基于VISSIM的高速公路虚拟应急车道建模研究

王艳红, 刘 铜, 赵玉玺, 张 萌, 杨茜茜

(1.山东交通学院, 济南 250000; 2.济南卓伦智能交通技术有限公司, 济南 250000;3.重庆市市政设计研究院有限公司浙江分公司, 杭州 310000)

高速公路具有车速快、流量大、封闭性强的特点,由于这些特点,也极易引起突发事件,导致高速公路通行能力下降,造成人员伤亡。相关统计表明,事故发生后60%的重伤员会在25 min内死亡,如果受伤人员超过30 min才能被治疗,死亡的概率会更高[1],高速公路发生事故后,初期现场混乱,道路受阻,急救车很难及时或无法直接到达事故现场[2]。院前急救是否及时,直接关系到伤员救治的效果,因此缩短交通事故伤员院前救援时间至关重要。

目前,针对高速公路紧急救援方面,国内外学者展开了一些研究。例如,陈旭哲[3]依据高速公路资源配置性质和一定成本情况下救援效率最高作为目标函数,在考虑救援时间、资源需求、危险程度等参数下建立资源配置模型;赵琳娜等[4]首先确定事故点的应急需求,考虑救援时间、需求地点的布设特点,基于需求建立应急设施点选址模型;Liu等[5]以保障急救车的服务可靠性为前提,研究有限医疗车辆资源下的资源配置模型;Zhang等[6]利用不确定理论,建立不确定信息应急设施选址路径模型,通过融合不确定性仿真与遗传算法的智能算法验证;尹阳等[7]应用熵权法和聚类分析法构建区域应急物资选址评价指标体系,通过改进引力模型确定应急物资储备中心选址方案。上述学者从救援点选址和资源配置方面展开了研究。在确定救援资源需求及救援驻点选址的基础上,进行高速公路应急资源的调度是高速公路应急救援系统的核心部分,例如,濮居一[8]根据事故路段拥挤对救援时间的影响,估计救援车辆延误时间,基于总行程时间建立拥挤状态下的应急资源调度模型,反映了交通流状态对救援资源调度的实时影响;姚佼等[9]综合考虑应急救援多目标调度和路径规划,提出了一种双层规划模型,上层模型主要考虑救援车辆的调度成本,下层模型主要考虑救援车辆的行程时间;方腾蛟[10]考虑救援时间紧迫性,以道路类型和成本作为节点权重,建立动态路网应急资源调度模型;Jie等[11]、王璐和朱宁[12]、李攀等[13]分别运用时变供需、事故预测模型,强化学习对动态应急调度模型进行了研究。

综上所述,现有的研究主要针对应急救援驻点选址和应急资源调度进行了研究,并且高速公路应急救援中对临时使用应急车道研究较少。例如,陈雅楠等[14]、刘强等[15]、幸警言等[16]对高速公路饱和路段动态开放应急车道进行研究,目前关于应急车道的研究主要集中在应急车道占用[17]、管控方面[18-19]。

本文首先阐述虚拟应急车道的定义及工作原理,研究虚拟应急车道的行车规则并划分虚拟应急车道事故救援时间,将可变情报板的不同状态赋予不同数值,建立单车道封闭、双车道封闭、三车道封闭的虚拟应急车道控制策略模型,临时使用高速公路应急车道,充分利用道路资源,最后借助VISSIM验证模型的有效性。

1 虚拟应急车道工作原理

2019年全球产业展望(global industry vision, GIV)中提出虚拟应急车道的概念,通过C-V2X蜂窝车联网技术来实现救援车辆和社会车辆的通信。基于道路交通安全主动管理策略完善虚拟应急车道的定义,虚拟应急车道是实时调整出的一条通道,与传统应急车道相比,虚拟应急车道可根据事故路段的交通状态进行调整,开启虚拟应急车道时,入口匝道与事故点路段之间的传统应急车道作为正常的行车道。事故上游路段车辆,通过龙门架的状态,提前了解道路下游的交通状态,对事故地点进行提前预警,以便驾驶员提高警惕,选取适当车速驾驶。

图1 基于虚拟应急车道的事故紧急救援时间各阶段划分

虚拟应急车道的工作原理是依靠安装在龙门架上的可变情报板对驾驶员进行信息提示,龙门架横跨车道上方,每隔1 km设置一个,每条车道都有各自对应的可变情报板,救援车辆到达高速公路入口匝道时,虚拟应急车道开启,此时高速公路上行驶车辆根据可变情报板显示内容调整车道,保障救援车辆通行。应急救援车辆行驶至事故地点时,虚拟应急车道上可变情报板显示状态可分为换道、直行、处理事故三个阶段。

(1)换道阶段。救援车辆经过匝道已经到达高速公路入口处,从入口开始,可变情报板引导救援车辆1 km向快车道换道一次,直至行驶至事故车道为止,形成阶梯状行驶路径。

(2)直行阶段。完成换道后,救援车辆在事故车道直行至事故地点,实现精准救援,缩短救援时间。

(3)处理事故阶段。救援车辆到达事故地点后,可变情报板关闭阶梯状行驶路径,事故点前一个龙门架的可变情报板上事故所在车道依旧处于关闭状态,防止二次交通事故的发生。

2 基于虚拟应急车道的高速公路行车规则模型

高速公路发生交通事故后,车辆在事故车道继续行驶,在事故点前至少需要再换道一次,如车辆多,需要等待换道,形成排队现象,设定开启虚拟应急车道期间社会车辆的行车规则,可以使龙门架可变信息板的作用充分发挥,缓解社会车辆在事故点前临时换道造成的拥堵。

设定行车规则如下:①在事故车道的车辆进行自主变道;②不在事故车道的车辆,不允许向事故所在车道变道。

根据以上行车规则,建立模型:

F(m,k,r)=Fl(m,k,r)∪Fr(m,k,r)

(1)

Fl(m,k,r)=Lm(r+1)

(2)

Fr(m,k,r)=Lm(r-k)

(3)

式中:m为高速公路单向横断面数,m= 2,3,4;k为事故封闭车道数,k= 1,2,3;r为事故占用所有车道的最右侧车道数;Lmx为具体的车道编号;Fl(m,k,r)为发生事故时禁止向左侧变道车道编号;Fr(m.k,r)为发生事故时禁止向右侧变道车道编号。特别的,当r=k时,Fr(m,k,r)不存在,此时事故发生在最左侧车道,不存在禁止向右变道的车道。

3 虚拟应急车道控制策略模型建立

3.1 基于虚拟应急车道的紧急救援时间划分

根据虚拟应急车道的工作原理,结合高速公路事故救援时间,将虚拟应急车道的紧急救援时间划分为几部分,如图1所示。

图1中:T1为事故发生到事故基本信息被救援人员获取时间段;T2为救援人员启动相应的救援预案到达事故现场所需时间;T3为救援人员到达现场施救受伤人员、清理事故的时间;T4为从事故处理完毕至恢复正常交通流状态所需时间;T21为救援人员调度人员、联络相关部门至救援车辆到达入口匝道的时间;T22为救援车辆从入口匝道换道至事故车道时间;T23为救援车辆在事故车道直行时间段。

虚拟应急车道开启前时间Tef为报案时间与救援车辆到达入口匝道时间和,即Tef=T1+T21。虚拟应急车道开启时间段Teb为救援车辆从匝道口赶赴现场至救援人员现场施救与清理的时间和,即Teb=T22+T23+T3。

3.2 虚拟应急车道控制策略建模

在事故紧急救援不同时间段构建可变情报板的状态矩阵,可变情报板的状态通过不同数字来表示,各个可变情报板编号如图2所示,本文研究区域为救援车辆上高速的入口匝道附近事故区域,且没有出口匝道,图中为N2′至Nn的范围。

图2 龙门架可变信息情报板编号

与事故点距离最近入口匝道对应的龙门架编号为N1;龙门架上可变情报板编号表示为Nix,如编号为N1的龙门架行2车道对应的可变情报板编号为N12。假设在矩阵中0表示车辆通行;1表示车辆禁止通行;2表示车辆限速通行;3表示所在车道前方发生事故,提醒后方来车注意及时换道通过;N12=2表示编号为N1的龙门架行2车道对应的可变信息板显示限速通行。

3.2.1 单车道封闭控制策略模型

Nix代表N0至Nn龙门架上(m+1)×(n+1)个可变情报板对路段上车辆的信息提示状态,构建一个(m+1) 行,(n+1)列的矩阵Φmr。

1)虚拟应急车道开启前

虚拟应急车道开启前,车道上的车辆正常通行,应急车道禁止通行,应急车道可变情报板状态为Ni0=1,其余行车道Ni0=0,用Φ0表示如下:

(4)

2)换道阶段

此阶段,救援车辆经过匝道已经到达高速公路入口处,需要向事故所在车道变道P次,救援车辆行驶的车道禁止社会车辆通行,龙门架的可变情报板的状态据此发生相应的变化,救援车辆行驶车道上可变情报板状态为Nix=1,其余车道可变情报板状态根据实时位置赋值。

Φmr-1=(a0,a1,…,an)(m+1)×(n+1)=

(a0,Ap,D,an)(m+1)×(n+1)

(5)

式中:Φmr-1为m条车道的高速公路关闭第r条车道时,换道阶段N0～Nn龙门架上可变情报板的状态矩阵;a0为龙门架N0的状态向量;an为龙门架Nn的状态向量;Ap为换道状态矩阵;D为直行状态矩阵。

其中,

Ap=(α1,α2,…,αp)=

(6)

(7)

矩阵Ap中αxj需满足:

(8)

式中:x=1,2,…,(m+1); j=1,2,…,p。

矩阵D中,当n-p≥2时,有

(9)

αn中有

(10)

以双向6车道,行2车道封闭为例,虚拟应急车道在换道阶段的状态矩阵为

Φ32-1=(α0,α1,…,αn-1,αn)=

(11)

3)直行阶段

此阶段救援车辆保持直行,为了让社会车辆快速通过此路段,关闭换道矩阵中所有的禁止通行状态,此阶段社会车辆可在应急车道上行驶,龙门架可变情报板信息显示矩阵Φmr-2如下:

Φmr-2=(β0,β1,…,βn)=(β0,βp,E,βn)(m+1)×(n+1)

(12)

其中,x=1,2,…,(m+1);j=1,2,…,p。

以双向六车道行2车道封闭为例,虚拟应急车道直行阶段的状态矩阵为

Φ32-2=(β0,β1,β2,…,βn-2,βn-1,βn)=

(13)

3.2.2 双车道封闭控制策略模型

1)换道阶段

双车道封闭的虚拟应急车道换道阶段的控制策略模型用Πmr-1表示。

Πmr-1=(α0,α1,α2,…,γn)=(α0,Ap,D,γn)(m+1)×(n+1)

(14)

2)直行阶段

Πmr-2=(β0,β1,β2,…,βn)=(β0,Bp,E,βn)(m+1)×(n+1)

(15)

其中,x=1,2,…,(m+1);j=1,2,…,p。

3.2.3 三车道封闭控制策略模型

三车道封闭控制策略模型仅适用于双向八车道发生交通事故的情况。

1)换道阶段

ηmr-1=(α0,α1,α2,…,αn-1,λn)=

(α0,Ap,D,λn)(m+1)×(n+1)

(16)

(17)

式中:α0、Ap与单车道封闭控制策略相同。

2)直行阶段

ηmr-2=(β0,β1,β2,…,βn-1,βn)=

(β0,βp,E,βn)(m+1)×(n+1)

(18)

其中,x=1,2,…,(m+1);j=1,2,…p。

4 基于VISSIM的虚拟应急车道的仿真

在VISSIM中搭建不同场景,仿真分为1组和2组,1组发生交通事故未设置虚拟应急车道,2组发生交通事故并设置有虚拟应急车道,通过仿真对比使用虚拟应急车道后各指标的优化程度,并比较封闭不同车道使用虚拟应急车道的效果。

4.1 仿真实验设置

设置横断面数、V/C值、封闭车道数3种影响因素,常见的高速公路类型有双向4车道、双向6车道、双向8车道,所以横断面数取2、3、4三个数值。高速公路各个服务水平对应的交通流状态为:一级对应完全自由流状态;二级对应相对自由流状态;三级对应稳定流上半段;四级对应稳定流范围下限;五级对应拥堵流上半段;六级对应拥堵流的下半段。结合实际情况,选取高速公路对应的前四个服务水平等级对应的最大V/C值,即自由流与稳定流状态进行仿真。事故发生前的V/C值与事故发生后V/C值不同,事故后的V/C值用(V/C)a[20]表示:

(19)

式中:(V/C)a为高速公路发生事故后,该路段的V/C值;k为事故封闭车道数;m为单向车道数。

4.2 虚拟应急车道对事故路段的通行影响分析

选取双向4车道单车道封闭、双向6车道双车道封闭、双向8车道3车道封闭3种事故导致车道封闭的情况仿真,选取社会车辆通过事故路段的平均行程时间、平均排队长度、车辆平均延误3个指标来评价虚拟应急车道的效果。

4.2.1 双向4车道封闭单车道的影响分析

对行1车道发生交通事故与行2车道发生交通事故两种情况进行仿真,得出不同服务水平下(V/C)各个指标效果,计算使用虚拟应急车道比未使用虚拟应急车道各个指标的优化程度,行1车道发生事故后平均行程时间(T1)、平均排队长度(L1)、车辆平均延误(D1)与行2车道发生事故后平均行程时间(T2)、平均排队长度(L2)、车辆平均延误(D2)的优化程度。

如图3所示,在双向4车道封闭单车道时,不同服务水平下使用虚拟应急车道均有明显效果,行1车道发生交通事故后使用虚拟应急车道的效果比较好,这是因为与行2车道发生交通事故相比,行1车道发生交通事故对应急车道影响较小。当V/C=0.75时,使用虚拟应急车道后产生的效果最好,相比事故后没有使用虚拟应急车道情况最大缩短40%的平均行程时间、85%的平均排队长度、75%的车辆平均延误。

图3 双向4车道单车道封闭优化程度

4.2.2 双向6车道封闭双车道的影响分析

对事故发生在行1车道和行2车道、行2车道和行3车道的情况进行仿真,计算使用虚拟应急车道与未使用虚拟应急车道各个指标的优化程度,行1车道和行2车道发生事故后平均行程时间(T1)、平均排队长度(L1)、车辆平均延误(D1)与行2车道和行3车道发生事故后平均行程时间(T2)、平均排队长度(L2)、车辆平均延误(D2)的优化程度。

如图4所示,双向6车道行2车道封闭时,在自由流与稳定流状态下,使用虚拟应急车道能产生明显的效果,平均行程时间与车辆平均延误的优化程度,随V/C的增大呈先增加后下降的趋势,平均排队长度的优化程度随V/C的增大逐渐减小,且在V/C=0.55时产生的效果较好,最大缩短25%左右的平均行程时间、50%～60%的平均排队长度、60%左右的车辆平均延误,V/C=0.9时,优化程度最低,这是因为虚拟应急车道开启,车辆虽然可以在应急车道通行,但是事故路段通行能力已经接近上限。

图4 双向六车道双车道封闭优化程度

4.2.3 在双向8车道封闭三车道的影响分析

对事故分别发生在行1车道行2车道和行3车道、行2车道行3车道和行4车道的情况仿真,计算使用虚拟应急车道与未使用虚拟应急车道各个指标的优化程度,行1车道行2车道和行3车道发生事故后平均行程时间(T1)、平均排队长度(L1)、车辆平均延误(D1)与行2车道行3车道行4车道发生事故后平均行程时间(T2)、平均排队长度(L2)、车辆平均延误(D2)的优化程度。

如图5所示,双向8车道在V/C=0.35、V/C=0.55开启虚拟应急车道效果明显,V/C=0.35时,3车道封闭事故使用虚拟应急车道效果最好,最大可以缩短20%的平均行程时间,减少70%～80%的平均排队长度,减少60%左右的车辆平均延误。

图5 双向8车道3车道封闭优化程度

5 结论

在高速公路应急救援中主要对应急资源进行研究,对临时使用应急车道的研究较少,本文基于主动交通管理技术完善华为提出的虚拟应急车道的定义,通过对高速公路事故路段车辆的换道行为进行分析,对高速公路突发事件后使用应急车道情况下高速公路紧急救援时间划分,构建了基于虚拟应急车道的控制策略模型。在虚拟应急车道开放期间,临时使用应急车道,充分利用道路资源,VISSIM仿真模拟验证了使用虚拟应急车道可以有效降低路段交通延误,减少排队长度和行程时间,双向4车道单车道封闭时,V/C=0.75情况下使用虚拟应急车道效果好,最大可缩小75%的车辆平均延误;双向6车道双车道封闭时,V/C=0.55的情况下,最大可以缩小60%的车辆平均延误;双向8车道3车道封闭时,V/C=0.35情况下,最大可以缩小60%的车辆平均延误。仿真结果表明,高速公路发生交通事故后,在不同交通条件下使用虚拟应急车道效果不同,开启虚拟应急车道进行紧急救援,可以缩短院前救援时间,提高事故救援效率。