施工圍擋區交通流特性與仿真分析

董可可 湯文蘊 楊震 王偉 黃潔

摘要：文章通過實地調查和仿真模擬，研究施工圍擋區的交通流特性，分析施工圍擋對道路交通運行的影響。首先分析施工圍擋區的道路、車輛運行特征，指出施工圍擋路段與正常道路的區別。然后，選取大明路施工圍擋區作為研究對象，調查交通運行狀態，研究表明施工圍擋區內車道的車輛數大于外車道車輛數，非高峰時期的車輛數反而大于高峰時期車輛數;從警告區到過渡區，內車道比外車道車速低，但內車道比外車道車速穩定，工作區內外車道車速穩定性相當，在終止區內外兩車道車速相當。最后，利用VISSIM對大明路施工圍擋區進行交通流仿真模擬，利用大明路施工圍擋區實測數據對仿真模型參數進行標定，并依據仿真結果探討施工圍擋區的交通影響因素并進行分析。

關鍵詞：施工圍擋;交通特性;交通仿真

中圖分類號：F570文獻標識碼：A

0引言

近年來，城市道路和相關管線改造項目不斷增加，此類建設項目往往需要在原有道路上設置施工圍擋，需要占用道路資源，對交通運行造成較大影響。同時，施工圍擋區內的施工車輛，施工人員與施工圍擋區附近道路上的車輛、行人互相影響，會產生多個安全隱患點、擁堵點，易成為城市道路的瓶頸路段。為了能夠解決施工圍擋區存在的問題，必須對施工圍擋區的交通特性進行全面的分析。

Enberg和Mannan通過對高速公路施工區實際數據的采集，研究得出施工圍擋區的限速對施工圍擋區的速度有很大的影響。Jiang過對高速公路實測數據分析，得出結論表明施工圍擋區交通擁堵的特點是持續的低速車流和車流量的持續波動。sa瑚ua等對施工路段不同車道封閉形式下的道路通行能力進行了研究，提出了高速公路施工路段通行能力的修正模型，并總結了數據采集與分析方法。李喜華細致地分析了占道施工區交通特性、占道施工對路段通行能力以及服務水平的影響。李耘重點對施工圍擋區的車頭時距和車速兩項交通流參數進行分析，并進行了施工圍擋區的安全風險分析。肖向良利用MATLAB構建施工圍擋區的元胞自動機模型得到各類車道縮減區的交通流運行特性以及駕駛行為特征。范文婷叫吏用VISSIM軟件對選定的區域路段進行建模和計算，定量分析了施工圍擋區的各影響因素對路段通行能力的影響。曲秋蒔嗬述了施工圍擋區人員、事故、車輛以及道路特性，提出了施工區交通影響區域的確定方法，提出與施工圍擋區相關的解決方案并對比研究。韓躍杰對高速公路擴建方案的影響因素進行了分析，對擴建區的交通流進行了分析，探討了各類交通組織方案的優劣，重點提出“遠端分流、終端控制、近端管理”的交通組織方案策略。張微對在占道施工影響下的交叉口道路提出合理的交通誘導、分流、管制等管理手段。李穎峰構造出適用于施工區域影響路網交通分配與OD反推的路阻函數，并利用路網OD矩陣來判斷道路組織優化的效果。潘福全等以青島軌道交通13號線井岡山路站點的施工點為研究對象，分析其對周圍路網交通的影響，設計了一套合理的交通組織方案，并通過仿真研究證實其合理性。鞏建國在分析城市占道施工交通管理特征的基礎上，從交通方案制定、交通管理宣傳和交通秩序管理三個方面提出精細化管理策略，最后針對占道施工的交通流管理進行了精細化設計。鐘磊從城市道路交通流的交通組成和交通量兩個方面對交通安全的影響進行分析研究，對改善城市道路條件給出建議。

雖然已有文獻中對施工圍擋區的交通運行進行了研究和分析，但在研究過程中未對圍擋區域不同車道的交通運行狀態進行區別考慮。本文以南京市大明路施工圍擋區的交通運行為例，對比施工圍擋前后的交通運行差異，并采用VISSIM進行仿真，分析施工圍擋對交通運行的影響。

1施工圍擋區的基本特征

1.1施工圍擋區的道路特征

施工圍擋區分為警告區、上游過渡區、緩沖區、工作區、下游過渡區和終止區，如圖1所示。

警告區設于施工圍擋區的最前端，用于提醒車輛已處于施工圍擋區。

上游過渡區設在警告區后方，用來引導駕駛員原來的車道過渡到施工圍擋區的車道上，上游過渡區的線形設置應該足夠流暢，長度也應該保證駕駛員可以并人施工圍擋區的車道。

緩沖區位于工作區和過渡區之間。設置緩沖區的目的是讓施工車輛和人員能夠進入施工路段，同時也是為了提醒過路車輛此時應該完成變道行為。

作業區指的是施工區域，一般來說施工團隊會用圍擋等設施將施工路段與正常行駛的路段隔開。作業區不允許超車，同時作業區應該限速。

下游過渡區位于作業區與終止區之間，目的是為車輛從施工圍擋區的道路變至正常道路提供條件。

終止區表示施工圍擋區已結束，此后車輛和行人無需受到施工圍擋區的影響。

1.2施工圍擋區的車輛運行特性

如圖2所示，在施工過程中，內側兩條車道被圍擋封閉，在圍擋區域內的換道行為主要具有以下幾個特點：

（1）行駛于開放道路上的車輛一般情況下無需換道，享有優先通行權。行駛于封閉道路上的車輛必須換道，且均為強制性換道，換道行為應保證不影響開放道路上正常行駛的車輛;

（2）位于封閉車道最內側車道的車輛即車道四上的車輛需要在進入施工圍擋區之前先完成一次換道換至車道三，再換道至車道二;

（3）車道二換至車道三（車道一換至車道二）的條件：車道二車輛之間距離小于安全距離，車道三車輛之間的距離大于一個車身長加兩個安全距離長度;

（4）車道二在施工圍擋區的匯入車道三和車道四上的車輛，車輛二的車輛會部分變道至車道一。

由于施工圍擋區換道行為頻繁，車道寬度變窄，車道變少和視野變小，施工圍擋區的交通、道路條件十分惡劣，必須合理安排施工圍擋區的線形、交通標志牌以及交通控制手段。

除了上述換道特性外，施工圍擋區的車輛經過頻繁的換道行為后會造成施工圍擋區的擁堵，車輛處于跟馳行為，具有制約性、延遲性和傳遞性。

2交通流運行調查與特征分析

2.1施工圍擋區交通調查方案

本文施工圍擋區交通運行狀態數據采集的大明路為南京市秦淮區的一條南北向主干道，雙向八車道，施工圍擋區位于該路與明匙路交叉口和窖子山公交站臺之間的路段，全長約550米，雙向八車道。圍擋分別占據了兩側各一個車道和中央分隔帶。為了有效地反映施工圍擋區的速度分布，對南向北車流的地點車速和交通流量進行測量，測點1位于圍擋起點上游130米處，測點2位于施工圍擋區的起點處，測點3位于圍擋中段施工作業區，測點4位于施工圍擋區的終點處。

2.2圍擋區交通運行分析

本節主要利用實地測量得到的大明路高峰小時和非高峰小時交通數據，對大明路施工圍擋區不同位置、不同時段的交通狀況進行分析，從而得到施工圍擋區的交通特性。

（1）交通量

對各測點的交通量進行統計分析：

根據以上的表格分析得出以下結論：

①高峰時刻以及非高峰時刻，車道二的車輛數一般是大于車道一的車輛數，這主要是由于在進入施工圍擋區之前，位于車道三和車道四的車輛要換道至車道二，所以進車道二的車輛數會大于車道一，此現象也與車輛的運行特性——換道特性相符。

②非高峰時刻的車輛數大于高峰時刻的車輛數。這是因為未施工前道路交通量較大，這其中包括許多誘導交通量。施工圍擋區的存在使得非高峰時刻的誘導交通量大大減少;而處于非高峰時刻時，人們會優先考慮熟悉的道路，因此非高峰時刻的車輛數會相對多一點。同時在高峰時刻，調查周邊線路的數據，可以發現周邊車輛數明顯增加，所以在高峰時刻，圍擋區會給周圍交通帶來壓力，甚至會產生延誤。

（2）速度

分別對大明路施工圍擋區四個測點的車道一、車道二高峰時刻的車速進行統計分析如表3和表4所示。

測點一位于距離施工圍擋區起點130米的窖子山車站附近，根據調查顯示該測點處高峰時刻車道一車速多集中在20km/h至45km/h，而車道二的車速多集中在30km/h至55km/h，這與實際相符合，因為車輛在進入施工圍擋區之前存在一個變道行為，即車道三和車道四的車輛會變道至車道二、同時原本位于車道二的車輛處于安全的考慮部分車輛也會考慮換道至車道一，所以車道一車速較快。同時雖然車道一上車輛車速的平均值、中位速度、15%位速度、85%位速度以及車速的最大值、最小值均大于車道二上的車輛，然而車道二車速卻相對比較穩定，這主要是因為變道行為的頻繁出現導致車道二的車速會集中在數值較低的一個區間，而且車輛會出于跟馳狀態，車輛之間比較緊湊，速度較低。

測點二位于施工圍擋區的起點。根據調查顯示在高峰時刻測點二處的車道一的速度整體大于車道二的車速，車道一的速度主要集中在30km/h至50km/h，其中車速位于35km/h至40km/h區間的車輛最多。車道二的車速主要集中在20km/h至35km/h，且速度全部低于35kin。這主要是由于測點2位于圍擋區的起點，車道二會發生變道行為以及處于安全的考慮。這一方面與測點一類似。在車速穩定性方面，測點二的車道二與測點一的情況類似，即大量的車速處于慢速狀態。

測點三位于施工圍擋區的中部。該測點高峰時刻車道一的速度很大一部分分布在35km/h至65km/h之間，車道二的車速很大一部分分布在20km/h至45km/h之間，同時車道一的平均車速、中位速度、15%位速度、85%速度及車速的最大值、最小值均大于車道二的數值，這是因為車道一比車道二更加安全，視野更加開闊。但是兩車道的車速穩定性十分靠近，這是因為車輛駛入工作區內，工作區內道路狹窄，出于安全的考慮，除非特殊情況，駕駛員會考慮在工作區內換道，因此正常在工作區內行駛時，車輛在各個車道上的穩定性類似。

測點四位于施工圍擋區的終點，高峰時刻該測點的車道一和車道二的車速平均值十分相近，主要時因為測點四位于交叉口，因此車道一和車道二的車輛都需要減速至一個安全車速通過交叉口，因此車速平均值相近。車道二較車道一車速較為穩定是因為，該交叉口無法左轉只能右轉，車道一有一部分車輛右轉需要提前減速所以降低了車道一車速的穩定性。

2.3施工前后交通運行數據對比

除了調查施工期的交通運行數據外，本文還調查了施工圍擋拆除后的交通運行數據，從圖3和表5可以得到以下結論：

（1）施工圍擋區在進行施工的時候，車輛運行的速度較慢，有很大一部分車輛的車速低于35km/h。進行施工時的施工圍擋區的速度平均值、最大值、最小值、中位速度、15%速度以及85%速度均小于施工完成后的車輛運行速度。然而施工圍擋區在進行施工時的車輛運行速度的標準差相對施工完成后較小。這時因為施工時的車輛處于一個較為低速的穩定狀態，施工完成后道路質量改善，道路上沒有限速標志，駕駛員多數憑借自己所熟悉的車速行駛，這就導致施工完成后車速分布穩定性降低。

（2）施工圍擋區完成施工后，車速平均值提高，大于35km/h的車輛占總數的60%-70%。其中位于35km/h-40km/h的車輛占比最高達到20%左右，車輛運行速度在30km/h-50km/h之間分布較為均勻。在觀測的過程中沒有發生交通擁堵等現象。

3交通流模擬

3.1仿真參數設定

（1）微觀交通流特性參數標定

①車輛特性

依據上述調查的數據，速度分布在15km/h-70km/h，故將車輛的期望車速設置為15km/h-70km/h，其他的車輛特性加減速特性和幾何尺寸特性均設置為默認值。

②駕駛行為參數標定

駕駛行為時刻影響著道路交通，尤其是道路交通流的分配。跟車模型主要分為安全距離跟車模型和心理—生理跟車模型。前者模型較為簡單，參數可以實際測量，但由于沒有考慮到最小車間距，所以不適合模擬交通密度較大的道路。后者模型較為復雜，需要的參數很多，但是能夠很好地模擬駕駛人員的交通心理。本次VISSIM仿真采用的駕駛行為采用的跟車模型是心理一生理模型中的Wiedemann 74，VISSIM中其他的參數設置：超越車的最大減速度設置為-5m/s，超越車的-1m/s²距離為70m，被超越車的最大減速度設置為4m/s，被超越車的-1m/s²距離為70m，最小車頭空距為0.35m，消失前等待時間設置為600s。

（2）宏觀交通參數標定

VISSIM中所要標定的宏觀交通參數包括交通流和車輛的組成。根據實地交通測量，大明路施工圍擋區高峰時刻40min的流量為569，車輛種類為小汽車和公交車，兩類車的流量比為0.95：0.05;大明路施工圍擋區非高峰時刻40rain的流量為679，車輛種類為小汽車和公交車，兩類車的流量比為0.93：0.07。

（3）行駛規則設定

在施工圍擋區的上游過渡區內，存在著合流沖突，需要設置合理的優先規則。大明路施工圍擋區上游過渡區的優先規則為外側車道優于中間車道，中間車道優于內側車道。

（4）進行仿真

3.2仿真結果分析

通過VISSIM仿真，對施工圍擋區高峰時刻的交通流進行模擬，得到小汽車和公交車的平均延誤分別為4.1s和62s，平均行程時間為96.2s。

分析上述圖表，可以發現高峰時刻與非高峰時刻各測點實測各車道的流量比與VISSIM模擬得出的流量比大體一致，誤差處于合理的范圍，即模擬的結果能夠大體反應。

3.3基于VISSIM仿真模型探求施工圍擋區的交通影響因素

施工圍擋區交通狀況與諸多因素有關，本節利用VISSIM仿真模型，從交通量、施工圍擋區圍擋寬度和施工圍擋區路面狀況三個方面進行分析。

（1）交通量

以大明路施工圍擋區VISSIM仿真模型為基礎，選取高峰時刻，改變其交通量進行仿真對比，其結果如表7所示。

由表7可得，施工圍擋區內交通量對道路的平均延誤和平均行程時間影響較大，具體是交通量增加，平均延誤增加，平均行程時間增加。總體而言公交車的平均延誤比小汽車的平均延誤大很多，但隨著交通量的增長，小汽車的平均延誤的增長率要大于公交車平均延誤的增長率。根據以上分析，實際工程中可采取一些限制交通量和改善公交車運行的措施。

（2）施工圍擋區圍擋寬度

大明路施工圍擋區原來施工圍擋寬度是10.6m，單向占用一個車道和半個綠化帶總共5.3m，現調整單向圍擋寬度，進行仿真對比，其結果如表8所示。

由表8可得，施工圍擋區的圍擋對道路的通行效率影響很大。圍擋的寬度越大，小汽車的平均延誤越大，且增速特別快，且平均行程時間增長速度也很快，但是圍擋的大小對于公交車的運行影響較小。根據以上分析，在實際工程中，要盡量減少施工圍擋區圍擋的寬度。

（3）施工圍擋區路面狀況

路面狀況在VISSIM上可以設置減速區進行模擬。大明路施工圍擋區的道路質量良好，路面無明顯病害。現利用減速區，參數設置為減速至20km/h，調整大明路施工圍擋區的路面狀況，進行仿真分析，其結果如表9所示。

從表9可得，施工圍擋區路面狀況對于道路通行效率的影響較弱。但是路面的狀況會對車輛的制動性能和動力性能產生較大影響，長期讓車輛行駛在這種環境中，會損傷車輛。因此在實際工程中，需要多設置標志提醒車輛o

4總結

在本文中，首先對大明路施工圍擋區的道路環境與實地調查得到的交通數據進行交通特征分析，得到結論：施工圍擋區內車道的車流量大于外車道車流量，這與車輛的換道特性有關;在一定程度上，非高峰時刻的車流量比較大，車輛行駛速度因此得到限制而造成周邊道路網絡的擁堵;在警告區到過渡區之間，外車道比內車道的車速高，但內車道比外車道的車速穩定;在工作區內外車道車速穩定性相當，終止區內外兩車道車速相當，這與車輛的跟馳特性有關。

在VISSIM軟件上對大明路施工圍擋區進行交通模擬，最后基于仿真結果分析施工圍擋區的交通影因素，得出結論：公交車的平均延誤比小汽車的平均延誤大，但隨著交通量的增長，小汽車的平均延誤的增長率要大于公交車平均延誤的增長率;圍擋寬度對小汽車的影響較大，對公交車影響較小;路面狀況與前面的因素相比較，對交通延誤的影響較小。