基于仿真分析的城市道路养护工程方案评价方法研究

张　倩，张金喜（北京工业大学 交通工程北京市重点实验室，北京 100124）

基于仿真分析的城市道路养护工程方案评价方法研究

张倩，张金喜
（北京工业大学 交通工程北京市重点实验室，北京 100124）

以城市道路养护工程实施方案的评价方法作为研究对象，利用交通仿真方法针对城市道路不同养护工程实施方案产生的交通影响进行定量评价，并结合运行车辆的速度-油耗模型，对不同养护实施方案导致的车辆燃油变化进行分析。结果表明，在对城市道路进行养护施工时，选取不同施工时段、不同施工方式、不同作业区长度等养护实施方案对道路交通具有明显的影响，同时由于不同实施方案产生的交通影响不同，也会导致车辆燃油消耗发生较大变化。由此可见，对城市道路养护工程进行合理、科学的施工方案优化，既可以减小养护工程施工造成的交通影响，又可以减少运行车辆的燃油消耗。最后给出了城市道路养护工程实施方案的评价流程和方法。

城市道路；养护工程；方案；评价方法；交通仿真

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

城市道路是城市公共基础设施，服务于城市交通运输及居民出行。近年来，我国汽车保有量迅速增长，截至2013年底，全国汽车保有量已达到1.37亿辆。一方面，在汽车保有量激增的需求下，我国城市道路里程大幅度增长，同时使大部分城市道路都承载了超越本身设计服务能力的交通量，导致城市道路早期破坏严重，养护工作日益繁重。另一方面，在进行城市道路维修养护施工时，通常需要封闭部分车道，在几乎饱和的城市交通环境下，更容易导致道路拥挤和交通延误，使交通事故率上升，并导致汽车燃料消耗增加。由于道路施工带来的交通问题所造成的额外社会成本，有时会比养护作业本身产生的费用还要高[1]。因此，制定合理、科学的城市道路养护工程实施方案对于促进和谐城市交通建设、促进环保和绿色城市建设具有重要的理论和实际意义。

国内外学者对公路养护作业区的交通影响进行了一定的研究，国内外的许多规范对公路养护区及标志的设置做出了详细规定[2-4]。吴江玲[5]从事故费用、建设养护工程费用及出行者延误费用角度建立了公路养护维修施工区设置的优化模型；周茂松[6]等在考虑道路交通流量的时间变化特性基础上利用Matlab工具初步实现了道路维修养护作业区长度的优化计算；刘磊[7]根据作业区特性建立了以元胞自动机为基础的高速公路作业区车流模型以及换道模型并对作业区的通行能力进行了计算；吴彪[8]对高速公路养护作业区的行车风险进行了安全分析，依据分析影响因素提出安全控制策略；Miller[9]通过大量速度控制区策略的调查工作，指出速度控制是养护作业区安全最关键的因素。

国内外对道路交通运行进行了全面的研究，但在城市道路养护工程方案交通影响评价方面的研究较少。在实际工作中，道路养护工程方案通常以技术可行性、经济可行性为主制定，在此过程中，定性考虑了养护工程方案的交通影响问题，但还未提出定量的评价流程和方法，无法对养护工程实施方案从技术、经济、交通影响、环境影响等方面进行全面、综合评价，使养护工程方案在科学性和合理性方面存在缺陷。

本文以某城市道路养护工程为例，对基于交通仿真技术的不同实施方案的交通影响定量评价问题进行了研究，并分析了其对交通油耗产生的影响，提出了城市道路养护工程实施方案的决策流程和方法。

1　城市道路养护工程方案因素分析

道路养护工程方案应考虑的因素非常多，主要包括：①技术因素：采取不同的养护维修技术，不仅造价不同、施工难易程度不同，交通管理控制方式和施工持续时间也不同；②经济因素：经济因素有时是制定养护工程方案的决定性因素，取决于养护工程类型和技术措施，同时与交通管理方式有关；③交通管理因素：城市道路交通量大，局部交通拥堵容易造成较大的交通影响，因此，交通管理措施是城市道路养护工程方案的重要内容；④施工时间：白天交通繁忙，道路施工易造成交通拥堵，夜间施工对交通干扰小，但施工成本有一定的增加；⑤施工方式：施工方式指养护工程施工顺序、施工流程等，对全幅路进行养护，可以采取封闭不同车道进行施工，封闭的车道数不同，施工持续时间不同，对交通的影响也不同；⑥其他：交通导改标志设置、作业区长度、天气等因素也是制定道路养护工程实施方案需要考虑的内容。

目前在编制养护工程实施方案时，对技术因素、经济因素的定量考虑比较全面，而对其他方面的考虑较少，即使考虑也只是进行定性分析，而没有进行定量分析。

某城市道路养护工程分为东、西两段，本文选取西段作为研究对象，如图1所示。养护路段自六里桥向东经过太平桥大街至马连道路口，全长1 370m。路段信息如表1所示。本文以该养护工程为研究对象，探讨养护工程的交通影响分析和评价方法，并对由此造成的燃油增加等后续效应进行初步的分析。

图1　 施工路段位置图

表1　施工路段信息

2　城市道路养护工程施工方案的确定

2.1施工时段

一天中不同时段内的交通量差别比较大，道路施工对交通产生的影响也不同。该养护工程位于北京市市区，为保证交通的顺畅运行，一般要求在晚上施工。为比较施工时段对交通的影响，本文将施工时段分为两类，即白天施工（7：00—19：00）和夜间施工（22：00—次日6：00）。

2.2施工方式

施工方式指养护工程施工组织方式。根据该工程的可能性，将施工方式划分为三类，即全长半幅施工、分段半幅施工和全长分车道施工，如图2所示。

图2　施工组织方式示意图

图2（a）所示为全长半幅施工。该施工方式是实际工程采用的施工组织方式，即对全长1 370m的半幅路面进行全封闭，一次性完成导改和养护施工。对向半幅路面的三条车道中，两条车道保持原交通方式，一条车道改为反方向交通方式，以保证该路段双向交通运行，车流方向如图中箭头所示。

图2（b）为分段半幅施工。由于施工区段较长，可能对该路段交通产生严重影响，因此考虑将该养护路段划分为两部分分别施工，以减小施工区长度。分段内的施工方式同图2（a）。

图2（c）为全长分车道施工。为进一步减小养护施工可能对该路段交通产生的影响，考虑采取全长分车道施工的方式。即对于全长1370m的路面，分别对每条车道进行交通导改和养护施工。施工时其他两个车道保持交通运行状态，以保证施工路段双向交通运行，车流方向如图中箭头所示。

2.3施工作业区仿真模型

养护维修作业控制区一般由警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区及终止区组成。根据道路实际情况和《城市道路养护维修作业安全技术规程》（SZ—51—2006）[10]的规定，拟定施工作业区设置方式（见表2），并用于路段的交通仿真。

表2　施工作业区布置方式（单位：m）

2.4施工总时间

施工总时间包括交通导改时间和养护施工时间，施工组织方式不同，完工所需施工总时间也不相同。该养护工程实际施工中，采用全长度半幅施工方式，施工时段为23：00—次日6：00。经对该工程施工情况进行跟踪调查，交通导改时间共计4d，养护施工时间共计18d，养护工程持续时间共计22d。折合成工作小时数，则交通导改时间为28h，施工时间为126h，总时间为154h。

一般来讲，交通导改时间和养护施工时间均与施工面积有关。施工面积大，则需要的交通导改长度长，交通导改和养护施工时间也同步增加。但交通导改时间和养护施工时间与养护施工面积并不是在任何情况下都是同比例增长的。相同养护施工面积下，分两次施工时，需要进行两次交通导改，总的交通导改时间要长于一次交通导改的总时间。养护施工时间也是这样，由于设备的调配、进出场、调试等，分两次施工所需要的总时间要长于一次施工所需要的总时间。

根据上述分析，本文提出交通导改效率系数α和养护施工效率系数β，前者指不同施工组织方式时交通导改所需时间的调整系数，而后者指不同施工组织方式时养护施工所需时间的调整系数。不同施工组织方式下的交通导改和养护施工所需总时间按式（1）和式（2）计算，计算结果见表3。

式中：T1为实际交通导改时间（h）；T2为实际养护施工时间（h）；α为交通导改效率系数，全长半幅施工时，α为1，分段半幅施工及全长分车道施工时，α为1.2；β为养护施工效率系数，全长半幅施工时，β为1，分段半幅施工时，β为1.5，全长分车道施工时，β为1.8；v1为交通导改平均速度（m/ h）；v2为养护施工平均速度（m2/h）；L为交通导改设施搭建和拆除的总长度（m）；S为养护施工总面积（m2）。

表3　不同施工方式的养护施工总时间

3　养护工程交通影响的Vissim仿真及评价

3.1仿真模型的验证

依据上述养护施工方式设计，分别建立Vissim仿真模型并对其进行验证。选取仿真高峰小时流量作为校核Vissim模型的指标。本文依据实际工程全长半幅施工下的交通流量调查结果，求出每条车道的平均交通流量，并用来估算另外两种施工方式下的交通流量。不同道路施工方式下的实际高峰小时流量与仿真高峰小时流量对比如表4所示。

表4　高峰小时流量对比

由表4可以看出，Vissim仿真结果与三种施工方式高峰小时流量的相对误差绝对值都在2%以内，所以参数标定符合实际情况，建立的仿真模型有较好的适用性。

3.2交通总延误

对不同施工方式下的养护施工作业区段进行Vissim仿真，得到不同情况下的平均延误时间及仿真车辆数，进而求得总延误时间。总延误时间的计算公式如式（3）所示：

式中：T为总延误时间（h）；t1为平均延误时间（s）；t2为完工时间（d）；t3为仿真时间（h）；veh为仿真车辆（辆）。

图3为不同施工方式下的总延误时间。可以看出，在所有施工方式下，白天施工都比晚上施工的总延误时间要多，并且在不同施工方式或施工作业区长度下，改变施工时段对总延误时间的影响程度不同。与半幅施工相比，分车道施工能很大程度地减少总延误时间，这主要是因为分车道施工时的车速较快，平均延误时间较小。比较作业区长度（685m与1 370m）可知，减少作业区长度、采用分段半幅施工可以减少总延误时间，这主要是车辆行驶路段短、平均运行时间减少所致。

图3　不同施工方式下的总延误时间对比图

不同施工方式下的总延误时间对比如图3所示。对比上述三种施工方式可以看出，无论选择白天还是晚上施工，施工方式3即作业区长度为1 370m的分车道施工的总延误时间最少，为理论上最优的施工方案。

3.3不同施工方式下的燃油消耗

利用Vissim仿真，输出三种不同施工方式下的运行时间、平均速度及仿真车辆数，结果见表5。

表5　不同施工方式下的仿真输出指标

车辆在不同工况下，燃油性能不同。由于道路的养护施工造成了车辆行驶状况的改变，必然会影响该路段通过车辆的总燃油量。文献[11]给出了城市道路工况下小型客车的平均速度-油耗模型，如式（4）、式（5）所示。调查表明，本文研究路段上运行车辆类型中的小型客车占到90%以上，其他所有车型比例小于10%，其条件符合该模型的适用条件。

平峰时期：

高峰时期：

式中：FC为单位车辆油耗（L·h-1）；v为平均速度（km·h-1）。

利用上述模型和本文的仿真结果，可以计算不同施工方式下，施工作业区路段通行车辆的总燃油量，计算公式如式（6）所示，计算结果见图4。

式中：Q为总油耗（L）；t1为运行时间（s）；t2为完工时间（d）；t3为仿真时间（h）；veh为仿真车辆数（辆）。

图4　不同施工方式下的总油耗对比图

由图4可以看出，在三种不同施工组织方式下，白天施工总油耗比夜间施工总油耗大，主要是因为白天的交通量较大。比较施工方式1和施工方式2可知，适当减小作业区长度，可以降低施工路段内运行车辆的燃油消耗，主要是因为封闭路段较短，车辆通过施工路段运行时间减少，车辆油耗随之减少；与半幅施工相比，选择分车道施工却增加了车辆燃油消耗，虽然分车道施工车速有很大程度提高，但该施工方式下交通量增加，施工工期延长，从而导致总油耗增加。

对比上述三种施工方式的燃油消耗情况可知，无论白天还是夜间施工，施工方式2的总油耗最小，即作业长度为685m的半幅施工为理论最优方案。

4　城市道路养护工程实施方案决策流程

在实际工作中，城市道路养护工程方案的确定是一个复杂的决策过程，既要考虑养护技术的可行性，也要考虑养护方案的经济性，还要考虑养护工程施工可能造成的交通拥堵等交通影响。本文利用交通仿真手段进行养护工程的交通影响分析，在养护工程实施方案的技术、经济定量评价基础上，实现了对交通影响的定量评价。

综合考虑技术、经济、交通因素，本文提出城市道路养护工程实施方案决策流程，如图5所示。基本方法是：首先，根据工程的具体情况拟定3~4个初步实施方案，进行技术可行性和经济可行性分析，如果存在技术上或经济上的缺陷，则应舍去，重新拟定可行的实施方案；其次，对于技术上和经济上可行的2~3个实施方案，利用交通仿真手段，进行不同实施方案的交通影响分析，得到平均延误、平均车速、排队长度等技术指标；然后，进行交通影响和环境影响评价，包括总延误、总延误费用、燃油性、排放量等技术指标；最后，根据优先程度、重要性、工程特点等，确定最优的实施方案。

5　结论

城市道路养护工程施工具有其特殊性，在考虑技术、经济可行性的同时，还必须考虑养护工程对交通的影响。本文提出了道路养护工程交通影响的定量评价方法，并提出了进行城市道路养护工程实施方案决策流程。

图5　城市道路施工方案决策流程

本文通过对具体养护工程的研究发现，不同实施方案产生的交通影响和环境影响不同，实际中所采取的养护工程实施方案，从交通影响和环境影响来看并非最优方案，通过改变施工组织方式，可以把养护工程对交通和环境的影响显著降低。因此，在考虑技术、经济可行性的基础上，还要定量考虑养护工程对交通产生的影响，才能提出最优的城市道路养护工程实施方案。

本文结合具体工程进行研究，其结论尚需在其他工程中进行验证。同时，综合考虑技术、经济、交通、环境的道路养护施工方案决策方法有待进一步的研究。

[1]朱永光.高速公路施工区交通组织与作业段长度优化研究[D].西安：长安大学，2010.

[2]上海市公路管理处.JTG H30—2004公路养护安全作业规程[S].北京：人民交通出版社，2004.

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[7] 刘磊.基于元胞自动机的高速公路作业区通行能力分析研究[D].西安：长安大学，2012.

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[9]Miller,Lindsay.Effectiveness of Speed Control Measures on Nighttime Construction and Maintenance Projects[J].Journal of Construction Engineering and Management,2009,135(7): 614-619.

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Evaluation Method of Road Maintenance Project Program Based on Traffic Simulation

ZHANG Qian,ZHANG Jin-xi
(Key Laboratory for Traffic Engineering of Beijing,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Taking the evaluation method of urban road maintenance project implementation scheme as the research object in the paper,the traffic impact of different maintenance project of urban road were quantitatively evaluated by using the traffic simulation method.Then,based on the vehicle′velocity-fuel consumption model,the change of vehicle fuel consumption caused by different embodiments of maintenance projects was analyzed.The results showed that the construction period,the construction method and the operating zone length had significant impact on road traffic in the maintenance construction of urban road,which also led to large changes in fuel consumption of vehicles.Therefore it was concluded that reasonable and scientific construction plan optimization not only can reduce the traffic impact caused by the road maintenance construction,but also can reduce the fuel consumption of vehicles.Finally,the decision process and method of urban road maintenance project program were suggested.

urban road;maintenance project;program;evaluation method;traffic simulation

U491

A

2095-9931（2015）01-0027-06

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.005

2014-09-25