基于仿真分析的城市道路養護工程方案評價方法研究

張　倩，張金喜（北京工業大學 交通工程北京市重點實驗室，北京 100124）

基于仿真分析的城市道路養護工程方案評價方法研究

張倩，張金喜
（北京工業大學 交通工程北京市重點實驗室，北京 100124）

以城市道路養護工程實施方案的評價方法作為研究對象，利用交通仿真方法針對城市道路不同養護工程實施方案產生的交通影響進行定量評價，并結合運行車輛的速度-油耗模型，對不同養護實施方案導致的車輛燃油變化進行分析。結果表明，在對城市道路進行養護施工時，選取不同施工時段、不同施工方式、不同作業區長度等養護實施方案對道路交通具有明顯的影響，同時由于不同實施方案產生的交通影響不同，也會導致車輛燃油消耗發生較大變化。由此可見，對城市道路養護工程進行合理、科學的施工方案優化，既可以減小養護工程施工造成的交通影響，又可以減少運行車輛的燃油消耗。最后給出了城市道路養護工程實施方案的評價流程和方法。

城市道路；養護工程；方案；評價方法；交通仿真

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

城市道路是城市公共基礎設施，服務于城市交通運輸及居民出行。近年來，我國汽車保有量迅速增長，截至2013年底，全國汽車保有量已達到1.37億輛。一方面，在汽車保有量激增的需求下，我國城市道路里程大幅度增長，同時使大部分城市道路都承載了超越本身設計服務能力的交通量，導致城市道路早期破壞嚴重，養護工作日益繁重。另一方面，在進行城市道路維修養護施工時，通常需要封閉部分車道，在幾乎飽和的城市交通環境下，更容易導致道路擁擠和交通延誤，使交通事故率上升，并導致汽車燃料消耗增加。由于道路施工帶來的交通問題所造成的額外社會成本，有時會比養護作業本身產生的費用還要高[1]。因此，制定合理、科學的城市道路養護工程實施方案對于促進和諧城市交通建設、促進環保和綠色城市建設具有重要的理論和實際意義。

國內外學者對公路養護作業區的交通影響進行了一定的研究，國內外的許多規范對公路養護區及標志的設置做出了詳細規定[2-4]。吳江玲[5]從事故費用、建設養護工程費用及出行者延誤費用角度建立了公路養護維修施工區設置的優化模型；周茂松[6]等在考慮道路交通流量的時間變化特性基礎上利用Matlab工具初步實現了道路維修養護作業區長度的優化計算；劉磊[7]根據作業區特性建立了以元胞自動機為基礎的高速公路作業區車流模型以及換道模型并對作業區的通行能力進行了計算；吳彪[8]對高速公路養護作業區的行車風險進行了安全分析，依據分析影響因素提出安全控制策略；Miller[9]通過大量速度控制區策略的調查工作，指出速度控制是養護作業區安全最關鍵的因素。

國內外對道路交通運行進行了全面的研究，但在城市道路養護工程方案交通影響評價方面的研究較少。在實際工作中，道路養護工程方案通常以技術可行性、經濟可行性為主制定，在此過程中，定性考慮了養護工程方案的交通影響問題，但還未提出定量的評價流程和方法，無法對養護工程實施方案從技術、經濟、交通影響、環境影響等方面進行全面、綜合評價，使養護工程方案在科學性和合理性方面存在缺陷。

本文以某城市道路養護工程為例，對基于交通仿真技術的不同實施方案的交通影響定量評價問題進行了研究，并分析了其對交通油耗產生的影響，提出了城市道路養護工程實施方案的決策流程和方法。

1　城市道路養護工程方案因素分析

道路養護工程方案應考慮的因素非常多，主要包括：①技術因素：采取不同的養護維修技術，不僅造價不同、施工難易程度不同，交通管理控制方式和施工持續時間也不同；②經濟因素：經濟因素有時是制定養護工程方案的決定性因素，取決于養護工程類型和技術措施，同時與交通管理方式有關；③交通管理因素：城市道路交通量大，局部交通擁堵容易造成較大的交通影響，因此，交通管理措施是城市道路養護工程方案的重要內容；④施工時間：白天交通繁忙，道路施工易造成交通擁堵，夜間施工對交通干擾小，但施工成本有一定的增加；⑤施工方式：施工方式指養護工程施工順序、施工流程等，對全幅路進行養護，可以采取封閉不同車道進行施工，封閉的車道數不同，施工持續時間不同，對交通的影響也不同；⑥其他：交通導改標志設置、作業區長度、天氣等因素也是制定道路養護工程實施方案需要考慮的內容。

目前在編制養護工程實施方案時，對技術因素、經濟因素的定量考慮比較全面，而對其他方面的考慮較少，即使考慮也只是進行定性分析，而沒有進行定量分析。

某城市道路養護工程分為東、西兩段，本文選取西段作為研究對象，如圖1所示。養護路段自六里橋向東經過太平橋大街至馬連道路口，全長1 370m。路段信息如表1所示。本文以該養護工程為研究對象，探討養護工程的交通影響分析和評價方法，并對由此造成的燃油增加等后續效應進行初步的分析。

圖1　 施工路段位置圖

表1　施工路段信息

2　城市道路養護工程施工方案的確定

2.1施工時段

一天中不同時段內的交通量差別比較大，道路施工對交通產生的影響也不同。該養護工程位于北京市市區，為保證交通的順暢運行，一般要求在晚上施工。為比較施工時段對交通的影響，本文將施工時段分為兩類，即白天施工（7：00—19：00）和夜間施工（22：00—次日6：00）。

2.2施工方式

施工方式指養護工程施工組織方式。根據該工程的可能性，將施工方式劃分為三類，即全長半幅施工、分段半幅施工和全長分車道施工，如圖2所示。

圖2　施工組織方式示意圖

圖2（a）所示為全長半幅施工。該施工方式是實際工程采用的施工組織方式，即對全長1 370m的半幅路面進行全封閉，一次性完成導改和養護施工。對向半幅路面的三條車道中，兩條車道保持原交通方式，一條車道改為反方向交通方式，以保證該路段雙向交通運行，車流方向如圖中箭頭所示。

圖2（b）為分段半幅施工。由于施工區段較長，可能對該路段交通產生嚴重影響，因此考慮將該養護路段劃分為兩部分分別施工，以減小施工區長度。分段內的施工方式同圖2（a）。

圖2（c）為全長分車道施工。為進一步減小養護施工可能對該路段交通產生的影響，考慮采取全長分車道施工的方式。即對于全長1370m的路面，分別對每條車道進行交通導改和養護施工。施工時其他兩個車道保持交通運行狀態，以保證施工路段雙向交通運行，車流方向如圖中箭頭所示。

2.3施工作業區仿真模型

養護維修作業控制區一般由警告區、上游過渡區、緩沖區、工作區、下游過渡區及終止區組成。根據道路實際情況和《城市道路養護維修作業安全技術規程》（SZ—51—2006）[10]的規定，擬定施工作業區設置方式（見表2），并用于路段的交通仿真。

表2　施工作業區布置方式（單位：m）

2.4施工總時間

施工總時間包括交通導改時間和養護施工時間，施工組織方式不同，完工所需施工總時間也不相同。該養護工程實際施工中，采用全長度半幅施工方式，施工時段為23：00—次日6：00。經對該工程施工情況進行跟蹤調查，交通導改時間共計4d，養護施工時間共計18d，養護工程持續時間共計22d。折合成工作小時數，則交通導改時間為28h，施工時間為126h，總時間為154h。

一般來講，交通導改時間和養護施工時間均與施工面積有關。施工面積大，則需要的交通導改長度長，交通導改和養護施工時間也同步增加。但交通導改時間和養護施工時間與養護施工面積并不是在任何情況下都是同比例增長的。相同養護施工面積下，分兩次施工時，需要進行兩次交通導改，總的交通導改時間要長于一次交通導改的總時間。養護施工時間也是這樣，由于設備的調配、進出場、調試等，分兩次施工所需要的總時間要長于一次施工所需要的總時間。

根據上述分析，本文提出交通導改效率系數α和養護施工效率系數β，前者指不同施工組織方式時交通導改所需時間的調整系數，而后者指不同施工組織方式時養護施工所需時間的調整系數。不同施工組織方式下的交通導改和養護施工所需總時間按式（1）和式（2）計算，計算結果見表3。

式中：T1為實際交通導改時間（h）；T2為實際養護施工時間（h）；α為交通導改效率系數，全長半幅施工時，α為1，分段半幅施工及全長分車道施工時，α為1.2；β為養護施工效率系數，全長半幅施工時，β為1，分段半幅施工時，β為1.5，全長分車道施工時，β為1.8；v1為交通導改平均速度（m/ h）；v2為養護施工平均速度（m2/h）；L為交通導改設施搭建和拆除的總長度（m）；S為養護施工總面積（m2）。

表3　不同施工方式的養護施工總時間

3　養護工程交通影響的Vissim仿真及評價

3.1仿真模型的驗證

依據上述養護施工方式設計，分別建立Vissim仿真模型并對其進行驗證。選取仿真高峰小時流量作為校核Vissim模型的指標。本文依據實際工程全長半幅施工下的交通流量調查結果，求出每條車道的平均交通流量，并用來估算另外兩種施工方式下的交通流量。不同道路施工方式下的實際高峰小時流量與仿真高峰小時流量對比如表4所示。

表4　高峰小時流量對比

由表4可以看出，Vissim仿真結果與三種施工方式高峰小時流量的相對誤差絕對值都在2%以內，所以參數標定符合實際情況，建立的仿真模型有較好的適用性。

3.2交通總延誤

對不同施工方式下的養護施工作業區段進行Vissim仿真，得到不同情況下的平均延誤時間及仿真車輛數，進而求得總延誤時間。總延誤時間的計算公式如式（3）所示：

式中：T為總延誤時間（h）；t1為平均延誤時間（s）；t2為完工時間（d）；t3為仿真時間（h）；veh為仿真車輛（輛）。

圖3為不同施工方式下的總延誤時間。可以看出，在所有施工方式下，白天施工都比晚上施工的總延誤時間要多，并且在不同施工方式或施工作業區長度下，改變施工時段對總延誤時間的影響程度不同。與半幅施工相比，分車道施工能很大程度地減少總延誤時間，這主要是因為分車道施工時的車速較快，平均延誤時間較小。比較作業區長度（685m與1 370m）可知，減少作業區長度、采用分段半幅施工可以減少總延誤時間，這主要是車輛行駛路段短、平均運行時間減少所致。

圖3　不同施工方式下的總延誤時間對比圖

不同施工方式下的總延誤時間對比如圖3所示。對比上述三種施工方式可以看出，無論選擇白天還是晚上施工，施工方式3即作業區長度為1 370m的分車道施工的總延誤時間最少，為理論上最優的施工方案。

3.3不同施工方式下的燃油消耗

利用Vissim仿真，輸出三種不同施工方式下的運行時間、平均速度及仿真車輛數，結果見表5。

表5　不同施工方式下的仿真輸出指標

車輛在不同工況下，燃油性能不同。由于道路的養護施工造成了車輛行駛狀況的改變，必然會影響該路段通過車輛的總燃油量。文獻[11]給出了城市道路工況下小型客車的平均速度-油耗模型，如式（4）、式（5）所示。調查表明，本文研究路段上運行車輛類型中的小型客車占到90%以上，其他所有車型比例小于10%，其條件符合該模型的適用條件。

平峰時期：

高峰時期：

式中：FC為單位車輛油耗（L·h-1）；v為平均速度（km·h-1）。

利用上述模型和本文的仿真結果，可以計算不同施工方式下，施工作業區路段通行車輛的總燃油量，計算公式如式（6）所示，計算結果見圖4。

式中：Q為總油耗（L）；t1為運行時間（s）；t2為完工時間（d）；t3為仿真時間（h）；veh為仿真車輛數（輛）。

圖4　不同施工方式下的總油耗對比圖

由圖4可以看出，在三種不同施工組織方式下，白天施工總油耗比夜間施工總油耗大，主要是因為白天的交通量較大。比較施工方式1和施工方式2可知，適當減小作業區長度，可以降低施工路段內運行車輛的燃油消耗，主要是因為封閉路段較短，車輛通過施工路段運行時間減少，車輛油耗隨之減少；與半幅施工相比，選擇分車道施工卻增加了車輛燃油消耗，雖然分車道施工車速有很大程度提高，但該施工方式下交通量增加，施工工期延長，從而導致總油耗增加。

對比上述三種施工方式的燃油消耗情況可知，無論白天還是夜間施工，施工方式2的總油耗最小，即作業長度為685m的半幅施工為理論最優方案。

4　城市道路養護工程實施方案決策流程

在實際工作中，城市道路養護工程方案的確定是一個復雜的決策過程，既要考慮養護技術的可行性，也要考慮養護方案的經濟性，還要考慮養護工程施工可能造成的交通擁堵等交通影響。本文利用交通仿真手段進行養護工程的交通影響分析，在養護工程實施方案的技術、經濟定量評價基礎上，實現了對交通影響的定量評價。

綜合考慮技術、經濟、交通因素，本文提出城市道路養護工程實施方案決策流程，如圖5所示。基本方法是：首先，根據工程的具體情況擬定3~4個初步實施方案，進行技術可行性和經濟可行性分析，如果存在技術上或經濟上的缺陷，則應舍去，重新擬定可行的實施方案；其次，對于技術上和經濟上可行的2~3個實施方案，利用交通仿真手段，進行不同實施方案的交通影響分析，得到平均延誤、平均車速、排隊長度等技術指標；然后，進行交通影響和環境影響評價，包括總延誤、總延誤費用、燃油性、排放量等技術指標；最后，根據優先程度、重要性、工程特點等，確定最優的實施方案。

5　結論

城市道路養護工程施工具有其特殊性，在考慮技術、經濟可行性的同時，還必須考慮養護工程對交通的影響。本文提出了道路養護工程交通影響的定量評價方法，并提出了進行城市道路養護工程實施方案決策流程。

圖5　城市道路施工方案決策流程

本文通過對具體養護工程的研究發現，不同實施方案產生的交通影響和環境影響不同，實際中所采取的養護工程實施方案，從交通影響和環境影響來看并非最優方案，通過改變施工組織方式，可以把養護工程對交通和環境的影響顯著降低。因此，在考慮技術、經濟可行性的基礎上，還要定量考慮養護工程對交通產生的影響，才能提出最優的城市道路養護工程實施方案。

本文結合具體工程進行研究，其結論尚需在其他工程中進行驗證。同時，綜合考慮技術、經濟、交通、環境的道路養護施工方案決策方法有待進一步的研究。

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Evaluation Method of Road Maintenance Project Program Based on Traffic Simulation

ZHANG Qian,ZHANG Jin-xi
(Key Laboratory for Traffic Engineering of Beijing,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Taking the evaluation method of urban road maintenance project implementation scheme as the research object in the paper,the traffic impact of different maintenance project of urban road were quantitatively evaluated by using the traffic simulation method.Then,based on the vehicle′velocity-fuel consumption model,the change of vehicle fuel consumption caused by different embodiments of maintenance projects was analyzed.The results showed that the construction period,the construction method and the operating zone length had significant impact on road traffic in the maintenance construction of urban road,which also led to large changes in fuel consumption of vehicles.Therefore it was concluded that reasonable and scientific construction plan optimization not only can reduce the traffic impact caused by the road maintenance construction,but also can reduce the fuel consumption of vehicles.Finally,the decision process and method of urban road maintenance project program were suggested.

urban road;maintenance project;program;evaluation method;traffic simulation

U491

A

2095-9931（2015）01-0027-06

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.005

2014-09-25