城市快速路施工区可变限速模型研究.doc

城市快速路施工区可变限速模型研究李晓玲 王伟智（福州大学土木工程学院，福建 福州 350108）摘要：城市快速路施工区是快速路的瓶颈路段，此路段经常发生交通拥堵和交通事故，存在较大的安全隐患。施工区车辆从高速自由流向低速阻滞流过渡，车速的变化是导致施工区拥堵和事故的主要因素。车速限制是控制施工区交通拥堵和事故的主要手段，本文引入可变限速的思想，考虑影响施工区车速的因素如V/C、大车率、服从率等因素，提出基于交通流理论和基于交通冲突技术的施工区可变限速模型。通过仿真进行了模型的标定，并基于算例得到施工区的限速值，该模型能克服现有限速方法的不足。关键字：快速路施工区、可变限速、V/C、大车率、服从率、冲突技术中图分类号：U491.2 The variable speed limits of urban expressway work zones LI Xiao-ling, WANG Wei-zhi(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350108, China)Abstract:Urban expressway work zone is the bottleneck of the expressway, the section always occurs traffic jams and accidents. Therefore, the work zones have potential safety hazards. The vehicles transit from the free flow of high speed to block flow of low speed , the change of vehicle speed is the main factor leading to the work zone congestion and accidents. Speed limit is the main method to control traffic jams and accidents. This paper introduces the variable speed limit thought,considers the v/c,large vehicle mix rates,the compliance rates, and other factors, puts forward the variable speed control model based on traffic conflict technique and the traffic flow theory of the work zone. The paper calibrates the model through the vissim simulation,and based on an example calculates the value of speed limits which can overcome the shortage of the current speed limits.Key words: Urban expressway work zone, Variable speed limits, V/C, large vehicle mix rates,compliance rates, traffic conflict technique0 引言城市快速路服务于城市内的快速交通运输，且兼高速公路和城市干道的特点，在城市道路中的地位非同一般。施工区常常不可避免地封闭车道，导致施工区车速降低，道路的通行能力大幅度减少，施工区车辆从高速自由流向低速阻滞流过渡的过程中就存在很大的安全隐患。当前我国的大部分施工区都缺乏相对规范化的交通组织和管理，施工区的交通环境变得更加复杂，导致了施工区成为道路上的瓶颈路段，成为交通运输中最薄弱的地方，经常发生交通拥堵和交通事故。国内外对施工区的研究主要体现在三个方面：施工区的相关规范研究、施工区的交通特性研究以及施工区仿真研究等。美国在施工区限速值确定及限速方法方面的研究具有一定的代表性，对施工区各种限速措施效果进行了评价1-2，在施工区内实施了VSL（Variable Speed Limits）可变限速控制策略3-5。国内对施工区的研究主要是施工区交通信号控制研究6-7，施工区限速标志位置研究8和施工区限速方案评价9-13等方面，但对于施工区的限速值的确定通常是人为取值后评价限速方案的优劣，缺乏科学性和可靠性。针对可变限速的算法，国内外主要包括3类：基于交通流模型的算法、加权法和智能算法。基于交通流模型的算法主要是对交通流模型的推导、改进和融合。加权法是指先得到理论限速值，然后对驾驶人行为、道路条件、交通条件等影响因素进行加权处理，最终得到限速值。智能算法主要包括神经网络、模糊控制、遗传算法和强化学习等。本文综合这三种方法的特点，考虑影响施工区限速值的因素，采用加权法和交通流模型法及交通冲突技术方法相结合的方法确定施工区的可变限速值。1 快速路施工区分析1.1 施工区基本组成如图1，城市快速路的施工区布置图参考城市道路施工作业交通组织规范 GA/T 900-201014。以双向四车道道路为例，各区段作用如下表1： 图1 施工区基本布置图Fig1. The basic layout of the work zone表1 施工区各控制区段作用表Tab.1 Each control section of the work zone控制区段作用警告区警告车辆根据交通标志调整运行状态上游过渡区从封闭车道的上游平稳地横向过渡到缓冲区旁边的非封闭车道缓冲区让误闯入工作区的车辆提供缓冲空间，保障工作区施工人员的安全工作区施工的操作区域下游过渡区保证车辆从工作区旁边的车道平稳地横向过渡到正常车道终止区调整车辆行车状态1.2 施工区的交通特性分析在施工区，道路环境发生了明显的变化。为了保证施工的顺利进行，施工区相对一般道路增设标志标线、隔离设施等，这就导致驾驶员在单位时间内获取的信息量增多，驾驶人对其适应性变差；道路上的参与者包括驾驶员、施工人员及施工机械操作人员，因此交通环境变得更加复杂。此外，施工区不可避免地要占用部分道路空间，因此施工区的开放车道数或车道宽度会自然减少，导致施工区的通行能力大大降低。对于交通需求大的交通流，将在施工区上游出现排队现象，因而道路的通行效率大大降低；对于交通组成复杂的交通流，车道数或车道宽度的减少加大了车辆间的横向干扰，从而影响行车安全。施工区车道总宽度减少，车辆在行驶时的交通冲突增多，行车不安全性增加，直接影响驾驶人的驾驶行为，对驾驶员的驾驶技术提出更高的要求。对于施工区的拥堵现象以及安全隐患，表现在交通流中的就是车辆速度的变化。驾驶员习惯性忽略限速、合流等警示标志，车辆由高速自由流向低速阻滞流转换的过程就存在潜在的安全隐患。所以，如何合理控制快速路施工区速度是至关重要的条件。2 施工区限速影响因素对于限速值的影响因素，需要从影响速度的因素分析入手。影响速度变化的因素有很多，包括人的因素(驾驶员的技术、年龄及驾驶员的生理、心理状态等)、车的因素(车型、车龄等)、路的因素(道路等级、道路的平纵曲线、线形、车道、视距及路面状况等)、交通因素(交通量、交通组成及交通管理措施等)及环境因素(季节、气候、时间及沿线道路街道化的程度等)等等。鉴于上节所述施工区的特殊性质，如图2，主要讨论如下几项因素：图2 施工区限速影响因素示意图Fig2. Schematic diagram of the influence factors of work zone speed limit2.1 V/CV/C即交通量和道路通行能力的比值。施工区常封闭部分车道，因此道路的通行能力取决于施工区的通行能力。若施工地段的交通量很小，小于施工区的通行能力，那么施工区对该路段的影响较小，绝大部分车辆都可以通过施工区；若该路段的交通量较大，大于施工区的通行能力，那么施工区对该路段通行效率的影响就较大，所以选取V/C作为限速考虑因素之一。2.2 大车率由于车型和动力性能的差别，造成大车和小车在行驶过程中表现出较为明显的不同特征，大小车在速度分布、加、减速范围和驾驶行为等方面都有较大的区别。大车的混入必然对整个交通流产生影响。大、小车之间相互干扰，造成了速度差，增加了交通事故的概率。在一般路段，大车的混入对整体交通流的影响或许不是很明显，但是在施工区中，交通流本身就比较紊乱，若大车比例增加，对整个交通流的干扰也会相应增大。文献15中，研究了大车混入率对交通流运行速度的影响，发现线性函数可以代表大车因素对速度的影响，模型拟合效果较好。2.3 驾驶员服从率驾驶员是影响限速效果的最主要因素，驾驶员对于限速信息是否服从影响着整个施工区的安全和通行效率。当驾驶员服从率越大，那么整个交通流的速度差异越小，交通流就越趋于平稳，施工区越安全，反之，若驾驶员的服从率越小，那么施工区安全性将越低，这就需要采用其他的辅助方法来提高驾驶员服从率。2.4能见度和路面条件恶劣的气候环境下，能见度和路面摩擦系数会大大降低，在这种情况下如果驾驶员仍然保持较高速度行驶的话，会在发现危险的情况下，来不及进行避险或刹车，造成交通事故，从而严重影响行车安全。3 可变限速模型3.1 基于交通流理论的速度模型交通流模型16是描述道路上速度、流量、密度三参数之间关系的模型。本文以静态交通流模型为基础，以施工区所能通过的交通量最大为目标，建立速度模型。最早的速度密度模型是由格林希尔兹于1935年提出的，即格林希尔兹线性模型，该模型适用于密度适中的交通条件： （1）式中，为自由流速度，一般介于限制速度和设计速度之间； 为阻塞密度，该值较难获得，一般在115-155veh/km的范围内。因此，流量与密度关系则可以表示为： （2）令和分别为交通流量最大（）时对应的车速和密度。当交通流量最大时，。对于特定道路上的交通流，令流量最大时对应的速度为限速值，即令 ， 即为基于交通流模型的限速值。3.2 基于冲突技术的安全速度模型交通冲突技术（traffic conflict technique，TCT）是对冲突当事双方的相对位置和冲突速度进行观测并以安全临界标准检验冲突与事故接近水平的过程。在图3的施工区中，外侧车道的车辆等待内侧车道车流的可插车间隙汇入其中，内侧车道车辆享有优先通过权。此时的车辆2若不采取避让行为，那么辆车将在图中所示的碰撞点发生冲突，产生交通事故。假设车辆2是优先避险的冲突车辆，速度为 km/h， 为冲突车辆在冲突结束后的速度， L为冲突车辆假想碰撞点的距离，为冲突距离，冲突车辆的减速度为a m/s2，通常取3-5m/s2。那么，碰撞前时间T（time to collision，TTC）则由下式算出： （3）图3 施工区冲突示意图Fig3. Schematic diagram of the work zone conflict交通冲突的严重性判别中，以TTC作为冲突严重性判定指标，采用累计频率分析方法，针对不同的冲突初始分类，给出类与类之间的界定值17，原理如图4。图4 累计频率曲线分析法在冲突严重性判定中的应用原理Fig4. The application principle of the cumulative frequency curve method in conflict severity judgement文献17中，以TTC为衡量指标，对交通冲突严重性的划分得到了明确的结果，即1.0TTC2.0s时为非严重冲突，TTC1.0s时为严重冲突，TTC2.0s时的交通危险事件不构成冲突。因此，取TTC=2.0s作为评判是否发生冲突的标准。若已知冲突距离或者制动减速度以及碰撞后冲突车辆的速度，则冲突车辆的速度 便可计算得出。令 ，得到基于交通冲突的限速值 。 3.3 可变限速模型基于上文所述原理，提出城市快速路施工区可变限速模型。根据上两小节可以得到，限速值取二者的最小值，即 。考虑影响限速值的因素，各项影响因素的修正系数 定义为非基准条件下的驾驶员运行车速与基准条件下运行车速的比值。取基准情况为交通量等于通行能力，驾驶员服从率为百分百，大车率为零，天气状况和路面条件良好，能见度较高。所以，限速值 的计算公式如下： （4） 施工区限速值 V/C 修正系数 大车率修正系数 驾驶员服从率修正系数 能见度修正系数4 模型标定通过采用vissim仿真软件对图1的施工区进行模拟仿真，即施工区模型为双向四车道道路，半幅部分车道施工区，外侧车道封闭施工，过渡区的车辆优先规则设置为内侧车道车辆优先，外侧车道利用可插车间隙通过施工区，数据采集点分别设置在施工区的警告区和终止区上，采集车流信息。施工区各控制区段的长度采用规范所提供值，施工区长度取500m，过渡区L =50m，终止区30m。取基准情况为交通量等于通行能力，驾驶员服从率为百分百，大车率为零，天气状况和路面条件良好，能见度较高，且施工区自由流速度=80 km/h。先利用仿真得出该施工区段的通行能力为1472 pcu/h，制动减速度取5 m/s2，于是=min（40，36）=36 km/h。通过固定其他因素不变，仿真时只变动一个因素，分别得到以下的修正参数拟合函数，如图5、图6和图7。对于能见度和路面条件这一因素，由于仿真软件当中没有相关设置，所以采用美国ASSHTO的 NCHRP模型，该模型中反映了能见度、路面摩擦因数与最大安全行驶速度的关系18，模型如下： （5）式中， 行驶车速，km/h 路面摩擦系数 坡度 前后车的安全距离，一般取5-10m 能见度求解得到最大安全行驶车速为： （8）将 除以基准情况下的限速值即得到修正系数。图5 V/C修正系数Fig5. V/C correction factor图6 大车率修正系数Fig6. Large vehicle mix rate correction factor图7 服从率修正系数Fig7. Compliance rate correction factor因此，V/C修正系数的拟合函数为；大车率修正系数的拟合函数为，其中 为大车率；驾驶员服从率修正系数的拟合函数为，其中 为驾驶员服从率。5.算例某城市快速路一路段进行路面养护作业，实际限速值为40 km/h。大车比例为0.2，能见度为175m，地面摩擦系数为0.3，假定驾驶员服从率为100%。在某一时段，该路段的交通量为1200 pcu/h，施工区路段的通行能力为1820 pcu/h，自由流速度为80 km/h，设车辆在施工区合流处发生冲突前的制动减速度为5m/s2。所以该施工区路段的初始限速值为36 km/h，即=36 km/h。根据修正系数拟合函数算出影响因素对应的修正系数值，再由式（4）计算得到施工区的限速值，见表2。所得限速值比实际施工区的限速值小，原因在于实际的限速值常常是忽略了诸多因素计算得到的。表2 施工区限速值计算Tab.2 Calculation of speed limit for work zone影响因素修正系数值V/C1.28大车率0.90服从率1能见度和摩擦系数0.74限速值30.6 km/h6 结语本文对快速路施工区的特性进行了分析，施工区的安全隐患主要来源于车辆行驶车速的变化。进而对影响施工区速度的因素进行了分析，提出基于交通冲突技术和交通流理论的限速模型，并对模型的修正系数进行了标定。模型中施工区长度和过渡区段的长度均为定值，未进行深入分析控制区段长度的变化对施工区的影响，此处应为日后将要研究的方向。影响施工区限速值的因素还有很多，其他关键因素对施工区限速的影响还需要继续研究。参考文献1 Fontaine M D, Carlson P J. Evaluation of speed displays and rumble strips at rural-maintenance work zonesJ. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2001, 1745(1): 27-38.2 Hildebrand E D, Wilson F R, Copeland J J. Speed management strategies for rural temporary work zonesC/Proceedings of the Canadian Multidisciplinary Road Safety Conference XIII. 2003.3 Kang K P, Chang G L, Zou N. Optimal dynamic speed-limit control for highway work zone operationsJ. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2004, 1877(1): 77-84.4 Lin P W, Kang K P, Chang G L. Exploring the effectiveness of variable speed limit controls on highway work-zone operationsC/Intelligent transportation systems. Taylor & Francis Group, 2004, 8(3): 155-168.5 Zaidi Z, Radwan E, Harb R. Evaluating variable speed limits and dynamic lane merging systems in work zones: a simulation studyJ. International Scholarly Research Notices, 2012, 2012. 6 宋志洪, 梁子君. 城市半幅占道施工区交通信号控制方法研究J. 中国科技纵横, 2013 (22): 49-50. 7吴立新, 韩娟. 高速公路施工区信号汇入控制研究J. 公路交通科技, 2011, 28(3): 143-147.8 于仁杰, 马荣国, 韩海, 等. 高速公路施工区限速标志位置确定方法J. 交通运输工程学报, 2013, 13(5).9黄凯, 何勇, 唐健娟, 等. 公路施工区限速值大小研究J. 公路, 2011 (5): 112-115.10 王强, 王显璞. 高速公路养护施工区限速控制研究J. 交通信息与安全, 2010 (1): 124-129. 11 金明新, 田晋跃. 高速公路养护作业警告区最小长度和限速标志设置的探析J. 交通标准化, 2009 (18): 40-44.12 吴彪, 许洪国, 戴彤焱, 等. 高速公路施工区提前警告区域限速方案风险评价J. 合肥工业大学学报: 自然科学版, 2013, 36(11): 1295-1299. 13 占辉. 高速公路改扩建施工区限速研究J. 北方交通, 2013 (4): 39-41.14 2010 G A T. 城市道路施工作业区交通组织规范 SD.15 徐婷, 孙小端, 贺玉龙, 等. 高速公路可变限速中大车混入因素研究J. 交通信息与安全, 2009 (2): 70-72. 16 张生瑞, 邵春福, 周伟. 交通流理论与方法M. 北京: 中国铁道出社, 2010.17 项乔君，陆键，卢川，葛兴. 道路交通冲突分析技术及应用M. 北京：科学出版社，2008.18 余凯, 张存保, 石永辉. 基于多元因素的高速公路可变限速值计算方法研究J. 交通信息与安全, 2011, 29(1): 4-7.