公路交通工程建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程施工區(qū)布局優(yōu)化建模設(shè)計(jì)研究分析

姜旭東 何超

摘? ? 要：在公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程開(kāi)始施工之前，有必要進(jìn)行施工區(qū)布局設(shè)置規(guī)劃，優(yōu)化施工區(qū)布局設(shè)置，以使建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用和用戶(hù)延誤費(fèi)用最小化，同時(shí)最大限度地提高公眾和施工工作人員的安全。

關(guān)鍵詞：交通工程;施工區(qū)優(yōu)化布置;建模設(shè)計(jì)

1? 引言

一般情況下多車(chē)道公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)工程施工區(qū)需要封閉一條或者多條車(chē)道，道路通行能力減小導(dǎo)致交通擁堵和交通延誤，引發(fā)駕駛?cè)说牟粷M(mǎn)和道路使用者延誤費(fèi)用增加。施工高峰季節(jié)，公路施工區(qū)死亡和傷害交通事故有增加的趨勢(shì)。相關(guān)施工區(qū)事故分析及調(diào)查也顯示施工區(qū)的布局參數(shù)對(duì)施工區(qū)安全有顯著影響，如施工作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度、施工時(shí)間、速度限制條件、臨時(shí)交通控制（TTC）的類(lèi)型和分隔路障的類(lèi)型。因此，在公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程開(kāi)始施工之前，有必要進(jìn)行施工區(qū)布局設(shè)置規(guī)劃，優(yōu)化施工區(qū)布局設(shè)置，以使建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用和用戶(hù)延誤費(fèi)用最小化，同時(shí)最大限度地提高公眾和施工工作人員的安全。

2? 確定決策變量

2.1? 施工區(qū)段長(zhǎng)度

2.2? 施工區(qū)限速條件

第二個(gè)決策變量是施工區(qū)限速，施工區(qū)可能限速值為40km/h、60km/h、80km/h和100km/h。前三個(gè)值的選擇遵守施工區(qū)通常采用的限速值，而第四個(gè)限速值代表施工區(qū)“無(wú)速度減少”。施工區(qū)限速對(duì)用戶(hù)延誤費(fèi)用和事故費(fèi)用有著直接的影響，施工區(qū)限速值降低一定程度上會(huì)降低施工區(qū)通行能力，導(dǎo)致排隊(duì)增加和用戶(hù)延誤費(fèi)用增加;但另一方面，因事故發(fā)生頻率與施工區(qū)限速值有統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，施工區(qū)限速值降低會(huì)使事故費(fèi)用減少。

2.3? 施工時(shí)間

該模型假定維修養(yǎng)護(hù)施工可以在一天的任何時(shí)候開(kāi)始，相應(yīng)的施工區(qū)施工開(kāi)始時(shí)間可在1：00～24：00之間任意取值。施工開(kāi)始時(shí)間及施工持續(xù)時(shí)間對(duì)施工區(qū)建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用、用戶(hù)延誤費(fèi)用和事故費(fèi)用三個(gè)費(fèi)用指標(biāo)都有影響。相對(duì)于夜間開(kāi)始施工而言，8：00am開(kāi)始施工將不需要額外的建設(shè)費(fèi)用，但是需要在早上交通量比較大的時(shí)候施工，這會(huì)導(dǎo)致用戶(hù)延誤費(fèi)用的增加。同樣地，事故費(fèi)用也受施工開(kāi)始時(shí)間的影響，按照問(wèn)卷結(jié)果，相對(duì)于白天日間施工（10am～4pm）而言下午（4pm～8pm）施工將增加施工區(qū)交通事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

2.4? ?臨時(shí)交通控制類(lèi)型

第四個(gè)決策變量是施工區(qū)采用的臨時(shí)交通控制類(lèi)型。該模型中，考慮兩種類(lèi)型的TTC：①僅采用常規(guī)的臨時(shí)交通控制（TTC）設(shè)備;②同時(shí)采用交通巡警和常規(guī)的臨時(shí)交通控制（TTC）設(shè)備。研究證實(shí)在建設(shè)養(yǎng)護(hù)施工區(qū)使用交通巡邏警察對(duì)提高駕駛?cè)俗⒁饬褪蛊渥袷厥┕^(qū)法規(guī)很有效，但另一方面，這也會(huì)增加施工費(fèi)用成本，尤其是對(duì)長(zhǎng)期建設(shè)的施工區(qū)而言更是如此。

2.5? 路障類(lèi)型

該模型中第五個(gè)決策變量是用于分離交通和施工區(qū)域及施工人員的路障的類(lèi)型。該模型中這個(gè)決策變量有兩種備選集：①常規(guī)路障;②臨時(shí)混凝土路障。臨時(shí)混凝土路障是一套非附屬、預(yù)制、混凝土組件。使用臨時(shí)混凝土路障能夠降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，但會(huì)導(dǎo)致施工費(fèi)用成本增加。

3? 目標(biāo)函數(shù)

該模型的目標(biāo)函數(shù)為施工區(qū)總費(fèi)用，總費(fèi)用包括：（1）建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用;（2）用戶(hù)延誤費(fèi)用;（3）整個(gè)項(xiàng)目工程持續(xù)時(shí)間內(nèi)的事故費(fèi)用：

3.1? 建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用

施工區(qū)的建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用在該模型中用公式表示：（1）安裝和拆除費(fèi)用;（2）單位長(zhǎng)度施工區(qū)每車(chē)道建設(shè)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用;（3）施工超出正常工作時(shí)間（6：00am～4：00pm），的加班費(fèi)用;（4）在施工期聘請(qǐng)交通警察巡邏的額外費(fèi)用;（5）使用臨時(shí)混凝土路障的額外費(fèi)用。平均建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用CC可表示為建設(shè)或養(yǎng)護(hù)一個(gè)長(zhǎng)為S的施工區(qū)的費(fèi)用乘以整個(gè)工程中施工區(qū)的數(shù)量：

3.2? 用戶(hù)延誤費(fèi)用

公路建設(shè)施工通常會(huì)導(dǎo)致交通擁堵和給公眾出行交通環(huán)境造成危害。由于施工區(qū)通行能力下降，導(dǎo)致出行速度降低和出行時(shí)間的增加，交通擁堵對(duì)公眾出行產(chǎn)生用戶(hù)延誤費(fèi)用。駕駛?cè)说难诱`費(fèi)用可能會(huì)非常昂貴，并有可能超過(guò)有關(guān)部門(mén)的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用支出。用戶(hù)延誤費(fèi)用組成包括：（1）由于通過(guò)施工區(qū)需要減速，車(chē)輛通過(guò)施工區(qū)的移動(dòng)延誤費(fèi)用;（2）到達(dá)交通流量Q超過(guò)施工區(qū)通行能力Cw時(shí)的排隊(duì)延誤費(fèi)用。準(zhǔn)確估計(jì)移動(dòng)延誤費(fèi)用和排隊(duì)延誤費(fèi)用取決于施工區(qū)通行能力Cw的準(zhǔn)確性。模型假設(shè)近似自由流速度v比施工區(qū)限速v（決策變量）大8.05km/h;假設(shè)施工作業(yè)區(qū)施工工作人員為4人，施工設(shè)備為2個(gè)，施工作業(yè)區(qū)與開(kāi)放車(chē)道之間的距離為1.2m，能夠估算出由施工強(qiáng)度Rwi引起的速度減少為20.63km/h。在這個(gè)模型中，施工區(qū)運(yùn)行速度v簡(jiǎn)化成施工區(qū)限速值的函數(shù)見(jiàn)公式（4.3），施工區(qū)通行0能力C簡(jiǎn)化成施工區(qū)運(yùn)行速度v的函數(shù)見(jiàn)公式：

用戶(hù)延誤費(fèi)用以小時(shí)動(dòng)態(tài)地估計(jì)每小時(shí)費(fèi)用。如果到達(dá)小時(shí)交通量Q小于或等于施工區(qū)的通行能力C，即沒(méi)有形成排隊(duì)，則時(shí)間延誤只是由車(chē)輛在施工區(qū)緩慢移動(dòng)引起。假設(shè)平均到達(dá)速度為v，每小時(shí)移動(dòng)延誤的計(jì)算見(jiàn)公式：

另一方面，如果每小時(shí)到達(dá)交通量Q大于施工區(qū)的通行能力時(shí)，將形成排隊(duì)，時(shí)間延誤將包含移動(dòng)延誤和排隊(duì)延誤。在這種情況下移動(dòng)延誤計(jì)算為公式，排隊(duì)延誤計(jì)算為公式如下所示，其中無(wú)施工區(qū)的高速公路通行能力C0是一個(gè)常數(shù)。

3.3? 施工區(qū)事故費(fèi)用

現(xiàn)有模型對(duì)施工區(qū)事故費(fèi)用估算方法假設(shè)其與公路路段的事故費(fèi)用估算標(biāo)準(zhǔn)相類(lèi)似;因?yàn)闆](méi)有考慮到與其他的連續(xù)流公路路段相比，施工區(qū)交通環(huán)境更危險(xiǎn)和復(fù)雜，該假設(shè)會(huì)導(dǎo)致低估施工區(qū)的事故費(fèi)用成本。為克服現(xiàn)有模型的這一局限性，本文中模型給出了一個(gè)新的施工區(qū)事故費(fèi)用模型，即在第三章中建立了一個(gè)新的事故費(fèi)用模型，確定施工區(qū)布局參數(shù)及臨時(shí)交通控制措施類(lèi)型對(duì)施工區(qū)事故費(fèi)用的影響：

3.4? 優(yōu)化模型總費(fèi)用

示出建設(shè)、養(yǎng)護(hù)施工區(qū)總工程費(fèi)用，即優(yōu)化模型可表述為：

該模型可動(dòng)態(tài)地估計(jì)整個(gè)總施工建設(shè)工期每小時(shí)施工區(qū)總費(fèi)用和累積總費(fèi)用。

4? 模型實(shí)現(xiàn)

在MatlabR2012a中采用遺傳算法（GAs）來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化模型。遺傳算法是一種搜索和優(yōu)化工具，具有啟發(fā)式進(jìn)化機(jī)制的強(qiáng)大搜索空間幫助決策者確定問(wèn)題最優(yōu)解或者近優(yōu)解，GA模型連接到在Microsoft Access 2007中開(kāi)發(fā)的一個(gè)原型數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于存儲(chǔ)和檢索交通流量和費(fèi)用修正數(shù)據(jù)。

該模型對(duì)輸入數(shù)據(jù)采用不同參數(shù)遺傳算法（如種群大小、變異率、后代數(shù)量）進(jìn)行分析。不同施工開(kāi)始時(shí)間，運(yùn)行產(chǎn)生一系列最優(yōu)的施工區(qū)布局設(shè)置，每一個(gè)最優(yōu)解都提供一個(gè)最優(yōu)施工區(qū)布局設(shè)置和相應(yīng)的最低施工區(qū)總費(fèi)用。

5? 結(jié)束語(yǔ)

本文為公路建設(shè)工程施工區(qū)布局設(shè)置提出了一種新的優(yōu)化模型，考慮小時(shí)交通流量的變化，確定施工區(qū)長(zhǎng)度、限速條件、維修養(yǎng)護(hù)開(kāi)始時(shí)間、臨時(shí)交通控制設(shè)備的類(lèi)型和路障隔離類(lèi)型五個(gè)決策變量的最優(yōu)解。首先根據(jù)第三章施工區(qū)問(wèn)卷調(diào)查的結(jié)果并結(jié)合前人的研究結(jié)果從施工區(qū)布局參數(shù)的決策變量備選集中確定出施工作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度、施工區(qū)限速條件、施工開(kāi)始時(shí)間、TTC類(lèi)型和路障類(lèi)型為模型的決策變量;接著以施工區(qū)總費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立短期和長(zhǎng)期公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程施工區(qū)都適用的施工區(qū)布局設(shè)置優(yōu)化模型，來(lái)確定最優(yōu)建設(shè)養(yǎng)護(hù)施工區(qū)布局設(shè)置，其中施工區(qū)總費(fèi)用包括建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用、用戶(hù)延誤費(fèi)用和事故費(fèi)用。

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作者簡(jiǎn)介：

姜旭東（1988—）男，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，土木工程專(zhuān)業(yè)，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，哈爾濱工程大學(xué)兼職副教授。山東省公共資源交易綜合評(píng)標(biāo)評(píng)審專(zhuān)家、山東省政府采購(gòu)評(píng)審專(zhuān)家。研究方向：軌道交通工程、公路交通工程、智能交通工程。