城市道路施工影响区交通逐层分流疏导研究

刘 伟，王立亮，林 颖，欧阳磊

(重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074)

0 引 言

随着我国经济的持续高速发展和城市化进程的不断加快，城市道路等基础设施需要不断的完善和维护，以满足城市快速增长的交通需求，改善日益拥挤的城市交通。市政道路设施施工期间占用道路空间对本已供需矛盾突出的城市交通造成严重的影响，甚至会导致城市交通大面积瘫痪。

为消除施工占道对城市交通造成的影响，国内外许多学者和专家对施工占道进行了大量的研究。现阶段对于道路施工的研究主要集中在以下3个方面：①对施工区域通行能力的研究[1]；②对施工区交通流特征的研究[2]；③对施工区域车辆运行安全的研究[3]。美国联邦公路局[4]和中国公安部[5]分别颁布了关于施工占道期间交通安全和组织的规范，北京、深圳等地出台了施工占道区域交通安全设施的地方性标准。

当城市道路施工占道对交通运行的影响达到一定阈值时，网络的交通流运行状态将发生突变，交通运行可靠性受到影响。要保障道路交通可靠运行，需对交通流进行疏导。但现在对施工期间交通疏导的研究较少，还没有形成系统的理论方法，缺乏科学的方法为施工交通区域的交通疏导提供参考。张秀红,等[6]采用改进的Logit多路径概率模型作为占道施工区路网交通流分配模型，对交通流进行疏导，但模型没有考虑路网中各道路交通的运行状态，转移概率需要与交通网络的剩余通行能力匹配，否则会产生拥堵扩散和转移。

因此，在路网中进行交通疏导时需要考虑疏导路径的容量及其可靠性。以道路行程时间可靠性为约束，反推可用于交通疏导的路段剩余承载容量，并将其作为疏导道路增加容量的上限，降低交通疏导对分流道路的影响。逐层扩大疏导区域的范围，搜索能够满足疏导交通量的最小疏导范围。在疏导区域内对交通流进行重新分配，最终得到最优的疏导方案。

1 占道施工交通影响区的界定

在施工占道前，需要根据交通现状及施工方案确定施工占道的交通影响范围，为施工交通组织方案的编制提供依据。但目前对施工占道交通影响范围划定的方法为主观确定法。《城市道路施工作业交通组织规范》[5]中确定占道施工项目交通影响范围的方法是专家评定并通过主管部门审查进行逐步调整。该方法确定影响范围的时间较长且受主观因素影响较大，不能满足实际需求。

施工占道后，施工路段的通行能力降低，路径的行程时间增加，施工路段的原交通量将部分转移到相邻路网上。出行者在没有道路交通信息的情况下，不能准确的判断最短行程时间的路径，导致交通量分布与道路容量不匹配。

在施工交通组织研究时，假定无施工交通诱导信息，车辆根据施工路段的交通阻塞情况重新规划出行路径，交通流从施工路段向后逐层选择路径分流，引起周边路网饱和度和服务水平发生改变。当路网中某路段或交叉口的服务水平等级显著低于施工占道前的服务水平等级时，施工占道对该路段或交叉口的影响较大，则该路段或交叉口属于施工占道的影响区。

1.1 无诱导信息条件下施工区周边路网配流

1.1.1 配流方法的选择

占道施工期间除了增加部分施工车辆外，不会诱增新的交通量。在施工交通组织研究阶段，假定施工不影响原交通需求的规模和分布，不考虑其他意外事件导致路网容量的变化，用于分析施工交通诱导的路网交通量基本保持不变。

施工占道后，由于施工路段通行能力的变化，OD点对之间行程时间最短的路径发生改变。驾驶员在没有施工区域的交通运行信息的情况下，不能准确选择行程时间最短的路径。

当施工占道区域相邻交叉口及路段发生拥挤时，到达的车辆将选择拥挤路段的前一个交叉口改变出行路径，并逐层的将该影响向外传递。在该状态下，车辆选择最短路径且受到道路容量约束，出行路径从施工占道区域逐层向外扩展。

容量约束分配法是根据最短行程时间和道路容量约束在路网中对交通进行分配的方法，将交通量分配到行程时间最短的路径，超过道路容量时在剩余道路中选择行程时间最短的路径。因此，施工占道后，在无诱导信息条件下施工区域的交通分配的计算，适宜采用容量限制的分配方法。

容量限制分配方法以“零流量”行程时间开始计算，依次计算起点到终点的每条路径的最短行程时间。以道路容量作为约束将交通量分配到最短行程时间的路径上，并得到各路段的交通量。根据初次分配到各路段的交通量修订其他路径的行程时间，仍以行程时间最短分配下一OD对的交通量，直到所有交通量全部分配到路网中。

1.1.2 配流路径行程时间的计算

采用容量约束法对施工占道周边节点间交通量进行配流时，每次分配后都需计算加载部分交通量的道路行程时间。

节点OD之间路径的行程时间包括路径中所有路段行驶时间与交叉口延误之和，可用式(1)计算：

(1)

式中：T为路径的行程时间；ti为路径中路段i的行驶时间；dj为路径中交叉口j的延误；m，n分别为路径中交叉口及路段数。

路段行程时间的计算可采用美国的BPR道路阻抗函数[7]进行计算。

交叉口的行程时间包括其通行时间及延误时间，车辆在交叉口的通行时间较短，一般较固定，延误时间采用美国道路通行能力手册中延误模型对交叉口的平均延误进行计算。

施工路段的行程时间计算与正常路段的行程时间计算有一定差异。施工占道后，施工路段通行能力降低，形成交通瓶颈点，其通行时间可用波动理论进行计算[8]。按照车辆在施工路段的速度变化，将施工路段划分为减速段、匀速段和加速段3部分，见图1。

图1 施工路段划分Fig.1 Division of construction road

根据其速度、密度、流量计算减速段到匀速段及匀速段到加速段的波速和波流量，公式如下：

(2)

(3)

匀速段行程时间为：

(4)

车辆排队的消散时间为：

(5)

ω1掠过的车辆总数就是拥挤过的车辆总数N，于是：

N=(t2+t3)Qω1

(6)

车辆达到率及通过率可得到排队车辆数，由排队车辆数可知拥挤段的长度：

(7)

通过波速与时间也可得到拥挤段的长度，公式如下：

L=t1ω1+t2ω2

(8)

由式(7)、式(8)可计算得到车辆通过减速段的行程时间：

(9)

车辆通过减速段、匀速段及加速段的行驶时间之和为通过施工路段的行程时间。

1.2 影响阈值及影响范围确定

经容量约束的配流后，对比施工占道前后的道路服务水平(表1)，并借鉴城市建设项目的交通影响分析阈值[9]，根据施工占道周边路段受到的交通影响程度，最终确定施工交通影响区的范围。

表1 施工占道交通影响区的阈值条件Table 1 Threshold condition of traffic impact area

在施工占道的影响下，采用容量约束法对施工占道周边区域的交通重新分配后，各路段和交叉口的饱和度及服务水平相比于施工占道前的道路服务水平发生变化，达到表1中阈值的路段和交叉口则属于施工占道的交通影响区。

2 基于行程时间可靠性的疏导范围确定方法

2.1 行程时间可靠性

行程时间可靠性是指对于给定的OD对，出行者能在规定的时间内完成出行的概率。施工期间行程时间可靠性是指：交通疏导后，车辆能够以施工占道前的行程时间通过某路段的概率，可用施工占道前后行程时间的比值计算，即：

(10)

式中：r为占道行程时间可靠性；t0为施工占道前的路段行程时间；t为占道施工后路段行程时间。

目前，国内尚未制定行程时间可靠性认定标准，因此，借鉴荷兰国家交通政策文件[10]中的可靠性认定目标作为判断标准。其中对于距离少于50 km的出行，其时间阈值的认定标准是1.2倍的正常行程时间，如果超过该阈值，即被认为不可靠，否则可靠。

2.2 确定疏导范围

根据行程时间可靠性确定疏导的路网范围，具体流程见图2。

图2 确定疏导范围流程Fig.2 Flow chart to determine guidance range

为降低交通疏导的难度，提高交通疏导效率，采用“就近为主，先平行，后上游”的思路[11]，根据影响程度大小，逐层扩大交通疏导区域，搜索交通网络处于可靠状态的最小疏导范围，见图3。

当施工区域的交通需要进行疏导时，先选择施工路段的平行路段进行疏导，见图4。对疏导区域内的交通进行重新配流后，如疏导区域内各疏导路段都达到行程时间可靠性的要求，则该区域即为疏导区域。否则按图4扩大疏导区域，直到疏导区域内各路段达到行程时间可靠性的要求。

图3 最初的备选区域Fig.3 The first alternative area

图4 扩大后的备选区域Fig.4 Expanded alternative area

3 逐层分流疏导方法

逐层分流疏导方法是指从施工占道疏导区域的最外侧开始，通过控制与诱导措施逐层对交通分流，控制施工路段上的交通量，保证施工道路的通畅。

3.1 最小疏导交通量

施工路段的最小疏导交通量是由施工占道后的道路通行能力和施工前路段的交通量决定。施工前路段交通量与占道后路段通行能力的差值即为最小疏导交通量，即需要通过施工路段的交通量超过施工路段允许通行能力的部分交通需求量。

为避免在施工路段发生交通拥堵，施工占道后，当施工路段的通行能力小于通行需求或运行时间可靠性达不到要求时，超过施工路段允许通行量的交通需求就需要进行疏导，施工路段通行能力是决定最小疏导交通量的关键。

施工路段通行能力按式(11)计算：

Na=N0×fn×fHV×fL×fC×fV

(11)

式中：Na为占道后道路通行能力；N0为占道前道路通行能力；fn为占用车道数修正系数；fHV为作业区大型车比例修正系数；fL为作业区长度修正系数；fC为作业区交叉口影响修正系数；fV为作业区限速影响修正系数。以上修正系数可参考文献[12]研究成果。

3.2 行程时间可靠性反推路段剩余承载容量

将交通疏导后路段保持行程时间可靠性的最大交通量定义为路段可靠容量。路段的剩余承载容量为路段可靠容量与施工占道前道路实际交通量的差值。

剩余承载容量为能够疏导到道路上交通量的最大值，可直观的反应行程时间可靠性与交通量的关系。剩余承载容量可使用Edie交通流模型进行计算，通过自由流状态的行程时间和施工占道后行程时间可得到道路饱和度，反推得到行程时间可靠容量。Edie交通流模型如下：

(12)

式中：km为流量最大时qm所对应的密度值；vm为流量最大时qm所对应的速度值；kj为拥挤状态下的密度；vf为自由流状态下的车速。

由式(12)可知：km=kj/e，vm=vf/e，最大流量qm即道路通行能力为：

(13)

考虑非拥挤状态即k∈[0,km]，将其转化为密度函数：

(14)

由于q=kv，故可得到非拥挤状态下的流率-速度模型：

(15)

假设路段长度为l，自由流时间t0=l/vf，一般的行驶时间t=l/v，得到t0/t=v/vf，故有：

(16)

结合式(14)、式(16)可得到非拥挤状态下行程时间与饱和度之间的函数关系：

(17)

同理，得到拥挤状态下的行程时间与饱和度之间的函数关系：

(18)

将自由流状态的行程时间和施工占道前1.2倍的行程时间带入上式即可得到道路的行程时间可靠容量。行程时间可靠容量与疏导前道路实际交通量的差值为疏导道路的剩余承载容量。

3.3 逐层分流疏导方法

以行程时间可靠容量作为路段允许的最大容量，网络行程时间最短为目标对疏导区域内交通重新进行配流。

(19)

约束条件：

(20)

xa≤C1

(21)

(22)

求解上述模型得到疏导到各路段的交通量。从疏导范围的最外侧开始对交通进行诱导，并以上述的交通配流结果为依据，修改各信号交叉口的配时方案。结合控制与诱导措施使交通流实际分布结果接近理论计算值，达到降低施工占道交通影响的目的。

4 实例分析

为验证逐层分流疏导法能够有效解决施工占道造成的交通拥堵并能够避免拥堵转移，选取重庆市某一施工区域路网进行仿真验证，施工区域路网如图5。

图5 施工区域路网Fig.5 Road worknet of construction area

施工区域路段为单向四车道，施工占用两车道。计算容量约束法和逐层分流疏导法两种配流方法的配流结果，按照计算的配流结果进行仿真，仿真效果如图6。

图6 仿真效果Fig.6 Simulation results

通过仿真可以看出，逐层分流法可使车辆分布更加均衡，各分流路段所受影响较小。通过仿真路段上设置行程时间检测器可得到车辆通过各路段的行程时间，计算路网中所有车辆行程时间的总和，可反映绕行所花费的时间，如式(23)，计算结果见表2。

(23)

式中：T为路网中所有车辆的行程时间；tm为通过路段m所需的行程时间；N为车辆数；n为设置行程时间检测器的路段数。

表2 仿真结果对比表Table 2 Comparison of simulation results

由表2可知，逐层分流法可有效降低延误，由于部分车辆的绕行距离增加，总行程时间降幅不大。

5 结 语

根据有无施工占道状态下路段流量的变化，参照交通影响分析阈值，确定城市施工占道交通影响的范围。以行程时间可靠性为约束，提出了逐层分流的交通疏导方法。通过逐层分流的交通疏导方法，以道路剩余承载力为约束组织施工道路周边路网的交通，既能保证施工路段的交通顺畅运行，又可将疏导交通量对分流路段的影响控制在可接受范围，减少对社会生活的影响，为当前城市占道施工的交通组织提供了新的思路。

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