考慮車輛性能差異的高速路施工區(qū)層級限速措施

楊 迪， 徐 進(jìn),2*

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院， 重慶 400074； 2.山區(qū)復(fù)雜道路環(huán)境“人-車-路”協(xié)同與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074)

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，中國高速公路里程不斷增加，已基本實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)之間的高速連通，目前中國高速公路的里程位居世界第一。在交通運(yùn)輸業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，也伴隨著道路的磨損和設(shè)備的老化，中國早期修建的一些高速公路已經(jīng)逐步進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，甚至是大修階段[1]。為保證高速公路的正常運(yùn)行，就必須定期進(jìn)行公路養(yǎng)護(hù)，在施工養(yǎng)護(hù)期間就需要對高速公路進(jìn)行施工圍堵。通常情況下，高速公路施工區(qū)的限制車速遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行車速，從而成為高速公路的瓶頸，嚴(yán)重影響到該路段的通行能力，造成交通擁堵，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的交通事故。因此對高速公路施工區(qū)的速度管理策略進(jìn)行研究就顯得至關(guān)重要。

中外學(xué)者對高速公路施工區(qū)安全管理進(jìn)行了大量研究，近年來對施工區(qū)車速控制策略的研究主要集中在可變限速(variable speed-limit, VSL)控制策略[2]、車聯(lián)網(wǎng)(cellular vehicle, CV)技術(shù)以及限速標(biāo)志設(shè)置方面。范東凱等[3]研究了城市道路當(dāng)前減速措施的實(shí)際應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)電子執(zhí)法設(shè)施對道路限速控制效果最為明顯，超速比約占3.2%；賈興利等[4]研究了高速公路施工區(qū)半幅封閉情況下的限速標(biāo)志效能，提出了交通標(biāo)志效能檢測實(shí)驗(yàn)方案和分階限速方案；陳凱等[5]研究了駕駛員的自適應(yīng)機(jī)制，并通過模型仿真實(shí)驗(yàn)，提出了高速公路施工區(qū)層級限速標(biāo)志的位置確定方法；李凱倫等[6]提出了用動態(tài)限速控制方案代替固定限速方案，以滿足高速公路不同流量情況下的通行需求；于仁杰等[7]利用Vissim仿真軟件對不同車流量、不同大車混入率情況下的高速公路施工區(qū)限速方案進(jìn)行仿真分析；楊慶芳等[8]使用元胞傳輸模型描述瓶頸路段交通運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建可變限速模型，提出高速公路瓶頸區(qū)可變限速階梯控制方法；邵長橋等[9]對高速公路改擴(kuò)建施工期間的中分帶開口長度與交通運(yùn)行特性進(jìn)行研究，建立了中分帶開口長度計(jì)算模型，并通過仿真給出了不同開口長度及設(shè)計(jì)速度下中分帶開口處通行能力建議值；Banerjee等[10]研究了在施工區(qū)設(shè)置動態(tài)限速標(biāo)志(VSL)、減速標(biāo)志和超速攝影標(biāo)志3種不同標(biāo)志對駕駛員在施工區(qū)超速行為的影響，發(fā)現(xiàn)超速攝影強(qiáng)制標(biāo)志對駕駛員在施工區(qū)的速度控制效果最好；Wu等[11]通過微觀交通流模擬，給出了不同交通量和交通構(gòu)成下同一方向相鄰工作區(qū)之間的最小空間值的建議值；Ghasemzadeh等[12]研究了惡劣天氣環(huán)境對施工區(qū)交通安全的影響，發(fā)現(xiàn)天氣和照明條件是影響施工區(qū)事故嚴(yán)重程度的重要因素；Han等[13]提出了將車輛網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于開發(fā)VSL策略，研究發(fā)現(xiàn)基于CV的VSL策略可以加快瓶頸隊(duì)列的清除，同時(shí)可以使速度過渡更平穩(wěn)；Ravani等[14]對施工區(qū)超速問題的嚴(yán)重性進(jìn)行評述，并探究了四級警察存在對提高施工區(qū)車速控制效果的影響程度。綜上所述，雖然VSL措施作為新興的交通控制方法，具有良好的應(yīng)用效果，但目前對于高速公路施工區(qū)VSL的控制的研究中，通常以實(shí)現(xiàn)最短行程時(shí)間或最大通行能力為控制目標(biāo)，對施工路段實(shí)行單限速值控制。實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)，以最短行程時(shí)間為目標(biāo)時(shí)，通行能力就會大大降低；以最大通行能力為控制目標(biāo)時(shí)，車輛的行程時(shí)間就會增加，且使用可變限速策略的成本較高，對實(shí)施交通狀態(tài)的反應(yīng)也存在一定延誤。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前車輛普及率較低，運(yùn)用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車速控制存在一定難度。使用電子執(zhí)法設(shè)施雖對速度控制效果較好，但其成本較高，需要投入大量人力，施工區(qū)一般施工時(shí)間較短且灰塵較大，不適宜采用該方式控制車速。目前施工區(qū)采用的速度管理措施多是針對所有車型采取統(tǒng)一的層級限速措施，而不同車型的速度特性存在一定的差異，采用相同的速度及控制策略時(shí)，速度控制效果會表現(xiàn)出一定的差異，因此針對不同車型采用相同的限速值并不能達(dá)到相同的限速效果，還會造成行程時(shí)間的浪費(fèi)。所以針對不同類型車輛性能的速度特性，研究基于不同車型速度特性的層級限速措施就顯得至關(guān)重要。

基于此，以鹽壩高速鵝公岌隧道口上蓋項(xiàng)目為例，對不同車型的速度特性進(jìn)行分析，結(jié)合施工限速標(biāo)志的位置確定方法，提出考慮車輛性能差異的施工區(qū)層級限速措施，針對不同車型設(shè)置不同的限速值，并進(jìn)行Vissim仿真分析，確保在滿足交通安全的條件下，盡可能地提高施工期間的道路通行能力，減少行車延誤。

1 工程概況以及原限速方案

鹽壩高速設(shè)計(jì)車速80 km/h，為雙向六車道高速公路，設(shè)有中央分隔帶，施工路段如圖1(a)所示。從鹽壩高速公路鵝公岌隧道東端洞口往東延長隧道約350 m形成上蓋結(jié)構(gòu)，以滿足云水生態(tài)公園建設(shè)需求，上蓋施工期間，將對該路段高速公路實(shí)行半幅封閉施工，在中央分隔帶內(nèi)修建臨時(shí)的施工疏散道路，施工疏散道路保持原有的車道數(shù)不變，道路總寬11.5 m，單車道寬度為3.5 m，如圖1(b)和圖1(c)所示。原限速方案下游過渡區(qū)返回原有道路時(shí),單幅疏散道路的三條車道分開修建，不能變道，兩個(gè)行駛方向施工疏散道路直線部分共用，北幅施工疏散道路的下游過渡區(qū)和南幅施工疏散道路的上游過渡區(qū)皆為半徑為15 m的小半徑彎道，彎道限速20 km/h，彎道之后100 m處就是鵝公岌隧道。施工期間該路段的速度管理比較復(fù)雜，需要車輛大幅度降速。將根據(jù)不同類型車輛的動力性能和速度特性的差異，對該路段的速度管理措施進(jìn)行研究并仿真，力求在保證道路通行能力的條件下，盡可能地減少交通沖突，縮短排隊(duì)長度，確保交通安全，提出切實(shí)可行的層級限速管理措施。

2 方案仿真

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

運(yùn)用Vissim仿真軟件對不同車型采用一級限速、二級限速、三級限速進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，軟件的車輛跟蹤模型采用Wiedmann99生理-心理跟車模型，該模型中當(dāng)駕駛員認(rèn)為所駕車輛與前車間距小于安全車距時(shí)開始減速，仿真時(shí)車輛到達(dá)滿足泊松分布條件。北幅道路仿真路段全長800 m，南幅道路仿真路段全長1 010 m，單車道寬度3.5 m；仿真車輛包含三類：小汽車(CAR)、大貨車(HGV)和大客車(BUS)，汽車在高低檔位時(shí)的最大加速度amax如表1所示[15]。車輛在到達(dá)施工區(qū)之前，小汽車初速度為100 km/h，大貨車初速度為70 km/h，大客車初速度為80 km/h。

Vissim仿真使用的小汽車、大貨車、大客車3種車輛模型如圖2所示。由于該跟馳模型默認(rèn)的車輛性能和道路條件與中國不符，且車輛在減速過程中一般采用行車減速度，因此需要對車輛的最大加速度、最大減速度、期望加速度、期望減速度等參數(shù)進(jìn)行修改。具體參數(shù)設(shè)置值如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

圖2 Vissim中的車輛模型Fig.2 The vehicle model in Vissim

2.2 方案設(shè)計(jì)

在仿真過程中主要通過期望車速決策點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)車輛層級限速，期望車速決策點(diǎn)需分車道設(shè)置，車輛在經(jīng)過期望車速決策點(diǎn)之后開始降速至限速值，然后一直保持該限速值，直至遇到下一期望車速決策點(diǎn)才改變速度。為保證車輛在到達(dá)小半徑轉(zhuǎn)彎處車速降至20 km/h，期望車速決策點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在彎道入口前一段距離。

對不同車型采用一級限速、二級限速、三級限速進(jìn)行仿真模擬，同時(shí)在二級限速和三級限速過程中針對不同車型設(shè)置不同的速度降幅進(jìn)行對比，選出各項(xiàng)指標(biāo)綜合相對較好的方案作為該路段的速度管理方案，詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)如表3所示。根據(jù)《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30—2015)[16]高速公路逐級降速的要求：每100 m降低10 km/h較合適。設(shè)計(jì)過程中期望車速決策點(diǎn)的位置盡量滿足規(guī)范要求，并按照規(guī)范設(shè)置速度降幅。

表3 層級限速仿真方案

限速標(biāo)志距離彎道入口的距離不同，車輛到達(dá)彎道口的速度就不同，如果標(biāo)志牌設(shè)置太近，駕駛員看到標(biāo)志之后無法在短距離內(nèi)將速度降至限速值；若標(biāo)志牌設(shè)置太遠(yuǎn)，駕駛員則可能不遵守甚至忘掉標(biāo)志牌上的限速要求，這兩種情況都可能引起交通事故，降低彎道行駛的安全性[17]。因此，在仿真過程中將期望車速決策點(diǎn)放置在彎道之前不同的位置處，通過仿真結(jié)果，確定出能夠滿足要求的期望決策點(diǎn)的位置。

2.3 交通量數(shù)據(jù)處理

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，近期鹽壩高速公路華大段工作日交通量如表4所示，調(diào)查車輛種類包含小型車、中型車、大型車和超大型車，記錄兩個(gè)行駛方向的小時(shí)交通量。

表4 近期交通量

此外，調(diào)查數(shù)據(jù)中沒有將客貨車分類，調(diào)查的車輛類型較多，而Vissim中設(shè)置的車型是小汽車、貨車和大客車，考慮到高速公路上運(yùn)行車輛主要是貨車，將中型車、大型車和超大型車按折算系數(shù)折算為80%的大貨車和20%的大客車。為了最大程度的保障疏散道路的交通功能，避免車流量波動性帶來的影響，在設(shè)計(jì)過程中將車流量擴(kuò)大35%進(jìn)行仿真，以確保疏散道路的實(shí)際通行能力能夠滿足交通需求。流量擴(kuò)充結(jié)果如表5所示。

由表5數(shù)據(jù)看出，該路段兩個(gè)方向的單位小時(shí)流量差比較大，由東向西行駛的車流量超過由西向東行駛車流量49%。根據(jù)擴(kuò)充后的交通量，計(jì)算出各種類型車輛所占的比例，計(jì)算數(shù)據(jù)如圖3所示，3種車型在各自通行方向車流量中所占比例基本一致。

表5 擴(kuò)充后交通量

圖3 各類型車輛所占比例Fig.3 Proportion of various types of vehicles

2.4 評價(jià)指標(biāo)

本次仿真主要運(yùn)用Vissim中的五類檢測輸出系統(tǒng)，行程時(shí)間檢測、排隊(duì)計(jì)數(shù)、延誤檢測、車輛信息記錄及速度數(shù)據(jù)采集。仿真時(shí)車輛記錄模塊記錄的數(shù)據(jù)包括車輛編號、道路編號、交互狀態(tài)、車輛類型、仿真時(shí)間等，通過統(tǒng)計(jì)“交互AX”(AX為車輛交互狀態(tài)的一種，這種狀態(tài)下車輛處于撞車危險(xiǎn)區(qū))的數(shù)量，來確定沖突數(shù)；在進(jìn)行AX篩選時(shí)，將Access數(shù)據(jù)庫篩選后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel進(jìn)行二次篩選，以避免1次沖突被多次記錄[18]。施工區(qū)的交通評價(jià)指標(biāo)僅僅靠沖突數(shù)是不準(zhǔn)確的，還與施工區(qū)的長度、車輛運(yùn)行時(shí)間等有關(guān)，可使用沖突率作為施工區(qū)安全性評價(jià)指標(biāo)。沖突率的計(jì)算公式為[19]

(1)

式(1)中：R為沖突率，次/m；E為沖突次數(shù)，次；L為施工區(qū)長度，m。

2.5 評價(jià)輸出

根據(jù)設(shè)計(jì)文件中的道路參數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的車道寬度、道路長度、道路類型，完成道路鋪設(shè)；接著設(shè)置相應(yīng)的期望車速值，對設(shè)計(jì)文件中所涉及到的車型進(jìn)行加速度、減速度、期望車速等參數(shù)的修改，再根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)確定車輛構(gòu)成，在道路起點(diǎn)處進(jìn)行車輛輸入；然后根據(jù)仿真方案初步確定期望車速決策點(diǎn)(仿真中使用期望車速決策點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對各類型車輛的速度管理)，不同車道需要單獨(dú)布置。接下來，在道路上設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測點(diǎn)、行程時(shí)間檢測器、排隊(duì)計(jì)數(shù)器，在設(shè)計(jì)文件中選擇車輛記錄、行程時(shí)間、排隊(duì)長度、延誤和數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，對仿真結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)得出的行程時(shí)間、延誤、排隊(duì)長度、沖突率數(shù)據(jù)，對使用不同速度管理方案下的道路運(yùn)行狀況進(jìn)行對比分析。

3.1 延誤及行程時(shí)間分析

對各方案中不同車型的延誤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示，與方案1相比，方案2、方案3、方案4、方案5均可有效減少兩個(gè)行駛方向的車輛延誤。東-西方向：方案3、方案4的大貨車延誤最小；方案3的大客車的延誤最??；方案5的小汽車延誤最小，與方案1相比小汽車的延誤減少了49.1%。西-東方向：方案3的大貨車延誤最小，方案5的大客車延誤最小，僅2.9 s；方案4的小汽車延誤最小。兩個(gè)行駛方向的5種方案中，3種車型的平均延誤都依次減小，方案5的平均延誤最小。由此可見，使用層級限速方案可以有效減少車輛平均延誤，而且同樣采用二級限速或三級限速時(shí)，針對不同車型采用不同的限速值可以減少3種車型的平均延誤。

圖4 延誤統(tǒng)計(jì)Fig.4 Delay statistics

3種車型的平均行程時(shí)間如圖5(a)所示，將方案1與方案2、方案4進(jìn)行對比，在對不同車型使用相同的限速值時(shí)，采用層級限速的措施對由東向西行駛的車輛行程時(shí)間的影響不大，各方案的行程時(shí)間擺動幅度較?。挥晌飨驏|行駛的車輛采用層級限速措施后行程時(shí)間明顯減少，其中方案2的行程時(shí)間最短。對方案2、方案3、方案4、方案5進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)方向的行程時(shí)間均為：方案2>方案3，方案4>方案5。這兩組方案的對比結(jié)果說明同樣采取二級或三級限速措施，針對不同車型采用不同的速度降幅時(shí)，兩個(gè)方向車輛的平均行程時(shí)間都會得以縮減。

3.2 沖突率分析

仿真結(jié)束后統(tǒng)計(jì)處于“交互AX”狀態(tài)的車輛數(shù)作為沖突數(shù)，計(jì)算沖突率。由東向西行駛方向施工區(qū)長度取800 m，由西向東行駛方向施工區(qū)長度取1 010 m，各方案沖突率計(jì)算結(jié)果如圖5(b)所示。通過方案1、方案2、方案4的對比可以看出，采用層級限速方案可以有效降低沖突率，沖突率的大小關(guān)系為：一級降速>二級降速>三級降速，這說明沖突率的大小跟車速的降幅有關(guān)，且車速降幅越小，沖突率就越小。方案2和3、方案4和方案5對比發(fā)現(xiàn)，同樣采取二級限速時(shí)，是否針對不同車型采用不同的限速值，兩個(gè)行駛方向的沖突率都相同，采用三級限速方案時(shí)，由東向西行駛方向不同車型采用不同限速值反而會增加沖突率，而由西向東行駛時(shí)沖突率則沒有變化。

圖5 行程時(shí)間與沖突率統(tǒng)計(jì)Fig.5 Travel time and collision rate statistics

3.3 排隊(duì)分析

在小半徑彎道入口處設(shè)置排隊(duì)計(jì)數(shù)器，對各車道車輛進(jìn)行排隊(duì)情況統(tǒng)計(jì)，主要統(tǒng)計(jì)車輛的平均排隊(duì)長度、最大排隊(duì)長度和排隊(duì)車輛停車次數(shù)，仿真結(jié)果如圖6所示。

如圖6(a)所示，對比方案1、方案2、方案4發(fā)現(xiàn)，采用層級降速的方法能夠有效縮短由東向西行駛車輛的平均排隊(duì)長度和平均停車次數(shù)，并使車輛最大排隊(duì)長度得到大幅度縮減。將方案2與方案3對比、方案4與方案5對比發(fā)現(xiàn)：同樣采用二級降速或三級降速的條件下，是否針對不同車型采取不同的限速值，對車輛的平均排隊(duì)長度和排隊(duì)車輛停車次數(shù)幾乎沒有影響；但針對不同車型在同一級限速中采取不同的限速值時(shí)，車輛的最大排隊(duì)長度增大較多。由東向西仿真路段采取方案2時(shí)，排隊(duì)情況優(yōu)化效果最好。

由圖6(b)可知，對由西向東行駛路段采用層級限速方案可大大減少車輛的最大排隊(duì)長度，但僅方案4對平均排隊(duì)長度和平均停車次數(shù)有所優(yōu)化。因此，由西向東路段采用方案4時(shí)優(yōu)化效果最好。

圖6 排隊(duì)統(tǒng)計(jì)Fig.6 Queue statistics

綜合上述三個(gè)方面的評價(jià)分析，試驗(yàn)路段應(yīng)選取的最佳方案為方案4，即對施工區(qū)采用三級限速，且每一級各車型限速值相同。該方案下兩個(gè)行駛方向車輛的沖突率最低，安全性最高，且排隊(duì)長度、延誤和最大停車次數(shù)等其他指標(biāo)都比較優(yōu)良。

3.4 速度變化特性

3.4.1 速度整體變化

根據(jù)上述分析，兩個(gè)行駛方向都選擇方案4時(shí)，整體運(yùn)行效果最好，下面將對兩個(gè)方向采用方案4時(shí)的速度特性進(jìn)行分析。仿真過程中，采用數(shù)據(jù)采集功能記錄車輛類型、車輛編號、車速、距離等數(shù)據(jù)，每0.2 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。仿真過程中記錄的車輛信息較多，因此每個(gè)行駛方向僅隨機(jī)選取10輛車的車速信息作為代表進(jìn)行分析，其中包含小汽車4輛、大貨車3輛、大客車3輛，這10輛車的速度變化曲線如圖7所示。

圖7 速度變化曲線Fig.7 Speed change curve

從兩個(gè)車速變化曲線(圖7)可知，兩個(gè)行駛方向的車輛，在采用限速方案4后，3種車型的車速皆呈階梯式變化，即能避免車速一次性降幅過大給駕駛員帶來的不適感，或者是技術(shù)方面的問題而造成車輛追尾，也可減少駕駛員因緊急制動時(shí)輪胎與地面過度摩擦對車速判斷失誤；采用方案4時(shí)，車輛在到達(dá)彎道之前車速均可降至20 km/h，且3種車型的車速變化曲線基本一致，因此在行駛過程中存在的超車、變道等駕駛行為會更少，車輛駕駛也就更安全、高效、舒適；小汽車和大客車的最大減速度更大，車速階梯式變化特征更明顯，而貨車則因?yàn)槠漭^小的減速度和較大的慣性，車速階梯性變化特征不是很明顯。

3.4.2 彎道入口速度分布

對Vissim中采集的車速數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，得到方案4中兩個(gè)行駛方向小半徑彎道入口處的車速數(shù)據(jù)，利用Origin軟件繪制彎道入口處各車型速度分布的柱狀散點(diǎn)圖與箱線圖，分析方案4下車輛在彎道入口處的分布狀況。

如圖8所示，在方案4的限速方案控制下，小半徑彎道入口處車速呈現(xiàn)以下分布特點(diǎn)：由東向西行駛方向車速主要分布在10～30 km/h，超過90%的車輛車速控制在25 km/h以下；由西向東行駛方向，車速主要分布在10～25 km/h，超過85%的車輛車速控制在20 km/h以下。整體上兩個(gè)行駛方向的車速在方案4的控制下，在彎道入口處車速基本能夠滿足彎道限速20 km/h的要求。

圖8 速度分布散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plot of speed distribution

3.5 限速標(biāo)志位置確定

施工疏散道路中小半徑彎道的存在，要求車輛在進(jìn)入彎道前速度必須降至20 km/h，這樣才能保證車輛安全通過彎道，所以在設(shè)計(jì)過程中限速標(biāo)志的位置必須滿足：車輛在看到標(biāo)志之后開始減速，在彎道入口處速度可降至20 km/h左右。

雙向四車道高速公路的典型施工作業(yè)區(qū)一般劃分為：警告區(qū)、漸變區(qū)、工作區(qū)和終止區(qū)[20]，如圖9所示，各區(qū)域長度參考規(guī)范值確定。車輛從較高的車速降至較低的限速值時(shí)，需要一定的緩沖距離，因此限速點(diǎn)布置在警告區(qū)和漸變區(qū)內(nèi)。

圖9 高速公路雙向四車道施工控制區(qū)劃分Fig.9 Division of construction control area of two-way four-lane freeway

本次仿真的路段在施工時(shí)采用半幅封閉施工，施工時(shí)修建相應(yīng)的施工疏散道路，施工疏散道路保持原車道數(shù)不變，限速區(qū)域?yàn)槭枭⒌缆贩祷卦嚨赖膹澋?，情況比較特殊，控制區(qū)的劃分參考四車道高速公路施工區(qū)的控制區(qū)劃分方式，限速點(diǎn)設(shè)置在警告區(qū)和上游過渡區(qū)，仿真過程中采用期望車速決策點(diǎn)進(jìn)行減速。限速點(diǎn)在警告區(qū)或漸變區(qū)的具體位置通過仿真結(jié)果確定，確保車輛在彎道入口處車速降至限速值20 km/h。

通過前文的分析，采用方案4時(shí)總體效果最優(yōu)，此時(shí)限速點(diǎn)的布置位置如圖10所示。由東向西行駛道路的第三級限速的限速點(diǎn)放置在彎道入口前120 m處；第二級限速的限速點(diǎn)放置在第三級限速點(diǎn)之前190 m處；第一級限速的限速點(diǎn)放置在第二級限速點(diǎn)之前的160 m處，隧道限速60 km/h；由西向東行駛道路的第三級限速點(diǎn)放置在隧道入口處，第二級限速點(diǎn)放置在其前190 m處，第一級限速點(diǎn)放置在二級限速點(diǎn)之前230 m處，車輛駛過小半徑彎道后解除速度限制。

圖10 三級限速的限速點(diǎn)布置Fig.10 Arrangement of three-level speed limit points

根據(jù)鵝公岌隧道擬定施工疏解方案進(jìn)行了速度管理方案設(shè)計(jì)和比選，最終選定方案4為該疏散道路設(shè)計(jì)條件下的最佳速度管理方案，但該方案仍存在一些不足以及一些不滿足規(guī)范的情況，現(xiàn)針對該方案進(jìn)行簡單的評價(jià)，并提出可行的改進(jìn)措施。

4 方案評價(jià)與改進(jìn)

4.1 方案評價(jià)

4.1.1 疏散道路評價(jià)

鵝公岌隧道施工期間采用半幅封閉的方式進(jìn)行施工，施工期間在中分帶修建3車道疏散道路，維持鹽壩高速雙向6車道通行，單側(cè)疏散道路寬11.5 m，隧道口處受上蓋結(jié)構(gòu)立柱限制，設(shè)置15 m的小半徑轉(zhuǎn)彎，彎道限速20 km/h，如圖1(b)、圖1(c)所示。

根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)[21]要求：設(shè)計(jì)車速為20 km/h時(shí)，圓曲線最小半徑的極限值為15 m，需設(shè)置6%或8%的超高。按照規(guī)范要求，施工疏散道路在15 m半徑的轉(zhuǎn)彎處至少要設(shè)置6%的超高，但該項(xiàng)目施工疏散道路是在原有路基的道路中分帶修建的，施工期間不會改變原有的路面狀態(tài)，而且南北幅施工疏散道路中的直線路段是公用的，兩個(gè)彎道處的超高方向是相反的，無法設(shè)置超高，這種情況下限速20 km/h存在安全隱患。

4.1.2 速度管理評價(jià)

鹽壩高速設(shè)計(jì)車速為100 km/h，采用方案4雖然可以使車速降低到20 km/h，但高速公路設(shè)置這么低的限速值顯然與駕駛習(xí)慣和駕駛期望不一致，尤其是對于大貨車來講，由于運(yùn)價(jià)的過度競爭，行業(yè)利潤非常低，超載現(xiàn)象頻繁，加之大貨車自重較大，從而導(dǎo)致車輛慣性遠(yuǎn)大于小汽車，很難在短距離內(nèi)將車速降下來。涉及路段由東向西行駛時(shí)是一處陡下坡，大型車的速度更難以控制。由速度變化曲線就可看出在方案4中由西向東行駛道路的減速距離高達(dá)470 m，由東向西行駛道路的減速距離高達(dá)630 m，減速距離過長必然導(dǎo)致車輛的延誤較大，降低施工疏散道路的通行能力。同時(shí)車速降幅過大也會增加施工區(qū)車輛運(yùn)行的波動性，造成車輛間的碰撞。

4.2 方案改進(jìn)

4.2.1 疏散道路

如圖1(b)、圖1(c)所示，原來設(shè)計(jì)的兩個(gè)方向的疏散道路在彎道處三個(gè)車道是分開設(shè)置的，尤其是北幅道路，三個(gè)車道之間的間距已經(jīng)接近一個(gè)車道的寬度，這就導(dǎo)致彎道的半徑過小。改進(jìn)方案中，將彎道處的三個(gè)車道并在一起，兩個(gè)行駛方向S彎第一個(gè)拐彎處的施工圍擋各后退2 m，變?yōu)橹虚g無分隔的一條三車道道路，在直線與圓曲線之間采用緩和曲線連接，這樣就可以將轉(zhuǎn)彎半徑擴(kuò)大至100 m。改進(jìn)方案如圖11所示。

R為改建道路彎道半徑圖11 疏散道路改進(jìn)方案Fig.11 Road improvement plan

4.2.2 限速方案

將轉(zhuǎn)彎半徑擴(kuò)大至100 m后，根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)[18]的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑可作為設(shè)計(jì)車速為40 km/h時(shí)的圓曲線最小半徑的一般值，車速的降幅與原來相比縮減了20 km/h。車速降幅縮小后，施工區(qū)車輛運(yùn)行的波動性就會減小，車輛的沖突率自然會下降，同時(shí)車速的提高也會使得車輛在施工區(qū)的行車延誤減小，提高施工區(qū)的通行能力。

改進(jìn)方案中，兩個(gè)行駛方向都采用二級降速。由西向東行駛方向，第二級限速點(diǎn)位于彎道入口前170 m處，所有車輛限速40 km/h，第一級限速點(diǎn)位于第二級限速點(diǎn)前150 m處，小汽車限速70 km/h，大客車和大貨車限速60 km/h；由東向西行駛方向，第二級限速點(diǎn)位于鵝公岌隧道入口處，第一級限速點(diǎn)位于第二級限速點(diǎn)之前250 m處，車速管理措施與由西向東方向一致。經(jīng)過限速后，彎道入口處的速度分布情況如圖12所示，兩個(gè)方向行駛車輛在彎道入口處的車速均呈對數(shù)正態(tài)分布，對數(shù)正態(tài)分布的密度公式為

(2)

式(2)中：y為概率密度；x為閾值；t為隨機(jī)變量；y0為偏移量；A為振幅；xc為對數(shù)平均值；w為對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差；y0、A、xc、w的值通過似然估計(jì)得到，標(biāo)注在圖12中。

從圖12可知，由東向西行駛方向，彎道入口處車速集中分布在40～45 km/h，85%的車輛速度在45 km/h以下；由西向東行駛方向，車速集中分布在38～44 km/h，其中95%的車輛車速低于42 km/h。整體來看，對方案4進(jìn)行優(yōu)化后，車輛在彎道入口處的車速基本能控制在40 km/h左右。

經(jīng)過Vissim仿真后的數(shù)據(jù)顯示，采用改進(jìn)方案后與方案4相比，由西向東行駛車輛的沖突率由0.45次/m降至0.31次/m，行程時(shí)間縮短20.1 s，車輛無排隊(duì)現(xiàn)象，減速距離由原來的470 m降至320 m；由東向西行駛車輛的沖突率由0.20 次/m降至0.14次/m，行程時(shí)間縮短30.8 s，車輛無排隊(duì)現(xiàn)象，減速距離由630 m降至415 m。綜合看來，改進(jìn)后的方案與方案4相比各項(xiàng)指標(biāo)均有優(yōu)化。

85th表示累計(jì)頻率分布曲線的第85分位值； 95th表示累計(jì)頻率分布曲線的第95分位值圖12 彎道入口處速度分布Fig.12 Speed distribution at the entrance of the curve

5 結(jié)論

以鵝公岌隧道上蓋項(xiàng)目為例，對高速公路施工區(qū)限速問題進(jìn)行了研究分析，根據(jù)不同車型的動力性能、速度特性等的差異，提出了5種不同的層級限速方案，并利用Vissim進(jìn)行了仿真模擬，對各方案仿真運(yùn)行過程中的延誤、排隊(duì)長度、沖突率、速度特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后對方案進(jìn)行了評價(jià)及改進(jìn)，得到以下結(jié)論。

(1)針對高路公路施工區(qū)限速值較低、車速降幅較大的情況，采用層級限速方案可以有效降低車輛的平均延誤、減小車輛的平均排隊(duì)長度車輛沖突率，且車速降幅越小，車輛的沖突率就越小。本例中當(dāng)采用三級降速時(shí)，由東向西行駛車輛的沖突率由一級降速時(shí)的0.51 次/m降至0.45 次/m，由西向東行駛車輛的沖突率由0.26 次/m降至0.20 次/m。通過仿真發(fā)現(xiàn)，該方案下85%以上的車輛在彎道入口處車速控制在20 km/h左右。

(2)不同車型在同一級限速中采用不同的限速值，雖然可以減少車輛在作業(yè)區(qū)的平均行程時(shí)間和車輛的平均延誤，但無法有效降低車輛的沖突率，同時(shí)可能會增加車輛的最大排隊(duì)長度，且平均排隊(duì)長度和車輛平均停車次數(shù)均無顯著改善。

(3)在各種車輛混行的道路狀態(tài)下，層級限速中針對不同車型采取不同的限速值對提高道路的通行性能是沒有顯著作用的；但是當(dāng)不同類型的車輛分車道行駛時(shí)，這種限速措施將顯著提高道路的通行能力，大大減少小汽車的行程時(shí)間，減少車輛的平均延誤。

(4)采用層級限速方案，可使車輛在減速過程中車速呈階梯式變化，減少因車速降幅過大導(dǎo)致駕駛員操作失誤、心理壓力過大、車速判斷失誤等現(xiàn)象引起的交通沖突。

(5)在施工過程中，應(yīng)盡可能避免設(shè)計(jì)小半徑轉(zhuǎn)彎，這樣就可以減小車速降幅，從而使車輛在施工區(qū)的減速距離、沖突率、延誤、排隊(duì)長度等多項(xiàng)指標(biāo)得以優(yōu)化，提高施工區(qū)的通行能力。