双车道公路改扩建全封闭绕行区交通特性*

孟祥海 秦雷雷 潘晨月 张龙钊

（哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 哈尔滨150090）

0 引言

将二级公路改扩建为一级公路或对原有路幅较窄的二级公路进行加宽改造，是公路建设项目中比较典型的建设形式。对于路网密度较低的地区，在对二级公路进行改扩建时，很难做到通过全部车辆分流的形式而独立施工。因此，在改扩建施工期还需要保障原有公路的正常通行，这样就出现了多种可通行车辆的施工绕行区。其中，通过设置施工便道而形成的局部全封闭绕行区，往往成为瓶颈路段，交通安全问题、交通效率问题均十分突出。因此，对该类绕行区的形式、交通运行特性有必要开展深入的研究工作。

国外对公路施工作业区的交通特性研究较早，研究内容主要针对作业区通行能力、速度、安全评估等方面。H.Waleczek等[1]对借用硬路肩临时通行的4车道高速公路施工作业区通行能力进行了研究。K.Heaslip等[2]通过绕行区几何条件等参数来估算高速公路工作区的通行能力。P.Edara等[3]建立了多元回归模型来描述Vissim模型中关键驾驶行为参数、大型车百分比等与通行能力之间的关系。B.Ravani等[4]对不同速度控制方法下的作业区安全性进行了评估。P.Kachrooa等[5]将“负速度差”的概念引入作业区动态速度控制系统。C.Yeom等[6]基于速度、车道封闭严重性指数、作业时间等建立了高速公路绕行区自由流速度预测模型。S.Banerjee等[7]研究了不同速度的警告或减速限制标志对驾驶行为的影响。T.Saha等[8]利用Vissim仿真平台，设计了2种临时作业区控制策略以评估作业区的有效性和安全性。D.H.Hwang等[9]提出了1个基于驾驶模拟的高速公路作业区的合流控制策略，并评估了不同服务水平下的作业区安全性能。Qi等[10]建立了作业区车辆轨迹仿真模型并评估了不同交通条件下的潜在冲突。O.E.Ramadan等[11]使用微观仿真模型分析了不同流量下的绕行区安全效果。N.L.Jehn等[12]结合Vissim对乡村公路作业区的微观仿真进行了标定。

国内对高速公路改扩建施工区的研究相对较晚。孟祥海等[13]提出了基于格林希尔治速度-流量模型的通行能力确定方法。于仁杰等[14]基于Vissim仿真软件建立了双向4车道高速公路施工作业区多种限速方案。吴彪等[15]利用单样本K-S检验方法对作业区车速分布形式进行了检验，定量分析了不同作业区段的车速变化规律。李晓虎等[16]将Vissim仿真平台与遗传算法结合，建立了1种集合优化换道比例和可变跟车时距的换道控制策略。李耘等[17]提出基于驾驶人特性的高速公路施工作业区跟驰追尾冲突风险阈值的确定方法。邵长桥等[18]结合实测数据与交通仿真，对高速公路施工区中间带开口长度与交通特性进行了研究。蒋若曦等[19]基于车辆碰撞理论建立了交通冲突后果严重性模型，刻画了交通量、大型货车率与冲突严重率的关系。

综上所述，国内外对公路施工绕行区的研究主要集中在高速公路，对普通公路全封闭施工绕行区交通特性研究较少，少量的研究主要围绕某一特定绕行区，尚不够深入，缺乏对于普通公路绕行区线形条件、通行能力等特性系统的研究与总结。本文分析了3种普通公路全封闭施工绕行区的线形条件、速度、通行能力、交通冲突等交通特性，对提升道路利用率、保障交通运行安全具有重要借鉴和指导意义。

1 全封闭施工绕行区的交通运行状态分析

双车道公路全封闭施工绕行区一般由警告区、驶入曲线段、施工区段、驶出曲线段、终止区等区段构成。针对施工绕行区的不同线形条件，可将全封闭施工绕行区划分为S+直线段+S形绕行区、S+S形绕行区、凸形绕行区3类，见图1，各绕行区交通运行状态见表1。

表1 各全封闭施工绕行区各区段交通运行状态Tab.1 Traffic operation of each section in each fully closed construction bypass area

如图1所示，将原直行路段与驶入曲线段的夹角定义为α角，则可用α角定性的表示车辆的转向幅度，α角越大，车辆的转向角度越大，越不利于行车。

图1 双车道公路全封闭施工绕行区的形式Fig.1 Form of fully closed construction area of two-lane highways

S+直线段+S形绕行区与S+S形绕行区线形条件较为相似，交通运行状态也基本相同，仅在施工区段表现出差异。凸形绕行区临时便道呈凸曲线，运行条件不如前二者平顺、舒适。

2 交通实况视频采集与交通流参数提取

2.1 交通实况视频采集

依托黑龙江省交通运输厅科技项目“二级公路改扩建工程施工期交通组织设计地方标准”，对国道集贤至当壁公路改扩建工程项目中宝山至宝清段的S+直线段+S形、S+S形及凸形3个绕行区实施交通调查，使用无人机录制了2019年6月13日—20日的交通实况，累计录制时长约19 h，积累了较为充足的交通实况视频数据。3类全封闭施工绕行区的现场实况见图2。

图2 绕行区现场实况Fig.2 Observed traffic condition in the bypass areas

2.2 交通流参数提取方法

使用Tracker软件对视频进行交通流参数提取。在Tracker中构建平面坐标系，对车辆轨迹进行全程跟踪，得到的交通流参数包括车辆横纵坐标、速度、加速度、位置角度、旋转角度等，车辆运行轨迹及坐标信息示例见图3。

图3 车辆运行轨迹及坐标信息Fig.3 Vehicle trajectory and coordinate information

3 绕行区车速特性分析

各绕行区道路条件基本相同，因此认为各绕行区各区段呈现出不同速度的主要原因为线形条件的影响，这为利用速度研究各绕行区的特性提供了基础。经统计分析，得到S+直线段+S形绕行区、S+S形绕行区、凸形绕行区各区段的车速统计结果，见表2。3类全封闭施工绕行区平均速度分布见图4。

图4 绕行区车速分布Fig.4 Speed distribution in the bypass areas

表2 绕行区各区段车速Tab.2 Speed of each section in the bypass areas km/h

分析各类型绕行区的平均车速变化特征可得：①S+直线段+S形绕行区、S+S形绕行区车速最低值均出现在驶入曲线段，平均车速分别为23，22 km/h，而凸形绕行区的车速最低值则出现在警告区末端，平均车速为20 km/h；②3类绕行区在施工区段内车辆均出现了加速现象，但凸形绕行区施工区的平均速度（24 km/h）仍明显低于其他2类绕行区施工区的平均车速（29 km/h）；③S+直线段+S形绕行区、S+S形绕行区车速变化特征更为相近，但S+直线段+S形绕行区在对应区段的平均车速均略高于S+S形绕行区；④凸形绕行区对交通运行的影响范围更广，可能由于凸形绕行区线形衔接不够顺畅，在警告区末端便出现了车速最低值，而其他2类绕行区的车速最低值均出现在驶入曲线段。

综上，就车辆的通行效率来说，S+直线段+S形绕行区是1种比较适宜的绕行区形式。此外，3类绕行区中大部分车辆的车速均高于绕行区各区段限速值。

4 绕行区道路通行能力

采用格林希尔治(Greenshields)模型来描述速度-流量关系。对实测的速度、流量参数进行回归分析，得到二次曲线模型，在此基础上得到各区段的自由流速度和实际通行能力。需要说明的是，3类绕行区正常路段的交通条件基本相同，故上游正常路段、警告区前端的速度-流量关系模型也基本相同，仅在S+直线段+S形绕行区中给出。

S+直线段+S形绕行区的速度与流量样本点及其拟合曲线见图5，各区段速度-流量关系模型见式（1）~（5）。

图5 S+直线段+S形绕行区速度-流量关系Fig.5 Speed-flow relationship in the S+straight line segment+S type bypass area

上游正常路段

警告区前端

警告区末端

驶入曲线段

施工区

式中：Q为小时流量，pcu/h；v为速度，km/h；R2为相关系数。

S+S形绕行区的速度与流量样本点及其拟合曲线见图6，各关键区段速度-流量关系模型见式（6）~（8）。

图6 S+S形绕行区速度-流量关系Fig.6 Speed-flow relationship in the S+S bypass area

警告区末端

驶入曲线段

施工区

凸形绕行区速度与流量样本点及其拟合曲线见图7，各关键区段速度-流量关系模型见式（9）~（11）。

图7 凸形绕行区速度-流量关系Fig.7 Speed-flow relationship in the convex bypass area

警告区末端

驶入曲线段

施工区

3类绕行区上游正常路段自由流速度均为81.5 km/h，实际通行能力为1 245 pcu/h；警告区前端自由流速度为74.2 km/h，实际通行能力为963 pcu/h，其余各主要区段的通行能力见表3。

表3 3类绕行区主要区段通行能力Tab.3 Capacity of main sections in three types of bypass areas

由警告区前端到警告区末端，再到驶入曲线段最后到施工区，S+直线段+S形绕行区通行能力分别为降低153 pcu/h、降低139 pcu/h、增加34 pcu/h，相对前1个区段通行能力分别降低15.9%、降低17.2%、增加5.1%。S+S形绕行区则分别降低24.8%、降低17.4%、增加3.3%。这表明就通行能力而言，驶入曲线段是2类绕行区的瓶颈路段。

与上述2类绕行区不同，凸形绕行区在警告区末端的实际道路通行能力最小，警告区前端到末端的通行能力降低了36.9%，而由警告区末端到驶入曲线段再到施工区，通行能力分别增加9.0%和3.0%。这表明就通行能力而言，警告区末端是凸形绕行区的瓶颈路段。

对比来看，S+直线段+S形绕行区在各主要区段的实际通行能力均大于其他2类绕行区。就通行能力而言，S+直线段+S形绕行区是1种较为适宜的绕行区形式。

值得注意的是，虽然凸形绕行区在警告区末端的通行能力降低较多，但综合来看，凸形绕行区仍与S+S形绕行区的通行能力基本相当，甚至略高，表明在驶入曲线段和施工区道路线形的连续性上，凸形绕行区是优于S+S形的。此外，凸形绕行区的瓶颈路段集中在警告区末端，便于集中治理。

5 绕行区交通冲突

首先，建立3类绕行区Vissim仿真路段；然后根据调查数据设置交通特性参数，包括交通流量、车型、交通组成、车辆期望速度分布、车辆加减速等。然后，为了真实模拟交通运行状态，需要设置合理的车辆行驶规则，笔者采用2种方法进行速度控制：①设置减速区，对合流处或转向段等进行速度控制；②使用期望车速决策点改变各类型车辆的期望速度。最后，借助SSAM获取相应条件下的交通冲突情况，从而对未观测到的交通条件下的冲突数据加以补充。

以车头时距小于2 s为严重冲突，2~6 s为一般冲突，大于6 s则认为无冲突[20]，由此仿真得到各绕行区严重冲突、一般冲突和无冲突的比例及各绕行区的TTC均值均较为接近，因此可以采用基于TTC的冲突个数作为冲突衡量指标，统计车头时距小于等于6 s的冲突个数。对流量为600 pcu/h时3类绕行区的冲突数进行统计，结果见表4，各区段冲突数变化见图8。分别调整3类绕行区的交通量，得到其冲突数与交通量的变化关系，见图9。

表4 3类绕行区基于TTC的冲突数统计结果Tab.4 Statistical results of the number of conflicts based on TTC in three types of bypass areas

图8 绕行区各区段冲突数变化Fig.8 Changes in the number of conflicts in each section of the bypass area

图9 各绕行区交通量与冲突数关系Fig.9 Relationship between traffic volume and conflict number in each bypass area

在相同交量时，各绕行区冲突总数呈凸形绕行区＞S+S形绕行区>S+直线段+S形绕行区的关系。凸形绕行区的冲突数在警告区末端达到最大，而S+S形绕行区与S+直线段+S形绕行区冲突严重路段均出现在驶入曲线段，表明S形的衔接方式更有利于车辆的平稳过渡。值得注意的是，S+直线段+S形绕行区无论是在绕行区冲突总数还是在各区段的表现都略优于S+S形施工绕行区。

各绕行区的冲突数都随着交通量的增加而以二次多项式的速度增加。在交通量不高时（小于500 pcu/h），各型绕行区的冲突数没有呈现明显的差异。当交通量继续增长时，则冲突数出现了明显的凸形绕行区＞S+S形绕行区>S+直线段+S形绕行区的关系，且前二者增长的更快。

6 结束语

1）从通行能力、通行效率以及交通安全水平3个方面进行了系统的研究分析，结果表明S+直线段+S形绕行区是1种较为适宜的绕行方式。

2）S+直线段+S形绕行区与S+S形绕行区瓶颈路段为驶入曲线段，凸形绕行区交通运行受限最为严重路段则为警告区末端。因此，采用不同的绕行区形式应注意对相应的瓶颈路段进行交通管理，保障交通运行。

3）交通量较低时（可采用500 pcu/h为划分标准），3类绕行区交通冲突情况无明显差异，当流量较大时，绕行区形式会对交通运行产生较大影响，此时应重视对绕行区形式的选择。

4）文中3种绕行区均为对称形式，但绕行区的核心要求是前端适应车辆减速，后端适应车辆加速，因此非对称式的绕行区可能更能适应这一要求，这也是后续的研究方向。