基于VISSIM的高速公路虛擬應急車道建模研究

王艷紅, 劉 銅, 趙玉璽, 張 萌, 楊茜茜

(1.山東交通學院, 濟南 250000; 2.濟南卓倫智能交通技術有限公司, 濟南 250000;3.重慶市市政設計研究院有限公司浙江分公司, 杭州 310000)

高速公路具有車速快、流量大、封閉性強的特點,由于這些特點,也極易引起突發事件,導致高速公路通行能力下降,造成人員傷亡。相關統計表明,事故發生后60%的重傷員會在25 min內死亡,如果受傷人員超過30 min才能被治療,死亡的概率會更高[1],高速公路發生事故后,初期現場混亂,道路受阻,急救車很難及時或無法直接到達事故現場[2]。院前急救是否及時,直接關系到傷員救治的效果,因此縮短交通事故傷員院前救援時間至關重要。

目前,針對高速公路緊急救援方面,國內外學者展開了一些研究。例如,陳旭哲[3]依據高速公路資源配置性質和一定成本情況下救援效率最高作為目標函數,在考慮救援時間、資源需求、危險程度等參數下建立資源配置模型;趙琳娜等[4]首先確定事故點的應急需求,考慮救援時間、需求地點的布設特點,基于需求建立應急設施點選址模型;Liu等[5]以保障急救車的服務可靠性為前提,研究有限醫療車輛資源下的資源配置模型;Zhang等[6]利用不確定理論,建立不確定信息應急設施選址路徑模型,通過融合不確定性仿真與遺傳算法的智能算法驗證;尹陽等[7]應用熵權法和聚類分析法構建區域應急物資選址評價指標體系,通過改進引力模型確定應急物資儲備中心選址方案。上述學者從救援點選址和資源配置方面展開了研究。在確定救援資源需求及救援駐點選址的基礎上,進行高速公路應急資源的調度是高速公路應急救援系統的核心部分,例如,濮居一[8]根據事故路段擁擠對救援時間的影響,估計救援車輛延誤時間,基于總行程時間建立擁擠狀態下的應急資源調度模型,反映了交通流狀態對救援資源調度的實時影響;姚佼等[9]綜合考慮應急救援多目標調度和路徑規劃,提出了一種雙層規劃模型,上層模型主要考慮救援車輛的調度成本,下層模型主要考慮救援車輛的行程時間;方騰蛟[10]考慮救援時間緊迫性,以道路類型和成本作為節點權重,建立動態路網應急資源調度模型;Jie等[11]、王璐和朱寧[12]、李攀等[13]分別運用時變供需、事故預測模型,強化學習對動態應急調度模型進行了研究。

綜上所述,現有的研究主要針對應急救援駐點選址和應急資源調度進行了研究,并且高速公路應急救援中對臨時使用應急車道研究較少。例如,陳雅楠等[14]、劉強等[15]、幸警言等[16]對高速公路飽和路段動態開放應急車道進行研究,目前關于應急車道的研究主要集中在應急車道占用[17]、管控方面[18-19]。

本文首先闡述虛擬應急車道的定義及工作原理,研究虛擬應急車道的行車規則并劃分虛擬應急車道事故救援時間,將可變情報板的不同狀態賦予不同數值,建立單車道封閉、雙車道封閉、三車道封閉的虛擬應急車道控制策略模型,臨時使用高速公路應急車道,充分利用道路資源,最后借助VISSIM驗證模型的有效性。

1 虛擬應急車道工作原理

2019年全球產業展望(global industry vision, GIV)中提出虛擬應急車道的概念,通過C-V2X蜂窩車聯網技術來實現救援車輛和社會車輛的通信?；诘缆方煌ò踩鲃庸芾聿呗酝晟铺摂M應急車道的定義,虛擬應急車道是實時調整出的一條通道,與傳統應急車道相比,虛擬應急車道可根據事故路段的交通狀態進行調整,開啟虛擬應急車道時,入口匝道與事故點路段之間的傳統應急車道作為正常的行車道。事故上游路段車輛,通過龍門架的狀態,提前了解道路下游的交通狀態,對事故地點進行提前預警,以便駕駛員提高警惕,選取適當車速駕駛。

圖1 基于虛擬應急車道的事故緊急救援時間各階段劃分

虛擬應急車道的工作原理是依靠安裝在龍門架上的可變情報板對駕駛員進行信息提示,龍門架橫跨車道上方,每隔1 km設置一個,每條車道都有各自對應的可變情報板,救援車輛到達高速公路入口匝道時,虛擬應急車道開啟,此時高速公路上行駛車輛根據可變情報板顯示內容調整車道,保障救援車輛通行。應急救援車輛行駛至事故地點時,虛擬應急車道上可變情報板顯示狀態可分為換道、直行、處理事故三個階段。

(1)換道階段。救援車輛經過匝道已經到達高速公路入口處,從入口開始,可變情報板引導救援車輛1 km向快車道換道一次,直至行駛至事故車道為止,形成階梯狀行駛路徑。

(2)直行階段。完成換道后,救援車輛在事故車道直行至事故地點,實現精準救援,縮短救援時間。

(3)處理事故階段。救援車輛到達事故地點后,可變情報板關閉階梯狀行駛路徑,事故點前一個龍門架的可變情報板上事故所在車道依舊處于關閉狀態,防止二次交通事故的發生。

2 基于虛擬應急車道的高速公路行車規則模型

高速公路發生交通事故后,車輛在事故車道繼續行駛,在事故點前至少需要再換道一次,如車輛多,需要等待換道,形成排隊現象,設定開啟虛擬應急車道期間社會車輛的行車規則,可以使龍門架可變信息板的作用充分發揮,緩解社會車輛在事故點前臨時換道造成的擁堵。

設定行車規則如下:①在事故車道的車輛進行自主變道;②不在事故車道的車輛,不允許向事故所在車道變道。

根據以上行車規則,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為高速公路單向橫斷面數,m= 2,3,4;k為事故封閉車道數,k= 1,2,3;r為事故占用所有車道的最右側車道數;Lmx為具體的車道編號;Fl(m,k,r)為發生事故時禁止向左側變道車道編號;Fr(m.k,r)為發生事故時禁止向右側變道車道編號。特別的,當r=k時,Fr(m,k,r)不存在,此時事故發生在最左側車道,不存在禁止向右變道的車道。

3 虛擬應急車道控制策略模型建立

3.1 基于虛擬應急車道的緊急救援時間劃分

根據虛擬應急車道的工作原理,結合高速公路事故救援時間,將虛擬應急車道的緊急救援時間劃分為幾部分,如圖1所示。

圖1中:T1為事故發生到事故基本信息被救援人員獲取時間段;T2為救援人員啟動相應的救援預案到達事故現場所需時間;T3為救援人員到達現場施救受傷人員、清理事故的時間;T4為從事故處理完畢至恢復正常交通流狀態所需時間;T21為救援人員調度人員、聯絡相關部門至救援車輛到達入口匝道的時間;T22為救援車輛從入口匝道換道至事故車道時間;T23為救援車輛在事故車道直行時間段。

虛擬應急車道開啟前時間Tef為報案時間與救援車輛到達入口匝道時間和,即Tef=T1+T21。虛擬應急車道開啟時間段Teb為救援車輛從匝道口趕赴現場至救援人員現場施救與清理的時間和,即Teb=T22+T23+T3。

3.2 虛擬應急車道控制策略建模

在事故緊急救援不同時間段構建可變情報板的狀態矩陣,可變情報板的狀態通過不同數字來表示,各個可變情報板編號如圖2所示,本文研究區域為救援車輛上高速的入口匝道附近事故區域,且沒有出口匝道,圖中為N2′至Nn的范圍。

圖2 龍門架可變信息情報板編號

與事故點距離最近入口匝道對應的龍門架編號為N1;龍門架上可變情報板編號表示為Nix,如編號為N1的龍門架行2車道對應的可變情報板編號為N12。假設在矩陣中0表示車輛通行;1表示車輛禁止通行;2表示車輛限速通行;3表示所在車道前方發生事故,提醒后方來車注意及時換道通過;N12=2表示編號為N1的龍門架行2車道對應的可變信息板顯示限速通行。

3.2.1 單車道封閉控制策略模型

Nix代表N0至Nn龍門架上(m+1)×(n+1)個可變情報板對路段上車輛的信息提示狀態,構建一個(m+1) 行,(n+1)列的矩陣Φmr。

1)虛擬應急車道開啟前

虛擬應急車道開啟前,車道上的車輛正常通行,應急車道禁止通行,應急車道可變情報板狀態為Ni0=1,其余行車道Ni0=0,用Φ0表示如下:

(4)

2)換道階段

此階段,救援車輛經過匝道已經到達高速公路入口處,需要向事故所在車道變道P次,救援車輛行駛的車道禁止社會車輛通行,龍門架的可變情報板的狀態據此發生相應的變化,救援車輛行駛車道上可變情報板狀態為Nix=1,其余車道可變情報板狀態根據實時位置賦值。

Φmr-1=(a0,a1,…,an)(m+1)×(n+1)=

(a0,Ap,D,an)(m+1)×(n+1)

(5)

式中:Φmr-1為m條車道的高速公路關閉第r條車道時,換道階段N0～Nn龍門架上可變情報板的狀態矩陣;a0為龍門架N0的狀態向量;an為龍門架Nn的狀態向量;Ap為換道狀態矩陣;D為直行狀態矩陣。

其中,

Ap=(α1,α2,…,αp)=

(6)

(7)

矩陣Ap中αxj需滿足:

(8)

式中:x=1,2,…,(m+1); j=1,2,…,p。

矩陣D中,當n-p≥2時,有

(9)

αn中有

(10)

以雙向6車道,行2車道封閉為例,虛擬應急車道在換道階段的狀態矩陣為

Φ32-1=(α0,α1,…,αn-1,αn)=

(11)

3)直行階段

此階段救援車輛保持直行,為了讓社會車輛快速通過此路段,關閉換道矩陣中所有的禁止通行狀態,此階段社會車輛可在應急車道上行駛,龍門架可變情報板信息顯示矩陣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。

以雙向六車道行2車道封閉為例,虛擬應急車道直行階段的狀態矩陣為

Φ32-2=(β0,β1,β2,…,βn-2,βn-1,βn)=

(13)

3.2.2 雙車道封閉控制策略模型

1)換道階段

雙車道封閉的虛擬應急車道換道階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)直行階段

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 三車道封閉控制策略模型

三車道封閉控制策略模型僅適用于雙向八車道發生交通事故的情況。

1)換道階段

ηmr-1=(α0,α1,α2,…,αn-1,λn)=

(α0,Ap,D,λn)(m+1)×(n+1)

(16)

(17)

式中:α0、Ap與單車道封閉控制策略相同。

2)直行階段

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的虛擬應急車道的仿真

在VISSIM中搭建不同場景,仿真分為1組和2組,1組發生交通事故未設置虛擬應急車道,2組發生交通事故并設置有虛擬應急車道,通過仿真對比使用虛擬應急車道后各指標的優化程度,并比較封閉不同車道使用虛擬應急車道的效果。

4.1 仿真實驗設置

設置橫斷面數、V/C值、封閉車道數3種影響因素,常見的高速公路類型有雙向4車道、雙向6車道、雙向8車道,所以橫斷面數取2、3、4三個數值。高速公路各個服務水平對應的交通流狀態為:一級對應完全自由流狀態;二級對應相對自由流狀態;三級對應穩定流上半段;四級對應穩定流范圍下限;五級對應擁堵流上半段;六級對應擁堵流的下半段。結合實際情況,選取高速公路對應的前四個服務水平等級對應的最大V/C值,即自由流與穩定流狀態進行仿真。事故發生前的V/C值與事故發生后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為高速公路發生事故后,該路段的V/C值;k為事故封閉車道數;m為單向車道數。

4.2 虛擬應急車道對事故路段的通行影響分析

選取雙向4車道單車道封閉、雙向6車道雙車道封閉、雙向8車道3車道封閉3種事故導致車道封閉的情況仿真,選取社會車輛通過事故路段的平均行程時間、平均排隊長度、車輛平均延誤3個指標來評價虛擬應急車道的效果。

4.2.1 雙向4車道封閉單車道的影響分析

對行1車道發生交通事故與行2車道發生交通事故兩種情況進行仿真,得出不同服務水平下(V/C)各個指標效果,計算使用虛擬應急車道比未使用虛擬應急車道各個指標的優化程度,行1車道發生事故后平均行程時間(T1)、平均排隊長度(L1)、車輛平均延誤(D1)與行2車道發生事故后平均行程時間(T2)、平均排隊長度(L2)、車輛平均延誤(D2)的優化程度。

如圖3所示,在雙向4車道封閉單車道時,不同服務水平下使用虛擬應急車道均有明顯效果,行1車道發生交通事故后使用虛擬應急車道的效果比較好,這是因為與行2車道發生交通事故相比,行1車道發生交通事故對應急車道影響較小。當V/C=0.75時,使用虛擬應急車道后產生的效果最好,相比事故后沒有使用虛擬應急車道情況最大縮短40%的平均行程時間、85%的平均排隊長度、75%的車輛平均延誤。

圖3 雙向4車道單車道封閉優化程度

4.2.2 雙向6車道封閉雙車道的影響分析

對事故發生在行1車道和行2車道、行2車道和行3車道的情況進行仿真,計算使用虛擬應急車道與未使用虛擬應急車道各個指標的優化程度,行1車道和行2車道發生事故后平均行程時間(T1)、平均排隊長度(L1)、車輛平均延誤(D1)與行2車道和行3車道發生事故后平均行程時間(T2)、平均排隊長度(L2)、車輛平均延誤(D2)的優化程度。

如圖4所示,雙向6車道行2車道封閉時,在自由流與穩定流狀態下,使用虛擬應急車道能產生明顯的效果,平均行程時間與車輛平均延誤的優化程度,隨V/C的增大呈先增加后下降的趨勢,平均排隊長度的優化程度隨V/C的增大逐漸減小,且在V/C=0.55時產生的效果較好,最大縮短25%左右的平均行程時間、50%～60%的平均排隊長度、60%左右的車輛平均延誤,V/C=0.9時,優化程度最低,這是因為虛擬應急車道開啟,車輛雖然可以在應急車道通行,但是事故路段通行能力已經接近上限。

圖4 雙向六車道雙車道封閉優化程度

4.2.3 在雙向8車道封閉三車道的影響分析

對事故分別發生在行1車道行2車道和行3車道、行2車道行3車道和行4車道的情況仿真,計算使用虛擬應急車道與未使用虛擬應急車道各個指標的優化程度,行1車道行2車道和行3車道發生事故后平均行程時間(T1)、平均排隊長度(L1)、車輛平均延誤(D1)與行2車道行3車道行4車道發生事故后平均行程時間(T2)、平均排隊長度(L2)、車輛平均延誤(D2)的優化程度。

如圖5所示,雙向8車道在V/C=0.35、V/C=0.55開啟虛擬應急車道效果明顯,V/C=0.35時,3車道封閉事故使用虛擬應急車道效果最好,最大可以縮短20%的平均行程時間,減少70%～80%的平均排隊長度,減少60%左右的車輛平均延誤。

圖5 雙向8車道3車道封閉優化程度

5 結論

在高速公路應急救援中主要對應急資源進行研究,對臨時使用應急車道的研究較少,本文基于主動交通管理技術完善華為提出的虛擬應急車道的定義,通過對高速公路事故路段車輛的換道行為進行分析,對高速公路突發事件后使用應急車道情況下高速公路緊急救援時間劃分,構建了基于虛擬應急車道的控制策略模型。在虛擬應急車道開放期間,臨時使用應急車道,充分利用道路資源,VISSIM仿真模擬驗證了使用虛擬應急車道可以有效降低路段交通延誤,減少排隊長度和行程時間,雙向4車道單車道封閉時,V/C=0.75情況下使用虛擬應急車道效果好,最大可縮小75%的車輛平均延誤;雙向6車道雙車道封閉時,V/C=0.55的情況下,最大可以縮小60%的車輛平均延誤;雙向8車道3車道封閉時,V/C=0.35情況下,最大可以縮小60%的車輛平均延誤。仿真結果表明,高速公路發生交通事故后,在不同交通條件下使用虛擬應急車道效果不同,開啟虛擬應急車道進行緊急救援,可以縮短院前救援時間,提高事故救援效率。