談交通量下的二級(jí)公路改擴(kuò)建施工區(qū)限速模式★

陳 同，齊鳴越

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

在縱橫通衢的國(guó)省道干線公路網(wǎng)中，二級(jí)公路由于其能夠以較少的投資和成本盡可能的建造平直寬闊路面的特點(diǎn)，在我國(guó)國(guó)道和省道早期的建設(shè)中占有較大的比重。依據(jù)“十三五”規(guī)劃提出的“推進(jìn)普通國(guó)省道提質(zhì)改造”，二級(jí)公路改造已成為我國(guó)國(guó)道和省道提質(zhì)改造的重點(diǎn)[1]。在封閉道路施工過(guò)程中，需要制定合理的交通組織方案，其中在正確位置設(shè)置合理的限速值，對(duì)于減少交通擁堵，降低事故率，確保車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。

美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)都對(duì)于施工區(qū)限速方案進(jìn)行了規(guī)定，例如，在美國(guó)施工區(qū)管理策略指南中[2]，弗吉尼亞規(guī)定，非限制通行高速公路，施工區(qū)限速時(shí)速約56 km/h；威斯康星州規(guī)定兩車道的農(nóng)村公路施工區(qū)限速約64 km/h～72 km/h，在極端車道轉(zhuǎn)換、狹窄車道情況下，以km/h的增量減速16 km/h。歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)道路養(yǎng)護(hù)期間的交通安全措施和標(biāo)志進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定[3]。另外，一些學(xué)者對(duì)施工區(qū)可變限速進(jìn)行了研究[4-8]。研究發(fā)現(xiàn)，可變限速標(biāo)志設(shè)置位置、根據(jù)流量設(shè)置的可變限速值對(duì)于提高交通流穩(wěn)定性和減少延誤有重要作用。

我國(guó)在《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》[9]和《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線 第4部分：作業(yè)區(qū)》[10]等文件中對(duì)不同設(shè)計(jì)速度公路在改擴(kuò)建過(guò)程中的限速進(jìn)行了規(guī)定，例如，兩個(gè)限速標(biāo)志之間距離應(yīng)大于200 m，對(duì)于逐級(jí)限速而言，宜采用每100 m車速降低10 km/h的限速方法。但這種限速?zèng)]有考慮交通流變化的影響，不同流量下駕駛員根據(jù)減速標(biāo)志設(shè)置的位置提前開(kāi)始減速可能造成過(guò)渡區(qū)的排隊(duì)，降低通行效率和安全系數(shù)。因此，在國(guó)家二級(jí)公路改擴(kuò)建的政策背景下(在公路“二改一”的政策背景下)，有必要基于現(xiàn)行規(guī)范，針對(duì)二級(jí)公路交通流特征，提出適用于不同場(chǎng)景的施工區(qū)限速方法。

1 二級(jí)公路改擴(kuò)建工程交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查和分析

本文收集了黑龍江省內(nèi)國(guó)道集賢至當(dāng)壁公路(G501)和國(guó)道北京至撫遠(yuǎn)公路(G102)改擴(kuò)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，兩條公路改擴(kuò)建前后主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 兩公路改擴(kuò)建前后主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)流量觀測(cè)站資料，G501和G102改擴(kuò)建路段2017年交通量年度統(tǒng)計(jì)表如表2所示，國(guó)道G501和G102的年平均日交通量分別為7 580輛/d和9 388輛/d，換算成標(biāo)準(zhǔn)小客車當(dāng)量交通量分別為9 835輛小客車/d和12 832輛小客車/d，已達(dá)到二級(jí)公路適宜交通量范圍的中上限。

表2 交通組成表

公路交通組成均以小型車為主，小型車所占比例分別為83.41%和76.26%，中型車所占比例分別為7.47%和10.83%，大型車比例分別為9.12%和12.91%。調(diào)查結(jié)果可以用于交通仿真中交通組成參數(shù)的設(shè)置。

二級(jí)公路一天24 h中，各路段小時(shí)交通量都在不斷地變化，為了準(zhǔn)確制定二級(jí)公路改擴(kuò)建施工期間的交通組織方案，了解二級(jí)公路改擴(kuò)建施工期的交通流特性，對(duì)兩公路交通量小時(shí)變化情況進(jìn)行分析(見(jiàn)圖1)。從圖1中可以看出，G501和G102最大高峰小時(shí)交通量分別為853 pcu/h和1 030 pcu/h。

2 施工區(qū)限速仿真

2.1 施工區(qū)限速模式設(shè)計(jì)

封閉車道模式下，當(dāng)設(shè)計(jì)速度為80 km/h，最終限速值為40 km/h時(shí)，《規(guī)程》采取二級(jí)限速的方式，60 km/h限速標(biāo)志設(shè)置在警告區(qū)長(zhǎng)度的1/2處，40 km/h限速標(biāo)志則設(shè)置在60 km/h限速標(biāo)志后不小于200 m處。

本研究在現(xiàn)行規(guī)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，以豐富作業(yè)區(qū)限速模式，提高設(shè)計(jì)的合理性。第一限速標(biāo)志“60 km/h”根據(jù)《規(guī)程》均設(shè)置在警告區(qū)1/2處；根據(jù)《規(guī)程》，在第一限速標(biāo)志后不小于200 m處設(shè)置“40 km/h”限速標(biāo)志，本文取250 m處設(shè)置“40 km/h”限速標(biāo)志作為“設(shè)計(jì)方案一”；車輛進(jìn)入上游過(guò)渡區(qū)時(shí)要減速匯流，若沒(méi)有減速提示，受交通流影響可能會(huì)在上游過(guò)渡段前端存在交通沖突，迫使車輛再次制動(dòng)減速[11]。若將最終限速標(biāo)志設(shè)置在上游過(guò)渡段前端，駕駛員發(fā)現(xiàn)后同樣會(huì)采取減速制動(dòng)，可避免一次制動(dòng)，提升過(guò)渡段交通流穩(wěn)定性。因此，將40 km/h限速標(biāo)志設(shè)置在上游過(guò)渡段前100 m作為“方案二”；研究發(fā)現(xiàn)限速差達(dá)到20 km/h(臨界值)，相鄰路段之間速度協(xié)調(diào)性較差，交通流穩(wěn)定性較差。因此，在方案二的基礎(chǔ)上在上游過(guò)渡區(qū)前300 m加設(shè)50 km/h限速標(biāo)志作為“方案三”。表3給出了三種限速模式方案。

表3 限速模式

2.2 仿真模型

以雙向兩車道半幅封閉模式為例進(jìn)行仿真。根據(jù)實(shí)測(cè)的交通量數(shù)據(jù)，選取0 pcu/h～800 pcu/h，800 pcu/h～1 000 pcu/h，1 000 pcu/h～1 200 pcu/h，1 200 pcu/h～1 400 pcu/h，1 400 pcu/h～1 600 pcu/h和1 600 pcu/h～1 800 pcu/h 六種交通量作為仿真條件，大型車比例設(shè)為10%，20%，30%和40%。結(jié)合對(duì)交通基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，設(shè)置車型比為小型車∶大型車=9∶1。

由于交通量在不同的范圍內(nèi)，為考慮限速的安全性，交通量值采用交通量范圍內(nèi)的最大值。依據(jù)《規(guī)程》對(duì)作業(yè)區(qū)各區(qū)段長(zhǎng)度進(jìn)行取值，各區(qū)段長(zhǎng)度如表4所示。

表4 仿真路段各區(qū)段長(zhǎng)度 m

為使仿真結(jié)果能反映作業(yè)區(qū)全路段的行車安全性，故數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)在警告區(qū)每隔100 m設(shè)置一個(gè)，共設(shè)置10個(gè)；作業(yè)區(qū)段每隔200 m設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其他區(qū)段分別在中點(diǎn)位置布設(shè)檢測(cè)點(diǎn)，共設(shè)14個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。

2.3 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)

使用與交通安全密切相關(guān)的車速離散程度來(lái)評(píng)估方案的安全性，并以車速標(biāo)準(zhǔn)差差異系數(shù)來(lái)描述車速離散程度[12]：

速度變異系數(shù)是車速標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)化，速度變異系數(shù)是行駛速度的標(biāo)準(zhǔn)差與行駛速度的平均值之比，計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

SD為車速標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

3 仿真結(jié)果分析

對(duì)六組交通量的改擴(kuò)建作業(yè)區(qū)路段進(jìn)行仿真，仿真得到三種不同限速方式下車輛速度標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)指標(biāo)值，見(jiàn)圖2。

圖2為三個(gè)方案施工路段的速度標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)趨勢(shì)圖，可以表征施工區(qū)內(nèi)各路段安全程度的變化規(guī)律。三種限速模式速度標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)變化趨勢(shì)雖總體保持一致，但也存在著不同之處：

1)在警告區(qū)的前半部分，三種限速模式下的車流量和車速均保持一致，所以存在著基本相同速度離散程度。

2)在交通量不大于1 200 pcu/h時(shí)，由圖2(a)～圖2(c)可以看出，方案二車速離散程度總體最小。方案一由于40 km/h限速標(biāo)志設(shè)置靠前，所以駛過(guò)40 km/h限速標(biāo)志后逐漸形成穩(wěn)定車流，致使在警告區(qū)900 m附近車速離散程度小于方案一，但是由于限速標(biāo)志設(shè)置靠前，車輛在警告區(qū)末端和上游過(guò)渡區(qū)會(huì)進(jìn)行第三次降速，從而車速離散再次增加。而方案二在40 km/h限速標(biāo)志附近開(kāi)始降速直到上游過(guò)渡區(qū)，所以在警告區(qū)末端和上游過(guò)渡區(qū)車速離散程度相對(duì)較小。

3)當(dāng)交通量在1 200 pcu/h～1 600 pcu/h時(shí)，由圖2(d),圖2(e)可以發(fā)現(xiàn)，方案三的速度標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)在整個(gè)施工區(qū)均處于最低水平，所以方案三的安全系數(shù)最高。

4)由圖2(f)可以看出，在交通量為1 600 pcu/h～1 800 pcu/h時(shí)，三種方案在工作區(qū)前速度離散程度都比較大，主要原因是隨著交通量的增加，工作區(qū)已達(dá)到了單車道通行能力極限并開(kāi)始產(chǎn)生排隊(duì)現(xiàn)象，致使警告區(qū)內(nèi)車速逐漸降低，速度離散程度隨之增大。由于方案一將第二限速標(biāo)志設(shè)置在距上游過(guò)渡區(qū)較遠(yuǎn)處，受施工區(qū)內(nèi)限速值和交通量的影響，車輛會(huì)形成密集而且緩慢行駛的交通流，所以在第二限速標(biāo)志以后速度離散程度最小，具有更高的安全系數(shù)。

5)車輛在駛?cè)刖彌_區(qū)后，已完成合流并以較慢的車速形成了穩(wěn)定車流，所以速度離散程度逐漸降低并恢復(fù)至原有狀態(tài)。

綜上所述，不同交通量下的限速模式方案如表5所示。

表5 不同交通量下的限速模式方案

4 結(jié)語(yǔ)

1)基于公路施工區(qū)現(xiàn)行限速規(guī)定，考慮駕駛員在施工區(qū)上游的減速特性以及駕駛員對(duì)交通標(biāo)志的認(rèn)知心理，從限速值、標(biāo)志設(shè)置位置兩個(gè)指標(biāo)出發(fā)設(shè)計(jì)了三種二級(jí)公路改擴(kuò)建施工區(qū)限速模式。

2)建立了二級(jí)公路改擴(kuò)建施工區(qū)車輛運(yùn)行的VISSIM仿真模型，選取速度離散程度為安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了流量為800 pcu/h，1 000 pcu/h，1 200 pcu/h，1 400 pcu/h，1 600 pcu/h，1 800 pcu/h等不同流量下三種限速模式對(duì)安全性的影響，給出了不同交通量下二級(jí)公路施工作業(yè)區(qū)的推薦限速模式方案。