高速公路半幅單車道封閉作業(yè)區(qū)上游過渡區(qū)長度研究

雷進， 于春江， 趙福利

(安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088)

1 前言

在高速公路改擴建階段，為保證施工期間現(xiàn)有道路的通行基本不受干擾，改擴建工程常以單側(cè)或雙側(cè)分階段拼接的方式進行。然而，在具體施工過程中，部分路段會由于大型設(shè)備調(diào)度、作業(yè)高度增大等施工組織原因，可能會采取短時間限制硬路肩停車或半幅未全封閉等措施，來保證交通不會出現(xiàn)中斷。對于半幅未全封閉又分為內(nèi)側(cè)車道封閉和外側(cè)車道封閉兩種，其中內(nèi)側(cè)車道封閉形式適用于中心線偏移臨時雙向通車路段等，而外側(cè)車道封閉形式則適用于外側(cè)路基拼寬等情況。

當(dāng)采用半幅車道封閉時，半幅車道封閉施工段長度(圖1)一般分為警告區(qū)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)、終止區(qū)。其中上游過渡區(qū)是為防止車流在改變車道時發(fā)生突變，使車流的變化-緩和平緩而設(shè)置，由于半幅車道封閉后，路段通行能力的降低必定會使交通流運行受到影響，如造成車輛擁堵或交通事故等，因此需要確定合理施工區(qū)上游過渡區(qū)長度，以對車輛由全斷面至半幅斷面的平穩(wěn)過渡進行引導(dǎo)，避免車輛出現(xiàn)不合理的合流行為，影響路段通行效率。

圖1 半幅未全封閉施工作業(yè)區(qū)長度分段

國外規(guī)范或部分學(xué)者早期對上游過渡區(qū)長度做過一定的規(guī)定和研究。Stephanie等指出，應(yīng)該增加夜間工作區(qū)的上游過渡區(qū)長度，以減少潛在的碰撞事故；新加坡陸路運輸管理局(LTA)則不建議使用太長的過渡區(qū)長度，因為過渡區(qū)長度過長往往會導(dǎo)致緩慢駕駛從而增加交通延誤；美國統(tǒng)一交通管制設(shè)備手冊(MUCTD)規(guī)定，上游過渡區(qū)長度與車道變換所需寬度和路段車速有關(guān)，其長度Ls可按式(1)計算；由于巴基斯坦在作業(yè)區(qū)長度取值主要參考美國MUTCD規(guī)范，巴基斯坦學(xué)者Khan將主觀舒適度劃分為5級，對108名駕駛員展開了網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，研究當(dāng)美國MUTCD推薦的作業(yè)區(qū)上游過渡區(qū)長度值減少10%～40%(間隔10%)時參與者的主觀舒適度，并以上游過渡區(qū)長度減少25%作為巴基斯坦的推薦值，然而其研究并沒有考慮作業(yè)區(qū)車輛運行的安全性。

(1)

式中：S為養(yǎng)護維修工作區(qū)路段車速(mph)；W為所關(guān)閉車道的寬度(m)。

中國相關(guān)規(guī)范在計算上游過渡區(qū)長度時也借鑒和使用了美國MUTCD的計算公式。而中國也有不少學(xué)者對施工作業(yè)區(qū)上游過渡區(qū)長度進行了研究。Jinxian Weng認為，當(dāng)作業(yè)區(qū)上游過渡區(qū)長度過短將不利于行車安全，過長則會增加交通延誤，并利用避碰分析和理論計算的方法，在不同交通條件和道路幾何形狀下，分別計算了車道變換和緊急停車操縱的縱向距離，并選擇縱向車道變換距離與緊急停止距離之間的較高值被視為期望上游過渡區(qū)長度；MH Ding等借助VISSIM仿真技術(shù)，選取最小安全距離MSDE和行程時間分別作為安全性和流動性的衡量指標(biāo)，分別回歸出上游過渡區(qū)長度與上述兩個指標(biāo)的線性擬合關(guān)系式，并指出當(dāng)上游過渡區(qū)長度越長，安全性越高，而流動性幾乎不變；彭余華等同樣基于VISSIM仿真試驗，依托實際工程，在高速公路作業(yè)區(qū)限速為40 km/h并采用二次合流的半幅封閉形式時，以固定交通量輸入下單次仿真內(nèi)的車輛通過量為指標(biāo)，研究了上游過渡區(qū)長度與作業(yè)區(qū)車輛通過量之間的變化關(guān)系，并得出結(jié)論：當(dāng)上游過渡區(qū)長度取80 m時，作業(yè)區(qū)車輛通過量即通行能力最大；高雪鈺則是取VISSIM仿真試驗中上游過渡區(qū)和警告區(qū)末端的總沖突數(shù)為指標(biāo)，在統(tǒng)一交通量輸入值下，仿真出不同限速值下對應(yīng)沖突數(shù)最小的上游過渡區(qū)長度，最后再通過改變交通量，選取排隊長度為指標(biāo)對仿真所得上游過渡區(qū)長度進行驗證和優(yōu)化。由此可見，中國學(xué)者處于安全和運行效率考慮，大多采用VISSIM仿真并結(jié)合實際工程的方法對作業(yè)區(qū)半幅未全封閉的上游過渡區(qū)長度進行了研究，其中最主要的差別在于評價指標(biāo)的選取。

該文主要結(jié)合上述中國學(xué)者研究成果，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，并借助VISSIM仿真技術(shù)，以平均延誤D、停車次數(shù)S、行程時間T和平均速度V為指標(biāo)，依托安徽蕪合高速公路林頭至隴西段改建工程，在工程采取半幅單車道封閉作業(yè)區(qū)形式時，對單一限速條件，不同交通量和不同上游過渡區(qū)影響下作業(yè)區(qū)的通行效率進行研究。并結(jié)合工程交通現(xiàn)狀，推薦出工程作業(yè)區(qū)上游過渡區(qū)的合理長度。

2 建模過程

2.1 工程現(xiàn)狀

蕪合高速公路現(xiàn)為雙向四車道高速公路，設(shè)計速度為120 km/h，但近些年由于中國經(jīng)濟快速發(fā)展，客、貨運量及汽車保有量逐年大幅增長，部分路段(如林頭至隴西段)現(xiàn)有車道數(shù)已難以滿足該區(qū)域交通量增長的需要，因此需要對蕪合高速公路林頭至隴西段進行擴建處理，將原有的四車道擴建為雙向八車道。然而，在實際擴建過程中，部分路段由于中分帶需要施工，因而采用了半幅單車道封閉的作業(yè)區(qū)形式，使原有路段車流在運行至作業(yè)區(qū)時需要逐漸由雙車道過渡為單車道，此種作業(yè)區(qū)形式必然會對交通流造成影響。通過對已封閉的現(xiàn)場進行實地調(diào)查，得到在進入作業(yè)區(qū)警告區(qū)前的高峰交通量為2 234 pcu/h，在作業(yè)區(qū)段的限速為60 km/h，現(xiàn)場采用的上游過渡區(qū)長度為70 m，該交通現(xiàn)狀下車流常常出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，大大降低了作業(yè)區(qū)的通行效率。結(jié)合前述已有研究，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整上游過渡區(qū)長度有利于改善作業(yè)區(qū)交通擁堵情況。

理想情況下，應(yīng)在固定交通量下分別變換上游過渡區(qū)的長度，搜集實測數(shù)據(jù)，對改善前、后的數(shù)據(jù)進行比較分析，然而這在實際情況中很難做到，且需要花費大量的時間和成本。VISSIM仿真技術(shù)經(jīng)過40余年的發(fā)展，在交通流領(lǐng)域的應(yīng)用和研究中已有不少成果，其在交通流模擬中的準(zhǔn)確性也已得到認可，且利用VISSIM仿真技術(shù)可以節(jié)省大量的時間和成本。因此該文將借助VISSIM仿真軟件對該工程半幅單車道封閉作業(yè)區(qū)的上游過渡段的合理長度進行研究。

2.2 指標(biāo)計算

在進行VISSIM仿真試驗后，擬采用平均延誤D、停車次數(shù)S、行程時間T和平均速度V4個指標(biāo)來對作業(yè)區(qū)的上游過渡區(qū)長度進行研究。

平均延誤D為每輛車實際行程時間與期望行程時間差值之和的平均值，包括停車延誤和行程延誤，平均延誤的計算公式如式(2)所示：

(2)

停車次數(shù)S為通過檢測路段的所有車輛停車次數(shù)的平均值，其計算公式如式(3)所示：

(3)

式中：si為檢測路段內(nèi)測得的每輛車的停車次數(shù)(次/pcu)。

行程時間T為每輛車通過檢測路段所需時間的平均值，按式(4)計算：

(4)

式中：ti為每輛車通過檢測路段所需時間(s/pcu)。

平均速度V為所有車輛通過檢測路段的平均速度，其計算如式(5)所示：

(5)

式中：Lc為檢測路段長度(m)。

3 VISSIM仿真試驗

3.1 模型校準(zhǔn)

由于VISSIM是通過使用各種獨立的參數(shù)來對交通運行的實際情況以及交通流表現(xiàn)出的特征和駕駛員的駕駛行為進行的仿真模擬，因此，各種參數(shù)的取值將會對仿真結(jié)果的可信度產(chǎn)生很大影響。該文建立半幅單車道封閉作業(yè)區(qū)的VISSIM仿真模型如圖2所示。

圖2 半幅單車道封閉作業(yè)區(qū)的VISSIM仿真模型

在調(diào)查期間通過采集現(xiàn)場的交通量、行車速度以及幾何參數(shù)來對模型進行校準(zhǔn)，以提高VISSIM仿真試驗的精確度。該文通過將實測的小客車與貨車的比例、小客車與貨車的速度分布、作業(yè)區(qū)上游過渡區(qū)長度輸入VISSIM中進行仿真模擬，并使用平均絕對相對誤差MAPE來評價其仿真效果的準(zhǔn)確性。MAPE值越大，其仿真的可信度越低；反之仿真可信度越高。MAPE的計算公式如下：

(7)

通過交通仿真得到表1結(jié)果，MAPE=8.1%，在工程可接受范圍。

表1 Vissm仿真校準(zhǔn)結(jié)果

3.2 仿真試驗

該文關(guān)于VISSIM仿真試驗的說明如下：① 幾何參數(shù)：在對模型參數(shù)進行校準(zhǔn)使其更符合實際狀況后，該文結(jié)合相關(guān)規(guī)范以及工程實際狀況，將上游過渡區(qū)長度L分成(30、60、90、120、150 m)5組進行試驗；② 交通量：為研究不同交通量對作業(yè)區(qū)通行效率的影響，該文以雙車道基本通行能力為基準(zhǔn)，按一定的V/C比將交通量輸入值分為7組進行試驗，分組情況如表2所示；③ 交通組成：此次試驗交通車型主要為小客車和貨車兩種，車型比例為7∶3。④ 速度分布：根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對仿真試驗的速度分布進行校準(zhǔn)，在速度累積分布形式不變的情況下，不同車型的速度分布(最低速度，期望速度，單位：km/h)為：小客車(60,85)，貨車(60,75)；⑤ 檢測路段：為保證仿真試驗過程數(shù)據(jù)檢測的可比性，此次仿真試驗統(tǒng)一將上游過渡區(qū)起點上游400 m作為檢測路段起點，向下游延伸900 m作為作業(yè)區(qū)檢測路段，對數(shù)據(jù)進行采集。

表2 不同仿真交通量輸入值

4 數(shù)據(jù)采集及分析

通過將不同的上游過渡區(qū)長度與不同的交通量組合進行仿真試驗，獲得35組數(shù)據(jù)。提取結(jié)果中的平均延誤D、停車次數(shù)S、行程時間T和平均速度V4個指標(biāo)來對作業(yè)區(qū)的上游過渡區(qū)長度進行分析。其中，固定上游過渡區(qū)長度，上述指標(biāo)與交通量關(guān)系的仿真結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 不同上游過渡區(qū)長度下，車輛延誤平均值與交通量關(guān)系圖

圖4 不同上游過渡區(qū)長度下，停車次數(shù)與交通量關(guān)系圖

圖5 不同上游過渡區(qū)長度下，行程時間與交通量關(guān)系圖

圖6 不同上游過渡區(qū)長度下，平均速度與交通量關(guān)系圖

從圖3～6可看出：

(1) 隨著交通量的不斷增加，車輛延誤平均值D、行程時間T和停車次數(shù)S均不斷增加，而平均速度V則不斷降低，說明交通量的增加會降低作業(yè)區(qū)的通行效率。

(2) 車輛平均延誤值D、停車次數(shù)S以及平均速度V變化趨勢所對應(yīng)的交通量區(qū)間一致，交通量從1 500 pcu/h增至3 000 pcu/h時，車輛延誤平均值D、停車次數(shù)S均增長較快，平均速度V降低相對較大；而當(dāng)交通量從3 000 pcu/h增長至4 400 pcu/h時，三者變化相對較緩，說明交通量增長超過一定值時，對車輛延誤D、停車次數(shù)S及平均速度V影響會降低。

(3) 隨著交通量不斷增加，對應(yīng)的行駛相同距離所需的時間也不斷上升。對于低交通量階段，其行程時間T增長得較為緩慢。當(dāng)交通量增大到4 000 pcu/h以上時，行程時間T急劇增長。說明高交通量下改擴建路段對車輛的正常行駛影響較大。

固定交通量，單獨研究上游過渡區(qū)長度對交通運行的影響，結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 不同交通量下，車輛延誤平均值與上游過渡區(qū)長度關(guān)系圖

由圖7～10可知：

(1)行程時間T、停車次數(shù)S以及平均延誤D隨著上游過渡區(qū)長度的增加大體呈現(xiàn)相同的變化趨勢，因此可將三者一并進行分析。當(dāng)交通量為1 800 pcu/h以下時，T、S、D隨著過渡區(qū)長度的增加呈現(xiàn)先緩慢后急劇增加的趨勢，尤其當(dāng)上游過渡區(qū)長度大于120 m時，行程時間增加較快；而當(dāng)交通量為1 800～3 300 pcu/h時，T、S、D隨著上游過渡區(qū)長度的增加先減少后增加，且根據(jù)仿真結(jié)果，普遍在過渡區(qū)長度為90 m時達到最小值；當(dāng)交通量大于3 300 pcu/h時，T、S、D隨著上游過渡區(qū)長度的增加而呈現(xiàn)先快后慢的增加趨勢。

圖8 不同交通量下，停車次數(shù)與上游過渡區(qū)長度關(guān)系圖

圖9 不同交通量下，行程時間與上游過渡區(qū)長度關(guān)系圖

圖10 不同交通量下，平均速度與上游過渡區(qū)長度關(guān)系圖

(2) 對于平均速度V，當(dāng)交通量小于1 800 pcu/h時，平均速度V隨著過渡區(qū)長度的增加呈現(xiàn)先慢后快的降低趨勢，并在過渡區(qū)長度大于120 m后迅速降低；當(dāng)交通量為1 800～2 800 pcu/h時，平均速度V隨著過渡區(qū)長度增加先升高后降低，并在上游過渡區(qū)長度為90 m時達到最大值；當(dāng)交通量大于2 800 pcu/h時，平均速度V基本不受上游過渡區(qū)長度的影響。

(3) 由前述分析可得，當(dāng)過渡區(qū)長度增大至一定值時，尤其是大于90 m后，車輛由雙車道漸變至單車道所需的時間過長，對交通流運行的干擾反而增大。

根據(jù)前期對施工現(xiàn)場實地調(diào)查，得到交通量為2 234 pcu/h，上游過渡區(qū)長度為70 m。結(jié)合上述對仿真試驗結(jié)果的分析，當(dāng)交通量為2 200 pcu/h，上游過渡區(qū)長度采用90 m時，其綜合評價效果最優(yōu)，為驗證其取值能否對交通狀況有所改善，現(xiàn)將施工現(xiàn)場實際狀況與提出的改進方案分別在VISSIM中進行仿真模擬。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 實際狀況與改進方案對比圖

由圖11可以看出：當(dāng)把上游過渡區(qū)長度提升到90 m時，行程時間和車輛平均延誤值均有所下降，車輛的平均速度有一定的提升。因此，可以確定當(dāng)上游過渡區(qū)長度為90 m時有利于緩解目前施工區(qū)的交通壓力，提高該路段的通行能力，建議該施工區(qū)域的上游過渡區(qū)長度采用90 m。

5 結(jié)論

通過對蕪合高速公路改擴建施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集，并使用實測數(shù)據(jù)對VISSIM仿真模型進行校準(zhǔn)后，將5種不同的上游過渡區(qū)長度與7組不同的交通量組合進行仿真模擬研究。得出以下結(jié)論：

(1) 交通量的大小對高速公路施工區(qū)域的通行能力有一定的影響，通過模擬各種不同交通量下道路的通行能力狀況，得出隨著交通量的增加，通行能力逐漸降低。當(dāng)交通量達到3 000 pcu/h時，道路的擁堵狀況較為嚴重。因此對于該施工區(qū)域建議合理安排不同的交通組織方式來控制其交通量，以確保該路段的暢通。

(2) 當(dāng)交通量低于1 800 pcu/h時，隨著上游過渡區(qū)長度的增加，其通行能力會緩慢降低；而當(dāng)交通量超過1 800 pcu/h時，隨著上游過渡區(qū)長度的增加，其通行能力先呈現(xiàn)遞增的趨勢，然后緩慢降低。根據(jù)對仿真數(shù)據(jù)的分析得出，漸變段長度采用90 m時，道路的整體運行效率相對較優(yōu)。

(3) 該文僅通過采用不同的交通量和不同的上游過渡區(qū)長度對施工區(qū)路段的通行狀況進行了分析，實際上施工區(qū)域的通行能力還受到施工區(qū)限速的取值、限速區(qū)域長度的影響，在后續(xù)的研究中，應(yīng)該綜合考慮這些因素對道路通行狀況的影響，以確定出一個合適的組合方案。

(4) 該文研究對象為高速公路施工區(qū)雙車道向單車道過渡的情況，由于中國目前高速公路是單向三車道和四車道斷面的情況，后續(xù)需要對施工區(qū)三車道或四車道向單車道斷面過渡所需的上游過渡區(qū)長度進行研究，以使研究成果更為全面。