高速公路施工路段交通管控方法研究

楊珍珍

(北京掌行通信息技術(shù)有限公司, 北京 100085)

0 引言

高速公路占道施工常常導(dǎo)致道路可通行車道數(shù)減少,實(shí)際通行能力降低,車輛行駛速度下降,甚至造成嚴(yán)重的交通擁堵. 有效估計(jì)施工路段的實(shí)際通行能力和排隊(duì)長度,制定合理的上游入口交通流量控制策略,是提高施工路段服務(wù)水平,降低擁堵發(fā)生率,保障施工現(xiàn)場秩序良好的重要手段. 現(xiàn)有的高速公路施工區(qū)交通組織研究主要包括交通運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)[1-2]、施工區(qū)道路通行能力估計(jì)[3-4]、排隊(duì)長度計(jì)算[5-6]、施工路段管控[7-10]、施工方案評價(jià)[11-12]等.

施工區(qū)道路通行能力估計(jì)考慮的因素包括開放車道數(shù)、施工區(qū)布局、長度、車道寬度、貨車占比、坡度、速度、施工強(qiáng)度等[3]. 施工區(qū)道路通行能力計(jì)算模型主要包括基于交通流理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的施工區(qū)通行能力估計(jì)模型[3],基于格林希爾治速度—流量模型的道路通行能力計(jì)算方法[4],基于速度和道路交通條件修正的道路通行能力計(jì)算方法[4]. 排隊(duì)長度計(jì)算模型主要包括基于交通需求量和施工區(qū)通行能力的排隊(duì)長度計(jì)算模型[3];考慮道路寬度、速度變化和重型車輛的排隊(duì)長度計(jì)算模型[5];基于施工區(qū)交通參數(shù)的高速公路施工區(qū)排隊(duì)長度估算模型[6].

在施工路段管控方面,現(xiàn)有研究主要包括計(jì)算瓶頸路段上游可變限速值,在瓶頸路段上游形成人為控制區(qū),當(dāng)瓶頸路段發(fā)生排隊(duì)時(shí)降低進(jìn)入瓶頸路段的交通流量[7];根據(jù)施工區(qū)車道合并情況,確定啟動(dòng)合流控制的提醒閾值,如果實(shí)測交通流量大于等于提醒閾值,則啟動(dòng)對車輛駕駛員的變道提醒[8];根據(jù)車流波動(dòng)理論建立車流連續(xù)性方程,計(jì)算施工區(qū)上游過渡段的交通波速,判斷施工區(qū)車流是否會發(fā)生擁堵,當(dāng)發(fā)生擁堵時(shí)計(jì)算期望車速,作為高速公路施工區(qū)動(dòng)態(tài)限速推薦值[9];考慮車輛性能差異的高速公路施工區(qū)層級限速措施[10]. 施工方案評價(jià)主要是采用交通仿真軟件對候選方案進(jìn)行評價(jià)[10-12]. 例如,對擬建施工疏散道路的設(shè)計(jì)和速度管理方案進(jìn)行仿真評價(jià)[10].

在現(xiàn)有研究中,施工路段管控方法主要是對施工區(qū)限速、流量預(yù)警閾值進(jìn)行研究,缺少給定施工區(qū)最大排隊(duì)長度情況下上游建議放行車輛總數(shù)及管控入口建議最大放行車輛數(shù)的計(jì)算方法. 基于上述問題,本文對高速公路施工路段排隊(duì)流量、排隊(duì)長度、上游建議最大放行車輛總數(shù)、管控入口建議最大放行車輛數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行研究,提出高速公路施工路段交通管控方法,為施工區(qū)域上游交通組織提供科學(xué)依據(jù),從而提升高速公路管控水平,緩解施工區(qū)交通擁堵.

1 高速公路施工路段交通管控方法

1.1 計(jì)算流程

高速公路施工路段交通管控流程如圖1所示. 首先,確定施工路段可通行車道數(shù)、可通行速度,計(jì)算道路實(shí)際通行能力;然后,根據(jù)道路實(shí)際交通流量和實(shí)際通行能力,計(jì)算道路累積排隊(duì)流量;根據(jù)道路累積排隊(duì)流量、每條車道流量占總流量的比例、車身長度、前車尾與后車頭間的距離,計(jì)算累積排隊(duì)長度;根據(jù)道路實(shí)際通行能力、累積排隊(duì)流量、計(jì)劃施工路段上游允許最大排隊(duì)長度、累積排隊(duì)長度等指標(biāo),計(jì)算上游最大放行車輛總數(shù);最后,根據(jù)上游入口管控流量占比與上游最大放行車輛總數(shù)的乘積,計(jì)算上游管控入口最大放行車輛數(shù). 通過控制上游入口最大放行車輛數(shù),減少施工路段交通流量,達(dá)到緩解施工路段交通擁堵的目的.

圖1 高速公路施工路段交通管控流程

1.2 排隊(duì)流量計(jì)算模型

高速公路施工區(qū)排隊(duì)流量根據(jù)施工路段的實(shí)際通行能力和實(shí)際交通流量計(jì)算. 當(dāng)施工路段的實(shí)際交通流量小于等于實(shí)際通行能力時(shí),車輛都能順利通過,沒有車輛排隊(duì);當(dāng)施工路段的實(shí)際交通流量大于實(shí)際通行能力時(shí),有車輛滯留,出現(xiàn)車輛排隊(duì)現(xiàn)象.

(1)

通行能力隨著通行速度和可通行車道數(shù)的變化而變化.第t時(shí)段道路實(shí)際通行能力P,t的計(jì)算公式如下:

P,t=(t+)lane,t

(2)

從第a時(shí)段到第b時(shí)段,施工路段的累積排隊(duì)流量ΔQt(pcu/h)計(jì)算公式如下:

ΔQt=Δtdt

(3)

1.3 排隊(duì)長度計(jì)算模型

施工區(qū)排隊(duì)長度由施工區(qū)排隊(duì)流量、車身長度、前車尾與后車頭間的距離推測.用θ表示每條車道的流量占總流量的比例,近似等于車輛數(shù)最多的車道上的車輛占排隊(duì)車輛總數(shù)的百分比.l0表示標(biāo)準(zhǔn)車型的車身長度,默認(rèn)取值4 m.l1表示排隊(duì)過程中前車尾與后車頭間的距離,默認(rèn)取值2 m.第t時(shí)段施工路段排隊(duì)長度t的計(jì)算公式如下:

t=ΔQtθ(l0+l1)

(4)

1.4 上游建議最大放行車輛總數(shù)計(jì)算模型

當(dāng)設(shè)定施工路段上游允許最大排隊(duì)長度時(shí),上游建議最大放行車輛總數(shù)的計(jì)算模型分3種情況:①上游沒有車輛排隊(duì)的計(jì)算模型;②上游有車輛排隊(duì)且排隊(duì)長度小于等于允許最大排隊(duì)長度的計(jì)算模型;③上游有車輛排隊(duì)且排隊(duì)長度大于允許最大排隊(duì)長度的計(jì)算模型.

(5)

②當(dāng)上游有車輛排隊(duì)且排隊(duì)長度小于等于允許最大排隊(duì)長度時(shí), ΔQt,max的計(jì)算公式如下:

(6)

式中,用ΔQt,max為第t時(shí)段最大允許新增滯留交通流量(pcu/h);s,t,max為第t時(shí)段施工路段上游最大建議放行車輛總數(shù)(pcu/h);Lmax為施工路段上游允許最大排隊(duì)長度.

綜合上述①②③ 3種情況,得到ΔQt,max的計(jì)算公式:

ΔQt,max=s,t,max+ΔQt-P,t=

(7)

(8)

1.5 管控入口建議最大放行車輛數(shù)計(jì)算模型

當(dāng)施工路段上游排隊(duì)長度大于設(shè)定閾值時(shí),需要對上游入口流量進(jìn)行管控.施工路段上游每個(gè)入口的流量按照流量占比進(jìn)行分配.則γi,t的計(jì)算式如下:

(9)

式中,γi,t為第t時(shí)段上游入口i管控流量占比;i,t為第t時(shí)段上游入口i的車流量(pcu/h),s,t為第t時(shí)段施工路段上游車流量(pcu/h).

第t時(shí)段上游入口i最大建議放行車輛數(shù)i,t,max等于第t時(shí)段上游入口i管控流量占比γi,t乘以第t時(shí)段施工路段上游最大建議放行車輛總數(shù)s,t,max.i,t,max的計(jì)算式如下:

i,t,max=γi,ts,t,max

(10)

2 案例研究

2.1 仿真條件

為了驗(yàn)證本文提出模型的有效性,利用圖2所示的路網(wǎng)進(jìn)行仿真分析,入口交通流量如圖3所示.施工前可通行車道數(shù)為4個(gè)車道,施工后可通行車道數(shù)為2個(gè)車道.施工前排隊(duì)最多車道的流量占比θ=1/nlane,t=1/4=0.25,施工后排隊(duì)最多車道流量占比θ=1/nlane,t=1/2=0.5.入口1放行車輛數(shù)的分配比例為0.7,入口2放行車輛數(shù)的分配比例為0.2,入口3放行車輛數(shù)的分配比例為0.1. 正常情況下可通行速度取值120 km/h,施工時(shí)限速60 km/h. 標(biāo)準(zhǔn)車型的車身長度取默認(rèn)值4 m,排隊(duì)過程中前車尾與后車頭間的距離取2 m. 設(shè)定施工路段上游允許最大排隊(duì)長度Lmax=5 000 m. 10點(diǎn)開始施工,并根據(jù)排隊(duì)長度對上游入口車輛進(jìn)行控制.

圖2 路網(wǎng)示意圖

圖3 模擬交通流量

2.2 仿真結(jié)果

施工前,路段可通行車道數(shù)為4個(gè)車道,可通行速度為120 km/h,路段實(shí)際通行能力為2 268 pcu/h;施工后,路段可通行車道數(shù)為2個(gè)車道,施工區(qū)限速為60 km/h,路段實(shí)際通行能力為1 764 pcu/h. 施工路段累計(jì)排隊(duì)流量、施工路段排隊(duì)長度、上游建議放行車輛總數(shù)、上游入口放行車輛數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示. 11時(shí),排隊(duì)流量從控制前的2 472 pcu/h降低到控制后的1 667 pcu/h,排隊(duì)長度從控制前7 416 m降到控制后5 000 m,降低33%;16時(shí),排隊(duì)流量從控制前的5 832 pcu/h降低到控制后1 667 pcu/h,排隊(duì)長度從控制前17 496 m降到控制后5 000 m,降低71%. 仿真結(jié)果表明,基于本文提出的施工路段上游入口車輛控制模型,施工路段的排隊(duì)流量得到有效控制,排隊(duì)長度能夠控制在預(yù)期范圍內(nèi).

圖4 仿真結(jié)果:

3 結(jié)束語

本文對高速公路施工路段交通管控方法進(jìn)行研究,提出施工路段排隊(duì)流量計(jì)算模型、排隊(duì)長度計(jì)算模型、上游建議最大放行車輛總數(shù)計(jì)算模型、管控入口建議最大放行車輛數(shù)計(jì)算模型. 案例分析表明,在設(shè)定施工區(qū)最大排隊(duì)長度情況下,本文提出的模型能計(jì)算上游最大放行車輛總數(shù)及上游管控入口最大放行車輛數(shù),將施工路段排隊(duì)流量和排隊(duì)長度控制在預(yù)期范圍內(nèi). 研究成果能為高速公路施工區(qū)交通組織提供科學(xué)依據(jù),緩解施工區(qū)交通擁堵問題.

此外,高速公路占道施工也是造成交通事故的重要因素,目前已經(jīng)有研究基于WOMDI-Apriori算法對高速公路交通事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別[13]. 在未來的工作中,可以考慮對高速公路施工區(qū)的交通事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別,挖掘事故間潛在規(guī)律特征,為高速公路施工區(qū)風(fēng)險(xiǎn)防控提供理論支撐.