高速公路施工區(qū)限速值分析

徐華兵，彭 雪，屈言賓

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230088）

隨著汽車保有量的增加和交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，高速公路承載能力不能滿足現(xiàn)有交通量的壓力，多條高速公路進(jìn)行改建或擴(kuò)建。由于高速公路改擴(kuò)建的施工，導(dǎo)致施工區(qū)域形成瓶頸路段，正常通行車道的通行能力大幅下降、通行環(huán)境惡化，即施工設(shè)備、施工路段、施工人員以及安全設(shè)施所形成的復(fù)雜行車環(huán)境。在這種環(huán)境中行車，車速離散值往往較大，極易導(dǎo)致交通擁堵甚至是交通事故的發(fā)生。

車輛行駛于作業(yè)區(qū)路段時(shí)，作業(yè)區(qū)復(fù)雜的外部環(huán)境使駕駛員接收到龐大而復(fù)雜的信息。駕駛員需要加倍謹(jǐn)慎對(duì)各種信息進(jìn)行篩選和處理，否則駕駛員的判斷失誤，將給行車安全帶來(lái)隱患。本文依據(jù)人工學(xué)知識(shí)，基于人的信息接收和處理過程，對(duì)影響高速公路改擴(kuò)建段合理限速值的因素進(jìn)行分析。通過一系列影響因素的分析，不僅使駕駛員本身接納的外部信息總量與自身消化分解的信息量保持理論上的統(tǒng)一，更重要的是駕駛員在駕駛車輛過程中對(duì)外界刺激能夠做出正確、及時(shí)地反應(yīng)，進(jìn)而提高車輛在時(shí)間和空間方位上對(duì)道路的使用率。

1 信息量化標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)工效學(xué)相關(guān)研究可知，人類平時(shí)接收到的信息是可以嚴(yán)格量化的，計(jì)算機(jī)中常用到的二進(jìn)制單位比特（bit）是信息量的量化標(biāo)準(zhǔn)，其表達(dá)式為

H＝log2（2n）.

式中：H為信息量，n為二進(jìn)制碼數(shù)目。

根據(jù)工效學(xué)相關(guān)研究原理，假設(shè)所研究的一個(gè)信號(hào)Si是由n個(gè)二進(jìn)制碼組成的，則稱Si為碼組或字長(zhǎng)。倘若每一位碼均能且只能獨(dú)立地取0 或者1，而與其他值無(wú)關(guān)，且取0 或1的概率均為1／2，則該信號(hào)所承載的信息量就是按該式求得的信息量H。若出現(xiàn)0的概率是p，出現(xiàn)1的概率是1－p，則某獨(dú)立位信號(hào)承載的信息量為

H（p）＝－plog2（p）－（1－p）log2（1－p）.

若駕駛員需處理m種信號(hào)源，其中信號(hào)源Si（i＝1，2，…，m）中含有n′個(gè)相互獨(dú)立的不同信號(hào)，則第i種信號(hào)源下第j個(gè)信號(hào)sij的信息量以及si的信息量分別為

式中：pij為信號(hào)Sij出現(xiàn)的概率。

2 分析高速公路施工區(qū)限速信息

2.1 道路設(shè)計(jì)指標(biāo)、安全設(shè)施及外部環(huán)境

常見的道路設(shè)計(jì)線性指標(biāo)是設(shè)計(jì)路段布設(shè)的平曲線、豎曲線、設(shè)計(jì)坡度；高速公路施工區(qū)域其它設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括作業(yè)區(qū)出入口、路幅分配形式以及車道開放數(shù)目；安全設(shè)施主要指隔離設(shè)施；行車環(huán)境主要指高速改擴(kuò)建段的周邊地形和景觀等，此類信息為H1。

2.1.1 平面線形設(shè)計(jì)

若施工區(qū)域道路是直線段，或者位于規(guī)范規(guī)定的可以不設(shè)超高的曲線段，高速公路上運(yùn)行的駕駛員完全不受曲線的影響，那么，駕駛員將不對(duì)道路線性做出不利反應(yīng)，此時(shí)把這種信息量發(fā)生的概率視為1；反之，發(fā)生的概率為0（由于0 的對(duì)數(shù)不存在，所以本次研究時(shí)把概率為0的事件視為概率為0.001，以下處理方法類似）。

H（s11）＝－p11log2（p11）－（1－p11）log2（1－p11）.

2.1.2 道路坡度、豎曲線及復(fù)合線性設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)坡度。設(shè)計(jì)坡度指道路設(shè)計(jì)橫坡以及設(shè)計(jì)縱坡，橫坡設(shè)計(jì)主要為了道路便于排水，或者道路設(shè)置超高時(shí)，緩解車輛運(yùn)行時(shí)的離心力形成的坡度，駕駛員對(duì)后者形成的橫坡比較敏感。同時(shí)，施工區(qū)域道路設(shè)計(jì)縱坡大于3%時(shí)，駕駛員會(huì)通過頻繁的加減速、換擋或其他措施控制合理的車速。對(duì)于小型車而言，一系列的頻繁操作不會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生太大的心理壓力；對(duì)于大型車輛，駕駛員完成這么頻繁的操作有一定困難，甚至操作不當(dāng)產(chǎn)生重大的交通事故。本次研究設(shè)計(jì)坡度時(shí)，若施工區(qū)域路段縱坡大于3%時(shí)，則會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生較大的心理壓力，對(duì)應(yīng)概率p121＝0.001，反之p121＝1，即

H（s121）＝－p121log2（p121）－（1－p121）log2（1－p121）.

2）豎曲線要素設(shè)計(jì)。高速公路線形設(shè)計(jì)時(shí)，豎曲線的合理布設(shè)是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)因素，豎曲線設(shè)置不滿足規(guī)范要求，車輛運(yùn)行時(shí)人員安全得不到保證，盲目的設(shè)置豎曲線指標(biāo)，會(huì)造成不必要的人力、物力和財(cái)力的損失。實(shí)驗(yàn)表明，車輛運(yùn)行在設(shè)置豎曲線的道路上時(shí)，駕駛員極易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，豎曲線半徑較小時(shí)，駕駛員視距包絡(luò)線將不滿足規(guī)范的要求，這種情況下，交通事故極易發(fā)生。若高速公路改擴(kuò)建段位于小半徑的豎曲線處，駕駛員注意力高度集中，處理信息量較多，對(duì)應(yīng)概率p122＝0.001；反之，駕駛員注意力集中程度下降，處理信息量相對(duì)較少，對(duì)應(yīng)概率p122＝1，有

H（s122）＝－p122log2（p122）－（1－p122）log2（1－p122）.

3）復(fù)合線性設(shè)計(jì)。復(fù)合線性主要指在平縱線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增設(shè)緩和曲線、圓曲線等線性。復(fù)合線性的合理設(shè)置，對(duì)駕駛員行車視線具有良好的誘導(dǎo)性，不僅能使駕駛員對(duì)外界的刺激做出及時(shí)準(zhǔn)確地判斷，也能提高道路使用率、降低事故率。若高速公路改擴(kuò)建段位于復(fù)合線性設(shè)置處，設(shè)計(jì)流暢、復(fù)合規(guī)范和實(shí)地情況要求，其概率p123＝1；若作業(yè)區(qū)復(fù)合線性銜接處出現(xiàn)常見的跳車、斷頭、裂痕等現(xiàn)象時(shí)，對(duì)應(yīng)概率p123取0.001，有

H（s123）＝－p123log2（p123）－（1－p123）log2（1－p123）.

2.1.3 出入口設(shè)置

研究出入口設(shè)置包括：施工便道與高速公路銜接的出入口、為避免節(jié)假日，交通流較大時(shí)高速公路上運(yùn)行車輛擁堵而設(shè)置的應(yīng)急通道與高速公路銜接而成的出入口。

1）施工便道出入口。施工便道銜接高速公路作業(yè)區(qū)域，為方便施工，一般情況下施工單位會(huì)在高速公路施工區(qū)域端部或作業(yè)區(qū)中部設(shè)置出入口，作業(yè)區(qū)出入口是指道路作業(yè)區(qū)封閉后，與施工便道相銜接的供施工機(jī)械、材料及人員出入作業(yè)區(qū)使用的道口，施工便道出入口一般設(shè)置在高速公路作業(yè)區(qū)的兩端或者作業(yè)區(qū)的中部。當(dāng)施工便道出入口設(shè)置于兩端時(shí)，施工車輛可以相對(duì)順暢的進(jìn)出作業(yè)區(qū)，車流間影響較小，其對(duì)應(yīng)的概率p131＝1；反之，施工便道與高速公路作業(yè)區(qū)將會(huì)形成T 型口，進(jìn)出作業(yè)區(qū)的車輛間沖突增大，概率p131＝0.001，有

H（s131）＝－p131log2（p131）－（1－p131）log2（1－p131）.

2）應(yīng)急通道出入口。節(jié)假日期間，高速公路上交通流量較大時(shí)，高速公路施工區(qū)域會(huì)形成交通流瓶頸路段，形成擁堵，道路利用率、交通安全性大幅降低。為減少因高峰期間交通流瓶頸效應(yīng)引起的危害，有必要設(shè)置應(yīng)急通道。應(yīng)急通道一般設(shè)置在距離高速公路改擴(kuò)建區(qū)域兩端一定距離的地方，應(yīng)急通道可以單側(cè)設(shè)置，也可以雙向設(shè)置，單側(cè)設(shè)置時(shí)對(duì)車速的影響較大，概率取0.001；雙向設(shè)置時(shí)對(duì)車速影響小，概率p132＝1，有

2.1.4 車道分配

1）劃分車道寬度。高速公路改擴(kuò)建路段，運(yùn)行車輛會(huì)借用對(duì)向車道運(yùn)行，施工車輛也會(huì)占用路幅寬度，這將導(dǎo)致施工區(qū)道路寬度重新分配，一般情況下，重新分配的車道寬度比原始車道寬度窄，影響車輛的正常運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：高速公路或者快速路車道寬度大于3.75 m 時(shí)，駕駛員不會(huì)受到車道寬度限制而降低速度；反之，駕駛員將會(huì)因車道寬度原因而降低行車速度。考慮到施工作業(yè)區(qū)路段運(yùn)行車速整體較低，本次研究時(shí)，假設(shè)施工區(qū)域車道寬度不小于3.5 m，且不會(huì)對(duì)駕駛員行車造成影響，對(duì)應(yīng)概率p141＝1；否則，取概率p141＝0.001，即

2）確定車道數(shù)目。高速公路改擴(kuò)建路段，運(yùn)行車輛借用對(duì)向車道運(yùn)行，施工車輛占用路幅寬度，這將導(dǎo)致施工區(qū)路段對(duì)車道進(jìn)行重新劃分，這樣作業(yè)區(qū)路段的車道數(shù)目將減少，影響車輛正常行駛。車輛由正常路段轉(zhuǎn)為施工區(qū)域運(yùn)行過程中，施工區(qū)域車道數(shù)越少，對(duì)駕駛員行車影響越大，概率p142＝0.001；當(dāng)作業(yè)區(qū)路段數(shù)目與標(biāo)準(zhǔn)段相差不大時(shí)（一般不宜超過兩個(gè)車道），其對(duì)駕駛員行車影響小，概率p142＝1，即

2.1.5 開放車道數(shù)

高速公路施工區(qū)的開放（關(guān)閉）車道數(shù)影響駕駛員行車速度及駕駛員視野。開放車道數(shù)目由實(shí)際開放車道數(shù)與高速公路改擴(kuò)建之前車道數(shù)目的比值求得。即P15＝開放車道數(shù)／原有車道數(shù)。

信息量

2.1.6 安全設(shè)施

為了提高高速公路改擴(kuò)建的速度、施工區(qū)域及車輛安全行駛，有必要對(duì)高速公路施工區(qū)域設(shè)置一定量的安全設(shè)施。一般而言，高速公路施工區(qū)域安全設(shè)施包括：隔離柵、分隔墩、護(hù)欄、警示樁以及錐形交通標(biāo)等。以上安全設(shè)施主要用來(lái)分隔施工區(qū)域與正常通行的高速公路、分隔對(duì)向交通流以及應(yīng)急通道沿線。當(dāng)采用分隔墩、錐形交通標(biāo)和警示樁分隔對(duì)象車流或引導(dǎo)車輛進(jìn)出便道、應(yīng)急通道時(shí)，由于三者高度較低，駕駛員在辨識(shí)過程中注意力高度集中，心理壓力驟升，所以，概率p16＝0.001；當(dāng)采用護(hù)欄、隔離柵時(shí)，由于二者能及時(shí)被駕駛員察覺，駕駛員心理壓力相對(duì)較小，其對(duì)應(yīng)概率p16＝1，有

2.1.7 行車環(huán)境

行車環(huán)境指高速公路改擴(kuò)建段的地形、周邊環(huán)境等道路自然信息。在高速公路上運(yùn)行的駕駛員所接觸到的行車環(huán)境基本相同，駕駛員接收到的信息量較少，可以忽略不計(jì)，其概值p17＝0.001；但車輛到達(dá)作業(yè)區(qū)時(shí)，行車環(huán)境變的相對(duì)復(fù)雜，駕駛員接收到外界的刺激量顯著增多，信息量概率p17＝1，有

綜上所述，道路設(shè)計(jì)指標(biāo)、安全設(shè)施以及外部環(huán)境的總信息量計(jì)算式為

2.2 實(shí)時(shí)交通流信息

在高速公路改擴(kuò)建段作業(yè)區(qū)內(nèi)，駕駛員所接收不同車型、不同車速、不同車流以及施工人員與車輛間相互影響產(chǎn)生的信息量稱為實(shí)時(shí)交通流信息。此類信息用H2來(lái)表示。

2.2.1 合流機(jī)會(huì)

假設(shè)高速公路改擴(kuò)建段車輛到達(dá)符合交通工程學(xué)上的負(fù)指數(shù)分布，車輛運(yùn)行到施工區(qū)域時(shí)，由于車道分配數(shù)目及開放車道數(shù)目的變化，將會(huì)導(dǎo)致駕駛員對(duì)行車路線的一次重新選擇，車頭間距較大時(shí)，駕駛員選擇穿插或合流。一般而言，駕駛員在施工段前一定距離已經(jīng)判斷出前方合流處是否存在一定的安全車頭時(shí)距，其次是對(duì)合流或穿插的一種實(shí)際操作。車輛安全合流間隙出現(xiàn)的概率為

p21＝e－λt，

式中：λ為車流的平均到達(dá)率，輛／s；t為滿足合流的車頭時(shí)距（一般為3s）。所以車輛的合流機(jī)會(huì)信息量表示為

2.2.2 車輛類型

車型越多，車輛間性能差異越大，車速離散越大。高速公路作業(yè)區(qū)路段，大型車在合流過程中必然影響到其它車輛的正常運(yùn)行；轉(zhuǎn)彎性能較差的車輛，必然會(huì)占用較多的道路空間資源，不僅影響其它車輛的運(yùn)行效率，也使施工區(qū)域的交通事故增大。本次研究時(shí)，選取大型車輛和轉(zhuǎn)彎變道性能較差的車輛為信息計(jì)算概率，則車型比例信息量為

2.2.3 施工機(jī)械

高速公路施工區(qū)域的機(jī)械必須與高速公路上正常運(yùn)行的交通流分隔開，嚴(yán)格意義上來(lái)講，施工機(jī)械對(duì)高速公路上運(yùn)行的駕駛員構(gòu)不成直接威脅，駕駛員安全行車視野范圍內(nèi)的施工器械會(huì)對(duì)駕駛員造成一定的心理負(fù)擔(dān)。假設(shè)作業(yè)區(qū)內(nèi)有一臺(tái)施工機(jī)械對(duì)駕駛員造成不良影響時(shí)，則取信息量概率為0.001，所以，駕駛員所能接收到施工區(qū)域內(nèi)總的施工器械信息量為

綜上所述，實(shí)時(shí)交通流信息總和為以上三方面的信息量之和。

2.3 交通管理控制信息

交通管理部門為保證作業(yè)區(qū)交通流正常運(yùn)行所設(shè)置的人為信息，包括各種標(biāo)志、標(biāo)線、信號(hào)燈等。設(shè)此類信息為H3。

2.3.1 交通標(biāo)志標(biāo)線

按照國(guó)家對(duì)高速公路改擴(kuò)建工程的要求，作業(yè)區(qū)內(nèi)必須設(shè)置能夠正確引導(dǎo)駕駛員視線的標(biāo)志、標(biāo)線等基本的引導(dǎo)信息，這些標(biāo)志主要包括前方施工、階梯限速、警告等；對(duì)于高速公路上的標(biāo)線而言，為了盡量減少改擴(kuò)建后高速公路標(biāo)線施劃工作量，施工期間主要是通過臨時(shí)粘貼，把施工區(qū)域的車道分割線顯示出來(lái)，從而達(dá)到駕駛員能夠安全通過作業(yè)區(qū)的目的。假設(shè)有交通標(biāo)志或者標(biāo)線出現(xiàn)的概率為0.001，無(wú)相關(guān)設(shè)施的概率取值為1，則施工區(qū)臨時(shí)增設(shè)的標(biāo)志、標(biāo)線信息總量為

H（s31）＝－N1p31log2（p31）.

式中：N1為交通標(biāo)志、標(biāo)線的數(shù)量之和。

2.3.2 交通誘導(dǎo)措施

作業(yè)區(qū)其他誘導(dǎo)措施包括旗手、交通誘導(dǎo)屏、減速壟、紅藍(lán)警示燈等，本次研究時(shí)主要考慮旗手、誘導(dǎo)屏和紅藍(lán)警示燈對(duì)駕駛員誘導(dǎo)力度較大的措施。若作業(yè)區(qū)域設(shè)置旗手、誘導(dǎo)屏和警示燈中的全部或一種時(shí)，可取概率p32＝1，反之，概率p32＝0.001。交通誘導(dǎo)措施信息量為

H（s32）＝－N2p32log2（p32），

其中：N2為施工區(qū)域設(shè)置的旗手、誘導(dǎo)屏或紅藍(lán)警示燈數(shù)量。

通過以上對(duì)交通標(biāo)志、標(biāo)線和交通誘導(dǎo)設(shè)施信息量的分析，可以得出交通管理控制信息總量計(jì)算式為

H（S3）＝H（s31）＋H（s32）.

2.4 駕駛員與施工人員信息

2.4.1 駕駛員信息

駕駛員駕駛技術(shù)與駕齡、性別、心理素質(zhì)以及年齡有很大的關(guān)系，若駕駛員在復(fù)雜環(huán)境下行駛時(shí)，未表現(xiàn)出驚慌失措的神情，并且可以嫻熟應(yīng)對(duì)外界刺激，則p41＝1，反之，p41＝0.001。駕駛員自身信息總量為

H（s41）＝－p41log2（p41）.

2.4.2 施工人員對(duì)車輛的影響

行駛在高速公路上的車輛，除同向車輛間的干擾外，再無(wú)其它橫向干擾。但車輛運(yùn)行到施工區(qū)域時(shí)，駕駛員將受到施工人員的橫向干擾。如果施工區(qū)域有施工人員，可取概率p42＝1；若施工區(qū)域停止施工，可取概率p42＝0.001。施工人員對(duì)駕駛員的影響信息量可以通過施工人員的數(shù)量計(jì)算。即

H（s42）＝－N3p42log2（p42）.

式中：N3為施工人員數(shù)量。

駕駛員與施工人員總信息量為

H（S4）＝H（s41）＋H（s42）.

綜上所述，駕駛?cè)私?jīng)過高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)路段時(shí)，影響交通安全的總信息量為

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)影響高速公路施工區(qū)限速值因素的定量化分析，為高速公路施工區(qū)域合理限速值的設(shè)定提供了一定的新思路。鑒于駕駛員對(duì)信息處理過程的復(fù)雜性，交通流信息概率密度分布的可信程度，交通標(biāo)志、標(biāo)線以及相關(guān)安全設(shè)施布設(shè)的合理性還有待進(jìn)一步研究。

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