談交通量下的二級公路改擴建施工區限速模式★

陳 同，齊鳴越

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

在縱橫通衢的國省道干線公路網中，二級公路由于其能夠以較少的投資和成本盡可能的建造平直寬闊路面的特點，在我國國道和省道早期的建設中占有較大的比重。依據“十三五”規劃提出的“推進普通國省道提質改造”，二級公路改造已成為我國國道和省道提質改造的重點[1]。在封閉道路施工過程中，需要制定合理的交通組織方案，其中在正確位置設置合理的限速值，對于減少交通擁堵，降低事故率，確保車輛安全穩定運行有重要作用。

美國、歐洲、日本等國都對于施工區限速方案進行了規定，例如，在美國施工區管理策略指南中[2]，弗吉尼亞規定，非限制通行高速公路，施工區限速時速約56 km/h；威斯康星州規定兩車道的農村公路施工區限速約64 km/h～72 km/h，在極端車道轉換、狹窄車道情況下，以km/h的增量減速16 km/h。歐洲標準對道路養護期間的交通安全措施和標志進行了詳細規定[3]。另外，一些學者對施工區可變限速進行了研究[4-8]。研究發現，可變限速標志設置位置、根據流量設置的可變限速值對于提高交通流穩定性和減少延誤有重要作用。

我國在《公路養護安全作業規程》[9]和《道路交通標志和標線 第4部分：作業區》[10]等文件中對不同設計速度公路在改擴建過程中的限速進行了規定，例如，兩個限速標志之間距離應大于200 m，對于逐級限速而言，宜采用每100 m車速降低10 km/h的限速方法。但這種限速沒有考慮交通流變化的影響，不同流量下駕駛員根據減速標志設置的位置提前開始減速可能造成過渡區的排隊，降低通行效率和安全系數。因此，在國家二級公路改擴建的政策背景下(在公路“二改一”的政策背景下)，有必要基于現行規范，針對二級公路交通流特征，提出適用于不同場景的施工區限速方法。

1 二級公路改擴建工程交通基礎數據調查和分析

本文收集了黑龍江省內國道集賢至當壁公路(G501)和國道北京至撫遠公路(G102)改擴建的基礎數據，兩條公路改擴建前后主要技術標準如表1所示。

表1 兩公路改擴建前后主要技術標準

根據流量觀測站資料，G501和G102改擴建路段2017年交通量年度統計表如表2所示，國道G501和G102的年平均日交通量分別為7 580輛/d和9 388輛/d，換算成標準小客車當量交通量分別為9 835輛小客車/d和12 832輛小客車/d，已達到二級公路適宜交通量范圍的中上限。

表2 交通組成表

公路交通組成均以小型車為主，小型車所占比例分別為83.41%和76.26%，中型車所占比例分別為7.47%和10.83%，大型車比例分別為9.12%和12.91%。調查結果可以用于交通仿真中交通組成參數的設置。

二級公路一天24 h中，各路段小時交通量都在不斷地變化，為了準確制定二級公路改擴建施工期間的交通組織方案，了解二級公路改擴建施工期的交通流特性，對兩公路交通量小時變化情況進行分析(見圖1)。從圖1中可以看出，G501和G102最大高峰小時交通量分別為853 pcu/h和1 030 pcu/h。

2 施工區限速仿真

2.1 施工區限速模式設計

封閉車道模式下，當設計速度為80 km/h，最終限速值為40 km/h時，《規程》采取二級限速的方式，60 km/h限速標志設置在警告區長度的1/2處，40 km/h限速標志則設置在60 km/h限速標志后不小于200 m處。

本研究在現行規定的基礎上進行調整，以豐富作業區限速模式，提高設計的合理性。第一限速標志“60 km/h”根據《規程》均設置在警告區1/2處；根據《規程》，在第一限速標志后不小于200 m處設置“40 km/h”限速標志，本文取250 m處設置“40 km/h”限速標志作為“設計方案一”；車輛進入上游過渡區時要減速匯流，若沒有減速提示，受交通流影響可能會在上游過渡段前端存在交通沖突，迫使車輛再次制動減速[11]。若將最終限速標志設置在上游過渡段前端，駕駛員發現后同樣會采取減速制動，可避免一次制動，提升過渡段交通流穩定性。因此，將40 km/h限速標志設置在上游過渡段前100 m作為“方案二”；研究發現限速差達到20 km/h(臨界值)，相鄰路段之間速度協調性較差，交通流穩定性較差。因此，在方案二的基礎上在上游過渡區前300 m加設50 km/h限速標志作為“方案三”。表3給出了三種限速模式方案。

表3 限速模式

2.2 仿真模型

以雙向兩車道半幅封閉模式為例進行仿真。根據實測的交通量數據，選取0 pcu/h～800 pcu/h，800 pcu/h～1 000 pcu/h，1 000 pcu/h～1 200 pcu/h，1 200 pcu/h～1 400 pcu/h，1 400 pcu/h～1 600 pcu/h和1 600 pcu/h～1 800 pcu/h 六種交通量作為仿真條件，大型車比例設為10%，20%，30%和40%。結合對交通基礎調查數據的分析結果，設置車型比為小型車∶大型車=9∶1。

由于交通量在不同的范圍內，為考慮限速的安全性，交通量值采用交通量范圍內的最大值。依據《規程》對作業區各區段長度進行取值，各區段長度如表4所示。

表4 仿真路段各區段長度 m

為使仿真結果能反映作業區全路段的行車安全性，故數據檢測點在警告區每隔100 m設置一個，共設置10個；作業區段每隔200 m設置一個檢測點，其他區段分別在中點位置布設檢測點，共設14個檢測點。

2.3 仿真結果評價指標

使用與交通安全密切相關的車速離散程度來評估方案的安全性，并以車速標準差差異系數來描述車速離散程度[12]：

速度變異系數是車速標準差的標準化，速度變異系數是行駛速度的標準差與行駛速度的平均值之比，計算公式如式(1)所示：

(1)

SD為車速標準差，計算公式如式(2)所示：

(2)

3 仿真結果分析

對六組交通量的改擴建作業區路段進行仿真，仿真得到三種不同限速方式下車輛速度標準差變異系數指標值，見圖2。

圖2為三個方案施工路段的速度標準差變異系數趨勢圖，可以表征施工區內各路段安全程度的變化規律。三種限速模式速度標準差變異系數變化趨勢雖總體保持一致，但也存在著不同之處：

1)在警告區的前半部分，三種限速模式下的車流量和車速均保持一致，所以存在著基本相同速度離散程度。

2)在交通量不大于1 200 pcu/h時，由圖2(a)～圖2(c)可以看出，方案二車速離散程度總體最小。方案一由于40 km/h限速標志設置靠前，所以駛過40 km/h限速標志后逐漸形成穩定車流，致使在警告區900 m附近車速離散程度小于方案一，但是由于限速標志設置靠前，車輛在警告區末端和上游過渡區會進行第三次降速，從而車速離散再次增加。而方案二在40 km/h限速標志附近開始降速直到上游過渡區，所以在警告區末端和上游過渡區車速離散程度相對較小。

3)當交通量在1 200 pcu/h～1 600 pcu/h時，由圖2(d),圖2(e)可以發現，方案三的速度標準差變異系數在整個施工區均處于最低水平，所以方案三的安全系數最高。

4)由圖2(f)可以看出，在交通量為1 600 pcu/h～1 800 pcu/h時，三種方案在工作區前速度離散程度都比較大，主要原因是隨著交通量的增加，工作區已達到了單車道通行能力極限并開始產生排隊現象，致使警告區內車速逐漸降低，速度離散程度隨之增大。由于方案一將第二限速標志設置在距上游過渡區較遠處，受施工區內限速值和交通量的影響，車輛會形成密集而且緩慢行駛的交通流，所以在第二限速標志以后速度離散程度最小，具有更高的安全系數。

5)車輛在駛入緩沖區后，已完成合流并以較慢的車速形成了穩定車流，所以速度離散程度逐漸降低并恢復至原有狀態。

綜上所述，不同交通量下的限速模式方案如表5所示。

表5 不同交通量下的限速模式方案

4 結語

1)基于公路施工區現行限速規定，考慮駕駛員在施工區上游的減速特性以及駕駛員對交通標志的認知心理，從限速值、標志設置位置兩個指標出發設計了三種二級公路改擴建施工區限速模式。

2)建立了二級公路改擴建施工區車輛運行的VISSIM仿真模型，選取速度離散程度為安全性評價指標，分析了流量為800 pcu/h，1 000 pcu/h，1 200 pcu/h，1 400 pcu/h，1 600 pcu/h，1 800 pcu/h等不同流量下三種限速模式對安全性的影響，給出了不同交通量下二級公路施工作業區的推薦限速模式方案。