高速公路施工路段交通管控方法研究

杨珍珍

(北京掌行通信息技术有限公司, 北京 100085)

0 引言

高速公路占道施工常常导致道路可通行车道数减少,实际通行能力降低,车辆行驶速度下降,甚至造成严重的交通拥堵. 有效估计施工路段的实际通行能力和排队长度,制定合理的上游入口交通流量控制策略,是提高施工路段服务水平,降低拥堵发生率,保障施工现场秩序良好的重要手段. 现有的高速公路施工区交通组织研究主要包括交通运行评价指标[1-2]、施工区道路通行能力估计[3-4]、排队长度计算[5-6]、施工路段管控[7-10]、施工方案评价[11-12]等.

施工区道路通行能力估计考虑的因素包括开放车道数、施工区布局、长度、车道宽度、货车占比、坡度、速度、施工强度等[3]. 施工区道路通行能力计算模型主要包括基于交通流理论和神经网络的施工区通行能力估计模型[3],基于格林希尔治速度—流量模型的道路通行能力计算方法[4],基于速度和道路交通条件修正的道路通行能力计算方法[4]. 排队长度计算模型主要包括基于交通需求量和施工区通行能力的排队长度计算模型[3];考虑道路宽度、速度变化和重型车辆的排队长度计算模型[5];基于施工区交通参数的高速公路施工区排队长度估算模型[6].

在施工路段管控方面,现有研究主要包括计算瓶颈路段上游可变限速值,在瓶颈路段上游形成人为控制区,当瓶颈路段发生排队时降低进入瓶颈路段的交通流量[7];根据施工区车道合并情况,确定启动合流控制的提醒阈值,如果实测交通流量大于等于提醒阈值,则启动对车辆驾驶员的变道提醒[8];根据车流波动理论建立车流连续性方程,计算施工区上游过渡段的交通波速,判断施工区车流是否会发生拥堵,当发生拥堵时计算期望车速,作为高速公路施工区动态限速推荐值[9];考虑车辆性能差异的高速公路施工区层级限速措施[10]. 施工方案评价主要是采用交通仿真软件对候选方案进行评价[10-12]. 例如,对拟建施工疏散道路的设计和速度管理方案进行仿真评价[10].

在现有研究中,施工路段管控方法主要是对施工区限速、流量预警阈值进行研究,缺少给定施工区最大排队长度情况下上游建议放行车辆总数及管控入口建议最大放行车辆数的计算方法. 基于上述问题,本文对高速公路施工路段排队流量、排队长度、上游建议最大放行车辆总数、管控入口建议最大放行车辆数计算模型进行研究,提出高速公路施工路段交通管控方法,为施工区域上游交通组织提供科学依据,从而提升高速公路管控水平,缓解施工区交通拥堵.

1 高速公路施工路段交通管控方法

1.1 计算流程

高速公路施工路段交通管控流程如图1所示. 首先,确定施工路段可通行车道数、可通行速度,计算道路实际通行能力;然后,根据道路实际交通流量和实际通行能力,计算道路累积排队流量;根据道路累积排队流量、每条车道流量占总流量的比例、车身长度、前车尾与后车头间的距离,计算累积排队长度;根据道路实际通行能力、累积排队流量、计划施工路段上游允许最大排队长度、累积排队长度等指标,计算上游最大放行车辆总数;最后,根据上游入口管控流量占比与上游最大放行车辆总数的乘积,计算上游管控入口最大放行车辆数. 通过控制上游入口最大放行车辆数,减少施工路段交通流量,达到缓解施工路段交通拥堵的目的.

图1 高速公路施工路段交通管控流程

1.2 排队流量计算模型

高速公路施工区排队流量根据施工路段的实际通行能力和实际交通流量计算. 当施工路段的实际交通流量小于等于实际通行能力时,车辆都能顺利通过,没有车辆排队;当施工路段的实际交通流量大于实际通行能力时,有车辆滞留,出现车辆排队现象.

(1)

通行能力随着通行速度和可通行车道数的变化而变化.第t时段道路实际通行能力P,t的计算公式如下:

P,t=(t+)lane,t

(2)

从第a时段到第b时段,施工路段的累积排队流量ΔQt(pcu/h)计算公式如下:

ΔQt=Δtdt

(3)

1.3 排队长度计算模型

施工区排队长度由施工区排队流量、车身长度、前车尾与后车头间的距离推测.用θ表示每条车道的流量占总流量的比例,近似等于车辆数最多的车道上的车辆占排队车辆总数的百分比.l0表示标准车型的车身长度,默认取值4 m.l1表示排队过程中前车尾与后车头间的距离,默认取值2 m.第t时段施工路段排队长度t的计算公式如下:

t=ΔQtθ(l0+l1)

(4)

1.4 上游建议最大放行车辆总数计算模型

当设定施工路段上游允许最大排队长度时,上游建议最大放行车辆总数的计算模型分3种情况:①上游没有车辆排队的计算模型;②上游有车辆排队且排队长度小于等于允许最大排队长度的计算模型;③上游有车辆排队且排队长度大于允许最大排队长度的计算模型.

(5)

②当上游有车辆排队且排队长度小于等于允许最大排队长度时, ΔQt,max的计算公式如下:

(6)

式中,用ΔQt,max为第t时段最大允许新增滞留交通流量(pcu/h);s,t,max为第t时段施工路段上游最大建议放行车辆总数(pcu/h);Lmax为施工路段上游允许最大排队长度.

综合上述①②③ 3种情况,得到ΔQt,max的计算公式:

ΔQt,max=s,t,max+ΔQt-P,t=

(7)

(8)

1.5 管控入口建议最大放行车辆数计算模型

当施工路段上游排队长度大于设定阈值时,需要对上游入口流量进行管控.施工路段上游每个入口的流量按照流量占比进行分配.则γi,t的计算式如下:

(9)

式中,γi,t为第t时段上游入口i管控流量占比;i,t为第t时段上游入口i的车流量(pcu/h),s,t为第t时段施工路段上游车流量(pcu/h).

第t时段上游入口i最大建议放行车辆数i,t,max等于第t时段上游入口i管控流量占比γi,t乘以第t时段施工路段上游最大建议放行车辆总数s,t,max.i,t,max的计算式如下:

i,t,max=γi,ts,t,max

(10)

2 案例研究

2.1 仿真条件

为了验证本文提出模型的有效性,利用图2所示的路网进行仿真分析,入口交通流量如图3所示.施工前可通行车道数为4个车道,施工后可通行车道数为2个车道.施工前排队最多车道的流量占比θ=1/nlane,t=1/4=0.25,施工后排队最多车道流量占比θ=1/nlane,t=1/2=0.5.入口1放行车辆数的分配比例为0.7,入口2放行车辆数的分配比例为0.2,入口3放行车辆数的分配比例为0.1. 正常情况下可通行速度取值120 km/h,施工时限速60 km/h. 标准车型的车身长度取默认值4 m,排队过程中前车尾与后车头间的距离取2 m. 设定施工路段上游允许最大排队长度Lmax=5 000 m. 10点开始施工,并根据排队长度对上游入口车辆进行控制.

图2 路网示意图

图3 模拟交通流量

2.2 仿真结果

施工前,路段可通行车道数为4个车道,可通行速度为120 km/h,路段实际通行能力为2 268 pcu/h;施工后,路段可通行车道数为2个车道,施工区限速为60 km/h,路段实际通行能力为1 764 pcu/h. 施工路段累计排队流量、施工路段排队长度、上游建议放行车辆总数、上游入口放行车辆数计算结果如图4所示. 11时,排队流量从控制前的2 472 pcu/h降低到控制后的1 667 pcu/h,排队长度从控制前7 416 m降到控制后5 000 m,降低33%;16时,排队流量从控制前的5 832 pcu/h降低到控制后1 667 pcu/h,排队长度从控制前17 496 m降到控制后5 000 m,降低71%. 仿真结果表明,基于本文提出的施工路段上游入口车辆控制模型,施工路段的排队流量得到有效控制,排队长度能够控制在预期范围内.

图4 仿真结果:

3 结束语

本文对高速公路施工路段交通管控方法进行研究,提出施工路段排队流量计算模型、排队长度计算模型、上游建议最大放行车辆总数计算模型、管控入口建议最大放行车辆数计算模型. 案例分析表明,在设定施工区最大排队长度情况下,本文提出的模型能计算上游最大放行车辆总数及上游管控入口最大放行车辆数,将施工路段排队流量和排队长度控制在预期范围内. 研究成果能为高速公路施工区交通组织提供科学依据,缓解施工区交通拥堵问题.

此外,高速公路占道施工也是造成交通事故的重要因素,目前已经有研究基于WOMDI-Apriori算法对高速公路交通事故风险进行识别[13]. 在未来的工作中,可以考虑对高速公路施工区的交通事故风险进行识别,挖掘事故间潜在规律特征,为高速公路施工区风险防控提供理论支撑.