基于仿真的高速公路养护维修作业限速标准研究

霍继辉，付兴胜，李 讲，高立波

(1.辽宁交投公路科技养护有限责任公司 沈阳市 110000； 2.辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015； 3.高速公路养护技术交通运输行业重点实验室 沈阳市 110015； 4.大石桥市公路管理段 营口市 115100)

沈山高速公路全长361km，全线按八车道规划，六车道建设，1997年5月开工，2000年9月竣工，设计交通量50000～80000辆/日，设计速度120km/h，沈山高速公路年平均日交通量35104(单向/pcu)，高峰小时交通量2069(单向/pcu)，半幅封闭作业时常会出现拥堵的现象，对交通组织管理压力很大，合理的封闭方式将有效地缓解交通拥堵，最大限度地保证行车安全畅通。

在国内关于养护维修作业的研究当中，王振采用交通仿真的方式对高速公路作业区交通仿真方案进行了评价研究，并提出相应的改进措施[1]。黄叶娜通过作业区通过的最大小时交通量，提出了作业区通行能力的合理取值[2]。依托辽宁省交通运输厅科研项目“辽宁省高速公路临时占道施工封闭标准”的研究成果，基于对沈山高速公路半幅封闭借用对向车道通行养护作业方式维修作业段实际交通的调查、交通流特点分析，采用VISSIM仿真软件，开展了限速标准的研究，提出了警告区、过渡区、工作区的最终限速建议值，对现有《公路养护安全作业规程》(JTG H30-2015)的应用做了补充，为科学有效地指导高速公路养护维修安全作业提供了技术支持。

1 沈山高速公路交通现状研究

1.1 高速公路施工作业区交通调查

采用现场视频录制调查方法，通过“Adobe Premiere”软件提取交通流参数，完成了沈山高速公路三个施工作业区共计12个断面约3万辆车的交通流参数提取。养护控制区封闭形式及位置见表1。

表1 养护控制区封闭形式及位置

1.2 沈山高速公路现有车辆交通特性研究

沈山高速公路采用客货分离的车道设计，因此在分析施工作业区段交通特性时，应针对客货车型的不同分别分析其交通特性。以调查得到的沈山高速公路三种维修作业形式的交通数据为基础，研究分析了各种封闭形式养护作业区各区段大小车型的速度分布情况。

以沈山高速公路半幅封闭形式的养护作业控制区为例，统计养护作业区各区段速度分布情况，如图1～图4所示。

图1 上游正常路段车速频率分布

图2 上游警告区车速频率分布

图3 上游过渡区车速频率分布

图4 工作区车速频率分布

由图1～图4可以看出，双向六车道高速公路借用对向车道通行养护作业区各路段的车速分布均符合正态分布。

针对养护作业控制区车辆运行特点，基于统计分布原理确定养护控制区限速范围，按式(1)、式(2)确定限速高、低限值。其中，高限值可用于交通流量较小的作业区或低交通密度时段，低限值可用于交通流量较大的作业区或高交通密度时段。

(1)

(2)

Ei—区段i速度的平均值，km/h；

σi—区段i速度分布的标准差，km/h。

若考虑大型车混入后限速取值，可按照下式取值：

(3)

式中：LVi—区段i考虑大型车混入后的限速值，km/h；

p—大型车混入率，%。

根据公式(1)、式(2)、式(3)确定限速标准，计算结果如表2所示。

表2 双向六车道借用对向车道通行施工区限速(沈山高速公路)

注：1—该作业区大型车混入率为58.1%

因沈山高速公路大型车比例较高，正常路段的速度均值最大，为88.11km/h，此后车速逐渐降低，工作区平均速度仅为54.67km/h。因半幅封闭，车辆需占用对向车道行驶，且无法变道超车，交通流为跟驰状态，车辆行驶速度受大型车的车速影响较大，行驶速度较低。此种封闭方式的养护作业区通行能力和服务水平均较低。

2 采用VISSIM仿真软件维修作业限速标准的研究

采用仿真的方式，借助于交通工程中常用的VISSIM仿真软件，对双向六车道半幅封闭借用对向车道通行养护作业方式的限速标准进行研究，确定警告区、过渡区、工作区最终限速建议值。

2.1 仿真软件介绍

VISSIM仿真软件是德国PTV公司开发的商业化交通仿真软件，主要用于公路、城市道路的交通流仿真建模。VISSIM具有良好的图形输入接口、信号感应模型、车辆行为模型、路网配流模型和强大的3D再现功能。是一种微观的、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，用以建模和分析各种交通条件下(车道设置、交通构成、交通信号、公交站点等)城市交通和公共交通的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具[3]。

2.2 仿真模型构建

根据所研究高速公路的车道情况，在VISSIM软件中建立高速公路地图如图5所示。

图5 双向六车道高速公路借用对向车道通行道路图

2.3 上游过渡区限速值仿真分析

结合实际调查数据，在软件中输入双向车流量、各个车型所占比例等数据后，由于上游过渡区是养护施工路段中较为危险的部分，采用仿真的方式对此部分限速值进行确定，设置35km/h、40km/h以及45km/h三个等级。

2.4 仿真结果评价

完成了各个参数的设置后，开始运行仿真，完成一个周期3600s的仿真后，对仿真运行过程当中的图像进行截取，如图6所示，仿真结束后得到各项评价结果，从而对上游过渡区的限速值进行确定。

图6 仿真运行中的图像截取

在路段中选取上游过渡区进行节点评价，选取车辆平均停车时间、平均延误以及平均排队长度作为评价指标，分别在上游过渡区设置限速为35km/h、40km/h以及45km/h三个等级，得到仿真评价结果如图7～图9所示。

图7 限速35km/h仿真评价结果

图8 限速40km/h仿真评价结果

图9 限速45km/h仿真评价结果

根据仿真评价结果，限速40km/h相比于30km/h，所有车辆平均延误少，车辆平均排队时长小，各个评价指标有较为明显提升，同时，由仿真运行过程中限速40km/h情形下，车辆能平稳地通过过渡区，车辆通行顺畅。同时，对于限速45km/h以及40km/h两种限速标准，三大评价指标基本相同，考虑到限速45km/h的情况下，车辆行驶速度过快，将会增加行车的危险性，因此，将最终的过渡区限速值确定为40km/h。

通过表2的计算结果，结合VISSIM仿真评价软件的模拟分析，最终将警告区、过渡区、工作区基于大型车车速分布的限速计算值最低限速确定为62km/h、44km/h、45km/h，考虑大型车混入后的限速值是70km/h、50km/h、50km/h，因此警告区、过渡区、工作区最终限速值建议为60km/h、40km/h、60km/h。

3 结语

通过对沈山高速公路交通现状进行研究，采用视频录制的方法对交通运行状况进行调查，采用“Adobe Premiere”软件，完成了对施工作业区交通流参数的提取，并对交通特性进行了研究。同时，采用仿真的方式，对沈山高速公路施工作业区进行模拟分析，最终得出了警告区、过渡区以及工作区的限速建议值，可以对辽宁省道路施工期间管理提供标准，并为类似的工程提供一定的借鉴。