孟祥海，張龍釗，李生龍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150090；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088)

0 引言

高速公路的四改八車(chē)道為緩解交通壓力提供了新思路，施工期的高速公路面臨一邊通車(chē)一邊施工的復(fù)雜狀況，各保通階段交通服務(wù)水平的維護(hù)、工期保證等問(wèn)題凸顯，國(guó)內(nèi)在高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)時(shí)通常借鑒《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)程)，《規(guī)程》中針對(duì)四車(chē)道高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)控制區(qū)布置類(lèi)型只包含3類(lèi)，然而新的施工作業(yè)區(qū)類(lèi)型不斷出現(xiàn)，缺乏針對(duì)性的規(guī)范成為急需解決的問(wèn)題，需要對(duì)新型施工作業(yè)區(qū)開(kāi)展研究.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)施工作業(yè)區(qū)的通行能力、換道特性、交通組織與管理等進(jìn)行了研究并取得了具有一定參考價(jià)值的成果.在施工作業(yè)區(qū)通行能力方面，Al-Kaisy A.等[1]研究了交通量、車(chē)道變換行為、大貨車(chē)占比、速度等因素對(duì)通行能力的影響，提出高速公路施工區(qū)通行能力模型.Chaoru Lu等[2]基于Logistic模型采用修正的5個(gè)交通參數(shù)描述了施工區(qū)速度—密度關(guān)系，提出動(dòng)態(tài)的通行能力預(yù)測(cè)方法.Du等[3]提出一種基于非線(xiàn)性交通流模型和離散時(shí)間滑模控制的高速公路工作區(qū)可變限速控制理論來(lái)提高工作區(qū)通行能力.Wang等[4]利用雙層規(guī)劃模型對(duì)可變限速標(biāo)志的布設(shè)地點(diǎn)做了進(jìn)一步研究.車(chē)道變換研究方面，Guo Mingmin等[5]研究了變道率、車(chē)頭時(shí)距、目標(biāo)車(chē)道的選擇等，總結(jié)了相應(yīng)具有借鑒意義的結(jié)論.Weng等[6]利用施工作業(yè)區(qū)車(chē)輛換道軌跡數(shù)據(jù)建立的時(shí)變邏輯回歸模型對(duì)車(chē)輛換道行為進(jìn)行預(yù)測(cè)并取得了較好的預(yù)測(cè)效果.

孟祥海等[7]提出基于格林希爾治速度—流量模型的通行能力確定方法和基于運(yùn)行速度及道路交通條件修正的通行能力確定方法.王忠宇等[8]提出根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行軌跡線(xiàn)與車(chē)道線(xiàn)之間的幾何關(guān)系確定車(chē)輛換道起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)的方法，描述分車(chē)道的車(chē)輛換道長(zhǎng)度與換道起始點(diǎn)的關(guān)系；裴玉龍等[9]引入樣條曲線(xiàn)，建立曲率連續(xù)的期望運(yùn)行軌跡模型；吳江玲[10]通過(guò)改進(jìn)的LMRS模型，建立適用于分析養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)車(chē)輛換道行為的換道模型.

對(duì)高速公路施工區(qū)交通特性及通行能力的研究較多，但針對(duì)高速公路部分占用超車(chē)道交通控制區(qū)的研究較少，本文深入分析了四車(chē)道高速公路部分占用超車(chē)道交通控制區(qū)各區(qū)段車(chē)輛換道特性、分車(chē)道分車(chē)型的速度分布情況及通行能力等，并給出施工作業(yè)交通控制區(qū)布置建議，對(duì)提升道路利用率、保障交通運(yùn)行安全具有重要意義.

1 施工作業(yè)交通控制區(qū)布置及交通運(yùn)行條件分析

四車(chē)道高速公路部分占用超車(chē)道左側(cè)的施工作業(yè)交通控制區(qū)，如圖1所示，與《規(guī)程》中規(guī)定的四車(chē)道高速公路封閉內(nèi)側(cè)車(chē)道的施工作業(yè)交通控制區(qū)存在明顯的區(qū)別.①本文研究的交通控制區(qū)在施工作業(yè)區(qū)段尚能維持兩條車(chē)道通行，只是超車(chē)道左側(cè)側(cè)向凈空受限(因距施工作業(yè)面較近，取消了左側(cè)路緣帶)，車(chē)道寬度有所減少，只滿(mǎn)足3.5 m的車(chē)道寬度要求；《規(guī)程》中則是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單車(chē)道斷面.②交通控制方式有較大不同，本文研究的施工作業(yè)交通控制區(qū)中，警告區(qū)內(nèi)設(shè)置的是“左側(cè)道路變窄”標(biāo)志，沒(méi)有明確規(guī)定要變道至行車(chē)道上；《規(guī)程》中則設(shè)置“向右變道標(biāo)志”，即給出明確的變道要求及變道地點(diǎn)要求.圖1中：S為警告區(qū)長(zhǎng)度；LS為上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度；H為縱向緩沖區(qū)長(zhǎng)度；G為施工區(qū)長(zhǎng)度；LX為下游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度；Z為終止區(qū)長(zhǎng)度.

從交通條件上看，本研究中交通控制區(qū)的瓶頸效應(yīng)并不如《規(guī)程》中所規(guī)定的那樣明顯，但變窄、左側(cè)側(cè)向凈空受限的超車(chē)道利用率如何？超車(chē)道上的車(chē)輛是否會(huì)大量變道至行車(chē)道上？施工作業(yè)區(qū)段左側(cè)受限的雙車(chē)道道路通行能力有多大？整個(gè)交通控制區(qū)的車(chē)速變化特征是什么？這些問(wèn)題的解決，對(duì)今后優(yōu)化設(shè)置該類(lèi)交通控制區(qū)具有借鑒和指導(dǎo)意義.

2 交通調(diào)查與交通流數(shù)據(jù)采集

依托京滬高速公路新泰至臨沂段改擴(kuò)建工程，對(duì)部分占用左側(cè)超車(chē)道的施工作業(yè)區(qū)實(shí)施交通調(diào)查，該作業(yè)區(qū)位于京滬高速公路K656～K658處，利用無(wú)人機(jī)錄制2019年8月13日該施工作業(yè)區(qū)的交通實(shí)況，視頻時(shí)長(zhǎng)累計(jì)9 h.將施工作業(yè)控制區(qū)每30 m標(biāo)記為一個(gè)斷面，即檢測(cè)斷面.利用視頻處理軟件Premiere Pro CC 2017提取每一輛車(chē)在各個(gè)檢測(cè)斷面處的事件數(shù)據(jù)，包括車(chē)輛通過(guò)兩檢測(cè)斷面的視頻幀數(shù)、所處車(chē)道等原始信息.基于原始事件數(shù)據(jù)，經(jīng)斷面間車(chē)速計(jì)算(斷面間距除以視頻幀數(shù)的換算時(shí)間)及統(tǒng)計(jì)分析，即可得到分車(chē)型的交通量、斷面間車(chē)速及車(chē)輛變道位置等交通運(yùn)行參數(shù).施工作業(yè)交通控制區(qū)檢測(cè)斷面的設(shè)置如圖2所示.

圖1 四車(chē)道高速公路部分占用超車(chē)道交通控制區(qū)Fig.1 Overtaking lane partly occupied traffic control zone of four-lane expressway

圖2 施工作業(yè)交通控制區(qū)檢測(cè)斷面設(shè)置Fig.2 Inspection section setting of construction traffic control zone

3 交通量的車(chē)道分布及車(chē)輛換道特性

如圖2所示，在四車(chē)道高速公路部分占用超車(chē)道左側(cè)的施工作業(yè)交通控制區(qū)中，瓶頸路段(施工作業(yè)區(qū)段)也能保持兩車(chē)道通行，但每條車(chē)道的利用率及換道特性等問(wèn)題值得研究，涉及到車(chē)道劃分、車(chē)道寬度設(shè)置及交通控制方式選擇等相關(guān)技術(shù)問(wèn)題.

由警告區(qū)至上游過(guò)渡區(qū)直至終止區(qū)等6個(gè)區(qū)段構(gòu)成完整的施工作業(yè)交通控制區(qū)，其行車(chē)道和超車(chē)道的交通流量分布及變化情況如圖3所示，換道比例如圖4所示.

由圖3和圖4可知：從警告區(qū)起至終點(diǎn)前150 m處的警告區(qū)，絕大部分路段上行車(chē)道和超車(chē)道上的交通量幾乎相等，各占約50%，此時(shí)，行車(chē)道和超車(chē)道的車(chē)道寬度是相等的，與正常路段一致；從警告區(qū)前150 m至施工區(qū)前30 m，由于駕駛員發(fā)現(xiàn)(包括“左側(cè)變窄”交通標(biāo)志的指引作用)超車(chē)道左側(cè)凈空將受到限制且車(chē)道寬度變窄，大量車(chē)輛由超車(chē)道變道至行車(chē)道上，累計(jì)變道的車(chē)輛比例約36.90%(圖4)，因此，該區(qū)段(包括上游過(guò)渡區(qū)段全部，警告區(qū)終止區(qū)局部路段，以及上游緩沖區(qū)起始區(qū)局部路段)成為一個(gè)主要變道區(qū).

在施工作業(yè)區(qū)的全部路段，以及上游緩沖區(qū)終止區(qū)局部路段上，約90%的車(chē)輛行駛在行車(chē)道上，10%的車(chē)輛行駛在超車(chē)道上，超車(chē)道的利用率較低.行車(chē)道上的車(chē)輛駛出施工區(qū)后，又開(kāi)始換道至超車(chē)道，此時(shí)主要變道區(qū)為下游過(guò)渡區(qū)末端和終止區(qū).車(chē)輛駛出終止區(qū)后仍有少部分變道行為出現(xiàn)，變道方向仍是由超車(chē)道變道至行車(chē)道.

圖3 車(chē)道流量分布Fig.3 Lane flow distribution

圖4 換道位置分布Fig.4 Location distribution of lane changing

4 車(chē)速分布特性

施工作業(yè)交通控制區(qū)的上游正常路段、警告區(qū)路段、上游過(guò)渡區(qū)段等的設(shè)計(jì)速度、限速值、實(shí)測(cè)平均車(chē)速、實(shí)測(cè)運(yùn)行速度等指標(biāo)如表1，圖5和圖6所示.

表 1 交通控制區(qū)各區(qū)段的車(chē)速Table 1 Speed of each section in traffic control zone (km/h)

圖5 超車(chē)道和行車(chē)道上的車(chē)速平均值Fig.5 Average speed of overtaking lane and carriageway

圖6 各區(qū)段速度的正態(tài)分布圖Fig.6 Normal distribution of speed in each section

分析車(chē)速分布特性可知：①在較低交通量水平下，整個(gè)交通控制區(qū)的平均車(chē)速、運(yùn)行速度等均較高，上游過(guò)渡區(qū)、上游緩沖區(qū)、施工作業(yè)區(qū)段上的運(yùn)行速度高于限速值達(dá)30 km/h以上，這表明此時(shí)設(shè)置的限速值過(guò)低或駕駛員群體有明顯的超速行為；②由上游正常路段至警告區(qū)再至上游過(guò)渡區(qū)直至施工作業(yè)區(qū)段，車(chē)速均逐漸降低(但幅度不是很大)，在施工作業(yè)區(qū)段達(dá)到了最低值，這與施工作業(yè)交通控制區(qū)的道路條件及交通控制條件總體上是一致的；③各區(qū)段的車(chē)速均呈典型的正態(tài)分布且車(chē)速離散程度均較小(圖6)，車(chē)速差較小或車(chē)速集中，有利于道路交通安全.

針對(duì)施工作業(yè)交通控制區(qū)的車(chē)速分布特性，本文給出以下兩點(diǎn)建議：

(1)根據(jù)運(yùn)行速度調(diào)整交通控制區(qū)主要區(qū)段上的限速標(biāo)準(zhǔn)，比如，將運(yùn)行速度下浮5～10 km/h作為限速值，本交通控制區(qū)警告區(qū)后半段的限速值可取90 km/h，上游過(guò)渡區(qū)、緩沖區(qū)、作業(yè)區(qū)的限速值可取80 km/h，這樣可有效提高交通控制區(qū)的通行效率，減少交通延誤.

(2)對(duì)于邊通車(chē)邊施工的高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，若仍對(duì)社會(huì)車(chē)輛收取通行費(fèi)用(不降價(jià))，則限速60 km/h有些偏低；另外，駕駛員行車(chē)及交通執(zhí)法均會(huì)面臨一定的困難，一方面高速公路的最低限速值一般為60 km/h，而此時(shí)又規(guī)定最高限速值為60 km/h，駕駛員及交通執(zhí)法者難于操作該交通控制條件.

5 道路通行能力研究

施工作業(yè)區(qū)段是一個(gè)典型的瓶頸路段，警告區(qū)、過(guò)渡區(qū)、緩沖區(qū)等交通控制區(qū)的設(shè)置，就是圍繞如何安全、有序、快速地通過(guò)瓶頸區(qū)而采取的交通組織與控制方式.

基于Greenshields原理，對(duì)上游正常路段、警告區(qū)路段、施工作業(yè)區(qū)段標(biāo)定了速度—流量關(guān)系模型.

上游正常路段為

警告區(qū)路段為

施工作業(yè)區(qū)為

式中：Q為小時(shí)流量(pcu/(h?ln))；U為速度(km/h)；R為相關(guān)系數(shù).

速度—流量關(guān)系曲線(xiàn)及速度與流量的樣本點(diǎn)如圖7所示.依據(jù)速度與流量關(guān)系模型，確定上述3個(gè)區(qū)段的自由流速度、阻塞密度及道路通行能力，如表2所示.

圖7 各主要區(qū)段速度—流量關(guān)系Fig.7 Speed-flow relationship of each section

表 2 交通控制區(qū)的道路通行能力Table 2 Capacity of traffic control zone

分析各主要區(qū)段的道路通行能力可知：

(1)從正常路段至警告區(qū)再至施工作業(yè)區(qū)段，道路通行能力逐漸降低，降低值分別為27 pcu/(h·ln)和148 pcu/(h·ln)，相對(duì)前一個(gè)區(qū)段通行能力分別下降1.57%和8.73%，即由警告區(qū)末端至施工作業(yè)區(qū)段道路通行能力下降較大.

(2)施工作業(yè)區(qū)段的道路通行能力為1547pcu/(h·ln)，斷面最大的小時(shí)交通量為3094pcu，因此，當(dāng)達(dá)到小時(shí)交通量超過(guò)3 094 pcu時(shí)，應(yīng)在施工作業(yè)交通控制區(qū)的上游分流點(diǎn)進(jìn)行必要的交通分流.另外，當(dāng)預(yù)測(cè)高峰小時(shí)交通量超過(guò)該值，在確定改擴(kuò)建工程施工期的交通組織方案時(shí)，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的分流組織設(shè)計(jì).

依據(jù)施工作業(yè)交通控制區(qū)的道路通行能力大小，給出建議：應(yīng)根據(jù)控制區(qū)中交通瓶頸路段(多為施工作業(yè)區(qū)段)的斷面通行能力大小，合理確定強(qiáng)制分流時(shí)的交通量上限值，這是確定路網(wǎng)分流方案及分流車(chē)型選擇的重要依據(jù).

6 施工作業(yè)交通控制區(qū)優(yōu)化設(shè)置建議

針對(duì)四車(chē)道高速公路部分占用超車(chē)道左側(cè)的施工作業(yè)交通控制區(qū)，依據(jù)其交通量的車(chē)道分布特性及車(chē)輛換道特性，給出以下兩點(diǎn)建議：

(1)通過(guò)交通分流后，若實(shí)測(cè)或預(yù)測(cè)高峰小時(shí)交通量尚未超過(guò)單車(chē)道通行能力時(shí)，考慮將施工作業(yè)區(qū)段的雙車(chē)道改為單車(chē)道，從而增加車(chē)道的側(cè)向余寬(重點(diǎn)是遠(yuǎn)離施工作業(yè)面)，通過(guò)在警告區(qū)內(nèi)設(shè)置變道標(biāo)志后(使車(chē)輛有序地在規(guī)定地段變道)，其安全效果和通行效率也有可能要高于目前的雙車(chē)道設(shè)置方式.

(2)當(dāng)實(shí)測(cè)或預(yù)測(cè)高峰小時(shí)交通量較大時(shí)，施工作業(yè)區(qū)段采用雙車(chē)道是必然的.為提高超車(chē)道的利用率，宜將行車(chē)道和超車(chē)道整合后重新劃分車(chē)道，使行車(chē)道和超車(chē)道的通行條件大體相當(dāng).交通控制方式也應(yīng)相應(yīng)調(diào)整，例如，將原來(lái)的“左側(cè)單路變窄”標(biāo)志調(diào)整為“雙側(cè)道路變窄”標(biāo)志等.

7 結(jié)論

交通量處于較低水平時(shí)，超車(chē)道變窄且左側(cè)凈空受限使超車(chē)道的利用率較低，只有正常水平的20%左右，造成大量未預(yù)期變道行為，此時(shí)，應(yīng)對(duì)車(chē)道劃分、車(chē)道設(shè)置及交通控制方式等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；交通控制區(qū)各主要區(qū)段上的車(chē)速均呈離散程度較小的正態(tài)分布，車(chē)速差變小有利于交通安全，但在較低交通量水平下，交通控制區(qū)的平均車(chē)速、運(yùn)行速度等均較高，較高的實(shí)際運(yùn)行速度與較低限速標(biāo)準(zhǔn)(為確保安全而選擇了限速值)間的矛盾突出，因此，建議使用運(yùn)行速度作為限速值的取值依據(jù)；交通控制區(qū)中施工作業(yè)區(qū)段的道路通行能力最低，只有正常路段的89%左右，因此，在保障交通安全的前提下應(yīng)著力提高瓶頸路段的道路通行能力，并將瓶頸路段的斷面通行能力作為是否進(jìn)行強(qiáng)制分流的依據(jù).