高速公路施工区限速值分析

徐华兵，彭 雪，屈言宾

（安徽省交通规划设计研究院有限公司，安徽 合肥 230088）

随着汽车保有量的增加和交通运输业的蓬勃发展，高速公路承载能力不能满足现有交通量的压力，多条高速公路进行改建或扩建。由于高速公路改扩建的施工，导致施工区域形成瓶颈路段，正常通行车道的通行能力大幅下降、通行环境恶化，即施工设备、施工路段、施工人员以及安全设施所形成的复杂行车环境。在这种环境中行车，车速离散值往往较大，极易导致交通拥堵甚至是交通事故的发生。

车辆行驶于作业区路段时，作业区复杂的外部环境使驾驶员接收到庞大而复杂的信息。驾驶员需要加倍谨慎对各种信息进行筛选和处理，否则驾驶员的判断失误，将给行车安全带来隐患。本文依据人工学知识，基于人的信息接收和处理过程，对影响高速公路改扩建段合理限速值的因素进行分析。通过一系列影响因素的分析，不仅使驾驶员本身接纳的外部信息总量与自身消化分解的信息量保持理论上的统一，更重要的是驾驶员在驾驶车辆过程中对外界刺激能够做出正确、及时地反应，进而提高车辆在时间和空间方位上对道路的使用率。

1 信息量化标准

根据工效学相关研究可知，人类平时接收到的信息是可以严格量化的，计算机中常用到的二进制单位比特（bit）是信息量的量化标准，其表达式为

H＝log2（2n）.

式中：H为信息量，n为二进制码数目。

根据工效学相关研究原理，假设所研究的一个信号Si是由n个二进制码组成的，则称Si为码组或字长。倘若每一位码均能且只能独立地取0 或者1，而与其他值无关，且取0 或1的概率均为1／2，则该信号所承载的信息量就是按该式求得的信息量H。若出现0的概率是p，出现1的概率是1－p，则某独立位信号承载的信息量为

H（p）＝－plog2（p）－（1－p）log2（1－p）.

若驾驶员需处理m种信号源，其中信号源Si（i＝1，2，…，m）中含有n′个相互独立的不同信号，则第i种信号源下第j个信号sij的信息量以及si的信息量分别为

式中：pij为信号Sij出现的概率。

2 分析高速公路施工区限速信息

2.1 道路设计指标、安全设施及外部环境

常见的道路设计线性指标是设计路段布设的平曲线、竖曲线、设计坡度；高速公路施工区域其它设计指标主要包括作业区出入口、路幅分配形式以及车道开放数目；安全设施主要指隔离设施；行车环境主要指高速改扩建段的周边地形和景观等，此类信息为H1。

2.1.1 平面线形设计

若施工区域道路是直线段，或者位于规范规定的可以不设超高的曲线段，高速公路上运行的驾驶员完全不受曲线的影响，那么，驾驶员将不对道路线性做出不利反应，此时把这种信息量发生的概率视为1；反之，发生的概率为0（由于0 的对数不存在，所以本次研究时把概率为0的事件视为概率为0.001，以下处理方法类似）。

H（s11）＝－p11log2（p11）－（1－p11）log2（1－p11）.

2.1.2 道路坡度、竖曲线及复合线性设计

1）设计坡度。设计坡度指道路设计横坡以及设计纵坡，横坡设计主要为了道路便于排水，或者道路设置超高时，缓解车辆运行时的离心力形成的坡度，驾驶员对后者形成的横坡比较敏感。同时，施工区域道路设计纵坡大于3%时，驾驶员会通过频繁的加减速、换挡或其他措施控制合理的车速。对于小型车而言，一系列的频繁操作不会对驾驶员产生太大的心理压力；对于大型车辆，驾驶员完成这么频繁的操作有一定困难，甚至操作不当产生重大的交通事故。本次研究设计坡度时，若施工区域路段纵坡大于3%时，则会对驾驶员产生较大的心理压力，对应概率p121＝0.001，反之p121＝1，即

H（s121）＝－p121log2（p121）－（1－p121）log2（1－p121）.

2）竖曲线要素设计。高速公路线形设计时，竖曲线的合理布设是一项重要的设计因素，竖曲线设置不满足规范要求，车辆运行时人员安全得不到保证，盲目的设置竖曲线指标，会造成不必要的人力、物力和财力的损失。实验表明，车辆运行在设置竖曲线的道路上时，驾驶员极易产生失稳现象，竖曲线半径较小时，驾驶员视距包络线将不满足规范的要求，这种情况下，交通事故极易发生。若高速公路改扩建段位于小半径的竖曲线处，驾驶员注意力高度集中，处理信息量较多，对应概率p122＝0.001；反之，驾驶员注意力集中程度下降，处理信息量相对较少，对应概率p122＝1，有

H（s122）＝－p122log2（p122）－（1－p122）log2（1－p122）.

3）复合线性设计。复合线性主要指在平纵线设计的基础上，增设缓和曲线、圆曲线等线性。复合线性的合理设置，对驾驶员行车视线具有良好的诱导性，不仅能使驾驶员对外界的刺激做出及时准确地判断，也能提高道路使用率、降低事故率。若高速公路改扩建段位于复合线性设置处，设计流畅、复合规范和实地情况要求，其概率p123＝1；若作业区复合线性衔接处出现常见的跳车、断头、裂痕等现象时，对应概率p123取0.001，有

H（s123）＝－p123log2（p123）－（1－p123）log2（1－p123）.

2.1.3 出入口设置

研究出入口设置包括：施工便道与高速公路衔接的出入口、为避免节假日，交通流较大时高速公路上运行车辆拥堵而设置的应急通道与高速公路衔接而成的出入口。

1）施工便道出入口。施工便道衔接高速公路作业区域，为方便施工，一般情况下施工单位会在高速公路施工区域端部或作业区中部设置出入口，作业区出入口是指道路作业区封闭后，与施工便道相衔接的供施工机械、材料及人员出入作业区使用的道口，施工便道出入口一般设置在高速公路作业区的两端或者作业区的中部。当施工便道出入口设置于两端时，施工车辆可以相对顺畅的进出作业区，车流间影响较小，其对应的概率p131＝1；反之，施工便道与高速公路作业区将会形成T 型口，进出作业区的车辆间冲突增大，概率p131＝0.001，有

H（s131）＝－p131log2（p131）－（1－p131）log2（1－p131）.

2）应急通道出入口。节假日期间，高速公路上交通流量较大时，高速公路施工区域会形成交通流瓶颈路段，形成拥堵，道路利用率、交通安全性大幅降低。为减少因高峰期间交通流瓶颈效应引起的危害，有必要设置应急通道。应急通道一般设置在距离高速公路改扩建区域两端一定距离的地方，应急通道可以单侧设置，也可以双向设置，单侧设置时对车速的影响较大，概率取0.001；双向设置时对车速影响小，概率p132＝1，有

2.1.4 车道分配

1）划分车道宽度。高速公路改扩建路段，运行车辆会借用对向车道运行，施工车辆也会占用路幅宽度，这将导致施工区道路宽度重新分配，一般情况下，重新分配的车道宽度比原始车道宽度窄，影响车辆的正常运行。根据相关标准规定：高速公路或者快速路车道宽度大于3.75 m 时，驾驶员不会受到车道宽度限制而降低速度；反之，驾驶员将会因车道宽度原因而降低行车速度。考虑到施工作业区路段运行车速整体较低，本次研究时，假设施工区域车道宽度不小于3.5 m，且不会对驾驶员行车造成影响，对应概率p141＝1；否则，取概率p141＝0.001，即

2）确定车道数目。高速公路改扩建路段，运行车辆借用对向车道运行，施工车辆占用路幅宽度，这将导致施工区路段对车道进行重新划分，这样作业区路段的车道数目将减少，影响车辆正常行驶。车辆由正常路段转为施工区域运行过程中，施工区域车道数越少，对驾驶员行车影响越大，概率p142＝0.001；当作业区路段数目与标准段相差不大时（一般不宜超过两个车道），其对驾驶员行车影响小，概率p142＝1，即

2.1.5 开放车道数

高速公路施工区的开放（关闭）车道数影响驾驶员行车速度及驾驶员视野。开放车道数目由实际开放车道数与高速公路改扩建之前车道数目的比值求得。即P15＝开放车道数／原有车道数。

信息量

2.1.6 安全设施

为了提高高速公路改扩建的速度、施工区域及车辆安全行驶，有必要对高速公路施工区域设置一定量的安全设施。一般而言，高速公路施工区域安全设施包括：隔离栅、分隔墩、护栏、警示桩以及锥形交通标等。以上安全设施主要用来分隔施工区域与正常通行的高速公路、分隔对向交通流以及应急通道沿线。当采用分隔墩、锥形交通标和警示桩分隔对象车流或引导车辆进出便道、应急通道时，由于三者高度较低，驾驶员在辨识过程中注意力高度集中，心理压力骤升，所以，概率p16＝0.001；当采用护栏、隔离栅时，由于二者能及时被驾驶员察觉，驾驶员心理压力相对较小，其对应概率p16＝1，有

2.1.7 行车环境

行车环境指高速公路改扩建段的地形、周边环境等道路自然信息。在高速公路上运行的驾驶员所接触到的行车环境基本相同，驾驶员接收到的信息量较少，可以忽略不计，其概值p17＝0.001；但车辆到达作业区时，行车环境变的相对复杂，驾驶员接收到外界的刺激量显著增多，信息量概率p17＝1，有

综上所述，道路设计指标、安全设施以及外部环境的总信息量计算式为

2.2 实时交通流信息

在高速公路改扩建段作业区内，驾驶员所接收不同车型、不同车速、不同车流以及施工人员与车辆间相互影响产生的信息量称为实时交通流信息。此类信息用H2来表示。

2.2.1 合流机会

假设高速公路改扩建段车辆到达符合交通工程学上的负指数分布，车辆运行到施工区域时，由于车道分配数目及开放车道数目的变化，将会导致驾驶员对行车路线的一次重新选择，车头间距较大时，驾驶员选择穿插或合流。一般而言，驾驶员在施工段前一定距离已经判断出前方合流处是否存在一定的安全车头时距，其次是对合流或穿插的一种实际操作。车辆安全合流间隙出现的概率为

p21＝e－λt，

式中：λ为车流的平均到达率，辆／s；t为满足合流的车头时距（一般为3s）。所以车辆的合流机会信息量表示为

2.2.2 车辆类型

车型越多，车辆间性能差异越大，车速离散越大。高速公路作业区路段，大型车在合流过程中必然影响到其它车辆的正常运行；转弯性能较差的车辆，必然会占用较多的道路空间资源，不仅影响其它车辆的运行效率，也使施工区域的交通事故增大。本次研究时，选取大型车辆和转弯变道性能较差的车辆为信息计算概率，则车型比例信息量为

2.2.3 施工机械

高速公路施工区域的机械必须与高速公路上正常运行的交通流分隔开，严格意义上来讲，施工机械对高速公路上运行的驾驶员构不成直接威胁，驾驶员安全行车视野范围内的施工器械会对驾驶员造成一定的心理负担。假设作业区内有一台施工机械对驾驶员造成不良影响时，则取信息量概率为0.001，所以，驾驶员所能接收到施工区域内总的施工器械信息量为

综上所述，实时交通流信息总和为以上三方面的信息量之和。

2.3 交通管理控制信息

交通管理部门为保证作业区交通流正常运行所设置的人为信息，包括各种标志、标线、信号灯等。设此类信息为H3。

2.3.1 交通标志标线

按照国家对高速公路改扩建工程的要求，作业区内必须设置能够正确引导驾驶员视线的标志、标线等基本的引导信息，这些标志主要包括前方施工、阶梯限速、警告等；对于高速公路上的标线而言，为了尽量减少改扩建后高速公路标线施划工作量，施工期间主要是通过临时粘贴，把施工区域的车道分割线显示出来，从而达到驾驶员能够安全通过作业区的目的。假设有交通标志或者标线出现的概率为0.001，无相关设施的概率取值为1，则施工区临时增设的标志、标线信息总量为

H（s31）＝－N1p31log2（p31）.

式中：N1为交通标志、标线的数量之和。

2.3.2 交通诱导措施

作业区其他诱导措施包括旗手、交通诱导屏、减速垄、红蓝警示灯等，本次研究时主要考虑旗手、诱导屏和红蓝警示灯对驾驶员诱导力度较大的措施。若作业区域设置旗手、诱导屏和警示灯中的全部或一种时，可取概率p32＝1，反之，概率p32＝0.001。交通诱导措施信息量为

H（s32）＝－N2p32log2（p32），

其中：N2为施工区域设置的旗手、诱导屏或红蓝警示灯数量。

通过以上对交通标志、标线和交通诱导设施信息量的分析，可以得出交通管理控制信息总量计算式为

H（S3）＝H（s31）＋H（s32）.

2.4 驾驶员与施工人员信息

2.4.1 驾驶员信息

驾驶员驾驶技术与驾龄、性别、心理素质以及年龄有很大的关系，若驾驶员在复杂环境下行驶时，未表现出惊慌失措的神情，并且可以娴熟应对外界刺激，则p41＝1，反之，p41＝0.001。驾驶员自身信息总量为

H（s41）＝－p41log2（p41）.

2.4.2 施工人员对车辆的影响

行驶在高速公路上的车辆，除同向车辆间的干扰外，再无其它横向干扰。但车辆运行到施工区域时，驾驶员将受到施工人员的横向干扰。如果施工区域有施工人员，可取概率p42＝1；若施工区域停止施工，可取概率p42＝0.001。施工人员对驾驶员的影响信息量可以通过施工人员的数量计算。即

H（s42）＝－N3p42log2（p42）.

式中：N3为施工人员数量。

驾驶员与施工人员总信息量为

H（S4）＝H（s41）＋H（s42）.

综上所述，驾驶人经过高速公路施工现场路段时，影响交通安全的总信息量为

3 结束语

通过对影响高速公路施工区限速值因素的定量化分析，为高速公路施工区域合理限速值的设定提供了一定的新思路。鉴于驾驶员对信息处理过程的复杂性，交通流信息概率密度分布的可信程度，交通标志、标线以及相关安全设施布设的合理性还有待进一步研究。

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