作者簡(jiǎn)介：

彭 旭（1991—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)工程管理工作。

摘要：文章分析高速公路雙向四車道兩側(cè)拼寬成雙向八車道施工控制區(qū)各區(qū)段的交通特征，發(fā)現(xiàn)上游過渡區(qū)是施工控制區(qū)的瓶頸。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別建立了基于速度-流量模型和基于影響因素修正模型的通行能力計(jì)算方法。研究結(jié)果證明這兩種方法均可用來計(jì)算施工區(qū)通行能力值，且與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)差值在5%以內(nèi)，應(yīng)用這兩種方法確定了柳南高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目半幅封閉施工區(qū)上游正常區(qū)、上游警告區(qū)、上游過渡區(qū)、施工作業(yè)區(qū)的通行能力推薦值分別為：1 712 pcu·h-1·ln-1、1 590 pcu·h-1·ln-1、1 331 pcu·h-1·ln-1、1 361 pcu·h-1·ln-1。

關(guān)鍵詞：交通工程；通行能力；速度-流量模型；影響因素修正模型；施工控制區(qū)；交通特征

中圖分類號(hào)：U412.36+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 21 066 5

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，現(xiàn)有高速公路交通量年均增長(zhǎng)＞10%，甚至＞20%，已遠(yuǎn)超高速公路規(guī)劃期間的預(yù)測(cè)交通量，高速公路改擴(kuò)建成為未來高速公路建設(shè)的重點(diǎn)發(fā)展方向［1］。高速公路施工區(qū)環(huán)境復(fù)雜，交通情況跟正常運(yùn)營(yíng)時(shí)間段差異大，采用合理、有效的方法確定施工區(qū)的實(shí)際通行能力，有助于交通組織設(shè)計(jì)規(guī)劃，促進(jìn)公路的安全運(yùn)營(yíng)。

Benekohal等提出了基于速度—流量曲線和修正模型的施工區(qū)運(yùn)行速度和通行能力的計(jì)算方法［2］。唐智等分析并比較了以設(shè)計(jì)速度為標(biāo)準(zhǔn)和以自由流速度為標(biāo)準(zhǔn)的通行能力計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)后者更科學(xué)、更合理［3］。Yeom等整理美國(guó)高速公路工作區(qū)通行能力的數(shù)據(jù)，提出了考慮車道關(guān)閉情況、白天或夜間工作條件等影響因素的修正模型［4］。魏雪延等通過VISSIM仿真軟件和控制單一變量法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定［5］，總結(jié)出多車道高速公路通行能力計(jì)算模型。劉偉銘，梁雪根據(jù)實(shí)際事故道路的交通條件，確定了考慮阻塞車道數(shù)、阻塞長(zhǎng)度和大車型比例因素的通行能力計(jì)算模型［6］。Jehn等通過仿真建立高速公路施工區(qū)通行能力隨機(jī)估計(jì)模型，該模型能夠?qū)Σ煌缆穾缀螚l件、交通條件下的通行能力進(jìn)行估計(jì)，具有很好的適用性［7］。Bian等根據(jù)施工區(qū)車道開放情況、大型車比例、施工強(qiáng)度和施工持續(xù)時(shí)間建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)施工區(qū)在不同的道路交通情況、運(yùn)營(yíng)條件下的通行能力［8］。薛行健等建立了快速路匝道主線和匝道流量、加速車道長(zhǎng)度與通行能力三者之間的數(shù)量關(guān)系模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)主線外側(cè)車道流量在1 300 pcu·h-1～1 500 pcu·h-1時(shí)最易形成通行瓶頸［9］。孟祥海等利用Greenshields模型確定各主要區(qū)段的道路通行能力，發(fā)現(xiàn)施工作業(yè)區(qū)段的道路通行能力只有正常路段的89%左右［10］。邵長(zhǎng)橋等采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真分析相結(jié)合的方法，分析了施工區(qū)不同控制段、不同車道間交通流的相互影響，將施工區(qū)通行能力定義為排隊(duì)通過流率［11］。宋婉璐等通過對(duì)超窄雙車道公路進(jìn)行實(shí)地調(diào)查與相應(yīng)的仿真測(cè)算，提出了“會(huì)車率”概念，將會(huì)車率曲線臨界點(diǎn)的通行能力值1 700 pcu·h-1作為窄雙車道的通行能力［12］。

本文結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析并歸納了雙向四車道高速公路兩側(cè)拼寬成雙向八車道半幅封閉施工作業(yè)時(shí)道路各區(qū)段的交通特征，確定了施工作業(yè)控制區(qū)的瓶頸段，使用基于速度-流量模型和基于影響因素修正模型的兩種施工區(qū)通行能力計(jì)算模型，計(jì)算了施工作業(yè)區(qū)主要區(qū)段的通行能力值，為施工區(qū)施工建設(shè)、交通組織提供理論支持。

1 施工調(diào)查與交通流數(shù)據(jù)采集

本文數(shù)據(jù)采集于某柳南高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，改擴(kuò)建采取半幅封閉施工的方式沿現(xiàn)有雙向四車道高速公路兩側(cè)拼寬成雙向八車道。

交通流特征數(shù)據(jù)主要通過無(wú)人機(jī)拍攝車流視頻并輔以攝像機(jī)以及雷達(dá)和磁感應(yīng)裝置進(jìn)行采集，統(tǒng)計(jì)施工區(qū)域內(nèi)的車輛信息、交通量、行車速度等參數(shù)。在組織和分析時(shí)，以5 min為統(tǒng)計(jì)間隔，并將數(shù)據(jù)乘以12，以此得到標(biāo)準(zhǔn)車輛的小時(shí)交通流量和區(qū)間平均速度。

2 高速公路改擴(kuò)建保通車施工時(shí)施工控制區(qū)的交通特征分析

半幅封閉施工是常用的高速公路改擴(kuò)建方式之一。在施工作業(yè)控制區(qū)段，高速公路半幅封閉，交通流從中央分隔帶的開口處轉(zhuǎn)移到另外半幅路段通行，施工區(qū)路面施工完畢后，開放雙向四車道，對(duì)另外半幅采用同樣的方式進(jìn)行施工。

高速公路半幅施工時(shí)，道路交通控制段劃分為施工警告區(qū)（S）、上游過渡區(qū)（LS）、上游緩沖區(qū)（H）、施工作業(yè)區(qū)（G）、下游過渡區(qū)（LX）以及施工終止區(qū)（Z），見圖1。

為了對(duì)比高速公路改擴(kuò)建施工區(qū)交通流與正常區(qū)段交通流的區(qū)別，在施工作業(yè)控制區(qū)上游2 km處采集正常區(qū)段的交通流信息。從圖2、圖3可以得出，在遠(yuǎn)離施工控制區(qū)的正常區(qū)段，流量＜1 600 pcu·h-1·ln-1、密度＜25 pcu·km-1·ln-1時(shí)，交通處于非擁擠狀態(tài)且行車速度基本都＞60 km·h-1，通過的最大流量為1 750 pcu·h-1·ln-1。

車流在經(jīng)過施工作業(yè)區(qū)后，逐漸駛回原車道，與施工作業(yè)區(qū)相比，下游過渡區(qū)和施工終止區(qū)的通行能力得到進(jìn)一步提高，位于正常區(qū)和施工區(qū)之間，不是瓶頸路段，可不對(duì)其進(jìn)行分析。

（1）施工警告區(qū)（S），是施工作業(yè)控制區(qū)的起點(diǎn)，設(shè)置有限速標(biāo)志、施工預(yù)告標(biāo)志等，提醒車輛駕駛員已進(jìn)入施工區(qū)域，區(qū)段長(zhǎng)度設(shè)置為1 600 m，限速80 km·h-1。從圖4、圖5可以得出，當(dāng)流量到達(dá)1 450 pcu·h-1·ln-1、密度＞35 pcu·km-1·ln-1時(shí)，車流會(huì)進(jìn)入擁擠狀態(tài)，能通過的最大流量為1 590 pcu·h-1·ln-1。

（2）上游過渡區(qū)（LS），是交通流運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變的初始控制段，在過渡區(qū)設(shè)置導(dǎo)向標(biāo)志牌引導(dǎo)車流變道，長(zhǎng)度設(shè)置為120 m，限速60 km·h-1。從圖6、圖7可以得出，最大流量為1 328 pcu·h-1·ln-1，在流量到達(dá)1 000 pcu·h-1·ln-1、密度＞23 pcu·km-1·ln-1時(shí)，車流就會(huì)進(jìn)入擁擠狀態(tài)，并且交通流會(huì)出現(xiàn)紊亂，這是因?yàn)樯嫌芜^渡區(qū)存在大量的換道行為。

（3）上游緩沖區(qū)（H），連接上游過區(qū)段和施工作業(yè)區(qū)，設(shè)置交通錐、隔離墩等對(duì)行車道與施工區(qū)進(jìn)行隔離，長(zhǎng)度設(shè)置為100 m，限速60 km·h-1，讓駕駛員適應(yīng)工作區(qū)行駛環(huán)境的同時(shí)，保護(hù)施工人員開展施工作業(yè)。

（4）施工作業(yè)區(qū)（G），是高速公路改擴(kuò)建的施工區(qū)域，車道與施工作業(yè)區(qū)中間設(shè)置隔離帶，長(zhǎng)期施工時(shí)長(zhǎng)度≥4 km，限速60 km·h-1。從圖8、圖9可以看出，當(dāng)流量＜135 pcu·h-1·ln-1、密度＜35 pcu·km-1·ln-1時(shí)，車流處于非擁擠狀態(tài)，車速基本保持在＞40 km·h-1。

（5）下游過渡區(qū)（LX）。施工作業(yè)區(qū)通過布置錐形交通標(biāo)志設(shè)置后漸變區(qū)，使車輛經(jīng)過時(shí)，可以按照指示行駛回原來正常車道上來，長(zhǎng)度設(shè)置為40 m，限速60 km·h-1。

（6）終止區(qū)（Z）。標(biāo)志著作業(yè)區(qū)結(jié)束的區(qū)段，車輛可以駕駛到原來正常的車道。為了行車的連續(xù)性，設(shè)置長(zhǎng)度為40 m，末端設(shè)置解除限速標(biāo)志。

分析各施工區(qū)段交通流特征可以發(fā)現(xiàn)，上游警告區(qū)、上游過渡區(qū)的最大流量分別為正常路段的90%、76%。上游正常區(qū)和上游警告區(qū)在車流密度到達(dá)35 pcu·km-1·ln-1時(shí)進(jìn)入擁擠狀態(tài)，而上游過渡區(qū)在密度到達(dá)23 pcu·km-1·ln-1時(shí)進(jìn)入擁擠狀態(tài)。由此可見，施工對(duì)交通有顯著的影響，上游過渡區(qū)因?yàn)榇嬖诖罅康膿Q道行為導(dǎo)致其成為施工控制區(qū)交通的瓶頸路段，是交通流受施工影響最嚴(yán)重的區(qū)段。

3 基于速度-流量模型的通行能力計(jì)算方法

根據(jù)實(shí)際采集的交通流數(shù)據(jù)，結(jié)合施工區(qū)交通流特征和以往學(xué)者研究，流量、速度和密度間具有緊密聯(lián)系，為此采用格林希爾治模拋物線模型建立速度-流量模型以計(jì)算通行能力，見式（1）。

Q=kj（V-V2Vf）

（1）

式中：Q——車流量；

V——區(qū)間平均速度；

K——車流密度；

Vf——暢行速度，取道路通暢，車輛無(wú)阻時(shí)的平均速度；

Kj——為阻塞密度，取道路阻塞，車輛停止移動(dòng)時(shí)的密度。

對(duì)模型中的Vf、Kj進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定?；舅悸肥牵翰捎米钚《朔▽ふ覕?shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，求得模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差平方和最小時(shí)的最優(yōu)參數(shù)值。通過對(duì)圖2～9中的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，得到施工區(qū)各區(qū)段的速度—流量曲線（簡(jiǎn)稱V-Q曲線），見圖10。

上游正常區(qū)為：Q=-0.63V2+65.60V，R2=0.76；

上游警告區(qū)為：Q=-0.87V2+73.93V，R2=0.90；

上游過渡區(qū)為：Q=-1.33V2+83.90V，R2=0.84；

施工作業(yè)區(qū)為：Q=-1.23V2+80.98V，R2=0.90。

根據(jù)V-Q曲線分別計(jì)算上游正常區(qū)、上游警告區(qū)、上游過渡區(qū)和施工作業(yè)區(qū)的暢行速度、阻塞密度、通行能力值，見表1。

4 基于影響因素修正模型的通行能力計(jì)算方法

結(jié)合本文實(shí)際道路情況、交通情況和美國(guó)HCM2000，主要影響因素有車速限制、行車道數(shù)、車道寬度和路側(cè)凈空、大型車混入率、駕駛員對(duì)環(huán)境的熟悉程度等，其他因素影響微弱可以忽略不計(jì)，由此，可確定影響因素修正的通行能力模型，見式（2）。

C=C0×fW×fHV×fP×n

（2）

式中：C——施工區(qū)通行能力（pcu·h-1·ln-1）；

C0——高速公路單車道基本通行能力（pcu·h-1·ln-1）；

fw——車道寬度及側(cè)向凈寬修正系數(shù)；

fHV——大型車修正系數(shù)；

fP——駕駛員對(duì)環(huán)境熟悉程度修正系數(shù)；

n——行車道數(shù)。

4.1 高速公路單車道基本通行能力（C0）

高速公路單車道基本通行能力是指在理想的道路（車道寬3.75 m，均為小客車），通過高速公路某一斷面或某點(diǎn)的最大小時(shí)流率，本文采用《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01-2014）（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中的取值，見表2。施工時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各施工作業(yè)區(qū)段進(jìn)行限速，本文以區(qū)段內(nèi)車輛的暢行速度作為其基本通行能力的設(shè)計(jì)車速，對(duì)表2的數(shù)據(jù)采用內(nèi)插法進(jìn)行確定。

4.2 車道寬度及側(cè)向凈寬修正系數(shù)（fw）

車道寬度和車道側(cè)向凈寬對(duì)于通行能力有很大的影響，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其影響大小進(jìn)行劃分，可按表3進(jìn)行取值。

4.3 大型車混入率修正系數(shù)（fHV）

車輛是交通的重要組成部分，不同類型的車具有不同的體積、行駛速度、道路空間占有率、車頭時(shí)距等，在對(duì)該因素定量時(shí)，需要對(duì)車輛類型進(jìn)行細(xì)分。大型車混入率修正系數(shù)采用HCM2000推薦的計(jì)算公式。

fHV=11+∑pi（Ei-1）

（3）

式中：fHV——大型車混入率修正系數(shù)；

Pi——i類型車輛交通量占總交通量的百分比；

Ei——i類型車輛換算成標(biāo)準(zhǔn)車型的車輛折減系數(shù)。

取小客車作為標(biāo)準(zhǔn)車車型，其他不同類型車輛的折減系數(shù)取值依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，見表4。

4.4 駕駛員適應(yīng)性修正系數(shù)（fP）

通過分析駕駛員技術(shù)的嫻熟程度、對(duì)交通法規(guī)的遵守程度、開車過程中的身體狀態(tài)等方面，對(duì)該系數(shù)進(jìn)行確定，在0.9～1.0取值?？紤]到越靠近施工區(qū)對(duì)駕駛員的影響越大，靠近施工區(qū)段的修正系數(shù)應(yīng)降低。

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定各施工控制區(qū)的基本通行能力和修正系數(shù)，上游正常區(qū)基本通行能力為2 106 pcu·h-1·ln-1，fw、fHV、fP分別為1、0.84、0.97；上游警告基本通行能力為2 121 pcu·h-1·ln-1，fw、fHV、fP分別為1、0.84、0.95；上游過渡區(qū)基本通行能力為1 863 pcu·h-1·ln-1，fw、fHV、fP分別為0.93、0.84、0.92；施工作業(yè)區(qū)基本通行能力為1 866 pcu·h-1·ln-1，fw、fHV、fP分別為0.93、0.87、0.92。使用影響因素修正模型可計(jì)算出各區(qū)段的通行能力值。

（1）上游正常路段：2 106×1×0.84×0.97=1 716（pcu·h-1·ln-1）；

（2）上游過渡段：2 021×1×0.84×0.95=1 612（pcu·h-1·ln-1）；

（3）上游警告段：1 863×0.93×0.84×0.92=1 339（pcu·h-1·ln-1）；

（4）施工作業(yè)段：1 866×0.93×0.87×0.92=1 389（pcu·h-1·ln-1）。

5 兩種通行能力確定方法的比較

前文為了確定施工作業(yè)控制區(qū)主要區(qū)段通行能力，采用了兩種方法：（1）通過對(duì)采集的交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到速度-密度的流量模型，計(jì)算出通行能力值；（2）根據(jù)實(shí)際道路參數(shù)確定基本通行能力，再利用改擴(kuò)建時(shí)的主要交通流影響因素對(duì)其進(jìn)行修正，計(jì)算通行能力值。下面將這兩種方法的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的前5%流量的平均值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見下頁(yè)表5。

由表5可知，基于影響因素修正模型計(jì)算的結(jié)果比基于速度-流量模型計(jì)算的結(jié)果稍大，兩種通行能力計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果的最大絕對(duì)差值為56 pcu·h-1·ln-1，在可接受的范圍內(nèi)。兩種通行能力計(jì)算模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，最大絕對(duì)差值為74 pcu·h-1·ln-1，最大相對(duì)差值為4.8%，可見這兩種方法都能用于計(jì)算施工控制區(qū)的實(shí)際通行能力值，最終取兩種方法的平均值作為通行能力推薦值。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高速公路改擴(kuò)建施工區(qū)交通控制段交通特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在上游過渡區(qū)因?yàn)榇嬖诖罅康膿Q道行為，導(dǎo)致交通流往往在交通量到達(dá)1 000 pcu·h-1·ln-1時(shí)就發(fā)生擁堵，小于實(shí)測(cè)交通量最大值1 328 pcu·h-1·ln-1。因此，上游過渡區(qū)是施工控制區(qū)的瓶頸段，在進(jìn)行施工交通規(guī)劃中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

基于速度-流量以及基于影響因素修正的通行能力模型對(duì)改擴(kuò)建施工區(qū)各主要區(qū)段的通行能力計(jì)算都具有很好的準(zhǔn)確性，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)最大交通量的相對(duì)誤差＜5%。取這兩種模型計(jì)算結(jié)果的平均值作為通行能力推薦值，上游正常區(qū)、上游警告區(qū)、上游過渡區(qū)、施工作業(yè)區(qū)的通行能力推薦值分別為：1 712 pcu·h-1·ln-1、1 590 pcu·h-1·ln-1、1 331 pcu·h-1·ln-1、1 361 pcu·h-1·ln-1。

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