆车道将影响对向通行效率，从而降低该路段通行效率.当事故向交通量为4 300 pcu/h、对向车道处于A级服务水平时有最大疏导效率，断面车均延误减少57.08%.此时排队车辆借助可逆车道和车道2、车道3进行应急疏导，所以车均延误减少更多疏导效率更高.

4 结 束 语

文中针对城市路段交通事故，对可逆车道在应急疏导中的应用进行了研究，对其设置条件、设置方案、基本参数等进行了新的定义，提出了应急疏导评价模型，并利用VISSIM仿真对可逆车道的适用性进行了评价分析，结果表明：对于事故占用车道1和车道2两车道，当事故向服务水平处于B级(2 000 pcu/h)，疏导效率最大；对于事故占用车道1时，在事故方向服务水平处于D级(4 300 pcu/h)时有最大疏导效率.本文以相关性最大原则选取相应排队长度作为可逆车道设置基础依据，综合考虑资源节约和合理性，通过长度折减获得了较好的仿真效果.同时建立了交通量与可逆车道长度的数学模型，并考虑事故占道情况对可逆车道应急疏导效率的影响.通过利用实测交通量等数据可计算出可逆车道设置方案的一系列参数，从而运用到实际路段上，这对快速解决城市交通事故引发的交通拥堵问题具有重要的现实意义.

本方案的不足之处在于：可逆车道的各项配套应急设施具有临时性，只能单次使用，同时必需交警到场协助指挥，不具有自发性；仿真过程中车道的开闭模拟利用信号灯控制会造成不可避免的排队现象，具有一定局限性，这与现实中人为智能选择不太相符；仿真模型建立在城市道路路段上，未考虑交叉口延误；可逆车道开口起点位置需手动设置，所以存在一定误差.