高速公路施工作業(yè)區(qū)車速分布特征及限速研究

孟祥海,史永義*,王 浩,徐漢清

(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.黑龍江省高速公路建設(shè)局,哈爾濱150008)

高速公路施工作業(yè)區(qū)車速分布特征及限速研究

孟祥海1,史永義*1,王 浩2,徐漢清1

(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.黑龍江省高速公路建設(shè)局,哈爾濱150008)

針對四車道高速公路的單向行車道封閉施工、單向超車道封閉施工、半幅封閉施工、半幅封閉施工過渡區(qū)段的施工作業(yè)區(qū)進行調(diào)查,并分析施工作業(yè)區(qū)各主要區(qū)段的地點車速,確定平均車速、85%位車速、各區(qū)段間的車速差、大小型車間的車速差,以及各區(qū)段相對于現(xiàn)場限速值時的超速比例等車速分布特性.得出,從上游正常路段至警告區(qū)(或過渡區(qū))再至施工區(qū)車速分布的標準差在明顯減小,同時小型車與大型車的車速差也在明顯減小等統(tǒng)計分析結(jié)論.最后,根據(jù)車速分布規(guī)律給出了作業(yè)區(qū)車速控制原則,以及基于車速統(tǒng)計分布特征的作業(yè)區(qū)各區(qū)段限速值建議.

交通工程;限速值;車速分布特性;施工作業(yè)區(qū);高速公路

1 引 言

控制施工作業(yè)區(qū)各主要區(qū)段的運行速度,即確定合理的限速值,對提高作業(yè)區(qū)的交通運行效率和交通安全程度均具有重要意義.從20世紀80年代至今,發(fā)達國家一直都在從事施工作業(yè)區(qū)運行速度及其限速問題的研究,內(nèi)容涉及作業(yè)區(qū)各區(qū)段的速度變化特性[1]、作業(yè)區(qū)可變限速控制(VSL)[2]、實時限速控制(TODSL)[3]、速度控制的實施措施及其效果[4,5]等,取得了較多的研究成果.我國早期建設(shè)的高速公路相繼進入大修或大規(guī)模養(yǎng)護維修期,施工作業(yè)區(qū)的限速問題逐漸引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注,并初步開展了相關(guān)研究工作,研究重點主要集中在作業(yè)區(qū)的靜態(tài)限速問題及其效果評價方面[6-8].

本文在吸收前人研究成果的基礎(chǔ)上,側(cè)重于對大量實測車速數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,確定了高速公路單向行車道(含路肩)封閉施工、單向超車道封閉、施工半幅封閉施工及半幅封閉施工過渡區(qū)段四種作業(yè)區(qū)各主要區(qū)段的車速分布規(guī)律,并據(jù)此給出了限速取值建議.

2 施工作業(yè)區(qū)現(xiàn)場調(diào)查

對粵贛高速路面維修工程、哈爾濱機場高速公路路面維修工程、哈阿高速公路大修工程及前嫩高速公路施工建設(shè)工程的工作業(yè)區(qū)進行交通調(diào)查,現(xiàn)場實況如圖1所示.

圖1 作業(yè)區(qū)現(xiàn)場實況Fig.1 Field condition of work zones

粵贛高速公路施工作業(yè)區(qū):施工作業(yè)區(qū)位于粵贛高速公路K120～K121段,廣州至江西方向車道(含路肩)封閉施工.該作業(yè)區(qū)全程限速60 km/h,作業(yè)區(qū)外正常路段限速100 km/h(隧道80 km/h).采用錄像法調(diào)查2012年8月12日的交通流數(shù)據(jù),調(diào)查地點為上游警告區(qū)、變道合流區(qū)(上游過渡段)和施工區(qū)段.

哈爾濱機場高速公路施工作業(yè)區(qū):施工作業(yè)區(qū)位于機場高速公路K11～K13段,機場方向超車道封閉施工.該作業(yè)區(qū)沒有單獨限速,但全程限速110 km/h.采用錄像法調(diào)查該作業(yè)區(qū)2011年10月27日的交通流數(shù)據(jù),調(diào)查地點為正常路段、變道合流區(qū)段和施工區(qū)段.

哈阿高速公路施工作業(yè)區(qū):施工作業(yè)區(qū)位于哈阿高速公路K21～K23段,通車半幅采用了禁止超車的雙車道雙向交通組織方式,施工區(qū)、上游過渡區(qū)均限速 20 km/h,警告區(qū)由近及遠分別限速40 km/h和60 km/h,作業(yè)區(qū)外正常路段限速110 km/h.采用錄像法調(diào)查2010年8月6日該施工區(qū)主要區(qū)段全天的交通運行狀況,調(diào)查地點如圖2所示.

圖2 哈阿高速公路半幅封閉施工作業(yè)區(qū)調(diào)查地點Fig.2 Traffic survey site of the closed one-way lanes work zone on Ha-a freeway

前嫩高速公路施工作業(yè)區(qū):施工作業(yè)區(qū)位于前嫩高速公路K222+380～K222+540段.由于前嫩高速公路屬二級公路擴建為高速公路的建設(shè)項目,該作業(yè)區(qū)較特殊,可將之定義為半幅封閉施工過渡區(qū)段作業(yè)區(qū)(即由半幅路過渡到另半幅路再回到原來半幅上的行駛狀態(tài)).采用錄像法調(diào)查該作業(yè)區(qū)2011年6月24日7:30-18:00的交通流數(shù)據(jù).

3 施工作業(yè)區(qū)各主要區(qū)段的車速分布特征

3.1 單向行車道(含路肩)封閉施工作業(yè)區(qū)的車速分布

施工作業(yè)區(qū)上游警告區(qū)、上游過渡段及施工區(qū)段的小型車及大型車車速累計分布曲線如圖3所示.

圖3 單向行車道封閉施工作業(yè)區(qū)車速分布的累計頻率曲線Fig.3 Speed accumulation frequency of one-way running lane closure work zone

交通流量及交通狀態(tài):該施工作業(yè)區(qū)單向流量在285～444 pcu/h之間,正常路段和施工區(qū)段服務(wù)水平都可達到A級.

大型車混入率:大型車混入率平均為32.80%.

平均速度:大型車在上游警告區(qū)、上游過渡區(qū)及施工區(qū)段的平均車速依次為76.74 km/h、76.31 km/h和76.10 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為0.43 km/h、0.21 km/h;小型車的平均車速依次為96.70 km/h、93.41 km/h和89.41 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為3.29 km/h和4.00 km/h. 85%位車速:大型車在上述三處區(qū)域的85%車速依次為91.20 km/h、91.03 km/h和88.80 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為0.17 km/h和2.23 km/h;小型車的85%車速依次為113.52 km/h、109.78 km/h和105.33 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為3.74 km/h和4.45 km/h.

大小型車的車速差:按平均車速計算,小型車與大型車在上述三個區(qū)域的車速差為19.96 km/h、17.10 km/h和13.31 km/h;若按85%位車速計算,則為22.32 km/h、18.75 km/h和16.53 km/h.顯然,越接近施工區(qū)大小型車的車速差越小.

高速車輛所占比例:將整個施工區(qū)段車速超過60 km/h的車輛定義為高速車輛,則上游警告區(qū)、上游過渡區(qū)和作業(yè)區(qū)大型車的超速比例為87.84%、86.45%、92.28%,小型車的超速比例為98.48%、94.23%、96.14%.

3.2 單向超車道封閉施工作業(yè)區(qū)的車速分布

由于機場高速公路以客運交通為主,因此,對該施工作業(yè)區(qū)可僅分析小型車的車速分布特征.施工作業(yè)影響區(qū)域前超車道、行車道上的車速分布及施工區(qū)上游過渡段、施工區(qū)路段車速的累計頻率分布如圖4所示.

圖4 單向超車道封閉施工作業(yè)區(qū)車速分布的累計頻率曲線Fig.4 Speed accumulation frequency of one-way passing lane closure work zone

交通流量及交通狀態(tài):該施工作業(yè)區(qū)單向流量在392～857pcu/h之間,對正常路段而言,服務(wù)水平可達A級,屬自由流狀態(tài),施工區(qū)段服務(wù)水平也可達B級.

平均車速:施工區(qū)路段、施工區(qū)上游過渡段、正常路段行車道、正常路段超車道上的平均車速分別為91.7 km/h、96.1 km/h、96.0 km/h和109.4 km/h.

85%位車速:上述四個區(qū)段上的85%位車速分別為 109.7 km/h、112.1 km/h、114.9 km/h和127.4 km/h.

高速車輛所占比例:由于該施工作業(yè)區(qū)沒有單獨限速,此處將車速高于全程限速標準(即110 km/h)的車輛均作為高速車輛.上述四個區(qū)段高速車輛所占比例分別為13.42%、14.27%、21.20%和53.67%.

3.3 半幅封閉施工作業(yè)區(qū)的車速分布

施工作業(yè)區(qū)上游正常路段、上游警告區(qū)及施工區(qū)段小型車及大型車車速的累計頻率曲線,如圖5所示.

交通流量及交通狀態(tài):該施工區(qū)單向流量在510～845 pcu/h之間,正常路段交通運行屬自由流狀態(tài),施工區(qū)服務(wù)水平為B級.

大型車混入率:大型車混入率平均為22.08%.

平均速度:大型車在上游正常路段、上游警告區(qū)及施工區(qū)段的平均車速依次為77.72 km/h、45.44 km/h和38.25 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為32.28 km/h、7.19 km/h;小型車的平均車速依次為102.25 km/h、54.00 km/h和46.32 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為 48.25km/h和7.68 km/h.

圖5 半幅封閉施工作業(yè)區(qū)車速分布的累計頻率曲線Fig.5 Accumulation frequency of speed distribution on one-way closure work zone

85%位車速:大型車在上述三處區(qū)域的85%車 速 依 次 為 92.94 km/h、58.35 km/h 和48.71 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為34.59 km/h和9.64 km/h;小型車的85%車速依次為122.29 km/h、69.76 km/h和59.93 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為52.53 km/h和9.83 km/h.

大小型車的車速差:按平均車速計算,小型車與大型車在上述三個區(qū)域的車速差為24.53km/h、8.56 km/h和8.07 km/h;若按85%位車速計算,則為29.35 km/h、11.41 km/h和11.22 km/h.顯然,越接近施工區(qū)大小型車的車速差越小,實際上在警告區(qū)大小型車的速度差已經(jīng)很小.

高速車輛所占比例:將施工區(qū)車速超過20 km/h的車輛定義為高速車輛,施工區(qū)大型高速車輛所占比例為96.64%,小型高速車輛所占比例為97.96%.將警告區(qū)車速超過50 km/h的車輛定義為高速車輛,大型高速車輛所占比例為39.45%,小型高速車輛所占比例為65.58%.將正常路段車速超過全程限速值110 km/h的車輛定義為高速車輛,此時,大型高速車輛占12.72%、小型高速車輛占36.32%.

3.4 半幅封閉施工過渡段作業(yè)區(qū)的車速分布

交通流量及交通狀態(tài):該施工作業(yè)區(qū)斷面流量在314～455 pcu/h之間,交通運行屬自由流狀態(tài).

大型車混入率:大型車混入率平均為10.25%.

平均速度:大型車在警告區(qū)、過渡區(qū)、施工區(qū)的平均車速依次為 51.2 km/h、35.1 km/h和18.9 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為16.1 km/h、16.2 km/h;小型車的平均車速依次為64.9 km/h、43.0 km/h和21.5 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為21.9 km/h和21.5 km/h.

85%位車速:大型車在上述三處區(qū)域的85%車速依次為67.9 km/h、44.4 km/h和24.1 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為 23.5 km/h和20.3 km/h;小型車的85%車速依次為83.0 km/h、 53.0 km/h和27.1 km/h,相鄰兩區(qū)段的速度差分別為30.0 km/h和25.9 km/h.

大小型車的車速差:按平均車速計,小型車與大型車在上述三個區(qū)域的車速差為13.7 km/h、7.9 km/h和2.6 km/h;若按85%位車速計,則為15.1 km/h、8.6 km/h和3.01 km/h.顯然,越接近施工區(qū)大小型車車速差越小.

高速車輛所占比例:將施工區(qū)車速超過20 km/h(現(xiàn)場限速值)的車輛定義為高速車輛,施工區(qū)大型高速車輛所占比例為43.45%,小型高速車輛為60.57%.由于過渡區(qū)和警告區(qū)沒有限速,此處將車速超過60 km/h(全程限速值)的車輛定義為高速車輛,此時,小型高速車輛占31.71%、大型高速車輛占11.49%.

3.5 施工作業(yè)區(qū)車速統(tǒng)計分布規(guī)律

經(jīng)上述統(tǒng)計分析,歸納車速分布規(guī)律如下.

①從上游正常路段至警告區(qū)(或過渡段)再至施工區(qū),車速的標準差明顯減小(如表1所示),即車速分布的集中程度在增加.

表1 施工作業(yè)區(qū)各區(qū)段的速度標準差Table 1 Standard deviation of speed on each component of work zone km/h

②從上游正常路段至施工作業(yè)路段,小型車與大型車的車速差在明顯減少.

③低流量條件下,單向行車道封閉施工作業(yè)區(qū)對交通運行的影響不大,車輛在施工區(qū)段的行駛狀態(tài)與正常段相比基本一致.

④在以小型車客運交通為主的高速公路單向超車道封閉施工作業(yè)區(qū),在低交通密度狀態(tài)下,施工區(qū)路段(單向單車道交通)、上游過渡段的車速與正常路段行車道的車速大體相當(dāng).

4 基于車速統(tǒng)計分布特征的作業(yè)區(qū)限速研究

4.1 施工作業(yè)區(qū)的限速管理及速度控制原則

對于高速公路限速管理而言,有法定限速和限速區(qū)限速兩種形式.顯然,施工作業(yè)區(qū)的限速問題應(yīng)屬限速區(qū)限速范疇.但由于作業(yè)區(qū)交通的復(fù)雜程度一般都高于常規(guī)的幾何受限路段,其限速標準及速度控制要求更高.

施工作業(yè)區(qū)限速的主要目的是通過連續(xù)的速度控制使駕駛員在通過作業(yè)區(qū)各區(qū)段時駕駛行為能夠更加一致,從而緩解作業(yè)區(qū)瓶頸段的通行能力不足問題并保證通行安全.顯然,影響作業(yè)區(qū)限速取值的主導(dǎo)因素是駕駛員速度選擇特性、交通安全水平、交通運輸效率及能源消耗等.本文基于車速統(tǒng)計分布特征給出了作業(yè)區(qū)速度控制原則.

①不宜采用85%車速作為作業(yè)區(qū)各區(qū)段限速的上限值.由于作業(yè)區(qū)各區(qū)段車速的統(tǒng)計分布規(guī)律可知,車速分布較集中,標準差較小(標準差約為速度均值的1/5～1/7),若按85%車速設(shè)置限速上限,則車速過高,不利于行車安全.

②作業(yè)區(qū)上游從警告區(qū)至施工路段,大小型車宜采用統(tǒng)一的限速值,此時不宜再分車型限速.車速統(tǒng)計分布也表明,兩種車型的車速有明顯的相互接近趨勢.

③過渡區(qū)段,尤其是由雙向交通過渡到單向交通的過渡區(qū)段,線形條件變化較大,此時應(yīng)以幾何線形指標作為確定限速值的依據(jù).

④在有先進控制設(shè)備和控制手段可利用的條件下,建議根據(jù)交通水平實施分階段的可變限速,甚至是依據(jù)車輛到達狀態(tài)的動態(tài)連續(xù)可變限速.

4.2 施工作業(yè)區(qū)各區(qū)段的限速取值建議

施工影響區(qū)外正常路段:若該路段同時為非幾何受限路段,則應(yīng)按法定限速值來實施限速,或按85%位車速來設(shè)置限速上限值.

半幅封閉施工作業(yè)區(qū)的上、下游過渡段:建議按實際幾何線形條件,尤其是平面線形條件來確定限速值.

上游警告區(qū)及施工路段:建議按式(1)、式(2)來確定限速的高限值和低限值.其中,高限值可用于交通流量較小的作業(yè)區(qū)或低交通密度時段,低限值可用于交通流量較大的作業(yè)區(qū)或高交通密度時段.對于考慮大型車混入時的限速問題,建議可按式(3)來確定.

式中 LVi

高限、LVi低限分別為區(qū)段i限速的高限值和低限值;Ei為區(qū)段i速度的平均值;σi為區(qū)段i速度分布的標準差.

式中 LVi為區(qū)段i考慮大型車混入后的限速值; LVi小、LVi大分別為區(qū)段i的小、大型車限速值;p為大型車混入率,%.

4.3 限速取值案例分析

現(xiàn)以哈阿高速半幅封閉施工作業(yè)區(qū)為例,基于前述原則和限速取值建議,給出了作業(yè)區(qū)各主要區(qū)段的限速值,如表2所示,推薦采用最后一列的數(shù)值做為限速值.

表2 哈阿高速公路半幅封閉施工作業(yè)區(qū)限速建議Table 2 Speed limits of the closed one-way lanes work zone on Ha-a freeway

5 研究結(jié)論

作業(yè)區(qū)各區(qū)段車速統(tǒng)計分析表明,從上游正常路段至警告區(qū)、過渡區(qū)、施工區(qū),車速分布的集中程度在依次增加,體現(xiàn)了駕駛員對作業(yè)區(qū)各區(qū)段認知程度的增加,對已設(shè)限速的作業(yè)區(qū)而言,也證明了速度控制的有效性;在上述逐次控制或駕駛員自控速度的過程中,小型車與大型車間的速度差也在明顯地逐次降低,在施工區(qū)側(cè)通過時速度差已達最小.基于對上述車速分布規(guī)律的認識,在上游警告區(qū)及施工路段,建議可按車速的均值加(或減)0.5倍車速標準差作為限速的上(或下)限值.由于車速分布較集中、標準差較小,在作業(yè)區(qū)各區(qū)段不宜采用85%位車速作為限速的上限值.

本文僅從實測車速的統(tǒng)計分析出發(fā),確定了車速的分布規(guī)律并據(jù)此給出了限速原則和限速取值方法,顯然,均需通過檢驗和驗證,如實施后的跟蹤研究或模擬仿真研究等.另外,作業(yè)區(qū)各主要區(qū)段間合理的速度梯度,以及基于該梯度值的各區(qū)段間合理長度確定等都值得進一步研究.

[1]Benekohal R F,Wang L.Speed change distribution of vehicles in highway work zone[J].Transportation Research Board,1993:42-51.

[2]Nicholas J Fudala,Michael D Fontaine.Interaction between system design and operations in work zone variable speed limit systems[C]//Transportation Research Board,2010.

[3]Kyeong-Pyo Kang,Gang-Len Chang.A robust model for optimal time-of-day speed control at highway work zones [J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2006(7):115-123.

[4]Yue Li,Yong Bai.Determining the effectiveness of PCMS on reducing vehicle speed in rural highway work zones[C]//Transportation Research Board,2010.

[5]Pei-Wei Lin,Kyeong-Pyo Kang,Gang-Len Chang. Exploring the effectiveness ofvariable speed limit controls on highway work-zone operations[J].Journal ofIntelligentTransportation Systems, 2004(4): 155-168.

[6]吳彪,許洪國,戴彤.基于DEMATEL-ISM的高速公路作業(yè)區(qū)交通安全影響因素辨識[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息.2010,10(5):130-136.[WU B,XU H G,DAI T.Identifying safety factors on expressway work zone based on DEMATEL and ISM[J].Journal of Transportation SystemsEngineering and Information Technology,2010,10(5):130-136.]

[7]王強,王顯璞.高速公路養(yǎng)護施工區(qū)限速控制研究[J].交通信息與安全.2010,28(1):124-129. [WANG Q,WANG X P.Speed-limiting control of freeway work zone[J].Journal of Transport Information and Safety,2010,28(1):124-129.]

[8]鐘連德,李秀文,侯德藻,等.公路施工區(qū)限速措施效果評價研究[J].公路,2010(3):176-180. [ZHONG L D,LI X W,HOU D Z,et al.Research on evaluation of speed reduction measures in highway work zone[J].Highway,2010,(3):176-180.]

Speed Distribution Characteristics and Speed Limits of Freeway Work Zones

MENG Xiang-hai1,SHI Yong-yi1,WANG Hao2,XU Han-qing1
(1.School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China; 2.Heilongjiang Province Highway Construction Bureau,Harbin 150008,China)

This paper analyzes the speed distribution of each main component on four kinds of freeway work zones:the closed one-way running lane work zone,the closed one-way passing lane work zone,the closed one-way lanes work zone and the closed one-way transition region work zone.It determines the average speed,the 85th speed,the speed difference of each component,the speed difference between oversize and light vehicles and the over speed vehicles'percentage related to limited speed values.Then,some statistical conclusions are drawn:the standard deviation of vehicles'speed distribution is gradually decreased throughout upstream normal area,warning area(or transition area)and activity area of work zones;the speed difference between oversize and light vehicles also decreases obviously.In the last section,the paper proposes speed control principles and limited speed values of each component on freeway work zones considering the characteristic of speed statistical distribution.

traffic engineering;speed limit value;speed distribution character;work zone;freeway

U491

A

U491

A

1009-6744(2013)01-0149-07

2012-07-11

2012-09-20錄用日期:2012-09-25

黑龍江省交通運輸廳科技項目(2011-2012).

孟祥海(1969-),男,黑龍江省海倫縣人,教授,博士生導(dǎo)師,博士.

*通訊作者:syyhit@163.com