雙車道公路改擴(kuò)建全封閉繞行區(qū)交通特性*

孟祥海 秦雷雷 潘晨月 張龍釗

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院 哈爾濱150090）

0 引言

將二級公路改擴(kuò)建為一級公路或?qū)υ新贩^窄的二級公路進(jìn)行加寬改造，是公路建設(shè)項目中比較典型的建設(shè)形式。對于路網(wǎng)密度較低的地區(qū)，在對二級公路進(jìn)行改擴(kuò)建時，很難做到通過全部車輛分流的形式而獨(dú)立施工。因此，在改擴(kuò)建施工期還需要保障原有公路的正常通行，這樣就出現(xiàn)了多種可通行車輛的施工繞行區(qū)。其中，通過設(shè)置施工便道而形成的局部全封閉繞行區(qū)，往往成為瓶頸路段，交通安全問題、交通效率問題均十分突出。因此，對該類繞行區(qū)的形式、交通運(yùn)行特性有必要開展深入的研究工作。

國外對公路施工作業(yè)區(qū)的交通特性研究較早，研究內(nèi)容主要針對作業(yè)區(qū)通行能力、速度、安全評估等方面。H.Waleczek等[1]對借用硬路肩臨時通行的4車道高速公路施工作業(yè)區(qū)通行能力進(jìn)行了研究。K.Heaslip等[2]通過繞行區(qū)幾何條件等參數(shù)來估算高速公路工作區(qū)的通行能力。P.Edara等[3]建立了多元回歸模型來描述Vissim模型中關(guān)鍵駕駛行為參數(shù)、大型車百分比等與通行能力之間的關(guān)系。B.Ravani等[4]對不同速度控制方法下的作業(yè)區(qū)安全性進(jìn)行了評估。P.Kachrooa等[5]將“負(fù)速度差”的概念引入作業(yè)區(qū)動態(tài)速度控制系統(tǒng)。C.Yeom等[6]基于速度、車道封閉嚴(yán)重性指數(shù)、作業(yè)時間等建立了高速公路繞行區(qū)自由流速度預(yù)測模型。S.Banerjee等[7]研究了不同速度的警告或減速限制標(biāo)志對駕駛行為的影響。T.Saha等[8]利用Vissim仿真平臺，設(shè)計了2種臨時作業(yè)區(qū)控制策略以評估作業(yè)區(qū)的有效性和安全性。D.H.Hwang等[9]提出了1個基于駕駛模擬的高速公路作業(yè)區(qū)的合流控制策略，并評估了不同服務(wù)水平下的作業(yè)區(qū)安全性能。Qi等[10]建立了作業(yè)區(qū)車輛軌跡仿真模型并評估了不同交通條件下的潛在沖突。O.E.Ramadan等[11]使用微觀仿真模型分析了不同流量下的繞行區(qū)安全效果。N.L.Jehn等[12]結(jié)合Vissim對鄉(xiāng)村公路作業(yè)區(qū)的微觀仿真進(jìn)行了標(biāo)定。

國內(nèi)對高速公路改擴(kuò)建施工區(qū)的研究相對較晚。孟祥海等[13]提出了基于格林希爾治速度-流量模型的通行能力確定方法。于仁杰等[14]基于Vissim仿真軟件建立了雙向4車道高速公路施工作業(yè)區(qū)多種限速方案。吳彪等[15]利用單樣本K-S檢驗(yàn)方法對作業(yè)區(qū)車速分布形式進(jìn)行了檢驗(yàn)，定量分析了不同作業(yè)區(qū)段的車速變化規(guī)律。李曉虎等[16]將Vissim仿真平臺與遺傳算法結(jié)合，建立了1種集合優(yōu)化換道比例和可變跟車時距的換道控制策略。李耘等[17]提出基于駕駛?cè)颂匦缘母咚俟肥┕ぷ鳂I(yè)區(qū)跟馳追尾沖突風(fēng)險閾值的確定方法。邵長橋等[18]結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)與交通仿真，對高速公路施工區(qū)中間帶開口長度與交通特性進(jìn)行了研究。蔣若曦等[19]基于車輛碰撞理論建立了交通沖突后果嚴(yán)重性模型，刻畫了交通量、大型貨車率與沖突嚴(yán)重率的關(guān)系。

綜上所述，國內(nèi)外對公路施工繞行區(qū)的研究主要集中在高速公路，對普通公路全封閉施工繞行區(qū)交通特性研究較少，少量的研究主要圍繞某一特定繞行區(qū)，尚不夠深入，缺乏對于普通公路繞行區(qū)線形條件、通行能力等特性系統(tǒng)的研究與總結(jié)。本文分析了3種普通公路全封閉施工繞行區(qū)的線形條件、速度、通行能力、交通沖突等交通特性，對提升道路利用率、保障交通運(yùn)行安全具有重要借鑒和指導(dǎo)意義。

1 全封閉施工繞行區(qū)的交通運(yùn)行狀態(tài)分析

雙車道公路全封閉施工繞行區(qū)一般由警告區(qū)、駛?cè)肭€段、施工區(qū)段、駛出曲線段、終止區(qū)等區(qū)段構(gòu)成。針對施工繞行區(qū)的不同線形條件，可將全封閉施工繞行區(qū)劃分為S+直線段+S形繞行區(qū)、S+S形繞行區(qū)、凸形繞行區(qū)3類，見圖1，各繞行區(qū)交通運(yùn)行狀態(tài)見表1。

表1 各全封閉施工繞行區(qū)各區(qū)段交通運(yùn)行狀態(tài)Tab.1 Traffic operation of each section in each fully closed construction bypass area

如圖1所示，將原直行路段與駛?cè)肭€段的夾角定義為α角，則可用α角定性的表示車輛的轉(zhuǎn)向幅度，α角越大，車輛的轉(zhuǎn)向角度越大，越不利于行車。

圖1 雙車道公路全封閉施工繞行區(qū)的形式Fig.1 Form of fully closed construction area of two-lane highways

S+直線段+S形繞行區(qū)與S+S形繞行區(qū)線形條件較為相似，交通運(yùn)行狀態(tài)也基本相同，僅在施工區(qū)段表現(xiàn)出差異。凸形繞行區(qū)臨時便道呈凸曲線，運(yùn)行條件不如前二者平順、舒適。

2 交通實(shí)況視頻采集與交通流參數(shù)提取

2.1 交通實(shí)況視頻采集

依托黑龍江省交通運(yùn)輸廳科技項目“二級公路改擴(kuò)建工程施工期交通組織設(shè)計地方標(biāo)準(zhǔn)”，對國道集賢至當(dāng)壁公路改擴(kuò)建工程項目中寶山至寶清段的S+直線段+S形、S+S形及凸形3個繞行區(qū)實(shí)施交通調(diào)查，使用無人機(jī)錄制了2019年6月13日—20日的交通實(shí)況，累計錄制時長約19 h，積累了較為充足的交通實(shí)況視頻數(shù)據(jù)。3類全封閉施工繞行區(qū)的現(xiàn)場實(shí)況見圖2。

圖2 繞行區(qū)現(xiàn)場實(shí)況Fig.2 Observed traffic condition in the bypass areas

2.2 交通流參數(shù)提取方法

使用Tracker軟件對視頻進(jìn)行交通流參數(shù)提取。在Tracker中構(gòu)建平面坐標(biāo)系，對車輛軌跡進(jìn)行全程跟蹤，得到的交通流參數(shù)包括車輛橫縱坐標(biāo)、速度、加速度、位置角度、旋轉(zhuǎn)角度等，車輛運(yùn)行軌跡及坐標(biāo)信息示例見圖3。

圖3 車輛運(yùn)行軌跡及坐標(biāo)信息Fig.3 Vehicle trajectory and coordinate information

3 繞行區(qū)車速特性分析

各繞行區(qū)道路條件基本相同，因此認(rèn)為各繞行區(qū)各區(qū)段呈現(xiàn)出不同速度的主要原因?yàn)榫€形條件的影響，這為利用速度研究各繞行區(qū)的特性提供了基礎(chǔ)。經(jīng)統(tǒng)計分析，得到S+直線段+S形繞行區(qū)、S+S形繞行區(qū)、凸形繞行區(qū)各區(qū)段的車速統(tǒng)計結(jié)果，見表2。3類全封閉施工繞行區(qū)平均速度分布見圖4。

圖4 繞行區(qū)車速分布Fig.4 Speed distribution in the bypass areas

表2 繞行區(qū)各區(qū)段車速Tab.2 Speed of each section in the bypass areas km/h

分析各類型繞行區(qū)的平均車速變化特征可得：①S+直線段+S形繞行區(qū)、S+S形繞行區(qū)車速最低值均出現(xiàn)在駛?cè)肭€段，平均車速分別為23，22 km/h，而凸形繞行區(qū)的車速最低值則出現(xiàn)在警告區(qū)末端，平均車速為20 km/h；②3類繞行區(qū)在施工區(qū)段內(nèi)車輛均出現(xiàn)了加速現(xiàn)象，但凸形繞行區(qū)施工區(qū)的平均速度（24 km/h）仍明顯低于其他2類繞行區(qū)施工區(qū)的平均車速（29 km/h）；③S+直線段+S形繞行區(qū)、S+S形繞行區(qū)車速變化特征更為相近，但S+直線段+S形繞行區(qū)在對應(yīng)區(qū)段的平均車速均略高于S+S形繞行區(qū)；④凸形繞行區(qū)對交通運(yùn)行的影響范圍更廣，可能由于凸形繞行區(qū)線形銜接不夠順暢，在警告區(qū)末端便出現(xiàn)了車速最低值，而其他2類繞行區(qū)的車速最低值均出現(xiàn)在駛?cè)肭€段。

綜上，就車輛的通行效率來說，S+直線段+S形繞行區(qū)是1種比較適宜的繞行區(qū)形式。此外，3類繞行區(qū)中大部分車輛的車速均高于繞行區(qū)各區(qū)段限速值。

4 繞行區(qū)道路通行能力

采用格林希爾治(Greenshields)模型來描述速度-流量關(guān)系。對實(shí)測的速度、流量參數(shù)進(jìn)行回歸分析，得到二次曲線模型，在此基礎(chǔ)上得到各區(qū)段的自由流速度和實(shí)際通行能力。需要說明的是，3類繞行區(qū)正常路段的交通條件基本相同，故上游正常路段、警告區(qū)前端的速度-流量關(guān)系模型也基本相同，僅在S+直線段+S形繞行區(qū)中給出。

S+直線段+S形繞行區(qū)的速度與流量樣本點(diǎn)及其擬合曲線見圖5，各區(qū)段速度-流量關(guān)系模型見式（1）~（5）。

圖5 S+直線段+S形繞行區(qū)速度-流量關(guān)系Fig.5 Speed-flow relationship in the S+straight line segment+S type bypass area

上游正常路段

警告區(qū)前端

警告區(qū)末端

駛?cè)肭€段

施工區(qū)

式中：Q為小時流量，pcu/h；v為速度，km/h；R2為相關(guān)系數(shù)。

S+S形繞行區(qū)的速度與流量樣本點(diǎn)及其擬合曲線見圖6，各關(guān)鍵區(qū)段速度-流量關(guān)系模型見式（6）~（8）。

圖6 S+S形繞行區(qū)速度-流量關(guān)系Fig.6 Speed-flow relationship in the S+S bypass area

警告區(qū)末端

駛?cè)肭€段

施工區(qū)

凸形繞行區(qū)速度與流量樣本點(diǎn)及其擬合曲線見圖7，各關(guān)鍵區(qū)段速度-流量關(guān)系模型見式（9）~（11）。

圖7 凸形繞行區(qū)速度-流量關(guān)系Fig.7 Speed-flow relationship in the convex bypass area

警告區(qū)末端

駛?cè)肭€段

施工區(qū)

3類繞行區(qū)上游正常路段自由流速度均為81.5 km/h，實(shí)際通行能力為1 245 pcu/h；警告區(qū)前端自由流速度為74.2 km/h，實(shí)際通行能力為963 pcu/h，其余各主要區(qū)段的通行能力見表3。

表3 3類繞行區(qū)主要區(qū)段通行能力Tab.3 Capacity of main sections in three types of bypass areas

由警告區(qū)前端到警告區(qū)末端，再到駛?cè)肭€段最后到施工區(qū)，S+直線段+S形繞行區(qū)通行能力分別為降低153 pcu/h、降低139 pcu/h、增加34 pcu/h，相對前1個區(qū)段通行能力分別降低15.9%、降低17.2%、增加5.1%。S+S形繞行區(qū)則分別降低24.8%、降低17.4%、增加3.3%。這表明就通行能力而言，駛?cè)肭€段是2類繞行區(qū)的瓶頸路段。

與上述2類繞行區(qū)不同，凸形繞行區(qū)在警告區(qū)末端的實(shí)際道路通行能力最小，警告區(qū)前端到末端的通行能力降低了36.9%，而由警告區(qū)末端到駛?cè)肭€段再到施工區(qū)，通行能力分別增加9.0%和3.0%。這表明就通行能力而言，警告區(qū)末端是凸形繞行區(qū)的瓶頸路段。

對比來看，S+直線段+S形繞行區(qū)在各主要區(qū)段的實(shí)際通行能力均大于其他2類繞行區(qū)。就通行能力而言，S+直線段+S形繞行區(qū)是1種較為適宜的繞行區(qū)形式。

值得注意的是，雖然凸形繞行區(qū)在警告區(qū)末端的通行能力降低較多，但綜合來看，凸形繞行區(qū)仍與S+S形繞行區(qū)的通行能力基本相當(dāng)，甚至略高，表明在駛?cè)肭€段和施工區(qū)道路線形的連續(xù)性上，凸形繞行區(qū)是優(yōu)于S+S形的。此外，凸形繞行區(qū)的瓶頸路段集中在警告區(qū)末端，便于集中治理。

5 繞行區(qū)交通沖突

首先，建立3類繞行區(qū)Vissim仿真路段；然后根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)設(shè)置交通特性參數(shù)，包括交通流量、車型、交通組成、車輛期望速度分布、車輛加減速等。然后，為了真實(shí)模擬交通運(yùn)行狀態(tài)，需要設(shè)置合理的車輛行駛規(guī)則，筆者采用2種方法進(jìn)行速度控制：①設(shè)置減速區(qū)，對合流處或轉(zhuǎn)向段等進(jìn)行速度控制；②使用期望車速決策點(diǎn)改變各類型車輛的期望速度。最后，借助SSAM獲取相應(yīng)條件下的交通沖突情況，從而對未觀測到的交通條件下的沖突數(shù)據(jù)加以補(bǔ)充。

以車頭時距小于2 s為嚴(yán)重沖突，2~6 s為一般沖突，大于6 s則認(rèn)為無沖突[20]，由此仿真得到各繞行區(qū)嚴(yán)重沖突、一般沖突和無沖突的比例及各繞行區(qū)的TTC均值均較為接近，因此可以采用基于TTC的沖突個數(shù)作為沖突衡量指標(biāo)，統(tǒng)計車頭時距小于等于6 s的沖突個數(shù)。對流量為600 pcu/h時3類繞行區(qū)的沖突數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表4，各區(qū)段沖突數(shù)變化見圖8。分別調(diào)整3類繞行區(qū)的交通量，得到其沖突數(shù)與交通量的變化關(guān)系，見圖9。

表4 3類繞行區(qū)基于TTC的沖突數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Tab.4 Statistical results of the number of conflicts based on TTC in three types of bypass areas

圖8 繞行區(qū)各區(qū)段沖突數(shù)變化Fig.8 Changes in the number of conflicts in each section of the bypass area

圖9 各繞行區(qū)交通量與沖突數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationship between traffic volume and conflict number in each bypass area

在相同交量時，各繞行區(qū)沖突總數(shù)呈凸形繞行區(qū)＞S+S形繞行區(qū)>S+直線段+S形繞行區(qū)的關(guān)系。凸形繞行區(qū)的沖突數(shù)在警告區(qū)末端達(dá)到最大，而S+S形繞行區(qū)與S+直線段+S形繞行區(qū)沖突嚴(yán)重路段均出現(xiàn)在駛?cè)肭€段，表明S形的銜接方式更有利于車輛的平穩(wěn)過渡。值得注意的是，S+直線段+S形繞行區(qū)無論是在繞行區(qū)沖突總數(shù)還是在各區(qū)段的表現(xiàn)都略優(yōu)于S+S形施工繞行區(qū)。

各繞行區(qū)的沖突數(shù)都隨著交通量的增加而以二次多項式的速度增加。在交通量不高時（小于500 pcu/h），各型繞行區(qū)的沖突數(shù)沒有呈現(xiàn)明顯的差異。當(dāng)交通量繼續(xù)增長時，則沖突數(shù)出現(xiàn)了明顯的凸形繞行區(qū)＞S+S形繞行區(qū)>S+直線段+S形繞行區(qū)的關(guān)系，且前二者增長的更快。

6 結(jié)束語

1）從通行能力、通行效率以及交通安全水平3個方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，結(jié)果表明S+直線段+S形繞行區(qū)是1種較為適宜的繞行方式。

2）S+直線段+S形繞行區(qū)與S+S形繞行區(qū)瓶頸路段為駛?cè)肭€段，凸形繞行區(qū)交通運(yùn)行受限最為嚴(yán)重路段則為警告區(qū)末端。因此，采用不同的繞行區(qū)形式應(yīng)注意對相應(yīng)的瓶頸路段進(jìn)行交通管理，保障交通運(yùn)行。

3）交通量較低時（可采用500 pcu/h為劃分標(biāo)準(zhǔn)），3類繞行區(qū)交通沖突情況無明顯差異，當(dāng)流量較大時，繞行區(qū)形式會對交通運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，此時應(yīng)重視對繞行區(qū)形式的選擇。

4）文中3種繞行區(qū)均為對稱形式，但繞行區(qū)的核心要求是前端適應(yīng)車輛減速，后端適應(yīng)車輛加速，因此非對稱式的繞行區(qū)可能更能適應(yīng)這一要求，這也是后續(xù)的研究方向。