基于服务水平的高速公路改扩建时机决策方法

吴月磊 王 红 李琪霖 查明高 袁 怡 朱顺应

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (中交第二公路勘察设计研究院有限公司2) 武汉 430056)

0 引 言

改扩建时机的确定是高速公路改扩建工程中的重要决策问题．国外高速公路建设起步早，标准高，规划相对超前，美国、加拿大等国家采取了中央预留方式，使其在改扩建时道路机动性较强，选取不同的时机进行改扩建影响较小．国内对于改扩建时机的研究方法可分为成本效益法、大型车占比法和服务水平法三类．成本效益法因效益、成本构成复杂，量化困难，易导致建设时机过度超前或滞后．大型车占比法因大型车对交通风险影响呈高度非线性、多值性[1]，空间制约性强[2]，时机决策不好把握．服务水平法是国内采用的主流方法，其原理是引入触发点机制，将项目路施工前服务水平达到阈值时的年份作为改扩建时机，国内学者以饱和度(V/C值，即流量与通行能力的比值)作为服务水平划分的依据，通过总结对比国内典型高速公路改扩建时机确定V/C阈值，将预测交通量达到V/C阈值时所对应的年份作为改扩建时机．沈大、京津塘、沪杭甬、沪宁、佛开、安新、西潼、西宝八条四改八高速公路改扩建时机V/C平均为0.58，最低为沈大高速0.42，最高为佛开高速0.79，不同高速公路改扩建时的V/C阈值差距较大．JTG B01-2014《公路工程技术标准》(以下简称《标准》)和JTG/T L11-2014《高速公路改扩建设计细则》(以下简称《细则》)规定高速公路宜在服务水平下降到三级下限之前进行改扩建，《关于高速公路改扩建工程中有关技术问题处理的若干意见》(交公路发[2013]634号)(以下简称《意见》)规定高速公路改扩建时机应在服务水平下降到二级下限(即现行《标准》三级服务水平)之前，可见规范规定的范围过宽，时机仍然难以把握．

服务水平法虽然是目前最常用的决策方法，但仍有以下突出问题：①高速公路作为路网中的重要道路，项目路改扩建时期不仅影响自身道路运行，也会影响周围道路运行；现有服务水平法只考虑了项目路改扩建前的运行状况，忽视了项目路施工期以及路网和驾驶者等其他相关因素的影响;②现有服务水平法工作重点往往集中在交通量预测，而对于服务水平阈值的确定并不统一．

文中提出的基于服务水平的高速公路改扩建时机决策方法，主要是针对现有服务水平法考虑因素单一、服务水平阈值确定不统一的突出问题，在现有服务水平法考虑项目路施工前服务水平的基础上，进一步研究项目路施工期和受流路服务水平及其评价指标和指标阈值的确定方法，建立高速公路改扩建时机决策模型．并以柳南高速为例进行实例分析，验证本文方法的可行性和有效性．

1 方 法

高速公路改扩建工程常采用边通车边施工，施工期还必须保证一定服务水平的通行条件；改扩建高速公路(项目路)由于通行能力下降，常会向周边道路(受流路)分流，从而影响受流路服务水平．因此，在考虑服务水平对改扩建时机的影响时还要考虑项目路施工期和受流路的服务水平．通过分析项目路施工前、项目路施工期、受流路三个层面的服务水平对改扩建时机的影响选取决策指标，确定指标阈值，建立高速公路改扩建时机决策模型，采用逐年递推法求出高速公路改扩建时机，方法见图1．

图1 基于服务水平的高速公路改扩建时机决策方法

1.1 道路服务水平的影响分析和指标选取

1) 项目路施工前服务水平 项目路施工前服务水平过高或过低都会带来不同的负面影响．各国对服务水平的评价指标不尽相同：美国采用车流密度，德国采用平均速度，国内和日本则采用V/C．这是因为车流密度和平均速度不够直观、有效，且数据收集复杂[3]，而V/C是一个相对的指标，其数据搜集简单，可以直观的反映在营运交通量和设计指标相同的情况下，地理位置、交通组成不同的高速公路的服务水平[4]．本文以V/C进行项目路施工前服务水平评价．

项目路施工前饱和度计算.

V/C=VMS/CR

(1)

式中：VMS为实际道路条件和交通条件单车道最大服务交通量，pcu/(h·ln)；CR为实际道路条件设计速度对应的通行能力值，pcu/(h·ln)．

最大服务交通量计算：

(2)

式中：VSF为实际道路和交通条件下，单方向N条车道的服务交通量，pcu/h；fHV为大型车修正系数；fDC为驾驶员总体特性修正系数；N为道路单向车道数．

实际单方向一条车道的服务交通量计算.

(3)

式中：DDHV为单方向小时交通量，pcu/h；PHF15为15 min高峰小时系数．

单方向小时交通量计算：

DDHV=AADT×K×D

(4)

式中：AADT为年平均日交通量，pcu/d；K为设计小时交通量系数；D为方向不均匀系数．

实际道路条件对理想设计速度的修正计算.

VR=V0+VW+VN

(5)

式中：VR为实际道路条件下的设计速度，km/h；V0为理想条件下的设计速度，km/h；VW为车道宽度和路侧净空对设计速度的修正值，km/h；VN为车道数对设计速度的修正值，km/h．

2) 项目路施工期服务水平 高速公路承载的交通量巨大，因此一般在不中断交通的情况下进行施工，同时为减小交通风险，常设置最低限速，进而导致通行能力降低[5-6]．若不考虑项目路施工期服务水平，容易导致项目路在施工前服务水平满足要求，但在施工期服务水平严重降低，影响施工进度和行车安全．

选取施工期饱和度对项目路施工期的服务水平进行评价，在考虑施工区基准通行能力的基础上，还考虑了车道宽度、交通组成等因素对施工期道路通行能力的修正[7-8]．

项目路施工期饱和度计算.

β=Q/C1

(6)

式中：β为项目路施工期饱和度；Q为项目路施工期的实际交通量，pcu/(h·ln)；C1为项目路施工期实际通行能力，pcu/(h·ln)．

施工期实际通行能力计算：

C1=Cbs×fW×fHV×fDC×fi×fn×fsc

(7)

式中：Cbs为施工区基准通行能力，pcu/(h·ln)；fW为车道宽度及侧向余宽修正系数；fHV为大型车修正系数；fDC为驾驶员对环境熟悉程度修正系数；fi为施工区施工强度修正系数；fn为车道数修正系数;fsc为限制速度修正系数．

大型车修正系数计算.

(8)

式中：PHV为大型车交通量占总交通量的百分比；EHV为大型车换算成小客车的车辆换算系数．

3) 受流路服务水平 交通分流时应在合理的绕行距离下选择受流路，在保证项目路和受流路服务水平都满足要求的前提下进行交通分流．

绕行系数表示受流路与项目路长度的比值．李炼恒等[9]对驾驶者在高速公路出行距离100 km的情况下可接受的绕行距离进行问卷调查，结果显示当绕行距离为30 km时，81%的驾驶者可以接受．因此，交通分流时选择的受流路绕行系数应不超过1.3．

以交通容差总和作为受流路服务水平的评价指标．交通容差总和计算.

(9)

1.2 服务水平评价指标阈值确定

1) 项目路施工前饱和度阈值 通过对《标准》《意见》及地方标准的调研(见表1)：各类标准均以V/C作为服务水平评价指标，规定的V/C阈值均小于0.75；江苏省作为经济实力相对较强的地区，交通量增长速度快，道路服务水平要求高，V/C阈值偏小(0.5≤V/C≤0.58)；河南省属于经济水平相对平均的地区，交通量增长较快，但其经济实力和交通量增长速度不如东部经济相对发达地区的水平，V/C阈值偏高(V/C≤0.7)．

表1 国家规范及地方标准改扩建服务水平阈值

通过对国内典型高速公路改扩建时机的调研(见表2)，国内典型高速公路改扩建时平均V/C为0.69，符合《标准》规定(0.65≤V/C≤0.75)．因此本文的施工前饱和度阈值参照《标准》进行取值，同时引入保险系数fc保证施工前饱和度阈值在一定的波动范围内仍满足《标准》规定．

表2 国内典型高速公路改扩建时机

施工前饱和度阈值计算.

0.65≤α0±fc≤0.75

(10)

式中：α0为项目路施工前饱和度阈值；fc为保险系数．

当fc取0.05时，式(10)左右两边等号同时成立，α0为0.7，因此文中项目路施工前饱和度阈值取0.7．

2) 项目路施工期饱和度阈值 《细则》规定维持通车的施工路段，服务水平可较正常路段降低一级，高速公路设计服务水平不低于三级，因此项目路施工期服务水平不应低于四级[10]．根据《细则》和《高速公路改扩建交通组织设计规范》(待出版)相关规定结合施工区限速，将四级服务水平下限值作为最低限速对应的施工期饱和度阈值，将四级服务水平上限作为最高限速对应的施工期饱和度阈值，由于不同项目施工区限速不同，其余限速采用插值法确定施工期饱和度阈值，具体取值见表3．

表3 项目路施工期饱和度阈值取值

3) 受流路交通容差阈值 不同项目的交通分流方案不同，受流路交通容差阈值的选择应能满足各种分流方案，当以规定的绕行系数选择的受流路交通容差总和大于项目路分流交通量时，无论具体分流方案是怎样执行，所有车辆均可在规定的绕行系数下完成交通分流，且保持受流路服务水平不发生级别变化；当交通容差总和小于项目路分流交通量时，超出交通容差总和的交通量涌入受流路时，会造成受流路服务水平级别降低．因此本文以项目路分流交通量作为受流路交通容差阈值．

1.3 时机决策模型建立

根据以上决策指标和相应阈值，建立道路服务水平因素下的高速公路改扩建时机决策模型，采用逐年递推法计算出各年项目路施工前饱和度、项目路施工期饱和度、受流路交通容差总和，当以上指标达到相应阈值时即可确定该指标下的改扩建启动时机ti，由式(11)计算出符合各指标的改扩建时间T，即为改扩建最佳时机．

改扩建时机计算模型：

T=min(t1,t2,t3)

(11)

2 实例分析

选取柳南高速公路柳州至南宁段进行实例分析．柳州至南宁段全长212 km，计划由双向四车道扩建为双向八车道，设计速度120 km/h，以2010年作为预测基年，根据2010—2015年预测年平均日交通量，分别计算各指标及相应阈值，运用本文的时机决策模型，计算高速公路改扩建最佳时机．

2.1 指标计算

1) 项目路施工前饱和度计算 根据柳南高速2010—2015年的路段预测年平均日交通量，由式(1)～(5)结合柳南高速现状计算出各年施工前饱和度，见表4．

表4 柳南高速施工前饱和度

2) 项目路施工期饱和度计算 柳南高速施工期间保持双向四车道通行，限速60 km/h，根据柳南高速2010—2015年的路段预测施工期交通量，由式(6)～(8)计算出各年施工期饱和度，见表5．

表5 柳南高速施工期饱和度

3) 受流路交通容差计算 通过对柳南高速所在路网进行综合分析，柳南高速改扩建期间的主要受流路有G209、G322、G324，各受流路绕行系数及预测交通量见表6.各受流路的绕行系数均小于1.3，可作为受流路．

由式(9)结合表6计算受流路交通容差总和，见表7．

表6 受流路绕行系数及预测交通量

表7 受流路交通容差总和

2.2 指标阈值确定

柳南高速项目路施工前饱和度阈值α0为0.7；柳南高速施工期限速60 km/h，由表3可得柳南高速施工期饱和度阈值β0取0.9；当施工期饱和度大于0.9时需进行交通分流，柳南高速施工期预测项目路分流交通量见表8．

表8 预测项目路分流交通量

2.3 改扩建时机计算

将2010—2015年柳南高速指标计算结果和选取的相应阈值代入式(11)，计算改扩建最佳时机，见图2，柳南高速施工前饱和度逐年上涨，2014年施工前饱和度为0.65，2015年施工前饱和度为0.73，超过了施工前饱和度阈值0.7，可得t1为2014年；柳南高速施工期饱和度每年均高于施工前饱和度且逐年上涨，2013年施工期饱和度为0.86，2014年施工期饱和度为0.97，超过了施工期饱和度阈值0.9，可得t2为2013年；柳南高速2010—2013年均能满足施工期饱和度要求，不需要进行交通分流，因此分流交通量为0，受流路交通容差2010—2013年呈下降趋势，2013年以后突然增大，这是由于2013年柳州至合浦高速建成通车，吸引了部分交通量，2015年分流交通量达到2 504 pcu/h，首次超过了受流路交通容差总和2 362 pcu/h，可得t3为2014年．

图2 柳南高速改扩建时机分析

因此，在2013年进行改扩建可以满足各指标要求，改扩建最佳时机T为2013年．

将各指标结果与传统的服务水平法结果相比较，见图3．传统服务水平法计算的改扩建时机为2015年，此时施工前饱和度为0.73，施工期饱和度为1.09，受流路饱和度为1.03且交通容差小于分流交通量，受流路服务水平级别会降级；本文的服务水平法时机决策模型计算的改扩建时机为2013年，此时施工前饱和度为0.58，施工期饱和度为0.86，受流路饱和度为0.72且不需要进行交通分流，受流路服务水平可以满足要求，各指标饱和度均小于传统的服务水平法．因此，文中提出的基于服务水平的高速公路改扩建时机决策方法考虑了项目路施工期和受流路服务水平的影响，对于道路系统而言，结果更优．

图3 本文研究方法与传统服务水平法的结果对比

3 结 论

1) 文中从服务水平的角度分析了项目路施工前和施工期、施工期受流路及驾驶者对高速公路改扩建时机决策的影响；以项目路施工前饱和度和施工期饱和度以及受流路交通容差总和作为评判指标，针对不同地区、不同限速、不同分流方案提出了项目路施工前和施工期、施工期受流路服务水平指标阈值确定方法，建立了道路服务水平因素下的改扩建时机决策模型，可更好地适用于不同区域、不同工况的改扩建工程．

2) 基于柳南高速实例分析表明：改扩建最佳时机为2013年，与传统服务水平法相比，本方法计算得到的高速公路改扩建时机对应的项目路施工前饱和度下降20.5%、项目路施工期饱和度下降21.1%、受流路饱和度下降30.1%；项目路施工前和施工期以及受流路服务水平均优于传统服务水平法．因此，考虑道路服务水平因素计算得到的改扩建时机对于道路系统更优．

3) 文中研究了项目路施工前和施工期、施工期受流路的道路服务水平因素对改扩建时机的影响，但仍存在一些不足，后续的研究中可进一步讨论综合因素下的饱和度阈值的确定方法，提出更全面的高速公路改扩建时机决策方法．