基于正交試驗的城市道路施工區域閾值仿真分析

張惠玲，劉 偉，曾 好

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074;2.重慶交通建設(集團)有限責任公司，重慶 401147)

基于正交試驗的城市道路施工區域閾值仿真分析

張惠玲1，劉 偉1，曾 好2

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074;2.重慶交通建設(集團)有限責任公司，重慶 401147)

以4車道路段為研究對象，對施工區域影響分析的閾值進行了詳細的研究。選擇了4因素3水平的影響因素對閾值進行分析，使用正交試驗構筑了試驗組合，并使用VISSIM軟件對各種試驗進行了仿真分析，得出了施工區域影響車輛行駛的因素依次為封閉車道數、道路飽和度、大車率、施工道長度。考慮到封閉車道數和飽和度存在交互影響，對封閉車道數和飽和度使用交互分析，再次使用仿真軟件構筑封閉車道為2條車道和3條車道，且分別提取飽和度漸變時車輛的延誤值，得到了4條車道路段施工時的交通影響分析閾值。

交通影響閾值;施工區域;正交試驗;仿真

隨著經濟的發展，城市基礎設施和市政工程建設在逐步推進，隨之帶來的城市交通系統出現了頻繁的施工現象。由于道路施工需要占用城市車道，干擾了正常的交通秩序，使得原本就緊張得交通供需關系更加緊張。而道路本身擴容能力不強，這也給交通管理部門的工作帶來了一定的壓力。

目前，對施工區域的研究，國外研究中主要關注在高速公路方面。Asad，等［1］研究了施工區域的安全問題;Dudek，等［2］對施工期間道路的管理進行了介紹。城市道路施工的影響并沒有進行系統的分析，多數成果只針對具體施工路段給出了相應的交通組織方案［3-4］;王子浜，等［5］對施工區的道路交通狀況進行了仿真，分析了道路施工狀況下的車輛延誤值;郝媛，等［6］使用GIS建立施工區域的地理數據庫，并分析了施工狀況下的交通重分配問題以及相應的路阻函數。我國的CJJ 37—90《城市道路施工規范》［7］中也沒有對施工影響分析的閾值、分析方法等方面進行詳細的說明。針對城市道路施工問題，目前更多的研究關注于施工區的交通安全問題［8-9］。

筆者通過分析城市道路施工區段影響交通行駛狀況的影響因素，借助正交試驗設計了各種場景，使用微觀仿真軟件構筑了試驗場景，提取了相關指標，對影響道路施工區的各種因素進行了分析，給出了城市道路4車道施工期間的道路影響分析的閾值，為其它情況下的閾值分析提供了思路。

1 正交試驗的設計

對于城市道路施工區域的影響因素，筆者主要以單向4車道，即單向4車道路段中的某一段施工區域作為研究對象，如圖1。

圖1 路段施工區域示意Fig.1 The diagram of the work zone

筆者主要分析大車率、道路飽和度、封閉車道數、施工區段的長度等因素影響下的車輛行駛情況。

1)大車率。由于大車的體積較大，在道路行駛上所占用的空間較大，而且大車的啟動及行駛速度也較慢，所以大車對道路交通的影響較大，結合目前城市道路的實際情況，對于大車率分為小于10%，10% ～25%，大于25%等3個等級。

2)道路飽和度。考慮在道路飽和度較低的情況下，如果封閉車道數較少，則可能不會對道路交通造成很大的影響，而如果道路飽和度較高，即使施工封閉的車道數不多，也可能會對道路交通造成較大的影響，在本次研究中，將道路飽和度分為3級:小于30%，30% ～60%，大于60%。在本次試驗中，結合相關規范給出的推薦值和具體的試驗場景中車速的設置，設定道路每條車道的飽和流量為1 600 pcu/h。

3)封閉車道數。對于單側施工，不考慮半幅道路全部封閉的情況，單側4條車道，封閉車道數為1～3條。

4)施工區段的長度。城市道路施工的起因不同，封閉車道的長度也不相同，如道路安裝或者維護線圈檢測器，或者地鐵施工等原因。考慮道路施工區域包括預警區、過渡區、活動區、終止區4個部分組成，選取道路施工長度的最小值為100 m，結合城市道路信號控制中線控的選值，對于大于800 m的情況單獨考慮，其中間區段為100～800 m，即施工區段地長度分為3級:小于等于100 m，100～800 m，大于等于800 m。

上述4個因素，均為3個水平，如果逐個情況考慮，需要81種試驗，試驗次數較大。另外，所考慮的各因素間可能存在交互影響的情況，且上述4個因素中，影響車輛行駛的程度也不能確定。

表1 正交試驗設計Table 1 The orthogonal experiment design table

利用正交試驗法可以使用較少的試驗次數解決多因素、多水平及多指標等的試驗組合問題。

正交試驗法安排的試驗方案是有代表性，且能夠比較全面地反映各因素各水平對指標影響的大致情況。因此，用正交試驗可以在代表各種組合的試驗特征的同時減少試驗的次數。

2 仿真分析

由于實際的場景中要構筑上述的各項實驗可行性較差，所以借助于微觀仿真軟件VISSIM構筑上述9種實驗場景。使用的WIEDEMANN 74模型中的參數式，如式(1):

式中:L為前一輛車的車身長度;ZF1是一個0→1正態分布的隨機變數。

得到的部分仿真場景如圖2。

圖2 部分仿真試驗場景構筑界面Fig.2 The image of part simulation experiments

由于道路流量較大且封閉車道數較多時，在施工區域的上游有大量車輛停住滯留，且一直呈波形繼續向上游蔓延。而車輛在施工區域與下游的接口處，車輛能順利且能夠以較快的速度恢復正常行駛的情況。考慮到延誤參數能夠比較客觀的反映車輛的行駛情況，所以筆者選用施工區域上游500 m到下游100 m處車輛的車均延誤值作為參數分析的指標。

將通過仿真場景得到的各種試驗場景下的車均延誤參數使用正交試驗的方法進行分析，得出各試驗場景下的延誤參數，假設:Kij為第j列因素第i水平下所有試驗結果之和，如K12=Y1+Y5+Y9+Y13(Yi表示試驗號為i的試驗結果，i=1，2，…，16);ωij為第j列因素第i水平的試驗指標的平均值，ωij=Kij/4;Rj為極差，即ωij中的最大值減去最小值，Rj=(ωij)max-(ωij)min［10］。所得到的9種試驗場景下車輛的車均延誤及直觀分析情況如表2。

表2 正交試驗場景下的車均延誤值及直觀分析Table 2 The vehicle average delay and intuitive analysis of the orthogonal experiment simulation

由表2最后一行可以看出，各因素中極值大小的 分 布 為:R施工車道數＞ R道路飽和度＞ R大車率＞R施工區域的長度，表明施工區域封閉的車道數對車輛的車均延誤影響最大，施工區域的長度對施工區域的車輛通行延誤影響最小。各因素對施工區域影響程度由大到小依次為:施工封閉的車道數 ＞道路飽和度 ＞大車比例 ＞施工區域的長度。

由圖3中各曲線的上升及轉折情況可以看出，施工車道數增加時，車輛的車均延誤也在增加，特別是施工車道數從2條變成3條時，車輛的車均延誤值急劇增加，表明封閉車道數從2條到3條變化時對車輛的影響程度顯著增加，而車輛的飽和度增加時，車輛的車均延誤也在逐步增加，公交的比例在10%以下增加10%～25%得時候對車輛得延誤有所增加，而從25%得比例再增加時，對施工區域車輛得延誤影響則相應有所減小。

圖3 正交試驗效應曲線Fig.3 The response curve of the orthogonal experiment simulation

由于道路飽和度和施工車道數會對車輛的延誤產生交互作用，使用交互作用分析表進行分析，結果如表3。

表3 道路飽和度和封閉車道數交互作用數值Table 3 The interactive table of the saturation and the closed lane number

由表3可以看出，在車道封閉數為3條，且飽和度達到30%～60%的時候，該交互作用的數值達到了165.64。說明在該交互作用下，對車輛的延誤影響程度最高，而在車道封閉數為2條時，隨著飽和度的增加，施工段車輛得延誤也有所增加。

為了得出具體的分析閾值，設定施工區域封閉車道數為2條，道路飽和度在60% ～90%范圍內逐級變動;封閉車道數為3條，道路飽和度在30% ～60%范圍內逐級變動。再次構筑仿真場景，對施工區域的車均延誤參數進行提取，得到的封閉車道為2車道和3車道時，在不同的飽和度下提取得到的車均延誤值如圖4。

圖4 車均延誤變化曲線Fig.4 The vehicle’s average changing curve

由圖4(a)可以看出，車均延誤隨著飽和度得增加呈增大趨勢。由具體的數值變化可以得出，封閉車道數為2條時，飽和度從0.6到0.65，車均延誤從22.06 s躍變到30.58 s;飽和度從0.65 到0.7，車均延誤從30.58 s躍變到40.19 s，躍變幅度增大。從具體的仿真界面可以看出在該拐點處封閉車道的上游車輛的擁擠程度加劇，所以，取0.65為交通影響分析的閾值，即封閉車道數為2條，且道路的飽和度超過0.65時應進行影響分析。

從圖4(b)可以看出，封閉車道為3條時，隨著飽和度的增加，車均延誤值整體呈增加趨勢。具體來看，道路飽和度從0.3 到0.35，車均延誤從 14.90 s躍變到30.18 s;飽和度從0.35 到0.4，車均延誤從30.18 s躍變到55.85 s，躍變幅度較大。且從仿真界面看出，在該時段施工路段上游的車輛出現了較大規模的擁堵，所以取飽和度0.40為封閉車道數為3條時的閾值，即當飽和度超過0.40時，需要進行相應的交通影響分析。

3 結語

隨著城市道路的頻繁施工，施工區域的交通影響越來越多的受到關注。筆者考慮了城市道路施工區域可能的影響因素為施工車道數、道路飽和度、施工區段的長度、大車率等因素，以4車道路段為研究對象，使用正交試驗構筑了4因素3水平的影響分析對應的試驗場景，使用VISSIM仿真軟件對各種試驗進行了仿真，得到了影響車輛行駛的因素;對封閉車道數和飽和度使用交互分析的方法，得到了相應的閾值結果。

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Study on Threshold of Work Zone Simulation Analysis Based on Orthogonal Experiment

Zhang Huiling1，Liu Wei1，Zeng Hao2
(1.School of Traffic＆ Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Chongqing Communication Construction Group，Chongqing 401147，China)

The paper studies the Four-lane’s traffic impacting analysis threshold when the road is working.Four factors and three levels are chosen based on the possible impacting factors.The orthogonal experiment is used to get the experiments’combination;the VISSIM software is used to get the experiment scene.Based on the simulation model，the order of the factors impacting the traffic is closed lane number，the saturation，the bus ratio and the work zone length.For the interaction phenomenon of the closed lane number and the saturation，when there are two or three closed lanes，the simulation scene is made again and the saturation is increased gradually.Finally，the threshold is got.

traffic impact threshold;work zone;orthogonal experiment;simulation

U491

A

1674-0696(2012)04-0807-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.18

2011-11-21;

2012-03-11

重慶市自然科學基金項目(CSTC，2010BB6278)

張惠玲(1980—)，女，寧夏中寧人，副教授，博士，主要從事交通信息工程及控制方面的教學和研究。E-mail:huilingz@126.com。