城市道路施工影響區交通逐層分流疏導研究

劉 偉，王立亮，林 穎，歐陽磊

(重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074)

0 引 言

隨著我國經濟的持續高速發展和城市化進程的不斷加快，城市道路等基礎設施需要不斷的完善和維護，以滿足城市快速增長的交通需求，改善日益擁擠的城市交通。市政道路設施施工期間占用道路空間對本已供需矛盾突出的城市交通造成嚴重的影響，甚至會導致城市交通大面積癱瘓。

為消除施工占道對城市交通造成的影響，國內外許多學者和專家對施工占道進行了大量的研究。現階段對于道路施工的研究主要集中在以下3個方面：①對施工區域通行能力的研究[1]；②對施工區交通流特征的研究[2]；③對施工區域車輛運行安全的研究[3]。美國聯邦公路局[4]和中國公安部[5]分別頒布了關于施工占道期間交通安全和組織的規范，北京、深圳等地出臺了施工占道區域交通安全設施的地方性標準。

當城市道路施工占道對交通運行的影響達到一定閾值時，網絡的交通流運行狀態將發生突變，交通運行可靠性受到影響。要保障道路交通可靠運行，需對交通流進行疏導。但現在對施工期間交通疏導的研究較少，還沒有形成系統的理論方法，缺乏科學的方法為施工交通區域的交通疏導提供參考。張秀紅,等[6]采用改進的Logit多路徑概率模型作為占道施工區路網交通流分配模型，對交通流進行疏導，但模型沒有考慮路網中各道路交通的運行狀態，轉移概率需要與交通網絡的剩余通行能力匹配，否則會產生擁堵擴散和轉移。

因此，在路網中進行交通疏導時需要考慮疏導路徑的容量及其可靠性。以道路行程時間可靠性為約束，反推可用于交通疏導的路段剩余承載容量，并將其作為疏導道路增加容量的上限，降低交通疏導對分流道路的影響。逐層擴大疏導區域的范圍，搜索能夠滿足疏導交通量的最小疏導范圍。在疏導區域內對交通流進行重新分配，最終得到最優的疏導方案。

1 占道施工交通影響區的界定

在施工占道前，需要根據交通現狀及施工方案確定施工占道的交通影響范圍，為施工交通組織方案的編制提供依據。但目前對施工占道交通影響范圍劃定的方法為主觀確定法。《城市道路施工作業交通組織規范》[5]中確定占道施工項目交通影響范圍的方法是專家評定并通過主管部門審查進行逐步調整。該方法確定影響范圍的時間較長且受主觀因素影響較大，不能滿足實際需求。

施工占道后，施工路段的通行能力降低，路徑的行程時間增加，施工路段的原交通量將部分轉移到相鄰路網上。出行者在沒有道路交通信息的情況下，不能準確的判斷最短行程時間的路徑，導致交通量分布與道路容量不匹配。

在施工交通組織研究時，假定無施工交通誘導信息，車輛根據施工路段的交通阻塞情況重新規劃出行路徑，交通流從施工路段向后逐層選擇路徑分流，引起周邊路網飽和度和服務水平發生改變。當路網中某路段或交叉口的服務水平等級顯著低于施工占道前的服務水平等級時，施工占道對該路段或交叉口的影響較大，則該路段或交叉口屬于施工占道的影響區。

1.1 無誘導信息條件下施工區周邊路網配流

1.1.1 配流方法的選擇

占道施工期間除了增加部分施工車輛外，不會誘增新的交通量。在施工交通組織研究階段，假定施工不影響原交通需求的規模和分布，不考慮其他意外事件導致路網容量的變化，用于分析施工交通誘導的路網交通量基本保持不變。

施工占道后，由于施工路段通行能力的變化，OD點對之間行程時間最短的路徑發生改變。駕駛員在沒有施工區域的交通運行信息的情況下，不能準確選擇行程時間最短的路徑。

當施工占道區域相鄰交叉口及路段發生擁擠時，到達的車輛將選擇擁擠路段的前一個交叉口改變出行路徑，并逐層的將該影響向外傳遞。在該狀態下，車輛選擇最短路徑且受到道路容量約束，出行路徑從施工占道區域逐層向外擴展。

容量約束分配法是根據最短行程時間和道路容量約束在路網中對交通進行分配的方法，將交通量分配到行程時間最短的路徑，超過道路容量時在剩余道路中選擇行程時間最短的路徑。因此，施工占道后，在無誘導信息條件下施工區域的交通分配的計算，適宜采用容量限制的分配方法。

容量限制分配方法以“零流量”行程時間開始計算，依次計算起點到終點的每條路徑的最短行程時間。以道路容量作為約束將交通量分配到最短行程時間的路徑上，并得到各路段的交通量。根據初次分配到各路段的交通量修訂其他路徑的行程時間，仍以行程時間最短分配下一OD對的交通量，直到所有交通量全部分配到路網中。

1.1.2 配流路徑行程時間的計算

采用容量約束法對施工占道周邊節點間交通量進行配流時，每次分配后都需計算加載部分交通量的道路行程時間。

節點OD之間路徑的行程時間包括路徑中所有路段行駛時間與交叉口延誤之和，可用式(1)計算：

(1)

式中：T為路徑的行程時間；ti為路徑中路段i的行駛時間；dj為路徑中交叉口j的延誤；m，n分別為路徑中交叉口及路段數。

路段行程時間的計算可采用美國的BPR道路阻抗函數[7]進行計算。

交叉口的行程時間包括其通行時間及延誤時間，車輛在交叉口的通行時間較短，一般較固定，延誤時間采用美國道路通行能力手冊中延誤模型對交叉口的平均延誤進行計算。

施工路段的行程時間計算與正常路段的行程時間計算有一定差異。施工占道后，施工路段通行能力降低，形成交通瓶頸點，其通行時間可用波動理論進行計算[8]。按照車輛在施工路段的速度變化，將施工路段劃分為減速段、勻速段和加速段3部分，見圖1。

圖1 施工路段劃分Fig.1 Division of construction road

根據其速度、密度、流量計算減速段到勻速段及勻速段到加速段的波速和波流量，公式如下：

(2)

(3)

勻速段行程時間為：

(4)

車輛排隊的消散時間為：

(5)

ω1掠過的車輛總數就是擁擠過的車輛總數N，于是：

N=(t2+t3)Qω1

(6)

車輛達到率及通過率可得到排隊車輛數，由排隊車輛數可知擁擠段的長度：

(7)

通過波速與時間也可得到擁擠段的長度，公式如下：

L=t1ω1+t2ω2

(8)

由式(7)、式(8)可計算得到車輛通過減速段的行程時間：

(9)

車輛通過減速段、勻速段及加速段的行駛時間之和為通過施工路段的行程時間。

1.2 影響閾值及影響范圍確定

經容量約束的配流后，對比施工占道前后的道路服務水平(表1)，并借鑒城市建設項目的交通影響分析閾值[9]，根據施工占道周邊路段受到的交通影響程度，最終確定施工交通影響區的范圍。

表1 施工占道交通影響區的閾值條件Table 1 Threshold condition of traffic impact area

在施工占道的影響下，采用容量約束法對施工占道周邊區域的交通重新分配后，各路段和交叉口的飽和度及服務水平相比于施工占道前的道路服務水平發生變化，達到表1中閾值的路段和交叉口則屬于施工占道的交通影響區。

2 基于行程時間可靠性的疏導范圍確定方法

2.1 行程時間可靠性

行程時間可靠性是指對于給定的OD對，出行者能在規定的時間內完成出行的概率。施工期間行程時間可靠性是指：交通疏導后，車輛能夠以施工占道前的行程時間通過某路段的概率，可用施工占道前后行程時間的比值計算，即：

(10)

式中：r為占道行程時間可靠性；t0為施工占道前的路段行程時間；t為占道施工后路段行程時間。

目前，國內尚未制定行程時間可靠性認定標準，因此，借鑒荷蘭國家交通政策文件[10]中的可靠性認定目標作為判斷標準。其中對于距離少于50 km的出行，其時間閾值的認定標準是1.2倍的正常行程時間，如果超過該閾值，即被認為不可靠，否則可靠。

2.2 確定疏導范圍

根據行程時間可靠性確定疏導的路網范圍，具體流程見圖2。

圖2 確定疏導范圍流程Fig.2 Flow chart to determine guidance range

為降低交通疏導的難度，提高交通疏導效率，采用“就近為主，先平行，后上游”的思路[11]，根據影響程度大小，逐層擴大交通疏導區域，搜索交通網絡處于可靠狀態的最小疏導范圍，見圖3。

當施工區域的交通需要進行疏導時，先選擇施工路段的平行路段進行疏導，見圖4。對疏導區域內的交通進行重新配流后，如疏導區域內各疏導路段都達到行程時間可靠性的要求，則該區域即為疏導區域。否則按圖4擴大疏導區域，直到疏導區域內各路段達到行程時間可靠性的要求。

圖3 最初的備選區域Fig.3 The first alternative area

圖4 擴大后的備選區域Fig.4 Expanded alternative area

3 逐層分流疏導方法

逐層分流疏導方法是指從施工占道疏導區域的最外側開始，通過控制與誘導措施逐層對交通分流，控制施工路段上的交通量，保證施工道路的通暢。

3.1 最小疏導交通量

施工路段的最小疏導交通量是由施工占道后的道路通行能力和施工前路段的交通量決定。施工前路段交通量與占道后路段通行能力的差值即為最小疏導交通量，即需要通過施工路段的交通量超過施工路段允許通行能力的部分交通需求量。

為避免在施工路段發生交通擁堵，施工占道后，當施工路段的通行能力小于通行需求或運行時間可靠性達不到要求時，超過施工路段允許通行量的交通需求就需要進行疏導，施工路段通行能力是決定最小疏導交通量的關鍵。

施工路段通行能力按式(11)計算：

Na=N0×fn×fHV×fL×fC×fV

(11)

式中：Na為占道后道路通行能力；N0為占道前道路通行能力；fn為占用車道數修正系數；fHV為作業區大型車比例修正系數；fL為作業區長度修正系數；fC為作業區交叉口影響修正系數；fV為作業區限速影響修正系數。以上修正系數可參考文獻[12]研究成果。

3.2 行程時間可靠性反推路段剩余承載容量

將交通疏導后路段保持行程時間可靠性的最大交通量定義為路段可靠容量。路段的剩余承載容量為路段可靠容量與施工占道前道路實際交通量的差值。

剩余承載容量為能夠疏導到道路上交通量的最大值，可直觀的反應行程時間可靠性與交通量的關系。剩余承載容量可使用Edie交通流模型進行計算，通過自由流狀態的行程時間和施工占道后行程時間可得到道路飽和度，反推得到行程時間可靠容量。Edie交通流模型如下：

(12)

式中：km為流量最大時qm所對應的密度值；vm為流量最大時qm所對應的速度值；kj為擁擠狀態下的密度；vf為自由流狀態下的車速。

由式(12)可知：km=kj/e，vm=vf/e，最大流量qm即道路通行能力為：

(13)

考慮非擁擠狀態即k∈[0,km]，將其轉化為密度函數：

(14)

由于q=kv，故可得到非擁擠狀態下的流率-速度模型：

(15)

假設路段長度為l，自由流時間t0=l/vf，一般的行駛時間t=l/v，得到t0/t=v/vf，故有：

(16)

結合式(14)、式(16)可得到非擁擠狀態下行程時間與飽和度之間的函數關系：

(17)

同理，得到擁擠狀態下的行程時間與飽和度之間的函數關系：

(18)

將自由流狀態的行程時間和施工占道前1.2倍的行程時間帶入上式即可得到道路的行程時間可靠容量。行程時間可靠容量與疏導前道路實際交通量的差值為疏導道路的剩余承載容量。

3.3 逐層分流疏導方法

以行程時間可靠容量作為路段允許的最大容量，網絡行程時間最短為目標對疏導區域內交通重新進行配流。

(19)

約束條件：

(20)

xa≤C1

(21)

(22)

求解上述模型得到疏導到各路段的交通量。從疏導范圍的最外側開始對交通進行誘導，并以上述的交通配流結果為依據，修改各信號交叉口的配時方案。結合控制與誘導措施使交通流實際分布結果接近理論計算值，達到降低施工占道交通影響的目的。

4 實例分析

為驗證逐層分流疏導法能夠有效解決施工占道造成的交通擁堵并能夠避免擁堵轉移，選取重慶市某一施工區域路網進行仿真驗證，施工區域路網如圖5。

圖5 施工區域路網Fig.5 Road worknet of construction area

施工區域路段為單向四車道，施工占用兩車道。計算容量約束法和逐層分流疏導法兩種配流方法的配流結果，按照計算的配流結果進行仿真，仿真效果如圖6。

圖6 仿真效果Fig.6 Simulation results

通過仿真可以看出，逐層分流法可使車輛分布更加均衡，各分流路段所受影響較小。通過仿真路段上設置行程時間檢測器可得到車輛通過各路段的行程時間，計算路網中所有車輛行程時間的總和，可反映繞行所花費的時間，如式(23)，計算結果見表2。

(23)

式中：T為路網中所有車輛的行程時間；tm為通過路段m所需的行程時間；N為車輛數；n為設置行程時間檢測器的路段數。

表2 仿真結果對比表Table 2 Comparison of simulation results

由表2可知，逐層分流法可有效降低延誤，由于部分車輛的繞行距離增加，總行程時間降幅不大。

5 結 語

根據有無施工占道狀態下路段流量的變化，參照交通影響分析閾值，確定城市施工占道交通影響的范圍。以行程時間可靠性為約束，提出了逐層分流的交通疏導方法。通過逐層分流的交通疏導方法，以道路剩余承載力為約束組織施工道路周邊路網的交通，既能保證施工路段的交通順暢運行，又可將疏導交通量對分流路段的影響控制在可接受范圍，減少對社會生活的影響，為當前城市占道施工的交通組織提供了新的思路。

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