基于VISSIM 仿真的高速公路隧道拥堵优化方案分析

■林启华

（福建省宁德高速公路有限公司，宁德 352100）

高速公路因其具有运行速度快、 通行能力大、运输效率高等特点， 使之成为当今一种新型的、具有巨大发展活力的现代运输手段。 近年来，随着人们物质和精神生活水平的不断提高，人们对于节假日旅行出行的需求大幅增长，道路交通流量急剧增加。 隧道作为高速公路的特殊路段，因其所处的环境因素较为复杂， 往往成为高速公路的瓶颈路段，拥堵现象日益严重[1]。 针对高速公路隧道拥堵学者们进行了相关研究，肖承凯[2]通过建立元胞自动机仿真模型模拟高速公路隧道拥堵，研究高速公路隧道拥堵的产生、传播和消散机理；赵树平[3]通过分析高速公路隧道拥堵成因，研究隧道拥堵的交通流特性，并针对隧道自身特性提出相关疏解方法；郝美英[4]通过分析高速公路隧道拥堵的内在联系和实际变化过程，提出一种基于隧道进出口车流量的隧道交通流量预警算法。 由于不同车型之间的车辆性能与运行特性差异显著，导致在特长隧道、隧道群等路段，小型车由于无法变道超车，需长时间跟随大型车慢速行驶，严重影响了高速公路隧道路段的运行效率，加剧了高速公路隧道拥堵。 因此，全国多地开展了隧道内允许超车的相关工作[5-6]。 从近几年的运行情况来看， 在隧道施划虚线允许小型车变道后，车辆通行效率明显提高，且没有出现事故多发的情况。 基于上述研究成果，本文以宁德市京台高速岗上上行隧道为研究对象，以提高道路通行能力为出发点， 提出车道分界线虚实线的优化方案，并运用VISSIM 仿真软件对不同情景状态下的研究对象进行仿真实验， 输出不同情景状态下的评价指标，以验证优化方案的可行性。

1 研究对象现况

本文的研究对象为宁德市京台高速岗上上行隧道，该隧道位于京台高速排头枢纽与闽清东桥互通之间，起点桩号为K1819+858，终点桩号为K1822+664，隧道长度为2806 m，双向四车道。 根据现状调查资料，该路段年平均日交通量为23578 pcu/d，节假日最高交通量为29900 pcu/d。 节假日期间，岗上隧道货车交通量占比约为17.9%。 排头枢纽主要技术指标如表1 所示，排头枢纽至岗上隧道附属设施概况如表2 所示。

表1 排头枢纽主要技术指标

表2 排头枢纽至岗上隧道附属设施概况

排头枢纽连接京台高速与政永高速，岗上隧道作为京台高速古田往福州方向连续隧道群的第一座隧道，与其间距小于1 km。 由于隧道与互通式立交出入口间距较小， 两股交通流在隧道入口前交织，车辆下意识减速，加上节假日高峰期交通量激增，极易在隧道入口附近诱发事故，且该路段为连续隧道群，隧道内无硬路肩且无法变道，隧道内行驶环境改变，容易造成追尾、刮蹭等交通事故，而一般隧道内简易事故处理不及时，易诱发隧道内二次事故，进而加剧隧道内的交通拥堵。 研究对象交通流向示意图如图1 所示。

图1 研究对象交通流向示意图

根据京台高速宁德段（宁德-福州方向）节假日期间的37 起典型交通事故数据， 该路段事故车辆类型主要为小型汽车，事故类型主要为追尾与碰撞事故，事故原因主要为驾驶员操作不当、未保持安全距离，事故时间主要集中在节假日最后一天。 因此， 岗上隧道拥堵表象为节假日拥堵和事故拥堵。岗上隧道典型交通事故统计如表3 所示。

表3 岗上隧道典型交通事故统计

2 优化方案

将隧道入洞口前150 m 至隧道出洞口后100 m 的原有车道分界线清除。 将入洞口前150 m至隧道内第1 个紧急停车带结束位置、 出洞口前500 m 至出洞后100 m 车道分界线重新施划实线，采用白色热熔点状结构雨夜反光标线。 将隧道内第1 个紧急停车带结束位置至出洞口前500 m 车道分界线施划虚实线，采用白色热熔点状结构雨夜反光标线。 研究对象标线设置如表4 所示，研究对象优化方案示意图如图2 所示。

图2 研究对象优化方案示意图

表4 研究对象标线设置

3 仿真分析

3.1 仿真建模

仿真软件选取由德国PTV 公司开发的VISSIM仿真建模工具，VISSIM 是目前拥有最大用户群体的微观交通仿真软件， 能够分析各种交通条件下（车道设置、交通构成、交通信号等）城市交通的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具[7]。 针对岗上隧道拥堵表象为节假日拥堵和事故拥堵，本文分别对研究对象的4 个情景开展仿真实验，4 个情景分别为情景Ⅰ（优化前节假日高峰期无事故仿真）、情景Ⅱ（优化前节假日高峰期事故仿真）、情景Ⅲ（优化后节假日高峰期无事故仿真）和情景Ⅳ（优化后节假日高峰期事故仿真），交通输入按照实际的交通流量和交通组成输入VISSIM 仿真模型。 仿真流程图如图3 所示。

图3 仿真流程图

3.2 隧道路段交通事故仿真实验

仿真路段选取隧道路段，交通事故发生点选在隧道入口处右侧车道， 假设事故持续时间为15 min，事故发生后15 min 内车辆仅允许走左侧车道。 由于VISSIM 仿真软件无法直接实现隧道路段交通事故的模拟， 本文采用Visual Studio 2012 接入VISSIM_COM 接口，采用VB 程序语言编写隧道路段交通事故仿真实验程序。 隧道路段交通事故仿真实验的设计思路在于获取隧道路段的车辆集合，判断该路段车辆的坐标点属性，当仿真时间及事故车辆的坐标点均满足设定的阈值时，事故车辆的期望速度降为0 km/h， 直到事故持续时间结束时，小型车恢复期望速度为80 km/h， 大型车恢复期望速度为60 km/h。 情景二仿真运行图如图4 所示，情景四仿真运行图如图5 所示。

图4 情景二仿真运行图

图5 情景四仿真运行图

从图4 和图5 可以看出，在未施划车道分界线虚实线前，当隧道路段发生交通事故时，事故车辆的后方车辆无法继续行驶。 在施划车道分界线虚实线后，当隧道路段发生交通事故时，事故车辆的后方车辆可以在判断变道环境安全后变换车道继续行驶。

3.3 仿真结果分析

本文选取通过车辆数作为输出评价指标，运用VISSIM 仿真软件对研究对象的4 种情景状态进行仿真实验，将仿真实验获得的4 组评价指标数据进行对比分析，情景Ⅰ通过车辆数为2581 veh/h、情景Ⅱ评通过车辆数为2122 veh/h、 情景Ⅲ通过车辆数为2786 veh/h、 情景Ⅳ通过车辆数为2450 veh/h，如图6 所示。 采用T 检验对仿真数据进行验证，T检验是用于检验某个变量的总体均值和某个指定值之间是否存在显著差异。 通过对仿真数据进行T检验发现实际样本均值和仿真数据没有显著统计学差异，表明所构建的仿真模型具有较高的真实性。

图6 不同情景状态下的评价指标数据对比

通过对比情景Ⅰ和情景Ⅱ，通过车辆数由2581 veh/h 降至2122 veh/h， 说明由于隧道事故使路段的通过车辆数减少了459 辆。通过对比情景Ⅰ和情景Ⅲ，通过车辆数由2581 veh/h 增至2786 veh/h，说明在施划车道分界线虚实线后，路段通行能力提高，原因为小型车的期望速度高于大型车，小型车可以在适当的位置完成变道超车。 通过对比情景Ⅱ和情景Ⅳ，通过车辆数由2122 veh/h 增至2450 veh/h，说明施划车道分界线虚实线能够提高隧道事故路段的通行能力。 通过对比情景Ⅲ和情景Ⅳ，通过车辆数由2786 veh/h 降至2450 veh/h， 说明在施划车道分界线虚实线后，由于隧道事故使路段的通过车辆数减少了336 辆， 相较于对比情景Ⅰ和情景Ⅱ，减少了123 辆。 说明施划车道分界线虚实线能够在一定程度上提高道路通行能力，增加通行效率。

4 结语

针对宁德市京台高速岗上上行隧道极易发生节假日拥堵和事故拥堵，本文提出车道分界线虚实线的优化方案， 运用VISSIM 软件分别对研究对象的4 种情景状态进行仿真实验，以通过的车辆数为评价指标， 探究优化方案对研究对象的优化效果。分析仿真结果得出研究结论：采用车道分界线虚实线的优化方案能够缓解隧道路段的节假日拥堵和事故拥堵，提高道路通行能力，研究成果可为同类型的高速公路隧道拥堵优化提供参考。 目前京台高速岗上上行隧道已调整设置车道分界线虚实线，根据京台高速岗上上行隧道标线优化的实施效果评估，车辆通行效率提高，隧道内交通事故减少，运行效果良好。 因此，在高速公路长隧道内设置车道分界线虚实线是可行的。

由于隧道拥堵优化是一项系统工程，除了本文提出的车道分界线虚实线优化方案外，还可优化排头枢纽福州方向的匝道合流方式，使双车道匝道先在匝道内合流，再汇入京台高速公路主线。 构建路段拥堵预警系统和路网诱导分流管理系统，实现对京台高速交通流量的监测、预警、诱导与管控。 完善交通工程设施，加强隧道洞口过渡段照明。