高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)限速控制研究

1、高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)限速控制研究摘要：本文依托交通仿真軟件Vissim對(duì)各種限速條件下的交通運(yùn)行情況進(jìn)行仿真模擬，選取適合于養(yǎng)護(hù)施工區(qū)的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)各種限速方案進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，得出較優(yōu)的限速方案和限速標(biāo)志牌的位置。關(guān)鍵詞：養(yǎng)護(hù)施工區(qū)；限速控制；安全評(píng)價(jià)；交通仿真Study on Speed-limiting Control of Freeway Work ZoneAbstract: The paper utilizes traffic simulation software VISSIM to carry on the simulation of traffic operation with

2、 variety of speed-limiting conditions. It selects the safety evaluation index which is suitable for work zone and carries on the safe evaluation of variety of speed-limiting program. At last the paper derives the better speed-limiting program and the location of speed-limiting signs.Key words: Work

3、zone; Speed-limiting control; Traffic safety evaluation; Traffic simulation近年來隨著高速公路事業(yè)在我國的快速發(fā)展，高速公路養(yǎng)護(hù)維修也已廣泛開展，在高速公路上進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)通常要封閉一部分車道，造成車輛運(yùn)行環(huán)境惡化，因此在作業(yè)區(qū)路段易發(fā)生擁擠、排隊(duì)、甚至發(fā)生事故。為了確保作業(yè)區(qū)路段的交通安全，交通管理部門通常在作業(yè)區(qū)前方進(jìn)行限速管理。對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)限速控制的研究將是提高作業(yè)區(qū)交通安全和保障運(yùn)行效率的基礎(chǔ)，本文依托交通仿真軟件Vissim對(duì)多種限速問題進(jìn)行微觀仿真研究。1.養(yǎng)護(hù)施工區(qū)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取目前對(duì)交通安全

4、的評(píng)價(jià)方法基本上可分為兩類：基于事故統(tǒng)計(jì)的安全評(píng)價(jià)方法和基于交通沖突技術(shù)的安全評(píng)價(jià)方法。基于事故統(tǒng)計(jì)的評(píng)價(jià)方法需要有大量的原始事故數(shù)據(jù)，而國內(nèi)養(yǎng)護(hù)施工區(qū)的事故統(tǒng)計(jì)還不完善，很難得到這些原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也就無法進(jìn)行下一步的計(jì)算分析；交通沖突方法需要研究分析各個(gè)地段的沖突點(diǎn)，而養(yǎng)護(hù)施工區(qū)從警告區(qū)開始到終止區(qū)結(jié)束這段路段很長，很難計(jì)算分析出各個(gè)地段的沖突點(diǎn)。因此這些評(píng)價(jià)方法對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)的安全評(píng)價(jià)都存在一定的局限性，不能完全反映高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)的限速方案設(shè)置對(duì)交通安全的影響。在高速公路占用車道進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)時(shí)，養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)會(huì)對(duì)高速交通流發(fā)生干擾，引發(fā)交通沖突，其表現(xiàn)一為車輛之間的縱向沖突，即追尾；

5、二為車輛之間的橫向沖突1。橫向沖突主要是車輛之間的側(cè)向摩擦、車輛與施工區(qū)固定物之間的摩擦等，縱向沖突主要是車輛之間的追尾。提高高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)的安全特性也就是減少車輛之間的縱向沖突和橫向沖突。通過分析養(yǎng)護(hù)施工區(qū)交通流特性和交通沖突的類型，選取等效最小安全距離（MSDE）和速度標(biāo)準(zhǔn)差的變化系數(shù)（CV）作為養(yǎng)護(hù)施工區(qū)這個(gè)特定交通路段的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。（1）等效最小安全距離美國Sivanaga S. Yadlapati等人在開發(fā)和測(cè)試施工作業(yè)區(qū)的可變速度限制系統(tǒng)中，首次提出了最小安全距離MSDE（minimum safety distance equation）這個(gè)道路的安全性指標(biāo)。它代表的含義見以

6、下的公式2: （1）PRT=t1+t2+t3 （2）式中：VL前車車速（mph） VF后車車速（mph） h車頭時(shí)距（s） PRT車輛安全時(shí)距（s） f路面摩擦力系數(shù) g道路縱坡t1后車駕駛員感知反應(yīng)時(shí)間t2抬腳至制動(dòng)生效時(shí)間t3制動(dòng)開始到制動(dòng)結(jié)束時(shí)間通常人們?cè)诳紤]前后車輛的事故風(fēng)險(xiǎn)性時(shí)，一般都只考慮前后車輛的距離，或者單獨(dú)考慮前后車輛的速度差。當(dāng)單獨(dú)考慮前后車輛的距離時(shí)，前后車輛距離越小，則發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)性越大；當(dāng)單獨(dú)考慮前后車輛的速度差時(shí)，前后車的速度差越大，則發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)性越大。而等效最小安全距離MSDE將前后車輛的距離和速度差結(jié)合在一起,綜合考慮了這兩個(gè)因素對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)性的影響。（2）

7、速度標(biāo)準(zhǔn)差的變化系數(shù)由于養(yǎng)護(hù)施工區(qū)的出現(xiàn)，高速公路的連續(xù)車流必然受到阻擋和干擾，必然引起車頭時(shí)距變小、交通干擾頻繁、車速的離散性變大，從而引起交通流的不穩(wěn)定。而交通流不穩(wěn)定就會(huì)導(dǎo)致車輛在隊(duì)列中走走停停的擁擠現(xiàn)象，引起交通擁擠甚至交通事故。如果把養(yǎng)護(hù)施工區(qū)看作一個(gè)系統(tǒng)，那么系統(tǒng)內(nèi)要素間有很強(qiáng)的制約關(guān)系，此時(shí)的系統(tǒng)是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)。國內(nèi)外大量研究已經(jīng)證明速度的離散性與安全密切關(guān)聯(lián)34,認(rèn)為車速離散程度與事故率之間存在真正相關(guān)的關(guān)系，車速標(biāo)準(zhǔn)差越大的地點(diǎn)其安全性能也越差。由于不同斷面上車輛的平均速度是不一樣的，為了消除車輛平均速度的影響，采用了標(biāo)準(zhǔn)差的變化系數(shù)cv值來評(píng)價(jià)斷面安全的指標(biāo)，通過分析各

8、斷面cv值變化來確定車流的穩(wěn)定距離。 （3）2.養(yǎng)護(hù)施工區(qū)限速方案交通仿真及評(píng)價(jià)分析（1）模型的建立首先考查雙向8車道高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)段，在Vissim中建立相應(yīng)的模型，并在模型中適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，記錄下車輛的相關(guān)信息。在Vissim中設(shè)置不同的限速方案和限速標(biāo)志的位置，對(duì)各種方案下的道路安全進(jìn)行評(píng)價(jià)分析分析，得出安全性較高的限速方案。在此基礎(chǔ)上，將雙向8車道模型擴(kuò)展為雙向6車道、雙向4車道模型，以考查不同車道數(shù)對(duì)作業(yè)區(qū)限速方案的影響。（2）限速方案對(duì)交通安全的影響通過對(duì)限速方案的理論研究，綜合考慮通行能力、交通安全和行程時(shí)間等因素限速應(yīng)限定在6080km/h范圍，但具體限定多少速度

9、合適、如何限速，要根據(jù)具體階段的道路行駛條件、交通條件來控制。鑒于此，為更好的反映不同的限速方案在高速公路上的影響程度，本文分別對(duì)高速公路的平直路段、豎曲線路段以及平曲線路段上的七個(gè)限速方案（見表1）進(jìn)行分析。表1 限速方案限速標(biāo)志個(gè)數(shù)第一限速值第二限速值第三限速值限速方案一160km/h限速方案二290km/h60km/h限速方案三3100km/h80km/h60km/h限速方案四170km/h限速方案五290km/h70km/h限速方案六180km/h限速方案七2100km/h80km/hMSDE圖1 交通量為1600輛/h時(shí)各限速方案在平直線路段的MSDE值通過仿真軟件模擬高速公路養(yǎng)護(hù)施

10、工區(qū)分別處于平直路段、豎曲線路段和平曲線路段，以及交通量分別為800輛/h、1600輛/h、2400輛/h（車輛組成根據(jù)滬寧高速交通實(shí)測(cè)得出）的車輛運(yùn)行情況，對(duì)車輛間的等效最小安全距離進(jìn)行了計(jì)算分析，在各種路段情況下的MSDE值變化趨勢(shì)和規(guī)律基本一致：以最低限速值相同的幾個(gè)方案為一組分三個(gè)梯次分布，從高到低依次為最低限速值為80km/h方案組、最低限速值為70km/h方案組和最低限速值為60km/h方案組，隨著交通量的增加這種梯次效果逐漸減弱，當(dāng)交通量加到2400輛/h時(shí)，梯次效果就沒有交通量800輛/h時(shí)那么明顯，而且在上游過渡區(qū)路段范圍內(nèi)梯次效果正好與警告區(qū)路段的梯次效果相反，方案二最好方

11、案五其次方案七最差。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：在前面警告區(qū)道路條件良好時(shí)，如果速度降幅過大容易發(fā)生交通事故，不利于交通安全，所以這時(shí)限速較高的方案占優(yōu)，但到了養(yǎng)護(hù)施工路段，道路條件改變，車輛需要匯流通過施工區(qū)，尤其當(dāng)交通量較大時(shí)，匯車間隙不能滿足匯流要求時(shí)，必然出現(xiàn)停車排隊(duì)的現(xiàn)象，這時(shí)限速較高的方案速度降幅就會(huì)較大，因此安全性也就較差。CV圖2 交通量1600輛/h時(shí)各限速方案在平直路段的cv值通過分析仿真結(jié)果可以得出：CV值在各種情況下的變化趨勢(shì)和規(guī)律基本一致，基本不受交通量變化和路段形式變化的影響。如果最低限速值較高，車速可供選擇的范圍較大，相應(yīng)的離散性也就最大，相應(yīng)的CV值也就最高，但隨

12、著交通量的增加，當(dāng)交通量增加到2400輛/h時(shí)高速公路上車輛開始發(fā)生擁堵現(xiàn)象，車輛之間相互制約相互牽制，車速自然就會(huì)下降，三個(gè)方案的CV值也基本相當(dāng)。通過量表2 不同交通量下各限速方案通過的交通量交通量限速方案800輛/h1600輛/h2400輛/h限速方案一79015802368限速方案二79015822369限速方案三78915812371限速方案四78915822369限速方案五79015822372限速方案六79115842373限速方案七79115842374方案比選表3 限速控制方案比選評(píng)價(jià)指標(biāo)限速方案MSDEcv通過量限速方案一差較好較好限速方案二較差好較好限速方案三較差較好較好

13、限速方案四較差較好較好限速方案五較好好較好限速方案六較好較差較好限速方案七好較差較好綜合比較七個(gè)方案得出：方案五較優(yōu)，即設(shè)置兩個(gè)限速標(biāo)志，第一限速標(biāo)志限速值為90km/h，第二限速標(biāo)志限速值為70km/h。同時(shí)比較MSDE值和CV值發(fā)現(xiàn)：各種狀況下MSDE值最小值和CV值最大值均出現(xiàn)在上游過渡區(qū)，這就充分證明高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)的上游過渡區(qū)是一個(gè)交通瓶頸，最容易發(fā)生交通事故，交通安全性最差；在限速標(biāo)志所在位置MSDE值和CV值都有突變，這主要是因?yàn)楫?dāng)駕駛員看到限速標(biāo)志時(shí)會(huì)采取相應(yīng)措施來降低車速，所以在限速標(biāo)志附近存在發(fā)生交通事故的潛在危險(xiǎn)，不宜過多設(shè)置限速標(biāo)志牌。（3）限速標(biāo)志的位置對(duì)交通安全的

14、影響限速標(biāo)志設(shè)置在不同的位置所起的效果會(huì)不一樣，如果設(shè)置的位置不合理很有可能發(fā)揮不出原來的效果，甚至起到反作用，對(duì)安全不利。本文通過對(duì)比不同位置設(shè)置方案的安全性，分析出較優(yōu)的限速標(biāo)志設(shè)置的位置。表4 限速標(biāo)志位置設(shè)置方案90km/h限速標(biāo)志位置70km/h限速標(biāo)志位置方案一距上游過渡區(qū)1100m距上游過渡區(qū)100m方案二距上游過渡區(qū)2000m距上游過渡區(qū)1000m方案三距上游過渡區(qū)2000m距上游過渡區(qū)100m方案四距上游過渡區(qū)1320m距上游過渡區(qū)660mMSDE圖3 各限速標(biāo)志設(shè)置位置方案的MSDE值CV圖4 各限速標(biāo)志位置設(shè)置方案的cv值方案比選表5 限速標(biāo)志設(shè)置方案比選評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)置方案

15、MSDEcv方案一較好較差方案二較差較好方案三較好較好方案四較差較差綜合比較各個(gè)限速標(biāo)志設(shè)置方案得出：方案三較優(yōu)，即90km/h限速標(biāo)志設(shè)置在距上游過渡區(qū)2000m處，70km/h限速標(biāo)志設(shè)置在距上游過渡區(qū)100m處。由于駕駛員發(fā)現(xiàn)限速標(biāo)志需要采取一系列動(dòng)作來降低速度，所以在限速標(biāo)志附近安全性會(huì)有所下降，當(dāng)車速逐漸穩(wěn)定后安全性又逐漸升高。第一個(gè)限速標(biāo)志的位置對(duì)MSDE的影響不大，但可以很好的降低車輛的離散性，提高CV值。第二限速標(biāo)志的位置對(duì)CV值影響不大，但對(duì)MSDE的影響較大，當(dāng)?shù)诙匏贅?biāo)志設(shè)置在距上游過渡區(qū)較遠(yuǎn)的地方時(shí)，無論是在限速標(biāo)志附近還是當(dāng)車速穩(wěn)定后MSDE值都整體偏低，這主要是因?yàn)?/p>

16、這時(shí)限速值較低，勢(shì)必造成運(yùn)行車速較低，再加上較大的交通量，車輛就會(huì)密集而且緩慢的移動(dòng)，車頭時(shí)距也就降低，也就更容易發(fā)生車輛追尾事故。而將第二限速標(biāo)志設(shè)置在距上游過渡區(qū)100m處就很好的解決了這個(gè)問題，這時(shí)由于車輛本身就需要降低速度進(jìn)行匯流，如果沒有限速標(biāo)志車速受交通流自身的影響，很有可能進(jìn)行第三次降速（之前有兩個(gè)限速標(biāo)志），這樣頻繁的操作對(duì)安全不利，但如果有了限速標(biāo)志，駕駛員在限速標(biāo)志附近開始降速直到上游過渡區(qū)，就不會(huì)進(jìn)行第三次降速，降低了操作次數(shù)，從MSDE的變化趨勢(shì)圖中也可以看出這樣設(shè)置對(duì)安全是有利的。（4）限速控制方案在不同車道數(shù)上的應(yīng)用效果以上研究主要是針對(duì)雙向八車道，但對(duì)于雙向六車道

17、和雙向四車道這樣的限速控制策略還是否適合？本文在雙向六車道、雙向四車道上設(shè)置和雙向八車道上同樣的限速標(biāo)志，每條車道上加載上相同的交通量（每車道400輛/h），計(jì)算出各路段上的安全指標(biāo)，并進(jìn)行比較分析。MSDE圖5 不同車道數(shù)下的MSDE值從上圖可以看出，不同車道數(shù)下的MSDE值的大小以及變化趨勢(shì)基本一致。cv圖6 不同車道數(shù)下的cv值仿真結(jié)果顯示：不同車道數(shù)下的cv值的大小以及變化趨勢(shì)基本一致。綜上所述，設(shè)置兩個(gè)限速標(biāo)志（90km/h限速標(biāo)志設(shè)置在距上游過渡區(qū)2000m處，70km/h限速標(biāo)志設(shè)置在距上游過渡區(qū)100m處）不僅適合于雙向八車道，在雙向四車道和雙向六車道的情況下安全性也較好。3.

18、結(jié)束語高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)安全性的影響因素很多也很復(fù)雜，由于條件的限制，在實(shí)際中往往很難對(duì)其展開研究。本文利用微觀仿真軟件Vissim對(duì)道路上的交通流進(jìn)行研究，并選取了適合于仿真軟件的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各種情況下的養(yǎng)護(hù)施工區(qū)的限速控制進(jìn)行了仿真分析，評(píng)價(jià)了不同限速控制下的道路安全性能并對(duì)其進(jìn)行比較分析，得出了較優(yōu)的限速設(shè)置方案和限速標(biāo)志的設(shè)置位置。這些結(jié)論可以為養(yǎng)護(hù)施工區(qū)安全性的研究提供有益的參考。參考文獻(xiàn)：1Federal Highway Administration. (2003).Manual on Uniform Traffic Control Devices for streets and highways (MUTCD)S. U. S. Department of Transportation，Washington DC.2黃曉清，柳本民，郭忠印交通仿真在道路安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用山東交通科技，2006，（2）：50523Vivian Robert R and Veeraragavan, “Effect of traf