基于正交試驗(yàn)的城市道路施工區(qū)域閾值仿真分析

張惠玲，劉 偉，曾 好

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401147)

基于正交試驗(yàn)的城市道路施工區(qū)域閾值仿真分析

張惠玲1，劉 偉1，曾 好2

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401147)

以4車道路段為研究對(duì)象，對(duì)施工區(qū)域影響分析的閾值進(jìn)行了詳細(xì)的研究。選擇了4因素3水平的影響因素對(duì)閾值進(jìn)行分析，使用正交試驗(yàn)構(gòu)筑了試驗(yàn)組合，并使用VISSIM軟件對(duì)各種試驗(yàn)進(jìn)行了仿真分析，得出了施工區(qū)域影響車輛行駛的因素依次為封閉車道數(shù)、道路飽和度、大車率、施工道長(zhǎng)度?？紤]到封閉車道數(shù)和飽和度存在交互影響，對(duì)封閉車道數(shù)和飽和度使用交互分析，再次使用仿真軟件構(gòu)筑封閉車道為2條車道和3條車道，且分別提取飽和度漸變時(shí)車輛的延誤值，得到了4條車道路段施工時(shí)的交通影響分析閾值。

交通影響閾值;施工區(qū)域;正交試驗(yàn);仿真

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施和市政工程建設(shè)在逐步推進(jìn)，隨之帶來的城市交通系統(tǒng)出現(xiàn)了頻繁的施工現(xiàn)象。由于道路施工需要占用城市車道，干擾了正常的交通秩序，使得原本就緊張得交通供需關(guān)系更加緊張。而道路本身擴(kuò)容能力不強(qiáng)，這也給交通管理部門的工作帶來了一定的壓力。

目前，對(duì)施工區(qū)域的研究，國(guó)外研究中主要關(guān)注在高速公路方面。Asad，等［1］研究了施工區(qū)域的安全問題;Dudek，等［2］對(duì)施工期間道路的管理進(jìn)行了介紹。城市道路施工的影響并沒有進(jìn)行系統(tǒng)的分析，多數(shù)成果只針對(duì)具體施工路段給出了相應(yīng)的交通組織方案［3-4］;王子浜，等［5］對(duì)施工區(qū)的道路交通狀況進(jìn)行了仿真，分析了道路施工狀況下的車輛延誤值;郝媛，等［6］使用GIS建立施工區(qū)域的地理數(shù)據(jù)庫，并分析了施工狀況下的交通重分配問題以及相應(yīng)的路阻函數(shù)。我國(guó)的CJJ 37—90《城市道路施工規(guī)范》［7］中也沒有對(duì)施工影響分析的閾值、分析方法等方面進(jìn)行詳細(xì)的說明。針對(duì)城市道路施工問題，目前更多的研究關(guān)注于施工區(qū)的交通安全問題［8-9］。

筆者通過分析城市道路施工區(qū)段影響交通行駛狀況的影響因素，借助正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)了各種場(chǎng)景，使用微觀仿真軟件構(gòu)筑了試驗(yàn)場(chǎng)景，提取了相關(guān)指標(biāo)，對(duì)影響道路施工區(qū)的各種因素進(jìn)行了分析，給出了城市道路4車道施工期間的道路影響分析的閾值，為其它情況下的閾值分析提供了思路。

1 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

對(duì)于城市道路施工區(qū)域的影響因素，筆者主要以單向4車道，即單向4車道路段中的某一段施工區(qū)域作為研究對(duì)象，如圖1。

圖1 路段施工區(qū)域示意Fig.1 The diagram of the work zone

筆者主要分析大車率、道路飽和度、封閉車道數(shù)、施工區(qū)段的長(zhǎng)度等因素影響下的車輛行駛情況。

1)大車率。由于大車的體積較大，在道路行駛上所占用的空間較大，而且大車的啟動(dòng)及行駛速度也較慢，所以大車對(duì)道路交通的影響較大，結(jié)合目前城市道路的實(shí)際情況，對(duì)于大車率分為小于10%，10% ～25%，大于25%等3個(gè)等級(jí)。

2)道路飽和度。考慮在道路飽和度較低的情況下，如果封閉車道數(shù)較少，則可能不會(huì)對(duì)道路交通造成很大的影響，而如果道路飽和度較高，即使施工封閉的車道數(shù)不多，也可能會(huì)對(duì)道路交通造成較大的影響，在本次研究中，將道路飽和度分為3級(jí):小于30%，30% ～60%，大于60%。在本次試驗(yàn)中，結(jié)合相關(guān)規(guī)范給出的推薦值和具體的試驗(yàn)場(chǎng)景中車速的設(shè)置，設(shè)定道路每條車道的飽和流量為1 600 pcu/h。

3)封閉車道數(shù)。對(duì)于單側(cè)施工，不考慮半幅道路全部封閉的情況，單側(cè)4條車道，封閉車道數(shù)為1～3條。

4)施工區(qū)段的長(zhǎng)度。城市道路施工的起因不同，封閉車道的長(zhǎng)度也不相同，如道路安裝或者維護(hù)線圈檢測(cè)器，或者地鐵施工等原因?？紤]道路施工區(qū)域包括預(yù)警區(qū)、過渡區(qū)、活動(dòng)區(qū)、終止區(qū)4個(gè)部分組成，選取道路施工長(zhǎng)度的最小值為100 m，結(jié)合城市道路信號(hào)控制中線控的選值，對(duì)于大于800 m的情況單獨(dú)考慮，其中間區(qū)段為100～800 m，即施工區(qū)段地長(zhǎng)度分為3級(jí):小于等于100 m，100～800 m，大于等于800 m。

上述4個(gè)因素，均為3個(gè)水平，如果逐個(gè)情況考慮，需要81種試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)較大。另外，所考慮的各因素間可能存在交互影響的情況，且上述4個(gè)因素中，影響車輛行駛的程度也不能確定。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 The orthogonal experiment design table

利用正交試驗(yàn)法可以使用較少的試驗(yàn)次數(shù)解決多因素、多水平及多指標(biāo)等的試驗(yàn)組合問題。

正交試驗(yàn)法安排的試驗(yàn)方案是有代表性，且能夠比較全面地反映各因素各水平對(duì)指標(biāo)影響的大致情況。因此，用正交試驗(yàn)可以在代表各種組合的試驗(yàn)特征的同時(shí)減少試驗(yàn)的次數(shù)。

2 仿真分析

由于實(shí)際的場(chǎng)景中要構(gòu)筑上述的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可行性較差，所以借助于微觀仿真軟件VISSIM構(gòu)筑上述9種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。使用的WIEDEMANN 74模型中的參數(shù)式，如式(1):

式中:L為前一輛車的車身長(zhǎng)度;ZF1是一個(gè)0→1正態(tài)分布的隨機(jī)變數(shù)。

得到的部分仿真場(chǎng)景如圖2。

圖2 部分仿真試驗(yàn)場(chǎng)景構(gòu)筑界面Fig.2 The image of part simulation experiments

由于道路流量較大且封閉車道數(shù)較多時(shí)，在施工區(qū)域的上游有大量車輛停住滯留，且一直呈波形繼續(xù)向上游蔓延。而車輛在施工區(qū)域與下游的接口處，車輛能順利且能夠以較快的速度恢復(fù)正常行駛的情況?？紤]到延誤參數(shù)能夠比較客觀的反映車輛的行駛情況，所以筆者選用施工區(qū)域上游500 m到下游100 m處車輛的車均延誤值作為參數(shù)分析的指標(biāo)。

將通過仿真場(chǎng)景得到的各種試驗(yàn)場(chǎng)景下的車均延誤參數(shù)使用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行分析，得出各試驗(yàn)場(chǎng)景下的延誤參數(shù)，假設(shè):Kij為第j列因素第i水平下所有試驗(yàn)結(jié)果之和，如K12=Y1+Y5+Y9+Y13(Yi表示試驗(yàn)號(hào)為i的試驗(yàn)結(jié)果，i=1，2，…，16);ωij為第j列因素第i水平的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值，ωij=Kij/4;Rj為極差，即ωij中的最大值減去最小值，Rj=(ωij)max-(ωij)min［10］。所得到的9種試驗(yàn)場(chǎng)景下車輛的車均延誤及直觀分析情況如表2。

表2 正交試驗(yàn)場(chǎng)景下的車均延誤值及直觀分析Table 2 The vehicle average delay and intuitive analysis of the orthogonal experiment simulation

由表2最后一行可以看出，各因素中極值大小的 分 布 為:R施工車道數(shù)＞ R道路飽和度＞ R大車率＞R施工區(qū)域的長(zhǎng)度，表明施工區(qū)域封閉的車道數(shù)對(duì)車輛的車均延誤影響最大，施工區(qū)域的長(zhǎng)度對(duì)施工區(qū)域的車輛通行延誤影響最小。各因素對(duì)施工區(qū)域影響程度由大到小依次為:施工封閉的車道數(shù) ＞道路飽和度 ＞大車比例 ＞施工區(qū)域的長(zhǎng)度。

由圖3中各曲線的上升及轉(zhuǎn)折情況可以看出，施工車道數(shù)增加時(shí)，車輛的車均延誤也在增加，特別是施工車道數(shù)從2條變成3條時(shí)，車輛的車均延誤值急劇增加，表明封閉車道數(shù)從2條到3條變化時(shí)對(duì)車輛的影響程度顯著增加，而車輛的飽和度增加時(shí)，車輛的車均延誤也在逐步增加，公交的比例在10%以下增加10%～25%得時(shí)候?qū)囕v得延誤有所增加，而從25%得比例再增加時(shí)，對(duì)施工區(qū)域車輛得延誤影響則相應(yīng)有所減小。

圖3 正交試驗(yàn)效應(yīng)曲線Fig.3 The response curve of the orthogonal experiment simulation

由于道路飽和度和施工車道數(shù)會(huì)對(duì)車輛的延誤產(chǎn)生交互作用，使用交互作用分析表進(jìn)行分析，結(jié)果如表3。

表3 道路飽和度和封閉車道數(shù)交互作用數(shù)值Table 3 The interactive table of the saturation and the closed lane number

由表3可以看出，在車道封閉數(shù)為3條，且飽和度達(dá)到30%～60%的時(shí)候，該交互作用的數(shù)值達(dá)到了165.64。說明在該交互作用下，對(duì)車輛的延誤影響程度最高，而在車道封閉數(shù)為2條時(shí)，隨著飽和度的增加，施工段車輛得延誤也有所增加。

為了得出具體的分析閾值，設(shè)定施工區(qū)域封閉車道數(shù)為2條，道路飽和度在60% ～90%范圍內(nèi)逐級(jí)變動(dòng);封閉車道數(shù)為3條，道路飽和度在30% ～60%范圍內(nèi)逐級(jí)變動(dòng)。再次構(gòu)筑仿真場(chǎng)景，對(duì)施工區(qū)域的車均延誤參數(shù)進(jìn)行提取，得到的封閉車道為2車道和3車道時(shí)，在不同的飽和度下提取得到的車均延誤值如圖4。

圖4 車均延誤變化曲線Fig.4 The vehicle’s average changing curve

由圖4(a)可以看出，車均延誤隨著飽和度得增加呈增大趨勢(shì)。由具體的數(shù)值變化可以得出，封閉車道數(shù)為2條時(shí)，飽和度從0.6到0.65，車均延誤從22.06 s躍變到30.58 s;飽和度從0.65 到0.7，車均延誤從30.58 s躍變到40.19 s，躍變幅度增大。從具體的仿真界面可以看出在該拐點(diǎn)處封閉車道的上游車輛的擁擠程度加劇，所以，取0.65為交通影響分析的閾值，即封閉車道數(shù)為2條，且道路的飽和度超過0.65時(shí)應(yīng)進(jìn)行影響分析。

從圖4(b)可以看出，封閉車道為3條時(shí)，隨著飽和度的增加，車均延誤值整體呈增加趨勢(shì)。具體來看，道路飽和度從0.3 到0.35，車均延誤從 14.90 s躍變到30.18 s;飽和度從0.35 到0.4，車均延誤從30.18 s躍變到55.85 s，躍變幅度較大。且從仿真界面看出，在該時(shí)段施工路段上游的車輛出現(xiàn)了較大規(guī)模的擁堵，所以取飽和度0.40為封閉車道數(shù)為3條時(shí)的閾值，即當(dāng)飽和度超過0.40時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)的交通影響分析。

3 結(jié)語

隨著城市道路的頻繁施工，施工區(qū)域的交通影響越來越多的受到關(guān)注。筆者考慮了城市道路施工區(qū)域可能的影響因素為施工車道數(shù)、道路飽和度、施工區(qū)段的長(zhǎng)度、大車率等因素，以4車道路段為研究對(duì)象，使用正交試驗(yàn)構(gòu)筑了4因素3水平的影響分析對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)場(chǎng)景，使用VISSIM仿真軟件對(duì)各種試驗(yàn)進(jìn)行了仿真，得到了影響車輛行駛的因素;對(duì)封閉車道數(shù)和飽和度使用交互分析的方法，得到了相應(yīng)的閾值結(jié)果。

［1］Asad J K，Khattak A J，Council F M.Effects of work zone presence on injury and non-injury crashes［J］.Accident Analysis and Prevention，2002，34:19-29.

［2］Dudek C L，Richards S H.Report No.FHWA/TX-80/3+228-1:Traffic Management for Middle Lane Maintenance on Urban Freeways［R］.Austin，TX:Institute for the Federal Highway Administration and the Texas，Department of Transportation，1980.

［3］吳祖峰，許永兵.城市道路施工期間交通組織規(guī)劃探析［J］.規(guī)劃師，2010，26(1):32-35.Wu Zufeng，Xu Yongbin.Traffic organizations planning during the construction period of the road［J］.Planner，2010，26(1):32-35.

［4］譚小靈，楊葛飚.道路施工對(duì)城市交通影響的分析和對(duì)策研究［J］.城市道橋與防洪，2005(3):110-112.

Tan Xiaoling，Yang Gebiao.Analysis and countermeasure study on road construction influence on urban traffic［J］.Urban Roads Bridges ＆ Flood Control，2005(3):110-112.

［5］王子浜，李嘉，蔡曉萌，等.道路施工區(qū)車輛延誤分析與交通仿真研究［J］.公路，2009(7):254-257.

Wang Zibang，Li Jia，Cai Xiaomeng，et al.Delay analysis of road work zone by traffic simulation technology［J］.Highway，2009(7):254-257.

［6］郝媛，孫立軍，干宏程，等.基于GI S的城市道路掘路交通影響分析系統(tǒng)研究［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2005，23(4):50-54.

Hao Yuan，Sun Lijun，Gan hongcheng，et al.GIS-based urban roaddigging traffic impact analysis system［J］.Transportation and Computer，2005，23(4):50-54.

［7］CJJ 37—90城市道路施工規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1991.

［8］戴憂華，郭忠印，孔令旗，等.城市道路施工交通安全評(píng)價(jià)研究［J］.交通信息與安全，2009，27(4):92-96.

Dai Youhua，Guo Zhongyin，Kong Lingqi，et al.Traffic safety evaluation of urban road construction［J］.Journal of Transport Information and Safety，2009，27(4):92-96.

［9］Jin T G，Saito M，Eggett D L.Statistical comparisons of the crash characteristics on highways between construction time and non-construction time［J］.Accident Analysis and Prevention，2008，40(6):2015-2023.

［10］ Adesola O I.Orthogonal experiments in the development of carbonresin for chloride removal from solutions［J］.Statistical Methodology，2009，6(2):109-119.

［11］ PTV Planung Transport Verkehr AG.VISSIM User Manual:Version 5.0［R］.Karlsruhe:PTV Corporation，2007.

Study on Threshold of Work Zone Simulation Analysis Based on Orthogonal Experiment

Zhang Huiling1，Liu Wei1，Zeng Hao2
(1.School of Traffic＆ Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Chongqing Communication Construction Group，Chongqing 401147，China)

The paper studies the Four-lane’s traffic impacting analysis threshold when the road is working.Four factors and three levels are chosen based on the possible impacting factors.The orthogonal experiment is used to get the experiments’combination;the VISSIM software is used to get the experiment scene.Based on the simulation model，the order of the factors impacting the traffic is closed lane number，the saturation，the bus ratio and the work zone length.For the interaction phenomenon of the closed lane number and the saturation，when there are two or three closed lanes，the simulation scene is made again and the saturation is increased gradually.Finally，the threshold is got.

traffic impact threshold;work zone;orthogonal experiment;simulation

U491

A

1674-0696(2012)04-0807-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.18

2011-11-21;

2012-03-11

重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(CSTC，2010BB6278)

張惠玲(1980—)，女，寧夏中寧人，副教授，博士，主要從事交通信息工程及控制方面的教學(xué)和研究。E-mail:huilingz@126.com。