高速公路改扩建半幅封闭式交通组织方案参数设置方法

方案；参数设置

中图分类号：U415.2文献标志码：B 文章编号：1000033X（2016）06008306

0引言

随着中国高速公路交通量的增长，很多早期建成的高速公路变得通行能力不足，导致服务水平和行车安全性降低。为了改善这种状况，部分高速公路进行了改扩建，其中制定科学的交通组织方案、设置合理的参数，对于提高改扩建道路通行能力、服务水平及行车安全性具有重要意义。

国外研究人员率先提出了施工区道路安全问题、施工区限速问题、施工区作业标志和标识问题等，并运用Highway Capacity Software（HCS）、Synchro、Corsim、Netsim和QueWZ92等软件模拟高速公路施工区的排队长度与延误[12]。中国高速公路改扩建起步较晚，为了满足交通量的增长需求，中国逐渐开始研究高速公路改扩建工程。目前，国内进行交通组织分析主要是依靠国外的交通仿真软件，在实践中获得了较好的效果[35]。东南大学李永义从养护作业区各方面的影响因素出发，探讨了各区段长度的确定方法以及作业区路段交通安全设施设置方法[6]；长安大学韩跃杰利用VISSIM 仿真软件建立作业区的路网、路段仿真模型，对已制定的深汕西高速公路改扩建交通流组织方案进行了验证及修正。《公路养护安全作业规程》（JTG H30—2015）要求，缓冲区的最小长度依据最终限速值及下坡坡度进行设定，相对于旧规范中缓冲区的最小长度取50 m，加大了过渡区与缓冲区设置的重要性[78]。

结合已有研究，本文以京港澳高速公路驻信段的改扩建工程为例，运用VISSIM仿真技术，对封闭半幅车道模式下影响作业区交通组织方案的关键因素进行建模分析、参数设置，为制定科学合理的高速公路养护施工作业区交通组织方案提供依据。

1VISSIM仿真建模原理

VISSIM是一种微观的基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，主要由交通仿真器和信号状态产生器2个部分组成。交通仿真器包括跟车模型和车道变换模型；信号状态产生器是一个信号控制软件，可实现交通流的控制。VISSIM采用的跟车模型可通过驾驶心理判断前后车距离，从而调整行车速度的变化。

高速公路养护作业区通常由警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区及终止区等6个区段组成，如图1所示。上游过渡区主要起导流作用，引导车辆改变行驶轨迹，提前调整变换车道；缓冲区主要为驾驶员提供一个缓冲距离，使操作失误的车辆能够调整行车状态，避免发生事故。利用VISSIM构建作业区的仿真模型，可在6个区段中设置检测点，获得车辆速度及进入和驶出检测点的时间数据，为上游过渡区、缓冲区及中央分隔带开口长度的设置提供数据基础。

2半幅封闭交通组织仿真模型

2.1建立仿真模型

本文以京港澳高速公路驻信段改扩建工程为例，建立设计速度为120 km·h-1的双向四车道高速公路改扩建作业路段的仿真模型。

2.1.1初步建立路段仿真模型

本文依托项目的改扩建路段的道路宽为375 m，中间带（中央分隔带与两侧路缘带）宽为35 m。仿真设计作业区最终限速为40 km·h-1，道路纵坡统一设置为0，采用封闭半幅车道模式，车辆需跨越中央分隔带到对向车道借道行驶。在VISSIM界面上绘制作业区，并通过连接器将各个区段进行连接，设置车辆合流与分流行驶特性，完成路段的基本设定。

根据《公路养护安全作业规程》（JTG H30—2015）中的相关规定并结合实际交通状况，设定各交通控制区长度分别为：警告区1 600 m，工作区500 m，下游过渡区30 m，终止区30 m。由于上游过渡区及缓冲区作为作业区交通组织方案影响因素要进行分析，故在下面的作业区仿真中需多次取值进行研究，建立半幅封闭路段仿真模型，如图2所示。

2.1.2设定交通流参数

为了保证仿真结果的合理性与有效性，交通流特性参数的设置要与实际交通流特性相符，本文从宏观和微观2个层面进行设定。

宏观交通参数包括交通流量和交通组成，京港澳高速公路驻信段一区段最大单向高峰每小时交通量为1 160 pcu，交通组成见表1。

分析表1可知，京港澳高速公路驻信段南北向的交通组成情况大致相同，小车占60%左右，中车和大车各占20%左右，调查结果可以用来设定交通仿真中的交通组成参数。

微观交通特性参数包括车辆的期望车速分布曲线、加减速特性和驾驶行为，参数设置如图3～5所示。

2.1.3设置车辆行驶规则

VISSIM对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，每个车辆都是单独的个体，按照期望速度和加速度行驶。但在实际的道路交通系统中，车辆与道路条件、周围环境以及车辆之间都是相互关联、密不可分的。为了能够在VISSIM中尽可能真实地仿真模拟实际交通运行的状态，设置合理的车辆行驶规则显得尤为必要。

车辆行驶规则主要在超车、速度控制和优先3个方面进行了设置，设置对话框如图6～8所示。

2.2仿真运行

完成仿真模型建立和各项仿真参数设置即可运行仿真，经过一系列计算和测试后输出模拟结果，仿真车辆运行情况见图9。

3半幅封闭模式参数设置

封闭半幅车道（开放中央分隔带）模式较封闭外（内）车道模式复杂，车辆需跨越中央分隔带到对向车道借道行驶。根据施工作业区交通流特性及仿真目的，选取车辆延误及作业区通行能力作为评价指标，对跨越中央分隔带之前车辆的合流方式进行研究，并给出合流渐变段、合流缓冲段及中央分隔带开口长度建议取值，以提高作业区车辆的通行能力、服务水平及行车安全性。

3.1车辆合流方式

在封闭半幅（开放中央分隔带）车道模式下，车辆跨越中央分隔带前，需考虑2种车辆合流方式。一种是在中央分隔带开口前一定距离处，双车道合流为单车道，在开口处以单车道跨越中央分隔带，二次变道合流，如图10所示；另一种是在中央分隔带开口处以双车道模式合流交织跨越中央分隔带，一次变道合流，如图11所示。

对这2种合流设置模式进行仿真，考虑不同仿真输入量和不同交通组成情况下的车辆延误情况，如图12所示。在仿真输入量未达到作业区最大通行量时，车辆在这2种合流设置情况下产生的延误一致，此时货车产生的延误较大；在仿真输入量接近作业区通行能力时，延误随着仿真输入量的增加直线上升，趋于一定值，且一次变道合流方式产生的延误明显高于二次变道合流。在变换车道前设置单车道合流路段，使得交织合流与变换车道分离，避免在中央分隔带开口段交织，可以大大提高交通的有序性，减少交通事故的发生，故在封闭半幅车道模式下，车辆跨越中央分隔带前宜采用二次变道合流方式。

3.2合流渐变段长度

在合流渐变段内，右侧车辆必须强制完成变换车道的过程，车道变换行为成为影响整个作业区通行能力的一个重要参数，合流渐变段即成为该路段的冲突区域。

3.2.1仿真试验设计

正常路段车道宽度为375 m，大车率为20%，纵坡为0，仿真输入交通量为2 500 pcu·h-1，作业区最终限速为40 km·h-1，分别在合流渐变段、合流缓冲段末端设置检测点，以10 m为变化间隔，观察合流渐变段（缓冲段长度固定）的长度变化对仿真通行能力的影响。

3.2.2仿真结果及分析

在VISSIM软件中输入仿真试验参数，变化合流渐变段的长度，观察仿真通行能力，结果见图13。

图13表明合流渐变段长度的变化对仿真通行能力的影响较大：在80 m以前，随着合流渐变段长度的增加，作业区通行能力在不断增加；超过80 m之后，随着合流渐变段长度的增加，冲突区域面积增加，作业区通行能力不断下降；在150 m以后变化幅度已趋于常数。

因此，可以确定合流渐变段长度为80 m时能够满足养护作业区有较大通行能力的需求，建议封闭半幅车道情况下，合流渐变度长度采用80 m。

3.3合流缓冲段长度

合流缓冲段设置在合流渐变段之后，驾驶员能够适应新车道的行驶，同时压缩车道，使车辆减速，防止车辆在进入中央分隔带开口处时判断失误，发生交通事故。

3.3.1仿真试验设计

正常路段车道宽度为375 m，大车率为20%，纵坡为0，仿真输入交通量为2 500 pcu·h-1，作业区最终限速为40 km·h-1。分别在合流渐变段、合流缓冲段末端设置检测点，以10 m为变化间隔，观察合流缓冲段（渐变段长度固定）的长度变化对仿真通行能力的影响。

3.3.2仿真结果及分析

在VISSIM软件中输入仿真试验参数，变化合流缓冲段的长度，观察仿真通行能力的变化，结果见图14。

图14显示，在100 m前随着缓冲段长度的增加，作业区通行能力也随之增大，之后有所减小，且趋于常数。因此，合流缓冲段并不是设置得越长越好，缓冲段设置过长，需要更多的安全渠化设施，且车辆很容易忽略前方车道的变化，而错过中央分隔带开口处的过渡，进而引起交通事故。故建议合流缓冲段长度取值在80～120 m，推荐采用100 m。

3.4中央分隔带开口长度

中央分隔带开口长度影响作业区通行能力，开口太长不够经济实用，且对两侧车流的干扰增大，开口过短导致通行能力不足，影响整个路段的畅通。因此需要对中央分隔带路段进行仿真建模，从而确定出在较大交通量下中央分隔带的开口长度。在采用二次变道的车辆合流方式时，中央分隔带开口处车辆运行情况见图15。

3.4.1仿真试验设计

正常路段车道宽度为3.75 m，中间带（包括中央分隔带2 m和两侧路缘带1.5 m）宽度取3.5 m，大车率为20%，道路纵坡为0，仿真输入交通量为2 500 pcu·h-1，作业区最终限速为40 km·h-1，以10 m为变化步长评价其路段通行能力，观察开口长度变化对仿真通行能力的影响。

3.4.2仿真结果及分析

在VISSIM软件中输入仿真试验参数，变化中央分隔带开口长度，观察仿真通行能力的变化，结果见图16。

由图16得出：中央分隔带开口长度与作业区通行能力密切相关，在开口长度达到100 m之前，随着开口长度的增加，其通行能力随之增长；而在开口长度达到100 m以后，随着开口长度的增加，对两侧车流干扰也在不断增大，最大通行能力随之减小并趋于常数，因此建议中央分隔带开口长度取值为100 m。

4结语

本文对设计速度为120 km·h-1的双向四车道半幅封闭式高速公路改扩建交通组织方案参数的设置进行研究，得出以下结论。

（1）根据京港澳高速公路特征，运用VISSIM仿真软件建立半幅封闭交通组织仿真模型，并依据其交通流特性，设定仿真参数及车辆行驶规则。

（2）在封闭半幅车道（开放中央分隔带）模式下，双车道交通流二次变道所产生的车辆延误低于一次变道，建议车辆采取二次变道的合流方式，可大大提高交通的有序性及安全性，减少交通事故的发生。

（3）在二次变道合流方式下，合流渐变段长度为80 m时能够满足养护作业区较大交通量的要求，合流缓冲段长度取值在80～120 m时，仿真通行能力较大。综上所述，推荐合流渐变段与合流缓冲段的长度分别为80 m与100 m。

（4）中央分隔带开口长度对作业区通行能力有一定的影响，通过对不同的中央分隔带开口长度模型进行仿真与分析，得出中央分隔带开口长度为100 m时路段通行能力达到最大值。

（5）本文基于道路的通行能力、服务水平及行车安全提出了高速公路改扩建半幅封闭式交通组织方案的参数设置方法。其他类似高速公路改扩建工程可参考本文方法，依据实际工程的道路条件、车辆运行及交通流等特性设定相关仿真参数，得出符合实际施工特点的各区段长度的建议值，为高速公路改扩建交通组织提供决策。

参考文献：

[1]CHIEN S， SCHONFELD P.Optimal Work Zone Legths for Fourlane Highways[J].Journal of Transportation Engineering，2001，127（2）：124131.

[2]高凡丁，王卫平，李升科.美国管控车道概念对中国交通组织管理的启示[J].筑路机械与施工机械化，2015，32（4）：6772.

[3]李淑庆，瞿春涛，单传平，等.基于交通仿真软件的交通组织方案评价研究[J].交通与计算机，2007，25（4）：2628.

[4]南春丽，严宝杰，欧严严，等.城市交通组织优化仿真模型及参数估计方法[J].长安大学学报：自然科学版，2007，27（5）：8488.

[5]韦勇球，赵利苹，袁春建，等.高速公路改扩建交通组织仿真.[J].长安大学学报：自然科学版，2012，32（4）：3843.

[6]李永义.高速公路施工路段交通组织方案设计与评价研究[D].南京：东南大学，2006.

[7]韩跃杰.高速公路改扩建作业区交通组织及安全保障技术研究[D].西安：长安大学，2012.

[8]王丽，刘小明，任福田，等.交通仿真在交通影响分析中的应用[J].交通运输系统工程与信息，2004，4（3）：7073.