高密度流状态下客货分离行驶提升行车效率及安全仿真分析

林子超,张家龙

（山东省交通规划设计院集团有限公司,山东 济南 250014）

0 引言

影响车流效率与安全的因素有三个：（1）道路条件；（2）载重车辆类型及其比例；（3）驾驶员特性。根据国内外研究[1-3]发现，货车对交通流的影响远大于折算成小客车后产生的影响，且会在一定程度上影响其他车辆驾驶员。因此在不改变道路条件和驾驶员群体的条件下，如何降低货车对交通流的影响显得尤为重要。目前客货分离在高速公路上的应用较为普遍。国内外学者也已经逐步开展相关研究[4-6]，并对实施后效果进行评价，而对于高密度流的实施效果分析较为匮乏。

该文依托相关项目，收集高速公路正常情况下的交通流数据，利用微观仿真软件可视性强、可重复模拟与成本低的优点，对于高密度交通流进行模拟研究，从而得到实际情况下难以收集的交通流数据并进行分析研究，为提升高速公路通行效率与安全提供建议。

1 仿真软件的选取

交通仿真是一种模拟交通流随时、空间变化的技术，具有直观性、准确性与灵活性的优点，可以高效地模拟道路交通流，运用交通仿真软件对微观层面上的交通问题进行模拟仿真，可以得到较为准确的交通流数据[7]。因此，相关部门与科技研究人员加大了对仿真软件的研究力度，并推出侧重宏观、中观和微观三个层次的仿真软件。

该文研究高密度流条件下，客货分离对于交通流的影响，评价指标采用平均速度、旅行时间与换道次数等，因此微观仿真软件符合研究需求。目前，得到国内外学者认同的主流微观交通仿真软件包括Vissim、SimTraffic、Corsim、Paramics、AIMSUM 等[8]。

Vissim是多目标的仿真软件，具有灵活的模块功能，可以仿真车辆感应信号控制、车道配置和路口几何条件、市区道路港湾式停车站、高速公路交织最优车道组合设置等。同时，Vissim是一款包含交通情景的交通模拟器，Vissim相比其他微观仿真软件具有更强大的细节建模能力，能够胜任该研究的建模工作，且Vissim在路网描述、车道描述、通信功能、车辆驾驶模型方面的功能特点更符合该研究的需求。

2 仿真环境校正

在利用仿真软件模拟交通流前，需要根据采集的交通流数据对Vissim中的车辆模块与驾驶员模块进行参数校正，保证仿真效果真实有效。

2.1 交通流数据采集

交通流数据采集是为仿真环境的建立提供数据支持。该文研究的是高密度流下客货分离交通流特征，在数据调查时应选取短时间内产生大量交通甚至产生拥堵的时间段。因此，选取节假日期间高峰小时作为采集时间段，采集高速公路拥堵状态下的交通流数据。该次研究在山东高速公路上完成数据采集工作，采集地点包括济南南互通立交段、青银高速唐王立交段、济南绕城高速港沟枢纽立交段等。采集仪器选用NANO-L型道路激光分型测量仪，此仪器具有高精度、体积小、便携、布设方便且对驾驶员干扰较小的特点，测量的数据可信度高。该仪器获取的断面车流数据包括车型、车辆速度与车头时距等，为仿真环境监理提供数据支持。

2.2 车型校正

车型标定包括小客车与货车车型校正。分析收集的数据，并且在调查中随机选取了7 633个小客车数据，对车长统计分析，确定小客车车长分布区间，分布直方图如图1所示，小客车车长分布基本处于（3.9，4.5]区间内。小客车车长选用4.0 m、4.2 m、4.4 m三个数值作校正值，并且在仿真软件中按比例输入。研究表明，保持最低舒适性的小客车宽度应接近2 m，而大于2 m不利于泊车与驾驶，因此仿真实验取用宽度2 m作为标准值。

图1 小客车车长区间分布

根据市场调研，中型与重型卡车是卡车主力车型，且在未来会保持一定量的增长。其中，EQ-140东风卡车为我国道路规范研究使用的代表车型，车长6.91 m，车宽2.47 m，载重总重12.6 t，总功率117 kW，比功率为9.3 kW/t。重型卡车具有代表性的车型为由东风天龙牵引车DFL4251A9+罐式半挂东岳CSQ9401GYY组合的6轴铰接列车，该组合车型车长12 m，车宽2.5 m，整备质量为8.5 t，准牵引总质量为40 t，发动机最大功率250 kW，比功率为5.2 kW/t。因此，此次仿真选取EQ-140东风卡车与东风天龙牵引车DFL4251A9+罐式半挂东岳CSQ9401GYY组合的6轴铰接列车作为货车代表车型。

2.3 驾驶员模型校正

驾驶员模型校正包括驾驶员参数敏感性分析与参数取值。在Vissim软件中驾驶员参数包括跟车变量、停车间距、车头时距、进入跟车状态的阈值、消极跟车状态的阈值、积极跟车状态的阈值、观察到的车辆，应依次进行敏感性分析。

跟车变量（cc2）是仿真软件中前后车的纵向摆动约束，是指在后车有意识地接近前车之前，后车驾驶员所允许的车辆间距大于目标安全距离的部分，仿真模拟取值为：1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m。以15 min为一次仿真段，进行6次试验，将不同取值模拟出的平均速度整理如表1。为了提高分析的准确性，将数据保留至小数点后三位。

表1 车辆平均速度 /（km/h）

使用SPSS数据分析软件对仿真得到的平均速度进行方差分析，通过方差分析可以得出，跟车变量对于平均速度具有显著影响（p=0.274>0.05）。

通过上述方式一次检验停车间距、车头时距、进入跟车状态的阈值、消极跟车状态的阈值、积极跟车状态的阈值、观察到的车辆参数，依次得出的p值为：0.979，0，0.967，0.8，0.906。在仿真中，以平均速度为评价指标时，对于输出结果具有敏感性的基本参数为停车间距、车头时距。

敏感性参数选取停车间距与车头时距，每个参数选取三个水平值组合实验，共需要9次，待标定参数水平因素表见表2。

表2 A和B待标定参数水平因素表

为了直观地比较不同水平值组合效果，实验将定义Vsrab（Velocity of simulated result）为AaBb组合下的仿真实验输出值，定义Vmr（Velocity of measuring result）为实测平均速度值，其取值为73.65 km/h，建立目标函数见式1：

经计算，当在车头时距取值1.2、跟车变量取4的参数组合下，其仿真结果最优。

3 客货分离效果的仿真分析

3.1 仿真实验设计

为了充分比较不同交通量、客货比、限制车道数条件下客货分离的应用效果，该次仿真将搭建双向四与六车道高速公路路段，同时设置对照组，具体实施情况图2。

图2 客货分离方案设计

3.2 客货分离效果评价

该文研究高密度流条件下，高速公路实施客货分离方案后的效果，需要从行车效率与行车安全两个方面进行评价。Vissim软件可以输出多项指标值，包括平均速度、旅行时间、排队长度与延误时间。该次研究需要从宏观上把握整个交通流特征，不考虑微观指标。因此，采用平均速度作为评价指标；在安全方面，选用换道次数作为评价指标。

通过运行仿真软件，得出结果整理如图3、图4。

图3 平均速度

图4 换道次数

双向四车道高速公路，采取客货分离措施后，交通流平均速度较未实施前呈上升趋势，且提升的值随着交通量与货车比例的提升逐渐提高，换道次数明显降低。换道次数随着交通量的提升呈现出先增加后减少的趋势，分析认为，随着交通量的增加，道路上车辆间的间隙减少，导致车辆换道次数减少。

对于双向六车道高速公路，采取客货分离措施后，交通流平均速度较未实施前呈上升趋势，实施效果上内侧两条车道禁止货车驶入的效果要更明显，同时该方案换道次数明显降低。换道次数随着交通量的提升呈现出先增加后减少的趋势，分析认为，随着交通量的增加,道路上车辆间的间隙减少，导致车辆换道次数减少。

4 结论与展望

从仿真结果来看，对于双四与双六车道，实施客货分离，限制货车驶入内侧车道可以有效地改善高密度流状态下的通行效率与安全问题。

该次研究力求逻辑严谨与方法科学，以得到有说服力的交通流数据，为快速的疏散高密度交通流提供依据，但是受数据采集与软件功能的限制，该次研究有其局限性，以后的研究可以从以下几个方面考虑：

（1）细化高速公路出入口特征段。

（2）调整货车比例、路段车道数、客车与货车的类型等，以增大适用范围。

（3）研究客车与货车在不同服从率下的交通流特征。