施工围挡区交通流特性与仿真分析

董可可 汤文蕴 杨震 王伟 黄洁

摘要：文章通过实地调查和仿真模拟，研究施工围挡区的交通流特性，分析施工围挡对道路交通运行的影响。首先分析施工围挡区的道路、车辆运行特征，指出施工围挡路段与正常道路的区别。然后，选取大明路施工围挡区作为研究对象，调查交通运行状态，研究表明施工围挡区内车道的车辆数大于外车道车辆数，非高峰时期的车辆数反而大于高峰时期车辆数;从警告区到过渡区，内车道比外车道车速低，但内车道比外车道车速稳定，工作区内外车道车速稳定性相当，在终止区内外两车道车速相当。最后，利用VISSIM对大明路施工围挡区进行交通流仿真模拟，利用大明路施工围挡区实测数据对仿真模型参数进行标定，并依据仿真结果探讨施工围挡区的交通影响因素并进行分析。

关键词：施工围挡;交通特性;交通仿真

中图分类号：F570文献标识码：A

0引言

近年来，城市道路和相关管线改造项目不断增加，此类建设项目往往需要在原有道路上设置施工围挡，需要占用道路资源，对交通运行造成较大影响。同时，施工围挡区内的施工车辆，施工人员与施工围挡区附近道路上的车辆、行人互相影响，会产生多个安全隐患点、拥堵点，易成为城市道路的瓶颈路段。为了能够解决施工围挡区存在的问题，必须对施工围挡区的交通特性进行全面的分析。

Enberg和Mannan通过对高速公路施工区实际数据的采集，研究得出施工围挡区的限速对施工围挡区的速度有很大的影响。Jiang过对高速公路实测数据分析，得出结论表明施工围挡区交通拥堵的特点是持续的低速车流和车流量的持续波动。sa瑚ua等对施工路段不同车道封闭形式下的道路通行能力进行了研究，提出了高速公路施工路段通行能力的修正模型，并总结了数据采集与分析方法。李喜华细致地分析了占道施工区交通特性、占道施工对路段通行能力以及服务水平的影响。李耘重点对施工围挡区的车头时距和车速两项交通流参数进行分析，并进行了施工围挡区的安全风险分析。肖向良利用MATLAB构建施工围挡区的元胞自动机模型得到各类车道缩减区的交通流运行特性以及驾驶行为特征。范文婷叫吏用VISSIM软件对选定的区域路段进行建模和计算，定量分析了施工围挡区的各影响因素对路段通行能力的影响。曲秋莳嗬述了施工围挡区人员、事故、车辆以及道路特性，提出了施工区交通影响区域的确定方法，提出与施工围挡区相关的解决方案并对比研究。韩跃杰对高速公路扩建方案的影响因素进行了分析，对扩建区的交通流进行了分析，探讨了各类交通组织方案的优劣，重点提出“远端分流、终端控制、近端管理”的交通組织方案策略。张微对在占道施工影响下的交叉口道路提出合理的交通诱导、分流、管制等管理手段。李颖峰构造出适用于施工区域影响路网交通分配与OD反推的路阻函数，并利用路网OD矩阵来判断道路组织优化的效果。潘福全等以青岛轨道交通13号线井冈山路站点的施工点为研究对象，分析其对周围路网交通的影响，设计了一套合理的交通组织方案，并通过仿真研究证实其合理性。巩建国在分析城市占道施工交通管理特征的基础上，从交通方案制定、交通管理宣传和交通秩序管理三个方面提出精细化管理策略，最后针对占道施工的交通流管理进行了精细化设计。钟磊从城市道路交通流的交通组成和交通量两个方面对交通安全的影响进行分析研究，对改善城市道路条件给出建议。

虽然已有文献中对施工围挡区的交通运行进行了研究和分析，但在研究过程中未对围挡区域不同车道的交通运行状态进行区别考虑。本文以南京市大明路施工围挡区的交通运行为例，对比施工围挡前后的交通运行差异，并采用VISSIM进行仿真，分析施工围挡对交通运行的影响。

1施工围挡区的基本特征

1.1施工围挡区的道路特征

施工围挡区分为警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区和终止区，如图1所示。

警告区设于施工围挡区的最前端，用于提醒车辆已处于施工围挡区。

上游过渡区设在警告区后方，用来引导驾驶员原来的车道过渡到施工围挡区的车道上，上游过渡区的线形设置应该足够流畅，长度也应该保证驾驶员可以并人施工围挡区的车道。

缓冲区位于工作区和过渡区之间。设置缓冲区的目的是让施工车辆和人员能够进入施工路段，同时也是为了提醒过路车辆此时应该完成变道行为。

作业区指的是施工区域，一般来说施工团队会用围挡等设施将施工路段与正常行驶的路段隔开。作业区不允许超车，同时作业区应该限速。

下游过渡区位于作业区与终止区之间，目的是为车辆从施工围挡区的道路变至正常道路提供条件。

终止区表示施工围挡区已结束，此后车辆和行人无需受到施工围挡区的影响。

1.2施工围挡区的车辆运行特性

如图2所示，在施工过程中，内侧两条车道被围挡封闭，在围挡区域内的换道行为主要具有以下几个特点：

（1）行驶于开放道路上的车辆一般情况下无需换道，享有优先通行权。行驶于封闭道路上的车辆必须换道，且均为强制性换道，换道行为应保证不影响开放道路上正常行驶的车辆;

（2）位于封闭车道最内侧车道的车辆即车道四上的车辆需要在进入施工围挡区之前先完成一次换道换至车道三，再换道至车道二;

（3）车道二换至车道三（车道一换至车道二）的条件：车道二车辆之间距离小于安全距离，车道三车辆之间的距离大于一个车身长加两个安全距离长度;

（4）车道二在施工围挡区的汇入车道三和车道四上的车辆，车辆二的车辆会部分变道至车道一。

由于施工围挡区换道行为频繁，车道宽度变窄，车道变少和视野变小，施工围挡区的交通、道路条件十分恶劣，必须合理安排施工围挡区的线形、交通标志牌以及交通控制手段。

除了上述换道特性外，施工围挡区的车辆经过频繁的换道行为后会造成施工围挡区的拥堵，车辆处于跟驰行为，具有制约性、延迟性和传递性。

2交通流运行调查与特征分析

2.1施工围挡区交通调查方案

本文施工围挡区交通运行状态数据采集的大明路为南京市秦淮区的一条南北向主干道，双向八车道，施工围挡区位于该路与明匙路交叉口和窖子山公交站台之间的路段，全长约550米，双向八车道。围挡分别占据了两侧各一个车道和中央分隔带。为了有效地反映施工围挡区的速度分布，对南向北车流的地点车速和交通流量进行测量，测点1位于围挡起点上游130米处，测点2位于施工围挡区的起点处，测点3位于围挡中段施工作业区，测点4位于施工围挡区的终点处。

2.2围挡区交通运行分析

本节主要利用实地测量得到的大明路高峰小时和非高峰小时交通数据，对大明路施工围挡区不同位置、不同时段的交通状况进行分析，从而得到施工围挡区的交通特性。

（1）交通量

对各测点的交通量进行统计分析：

根据以上的表格分析得出以下结论：

①高峰时刻以及非高峰时刻，车道二的车辆数一般是大于车道一的车辆数，这主要是由于在进入施工围挡区之前，位于车道三和车道四的车辆要换道至车道二，所以进车道二的车辆数会大于车道一，此现象也与车辆的运行特性——换道特性相符。

②非高峰时刻的车辆数大于高峰时刻的车辆数。这是因为未施工前道路交通量较大，这其中包括许多诱导交通量。施工围挡区的存在使得非高峰时刻的诱导交通量大大减少;而处于非高峰时刻时，人们会优先考虑熟悉的道路，因此非高峰时刻的车辆数会相对多一点。同时在高峰时刻，调查周边线路的数据，可以发现周边车辆数明显增加，所以在高峰时刻，围挡区会给周围交通带来压力，甚至会产生延误。

（2）速度

分别对大明路施工围挡区四个测点的车道一、车道二高峰时刻的车速进行统计分析如表3和表4所示。

测点一位于距离施工围挡区起点130米的窖子山车站附近，根据调查显示该测点处高峰时刻车道一车速多集中在20km/h至45km/h，而车道二的车速多集中在30km/h至55km/h，这与实际相符合，因为车辆在进入施工围挡区之前存在一个变道行为，即车道三和车道四的车辆会变道至车道二、同时原本位于车道二的车辆处于安全的考虑部分车辆也会考虑换道至车道一，所以车道一车速较快。同时虽然车道一上车辆车速的平均值、中位速度、15%位速度、85%位速度以及车速的最大值、最小值均大于车道二上的车辆，然而车道二车速却相对比较稳定，这主要是因为变道行为的频繁出现导致车道二的车速会集中在数值较低的一个区间，而且车辆会出于跟驰状态，车辆之间比较紧凑，速度较低。

测点二位于施工围挡区的起点。根据调查显示在高峰时刻测点二处的车道一的速度整体大于車道二的车速，车道一的速度主要集中在30km/h至50km/h，其中车速位于35km/h至40km/h区间的车辆最多。车道二的车速主要集中在20km/h至35km/h，且速度全部低于35kin。这主要是由于测点2位于围挡区的起点，车道二会发生变道行为以及处于安全的考虑。这一方面与测点一类似。在车速稳定性方面，测点二的车道二与测点一的情况类似，即大量的车速处于慢速状态。

测点三位于施工围挡区的中部。该测点高峰时刻车道一的速度很大一部分分布在35km/h至65km/h之间，车道二的车速很大一部分分布在20km/h至45km/h之间，同时车道一的平均车速、中位速度、15%位速度、85%速度及车速的最大值、最小值均大于车道二的数值，这是因为车道一比车道二更加安全，视野更加开阔。但是两车道的车速稳定性十分靠近，这是因为车辆驶入工作区内，工作区内道路狭窄，出于安全的考虑，除非特殊情况，驾驶员会考虑在工作区内换道，因此正常在工作区内行驶时，车辆在各个车道上的稳定性类似。

测点四位于施工围挡区的终点，高峰时刻该测点的车道一和车道二的车速平均值十分相近，主要时因为测点四位于交叉口，因此车道一和车道二的车辆都需要减速至一个安全车速通过交叉口，因此车速平均值相近。车道二较车道一车速较为稳定是因为，该交叉口无法左转只能右转，车道一有一部分车辆右转需要提前减速所以降低了车道一车速的稳定性。

2.3施工前后交通运行数据对比

除了调查施工期的交通运行数据外，本文还调查了施工围挡拆除后的交通运行数据，从图3和表5可以得到以下结论：

（1）施工围挡区在进行施工的时候，车辆运行的速度较慢，有很大一部分车辆的车速低于35km/h。进行施工时的施工围挡区的速度平均值、最大值、最小值、中位速度、15%速度以及85%速度均小于施工完成后的车辆运行速度。然而施工围挡区在进行施工时的车辆运行速度的标准差相对施工完成后较小。这时因为施工时的车辆处于一个较为低速的稳定状态，施工完成后道路质量改善，道路上没有限速标志，驾驶员多数凭借自己所熟悉的车速行驶，这就导致施工完成后车速分布稳定性降低。

（2）施工围挡区完成施工后，车速平均值提高，大于35km/h的车辆占总数的60%-70%。其中位于35km/h-40km/h的车辆占比最高达到20%左右，车辆运行速度在30km/h-50km/h之间分布较为均匀。在观测的过程中没有发生交通拥堵等现象。

3交通流模拟

3.1仿真参数设定

（1）微观交通流特性参数标定

①车辆特性

依据上述调查的数据，速度分布在15km/h-70km/h，故将车辆的期望车速设置为15km/h-70km/h，其他的车辆特性加减速特性和几何尺寸特性均设置为默认值。

②驾驶行为参数标定

驾驶行为时刻影响着道路交通，尤其是道路交通流的分配。跟车模型主要分为安全距离跟车模型和心理—生理跟车模型。前者模型较为简单，参数可以实际测量，但由于没有考虑到最小车间距，所以不适合模拟交通密度较大的道路。后者模型较为复杂，需要的参数很多，但是能够很好地模拟驾驶人员的交通心理。本次VISSIM仿真采用的驾驶行为采用的跟车模型是心理一生理模型中的Wiedemann 74，VISSIM中其他的参数设置：超越车的最大减速度设置为-5m/s，超越车的-1m/s²距离为70m，被超越车的最大减速度设置为4m/s，被超越车的-1m/s²距离为70m，最小车头空距为0.35m，消失前等待时间设置为600s。

（2）宏观交通参数标定

VISSIM中所要标定的宏观交通参数包括交通流和车辆的组成。根据实地交通测量，大明路施工围挡区高峰时刻40min的流量为569，车辆种类为小汽车和公交车，两类车的流量比为0.95：0.05;大明路施工围挡区非高峰时刻40rain的流量为679，车辆种类为小汽车和公交车，两类车的流量比为0.93：0.07。

（3）行驶规则设定

在施工围挡区的上游过渡区内，存在着合流冲突，需要设置合理的优先规则。大明路施工围挡区上游过渡区的优先规则为外侧车道优于中间车道，中间车道优于内侧车道。

（4）进行仿真

3.2仿真结果分析

通过VISSIM仿真，对施工围挡区高峰时刻的交通流进行模拟，得到小汽车和公交车的平均延误分别为4.1s和62s，平均行程时间为96.2s。

分析上述图表，可以发现高峰时刻与非高峰时刻各测点实测各车道的流量比与VISSIM模拟得出的流量比大体一致，误差处于合理的范围，即模拟的结果能够大体反应。

3.3基于VISSIM仿真模型探求施工围挡区的交通影响因素

施工围挡区交通状况与诸多因素有关，本节利用VISSIM仿真模型，从交通量、施工围挡区围挡宽度和施工围挡区路面状况三个方面进行分析。

（1）交通量

以大明路施工围挡区VISSIM仿真模型为基础，选取高峰时刻，改变其交通量进行仿真对比，其结果如表7所示。

由表7可得，施工围挡区内交通量对道路的平均延误和平均行程时间影响较大，具体是交通量增加，平均延误增加，平均行程时间增加。总体而言公交车的平均延误比小汽车的平均延误大很多，但随着交通量的增长，小汽车的平均延误的增长率要大于公交车平均延误的增长率。根据以上分析，实际工程中可采取一些限制交通量和改善公交车运行的措施。

（2）施工围挡区围挡宽度

大明路施工围挡区原来施工围挡宽度是10.6m，单向占用一个车道和半个绿化带总共5.3m，现调整单向围挡宽度，进行仿真对比，其结果如表8所示。

由表8可得，施工围挡区的围挡对道路的通行效率影响很大。围挡的宽度越大，小汽车的平均延误越大，且增速特别快，且平均行程时间增长速度也很快，但是围挡的大小对于公交车的运行影响较小。根据以上分析，在实际工程中，要尽量减少施工围挡区围挡的宽度。

（3）施工围挡区路面状况

路面状况在VISSIM上可以设置减速区进行模拟。大明路施工围挡区的道路质量良好，路面无明显病害。现利用减速区，参数设置为减速至20km/h，调整大明路施工围挡区的路面状况，进行仿真分析，其结果如表9所示。

从表9可得，施工围挡区路面状况对于道路通行效率的影响较弱。但是路面的状况会对车辆的制动性能和动力性能产生较大影响，长期让车辆行驶在这种环境中，会损伤车辆。因此在实际工程中，需要多设置标志提醒车辆o

4总结

在本文中，首先对大明路施工圍挡区的道路环境与实地调查得到的交通数据进行交通特征分析，得到结论：施工围挡区内车道的车流量大于外车道车流量，这与车辆的换道特性有关;在一定程度上，非高峰时刻的车流量比较大，车辆行驶速度因此得到限制而造成周边道路网络的拥堵;在警告区到过渡区之间，外车道比内车道的车速高，但内车道比外车道的车速稳定;在工作区内外车道车速稳定性相当，终止区内外两车道车速相当，这与车辆的跟驰特性有关。

在VISSIM软件上对大明路施工围挡区进行交通模拟，最后基于仿真结果分析施工围挡区的交通影因素，得出结论：公交车的平均延误比小汽车的平均延误大，但随着交通量的增长，小汽车的平均延误的增长率要大于公交车平均延误的增长率;围挡宽度对小汽车的影响较大，对公交车影响较小;路面状况与前面的因素相比较，对交通延误的影响较小。