興六高速公路改造設計交通量預測模型構建及應用

梁文峰，謝旺軍

(1.廣西粵海高速公路有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

隨著國家“交通強國”戰略的實施，我國公路建設實現跨越式飛躍，2019年底總里程達501.25萬km，其中高速公路突破15萬km，廣西高速公路已超8 000 km[1]。路面通常服役10～15年后需要對既有水泥混凝土路面或瀝青混凝土路面進行改造[2-3]。如何在舊路改造中保障既有道路交通有序通行，優化交通組織方案，是相關領域一直在探索與實踐的問題。我國高速公路交通組織常用方法一般采取分段分幅封閉、全線半幅封閉、定時封閉等方案。但各項目往往缺乏理論分析指導交通組織，實施效果有待提高。

本文以廣西興業至六景高速公路(下稱“興六高速公路”)既有水泥混凝土路面改造為瀝青路面為例，基于“四階段組合法”交通量預測模型，通過交通量調查與預測，采用全線“半幅封閉施工，另半幅單向正常通行”的交通組織方案，比原計劃提前一個月完成下行線改造任務，實現了高效安全施工的效果。

1 項目概況

興六高速公路起點位于興業縣興業鎮，與岑興高速公路相連接，途經木格、瓦塘等地區，終點在橫州市六景，與柳南高速公路相接。路線全長99.792 km，于2001-05-20開工建設，水泥混凝土路面結構，2003-08-15建成通車。隨著廣西經濟高速發展，興六高速公路交通量、軸重明顯提高，路況逐年變差、服務水平不斷下降。為了切實提高行車舒適性、減少安全隱患和養護成本，展示廣西交通發展的成果和形象，項目業主計劃將既有路面改造為瀝青混凝土路面，同時對既有橋梁、涵洞進行加固維修，更換交通安全設施和新增全線監控機電工程。

2 區域路網現狀調查與分析

興六高速公路輻射周邊的路網資源豐富，可供車輛分流的線路有G80廣昆高速公路(壇百段)、S52武平高速公路、S40蒼碩高速公路、G72泉南高速公路、G7212柳北高速公路、S43六欽高速公路、G65包茂高速公路、G324國道、G358國道、G209國道、S511省道等。

興六高速公路全線設置有興業、木格、瓦塘、大嶺、云表、校椅、六景七個互通立交，興業、木格、貴港、云表、橫縣五個出口收費站。為便于分析，以互通立交為節點，將“興六高速公路”分為六景北立交—橫州、橫州—云表、云表—貴港、貴港—瓦塘互通、瓦塘互通—木格、木格—興業六個區段。研究中收集2010—2015年興六高速公路實際交通量，結合2016—2019年24 h聯網收費數據、橫州市及興業斷面觀測點觀測數據，整理分析得到分路段交通流特性。

2.1 交通量空間分布特性

2.1.1 路段平均日交通量分析

通過調查數據分析，2019年興六高速公路各路段平均日交通量分布呈現“三峰兩谷”趨勢，詳情如圖1所示。

圖1 各路段平均日交通量分布(雙向)柱狀圖

2.1.2 路段服務水平分析

由互通與收費站數據統計，分析2019年興六高速公路各路段飽和度，進而確定各路段服務水平，其中各路段飽和度在0.51～0.60之間，服務水平均為二、三級，交通流屬于相對自由流的狀態。詳情如圖2所示。

圖2 各路段服務水平柱狀圖

2.1.3 路段高峰小時交通量分析

興六高速公路各路段高峰小時交通量較少，交通流屬于自由流的狀態，與平均日交通量變化趨勢一致，也呈現“三峰兩谷”形狀，路段平均高峰小時系數0.078，如圖3所示。

圖3 各路段高峰小時交通量分布柱狀圖

2.1.4 路段方向不均勻系數分析

2019年收費站數據顯示，重交通方向為六景至興業方向，各路段方向不均勻系數在0.500～0.510之間，平均方向不均勻系數為0.507，東西行方向交通量分布基本一致，其中云表—貴港路段的方向不均勻系數最大為0.510。2019年各路段分方向交通量分布(東西方向)如圖4所示。

圖4 各路段方向交通量分布曲線圖

2.1.5 出入口交通量分析

2019年底，興六高速公路共開通5處收費站口，各收費站日均進出口交通量也呈現“三峰兩谷”形狀，如圖5所示。

圖5 各收費站日均交通量柱狀對比圖

2.2 交通量時間分布特性

根據近十年交通量數據分析，興六高速公路各路段交通量時間分布規律基本一致。除瓦塘互通—木格路段2010—2019年交通量保持持續增長趨勢外，其余各路段以2015年為臨界點，即2015年之前交通量呈現遞增趨勢，2015—2016年呈現下降趨勢，2016—2017年交通量基本持平，2017—2019年又呈現遞增趨勢。2010—2019年路段平均日交通量時間分布如圖6所示。

圖6 年度各路段平均日交通量時間分布曲線圖

2.3 交通量車型構成

2.3.1 分路段構成

根據廣西高速公路各路段交通量清分表，分析2019年興六高速公路各類型車的占比情況，得出各路段統計車型比例如下頁圖7所示，數據為東西向合計車型比例情況。

從圖7可知，全線車型以客車為主，各路段客車占比在68.96%～71.20%，平均為69.87%；其中1類客車比例為65.04%，貨車占比在28.80%～31.04%，平均30.13%。

圖7 各路段車型比例分布圖

2.3.2 分方向構成

2019年聯網收費數據分析得到各路段東西行大客車與大貨車車型比例如圖8所示。

圖8 客車、貨車東西行比例曲線圖

由圖8可知，興六高速公路各斷面東西行客車比例分布基本一致，客車比例變化相對平穩，其中六景北立交—橫州路段客車占比最大，東行和西行分別達到71.04%、、71.20%、而貴港—瓦塘互通路段客車占比最小，東行和西行分別為68.56%、68.96%；貨車分布規律同客車，其中貴港—瓦塘互通路段貨車占比最大，東行和西行分別達到31.44%、71.04%，而六景北立交—橫州為路段貨車占比最小，東行和西行分別為28.96%、28.80%。

2.4 路網現狀交通量分析

2.4.1 路網全線平均交通量分析

分析廣西區內項目相關道路全線平均交通量情況。根據相關道路交通量統計數據，計算路網全線平均日交通量，確定各高速全線平均車型比例，如圖9所示；利用路段通行能力分析方法，計算出周邊各相關道路的交通飽和度及服務水平。

圖9 相關道路全線平均車型比例柱狀圖

調查顯示，項目區域路網周邊道路飽和度整體較低，服務水平整體較高，所有道路服務水平均在三級及三級以上。就交通量而言，區域路網整體運營狀況較好。

2.4.2 項目影響區內路段平均交通量分析

為分析項目封閉施工后對交通的影響，更加精確了解周邊路網運行情況，本文通過本項目的影響范圍，分析項目周邊路網在本項目影響范圍內區段的平均交通量情況。統計數據分析顯示，結合現狀路網調研分析，影響區內周邊路網主要道路路段的交通量及車型比例如圖10所示。利用路段通行能力分析方法，計算出影響區內周邊各相關道路的交通飽和度及服務水平。

圖10 影響區內相關道路車型比例柱狀圖

項目區域路網周邊道路飽和度整體較低，服務水平整體較高，所有道路服務水平均在四級及四級以上；就交通量而言，項目影響區內路網運營狀況較好。

3 交通量預測

考慮交通組織擬采用方案施工期為2020下半年至2021年上半年，故本次興六高速公路交通量預測特征年為2020和2021年。本次交通量預測以2019年基礎路網為前提，2019年基礎路網圖如圖11所示。

圖11 2019年基礎路網示意圖

3.1 預測方法

交通量預測是在充分利用既有資料，經詳實而全面的交通調查，并分析區域路網現狀交通特性的基礎上，通過科學合理的方法構建交通模型，采用公路交通與城市交通相結合的分析技術，對區域路網交通量進行預測。

“四階段法”預測模型是將研究的道路交通劃分為交通產生、交通分布、交通方式劃分、交通分配等四階段。這是目前交通需求預測中比較常用的模型[4-5]，預測方法簡單實用。但是這種方法較少考慮各個階段之間的相互聯系，如交通方式與交通分布之間，交通方式不同的阻抗會對交通分布產生影響等。因此，本項目采用兩個階段組合、多個階段組合的方式，構建新的預測模型，消除因缺少各個階段間的聯系而對預測結果產生的影響，簡化預測步驟、提高工作效率。

興六高速公路施工期交通量預測采用“四階段組合法”預測模型。通過對分布中重力模型、分配中用戶平衡模型(userequilibri-um，UE)組合構建新的TD-UE模型，考慮到預測的效果，采用雙約束模式。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：xa——路段a上的流量；

x——路段流量；

q——指OD點間的出行分布量；

ta——路段a上的運行時間；

Y——權重參數，反映OD矩陣中離差的大小。

3.2 預測結果及分析

3.1.1 特征年路段交通量預測

興六高速公路未來特征年(施工期)在未分流的情況下，全線各路段平均交通量預測值整體呈遞增趨勢。預測結果如表1所示。

表1 特征年交通量預測結果表(pcu/d)

3.1.2 預測交通量分析

(1)由于在興六高速公路北面，貴港至隆安高速公路2019年7月通車，走向與興六高速公路平行，分流了部分廣西百色市通往廣東方向的交通量，導致2019—2020年交通量增長率較低。

(2)2020年初由于疫情影響，廣西區內交通出行量減少，興六高速公路第一季度交通量呈現同比遞減情況；下半年隨著復工復產計劃推進，交通量明顯逐漸呈現同比遞增情況，這也是2020年交通量增長緩慢的主要原因。

(3)在興六高速公路南面，大塘至浦北高速公路2020年底通車，走向與興六高速公路平行，將分流廣西玉林市南部通往廣西南寧市方向的交通量，這也是2021年交通量增長緩慢的主要原因。

3.1.3 預測服務水平分析

從預測結果看，未來特征年(施工期)交通流屬于相對自由流的狀態，道路運營條件較好。如表2所示。

由表2可以看出，興六高速公路2020年各路段飽和度在0.55～0.65，全線平均為0.60。除貴港—瓦塘互通段為二級服務水平，其余路段均為三級服務水平。興六高速公路2021年各路段飽和度在0.57～0.69，全線平均為0.62，全線各路段均為三級服務水平。

表2 興六高速公路特征年服務水平表(pcu/d)

3.1.4 特征年交通流車型構成

興六高速公路未來特征年一類車比例增加，二類車、三類車、四類車及貨車比例減少。這就意味著車輛比例中小客車和特大貨車所占比例較高。預測結果如表3所示。

表3 興六高速公路特征年車型比例預測結果表

由表3可知，興六高速公路未來特征年(施工期)全線車型以客車為主，客車中又以一類客車為主，2020年及2021年一類客車比例分別為65.56%和65.83%，貨車比例為29.78%和26.69%。

4 預測效果

依據預測模型的分析，經專家的多次論證，全線最后采用“半幅封閉施工，另半幅單向正常通行”的交通組織方案，本項目從2020-09-01開始，興六高速公路下行線封閉交通組織施工，于2020-12-15完成改造任務，對社會開放。六景往玉林方向車流2020年3月底全部完成路面改造工程施工任務，比原計劃提前一個月恢復全線交通。改造期間沒有一例交通事故，取得了滿意的社會效果。

5 結語

(1)“四階段組合法”交通量預測模型適用于既有道路改造工程，其計算結果與實際吻合，為今后的交通組織設計提供依據。

(2)改造路段周邊有自由流分流交通條件的道路優先選用全線半幅封閉交通，可以加快施工進度，確保施工安全、道路交通安全和有序分流。

(3)社會參與、宣傳到位、多部門配合，是實現半幅封閉交通、有序分流的重要舉措。