高速公路施工作业区车速分布特征及限速研究

孟祥海,史永义*,王 浩,徐汉清

(1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,哈尔滨150090;2.黑龙江省高速公路建设局,哈尔滨150008)

高速公路施工作业区车速分布特征及限速研究

孟祥海1,史永义*1,王 浩2,徐汉清1

(1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,哈尔滨150090;2.黑龙江省高速公路建设局,哈尔滨150008)

针对四车道高速公路的单向行车道封闭施工、单向超车道封闭施工、半幅封闭施工、半幅封闭施工过渡区段的施工作业区进行调查,并分析施工作业区各主要区段的地点车速,确定平均车速、85%位车速、各区段间的车速差、大小型车间的车速差,以及各区段相对于现场限速值时的超速比例等车速分布特性.得出,从上游正常路段至警告区(或过渡区)再至施工区车速分布的标准差在明显减小,同时小型车与大型车的车速差也在明显减小等统计分析结论.最后,根据车速分布规律给出了作业区车速控制原则,以及基于车速统计分布特征的作业区各区段限速值建议.

交通工程;限速值;车速分布特性;施工作业区;高速公路

1 引 言

控制施工作业区各主要区段的运行速度,即确定合理的限速值,对提高作业区的交通运行效率和交通安全程度均具有重要意义.从20世纪80年代至今,发达国家一直都在从事施工作业区运行速度及其限速问题的研究,内容涉及作业区各区段的速度变化特性[1]、作业区可变限速控制(VSL)[2]、实时限速控制(TODSL)[3]、速度控制的实施措施及其效果[4,5]等,取得了较多的研究成果.我国早期建设的高速公路相继进入大修或大规模养护维修期,施工作业区的限速问题逐渐引起了国内学者的关注,并初步开展了相关研究工作,研究重点主要集中在作业区的静态限速问题及其效果评价方面[6-8].

本文在吸收前人研究成果的基础上,侧重于对大量实测车速数据的统计分析,确定了高速公路单向行车道(含路肩)封闭施工、单向超车道封闭、施工半幅封闭施工及半幅封闭施工过渡区段四种作业区各主要区段的车速分布规律,并据此给出了限速取值建议.

2 施工作业区现场调查

对粤赣高速路面维修工程、哈尔滨机场高速公路路面维修工程、哈阿高速公路大修工程及前嫩高速公路施工建设工程的工作业区进行交通调查,现场实况如图1所示.

图1 作业区现场实况Fig.1 Field condition of work zones

粤赣高速公路施工作业区:施工作业区位于粤赣高速公路K120～K121段,广州至江西方向车道(含路肩)封闭施工.该作业区全程限速60 km/h,作业区外正常路段限速100 km/h(隧道80 km/h).采用录像法调查2012年8月12日的交通流数据,调查地点为上游警告区、变道合流区(上游过渡段)和施工区段.

哈尔滨机场高速公路施工作业区:施工作业区位于机场高速公路K11～K13段,机场方向超车道封闭施工.该作业区没有单独限速,但全程限速110 km/h.采用录像法调查该作业区2011年10月27日的交通流数据,调查地点为正常路段、变道合流区段和施工区段.

哈阿高速公路施工作业区:施工作业区位于哈阿高速公路K21～K23段,通车半幅采用了禁止超车的双车道双向交通组织方式,施工区、上游过渡区均限速 20 km/h,警告区由近及远分别限速40 km/h和60 km/h,作业区外正常路段限速110 km/h.采用录像法调查2010年8月6日该施工区主要区段全天的交通运行状况,调查地点如图2所示.

图2 哈阿高速公路半幅封闭施工作业区调查地点Fig.2 Traffic survey site of the closed one-way lanes work zone on Ha-a freeway

前嫩高速公路施工作业区:施工作业区位于前嫩高速公路K222+380～K222+540段.由于前嫩高速公路属二级公路扩建为高速公路的建设项目,该作业区较特殊,可将之定义为半幅封闭施工过渡区段作业区(即由半幅路过渡到另半幅路再回到原来半幅上的行驶状态).采用录像法调查该作业区2011年6月24日7:30-18:00的交通流数据.

3 施工作业区各主要区段的车速分布特征

3.1 单向行车道(含路肩)封闭施工作业区的车速分布

施工作业区上游警告区、上游过渡段及施工区段的小型车及大型车车速累计分布曲线如图3所示.

图3 单向行车道封闭施工作业区车速分布的累计频率曲线Fig.3 Speed accumulation frequency of one-way running lane closure work zone

交通流量及交通状态:该施工作业区单向流量在285～444 pcu/h之间,正常路段和施工区段服务水平都可达到A级.

大型车混入率:大型车混入率平均为32.80%.

平均速度:大型车在上游警告区、上游过渡区及施工区段的平均车速依次为76.74 km/h、76.31 km/h和76.10 km/h,相邻两区段的速度差分别为0.43 km/h、0.21 km/h;小型车的平均车速依次为96.70 km/h、93.41 km/h和89.41 km/h,相邻两区段的速度差分别为3.29 km/h和4.00 km/h. 85%位车速:大型车在上述三处区域的85%车速依次为91.20 km/h、91.03 km/h和88.80 km/h,相邻两区段的速度差分别为0.17 km/h和2.23 km/h;小型车的85%车速依次为113.52 km/h、109.78 km/h和105.33 km/h,相邻两区段的速度差分别为3.74 km/h和4.45 km/h.

大小型车的车速差:按平均车速计算,小型车与大型车在上述三个区域的车速差为19.96 km/h、17.10 km/h和13.31 km/h;若按85%位车速计算,则为22.32 km/h、18.75 km/h和16.53 km/h.显然,越接近施工区大小型车的车速差越小.

高速车辆所占比例:将整个施工区段车速超过60 km/h的车辆定义为高速车辆,则上游警告区、上游过渡区和作业区大型车的超速比例为87.84%、86.45%、92.28%,小型车的超速比例为98.48%、94.23%、96.14%.

3.2 单向超车道封闭施工作业区的车速分布

由于机场高速公路以客运交通为主,因此,对该施工作业区可仅分析小型车的车速分布特征.施工作业影响区域前超车道、行车道上的车速分布及施工区上游过渡段、施工区路段车速的累计频率分布如图4所示.

图4 单向超车道封闭施工作业区车速分布的累计频率曲线Fig.4 Speed accumulation frequency of one-way passing lane closure work zone

交通流量及交通状态:该施工作业区单向流量在392～857pcu/h之间,对正常路段而言,服务水平可达A级,属自由流状态,施工区段服务水平也可达B级.

平均车速:施工区路段、施工区上游过渡段、正常路段行车道、正常路段超车道上的平均车速分别为91.7 km/h、96.1 km/h、96.0 km/h和109.4 km/h.

85%位车速:上述四个区段上的85%位车速分别为 109.7 km/h、112.1 km/h、114.9 km/h和127.4 km/h.

高速车辆所占比例:由于该施工作业区没有单独限速,此处将车速高于全程限速标准(即110 km/h)的车辆均作为高速车辆.上述四个区段高速车辆所占比例分别为13.42%、14.27%、21.20%和53.67%.

3.3 半幅封闭施工作业区的车速分布

施工作业区上游正常路段、上游警告区及施工区段小型车及大型车车速的累计频率曲线,如图5所示.

交通流量及交通状态:该施工区单向流量在510～845 pcu/h之间,正常路段交通运行属自由流状态,施工区服务水平为B级.

大型车混入率:大型车混入率平均为22.08%.

平均速度:大型车在上游正常路段、上游警告区及施工区段的平均车速依次为77.72 km/h、45.44 km/h和38.25 km/h,相邻两区段的速度差分别为32.28 km/h、7.19 km/h;小型车的平均车速依次为102.25 km/h、54.00 km/h和46.32 km/h,相邻两区段的速度差分别为 48.25km/h和7.68 km/h.

图5 半幅封闭施工作业区车速分布的累计频率曲线Fig.5 Accumulation frequency of speed distribution on one-way closure work zone

85%位车速:大型车在上述三处区域的85%车 速 依 次 为 92.94 km/h、58.35 km/h 和48.71 km/h,相邻两区段的速度差分别为34.59 km/h和9.64 km/h;小型车的85%车速依次为122.29 km/h、69.76 km/h和59.93 km/h,相邻两区段的速度差分别为52.53 km/h和9.83 km/h.

大小型车的车速差:按平均车速计算,小型车与大型车在上述三个区域的车速差为24.53km/h、8.56 km/h和8.07 km/h;若按85%位车速计算,则为29.35 km/h、11.41 km/h和11.22 km/h.显然,越接近施工区大小型车的车速差越小,实际上在警告区大小型车的速度差已经很小.

高速车辆所占比例:将施工区车速超过20 km/h的车辆定义为高速车辆,施工区大型高速车辆所占比例为96.64%,小型高速车辆所占比例为97.96%.将警告区车速超过50 km/h的车辆定义为高速车辆,大型高速车辆所占比例为39.45%,小型高速车辆所占比例为65.58%.将正常路段车速超过全程限速值110 km/h的车辆定义为高速车辆,此时,大型高速车辆占12.72%、小型高速车辆占36.32%.

3.4 半幅封闭施工过渡段作业区的车速分布

交通流量及交通状态:该施工作业区断面流量在314～455 pcu/h之间,交通运行属自由流状态.

大型车混入率:大型车混入率平均为10.25%.

平均速度:大型车在警告区、过渡区、施工区的平均车速依次为 51.2 km/h、35.1 km/h和18.9 km/h,相邻两区段的速度差分别为16.1 km/h、16.2 km/h;小型车的平均车速依次为64.9 km/h、43.0 km/h和21.5 km/h,相邻两区段的速度差分别为21.9 km/h和21.5 km/h.

85%位车速:大型车在上述三处区域的85%车速依次为67.9 km/h、44.4 km/h和24.1 km/h,相邻两区段的速度差分别为 23.5 km/h和20.3 km/h;小型车的85%车速依次为83.0 km/h、 53.0 km/h和27.1 km/h,相邻两区段的速度差分别为30.0 km/h和25.9 km/h.

大小型车的车速差:按平均车速计,小型车与大型车在上述三个区域的车速差为13.7 km/h、7.9 km/h和2.6 km/h;若按85%位车速计,则为15.1 km/h、8.6 km/h和3.01 km/h.显然,越接近施工区大小型车车速差越小.

高速车辆所占比例:将施工区车速超过20 km/h(现场限速值)的车辆定义为高速车辆,施工区大型高速车辆所占比例为43.45%,小型高速车辆为60.57%.由于过渡区和警告区没有限速,此处将车速超过60 km/h(全程限速值)的车辆定义为高速车辆,此时,小型高速车辆占31.71%、大型高速车辆占11.49%.

3.5 施工作业区车速统计分布规律

经上述统计分析,归纳车速分布规律如下.

①从上游正常路段至警告区(或过渡段)再至施工区,车速的标准差明显减小(如表1所示),即车速分布的集中程度在增加.

表1 施工作业区各区段的速度标准差Table 1 Standard deviation of speed on each component of work zone km/h

②从上游正常路段至施工作业路段,小型车与大型车的车速差在明显减少.

③低流量条件下,单向行车道封闭施工作业区对交通运行的影响不大,车辆在施工区段的行驶状态与正常段相比基本一致.

④在以小型车客运交通为主的高速公路单向超车道封闭施工作业区,在低交通密度状态下,施工区路段(单向单车道交通)、上游过渡段的车速与正常路段行车道的车速大体相当.

4 基于车速统计分布特征的作业区限速研究

4.1 施工作业区的限速管理及速度控制原则

对于高速公路限速管理而言,有法定限速和限速区限速两种形式.显然,施工作业区的限速问题应属限速区限速范畴.但由于作业区交通的复杂程度一般都高于常规的几何受限路段,其限速标准及速度控制要求更高.

施工作业区限速的主要目的是通过连续的速度控制使驾驶员在通过作业区各区段时驾驶行为能够更加一致,从而缓解作业区瓶颈段的通行能力不足问题并保证通行安全.显然,影响作业区限速取值的主导因素是驾驶员速度选择特性、交通安全水平、交通运输效率及能源消耗等.本文基于车速统计分布特征给出了作业区速度控制原则.

①不宜采用85%车速作为作业区各区段限速的上限值.由于作业区各区段车速的统计分布规律可知,车速分布较集中,标准差较小(标准差约为速度均值的1/5～1/7),若按85%车速设置限速上限,则车速过高,不利于行车安全.

②作业区上游从警告区至施工路段,大小型车宜采用统一的限速值,此时不宜再分车型限速.车速统计分布也表明,两种车型的车速有明显的相互接近趋势.

③过渡区段,尤其是由双向交通过渡到单向交通的过渡区段,线形条件变化较大,此时应以几何线形指标作为确定限速值的依据.

④在有先进控制设备和控制手段可利用的条件下,建议根据交通水平实施分阶段的可变限速,甚至是依据车辆到达状态的动态连续可变限速.

4.2 施工作业区各区段的限速取值建议

施工影响区外正常路段:若该路段同时为非几何受限路段,则应按法定限速值来实施限速,或按85%位车速来设置限速上限值.

半幅封闭施工作业区的上、下游过渡段:建议按实际几何线形条件,尤其是平面线形条件来确定限速值.

上游警告区及施工路段:建议按式(1)、式(2)来确定限速的高限值和低限值.其中,高限值可用于交通流量较小的作业区或低交通密度时段,低限值可用于交通流量较大的作业区或高交通密度时段.对于考虑大型车混入时的限速问题,建议可按式(3)来确定.

式中 LVi

高限、LVi低限分别为区段i限速的高限值和低限值;Ei为区段i速度的平均值;σi为区段i速度分布的标准差.

式中 LVi为区段i考虑大型车混入后的限速值; LVi小、LVi大分别为区段i的小、大型车限速值;p为大型车混入率,%.

4.3 限速取值案例分析

现以哈阿高速半幅封闭施工作业区为例,基于前述原则和限速取值建议,给出了作业区各主要区段的限速值,如表2所示,推荐采用最后一列的数值做为限速值.

表2 哈阿高速公路半幅封闭施工作业区限速建议Table 2 Speed limits of the closed one-way lanes work zone on Ha-a freeway

5 研究结论

作业区各区段车速统计分析表明,从上游正常路段至警告区、过渡区、施工区,车速分布的集中程度在依次增加,体现了驾驶员对作业区各区段认知程度的增加,对已设限速的作业区而言,也证明了速度控制的有效性;在上述逐次控制或驾驶员自控速度的过程中,小型车与大型车间的速度差也在明显地逐次降低,在施工区侧通过时速度差已达最小.基于对上述车速分布规律的认识,在上游警告区及施工路段,建议可按车速的均值加(或减)0.5倍车速标准差作为限速的上(或下)限值.由于车速分布较集中、标准差较小,在作业区各区段不宜采用85%位车速作为限速的上限值.

本文仅从实测车速的统计分析出发,确定了车速的分布规律并据此给出了限速原则和限速取值方法,显然,均需通过检验和验证,如实施后的跟踪研究或模拟仿真研究等.另外,作业区各主要区段间合理的速度梯度,以及基于该梯度值的各区段间合理长度确定等都值得进一步研究.

[1]Benekohal R F,Wang L.Speed change distribution of vehicles in highway work zone[J].Transportation Research Board,1993:42-51.

[2]Nicholas J Fudala,Michael D Fontaine.Interaction between system design and operations in work zone variable speed limit systems[C]//Transportation Research Board,2010.

[3]Kyeong-Pyo Kang,Gang-Len Chang.A robust model for optimal time-of-day speed control at highway work zones [J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2006(7):115-123.

[4]Yue Li,Yong Bai.Determining the effectiveness of PCMS on reducing vehicle speed in rural highway work zones[C]//Transportation Research Board,2010.

[5]Pei-Wei Lin,Kyeong-Pyo Kang,Gang-Len Chang. Exploring the effectiveness ofvariable speed limit controls on highway work-zone operations[J].Journal ofIntelligentTransportation Systems, 2004(4): 155-168.

[6]吴彪,许洪国,戴彤.基于DEMATEL-ISM的高速公路作业区交通安全影响因素辨识[J].交通运输系统工程与信息.2010,10(5):130-136.[WU B,XU H G,DAI T.Identifying safety factors on expressway work zone based on DEMATEL and ISM[J].Journal of Transportation SystemsEngineering and Information Technology,2010,10(5):130-136.]

[7]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.2010,28(1):124-129. [WANG Q,WANG X P.Speed-limiting control of freeway work zone[J].Journal of Transport Information and Safety,2010,28(1):124-129.]

[8]钟连德,李秀文,侯德藻,等.公路施工区限速措施效果评价研究[J].公路,2010(3):176-180. [ZHONG L D,LI X W,HOU D Z,et al.Research on evaluation of speed reduction measures in highway work zone[J].Highway,2010,(3):176-180.]

Speed Distribution Characteristics and Speed Limits of Freeway Work Zones

MENG Xiang-hai1,SHI Yong-yi1,WANG Hao2,XU Han-qing1
(1.School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China; 2.Heilongjiang Province Highway Construction Bureau,Harbin 150008,China)

This paper analyzes the speed distribution of each main component on four kinds of freeway work zones:the closed one-way running lane work zone,the closed one-way passing lane work zone,the closed one-way lanes work zone and the closed one-way transition region work zone.It determines the average speed,the 85th speed,the speed difference of each component,the speed difference between oversize and light vehicles and the over speed vehicles'percentage related to limited speed values.Then,some statistical conclusions are drawn:the standard deviation of vehicles'speed distribution is gradually decreased throughout upstream normal area,warning area(or transition area)and activity area of work zones;the speed difference between oversize and light vehicles also decreases obviously.In the last section,the paper proposes speed control principles and limited speed values of each component on freeway work zones considering the characteristic of speed statistical distribution.

traffic engineering;speed limit value;speed distribution character;work zone;freeway

U491

A

U491

A

1009-6744(2013)01-0149-07

2012-07-11

2012-09-20录用日期:2012-09-25

黑龙江省交通运输厅科技项目(2011-2012).

孟祥海(1969-),男,黑龙江省海伦县人,教授,博士生导师,博士.

*通讯作者:syyhit@163.com