公路交通工程建設養護工程施工區布局優化建模設計研究分析

姜旭東 何超

摘? ? 要：在公路建設養護工程開始施工之前，有必要進行施工區布局設置規劃，優化施工區布局設置，以使建設養護工程費用和用戶延誤費用最小化，同時最大限度地提高公眾和施工工作人員的安全。

關鍵詞：交通工程;施工區優化布置;建模設計

1? 引言

一般情況下多車道公路建設和養護工程施工區需要封閉一條或者多條車道，道路通行能力減小導致交通擁堵和交通延誤，引發駕駛人的不滿和道路使用者延誤費用增加。施工高峰季節，公路施工區死亡和傷害交通事故有增加的趨勢。相關施工區事故分析及調查也顯示施工區的布局參數對施工區安全有顯著影響，如施工作業區長度、施工時間、速度限制條件、臨時交通控制（TTC）的類型和分隔路障的類型。因此，在公路建設養護工程開始施工之前，有必要進行施工區布局設置規劃，優化施工區布局設置，以使建設養護工程費用和用戶延誤費用最小化，同時最大限度地提高公眾和施工工作人員的安全。

2? 確定決策變量

2.1? 施工區段長度

2.2? 施工區限速條件

第二個決策變量是施工區限速，施工區可能限速值為40km/h、60km/h、80km/h和100km/h。前三個值的選擇遵守施工區通常采用的限速值，而第四個限速值代表施工區“無速度減少”。施工區限速對用戶延誤費用和事故費用有著直接的影響，施工區限速值降低一定程度上會降低施工區通行能力，導致排隊增加和用戶延誤費用增加;但另一方面，因事故發生頻率與施工區限速值有統計相關性，施工區限速值降低會使事故費用減少。

2.3? 施工時間

該模型假定維修養護施工可以在一天的任何時候開始，相應的施工區施工開始時間可在1：00～24：00之間任意取值。施工開始時間及施工持續時間對施工區建設養護工程費用、用戶延誤費用和事故費用三個費用指標都有影響。相對于夜間開始施工而言，8：00am開始施工將不需要額外的建設費用，但是需要在早上交通量比較大的時候施工，這會導致用戶延誤費用的增加。同樣地，事故費用也受施工開始時間的影響，按照問卷結果，相對于白天日間施工（10am～4pm）而言下午（4pm～8pm）施工將增加施工區交通事故發生風險。

2.4? ?臨時交通控制類型

第四個決策變量是施工區采用的臨時交通控制類型。該模型中，考慮兩種類型的TTC：①僅采用常規的臨時交通控制（TTC）設備;②同時采用交通巡警和常規的臨時交通控制（TTC）設備。研究證實在建設養護施工區使用交通巡邏警察對提高駕駛人注意力和使其遵守施工區法規很有效，但另一方面，這也會增加施工費用成本，尤其是對長期建設的施工區而言更是如此。

2.5? 路障類型

該模型中第五個決策變量是用于分離交通和施工區域及施工人員的路障的類型。該模型中這個決策變量有兩種備選集：①常規路障;②臨時混凝土路障。臨時混凝土路障是一套非附屬、預制、混凝土組件。使用臨時混凝土路障能夠降低事故發生的風險等級，但會導致施工費用成本增加。

3? 目標函數

該模型的目標函數為施工區總費用，總費用包括：（1）建設養護工程費用;（2）用戶延誤費用;（3）整個項目工程持續時間內的事故費用：

3.1? 建設養護工程費用

施工區的建設養護工程費用在該模型中用公式表示：（1）安裝和拆除費用;（2）單位長度施工區每車道建設、養護費用;（3）施工超出正常工作時間（6：00am～4：00pm），的加班費用;（4）在施工期聘請交通警察巡邏的額外費用;（5）使用臨時混凝土路障的額外費用。平均建設養護工程費用CC可表示為建設或養護一個長為S的施工區的費用乘以整個工程中施工區的數量：

3.2? 用戶延誤費用

公路建設施工通常會導致交通擁堵和給公眾出行交通環境造成危害。由于施工區通行能力下降，導致出行速度降低和出行時間的增加，交通擁堵對公眾出行產生用戶延誤費用。駕駛人的延誤費用可能會非常昂貴，并有可能超過有關部門的養護費用支出。用戶延誤費用組成包括：（1）由于通過施工區需要減速，車輛通過施工區的移動延誤費用;（2）到達交通流量Q超過施工區通行能力Cw時的排隊延誤費用。準確估計移動延誤費用和排隊延誤費用取決于施工區通行能力Cw的準確性。模型假設近似自由流速度v比施工區限速v（決策變量）大8.05km/h;假設施工作業區施工工作人員為4人，施工設備為2個，施工作業區與開放車道之間的距離為1.2m，能夠估算出由施工強度Rwi引起的速度減少為20.63km/h。在這個模型中，施工區運行速度v簡化成施工區限速值的函數見公式（4.3），施工區通行0能力C簡化成施工區運行速度v的函數見公式：

用戶延誤費用以小時動態地估計每小時費用。如果到達小時交通量Q小于或等于施工區的通行能力C，即沒有形成排隊，則時間延誤只是由車輛在施工區緩慢移動引起。假設平均到達速度為v，每小時移動延誤的計算見公式：

另一方面，如果每小時到達交通量Q大于施工區的通行能力時，將形成排隊，時間延誤將包含移動延誤和排隊延誤。在這種情況下移動延誤計算為公式，排隊延誤計算為公式如下所示，其中無施工區的高速公路通行能力C0是一個常數。

3.3? 施工區事故費用

現有模型對施工區事故費用估算方法假設其與公路路段的事故費用估算標準相類似;因為沒有考慮到與其他的連續流公路路段相比，施工區交通環境更危險和復雜，該假設會導致低估施工區的事故費用成本。為克服現有模型的這一局限性，本文中模型給出了一個新的施工區事故費用模型，即在第三章中建立了一個新的事故費用模型，確定施工區布局參數及臨時交通控制措施類型對施工區事故費用的影響：

3.4? 優化模型總費用

示出建設、養護施工區總工程費用，即優化模型可表述為：

該模型可動態地估計整個總施工建設工期每小時施工區總費用和累積總費用。

4? 模型實現

在MatlabR2012a中采用遺傳算法（GAs）來實現最優化模型。遺傳算法是一種搜索和優化工具，具有啟發式進化機制的強大搜索空間幫助決策者確定問題最優解或者近優解，GA模型連接到在Microsoft Access 2007中開發的一個原型數據庫，以便于存儲和檢索交通流量和費用修正數據。

該模型對輸入數據采用不同參數遺傳算法（如種群大小、變異率、后代數量）進行分析。不同施工開始時間，運行產生一系列最優的施工區布局設置，每一個最優解都提供一個最優施工區布局設置和相應的最低施工區總費用。

5? 結束語

本文為公路建設工程施工區布局設置提出了一種新的優化模型，考慮小時交通流量的變化，確定施工區長度、限速條件、維修養護開始時間、臨時交通控制設備的類型和路障隔離類型五個決策變量的最優解。首先根據第三章施工區問卷調查的結果并結合前人的研究結果從施工區布局參數的決策變量備選集中確定出施工作業區長度、施工區限速條件、施工開始時間、TTC類型和路障類型為模型的決策變量;接著以施工區總費用最小為目標，建立短期和長期公路建設養護工程施工區都適用的施工區布局設置優化模型，來確定最優建設養護施工區布局設置，其中施工區總費用包括建設養護工程費用、用戶延誤費用和事故費用。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國交通運輸部綜合規劃司.2012年公路水路交通運輸行業發展統計公報[Z].2012.

[2] 吳彪.高速公路作業區行車風險與安全控制策略[D].長春：吉林大學，2011.

[3] 于英，王敏，金明新.高速公路養護施工區安全特性的研究[J].中外公路，2007，12（6）：186～189.

作者簡介：

姜旭東（1988—）男，中國地質大學，土木工程專業，本科學歷，高級工程師，哈爾濱工程大學兼職副教授。山東省公共資源交易綜合評標評審專家、山東省政府采購評審專家。研究方向：軌道交通工程、公路交通工程、智能交通工程。