公路养护作业区逐级限速控制研究

2022-08-19吴胜坤朱文兵宋学文武精科程永振

淮阴工学院学报 2022年3期

吴胜坤，朱文兵，杨静，宋学文，武精科，程永振

（1．江苏宿迁交通工程建设有限公司，江苏宿迁 223899；2．宿迁市交通运输局，江苏宿迁 223999；3．淮阴工学院建筑工程学院，江苏淮安 223001）

我国公路尤其是高等级公路通车里程逐年增加，至2020年底，全国公路通车里程已达519.81万千米［1］。由于车辆荷载和恶劣环境的多重影响，公路通车几年后即出现严重病害，需要进行针对性的大中修养护［2-5］。公路养护作业需要封闭部分车道，造成交通运行环境恶化，出现行程延误、车辆排队和交通拥堵，甚至诱发安全事故［6］。为保证养护作业控制区通行车辆、施工人员及财产安全，通常在警告区实行限速管理［7-8］。

限速控制一般在警告区内完成，需要确定最终限速值与降速方案，《公路养护安全作业规程》（JTG H30—2015）［9］规定逐级限速宜采用每100 m降低10 km/h，而《道路交通标志和标线第4部分：作业区》（GB 5768.4—2017）［10］则提出限速过渡差不应超过20 km/h。国内外学者也对道路养护区限速控制开展了大量的研究［11-15］。孙智勇等［16］以Devs为作业区安全评价指标，提出警告区限速差临界值宜取20 km/h。周育名等［17］利用交通延误和交通冲突率指标，探讨了不同交通等级公路养护作业区的封闭模式及最终限速。于仁杰等［18］基于高速公路施工区长度划分计算模型，考虑了车辆排队长度、驾驶人短时记忆以及重复距离等因素，提出了高速公路施工区限速标志位置确定方法。

以往对养护作业区限速控制的研究侧重于最终限速、限速差和限速标志位置。而不同设计速度公路养护控制区的降速梯度涉及较少。利用微观交通仿真软件Vissim建立公路养护控制区仿真模型，以Devs和冲突率作为评价指标，研究最终限速值和降速梯度对交通安全的影响，提出警告区的限速控制方案。

1 作业区仿真模型构建

目前，微观交通仿真取得了快速发展，并研发了一系列仿真软件。相对于其他软件，Vissim功能齐全、实际交通状态适应性好，更适合公路养护作业区交通系统运行仿真模拟。为保证Vissim的模拟精度，需标定交通流特征参数和驾驶行为参数［19］。对于国内外差异不明显的参数如车辆尺寸和加减速特性，采用软件默认值；涉及交通流特征及驾驶行为差异的参数，需要结合现场调研标定。本研究首先采集了S324宿迁段大中修工程封闭路段前后的车速，统计了不同类型车辆的车速累积频率分布，完成对Vissim模型中期望车速的标定。然后，选用Wiedemann 74跟车模型，并对模型中的驾驶行为特征参数进行标定，其中，跟驰行为和车道变换参数选用孙剑等人的研究成果［20］。

为简化模型，采用Vissim建立双向四车道的半幅路面，并只设置警告区、上游过渡区和缓冲区，其长度设置参考JTG H30—2015公路养护安全作业规程［9］，逐级限速应按每100 m降低10 km/h设置。此外，假定：①不考虑非机动车与机动车辆的混合行驶；②不考虑车辆借用对向车道超车及不按规定让行的不安全驾驶行为；③不考虑车辆借用路肩行驶和停车等不安全行为。

2 交通安全评价指标

2.1 运行速度标准差稳定系数

交通安全受到车辆行驶速度离散程度的严重影响。统计样本的车速标准差越大，路段的交通安全隐患也就越大。因此，可以采用运行速度标准差稳定系数，即Devs衡量车辆速度的变化是否稳定，并作为养护作业控制区交通安全的评价指标。Devs可以表述为：

2.2 车辆冲突率

交通安全与车辆冲突数存在密切联系，一般冲突数越高，交通事故率也越高。此外，为更加客观反映车辆行驶安全，还需考虑车辆行驶路段的长度。车公里冲突数定义为冲突数与交通量和路段长度乘积的比值，即：

式中：f为冲突率，次/（辆·km）；TC（Traffic Conflict）为车辆冲突次数，次；Q为仿真交通量，辆/h；L为仿真路段长度，km。

Wiedemann 74跟车模型如图1所示，驾驶行为状态包括无反应区、无意识反应区和有意识反应区。处于有意识反应区的车辆由于过于逼近前车，存在撞车风险。Vissim仿真记录中标记为AX的车辆与前车的距离小于期望车头间距，处于碰撞危险区。统计仿真过程中标记为AX的车辆的出现频次作为冲突数。

图1 Wiedemann 74跟车模型

Vissim仿真记录中，车辆交互状态除BRAKEAX外，还有FREE、FOLLOW和BRAKEBX。同一车辆在不同行驶位置可能均处于BRAKEAX状态，因此，还需记录车辆编号和模拟时间。由于仿真数据量大，首先采用Power BI Desktop筛选出警告区内的车辆交互状态，然后使用EXCEL对数据二次处理，即先按车辆编号排序，后按模拟时间排序，筛选出交互状态为BRAKEAX的车辆频数。

3 逐级限速对车速变化和交通冲突的影响

交通量为1800 pcu/h，设计速度100 km/h公路养护作业区限速控制对警告区速度分布的影响见图2。进入限速区后，车速逐渐下降，并最终达到限速值。限速值越小，车辆达到限制速度行驶的距离越长。若设定最终限速值为60 km/h，采用一阶限速，在700 m处车速发生明显突变；采用二阶限速，在700～900 m之间车速出现震荡；而采用三阶限速，车速变化比较平稳。若设定最终限速值为40 km/h，采用一阶限速，车速变化相对剧烈，限速区和上游过渡区发生交通拥堵，甚至影响限速区上游路段车辆行驶速度的稳定性，车速出现明显下降，而采用二阶和三阶限速也不能使车速平稳下降。

图2 设计速度100 km/h公路限速控制对警告区车速分布的影响

设计速度100 km/h公路养护作业区限速控制对警告区Devs分布的影响见图3。最终限速值为60 km/h时，采用一阶限速，进入限速区后，Devs值逐渐上升，达到最大值后开始下降，并最终趋于平稳；采用二阶限速，Devs变化相对平稳，在600～900 m处出现小幅震荡；采用三阶限速，进入限速区后，Devs平稳下降后趋于稳定。相对于最终限速60 km/h，最终限速值为40 km/h时，Devs震荡十分剧烈，采用一阶限速，进入限速区后，Devs突然上升，最大接近0.2，下降后又突然上升，并未趋于稳定；采用二阶和三阶限速，Devs均表现为小幅下降后突然上升，最大值分别接近0.12和0.18。

图3 设计速度100 km/h公路限速控制对警告区Devs分布的影响

设计速度100 km/h公路养护警告区车辆冲突率见表1。最终限速值越小，限速阶数越高，冲突率越大。最终限速值为60 km/h时，采用一阶、二阶和三阶限速方案，警告区的冲突率分别为1.07、1.15和1.30次/（辆·km）。而最终限速值为40 km/h时，采用一阶、二阶和三阶限速方案，警告区的冲突率则分别达到1.86、2.38和2.69次/（辆·km）。最终限速值过低，将导致限速区和上游过渡区发生交通拥堵，车辆行驶缓慢，车头间距较小，冲突率上升。而限速阶数越高，车速变化频次越高，进而导致冲突率增加。综合警告区Devs分布和冲突率，设计速度100 km/h公路养护作业区，在交通量较大时，应采用三阶降速方案，最终限速值不宜过小，采用60 km/h为宜。

表1 设计速度100 km/h公路养护警告区冲突率

交通量为1800 pcu/h，设计速度80 km/h公路养护作业区限速控制对警告区速度分布的影响见图4。采用一阶限速，当最终限速值比较小时，限速区尤其是上游过渡区将发生交通拥堵，甚至造成限速区上游路段车速小幅下降。采用二阶限速时，在700～900 m处车速发生震荡。当采用三阶限速时，进入限速区后，车速平稳下降，并最终达到限速值。

图4 设计速度80 km/h公路限速控制对警告区车速分布的影响

设计速度80 km/h公路养护作业区限速控制对警告区Devs分布的影响见图5。当最终限速值为40 km/h时，进入限速区后，Devs出现剧烈震荡，即使采用三阶限速方案，Devs最大震荡幅度仍超过0.15，若采用一阶限速，在进入限速前，Devs即出现小幅震荡。最终限速值采用50 km/h，一阶限速和二阶限速时，进入限速区后Devs出现小幅震荡，若采用三阶限速，限速区Devs震荡甚微，其值与限速区上游Devs几乎一致。最终限速值设定为60 km/h时，进入限速区后，Devs小幅下降后趋于平稳。

图5 设计速度80 km/h公路限速控制对警告区Devs分布的影响

设计速度80 km/h公路养护警告区车辆冲突率见表2。冲突率随着最终限速值的减小而增大。当最终限速值为40 km/h时，一阶限速车辆冲突率达到1.67次/（辆·km）。由于二阶限速增加了车速转换频次，导致限速区内车速出现震荡，致使冲突率反而高于一阶限速。当采用三阶限速后，降速平稳，冲突率较二阶限速有所降低，最终限速值为50 km/h时，冲突率仅为1.06次/（辆·km）。Devs和冲突率随着限速阶数和最终限速值的变化规律基本一致。为此，设计速度80 km/h公路养护作业区，在交通量较大时，可采用最终限速值为50 km/h的三阶限速方案。

表2 设计速度80 km/h公路养护警告区冲突率

交通量为1400 pcu/h，设计速度60 km/h公路养护作业区限速控制对警告区速度分布的影响见图6。相对一阶限速和二阶限速，三阶限速时，车速下降更加平稳。警告区Devs分布随着控制速度的变化见图7。进入限速区后，Devs先上升后下降。最终限速值为30 km/h时，Devs震荡幅度较大，当最终限速值上升到40 km/h时，Devs震荡幅度有所减小，甚至小于最终限速值为30 km/h的三阶降速方案。警告区交通冲突率见表3。最终限速值为30 km/h和40 km/h，冲突率差别甚微，而随着限速阶数的增加，冲突率则有小幅上升。综上所述，设计速度60 km/h公路养护作业区，在交通量较大时，可采用一阶限速方案，最终限速值宜取40 km/h。

图6 设计速度60 km/h公路限速控制对警告区车速分布的影响

图7 设计速度60 km/h公路限速控制对警告区Devs分布的影响

表3 设计速度60 km/h公路养护警告区冲突率

交通量为1400 pcu/h，设计速度40 km/h公路养护作业区限速控制对警告区速度和Devs分布的影响分别见图8和图9。一阶限速，最终限速值为20 km/h时，限速区上游路段车速明显下降，这说明限速段及上游过渡区发生了交通拥堵。Devs震荡幅度从小到大依次为最终限速20 km/h的一阶限速、二阶限速、最终限速30 km/h的一阶限速。而表4则表明警告区冲突率从小到大依次为最终限速30 km/h的一阶限速、最终限速20 km/h的一阶限速、二阶限速。从Devs分布和冲突率来看，设计速度40 km/h公路养护作业区应采用最终限速20 km/h的一阶限速方案。但是最终限速为20 km/h则会造成显著的交通拥堵，为此，最终限速为30 km/h的一阶限速方案更为合适。