劉學(xué)強(qiáng)，呂 路，樊祥喜，孟凌霄，劉煊志，鮑慶偉，徐海棟

（1.中建筑港集團(tuán)有限公司，山東 青島266033；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；3.中建山東投資有限公司，山東 濟(jì)南250002；4.中國(guó)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京10037）

高速公路在公路交通運(yùn)輸中的作用日益顯著，沿線經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)對(duì)其依賴不斷加強(qiáng)，因此保通交通組織是高速公路改擴(kuò)建期間的一項(xiàng)重要工作。高速公路改擴(kuò)建工程通過(guò)設(shè)置上游過(guò)渡區(qū)使車輛由封閉車道平穩(wěn)匯入開放車道[1]，設(shè)置合理的施工區(qū)上游過(guò)渡區(qū)對(duì)保障車輛運(yùn)行安全具有重要作用。

有效的交通組織是高速公路保通施工的關(guān)鍵。 常用的保通施工交通組織方式有半幅封閉借對(duì)向車道通行、半幅封閉繞行、封閉行車道、封閉路肩等[2-4]。利用交通仿真技術(shù)研究不同交通組織形式下施工控制區(qū)各段落長(zhǎng)度是一種有效方法[5-6]。 根據(jù)施工區(qū)上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置影響因素，過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算模型的相關(guān)研究也較多[7-8]。

高速公路施工方案與施工區(qū)交通組織方式是一對(duì)相互作用的關(guān)聯(lián)體。 姚斌以高速公路大修工程八車道、六車道以及匝道路段施工交通組織具體試驗(yàn)為例，說(shuō)明大交通量條件下高速公路施工時(shí)保通施工優(yōu)于質(zhì)量和成本控制的交通組織原則[9]。 《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30-2015)對(duì)封閉車道，封閉路肩，借對(duì)向車道通行，匝道施工等交通組織方式下交通安全設(shè)施設(shè)置方法和各施工控制區(qū)段落長(zhǎng)度進(jìn)行了規(guī)定[1]。此外，施工區(qū)上游過(guò)渡區(qū)車輛運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)以及行車安全保障也是高速公路施工區(qū)的一個(gè)研究熱點(diǎn)[10-12]。

國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)高速公路施工區(qū)上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度與車輛運(yùn)行特性的研究較多， 但未區(qū)分不同施工方案、不同交通組織方式對(duì)上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置帶來(lái)的影響。 由于現(xiàn)有規(guī)范僅針對(duì)公路養(yǎng)護(hù)維修施工控制區(qū)進(jìn)行規(guī)定，而一般公路養(yǎng)護(hù)維修與高速公路改擴(kuò)建工程在施工工期等方面具有較大差異，現(xiàn)有研究結(jié)論不能滿足高速公路改擴(kuò)建施工對(duì)上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置的需要。

本文通過(guò)調(diào)研高速公路改擴(kuò)建期間不同施工方案下交通流運(yùn)行特性，利用單因素方差分析對(duì)比不同施工方案之間車速、車頭時(shí)距的顯著性，確定研究對(duì)象。設(shè)計(jì)了不同施工方案不同交通組織方式相互結(jié)合的道路仿真場(chǎng)景，利用駕駛模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；通過(guò)分析不同過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度條件下封閉車道上游車輛速度特征與可匯入概率，為高速公路改擴(kuò)建工程上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置的合理取值提供參考。

1 施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)交通流參數(shù)調(diào)查

1.1 調(diào)查路段

在S29 濱萊高速進(jìn)行施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)交通流參數(shù)調(diào)查。 該項(xiàng)目為高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，擴(kuò)建內(nèi)容包括路基、橋涵、分離式立交、通道加寬擴(kuò)建、路面改造加寬、新建擴(kuò)建互通、環(huán)保綠化景觀設(shè)計(jì)等工程。改擴(kuò)建方式以兩側(cè)拼寬為主， 局部單側(cè)分離， 部分新建八車道。 本次調(diào)研范圍為S29 濱萊高速濱州至博山段K58+467.8～K98+753.7，該路段設(shè)計(jì)速度120（100） km/h，施工區(qū)限速60 km/h。

根據(jù)濱萊高速改擴(kuò)建施工交通組織方案，共選取7 處不同類型的施工作業(yè)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別是路面拓寬（挖方段）施工區(qū)、橋梁拼寬施工區(qū)、互通改造施工區(qū)、借用對(duì)向車道通行施工區(qū)、路基抬高施工區(qū)、跨線橋和路改橋施工區(qū)。 調(diào)研斷面位置及路段線形特征如表1 所示。

表1 調(diào)研斷面位置及路段線形特征Tab.1 The line characteristics of investigation freeway section

1.2 調(diào)研設(shè)備

采用Metro-Count 5 600 車輛分型統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行交通量調(diào)查。 Metro-Count 5 600 車輛分型統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)可檢測(cè)1-2 條車道交通流數(shù)據(jù)，分車道統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可獲得每一輛車的詳細(xì)信息，如日期時(shí)間、車速、大軸距、車頭時(shí)距、時(shí)間間距、軸數(shù)、軸組數(shù)、車型等。

1.3 數(shù)據(jù)采集方案

為了降低時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的影響，采集時(shí)間均為工作日的上午8 點(diǎn)至下午6 點(diǎn)。 儀器布置全程在交通導(dǎo)行人員協(xié)助下進(jìn)行，將其放置于隱蔽地點(diǎn)以防止駕駛員的刻意減速行為。 數(shù)據(jù)采集斷面位于施工導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)前的開放車道上。 其車道布置方案如圖1。

圖1 調(diào)研設(shè)備Metro-Count 布置方案Fig.1 Investigation equipment Metro-Count layout scheme

2 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)交通流特征顯著性分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于各采集斷面交通流參數(shù)數(shù)據(jù)量較大，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)在樣本量較大時(shí)，車頭時(shí)距和運(yùn)行車速各總體分布均為正態(tài)分布[13-14]。 數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)將與平均值之差的絕對(duì)值超過(guò)3σ 的數(shù)據(jù)作為異常值進(jìn)行剔除，即刪除數(shù)據(jù)中|X-E（X）|≥3σ 的樣本值，該方法同樣用于后期駕駛模擬實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)的初步處理。 最終得到各路段車輛數(shù)及平均小時(shí)交通量，見表2。

表2 調(diào)研路段交通量及調(diào)研車輛總數(shù)Tab.2 The traffic volume and total vehicles of investigation freeway section

由表2 可知，調(diào)研路段交通量最大值小于700 veh/h，調(diào)研路段公路服務(wù)水平較高。開放車道小客車數(shù)占比大于65%，大型車對(duì)封閉車道車輛可匯入的最小間隙影響較小[8]。 因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)不考慮車型差異。

2.2 車頭時(shí)距顯著性分析

對(duì)各施工方案導(dǎo)行區(qū)起點(diǎn)車頭時(shí)距進(jìn)行分析，車頭時(shí)距分布箱型圖如圖2 所示。 橋梁拼寬、互通改造、借對(duì)向車道通行施工區(qū)上游過(guò)渡區(qū)車頭時(shí)距平均值均大于5 s。 橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，互通改造時(shí)導(dǎo)行區(qū)車頭時(shí)距的各項(xiàng)指標(biāo)值最大，可能與由互通立交駛離高速的車輛干擾有關(guān)。其次為借對(duì)向車道通行的情況，造成其車頭時(shí)距較大的直接原因?yàn)檐囕v運(yùn)行速度降低，間接原因?yàn)檐囕v借對(duì)向車道通行時(shí)需要經(jīng)過(guò)中央分隔帶進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)彎，客觀操作的復(fù)雜性與轉(zhuǎn)彎條件的限制導(dǎo)致駕駛員保持車距通過(guò)施工路段。橋梁拼寬段車頭時(shí)距平均值為6.3 s，原因可能是橋梁拼寬設(shè)置的臨時(shí)路側(cè)護(hù)欄對(duì)駕駛員產(chǎn)生了較大的心理壓力。 路面拓寬、路基抬高、跨線橋?qū)袇^(qū)的車頭時(shí)距分布基本相同。

為了定量說(shuō)明不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)車頭時(shí)距分布的顯著性差異， 利用SPSS 軟件對(duì)7 種施工方案的車頭時(shí)距進(jìn)行單因素方差分析。 分析結(jié)果表明：在顯著性水平α=0.05 的條件下，路面拓寬、路基抬高、跨線橋3 種施工方案相互之間均不存在顯著差異（P=0.966，P=1.000，P=0.995），可作為一個(gè)分析組；路改橋與跨線橋之間不存在顯著性差異（P=0.083），但與其他各施工方案均存在顯著性差異，因此，需對(duì)該類施工方案進(jìn)行單獨(dú)分析；橋梁拼寬與互通改造（P=0.973）、互通改造與借用對(duì)向車道通行（P=0.346）之間不存在顯著性差異。 雖然橋梁拼寬與借對(duì)向車道通行存在顯著性差異，但選用互通立交改造可以同時(shí)代表橋梁拼寬與借用對(duì)向車道通行。

圖2 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)車頭時(shí)距箱型圖Fig.2 Upstream transition area headway box-plot of road guidance

2.3 運(yùn)行車速顯著性分析

不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)運(yùn)行車速箱型圖如圖3 所示。 運(yùn)行速度的分布規(guī)律與車頭時(shí)距的分布規(guī)律一致。 車輛在互通立交區(qū)的斷面車速統(tǒng)計(jì)值最低，數(shù)據(jù)離散度最小；借對(duì)向車道通行的導(dǎo)行區(qū)過(guò)渡區(qū)起點(diǎn)， 不僅其平均車速值較小，而且車速離散度非常大，具體原因與車頭時(shí)距顯著性分析結(jié)果相同。 其余施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)車速差異性較小。 總的來(lái)看，不同施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)平均速度均大于限速值60 km/h。

對(duì)不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)運(yùn)行車速進(jìn)行單因素方差分析。 多重比較結(jié)果顯示，路面拓寬、橋梁拼寬、路改橋相互之間均不存在顯著性差異（P=0.096，P=0.988，P=0.919），互通改造與借用對(duì)向車道通行之間不存在顯著性差異（P=0.402），路基抬高與橋梁拼寬（P=0.351）、路基抬高與跨線橋（P=0.215）之間不存在顯著性差異，雖然橋梁拼寬與跨線橋之間存在顯著性差異，但是路基抬高可以同時(shí)反應(yīng)上述兩種施工方案。

綜合車頭時(shí)距與運(yùn)行車速顯著性分析結(jié)果，互通立交改造與借對(duì)向車道通行兩種施工方案不存在顯著性差異，其余施工方案的車頭時(shí)距或運(yùn)行車速均存在顯著性差異。

圖3 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)運(yùn)行速度箱型圖Fig.3 Upstream transition area velocity box-plot of road guidance

3 基于駕駛模擬的施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置

3.1 駕駛模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

根據(jù)施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，選擇路面拓寬、橋梁拼寬、互通改造3 種施工方式進(jìn)行上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置研究。

1） 上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值

根據(jù)可接受間隙理論建立的高速公路改擴(kuò)建期間上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算模型和實(shí)測(cè)交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度理論設(shè)計(jì)值計(jì)算[15]。首先需要確定實(shí)測(cè)交通流數(shù)據(jù)的車頭時(shí)距分布模型。采用愛爾朗分布擬合車頭時(shí)距分布，結(jié)果如圖4 所示。根據(jù)概率密度曲線與卡方檢驗(yàn)結(jié)果可知，路面拓寬、橋梁拼寬施工作業(yè)方案的車頭時(shí)距均服從一階愛爾朗分布， 互通改造導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)車頭時(shí)距服從二階愛爾朗分布。

圖4 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)車頭時(shí)距擬合結(jié)果Fig.4 Upstream transition area headway fitting result

為了保障改擴(kuò)建上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置能夠供大多數(shù)車輛不經(jīng)排隊(duì)即可由封閉車道上游匯入開放車道，在利用模型計(jì)算其長(zhǎng)度時(shí)，封閉車道上游車速取限速值60 km/h。 車輛可匯入開放車道概率取95%，按照劉天龍研究中上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算方法[15]，其計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 不同施工方案導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果Tab.3 Upstream transition area lengths calculation result

2） 導(dǎo)行區(qū)其他組成部分指標(biāo)值設(shè)計(jì)

施工作業(yè)控制區(qū)中警告區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過(guò)渡區(qū)以及終止區(qū)長(zhǎng)度分別按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）[16]、《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》（JTH H30-2015）以及《道路交通標(biāo)志標(biāo)線》（GB 5768-2009）規(guī)定取值。 本次實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)路段限速60 km/h 的實(shí)際情況， 警告區(qū)長(zhǎng)度取1 600 m， 縱向緩沖區(qū)長(zhǎng)度為200 m，工作區(qū)長(zhǎng)度根據(jù)施工方案在50～200 m 之間取值，下游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度與終止區(qū)長(zhǎng)度均取30 m。

3） 仿真實(shí)驗(yàn)路段設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)路段按照S29 濱萊高速K54+900～K124+240 線形資料設(shè)計(jì)，主線長(zhǎng)69.34 km。 平面線形最小圓曲線半徑1 500 m，最小緩和曲線長(zhǎng)度270 m，直線路段路拱橫坡為-2%，曲線路段按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求設(shè)置超高。 橫斷面采用24.5 m 寬的標(biāo)準(zhǔn)斷面形式，即2.5（硬路肩）+2×3.75（行車道）+0.75（路緣帶）+3（中央分隔帶）+0.75（路緣帶）+2×3.75（行車道）+2.5（硬路肩）。 為了簡(jiǎn)化道路縱坡變化對(duì)本實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的影響，實(shí)驗(yàn)路段設(shè)置不大于1%的縱坡。 在視線開闊，線形良好的實(shí)驗(yàn)路段上設(shè)置包括關(guān)閉車道、壓縮車道、借用對(duì)向車道、借用硬路肩4 種交通組織方式和路面拓寬、橋梁拼寬、互通改造3 種施工方案相互結(jié)合的15個(gè)施工控制區(qū)導(dǎo)行段。

3.2 駕駛員與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次招募16 名駕駛員以小客車為實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 其中男性駕駛員13 名，女性駕駛員3 名；駕齡小于5 年的駕駛員有12 名，其余4 名駕駛員駕齡在5～10 年之間。

利用由日本Forum8 開發(fā)的UC-win/road 駕駛模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 該軟件主要提供了地形、 道路構(gòu)造、模型、交通流及自然環(huán)境的模擬，并能夠連接多種性能與規(guī)模的駕駛模擬控制設(shè)備，進(jìn)行車輛駕駛模擬并利用專用程序進(jìn)行駕駛車輛及周邊交通流的數(shù)據(jù)采集[17-18]。

為了使駕駛員能夠熟悉模擬器的操作方法和適應(yīng)模擬駕駛環(huán)境， 實(shí)驗(yàn)前使每名駕駛員先練習(xí)通過(guò)20 km 的模擬器自帶道路場(chǎng)景，然后駛?cè)雽?shí)驗(yàn)場(chǎng)景。 在每個(gè)導(dǎo)行控制區(qū)中均由封閉車道上游經(jīng)過(guò)變道駛?cè)胂噜彽拈_放車道。

3.3 基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值檢驗(yàn)

根據(jù)獲得的駕駛模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)反算車輛在駕駛模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中成功匯入開放車道的概率，檢驗(yàn)上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度的設(shè)置值是否滿足實(shí)際設(shè)置需要。

在路面拓寬、關(guān)閉車道施工區(qū)域，車輛到達(dá)率為0.18 veh/s；愛爾朗分布階數(shù)為1，開放車道車速為19.96 m/s，上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度為120 m，車輛成功匯入開放車道的概率如式1

其他導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)車輛能夠成功匯入開放車道的概率計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 上游過(guò)渡區(qū)車輛能成功匯入開放車道的概率Tab.4 Probability of vehicle joining the opening lane in upstream transition area

由表4 可以看出，各實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下上游過(guò)渡區(qū)車輛可匯入開放車道概率P（s）均大于95%，所以上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置滿足要求。在施工限速路段，如果進(jìn)行嚴(yán)格交通管理，開放車道車速會(huì)小于限制車速60 km/h，因此上述過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置尚有一定富余。

對(duì)比相同交通組織條件下不同施工方案車輛可匯入開放車道概率發(fā)現(xiàn)，互通改造、橋梁拼寬、路面拓寬路段的車輛可匯入概率呈現(xiàn)出逐級(jí)遞減現(xiàn)象，這與駕駛員在互通改造施工區(qū)域保持較大車頭時(shí)距，駕駛行為更為謹(jǐn)慎有關(guān)。

3.4 不同施工作業(yè)導(dǎo)行區(qū)上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置

根據(jù)車輛可匯入開放車道概率計(jì)算模型，假定上游過(guò)渡區(qū)車輛可匯入開放車道概率為95%，施工控制區(qū)開放車道限速60 km/h，可以計(jì)算在不同愛爾朗分布階數(shù)、開放車道交通量和施工方案條件下上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置值（結(jié)果取為整5 m），如表5 所示。

表5 上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置值Tab.5 Lengths of upstream transition area

由表5 可知，在相同愛爾朗分布階數(shù)條件下，隨著開放車道交通量的增長(zhǎng)，不同施工方案之間路面拓寬與橋梁拼寬上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置值相近，互通改造較路面拓寬與橋梁拼寬上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置值小。 在相同施工方案條件下，隨著開放車道交通量的增長(zhǎng)，二階愛爾朗分布較一階愛爾朗分布上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置值增長(zhǎng)速度快。 本研究結(jié)論較公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程（JTG H30-2015）[1]所給定的在限速60 km/h 封閉車道寬度3.75 m 條件下，上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度最小值為120 m 的應(yīng)用范圍廣；較韋勇球[5]等研究中所給出的上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度最小值應(yīng)大于30 m 的可操作性強(qiáng)，因此具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高速公路改擴(kuò)建期間不同施工方案、不同交通組織方式下交通流數(shù)據(jù)的采集與分析，結(jié)合可接受間隙理論建立的高速公路改擴(kuò)建期間上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置模型，求得不同施工方案條件下上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度。 設(shè)計(jì)了包含不同施工方案、不同交通組織方式相互結(jié)合的15 個(gè)駕駛模擬仿真場(chǎng)景，并在仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中利用各施工方案上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果。將仿真實(shí)驗(yàn)上游過(guò)渡區(qū)車輛運(yùn)行速度平均值代入車輛可匯入開放車道概率計(jì)算模型，結(jié)果表明車輛可匯入概率均大于95%，說(shuō)明上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置的合理性。最后在假定車輛可匯入概率為95%，施工控制區(qū)開放車道限速為60 km/h 的條件下，由上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置模型得到不同愛爾朗分布階數(shù)、不同開放車道交通量條件下所需要的上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置值。