雙向四車道高速公路半幅封閉施工區(qū)交通特性分析

雙向四車道高速公路半幅封閉施工區(qū)交通特性分析

0國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀維修和重建是中國早期道路運(yùn)營中面臨的主要問題之一。為了不中斷交通,“邊施工邊通車”是有關(guān)部門經(jīng)常采用的施工方式。由于需要封閉部分車道甚至半幅道路,該方式容易導(dǎo)致通車側(cè)道路的通行能力下降、交通運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生突變,誘發(fā)交通擁堵和交通事故。因此,研究高速公路養(yǎng)護(hù)或大修施工區(qū)的交通運(yùn)行特性,進(jìn)而提高其交通運(yùn)行效率和安全程度,對中國高速公路事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。早在20世紀(jì)80年代,發(fā)達(dá)國家就開展了針對高速公路施工區(qū)的相關(guān)研究工作,當(dāng)時(shí)研究的重點(diǎn)是車輛運(yùn)行速度及限速問題。到了90年代,除了對車輛運(yùn)行速度進(jìn)行深入研究外,通行能力、排隊(duì)和延誤也逐漸成為研究熱點(diǎn)。近年來,相關(guān)研究工作更加重視分析延誤、排隊(duì)等指標(biāo)對交通效率和安全的影響。隨著中國早期建設(shè)的一批高速公路相繼進(jìn)入大修或大規(guī)模養(yǎng)護(hù)維修期,中國學(xué)者也逐步開展了施工區(qū)交通特性及其影響因素、速度分布及車頭時(shí)距分布等方面的研究工作。施工區(qū)的交通安全問題也較早地引起了國外學(xué)者的重視并開展了大量研究工作,內(nèi)容涉及事故率與施工時(shí)間及施工區(qū)長度等的關(guān)系、交通事故影響因素、施工區(qū)安全評價(jià)及事故預(yù)測等。由于積累了豐富的施工區(qū)事故數(shù)據(jù),相關(guān)的研究成果也真實(shí)地反映出了施工區(qū)的交通安全狀況且應(yīng)用性較強(qiáng)。近年來中國學(xué)者借鑒國外的研究經(jīng)驗(yàn),在施工區(qū)交通安全研究方面也取得了一定的成果,提出了施工區(qū)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型,分析了事故多發(fā)點(diǎn)及其影響因素,探討了施工區(qū)的各項(xiàng)危險(xiǎn)及其安全對策。針對中國普遍缺乏施工區(qū)事故數(shù)據(jù)積累的實(shí)際情況,部分學(xué)者初步開展了基于交通沖突技術(shù)的施工區(qū)交通安全研究。本文中針對雙向四車道高速公路半幅封閉施工區(qū)交通特性,探討施工區(qū)上游過渡段車輛的排隊(duì)特征以及施工區(qū)各組成區(qū)段的速度分布特征,歸納施工區(qū)交通沖突種類,并給出基于碰撞時(shí)間(TTC)的追尾沖突嚴(yán)重度判別方法,建立基于負(fù)二項(xiàng)分布的追尾沖突預(yù)測模型。1封閉施工區(qū)范圍雙向四車道高速公路養(yǎng)護(hù)或大修工程中的施工區(qū)形式,主要有4種:(1)路肩封閉施工區(qū),指僅封閉路肩。其優(yōu)點(diǎn)是交通運(yùn)行所受到的干擾較小,對向半幅交通基本不受影響;缺點(diǎn)是不利于施工作業(yè)面展開,也不利于大型施工機(jī)械進(jìn)駐,因此,其適用于小規(guī)模的路肩及其相關(guān)的養(yǎng)護(hù)工程。(2)單向部分車道封閉施工區(qū),指封閉一條機(jī)動車道,又可細(xì)分為行車道封閉施工區(qū)和超車道封閉施工區(qū)。其優(yōu)點(diǎn)是不影響對向半幅交通運(yùn)行;缺點(diǎn)是施工作業(yè)與同向交通流相互干擾,不利于施工作業(yè)面展開,安全管理與交通管制難度均較大,因此,其適用于小規(guī)模、工期短的路面養(yǎng)護(hù)工程。(3)單向全封閉施工區(qū),指封閉半幅路,又可稱為半幅封閉施工區(qū),一般有3種交通組織方式,見圖1。其優(yōu)點(diǎn)是在保證交通通行的前提下最大限度地減少了交通對施工作業(yè)的限制,便于大型施工機(jī)械進(jìn)駐。缺點(diǎn)是施工半幅的車輛需借助對向半幅通行,產(chǎn)生雙向交通,交通效率較低且安全隱患較大,因此,其適用于大規(guī)模的路面養(yǎng)護(hù)或維修工程。(4)雙向全封閉施工區(qū),指完全封閉施工區(qū)段的高速公路,通過修建臨時(shí)便道或借用周邊路網(wǎng)分流車輛。目前,在中國高速公路的大規(guī)模養(yǎng)護(hù)和維修作業(yè)中,單向全封閉施工作業(yè)方式應(yīng)用較多,施工作業(yè)與交通運(yùn)行間的沖突也比較典型。為此,本文中對該類施工區(qū)開展了較深入的現(xiàn)場調(diào)查與研究工作。這類施工區(qū)一般都包括警告區(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)等6個(gè)完整的交通管理區(qū)域。2交通調(diào)查分析過程在綏滿公路哈爾濱至亞溝段高速公路大修工程、黑龍江省綏化至北安高速公路工程海倫至北安段、黑龍江省前鋒至嫩江公路建設(shè)項(xiàng)目北安至五大連池景區(qū)段實(shí)施了施工區(qū)現(xiàn)場調(diào)查,內(nèi)容包括交通流量調(diào)查、地點(diǎn)車速調(diào)查、車頭時(shí)距調(diào)查、交通沖突調(diào)查和行程時(shí)間調(diào)查等。共調(diào)查了8個(gè)施工區(qū),獲得了每個(gè)施工區(qū)上連續(xù)24h或12h的交通數(shù)據(jù)。調(diào)查斷面分別位于上游警告區(qū)(按實(shí)際限速條件又細(xì)分為1~3個(gè)斷面)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)和下游終止區(qū)。采用攝像機(jī)錄像,并通過施工區(qū)相應(yīng)地點(diǎn)插旗定位的方式實(shí)施交通調(diào)查。在調(diào)查地點(diǎn)車速時(shí),為保證測量精度,設(shè)置的路段長度均不小于30m,即該斷面需插設(shè)2個(gè)測旗且測旗間隔大于等于30m。3車輛列車特征與行駛距離的分析3.1車輛排斥比例在上游過渡區(qū),正常通行在2條車道上的車輛需匯合到1條車道上,然后進(jìn)入對向半幅通行,此時(shí)在該區(qū)段形成一個(gè)明顯的交通瓶頸,高峰期車輛經(jīng)常需要排隊(duì)通過。經(jīng)分析,高峰期該區(qū)段的車輛排隊(duì)具有以下特征:(1)全部車型的車輛排隊(duì)比例為42.60%。其中,小型車排隊(duì)比例為41.18%,中型車排隊(duì)比例為42.67%,大型車排隊(duì)比例為52.84%。(2)全部車型的平均排隊(duì)長度為4.96pcu。其中,頭車為小型車的平均排隊(duì)長度為3.72veh,頭車為中型車的平均排隊(duì)長度為3.04veh,頭車為大型車的平均排隊(duì)長度為3.87veh。最大排隊(duì)長度為14veh。車輛排隊(duì)特性尤其是排隊(duì)長度,對確定過渡區(qū)段的合理長度具有重要意義。以本研究確定的4.96pcu測算,當(dāng)限速標(biāo)準(zhǔn)在20~40km·h-1時(shí),過渡區(qū)段的長度應(yīng)在45~70m之間,高于中國《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》規(guī)定的40m的要求。3.2愛爾朗分布模型將車頭時(shí)距小于30s的數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)分析對象,結(jié)果如表1所示。其中,車頭時(shí)距的平均值為5.75s,車頭時(shí)距為2s的頻數(shù)最多。本文中應(yīng)用負(fù)指數(shù)分布、位移負(fù)指數(shù)分布、愛爾朗分布以及威布爾分布等對車頭時(shí)距的分布進(jìn)行了擬合。結(jié)果表明,不論是高峰期、平峰期還是全天的車頭時(shí)距,均可用愛爾朗分布來描述。愛爾朗分布的分布函數(shù)為式中:P(h≥th)為車頭時(shí)距大于等于th的概率;th為車頭時(shí)距;r為愛爾朗分布的階(r越大車流越擁擠);λ為愛爾朗分布模型的均值參數(shù),λ/r為車流量。r和λ的值可利用觀測數(shù)據(jù)的均值E和方差S2,按r=E2/S2和λ=E/S2來計(jì)算確定。結(jié)果表明,高峰小時(shí)、平峰小時(shí)及全部觀測時(shí)段的車頭時(shí)距分別服從r=2,r=1和r=1的愛爾朗分布,見圖2。其中,r=1的愛爾朗分布即為負(fù)指數(shù)分布。車頭時(shí)距的分布可用來判斷交通沖突程度并確定交通運(yùn)行狀態(tài)。4基于統(tǒng)計(jì)分析的速度分布和速度范圍4.1車速分布調(diào)查施工區(qū)上游限速80(或60)km·h-1處(區(qū)段1)、限速60(或40)km·h-1處(區(qū)段2)、限速40(或20)km·h-1處(區(qū)段3)、緩沖區(qū)(區(qū)段4)、作業(yè)路段(區(qū)段5)和下游路段(區(qū)段6)6個(gè)調(diào)查地點(diǎn)的車速頻率分布如圖3所示,具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。分析車速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,各區(qū)段的車速分布均符合正態(tài)分布,且平均車速均高于相應(yīng)的限速值。從上游路段至作業(yè)路段的各個(gè)區(qū)段,車速呈階梯狀遞減。4.2確定施工區(qū)極限基于車速統(tǒng)計(jì)分析的各區(qū)段限速范圍界限,可按下式計(jì)算確定式中:Viu為區(qū)段i限速的上限值;Vil為區(qū)段i限速的下限值;Ei為區(qū)段i速度的平均值;δi為區(qū)段i速度分布的標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算確定的各區(qū)段限速的上限值、下限值見表3。總體來看,施工區(qū)的限速標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)結(jié)合交通量水平確定。對交通量較小的施工區(qū),可取上限或接近上限的限速值;而交通量較大的施工區(qū),應(yīng)取下限或接近下限的限速值。5施工區(qū)的交通沖突和預(yù)測5.1交通沖突形態(tài)在施工區(qū)內(nèi),由于車道壓縮或車道變換等原因,當(dāng)兩車在空間和時(shí)間上無限接近,且任一方不采取減速或改變行車方向等避險(xiǎn)措施時(shí),將會導(dǎo)致交通沖突,甚至誘發(fā)交通事故。施工區(qū)內(nèi)的交通沖突主要有追尾沖突和側(cè)向沖突兩大類,具體可包括5種形態(tài),分別是(1)警告區(qū)超車道追尾沖突,(2)警告區(qū)行車道追尾沖突,(3)上游過渡區(qū)側(cè)向沖突,(4)施工區(qū)追尾沖突,(5)下游過渡區(qū)追尾沖突,如圖4所示。施工區(qū)內(nèi)的交通沖突具有沖突類型穩(wěn)定、沖突位置相對固定、沖突車輛相對固定(均為機(jī)動車)等特點(diǎn)。5.2離碰撞前車的時(shí)間要正確應(yīng)用交通沖突技術(shù),首先要確定沖突嚴(yán)重程度判定方法。本文中采用TTC模型進(jìn)行追尾沖突嚴(yán)重程度判別。在同一車道上排隊(duì)行駛的2輛車,當(dāng)后車速度大于前車且車輛間距較小時(shí),就會發(fā)生追尾沖突,即式中:Ti為第i輛車距離碰撞前車的時(shí)間,即TTC模型中的1個(gè)樣本點(diǎn);xi-1(t)和xi(t)分別為前車和后車t時(shí)刻的行車位置(圖5);li-1為前車的車長;分別為前車和后車t時(shí)刻的地點(diǎn)速度。由于觀測車輛都處于運(yùn)動之中,兩車間的車頭間距難以測量,而車頭時(shí)距的獲取則相對容易。因此,對式(4)進(jìn)行變換得式中:thi為第i輛車的車頭時(shí)距。對交通流數(shù)據(jù)重新組織,篩選出后車車速大于前車且車頭時(shí)距較小的樣本,然后應(yīng)用式(5)計(jì)算出相應(yīng)的TTC樣本數(shù)據(jù),并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。最終確定車頭時(shí)距小于2s的沖突為嚴(yán)重沖突,介于2~6s之間的為一般沖突,6s以上為無沖突?；赥TC技術(shù)確定的嚴(yán)重沖突、一般沖突和無沖突的比例分別為2.73%,5.12%,92.15%。5.3尾沖突預(yù)測模型確定經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),追尾沖突的離散度較高(方差大于均值),因此采用負(fù)二項(xiàng)分布建立追尾沖突預(yù)測模型是可行的。結(jié)合追尾沖突數(shù)據(jù)與交通流數(shù)據(jù),應(yīng)用最大似然法進(jìn)行參數(shù)估計(jì),確定的追尾沖突預(yù)測模型為式中:Pi(n)為區(qū)段i發(fā)生n次追尾沖突的概率;μi為區(qū)段i追尾沖突發(fā)生次數(shù)期望值;xq為車道交通量;xb為大型車混入率;xv為車速差。6車輛行駛規(guī)則設(shè)置首先建立半幅封閉施工區(qū)的VISSIM仿真路段,見圖6,然后根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)設(shè)定交通特性參數(shù),最后結(jié)合施工區(qū)交通運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置車輛行駛規(guī)則。交通特性參數(shù)設(shè)置包括交通流參數(shù)、車型分類參數(shù)、交通組成、車輛期望車速分布及車輛的加減速特性參數(shù)設(shè)置等。交通流量設(shè)置時(shí)應(yīng)將產(chǎn)生點(diǎn)設(shè)置在施工區(qū)之外,并根據(jù)時(shí)段設(shè)置不同的流量范圍。為了真實(shí)模擬交通運(yùn)行狀態(tài),有必要設(shè)置合理的車輛行駛規(guī)則,本文中采用2種方法進(jìn)行速度控制:(1)設(shè)置減速區(qū),對合流處或轉(zhuǎn)向段等進(jìn)行速度控制;(2)使用期望車速決策點(diǎn),強(qiáng)制改變各類型車輛的期望速度。在施工區(qū)上游路段由于前方行車道封閉,超車設(shè)置為右側(cè)超車;在作業(yè)路段由于道路變窄,因此禁止超車;通過作業(yè)路段后,超車規(guī)則恢復(fù)為左側(cè)超車。通過設(shè)置停車線(紅線)和沖突標(biāo)志(綠線)來實(shí)現(xiàn)優(yōu)先規(guī)則設(shè)置,1個(gè)停車線可以對應(yīng)1個(gè)或多個(gè)沖突標(biāo)志,從而設(shè)置多個(gè)優(yōu)先規(guī)則。借助VISSIM施工區(qū)交通仿真平臺,開展了8個(gè)仿真試驗(yàn),對施工區(qū)的通行能力及其各項(xiàng)折減系數(shù)、各區(qū)段(正常路段、瓶頸路段和作業(yè)路段)的限速值、交通標(biāo)志布設(shè)距離及其效果等進(jìn)行仿真研究。部分仿真結(jié)果見表4~6。由表4,5可知,在限速值高于50km·h-1時(shí),交通沖突數(shù)量會隨著限速值的提高而顯著增加。7vissim仿真(1)對雙向四車道高速公路常見的施工區(qū)形式進(jìn)行了歸納和總結(jié),進(jìn)而以單向全封閉施工區(qū)(即半幅封閉施工半幅通車施工區(qū))為研究重點(diǎn),開展了交通流參數(shù)與交通沖突調(diào)查。在此基礎(chǔ)上,對施工區(qū)上游過渡段(發(fā)生排隊(duì)的主要路段)的車輛排隊(duì)狀態(tài)與車頭時(shí)距分布、施工區(qū)各區(qū)段的