基于服務(wù)水平的高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策方法

吳月磊 王 紅 李琪霖 查明高 袁 怡 朱順應(yīng)

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司2) 武漢 430056)

0 引 言

改擴(kuò)建時機(jī)的確定是高速公路改擴(kuò)建工程中的重要決策問題．國外高速公路建設(shè)起步早，標(biāo)準(zhǔn)高，規(guī)劃相對超前，美國、加拿大等國家采取了中央預(yù)留方式，使其在改擴(kuò)建時道路機(jī)動性較強(qiáng)，選取不同的時機(jī)進(jìn)行改擴(kuò)建影響較?。畤鴥?nèi)對于改擴(kuò)建時機(jī)的研究方法可分為成本效益法、大型車占比法和服務(wù)水平法三類．成本效益法因效益、成本構(gòu)成復(fù)雜，量化困難，易導(dǎo)致建設(shè)時機(jī)過度超前或滯后．大型車占比法因大型車對交通風(fēng)險影響呈高度非線性、多值性[1]，空間制約性強(qiáng)[2]，時機(jī)決策不好把握．服務(wù)水平法是國內(nèi)采用的主流方法，其原理是引入觸發(fā)點機(jī)制，將項目路施工前服務(wù)水平達(dá)到閾值時的年份作為改擴(kuò)建時機(jī)，國內(nèi)學(xué)者以飽和度(V/C值，即流量與通行能力的比值)作為服務(wù)水平劃分的依據(jù)，通過總結(jié)對比國內(nèi)典型高速公路改擴(kuò)建時機(jī)確定V/C閾值，將預(yù)測交通量達(dá)到V/C閾值時所對應(yīng)的年份作為改擴(kuò)建時機(jī)．沈大、京津塘、滬杭甬、滬寧、佛開、安新、西潼、西寶八條四改八高速公路改擴(kuò)建時機(jī)V/C平均為0.58，最低為沈大高速0.42，最高為佛開高速0.79，不同高速公路改擴(kuò)建時的V/C閾值差距較大．JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)和JTG/T L11-2014《高速公路改擴(kuò)建設(shè)計細(xì)則》(以下簡稱《細(xì)則》)規(guī)定高速公路宜在服務(wù)水平下降到三級下限之前進(jìn)行改擴(kuò)建，《關(guān)于高速公路改擴(kuò)建工程中有關(guān)技術(shù)問題處理的若干意見》(交公路發(fā)[2013]634號)(以下簡稱《意見》)規(guī)定高速公路改擴(kuò)建時機(jī)應(yīng)在服務(wù)水平下降到二級下限(即現(xiàn)行《標(biāo)準(zhǔn)》三級服務(wù)水平)之前，可見規(guī)范規(guī)定的范圍過寬，時機(jī)仍然難以把握．

服務(wù)水平法雖然是目前最常用的決策方法，但仍有以下突出問題：①高速公路作為路網(wǎng)中的重要道路，項目路改擴(kuò)建時期不僅影響自身道路運行，也會影響周圍道路運行；現(xiàn)有服務(wù)水平法只考慮了項目路改擴(kuò)建前的運行狀況，忽視了項目路施工期以及路網(wǎng)和駕駛者等其他相關(guān)因素的影響;②現(xiàn)有服務(wù)水平法工作重點往往集中在交通量預(yù)測，而對于服務(wù)水平閾值的確定并不統(tǒng)一．

文中提出的基于服務(wù)水平的高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策方法，主要是針對現(xiàn)有服務(wù)水平法考慮因素單一、服務(wù)水平閾值確定不統(tǒng)一的突出問題，在現(xiàn)有服務(wù)水平法考慮項目路施工前服務(wù)水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究項目路施工期和受流路服務(wù)水平及其評價指標(biāo)和指標(biāo)閾值的確定方法，建立高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策模型．并以柳南高速為例進(jìn)行實例分析，驗證本文方法的可行性和有效性．

1 方 法

高速公路改擴(kuò)建工程常采用邊通車邊施工，施工期還必須保證一定服務(wù)水平的通行條件；改擴(kuò)建高速公路(項目路)由于通行能力下降，常會向周邊道路(受流路)分流，從而影響受流路服務(wù)水平．因此，在考慮服務(wù)水平對改擴(kuò)建時機(jī)的影響時還要考慮項目路施工期和受流路的服務(wù)水平．通過分析項目路施工前、項目路施工期、受流路三個層面的服務(wù)水平對改擴(kuò)建時機(jī)的影響選取決策指標(biāo)，確定指標(biāo)閾值，建立高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策模型，采用逐年遞推法求出高速公路改擴(kuò)建時機(jī)，方法見圖1．

圖1 基于服務(wù)水平的高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策方法

1.1 道路服務(wù)水平的影響分析和指標(biāo)選取

1) 項目路施工前服務(wù)水平 項目路施工前服務(wù)水平過高或過低都會帶來不同的負(fù)面影響．各國對服務(wù)水平的評價指標(biāo)不盡相同：美國采用車流密度，德國采用平均速度，國內(nèi)和日本則采用V/C．這是因為車流密度和平均速度不夠直觀、有效，且數(shù)據(jù)收集復(fù)雜[3]，而V/C是一個相對的指標(biāo)，其數(shù)據(jù)搜集簡單，可以直觀的反映在營運交通量和設(shè)計指標(biāo)相同的情況下，地理位置、交通組成不同的高速公路的服務(wù)水平[4]．本文以V/C進(jìn)行項目路施工前服務(wù)水平評價．

項目路施工前飽和度計算.

V/C=VMS/CR

(1)

式中：VMS為實際道路條件和交通條件單車道最大服務(wù)交通量，pcu/(h·ln)；CR為實際道路條件設(shè)計速度對應(yīng)的通行能力值，pcu/(h·ln)．

最大服務(wù)交通量計算：

(2)

式中：VSF為實際道路和交通條件下，單方向N條車道的服務(wù)交通量，pcu/h；fHV為大型車修正系數(shù)；fDC為駕駛員總體特性修正系數(shù)；N為道路單向車道數(shù)．

實際單方向一條車道的服務(wù)交通量計算.

(3)

式中：DDHV為單方向小時交通量，pcu/h；PHF15為15 min高峰小時系數(shù)．

單方向小時交通量計算：

DDHV=AADT×K×D

(4)

式中：AADT為年平均日交通量，pcu/d；K為設(shè)計小時交通量系數(shù)；D為方向不均勻系數(shù)．

實際道路條件對理想設(shè)計速度的修正計算.

VR=V0+VW+VN

(5)

式中：VR為實際道路條件下的設(shè)計速度，km/h；V0為理想條件下的設(shè)計速度，km/h；VW為車道寬度和路側(cè)凈空對設(shè)計速度的修正值，km/h；VN為車道數(shù)對設(shè)計速度的修正值，km/h．

2) 項目路施工期服務(wù)水平 高速公路承載的交通量巨大，因此一般在不中斷交通的情況下進(jìn)行施工，同時為減小交通風(fēng)險，常設(shè)置最低限速，進(jìn)而導(dǎo)致通行能力降低[5-6]．若不考慮項目路施工期服務(wù)水平，容易導(dǎo)致項目路在施工前服務(wù)水平滿足要求，但在施工期服務(wù)水平嚴(yán)重降低，影響施工進(jìn)度和行車安全．

選取施工期飽和度對項目路施工期的服務(wù)水平進(jìn)行評價，在考慮施工區(qū)基準(zhǔn)通行能力的基礎(chǔ)上，還考慮了車道寬度、交通組成等因素對施工期道路通行能力的修正[7-8]．

項目路施工期飽和度計算.

β=Q/C1

(6)

式中：β為項目路施工期飽和度；Q為項目路施工期的實際交通量，pcu/(h·ln)；C1為項目路施工期實際通行能力，pcu/(h·ln)．

施工期實際通行能力計算：

C1=Cbs×fW×fHV×fDC×fi×fn×fsc

(7)

式中：Cbs為施工區(qū)基準(zhǔn)通行能力，pcu/(h·ln)；fW為車道寬度及側(cè)向余寬修正系數(shù)；fHV為大型車修正系數(shù)；fDC為駕駛員對環(huán)境熟悉程度修正系數(shù)；fi為施工區(qū)施工強(qiáng)度修正系數(shù)；fn為車道數(shù)修正系數(shù);fsc為限制速度修正系數(shù)．

大型車修正系數(shù)計算.

(8)

式中：PHV為大型車交通量占總交通量的百分比；EHV為大型車換算成小客車的車輛換算系數(shù)．

3) 受流路服務(wù)水平 交通分流時應(yīng)在合理的繞行距離下選擇受流路，在保證項目路和受流路服務(wù)水平都滿足要求的前提下進(jìn)行交通分流．

繞行系數(shù)表示受流路與項目路長度的比值．李煉恒等[9]對駕駛者在高速公路出行距離100 km的情況下可接受的繞行距離進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示當(dāng)繞行距離為30 km時，81%的駕駛者可以接受．因此，交通分流時選擇的受流路繞行系數(shù)應(yīng)不超過1.3．

以交通容差總和作為受流路服務(wù)水平的評價指標(biāo)．交通容差總和計算.

(9)

1.2 服務(wù)水平評價指標(biāo)閾值確定

1) 項目路施工前飽和度閾值 通過對《標(biāo)準(zhǔn)》《意見》及地方標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研(見表1)：各類標(biāo)準(zhǔn)均以V/C作為服務(wù)水平評價指標(biāo)，規(guī)定的V/C閾值均小于0.75；江蘇省作為經(jīng)濟(jì)實力相對較強(qiáng)的地區(qū)，交通量增長速度快，道路服務(wù)水平要求高，V/C閾值偏小(0.5≤V/C≤0.58)；河南省屬于經(jīng)濟(jì)水平相對平均的地區(qū)，交通量增長較快，但其經(jīng)濟(jì)實力和交通量增長速度不如東部經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)地區(qū)的水平，V/C閾值偏高(V/C≤0.7)．

表1 國家規(guī)范及地方標(biāo)準(zhǔn)改擴(kuò)建服務(wù)水平閾值

通過對國內(nèi)典型高速公路改擴(kuò)建時機(jī)的調(diào)研(見表2)，國內(nèi)典型高速公路改擴(kuò)建時平均V/C為0.69，符合《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定(0.65≤V/C≤0.75)．因此本文的施工前飽和度閾值參照《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行取值，同時引入保險系數(shù)fc保證施工前飽和度閾值在一定的波動范圍內(nèi)仍滿足《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定．

表2 國內(nèi)典型高速公路改擴(kuò)建時機(jī)

施工前飽和度閾值計算.

0.65≤α0±fc≤0.75

(10)

式中：α0為項目路施工前飽和度閾值；fc為保險系數(shù)．

當(dāng)fc取0.05時，式(10)左右兩邊等號同時成立，α0為0.7，因此文中項目路施工前飽和度閾值取0.7．

2) 項目路施工期飽和度閾值 《細(xì)則》規(guī)定維持通車的施工路段，服務(wù)水平可較正常路段降低一級，高速公路設(shè)計服務(wù)水平不低于三級，因此項目路施工期服務(wù)水平不應(yīng)低于四級[10]．根據(jù)《細(xì)則》和《高速公路改擴(kuò)建交通組織設(shè)計規(guī)范》(待出版)相關(guān)規(guī)定結(jié)合施工區(qū)限速，將四級服務(wù)水平下限值作為最低限速對應(yīng)的施工期飽和度閾值，將四級服務(wù)水平上限作為最高限速對應(yīng)的施工期飽和度閾值，由于不同項目施工區(qū)限速不同，其余限速采用插值法確定施工期飽和度閾值，具體取值見表3．

表3 項目路施工期飽和度閾值取值

3) 受流路交通容差閾值 不同項目的交通分流方案不同，受流路交通容差閾值的選擇應(yīng)能滿足各種分流方案，當(dāng)以規(guī)定的繞行系數(shù)選擇的受流路交通容差總和大于項目路分流交通量時，無論具體分流方案是怎樣執(zhí)行，所有車輛均可在規(guī)定的繞行系數(shù)下完成交通分流，且保持受流路服務(wù)水平不發(fā)生級別變化；當(dāng)交通容差總和小于項目路分流交通量時，超出交通容差總和的交通量涌入受流路時，會造成受流路服務(wù)水平級別降低．因此本文以項目路分流交通量作為受流路交通容差閾值．

1.3 時機(jī)決策模型建立

根據(jù)以上決策指標(biāo)和相應(yīng)閾值，建立道路服務(wù)水平因素下的高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策模型，采用逐年遞推法計算出各年項目路施工前飽和度、項目路施工期飽和度、受流路交通容差總和，當(dāng)以上指標(biāo)達(dá)到相應(yīng)閾值時即可確定該指標(biāo)下的改擴(kuò)建啟動時機(jī)ti，由式(11)計算出符合各指標(biāo)的改擴(kuò)建時間T，即為改擴(kuò)建最佳時機(jī)．

改擴(kuò)建時機(jī)計算模型：

T=min(t1,t2,t3)

(11)

2 實例分析

選取柳南高速公路柳州至南寧段進(jìn)行實例分析．柳州至南寧段全長212 km，計劃由雙向四車道擴(kuò)建為雙向八車道，設(shè)計速度120 km/h，以2010年作為預(yù)測基年，根據(jù)2010—2015年預(yù)測年平均日交通量，分別計算各指標(biāo)及相應(yīng)閾值，運用本文的時機(jī)決策模型，計算高速公路改擴(kuò)建最佳時機(jī)．

2.1 指標(biāo)計算

1) 項目路施工前飽和度計算 根據(jù)柳南高速2010—2015年的路段預(yù)測年平均日交通量，由式(1)～(5)結(jié)合柳南高速現(xiàn)狀計算出各年施工前飽和度，見表4．

表4 柳南高速施工前飽和度

2) 項目路施工期飽和度計算 柳南高速施工期間保持雙向四車道通行，限速60 km/h，根據(jù)柳南高速2010—2015年的路段預(yù)測施工期交通量，由式(6)～(8)計算出各年施工期飽和度，見表5．

表5 柳南高速施工期飽和度

3) 受流路交通容差計算 通過對柳南高速所在路網(wǎng)進(jìn)行綜合分析，柳南高速改擴(kuò)建期間的主要受流路有G209、G322、G324，各受流路繞行系數(shù)及預(yù)測交通量見表6.各受流路的繞行系數(shù)均小于1.3，可作為受流路．

由式(9)結(jié)合表6計算受流路交通容差總和，見表7．

表6 受流路繞行系數(shù)及預(yù)測交通量

表7 受流路交通容差總和

2.2 指標(biāo)閾值確定

柳南高速項目路施工前飽和度閾值α0為0.7；柳南高速施工期限速60 km/h，由表3可得柳南高速施工期飽和度閾值β0取0.9；當(dāng)施工期飽和度大于0.9時需進(jìn)行交通分流，柳南高速施工期預(yù)測項目路分流交通量見表8．

表8 預(yù)測項目路分流交通量

2.3 改擴(kuò)建時機(jī)計算

將2010—2015年柳南高速指標(biāo)計算結(jié)果和選取的相應(yīng)閾值代入式(11)，計算改擴(kuò)建最佳時機(jī)，見圖2，柳南高速施工前飽和度逐年上漲，2014年施工前飽和度為0.65，2015年施工前飽和度為0.73，超過了施工前飽和度閾值0.7，可得t1為2014年；柳南高速施工期飽和度每年均高于施工前飽和度且逐年上漲，2013年施工期飽和度為0.86，2014年施工期飽和度為0.97，超過了施工期飽和度閾值0.9，可得t2為2013年；柳南高速2010—2013年均能滿足施工期飽和度要求，不需要進(jìn)行交通分流，因此分流交通量為0，受流路交通容差2010—2013年呈下降趨勢，2013年以后突然增大，這是由于2013年柳州至合浦高速建成通車，吸引了部分交通量，2015年分流交通量達(dá)到2 504 pcu/h，首次超過了受流路交通容差總和2 362 pcu/h，可得t3為2014年．

圖2 柳南高速改擴(kuò)建時機(jī)分析

因此，在2013年進(jìn)行改擴(kuò)建可以滿足各指標(biāo)要求，改擴(kuò)建最佳時機(jī)T為2013年．

將各指標(biāo)結(jié)果與傳統(tǒng)的服務(wù)水平法結(jié)果相比較，見圖3．傳統(tǒng)服務(wù)水平法計算的改擴(kuò)建時機(jī)為2015年，此時施工前飽和度為0.73，施工期飽和度為1.09，受流路飽和度為1.03且交通容差小于分流交通量，受流路服務(wù)水平級別會降級；本文的服務(wù)水平法時機(jī)決策模型計算的改擴(kuò)建時機(jī)為2013年，此時施工前飽和度為0.58，施工期飽和度為0.86，受流路飽和度為0.72且不需要進(jìn)行交通分流，受流路服務(wù)水平可以滿足要求，各指標(biāo)飽和度均小于傳統(tǒng)的服務(wù)水平法．因此，文中提出的基于服務(wù)水平的高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策方法考慮了項目路施工期和受流路服務(wù)水平的影響，對于道路系統(tǒng)而言，結(jié)果更優(yōu)．

圖3 本文研究方法與傳統(tǒng)服務(wù)水平法的結(jié)果對比

3 結(jié) 論

1) 文中從服務(wù)水平的角度分析了項目路施工前和施工期、施工期受流路及駕駛者對高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策的影響；以項目路施工前飽和度和施工期飽和度以及受流路交通容差總和作為評判指標(biāo)，針對不同地區(qū)、不同限速、不同分流方案提出了項目路施工前和施工期、施工期受流路服務(wù)水平指標(biāo)閾值確定方法，建立了道路服務(wù)水平因素下的改擴(kuò)建時機(jī)決策模型，可更好地適用于不同區(qū)域、不同工況的改擴(kuò)建工程．

2) 基于柳南高速實例分析表明：改擴(kuò)建最佳時機(jī)為2013年，與傳統(tǒng)服務(wù)水平法相比，本方法計算得到的高速公路改擴(kuò)建時機(jī)對應(yīng)的項目路施工前飽和度下降20.5%、項目路施工期飽和度下降21.1%、受流路飽和度下降30.1%；項目路施工前和施工期以及受流路服務(wù)水平均優(yōu)于傳統(tǒng)服務(wù)水平法．因此，考慮道路服務(wù)水平因素計算得到的改擴(kuò)建時機(jī)對于道路系統(tǒng)更優(yōu)．

3) 文中研究了項目路施工前和施工期、施工期受流路的道路服務(wù)水平因素對改擴(kuò)建時機(jī)的影響，但仍存在一些不足，后續(xù)的研究中可進(jìn)一步討論綜合因素下的飽和度閾值的確定方法，提出更全面的高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策方法．