城市快速路施工區(qū)可變限速模型研究

李曉玲， 王偉智

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州　350116)

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城市快速路施工區(qū)可變限速模型研究

李曉玲， 王偉智

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州350116)

引入可變限速的思想， 考慮影響施工區(qū)車速的因素如V/C、 大車率、 服從率等因素， 提出基于交通流理論和交通沖突技術(shù)的施工區(qū)可變限速模型. 通過仿真進(jìn)行了模型的標(biāo)定， 并基于算例得到施工區(qū)的限速值. 研究結(jié)果表明： 該模型能克服現(xiàn)有限速方法的不足.

快速路; 施工區(qū); 可變限速; V/C; 大車率; 服從率; 交通沖突技術(shù)

0　引言

城市快速路服務(wù)于城市內(nèi)的快速交通運(yùn)輸， 且兼高速公路和城市干道的特點(diǎn)， 在城市道路中的地位非同一般. 施工區(qū)常常不可避免地封閉車道， 導(dǎo)致施工區(qū)車速降低， 道路的通行能力大幅度減少， 施工區(qū)車輛從高速自由流向低速阻滯流過渡的過程中就存在很大的安全隱患. 當(dāng)前我國的大部分施工區(qū)都缺乏相對(duì)規(guī)范化的交通組織和管理， 施工區(qū)的交通環(huán)境變得更加復(fù)雜， 導(dǎo)致了施工區(qū)成為道路上的瓶頸路段， 成為交通運(yùn)輸中最薄弱的地方， 經(jīng)常發(fā)生交通擁堵和交通事故.

國內(nèi)外對(duì)施工區(qū)的研究主要體現(xiàn)在3個(gè)方面： 施工區(qū)的相關(guān)規(guī)范研究、 施工區(qū)的交通特性研究以及施工區(qū)仿真研究等. 美國在施工區(qū)限速值確定及限速方法方面的研究具有一定的代表性， 對(duì)施工區(qū)各種限速措施效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)[1-2]， 在施工區(qū)內(nèi)實(shí)施了VSL(variable speed limits)可變限速控制策略[3]. 國內(nèi)對(duì)施工區(qū)的研究主要是施工區(qū)交通信號(hào)控制研究[4]、 限速標(biāo)志位置研究[5]和限速方案評(píng)價(jià)[6-7]等方面， 但對(duì)于施工區(qū)的限速值的確定通常是人為取值后評(píng)價(jià)限速方案的優(yōu)劣， 缺乏科學(xué)性和可靠性.

針對(duì)可變限速的算法， 國內(nèi)外主要包括3類： 基于交通流模型的算法、 加權(quán)法和智能算法. 基于交通流模型的算法主要是對(duì)交通流模型的推導(dǎo)、 改進(jìn)和融合. 加權(quán)法是指先得到理論限速值， 然后對(duì)駕駛?cè)诵袨椤?道路條件、 交通條件等影響因素進(jìn)行加權(quán)處理， 最終得到限速值. 智能算法主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 模糊控制、 遺傳算法、 強(qiáng)化學(xué)習(xí)等. 本文綜合這3種方法的特點(diǎn)， 考慮影響施工區(qū)限速值的因素， 采用加權(quán)法和交通流模型法及交通沖突技術(shù)相結(jié)合的方法確定施工區(qū)的可變限速值.

1　快速路施工區(qū)分析

1.1施工區(qū)基本組成

參考《城市道路施工作業(yè)交通組織規(guī)范 (GA/T 900—2010)》[8]， 施工區(qū)由警告區(qū)、 上游過渡區(qū)、 緩沖區(qū)、 工作區(qū)、 下游過渡區(qū)和終止區(qū)組成， 如圖1. 圖中: 數(shù)字1～7分別代表施工區(qū)的各控制區(qū)段的起終點(diǎn).

1.2施工區(qū)的交通特性分析

在施工區(qū)， 道路環(huán)境發(fā)生了明顯的變化. 為保證施工的順利進(jìn)行， 施工區(qū)相對(duì)一般道路增設(shè)標(biāo)志標(biāo)線、 隔離設(shè)施等， 導(dǎo)致駕駛員在單位時(shí)間內(nèi)獲取的信息量增多， 駕駛員的適應(yīng)性變差； 道路上的參與者(駕駛員、 施工人員及施工機(jī)械操作人員)更多， 因此交通環(huán)境變得更加復(fù)雜.

此外， 施工區(qū)不可避免地要占用部分道路空間， 施工區(qū)的開放車道數(shù)或車道寬度減少， 導(dǎo)致施工區(qū)的通行能力大大降低. 施工區(qū)車道總寬度減少， 車輛在行駛時(shí)的交通沖突增多， 行車不安全性增加， 直接影響駕駛?cè)说鸟{駛行為， 對(duì)駕駛員的駕駛技術(shù)提出更高的要求.

對(duì)于施工區(qū)的擁堵現(xiàn)象以及安全隱患， 在交通流中表現(xiàn)為車輛速度的變化. 駕駛員習(xí)慣性忽略限速、 合流等警示標(biāo)志， 車輛由高速自由流向低速阻滯流轉(zhuǎn)換的過程就存在潛在的安全隱患. 所以， 如何合理控制快速路施工區(qū)速度是至關(guān)重要的條件.

2　施工區(qū)限速影響因素

對(duì)于限速值的影響因素， 需要從影響速度的因素分析入手. 影響速度變化的因素有很多， 包括人的因素(駕駛員的技術(shù)、 年齡及駕駛員的生理、 心理狀態(tài)等)、 車的因素(車型、 車齡等)、 路的因素(道路等級(jí)、 道路的平縱曲線、 線形、 車道、 視距及路面狀況等)、 交通因素(交通量、 交通組成及交通管理措施等)及環(huán)境因素(季節(jié)、 氣候、 時(shí)間及沿線道路街道化的程度等)等. 鑒于上節(jié)所述施工區(qū)的特殊性質(zhì)， 主要討論如下幾項(xiàng)因素， 見圖2.

3　可變限速模型

3.1基于交通流理論的速度模型

交通流模型是描述道路上速度、 流量、 密度三參數(shù)之間關(guān)系的模型. 以靜態(tài)交通流模型為基礎(chǔ)， 以施工區(qū)所能通過的交通量最大為目標(biāo)， 建立速度模型. 最早的速度—密度模型是由格林希爾茲于1935年提出的， 即格林希爾茲線性模型， 該模型適用于密度適中的交通條件：

(1)

式中： vf為自由流速度， 一般介于限制速度和設(shè)計(jì)速度之間； kj為阻塞密度， 該值較難獲得， 一般在115～155veh·km-1(veh為車流量)的范圍內(nèi).

因此， 流量與密度關(guān)系則可以表示為：

(2)

令vm和km分別為交通流量最大qm時(shí)對(duì)應(yīng)的車速和密度. 當(dāng)交通流量最大時(shí)，vm=vf/2,km=kj/2，qm=vfkj/4. 對(duì)于特定道路上的交通流， 令流量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的速度為限速值， 即令vs1=vm，vs1即為基于交通流模型的限速值.

3.2基于沖突技術(shù)的安全速度模型

交通沖突技術(shù)(trafficconflicttechnique，TCT)是對(duì)沖突當(dāng)事雙方的相對(duì)位置和沖突速度進(jìn)行觀測(cè)并以安全臨界標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)沖突與事故接近水平的過程.

施工區(qū)的沖突示意圖見圖3， 車道1的車輛享有優(yōu)先通過權(quán)， 車道2的車輛等待車道1車流的可插車間隙匯入其中. 此時(shí)的車輛2若不采取避讓行為， 那么兩車將在圖中所示的碰撞點(diǎn)發(fā)生沖突， 產(chǎn)生交通事故.

假設(shè)車輛2是優(yōu)先避險(xiǎn)的沖突車輛， 速度為 v2(km·h-1)， vc為沖突車輛在沖突結(jié)束后的速度， L為沖突車輛假想碰撞點(diǎn)的距離， 視為沖突距離， 沖突車輛的減速度為a (m·s-2)， 通常取3～5m·s-2. 那么， 碰撞前時(shí)間tc(timetocollision，TTC)為：

(3)

交通沖突的嚴(yán)重性判別中， 以碰撞前時(shí)間作為沖突嚴(yán)重性判定指標(biāo)， 采用累積頻率分析方法， 針對(duì)不同的沖突初始分類， 給出類與類之間的界定值[9]， 原理如圖4.

文獻(xiàn)[9]中， 以碰撞前時(shí)間tc為衡量指標(biāo)， 對(duì)交通沖突嚴(yán)重性的劃分得到了明確的結(jié)果， 即1.0≤tc≤2.0s時(shí)為非嚴(yán)重沖突， tc≤1.0s時(shí)為嚴(yán)重沖突， tc>2.0s時(shí)的交通危險(xiǎn)事件不構(gòu)成沖突. 因此， 取tc=2.0s作為評(píng)判是否發(fā)生沖突的標(biāo)準(zhǔn). 若已知沖突距離或者制動(dòng)減速度以及碰撞后沖突車輛的速度， 則沖突車輛的速度 v2便可計(jì)算得出. 令 vs2=v2， 得到基于交通沖突的限速值 vs2.

3.3可變限速模型

(4)

式中： vs為施工區(qū)限速值; εV/C為V/C修正系數(shù); εh為大車率修正系數(shù); εc為駕駛員服從率修正系數(shù);εw為能見度修正系數(shù).

4　模型標(biāo)定

通過固定其他因素不變， 仿真時(shí)只變動(dòng)一個(gè)因素， 分別得到以下的修正參數(shù)擬合函數(shù)， 見圖5～7所示. 對(duì)于能見度和路面條件2個(gè)因素， 由于仿真軟件當(dāng)中沒有相關(guān)設(shè)置， 所以采用美國ASSHTO的NCHRP模型， 該模型中反映了能見度、 路面摩擦因數(shù)與最大安全行駛速度的關(guān)系[10]， 模型如下：

(5)

式中： v為行駛車速，km·h-1； i為路面摩擦系數(shù)； a為坡度； Ls為前后車的安全距離， 一般取5～10m； Lv為能見度，m.

求解得到最大安全行駛車速為：

(6)

將vm除以基準(zhǔn)情況下的限速值即得到修正系數(shù).

因此，V/C修正系數(shù)的擬合函數(shù)為εV/C=1.097 9(V/C)-0.379； 大車率修正系數(shù)的擬合函數(shù)為εh=-0.002 h+0.895 8， 其中h為大車率； 駕駛員服從率修正系數(shù)的擬合函數(shù)為εc= 4×10-5c2-0.003 9c+0.970 7， 其中c為駕駛員服從率.

5　算例

表1　施工區(qū)限速值計(jì)算Tab.1　Calculation of speed limitfor work zone

6　結(jié)語

對(duì)快速路施工區(qū)的特性進(jìn)行分析， 施工區(qū)的安全隱患主要來源于車輛行駛車速的變化. 對(duì)影響施工區(qū)速度的因素進(jìn)行分析， 提出基于交通沖突技術(shù)和交通流理論的限速模型， 并對(duì)模型的修正系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定. 模型中施工區(qū)長(zhǎng)度和過渡區(qū)段的長(zhǎng)度均為定值， 未進(jìn)行深入分析控制區(qū)段長(zhǎng)度的變化對(duì)施工區(qū)的影響， 此處應(yīng)為日后將要研究的方向. 影響施工區(qū)限速值的因素還有很多， 其他關(guān)鍵因素對(duì)施工區(qū)限速的影響還需要繼續(xù)研究.

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

The variable speed limits of urban expressway work zones

LI Xiaoling, WANG Weizhi

(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

The paper introduces the variable speed limit thought, considers the V/C, large vehicle mix rates, the compliance rates and other factors, puts forward the variable speed control model based on traffic conflict technique and the traffic flow theory of the work zone. The paper calibrates the model through the vissim simulation, and based on an example calculates the value of speed limits. The result shows that the model can overcome the shortage of the current speed limits.

urban expressway; work zone; variable speed limits; volume/capacity; large vehicle mix rates; compliance rates; traffic conflict technique

10.7631/issn.1000-2243.2016.01.0115

1000-2243(2016)01-0115-04

2015-04-24

王偉智(1960-)， 教授， 主要從事智能交通的研究， wwz@fzu.edu.cn

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013J01186)

U491.2

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