基于服務(wù)水平的道路施工交通影響范圍確定方法

姜 康,石章鵬,陳 熹,張衛(wèi)華

(合肥工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

基于服務(wù)水平的道路施工交通影響范圍確定方法

姜 康,石章鵬,陳 熹,張衛(wèi)華

(合肥工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

在對已有建設(shè)項(xiàng)目交通影響范圍確定方法分析比較的基礎(chǔ)上，在道路施工期間，通過引入特征信號交叉口的概念，以交叉口整體飽和度服務(wù)水平等級不下降作為收斂條件，提出了基于服務(wù)水平的道路施工交通影響范圍確定方法。通過比較道路施工前后交叉口的飽和度服務(wù)水平等級大小，來確定道路施工影響范圍。實(shí)例應(yīng)用表明：通過交叉口整體飽和度服務(wù)水平等級來確定道路施工交通影響范圍方法的有效性，具有重要的實(shí)際意義，為城市道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供參考。

交通運(yùn)輸工程；特征信號交叉口；交通分配；道路施工；飽和度；交通影響范圍

交通影響范圍是指建設(shè)項(xiàng)目達(dá)到交通影響分析閾值時(shí)，分析評價(jià)周邊路段和交叉口所在區(qū)域的近遠(yuǎn)期交通狀況[1]，其含義如圖1。

圖1 交通影響范圍定義Fig.1 Definition of traffic impact area

交通影響范圍是進(jìn)行交通影響分析和評價(jià)的重要內(nèi)容,須要明確實(shí)施交通改進(jìn)措施的區(qū)域。

在目前交通需求日益加大的緊張情況下，如何準(zhǔn)確合理地確定交通影響范圍，既能達(dá)到減少節(jié)約項(xiàng)目建設(shè)成本，又能滿足交通需求，是交通影響分析理論和實(shí)踐中很重要也是很迫切的問題。故交通影響范圍的確定方法是目前需要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，具有重要的實(shí)際意義。

1 交通影響范圍方法的確定

交通影響分析已在美國、英國等多個(gè)國家城市得到廣泛應(yīng)用，但大多忽視了建設(shè)項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)性和持續(xù)性[2]。由于國外交通出行方式比較單一，路網(wǎng)密度較大，國外對于影響范圍的確定方法大多是通過問卷調(diào)查或依靠各級主管部門和專家經(jīng)驗(yàn)來主觀確定[3]。W．A．SARASUA等[4]研究了高速公路施工路段排隊(duì)長度的評估方法。CHEN Qian等[5]研究在大型活動(dòng)突發(fā)事件情況下，基于CTM和交通管理措施基礎(chǔ)上，提出了對于突發(fā)事件情況下交通影響范圍確定方法。國內(nèi)學(xué)者主要對大型建設(shè)項(xiàng)目、突發(fā)事件等方面進(jìn)行了相關(guān)研究?；魦I敏等[6]基于后評價(jià)原理，采用權(quán)重判斷法篩選評價(jià)指標(biāo)，確定各指標(biāo)權(quán)重，建立了城市建設(shè)項(xiàng)目交通影響后評價(jià)模型，并通過實(shí)例驗(yàn)證該模型有效。孟維偉等[7]考慮了出行時(shí)間對出行者路徑選擇行為的影響，提出了一種更符合實(shí)際道路交通狀況的基于行程時(shí)間可靠性的交通影響范圍確定方法，用實(shí)例驗(yàn)證該方法的可操作性和適用性。馬劍等[8]利用卡爾曼濾波算法對交通突發(fā)事件影響時(shí)間進(jìn)行預(yù)測，給出了相應(yīng)計(jì)算方法和步驟，通過實(shí)際路網(wǎng)計(jì)算驗(yàn)證了該方法的可行性。劉偉等[9]在施工交通影響區(qū)域內(nèi)，以現(xiàn)狀交通量和道路條件為基礎(chǔ)、路徑的行程時(shí)間可靠性為約束，采用了容量約束分配法，降低了施工占道對交通運(yùn)行的影響。

1.1 煙羽模型法

煙羽模型法是一種基于協(xié)同學(xué)理論的，把建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生(吸引)的交通量對周圍路網(wǎng)的影響當(dāng)作空氣中的煙霧來確定建設(shè)項(xiàng)目交通影響范圍的方法[10]。該方法以職工崗位數(shù)為關(guān)鍵因素，其關(guān)系到建設(shè)項(xiàng)目的位能，其最大影響距離為：

(1)

式中：xd為最大影響距離，m；ζ為建設(shè)項(xiàng)目交通量向外擴(kuò)散的比例，ζ∈(0,1)；P為職工崗位數(shù)，人；α，β為位能常數(shù)；Cd為建設(shè)項(xiàng)目對周圍路網(wǎng)的極限影響力。

1.2 基于出行時(shí)間的量化方法

此方法的基本思想是在以等時(shí)線為形式來進(jìn)行時(shí)間分析的基礎(chǔ)上，將出行時(shí)間作為量化交通影響范圍的主要依據(jù)[11]。其步驟是：先初步劃定交通影響范圍，接著對影響范圍項(xiàng)目周邊路網(wǎng)進(jìn)行交通負(fù)荷的調(diào)整、分析和評價(jià)，在此基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行調(diào)整，并對有無建設(shè)項(xiàng)目的兩種情況下分析比較路網(wǎng)交通出行時(shí)間，然后進(jìn)行判定是否為建設(shè)項(xiàng)目的交通影響范圍。

該方法的關(guān)鍵是量化出行時(shí)間，其規(guī)定為兩點(diǎn)間的時(shí)間距離，等于道路路段路阻(各路段行駛時(shí)間)與交叉口延誤時(shí)間之和，計(jì)算公式為

(2)

式中：T為兩點(diǎn)間的時(shí)間距離，min；ti為各路段的路阻，min；di為各交叉口延誤的時(shí)間，min。

1.3 基于閾值分析的方法

由于交叉口通行能力、車輛延誤都和信號周期有關(guān)，一般情況下延長信號周期時(shí)間，可以提高交叉口通行能力，但不能無限延長或縮短，周期過長過短都會(huì)對交叉口通行能力產(chǎn)生影響。根據(jù)圖2中信號交叉口服務(wù)水平與延誤的關(guān)系可知，適當(dāng)調(diào)整信號周期，對交叉口服務(wù)水平?jīng)]多大影響。故可考慮從這方面去判定道路施工交通量的轉(zhuǎn)移對周邊交叉口的影響程度[12]。

圖2 F-B理論信號周期與每車延誤時(shí)間關(guān)系Fig.2 The graph of F-B signal cycle theory and delay time per vehicle

信號周期計(jì)算方法為C=(1.5L+5)/(1-Y)；其中：Y代表流量比；L為一個(gè)信號周期內(nèi)的總損失時(shí)間。

由C=(1.5L+5)/(1-Y)可知，在相位條件確定情況下，通過流量比可以得到信號周期。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中流量比的數(shù)值較容易獲得，故選擇式(3)的流量比作為信號交叉口是否在交通影響范圍內(nèi)的評判指標(biāo)[13]。

(3)

式中：qi為臨界車道的交通量；si為臨界車道的飽和流量；k為相位數(shù)。

1.4 交通影響范圍確定方法的分析比較

對上述方法分析比較可知，煙羽模型法比較簡便，但對項(xiàng)目周邊路網(wǎng)的交通特性等因素考慮較少，對于不同開發(fā)類型、規(guī)模和強(qiáng)度的建設(shè)項(xiàng)目來說具有良好的適用性?；诔鲂袝r(shí)間的量化方法在基于出行時(shí)間分析基礎(chǔ)上，能夠較精確的判定項(xiàng)目的交通影響范圍，適用于規(guī)模較小的建設(shè)項(xiàng)目。相比于以往建設(shè)項(xiàng)目采用交叉口延誤指標(biāo)來確定影響范圍來說，基于閾值分析方法更為直接，可直接用于道路施工管理方案的制定。

但是這幾種方法仍存在許多不足，如標(biāo)定、驗(yàn)證模型的數(shù)據(jù)不易采集；模型或公式中存在模糊性大且較多的影響因素，不利于分析；主要都是研究規(guī)模較大的開發(fā)項(xiàng)目或大型商業(yè)建設(shè)項(xiàng)目的交通影響范圍，尤其對道路施工交通影響范圍確定方法這方面研究很有限。

基于此，筆者以定量方式提出，以道路施工交通影響范圍邊界上，特征信號交叉口高峰小時(shí)整體飽和度的服務(wù)水平等級為收斂條件，來確定道路施工交通影響范圍的方法，降低了主觀判定的差異性。

2 基于服務(wù)水平的確定方法

2.1 特征信號交叉口

特征信號交叉口是指在交通影響范圍邊界上，一些具有典型性特征的信號交叉口。分為高等級道路相交的信號交叉口、飽和度較大的信號交叉口以及轉(zhuǎn)換功能較強(qiáng)的信號交叉口。

2.2 收斂條件的確定方法

筆者通過影響范圍邊界上特征信號交叉口，高峰小時(shí)整體飽和度的服務(wù)水平等級不下降為收斂條件。在施工影響范圍邊界上，因施工產(chǎn)生的分流對劃定的特征信號交叉口均有影響，但由于交叉口通行能力不同、駕駛員駕駛習(xí)慣存在差異、連接交叉口的路段上交通狀況不同等原因，故對某些特征信號交叉口影響較大，另一部分影響較小。如果分別考慮每個(gè)特征信號交叉口在施工前后高峰小時(shí)服務(wù)水平的等級變化情況，再判定服務(wù)水平等級下降的交叉口個(gè)數(shù)所占的比重，由于這個(gè)“比重”的大小難以判定，在整體上就難以評估此影響范圍是否為最終的施工影響范圍。筆者考慮特征信號交叉口的高峰小時(shí)整體飽和度服務(wù)水平等級，如式(4)。在當(dāng)前選定的施工影響范圍邊界上，施工后所有特征信號交叉口高峰小時(shí)的整體飽和度服務(wù)水平等級和施工前相比下降，則此施工影響范圍在最終施工影響范圍內(nèi)，否則在最終施工影響范圍之外。

(4)式中：Y整體為影響范圍內(nèi)特征信號交叉口高峰小時(shí)整體飽和度；yi為影響范圍內(nèi)第i個(gè)特征信號交叉口高峰小時(shí)飽和度；n為影響范圍特征信號交叉口個(gè)數(shù)。

2.3 交叉口飽和度

我國信號交叉口的服務(wù)水平衡量指標(biāo)主要是車輛延誤、車輛排隊(duì)長度、交叉口飽和度和交叉口平均車速這4部分。信號交叉口飽和度增加時(shí)，車速降低，如果信號配時(shí)不變，則車輛排隊(duì)長度增加，車輛延誤加大；當(dāng)飽和度降低時(shí)，車速增加，車輛排隊(duì)長度減小，車輛延誤也隨之變小。因此，其他3項(xiàng)指標(biāo)都與交叉口飽和度有一定的關(guān)系，此外飽和度更能體現(xiàn)交叉口的擁擠程度。

筆者對道路施工期間交通影響范圍的評價(jià)指標(biāo)采用信號交叉口的飽和度來評判。用飽和度作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，交叉口服務(wù)水平可按表1來分級[14-16]。

表1 信號交叉口服務(wù)水平分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of service level at signalized intersection

2.4 道路施工交通影響范圍的確定

筆者基于城市建設(shè)項(xiàng)目中“圈層外推法”的思想來確定施工影響范圍。即：以施工路段所在位置為中心，以特征信號交叉口的整體高峰小時(shí)飽和度服務(wù)水平等級為控制指標(biāo)，從中心依次向外圍路網(wǎng)擴(kuò)展，形成若干個(gè)圈層。設(shè)定收斂條件為：當(dāng)前圈層上因施工造成的所有特征信號交叉口高峰小時(shí)飽和度服務(wù)水平等級下降，而下一圈層的等級不變，則當(dāng)前圈層即為最終施工影響范圍。圖3為假定道路網(wǎng)系統(tǒng)中施工范圍的影響。

圖3 施工影響范圍Fig.3 Construction impacted area

圖3(a)中圓圈包圍區(qū)域的中間段表示施工路段。以施工路段為中心，首先建立第1圈層施工影響范圍為圖中6個(gè)圓圈包圍的部分，6個(gè)圓圈為范圍邊界上的特征信號交叉口。經(jīng)調(diào)查可得第1圈層范圍內(nèi)的各路段高峰小時(shí)交通量，以圓圈類比于交通小區(qū)的起訖點(diǎn)，利用TransCAD中的用戶均衡法(UE)進(jìn)行OD反推和交通分配，得出施工前后第1圈層范圍內(nèi)各路段的高峰小時(shí)交通流量Vi。特征信號交叉口各進(jìn)口道的車道組成均可通過調(diào)查得知，利用停車線法，可確定影響范圍邊界上各特征信號交叉口的通行能力Ci。此時(shí)Vi與Ci的比值即為施工前后第1圈層范圍邊界上各特征信號交叉口高峰小時(shí)的飽和度，進(jìn)一步得出施工前后第1圈層范圍邊界上各特征信號交叉口高峰小時(shí)的整體飽和度服務(wù)水平等級。比較施工前后的等級大小，如施工后較施工前等級下降，則不滿足收斂條件，繼續(xù)向外擴(kuò)展施工影響范圍邊界。

繼續(xù)向外擴(kuò)展，形成如圖3(b)中由12個(gè)圓圈包圍的第2圈層施工影響范圍。重復(fù)前述步驟，比較施工前后特征信號交叉口的高峰小時(shí)整體飽和度。如不滿足收斂條件，再次向外擴(kuò)展施工影響范圍。

圖3(c)中，由16個(gè)圓圈包圍部分為第3圈層施工影響范圍。通過計(jì)算，如果此圈層上各特征信號交叉口在施工前后的高峰小時(shí)整體飽和度服務(wù)水平等級相同，則滿足收斂條件；因此取第2圈層施工影響范圍作為最終道路施工期間交通影響范圍。

綜上所述，基于高峰小時(shí)特征信號交叉口飽和度服務(wù)水平等級的，道路施工交通影響范圍確定方法過程如流程圖4。

圖4 道路施工交通影響范圍確定方法流程Fig.4 Flow of determining the construction impacted area

3 算例分析

3.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本次實(shí)例應(yīng)用中，考慮2008年馬鞍山路中段(南二環(huán)—長江中路)全封閉施工期間道路交通組織方案，如圖5中線段表示部分為研究路段。

圖5 施工路段位置Fig.5 Location of construction road section

對施工路段周邊現(xiàn)狀道路網(wǎng)，經(jīng)2008年道路施工前調(diào)查分析，獲取各路段通行能力及現(xiàn)狀交通量數(shù)據(jù)及項(xiàng)目周邊主要交叉口通行能力。

3.2 確定道路施工交通影響范圍

采用第2節(jié)介紹的方法，確定馬鞍山路中段道路施工期間的施工影響范圍。

3.2.1 第1圈層施工影響范圍

第1圈施工影響范圍為蕪湖路—巢湖路—南一環(huán)路—寧國路包圍的區(qū)域(圖6)。由于寧國路與南一環(huán)路交叉口形式為右進(jìn)右出，同時(shí)考慮道路交通及交叉口狀況，選取圖中5個(gè)圓圈為第1圈層施工影響范圍的特征信號交叉口。

圖6 第1圈層施工影響范圍及特征信號交叉口位置Fig.6 Construction impacted area and characteristic signalized intersection of first circle-layer

由調(diào)查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可得出第1圈施工影響范圍內(nèi)各路段在施工前的高峰小時(shí)交通量，借助TransCAD中的OD反推模型，得到以特征信號交叉口為起訖點(diǎn)的OD表(表2)。

表2 第1圈層施工影響范圍OD表Table 2 OD table of construction impacted area of first circle-layer

利用表2中的OD表數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行施工前和施工后的交通分配，得出第1圈層在施工前后各路段的編號及交通量，如圖7和表3。其中，A-B流量和B-A流量分別表示路段高峰小時(shí)東—西(南—北)、西—東(北—南)交通量的大小。

圖7 第1圈層施工前后路段編號Fig.7 Section number of first circle-layer before and after construction表3 第1圈層施工前后路段交通量Table 3 Traffic volume of first circle-layer before and after construction

編號施工前施工后AB流量qAB/(pcu·h-1)BA流量qBA/(pcu·h-1)AB流量qAB/(pcu·h-1)BA流量qBA/(pcu·h-1)1898881989973288990610181031390489710199984104710511137114558898659639936803789891872755756963565786877617638559106910811199127410821842——

將5個(gè)特征信號交叉口各進(jìn)口道施工前后交通量分別相加，即各交叉口在施工前后的交通量。如表4，列舉了道路施工前后特征信號交叉口高峰小時(shí)的交通量和飽和度。

表4 施工前后特征信號交叉口高峰小時(shí)的交通量和飽和度Table 4 Traffic volume and saturation at peak hour at characteristic signalized intersection before and after construction

計(jì)算第1圈層各特征信號交叉口高峰小時(shí)的整體飽和度在施工前為(0.48+0.61+ 0.53+0.55+0.55)/5=0.54，屬于B等級；在施工后為( 0.53+0.71+0.59+ 0.64+0.56)/5=0.61，屬于C等級。施工后下降了一個(gè)等級，不滿足收斂條件，繼續(xù)向外圍擴(kuò)展，進(jìn)入第2圈層施工影響范圍內(nèi)。

3.2.2 第2圈層施工影響范圍

第2圈層施工影響范圍是長江中路-馬鞍山路北段-長江東路-銅陵路-太湖路-徽州大道包圍區(qū)域(圖8)。

圖8 第2圈層施工影響范圍及特征信號交叉口位置Fig.8 Construction impacted area and characteristic signal intersection of second circle-layer

考慮道路交通及交叉口狀況，選取圖8中11圓圈為第2圈層施工影響范圍特征信號交叉口。

借助TransCAD中的OD反推模型，同理按照上面的方法計(jì)算。將11個(gè)特征信號交叉口各進(jìn)口道施工前后交通量分別相加，即各交叉口在施工前后的交叉口交通量。表5列舉了道路施工前后特征信號交叉口高峰小時(shí)的交通量和飽和度。

表5 施工前后特征信號交叉口高峰小時(shí)的交通量和飽和度Table 5 Traffic volume and saturation of peak hour at characteristic signalized intersection before and after construction

計(jì)算第2圈層各特征信號交叉口高峰小時(shí)的整體飽和度在施工前為0.56，屬于B等級；在施工后為0.61，屬于C等級。施工后下降了一個(gè)等級，不滿足收斂條件，繼續(xù)向外圍擴(kuò)展，進(jìn)入第3圈層施工影響范圍內(nèi)。

經(jīng)計(jì)算可知，第3圈層上特征信號交叉口的高峰小時(shí)整體飽和度在施工前為0.52，屬于B等級；施工后為0.58，仍為B等級，滿足收斂條件。因此，上1圈層即第2圈層為最終的道路施工影響范圍，即長江中路-馬鞍山路北段-長江東路-銅陵路-太湖路-徽州大道所包圍的區(qū)域。

4 結(jié) 語

提出了特征信號交叉口的概念，以施工前后特征信號交叉口高峰小時(shí)整體飽和度服務(wù)水平等級不下降作為收斂條件，提出了基于服務(wù)水平的道路施工交通影響范圍確定方法。通過合肥市馬鞍山路道路施工改造實(shí)例分析，通過特征信號交叉口高峰小時(shí)整體飽和度服務(wù)水平等級來確定道路施工交通影響范圍的方法是有效可行的。但文中應(yīng)用的服務(wù)水平分級較為粗糙，各等級服務(wù)水平的取值范圍較大，可能影響確定施工影響范圍結(jié)果時(shí)的準(zhǔn)確性，因此確定合適的飽和度服務(wù)水平等級劃分標(biāo)準(zhǔn)還有待進(jìn)一步研究。

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Methods of Traffic Impact Area Determination Based on Service Levelduring Road Construction Period

JIANG Kang,SHI Zhangpeng,CHEN Xi,ZHANG Weihua

(School of Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui,P.R. China)

Based on service level, and taking zero degradation of overall service level of saturation at intersection as convergence condition, a method of defining the traffic impact area induced by road construction was raised by employment of the concept of characteristic signalized intersection after comparing with the existing method of traffic impact definition for existed construction project. By comparing the degree of service level of intersection saturation before and after road construction, the impacted area by road construction could be defined. The results of application examples show that the overall service level of saturation at intersection is effective in determining traffic impact area during the construction period of the road for its practically significance and thus can provide a reference for urban infrastructure construction.

traffic and transportation engineering; characteristic signal intersection; road construction; traffic assignment; saturation; traffic impact area

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.21

2015-05-19；

2015-07-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178158)

姜 康(1974—)，男，山東威海人，副教授，博士，主要從事交通規(guī)劃和管理方面的研究。E-mail：kangj@hfut.edu.cn。

石章鵬(1990—)，男，安徽太湖人，碩士，主要從事交通規(guī)劃和管理方面的研究。E-mail：15256086036@163.com。

U491.4

A

1674-0696(2016)04-106-06