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丘建栋:高强度交通走廊双层立体扩容设计优化仿真技术

2022-05-25

来源 : 赛文交通网

作者 : 丘建栋

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编者按:近日,在赛文交通网和中国仿真学会交通建模与仿真专业委员会联合主办的“道路交通仿真技术在交通领域的实践应用探索”线上研讨会中,深圳市城市交通规划设计研究中心(以下简称深城交)交通信息与模型院院长丘建栋作了《高强度交通走廊双层立体扩容设计优化仿真技术研究》报告。

该报告以深圳机荷高速立体改扩建工程为例进行了深入分析。介绍了高强度交通走廊改扩建项目工程背景,并对工程难点进行剖析;创新地提出了地面层+立体层复合的扩容模式;提出了综合运用大数据、交通模型与仿真、驾驶模拟等关键技术,搭建高可信交通推演评估分析平台;最后,介绍了该应用目前的成效与推广。

一、工程概况

深圳机荷高速立体改扩建工程是深城交受深圳高速公路股份有限公司委托承建的具有极强的创新性及前瞻性的项目,国内外无成熟经验可以直接借鉴。作为高强度的交通走廊,机荷高速的改扩建面对众多难点,工程创新性采用立体复合高速公路空间分层的设计理念,但随之更多交通运行效率及安全的挑战也接踵而至。

背景1:机荷高速是粤港澳大湾区东西两岸最核心通道,承载过境长距离、城市集散中短距离双重功能

第一,机荷高速是西起广深高速鹤洲立交、对接深中通道,向东连接惠州、深汕合作区等粤东地区。

第二,机荷高速是国高网沈海高速(G15)的重要组成部分、粤港澳大湾区最便捷的东西向交通动脉、深圳市二圈层唯一贯通的快速通道。

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背景2:机荷高速公路现状交通拥堵常态化,改扩建势在必行

第一,机荷高速公路是双向六车道标准建设,东、西两段分别于1997年及1999年建成通车。

第二,机荷高速公路全线共设立交13处(不含鹤州互通),衔接沿线高速公路及城市干道。

第三,机荷高速公路最高断面交通量超过15万pcu/日,呈常态化拥堵状态,亟需实施改扩建。

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 背景3:高强度交通走廊改扩建项目面临诸多难点

第一,机荷高速公路交通量巨大,预测未来年断面交通量超过20万pcu/日。

第二,改扩建限制因素众多,沿线产业密布、各类保护区密集、穿越铁路及道路众多、管线长距离并行。

第三,城市景观要求高,沿线穿越深圳市多个行政区(宝安区、龙华区、龙岗区)核心区域及自然环境敏感区域,对改扩建工程与城市景观和谐要求极高。

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方案1:地面层+立体层复合的扩容模式

第一,地面层(城市高速),6改8车道,设计时速100km/h,承担中、短距离及城市组团交通功能。

第二,立体层(国家高速),新建双向8车道,设计时速120km/h,承担长距离及过境交通功能。

第三,线路总长约 43 km,总投资约 500亿元。

第四,立体层紧靠地面层,节约建设用地75%,为高度城市化地区高速公路扩容新方式。

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方案2:立交设置

第一,地面层:改建+新建立交14处,衔接城市干道;立体层:新建立交4处,衔接高速路网。

第二,“一接二”立交3处,与机荷双层均形成枢纽转换;上下匝道3组6对,实现上下层车流转换。

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工程难点:

立体扩容的设计思路属国内首创,可以有效增加机荷高速的通行能力,但交通量巨大、立交节点密集、空间分层的创新形式带来了交通组织高度复杂、交通运行安全隐患等诸多问题。

第一,上下层通道超宽断面布局的确定依赖于交通量的准确分析与预测。

第二,高密度小间距的复合式互通立交群,其交通组织流线高度复杂,交通运行效率与安全难以保证。

第三,双层复合式互通立交存在短距离连续四次分流,驾驶员视认交通标志后决策难度极大。

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研究思路:“数据-平台-应用”

针对机荷高速立体改扩建的关键问题,综合运用大数据、交通模型与仿真、驾驶模拟等关键技术,搭建高可信交通推演评估分析平台,实现面向工程建设全过程的交通综合评估应用。

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二、仿真平台构建

深圳是国内最早建立交通模型仿真的城市之一,深城交拥有体系完备、技术先进的交通模型仿真技术——多层次交通模型,建立覆盖宏-中-微观维度、涵盖交通-用地-环境-安全-经济等领域的交通模型体系,开展“事前-事中-事后”全流程评估与方案及时检视,精细、深度地支持交通政策、规划、设计、建设、管理决策。

结合深厚的技术沉淀和前沿的创新理念,技术团队自主研发了面向立体复合高速公路的多层次、一体化推演评估分析平台。

第一,融合多源交通数据精准研判现状运行特征。

通过融合多时段、大空间、多模式的多源交通数据,研究超大规模高速路网空间范围下车辆个体的出行活动轨迹,深度挖掘分时段、分车型、分路段的交通流运行特征与驾驶行为特征,为高可信度推演评估平台构建提供数据底座。

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第二,搭建驾驶模拟仿真平台提取立体复合空间下驾驶行为特征。

依托8自由度驾驶模拟器,融合高速公路基础设施、交通标志、地貌地形等关键要素,搭建立体复合高速公路驾驶场景,研究立体复合驾驶空间下的驾驶行为特征。

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第三,结合BIM的三维场景微观交通仿真模型构建。

结合BIM,包括路面护栏、桥梁路灯、标志标线、周边建筑等,基于VISSIM交通仿真平台实现工程方案、三维场景、车辆运行动画的高度耦合,完成高逼真度的微观仿真三维可视化建模。

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第四,耦合大数据与驾驶模拟构建高可信度微观仿真平台

耦合大数据与驾驶模拟2大关键技术,数据融合、特征提取分析3大要素指标,完成56项超精细运行场景标定;通过开展大量的精细化参数标定工作,模型分析精度显著提升至90%以上,远高于传统标定方法。提取分析驾驶模拟场景中载重货车爬坡的行驶速度、加速度、行驶轨迹等特征指标,标定融入仿真模型的参数体系,在微观仿真平台中完整镜像还原真实的货车爬坡场景。

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三、评估分析应用

第一,依托宏观交通模型支撑工程技术标准评估比选。

通过不同情景测试结果的对比分析,对机荷高速改扩建方案的断面布局、设计速度、上下匝道布设等技术指标提出建议,支撑设计方案的评估比选。断面布局“8+8”的工程技术标准更适合机荷高速远景年交通需求变化。

第二,紧贴初步设计开展多方案评估比选。

基于高可信度的微观交通仿真平台,持续跟进初步设计方案的研究过程,从效率层面评估比选方案的优劣,并提出切实有效的评估建议,形成“方案-评估-建议-方案”的闭环反馈机制,为设计方案的迭代优化提供支撑。

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第三,基于驾驶模拟仿真开展交通安全、标志指引有效性评估

在既有工程标准规范及工程经验基础上,基于驾驶模拟仿真结合驾驶员主观感受与驾驶行为客观指标,面向部分接近标准规范的极限设计指标,系统辨识安全隐患。

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四、应用成效与推广

第一,研究成果获得交通运输部、广东省交通厅、深圳市交通局等领导一致认可,切实有效支撑了国内首条立体高速超级工程落地,目前工程详规、可研、初设均已顺利通过评审,进入施工建设阶段。

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第二,研究成果已持续应用于机荷高速改扩建工程施工建设,支持施工期交通组织方案测试及优化工作,将施工期机荷高速通行能力下降控制在10%以内,最大程度保障施工期通过性车辆及运营车辆的通行效率与安全。

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第三,项目输出一套指导重大交通建设项目的交通分析评估体系,实现技术、方法、模式的全国借鉴与推广。研究成果已陆续为深圳皇岗路地下超长隧道工程、南光高速市政化改造、福建省泉厦高速双层扩容工程等全国10余个重大项目提供了成功样板和方案。

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目前,交通模型仿真在国内的发展呈现国外厂商垄断局面,引入中国后也往往“水土不服”,应用效果有限。近年来,深城交深入推进规划设计与数字孪生仿真融合,依托数字化底座TP及数据模型体系,将大数据分析和模型仿真技术应用于“交通规划-工可-初设-施工图设计-施工期组织-智慧运营”全过程,支撑交通建设、综合治理及运营工作更加专业化、精细化、智能化。

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