谈交通量下的二级公路改扩建施工区限速模式★

陈 同，齐鸣越

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

在纵横通衢的国省道干线公路网中，二级公路由于其能够以较少的投资和成本尽可能的建造平直宽阔路面的特点，在我国国道和省道早期的建设中占有较大的比重。依据“十三五”规划提出的“推进普通国省道提质改造”，二级公路改造已成为我国国道和省道提质改造的重点[1]。在封闭道路施工过程中，需要制定合理的交通组织方案，其中在正确位置设置合理的限速值，对于减少交通拥堵，降低事故率，确保车辆安全稳定运行有重要作用。

美国、欧洲、日本等国都对于施工区限速方案进行了规定，例如，在美国施工区管理策略指南中[2]，弗吉尼亚规定，非限制通行高速公路，施工区限速时速约56 km/h；威斯康星州规定两车道的农村公路施工区限速约64 km/h～72 km/h，在极端车道转换、狭窄车道情况下，以km/h的增量减速16 km/h。欧洲标准对道路养护期间的交通安全措施和标志进行了详细规定[3]。另外，一些学者对施工区可变限速进行了研究[4-8]。研究发现，可变限速标志设置位置、根据流量设置的可变限速值对于提高交通流稳定性和减少延误有重要作用。

我国在《公路养护安全作业规程》[9]和《道路交通标志和标线 第4部分：作业区》[10]等文件中对不同设计速度公路在改扩建过程中的限速进行了规定，例如，两个限速标志之间距离应大于200 m，对于逐级限速而言，宜采用每100 m车速降低10 km/h的限速方法。但这种限速没有考虑交通流变化的影响，不同流量下驾驶员根据减速标志设置的位置提前开始减速可能造成过渡区的排队，降低通行效率和安全系数。因此，在国家二级公路改扩建的政策背景下(在公路“二改一”的政策背景下)，有必要基于现行规范，针对二级公路交通流特征，提出适用于不同场景的施工区限速方法。

1 二级公路改扩建工程交通基础数据调查和分析

本文收集了黑龙江省内国道集贤至当壁公路(G501)和国道北京至抚远公路(G102)改扩建的基础数据，两条公路改扩建前后主要技术标准如表1所示。

表1 两公路改扩建前后主要技术标准

根据流量观测站资料，G501和G102改扩建路段2017年交通量年度统计表如表2所示，国道G501和G102的年平均日交通量分别为7 580辆/d和9 388辆/d，换算成标准小客车当量交通量分别为9 835辆小客车/d和12 832辆小客车/d，已达到二级公路适宜交通量范围的中上限。

表2 交通组成表

公路交通组成均以小型车为主，小型车所占比例分别为83.41%和76.26%，中型车所占比例分别为7.47%和10.83%，大型车比例分别为9.12%和12.91%。调查结果可以用于交通仿真中交通组成参数的设置。

二级公路一天24 h中，各路段小时交通量都在不断地变化，为了准确制定二级公路改扩建施工期间的交通组织方案，了解二级公路改扩建施工期的交通流特性，对两公路交通量小时变化情况进行分析(见图1)。从图1中可以看出，G501和G102最大高峰小时交通量分别为853 pcu/h和1 030 pcu/h。

2 施工区限速仿真

2.1 施工区限速模式设计

封闭车道模式下，当设计速度为80 km/h，最终限速值为40 km/h时，《规程》采取二级限速的方式，60 km/h限速标志设置在警告区长度的1/2处，40 km/h限速标志则设置在60 km/h限速标志后不小于200 m处。

本研究在现行规定的基础上进行调整，以丰富作业区限速模式，提高设计的合理性。第一限速标志“60 km/h”根据《规程》均设置在警告区1/2处；根据《规程》，在第一限速标志后不小于200 m处设置“40 km/h”限速标志，本文取250 m处设置“40 km/h”限速标志作为“设计方案一”；车辆进入上游过渡区时要减速汇流，若没有减速提示，受交通流影响可能会在上游过渡段前端存在交通冲突，迫使车辆再次制动减速[11]。若将最终限速标志设置在上游过渡段前端，驾驶员发现后同样会采取减速制动，可避免一次制动，提升过渡段交通流稳定性。因此，将40 km/h限速标志设置在上游过渡段前100 m作为“方案二”；研究发现限速差达到20 km/h(临界值)，相邻路段之间速度协调性较差，交通流稳定性较差。因此，在方案二的基础上在上游过渡区前300 m加设50 km/h限速标志作为“方案三”。表3给出了三种限速模式方案。

表3 限速模式

2.2 仿真模型

以双向两车道半幅封闭模式为例进行仿真。根据实测的交通量数据，选取0 pcu/h～800 pcu/h，800 pcu/h～1 000 pcu/h，1 000 pcu/h～1 200 pcu/h，1 200 pcu/h～1 400 pcu/h，1 400 pcu/h～1 600 pcu/h和1 600 pcu/h～1 800 pcu/h 六种交通量作为仿真条件，大型车比例设为10%，20%，30%和40%。结合对交通基础调查数据的分析结果，设置车型比为小型车∶大型车=9∶1。

由于交通量在不同的范围内，为考虑限速的安全性，交通量值采用交通量范围内的最大值。依据《规程》对作业区各区段长度进行取值，各区段长度如表4所示。

表4 仿真路段各区段长度 m

为使仿真结果能反映作业区全路段的行车安全性，故数据检测点在警告区每隔100 m设置一个，共设置10个；作业区段每隔200 m设置一个检测点，其他区段分别在中点位置布设检测点，共设14个检测点。

2.3 仿真结果评价指标

使用与交通安全密切相关的车速离散程度来评估方案的安全性，并以车速标准差差异系数来描述车速离散程度[12]：

速度变异系数是车速标准差的标准化，速度变异系数是行驶速度的标准差与行驶速度的平均值之比，计算公式如式(1)所示：

(1)

SD为车速标准差，计算公式如式(2)所示：

(2)

3 仿真结果分析

对六组交通量的改扩建作业区路段进行仿真，仿真得到三种不同限速方式下车辆速度标准差变异系数指标值，见图2。

图2为三个方案施工路段的速度标准差变异系数趋势图，可以表征施工区内各路段安全程度的变化规律。三种限速模式速度标准差变异系数变化趋势虽总体保持一致，但也存在着不同之处：

1)在警告区的前半部分，三种限速模式下的车流量和车速均保持一致，所以存在着基本相同速度离散程度。

2)在交通量不大于1 200 pcu/h时，由图2(a)～图2(c)可以看出，方案二车速离散程度总体最小。方案一由于40 km/h限速标志设置靠前，所以驶过40 km/h限速标志后逐渐形成稳定车流，致使在警告区900 m附近车速离散程度小于方案一，但是由于限速标志设置靠前，车辆在警告区末端和上游过渡区会进行第三次降速，从而车速离散再次增加。而方案二在40 km/h限速标志附近开始降速直到上游过渡区，所以在警告区末端和上游过渡区车速离散程度相对较小。

3)当交通量在1 200 pcu/h～1 600 pcu/h时，由图2(d),图2(e)可以发现，方案三的速度标准差变异系数在整个施工区均处于最低水平，所以方案三的安全系数最高。

4)由图2(f)可以看出，在交通量为1 600 pcu/h～1 800 pcu/h时，三种方案在工作区前速度离散程度都比较大，主要原因是随着交通量的增加，工作区已达到了单车道通行能力极限并开始产生排队现象，致使警告区内车速逐渐降低，速度离散程度随之增大。由于方案一将第二限速标志设置在距上游过渡区较远处，受施工区内限速值和交通量的影响，车辆会形成密集而且缓慢行驶的交通流，所以在第二限速标志以后速度离散程度最小，具有更高的安全系数。

5)车辆在驶入缓冲区后，已完成合流并以较慢的车速形成了稳定车流，所以速度离散程度逐渐降低并恢复至原有状态。

综上所述，不同交通量下的限速模式方案如表5所示。

表5 不同交通量下的限速模式方案

4 结语

1)基于公路施工区现行限速规定，考虑驾驶员在施工区上游的减速特性以及驾驶员对交通标志的认知心理，从限速值、标志设置位置两个指标出发设计了三种二级公路改扩建施工区限速模式。

2)建立了二级公路改扩建施工区车辆运行的VISSIM仿真模型，选取速度离散程度为安全性评价指标，分析了流量为800 pcu/h，1 000 pcu/h，1 200 pcu/h，1 400 pcu/h，1 600 pcu/h，1 800 pcu/h等不同流量下三种限速模式对安全性的影响，给出了不同交通量下二级公路施工作业区的推荐限速模式方案。