基于仿真的高速公路養(yǎng)護維修作業(yè)限速標(biāo)準(zhǔn)研究

霍繼輝，付興勝，李 講，高立波

(1.遼寧交投公路科技養(yǎng)護有限責(zé)任公司 沈陽市 110000； 2.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015； 3.高速公路養(yǎng)護技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室 沈陽市 110015； 4.大石橋市公路管理段 營口市 115100)

沈山高速公路全長361km，全線按八車道規(guī)劃，六車道建設(shè)，1997年5月開工，2000年9月竣工，設(shè)計交通量50000～80000輛/日，設(shè)計速度120km/h，沈山高速公路年平均日交通量35104(單向/pcu)，高峰小時交通量2069(單向/pcu)，半幅封閉作業(yè)時常會出現(xiàn)擁堵的現(xiàn)象，對交通組織管理壓力很大，合理的封閉方式將有效地緩解交通擁堵，最大限度地保證行車安全暢通。

在國內(nèi)關(guān)于養(yǎng)護維修作業(yè)的研究當(dāng)中，王振采用交通仿真的方式對高速公路作業(yè)區(qū)交通仿真方案進(jìn)行了評價研究，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施[1]。黃葉娜通過作業(yè)區(qū)通過的最大小時交通量，提出了作業(yè)區(qū)通行能力的合理取值[2]。依托遼寧省交通運輸廳科研項目“遼寧省高速公路臨時占道施工封閉標(biāo)準(zhǔn)”的研究成果，基于對沈山高速公路半幅封閉借用對向車道通行養(yǎng)護作業(yè)方式維修作業(yè)段實際交通的調(diào)查、交通流特點分析，采用VISSIM仿真軟件，開展了限速標(biāo)準(zhǔn)的研究，提出了警告區(qū)、過渡區(qū)、工作區(qū)的最終限速建議值，對現(xiàn)有《公路養(yǎng)護安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30-2015)的應(yīng)用做了補充，為科學(xué)有效地指導(dǎo)高速公路養(yǎng)護維修安全作業(yè)提供了技術(shù)支持。

1 沈山高速公路交通現(xiàn)狀研究

1.1 高速公路施工作業(yè)區(qū)交通調(diào)查

采用現(xiàn)場視頻錄制調(diào)查方法，通過“Adobe Premiere”軟件提取交通流參數(shù)，完成了沈山高速公路三個施工作業(yè)區(qū)共計12個斷面約3萬輛車的交通流參數(shù)提取。養(yǎng)護控制區(qū)封閉形式及位置見表1。

表1 養(yǎng)護控制區(qū)封閉形式及位置

1.2 沈山高速公路現(xiàn)有車輛交通特性研究

沈山高速公路采用客貨分離的車道設(shè)計，因此在分析施工作業(yè)區(qū)段交通特性時，應(yīng)針對客貨車型的不同分別分析其交通特性。以調(diào)查得到的沈山高速公路三種維修作業(yè)形式的交通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究分析了各種封閉形式養(yǎng)護作業(yè)區(qū)各區(qū)段大小車型的速度分布情況。

以沈山高速公路半幅封閉形式的養(yǎng)護作業(yè)控制區(qū)為例，統(tǒng)計養(yǎng)護作業(yè)區(qū)各區(qū)段速度分布情況，如圖1～圖4所示。

圖1 上游正常路段車速頻率分布

圖2 上游警告區(qū)車速頻率分布

圖3 上游過渡區(qū)車速頻率分布

圖4 工作區(qū)車速頻率分布

由圖1～圖4可以看出，雙向六車道高速公路借用對向車道通行養(yǎng)護作業(yè)區(qū)各路段的車速分布均符合正態(tài)分布。

針對養(yǎng)護作業(yè)控制區(qū)車輛運行特點，基于統(tǒng)計分布原理確定養(yǎng)護控制區(qū)限速范圍，按式(1)、式(2)確定限速高、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。

(1)

(2)

Ei—區(qū)段i速度的平均值，km/h；

σi—區(qū)段i速度分布的標(biāo)準(zhǔn)差，km/h。

若考慮大型車混入后限速取值，可按照下式取值：

(3)

式中：LVi—區(qū)段i考慮大型車混入后的限速值，km/h；

p—大型車混入率，%。

根據(jù)公式(1)、式(2)、式(3)確定限速標(biāo)準(zhǔn)，計算結(jié)果如表2所示。

表2 雙向六車道借用對向車道通行施工區(qū)限速(沈山高速公路)

注：1—該作業(yè)區(qū)大型車混入率為58.1%

因沈山高速公路大型車比例較高，正常路段的速度均值最大，為88.11km/h，此后車速逐漸降低，工作區(qū)平均速度僅為54.67km/h。因半幅封閉，車輛需占用對向車道行駛，且無法變道超車，交通流為跟馳狀態(tài)，車輛行駛速度受大型車的車速影響較大，行駛速度較低。此種封閉方式的養(yǎng)護作業(yè)區(qū)通行能力和服務(wù)水平均較低。

2 采用VISSIM仿真軟件維修作業(yè)限速標(biāo)準(zhǔn)的研究

采用仿真的方式，借助于交通工程中常用的VISSIM仿真軟件，對雙向六車道半幅封閉借用對向車道通行養(yǎng)護作業(yè)方式的限速標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，確定警告區(qū)、過渡區(qū)、工作區(qū)最終限速建議值。

2.1 仿真軟件介紹

VISSIM仿真軟件是德國PTV公司開發(fā)的商業(yè)化交通仿真軟件，主要用于公路、城市道路的交通流仿真建模。VISSIM具有良好的圖形輸入接口、信號感應(yīng)模型、車輛行為模型、路網(wǎng)配流模型和強大的3D再現(xiàn)功能。是一種微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，用以建模和分析各種交通條件下(車道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號、公交站點等)城市交通和公共交通的運行狀況，是評價交通工程設(shè)計和城市規(guī)劃方案的有效工具[3]。

2.2 仿真模型構(gòu)建

根據(jù)所研究高速公路的車道情況，在VISSIM軟件中建立高速公路地圖如圖5所示。

圖5 雙向六車道高速公路借用對向車道通行道路圖

2.3 上游過渡區(qū)限速值仿真分析

結(jié)合實際調(diào)查數(shù)據(jù)，在軟件中輸入雙向車流量、各個車型所占比例等數(shù)據(jù)后，由于上游過渡區(qū)是養(yǎng)護施工路段中較為危險的部分，采用仿真的方式對此部分限速值進(jìn)行確定，設(shè)置35km/h、40km/h以及45km/h三個等級。

2.4 仿真結(jié)果評價

完成了各個參數(shù)的設(shè)置后，開始運行仿真，完成一個周期3600s的仿真后，對仿真運行過程當(dāng)中的圖像進(jìn)行截取，如圖6所示，仿真結(jié)束后得到各項評價結(jié)果，從而對上游過渡區(qū)的限速值進(jìn)行確定。

圖6 仿真運行中的圖像截取

在路段中選取上游過渡區(qū)進(jìn)行節(jié)點評價，選取車輛平均停車時間、平均延誤以及平均排隊長度作為評價指標(biāo)，分別在上游過渡區(qū)設(shè)置限速為35km/h、40km/h以及45km/h三個等級，得到仿真評價結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 限速35km/h仿真評價結(jié)果

圖8 限速40km/h仿真評價結(jié)果

圖9 限速45km/h仿真評價結(jié)果

根據(jù)仿真評價結(jié)果，限速40km/h相比于30km/h，所有車輛平均延誤少，車輛平均排隊時長小，各個評價指標(biāo)有較為明顯提升，同時，由仿真運行過程中限速40km/h情形下，車輛能平穩(wěn)地通過過渡區(qū)，車輛通行順暢。同時，對于限速45km/h以及40km/h兩種限速標(biāo)準(zhǔn)，三大評價指標(biāo)基本相同，考慮到限速45km/h的情況下，車輛行駛速度過快，將會增加行車的危險性，因此，將最終的過渡區(qū)限速值確定為40km/h。

通過表2的計算結(jié)果，結(jié)合VISSIM仿真評價軟件的模擬分析，最終將警告區(qū)、過渡區(qū)、工作區(qū)基于大型車車速分布的限速計算值最低限速確定為62km/h、44km/h、45km/h，考慮大型車混入后的限速值是70km/h、50km/h、50km/h，因此警告區(qū)、過渡區(qū)、工作區(qū)最終限速值建議為60km/h、40km/h、60km/h。

3 結(jié)語

通過對沈山高速公路交通現(xiàn)狀進(jìn)行研究，采用視頻錄制的方法對交通運行狀況進(jìn)行調(diào)查，采用“Adobe Premiere”軟件，完成了對施工作業(yè)區(qū)交通流參數(shù)的提取，并對交通特性進(jìn)行了研究。同時，采用仿真的方式，對沈山高速公路施工作業(yè)區(qū)進(jìn)行模擬分析，最終得出了警告區(qū)、過渡區(qū)以及工作區(qū)的限速建議值，可以對遼寧省道路施工期間管理提供標(biāo)準(zhǔn)，并為類似的工程提供一定的借鑒。