基于仿真冲突的高速公路交通事件限速值研究.doc

基于仿真冲突的高速公路交通事件限速值研究
杨宇，宋淑丽
（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）
【摘 要】研究高速公路交通事件下的交通冲突特性，确定合理的限速措施，对于保障高速公路安全、高效地运行具有重要作用。本文利用微观交通仿真软件Vissim和SSAM交通冲突分析模型，结合某一双向四车道高速公路，建立了交通事件下的高速公路仿真模型。分析了事件下的交通冲突特性，采用交通冲突数、交通冲突时间、平均排队长度等指标，研究了事件下不同限速方案对交通运行的影响，得到了事件下的优化限速值。
【关键词】交通事件；交通冲突；微观仿真；SSAM；限速
中图分类号： 文献标识码：A
Study on speed limit in condition of traffic incidents based on traffic conflict simulation
YANG Yu，SONG Shu-li
(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，
Tongji University，Shanghai 201804，China)
Abstract: The study on traffic conflict characteristics and reasonable speed limit in condition of traffic incidents plays an important role in ensuring the safety and efficiency of highway. In this article，combining with a certain double carriage highway，the microscopic simulation model of highway sections in condition of traffic incidents was built by VISSIM and SSAM(Surrogate Safety Assessment Model). Traffic conflict characteristics in condition of traffic incidents was analyzed，influence on traffic operation brought by different speed limits was studied. Finally，optimized speed limit in condition of traffic incidents was obtained.
Key words: traffic incident；traffic conflict；microscopic simulation；surrogate safety assessment model (SSAM)；speed limit

0 引言
高速公路交通事件是指任何一件偶发性的能引起车道通行能力减少或需求增加的非正常事件。例如事故、停滞、抛洒货物、公路维护、重建项目等。交通事件发生后往往占用一定的道路资源空间，造成车辆运行环境恶化，交通流紊乱，存在极大的安全隐患，成为事故易发区，因此对高速公路事件下的交通安全进行研究具有重要意义。
目前，道路安全评价方法分为直接评价和间接评价。其中，直接评价方法以交通事故统计为基础，方法简单，应用较广，但存在交通事故数量少，周期长，事故随机性大等特点。以交通冲突技术为代表的间接评价方法则克服了以上问题，它具有冲突数量多、周期短、可观测性强等优点，因此继其推出以来，在道路安全研究领域得到了广泛的应用。针对原先的人工观测交通冲突方法具有主观随意性较大、数据处理任务重等问题，美国FWHA开发了基于仿真软件的SSAM模型，通过对交通流的仿真分析，可以方便、快速地获取交通冲突数据。
高速公路事件的发生具有偶发性，事件下的交通事故资料不足。因此，本文利用基于VISSIM仿真软件的SSAM模型对事件下的高速公路交通冲突特性进行分析，并探讨了事件情况下合理限速值的确定。
1 交通冲突分析简介
1.1交通冲突概念
交通冲突是指可观测的情况下，两个或两个以上的道路使用者在时间上和空间上相互逼近，如果不采取相应的措施，将会有碰撞危险的现象。根据冲突的形成过程特点及机理，可将其分为基于点的冲突和基于线的冲突两种类型。
1.2 SSAM冲突分析模型
SSAM模型是美国FHWA开发的一种基于网格的冲突识别分析模型。它的主要分析指标有TTC（冲突发生时间）、PET（前后两车的车头时距）等，通过对交通仿真软件（如：VISSIM、AIMSUN等）所输出的车辆轨迹运行文件进行处理，结合各项冲突分析指标阈值，来判断交通冲突状态。在SSAM模型中，根据车辆冲突时的相对角度，将交通冲突分为：穿越冲突、追尾冲突、换道冲突。
2 仿真建模
2.1 参数的选取
选取国内某高速公路进行仿真，该高速公路为双向四车道，设计速度为100km/h，单车道宽度为3.75m，硬路肩宽度为2.5m。该高速公路交通流中小车与货车的比例约为6:4，高峰小时单向交通量为1500pcu/h，考虑到使用VISSIM仿真软件仿真路段的通行能力往往比实际要大，故将高峰小时模拟交通量设为1800pcu/h。发生在该高速公路上的交通事件一般为车辆抛锚、货物散落、车辆追尾等，事件的持续时间一般为30min~60min，仿真时考虑事件对交通安全的最不利影响，取事件持续事件为60min。对于交通冲突分析，设定SSAM模型的阈值，TTC∈[0，1.5]s，PET∈[0，5]s。
2.2 模型的构建
交通事件发生后往往占用一定的道路空间，对于单向二车道高速公路，事件一般占用硬路肩或者一车道，仿真中以事件占用外侧一车道的情况为研究对象。选取该高速某一长达2000m的直线无坡路段作为仿真路段，假设事件发生在路段中部，导致事发点附近外侧一车道无法通行。在事发路段及事发点上游100m处设置减速区，假设在事发点上游500m处发布限速措施，限速方案定为90~30km/h，以10km/h为调控间隔。为从交通安全和交通效率两方面对事件及事件下的限速对交通流的影响进行研究，在仿真文件输出中勾选“车辆轨迹记录文件”，以便SSAM模型的交通冲突分析；在事发路段设排队计数器，以平均排队长度作为交通效率的评价指标。仿真时间定为4200s，其中前600s作为预热时间，待交通流平稳后，开始记录仿真数据。为减小仿真过程的随机性，分5次进行仿真，每次均采用不同的种子数，最终结果为5次仿真的平均值。
对仿真输出数据进行整理分析，得到仿真实验的主要结果（见表1）：
表1 仿真实验主要结果
限速值（km/h）
冲突数目
追尾冲突
换道冲突
TTC(s)
平均排队长度（m）
正常情况
15
12
3
1.32
-
事件下不限速
133
114
19
1.02
161
事件下限速90
148
121
27
0.96
149
事件下限速80
113
96
17
0.99
123
事件下限速70
108
95
13
1.05
110
事件下限速60
89
78
11
1.08
92
事件下限速50
128
116
12
1.07
142
事件下限速40
138
123
15
1.05
158
事件下限速30
175
151
24
1.02
382
3 仿真实验结果分析
3.1 事件下的交通冲突特性
交通事件状态下，高速公路上的交通冲突数较之正常状态下大幅增多（表1），交通冲突的发生位置主要集中在事发路段的上游（图1）。交通冲突类型主要为追尾冲突和换道冲突，其中追尾冲突所占比例为80%~90%，换道冲突为10%~20%。
当高速公路发生交通事件时，交通事件点上、下游的交通流行为会有明显的改变。当交通事件发生在外侧车道，内侧车道可以通行车辆时，事发路段道路突然变窄，路段通行能力下降。该情形下，事件上游到达车辆将会降低行驶速度，严重时车辆停止，而事发车道上游到达车辆会减速并被迫变换车道至相邻车道避开交通事件发生地点。当车辆低速通过事件路段后，部分车辆将会驶入事件发生车道，所有车辆均会加速离去。因此，在事发路段上游将出现大量的制动停车和车道变换等车辆行为，从而导致追尾冲突和换道冲突频发。由于事发路段上游的到达车辆均有可能出现停车制动行为，而事件车道上的到达车辆才有可能出现强制换道行为，上游到达车辆的停车制动行为较换道行为更具普遍性，因此追尾冲突较之换道冲突所占比例较大。
注：空心圆代表追尾冲突，实心正方形代表换道冲突

图1 交通冲突空间位置分布
3.2 不同限速对交通冲突的影响
高速公路发生事件后，采取限速措施是保障事件路段交通安全的必要手段，适当的限速可以均衡车流的速度，减小速度方差，从而减少交通事故的发生。本文通过交通安全指标（交通冲突数和冲突发生时间TTC）和交通效率指标（平均排队长度）研究不同限速值对事件下交通流的影响。
根据事件下的路段仿真结果，可以发现，不同的限速方案对交通流的影响是不同的（图1、图2、图3），限速值过高或者过低均不能提高交通安全和交通效率。限速值过高，车通辆的车速变化范围大，车辆间的速度方差也较大，同时过高的限速降低了事发路段的通行能力；限速值过低，导致事发路段的通行能力大幅下降，形成严重的拥挤排队，车辆走走停停，停车制动和变换车道行为增加。过高或过低的限速值均导致较高的交通冲突数和平均排队长度、较短的交通冲突时间。因此，事件下的限速措施存在一个优化方案，合理的限速值可以保障交通流安全、高效地运行。本文仿真方案中的合理限速值为60km/h，相比于其他限速方案，其交通冲突数和平均排队长度最小，而交通冲突时间TTC最长。相比于无限速方案，交通冲突数减少了33%，交通冲突时间TTC增加了5.8%，平均排队长度减少了42.8%。

图2 限速值对交通冲突数的影响

图3 限速值对交通冲突时间TTC的影响

图4 限速值对平均排队长度的影响
4 结语与展望
本文利用仿真手段构建了双向四车道高速公路交通事件下的仿真模型，结合SSAM模型对交通事件下事发路段的交通冲突特性进行了定性和定量的分析。利用交通冲突数、交通冲突时间、平均排队长度等指标对事件下的限速值方案进行了研究，论证了存在一个可以确保事件下交通流安全、高效运行的优化限速值。
由于条件所限，以下问题还需进一步研究：首先，仿真环境同高速公路的实际运行环境是有所出入的，如：驾驶员对限速措施的实际遵守程度在仿真和实际中是有很大偏差的，需要对此研究以对仿真结果进行修正；其次，本文只对双向四车道高速公路、高峰小时流量、最长事故时间下的事件模型进行了研究，对于不同车道数、交通流量、事件持续时间等组合下的系统性研究还有待进行；再次，利用交通冲突技术研究事件下的高速公路交通安全时，本文对交通冲突判别指标如：TTC、PET等的取值采用模型默认值，默认值的适用性还需进一步研究。
参考文献
[1] 可列斯特·海顿[瑞典]．交通冲突技术[M]．张苏译．成都：西南交通大学出版社，1994.9：1-20
[2] 陈斌. 高速公路意外事件影响下的车辆行为模型与事件检测研究[D].西南交通大学博士学位论文，2005
[3] 吴新开，吴兵. 高速公路养护维修作业区行车速度控制方法探讨[J].公路，2004，7（7132-137
[4] Federal Highway Administration Office of Travel Management Traffic Incident Management Handbook November 2000[M]，2000
[5] Michael F. Trentacoste. Surrogate Safety Measures from Traffic Simulation Models [M]. U.S. Department of Transportation Federal Administration Research，Development，and Technology，2003.1：79-96

作者简介：
杨宇（1987-），男，汉族，同济大学硕士研究生在读，主要研究方向：道路交通安全。
通讯地址：上海市嘉定区曹安公路4800号同济大学15号楼129室
邮编：201804
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