基于服務水平的道路施工交通影響范圍確定方法

姜 康,石章鵬,陳 熹,張衛華

(合肥工業大學 交通運輸工程學院，安徽 合肥 230009)

基于服務水平的道路施工交通影響范圍確定方法

姜 康,石章鵬,陳 熹,張衛華

(合肥工業大學 交通運輸工程學院，安徽 合肥 230009)

在對已有建設項目交通影響范圍確定方法分析比較的基礎上，在道路施工期間，通過引入特征信號交叉口的概念，以交叉口整體飽和度服務水平等級不下降作為收斂條件，提出了基于服務水平的道路施工交通影響范圍確定方法。通過比較道路施工前后交叉口的飽和度服務水平等級大小，來確定道路施工影響范圍。實例應用表明：通過交叉口整體飽和度服務水平等級來確定道路施工交通影響范圍方法的有效性，具有重要的實際意義，為城市道路基礎設施建設提供參考。

交通運輸工程；特征信號交叉口；交通分配；道路施工；飽和度；交通影響范圍

交通影響范圍是指建設項目達到交通影響分析閾值時，分析評價周邊路段和交叉口所在區域的近遠期交通狀況[1]，其含義如圖1。

圖1 交通影響范圍定義Fig.1 Definition of traffic impact area

交通影響范圍是進行交通影響分析和評價的重要內容,須要明確實施交通改進措施的區域。

在目前交通需求日益加大的緊張情況下，如何準確合理地確定交通影響范圍，既能達到減少節約項目建設成本，又能滿足交通需求，是交通影響分析理論和實踐中很重要也是很迫切的問題。故交通影響范圍的確定方法是目前需要解決的重點和難點問題，具有重要的實際意義。

1 交通影響范圍方法的確定

交通影響分析已在美國、英國等多個國家城市得到廣泛應用，但大多忽視了建設項目的動態性和持續性[2]。由于國外交通出行方式比較單一，路網密度較大，國外對于影響范圍的確定方法大多是通過問卷調查或依靠各級主管部門和專家經驗來主觀確定[3]。W．A．SARASUA等[4]研究了高速公路施工路段排隊長度的評估方法。CHEN Qian等[5]研究在大型活動突發事件情況下，基于CTM和交通管理措施基礎上，提出了對于突發事件情況下交通影響范圍確定方法。國內學者主要對大型建設項目、突發事件等方面進行了相關研究。霍婭敏等[6]基于后評價原理，采用權重判斷法篩選評價指標，確定各指標權重，建立了城市建設項目交通影響后評價模型，并通過實例驗證該模型有效。孟維偉等[7]考慮了出行時間對出行者路徑選擇行為的影響，提出了一種更符合實際道路交通狀況的基于行程時間可靠性的交通影響范圍確定方法，用實例驗證該方法的可操作性和適用性。馬劍等[8]利用卡爾曼濾波算法對交通突發事件影響時間進行預測，給出了相應計算方法和步驟，通過實際路網計算驗證了該方法的可行性。劉偉等[9]在施工交通影響區域內，以現狀交通量和道路條件為基礎、路徑的行程時間可靠性為約束，采用了容量約束分配法，降低了施工占道對交通運行的影響。

1.1 煙羽模型法

煙羽模型法是一種基于協同學理論的，把建設項目產生(吸引)的交通量對周圍路網的影響當作空氣中的煙霧來確定建設項目交通影響范圍的方法[10]。該方法以職工崗位數為關鍵因素，其關系到建設項目的位能，其最大影響距離為：

(1)

式中：xd為最大影響距離，m；ζ為建設項目交通量向外擴散的比例，ζ∈(0,1)；P為職工崗位數，人；α，β為位能常數；Cd為建設項目對周圍路網的極限影響力。

1.2 基于出行時間的量化方法

此方法的基本思想是在以等時線為形式來進行時間分析的基礎上，將出行時間作為量化交通影響范圍的主要依據[11]。其步驟是：先初步劃定交通影響范圍，接著對影響范圍項目周邊路網進行交通負荷的調整、分析和評價，在此基礎上不斷進行調整，并對有無建設項目的兩種情況下分析比較路網交通出行時間，然后進行判定是否為建設項目的交通影響范圍。

該方法的關鍵是量化出行時間，其規定為兩點間的時間距離，等于道路路段路阻(各路段行駛時間)與交叉口延誤時間之和，計算公式為

(2)

式中：T為兩點間的時間距離，min；ti為各路段的路阻，min；di為各交叉口延誤的時間，min。

1.3 基于閾值分析的方法

由于交叉口通行能力、車輛延誤都和信號周期有關，一般情況下延長信號周期時間，可以提高交叉口通行能力，但不能無限延長或縮短，周期過長過短都會對交叉口通行能力產生影響。根據圖2中信號交叉口服務水平與延誤的關系可知，適當調整信號周期，對交叉口服務水平沒多大影響。故可考慮從這方面去判定道路施工交通量的轉移對周邊交叉口的影響程度[12]。

圖2 F-B理論信號周期與每車延誤時間關系Fig.2 The graph of F-B signal cycle theory and delay time per vehicle

信號周期計算方法為C=(1.5L+5)/(1-Y)；其中：Y代表流量比；L為一個信號周期內的總損失時間。

由C=(1.5L+5)/(1-Y)可知，在相位條件確定情況下，通過流量比可以得到信號周期。因為在實際應用中流量比的數值較容易獲得，故選擇式(3)的流量比作為信號交叉口是否在交通影響范圍內的評判指標[13]。

(3)

式中：qi為臨界車道的交通量；si為臨界車道的飽和流量；k為相位數。

1.4 交通影響范圍確定方法的分析比較

對上述方法分析比較可知，煙羽模型法比較簡便，但對項目周邊路網的交通特性等因素考慮較少，對于不同開發類型、規模和強度的建設項目來說具有良好的適用性。基于出行時間的量化方法在基于出行時間分析基礎上，能夠較精確的判定項目的交通影響范圍，適用于規模較小的建設項目。相比于以往建設項目采用交叉口延誤指標來確定影響范圍來說，基于閾值分析方法更為直接，可直接用于道路施工管理方案的制定。

但是這幾種方法仍存在許多不足，如標定、驗證模型的數據不易采集；模型或公式中存在模糊性大且較多的影響因素，不利于分析；主要都是研究規模較大的開發項目或大型商業建設項目的交通影響范圍，尤其對道路施工交通影響范圍確定方法這方面研究很有限。

基于此，筆者以定量方式提出，以道路施工交通影響范圍邊界上，特征信號交叉口高峰小時整體飽和度的服務水平等級為收斂條件，來確定道路施工交通影響范圍的方法，降低了主觀判定的差異性。

2 基于服務水平的確定方法

2.1 特征信號交叉口

特征信號交叉口是指在交通影響范圍邊界上，一些具有典型性特征的信號交叉口。分為高等級道路相交的信號交叉口、飽和度較大的信號交叉口以及轉換功能較強的信號交叉口。

2.2 收斂條件的確定方法

筆者通過影響范圍邊界上特征信號交叉口，高峰小時整體飽和度的服務水平等級不下降為收斂條件。在施工影響范圍邊界上，因施工產生的分流對劃定的特征信號交叉口均有影響，但由于交叉口通行能力不同、駕駛員駕駛習慣存在差異、連接交叉口的路段上交通狀況不同等原因，故對某些特征信號交叉口影響較大，另一部分影響較小。如果分別考慮每個特征信號交叉口在施工前后高峰小時服務水平的等級變化情況，再判定服務水平等級下降的交叉口個數所占的比重，由于這個“比重”的大小難以判定，在整體上就難以評估此影響范圍是否為最終的施工影響范圍。筆者考慮特征信號交叉口的高峰小時整體飽和度服務水平等級，如式(4)。在當前選定的施工影響范圍邊界上，施工后所有特征信號交叉口高峰小時的整體飽和度服務水平等級和施工前相比下降，則此施工影響范圍在最終施工影響范圍內，否則在最終施工影響范圍之外。

(4)式中：Y整體為影響范圍內特征信號交叉口高峰小時整體飽和度；yi為影響范圍內第i個特征信號交叉口高峰小時飽和度；n為影響范圍特征信號交叉口個數。

2.3 交叉口飽和度

我國信號交叉口的服務水平衡量指標主要是車輛延誤、車輛排隊長度、交叉口飽和度和交叉口平均車速這4部分。信號交叉口飽和度增加時，車速降低，如果信號配時不變，則車輛排隊長度增加，車輛延誤加大；當飽和度降低時，車速增加，車輛排隊長度減小，車輛延誤也隨之變小。因此，其他3項指標都與交叉口飽和度有一定的關系，此外飽和度更能體現交叉口的擁擠程度。

筆者對道路施工期間交通影響范圍的評價指標采用信號交叉口的飽和度來評判。用飽和度作為評價指標時，交叉口服務水平可按表1來分級[14-16]。

表1 信號交叉口服務水平分級標準Table 1 Classification standard of service level at signalized intersection

2.4 道路施工交通影響范圍的確定

筆者基于城市建設項目中“圈層外推法”的思想來確定施工影響范圍。即：以施工路段所在位置為中心，以特征信號交叉口的整體高峰小時飽和度服務水平等級為控制指標，從中心依次向外圍路網擴展，形成若干個圈層。設定收斂條件為：當前圈層上因施工造成的所有特征信號交叉口高峰小時飽和度服務水平等級下降，而下一圈層的等級不變，則當前圈層即為最終施工影響范圍。圖3為假定道路網系統中施工范圍的影響。

圖3 施工影響范圍Fig.3 Construction impacted area

圖3(a)中圓圈包圍區域的中間段表示施工路段。以施工路段為中心，首先建立第1圈層施工影響范圍為圖中6個圓圈包圍的部分，6個圓圈為范圍邊界上的特征信號交叉口。經調查可得第1圈層范圍內的各路段高峰小時交通量，以圓圈類比于交通小區的起訖點，利用TransCAD中的用戶均衡法(UE)進行OD反推和交通分配，得出施工前后第1圈層范圍內各路段的高峰小時交通流量Vi。特征信號交叉口各進口道的車道組成均可通過調查得知，利用停車線法，可確定影響范圍邊界上各特征信號交叉口的通行能力Ci。此時Vi與Ci的比值即為施工前后第1圈層范圍邊界上各特征信號交叉口高峰小時的飽和度，進一步得出施工前后第1圈層范圍邊界上各特征信號交叉口高峰小時的整體飽和度服務水平等級。比較施工前后的等級大小，如施工后較施工前等級下降，則不滿足收斂條件，繼續向外擴展施工影響范圍邊界。

繼續向外擴展，形成如圖3(b)中由12個圓圈包圍的第2圈層施工影響范圍。重復前述步驟，比較施工前后特征信號交叉口的高峰小時整體飽和度。如不滿足收斂條件，再次向外擴展施工影響范圍。

圖3(c)中，由16個圓圈包圍部分為第3圈層施工影響范圍。通過計算，如果此圈層上各特征信號交叉口在施工前后的高峰小時整體飽和度服務水平等級相同，則滿足收斂條件；因此取第2圈層施工影響范圍作為最終道路施工期間交通影響范圍。

綜上所述，基于高峰小時特征信號交叉口飽和度服務水平等級的，道路施工交通影響范圍確定方法過程如流程圖4。

圖4 道路施工交通影響范圍確定方法流程Fig.4 Flow of determining the construction impacted area

3 算例分析

3.1 算例基礎數據

本次實例應用中，考慮2008年馬鞍山路中段(南二環—長江中路)全封閉施工期間道路交通組織方案，如圖5中線段表示部分為研究路段。

圖5 施工路段位置Fig.5 Location of construction road section

對施工路段周邊現狀道路網，經2008年道路施工前調查分析，獲取各路段通行能力及現狀交通量數據及項目周邊主要交叉口通行能力。

3.2 確定道路施工交通影響范圍

采用第2節介紹的方法，確定馬鞍山路中段道路施工期間的施工影響范圍。

3.2.1 第1圈層施工影響范圍

第1圈施工影響范圍為蕪湖路—巢湖路—南一環路—寧國路包圍的區域(圖6)。由于寧國路與南一環路交叉口形式為右進右出，同時考慮道路交通及交叉口狀況，選取圖中5個圓圈為第1圈層施工影響范圍的特征信號交叉口。

圖6 第1圈層施工影響范圍及特征信號交叉口位置Fig.6 Construction impacted area and characteristic signalized intersection of first circle-layer

由調查基礎數據可得出第1圈施工影響范圍內各路段在施工前的高峰小時交通量，借助TransCAD中的OD反推模型，得到以特征信號交叉口為起訖點的OD表(表2)。

表2 第1圈層施工影響范圍OD表Table 2 OD table of construction impacted area of first circle-layer

利用表2中的OD表數據，分別進行施工前和施工后的交通分配，得出第1圈層在施工前后各路段的編號及交通量，如圖7和表3。其中，A-B流量和B-A流量分別表示路段高峰小時東—西(南—北)、西—東(北—南)交通量的大小。

圖7 第1圈層施工前后路段編號Fig.7 Section number of first circle-layer before and after construction表3 第1圈層施工前后路段交通量Table 3 Traffic volume of first circle-layer before and after construction

編號施工前施工后AB流量qAB/(pcu·h-1)BA流量qBA/(pcu·h-1)AB流量qAB/(pcu·h-1)BA流量qBA/(pcu·h-1)1898881989973288990610181031390489710199984104710511137114558898659639936803789891872755756963565786877617638559106910811199127410821842——

將5個特征信號交叉口各進口道施工前后交通量分別相加，即各交叉口在施工前后的交通量。如表4，列舉了道路施工前后特征信號交叉口高峰小時的交通量和飽和度。

表4 施工前后特征信號交叉口高峰小時的交通量和飽和度Table 4 Traffic volume and saturation at peak hour at characteristic signalized intersection before and after construction

計算第1圈層各特征信號交叉口高峰小時的整體飽和度在施工前為(0.48+0.61+ 0.53+0.55+0.55)/5=0.54，屬于B等級；在施工后為( 0.53+0.71+0.59+ 0.64+0.56)/5=0.61，屬于C等級。施工后下降了一個等級，不滿足收斂條件，繼續向外圍擴展，進入第2圈層施工影響范圍內。

3.2.2 第2圈層施工影響范圍

第2圈層施工影響范圍是長江中路-馬鞍山路北段-長江東路-銅陵路-太湖路-徽州大道包圍區域(圖8)。

圖8 第2圈層施工影響范圍及特征信號交叉口位置Fig.8 Construction impacted area and characteristic signal intersection of second circle-layer

考慮道路交通及交叉口狀況，選取圖8中11圓圈為第2圈層施工影響范圍特征信號交叉口。

借助TransCAD中的OD反推模型，同理按照上面的方法計算。將11個特征信號交叉口各進口道施工前后交通量分別相加，即各交叉口在施工前后的交叉口交通量。表5列舉了道路施工前后特征信號交叉口高峰小時的交通量和飽和度。

表5 施工前后特征信號交叉口高峰小時的交通量和飽和度Table 5 Traffic volume and saturation of peak hour at characteristic signalized intersection before and after construction

計算第2圈層各特征信號交叉口高峰小時的整體飽和度在施工前為0.56，屬于B等級；在施工后為0.61，屬于C等級。施工后下降了一個等級，不滿足收斂條件，繼續向外圍擴展，進入第3圈層施工影響范圍內。

經計算可知，第3圈層上特征信號交叉口的高峰小時整體飽和度在施工前為0.52，屬于B等級；施工后為0.58，仍為B等級，滿足收斂條件。因此，上1圈層即第2圈層為最終的道路施工影響范圍，即長江中路-馬鞍山路北段-長江東路-銅陵路-太湖路-徽州大道所包圍的區域。

4 結 語

提出了特征信號交叉口的概念，以施工前后特征信號交叉口高峰小時整體飽和度服務水平等級不下降作為收斂條件，提出了基于服務水平的道路施工交通影響范圍確定方法。通過合肥市馬鞍山路道路施工改造實例分析，通過特征信號交叉口高峰小時整體飽和度服務水平等級來確定道路施工交通影響范圍的方法是有效可行的。但文中應用的服務水平分級較為粗糙，各等級服務水平的取值范圍較大，可能影響確定施工影響范圍結果時的準確性，因此確定合適的飽和度服務水平等級劃分標準還有待進一步研究。

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Methods of Traffic Impact Area Determination Based on Service Levelduring Road Construction Period

JIANG Kang,SHI Zhangpeng,CHEN Xi,ZHANG Weihua

(School of Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui,P.R. China)

Based on service level, and taking zero degradation of overall service level of saturation at intersection as convergence condition, a method of defining the traffic impact area induced by road construction was raised by employment of the concept of characteristic signalized intersection after comparing with the existing method of traffic impact definition for existed construction project. By comparing the degree of service level of intersection saturation before and after road construction, the impacted area by road construction could be defined. The results of application examples show that the overall service level of saturation at intersection is effective in determining traffic impact area during the construction period of the road for its practically significance and thus can provide a reference for urban infrastructure construction.

traffic and transportation engineering; characteristic signal intersection; road construction; traffic assignment; saturation; traffic impact area

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.21

2015-05-19；

2015-07-17

國家自然科學基金項目(51178158)

姜 康(1974—)，男，山東威海人，副教授，博士，主要從事交通規劃和管理方面的研究。E-mail：kangj@hfut.edu.cn。

石章鵬(1990—)，男，安徽太湖人，碩士，主要從事交通規劃和管理方面的研究。E-mail：15256086036@163.com。

U491.4

A

1674-0696(2016)04-106-06