基于仿真分析的城市道路養(yǎng)護(hù)工程方案評(píng)價(jià)方法研究

張　倩，張金喜（北京工業(yè)大學(xué) 交通工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

基于仿真分析的城市道路養(yǎng)護(hù)工程方案評(píng)價(jià)方法研究

張倩，張金喜
（北京工業(yè)大學(xué) 交通工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

以城市道路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案的評(píng)價(jià)方法作為研究對(duì)象，利用交通仿真方法針對(duì)城市道路不同養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案產(chǎn)生的交通影響進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并結(jié)合運(yùn)行車輛的速度-油耗模型，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)實(shí)施方案導(dǎo)致的車輛燃油變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在對(duì)城市道路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)施工時(shí)，選取不同施工時(shí)段、不同施工方式、不同作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度等養(yǎng)護(hù)實(shí)施方案對(duì)道路交通具有明顯的影響，同時(shí)由于不同實(shí)施方案產(chǎn)生的交通影響不同，也會(huì)導(dǎo)致車輛燃油消耗發(fā)生較大變化。由此可見，對(duì)城市道路養(yǎng)護(hù)工程進(jìn)行合理、科學(xué)的施工方案優(yōu)化，既可以減小養(yǎng)護(hù)工程施工造成的交通影響，又可以減少運(yùn)行車輛的燃油消耗。最后給出了城市道路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案的評(píng)價(jià)流程和方法。

城市道路；養(yǎng)護(hù)工程；方案；評(píng)價(jià)方法；交通仿真

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

城市道路是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)于城市交通運(yùn)輸及居民出行。近年來，我國(guó)汽車保有量迅速增長(zhǎng)，截至2013年底，全國(guó)汽車保有量已達(dá)到1.37億輛。一方面，在汽車保有量激增的需求下，我國(guó)城市道路里程大幅度增長(zhǎng)，同時(shí)使大部分城市道路都承載了超越本身設(shè)計(jì)服務(wù)能力的交通量，導(dǎo)致城市道路早期破壞嚴(yán)重，養(yǎng)護(hù)工作日益繁重。另一方面，在進(jìn)行城市道路維修養(yǎng)護(hù)施工時(shí)，通常需要封閉部分車道，在幾乎飽和的城市交通環(huán)境下，更容易導(dǎo)致道路擁擠和交通延誤，使交通事故率上升，并導(dǎo)致汽車燃料消耗增加。由于道路施工帶來的交通問題所造成的額外社會(huì)成本，有時(shí)會(huì)比養(yǎng)護(hù)作業(yè)本身產(chǎn)生的費(fèi)用還要高[1]。因此，制定合理、科學(xué)的城市道路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案對(duì)于促進(jìn)和諧城市交通建設(shè)、促進(jìn)環(huán)保和綠色城市建設(shè)具有重要的理論和實(shí)際意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)的交通影響進(jìn)行了一定的研究，國(guó)內(nèi)外的許多規(guī)范對(duì)公路養(yǎng)護(hù)區(qū)及標(biāo)志的設(shè)置做出了詳細(xì)規(guī)定[2-4]。吳江玲[5]從事故費(fèi)用、建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用及出行者延誤費(fèi)用角度建立了公路養(yǎng)護(hù)維修施工區(qū)設(shè)置的優(yōu)化模型；周茂松[6]等在考慮道路交通流量的時(shí)間變化特性基礎(chǔ)上利用Matlab工具初步實(shí)現(xiàn)了道路維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度的優(yōu)化計(jì)算；劉磊[7]根據(jù)作業(yè)區(qū)特性建立了以元胞自動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的高速公路作業(yè)區(qū)車流模型以及換道模型并對(duì)作業(yè)區(qū)的通行能力進(jìn)行了計(jì)算；吳彪[8]對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)的行車風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了安全分析，依據(jù)分析影響因素提出安全控制策略；Miller[9]通過大量速度控制區(qū)策略的調(diào)查工作，指出速度控制是養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)安全最關(guān)鍵的因素。

國(guó)內(nèi)外對(duì)道路交通運(yùn)行進(jìn)行了全面的研究，但在城市道路養(yǎng)護(hù)工程方案交通影響評(píng)價(jià)方面的研究較少。在實(shí)際工作中，道路養(yǎng)護(hù)工程方案通常以技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性為主制定，在此過程中，定性考慮了養(yǎng)護(hù)工程方案的交通影響問題，但還未提出定量的評(píng)價(jià)流程和方法，無法對(duì)養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、交通影響、環(huán)境影響等方面進(jìn)行全面、綜合評(píng)價(jià)，使養(yǎng)護(hù)工程方案在科學(xué)性和合理性方面存在缺陷。

本文以某城市道路養(yǎng)護(hù)工程為例，對(duì)基于交通仿真技術(shù)的不同實(shí)施方案的交通影響定量評(píng)價(jià)問題進(jìn)行了研究，并分析了其對(duì)交通油耗產(chǎn)生的影響，提出了城市道路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案的決策流程和方法。

1　城市道路養(yǎng)護(hù)工程方案因素分析

道路養(yǎng)護(hù)工程方案應(yīng)考慮的因素非常多，主要包括：①技術(shù)因素：采取不同的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)，不僅造價(jià)不同、施工難易程度不同，交通管理控制方式和施工持續(xù)時(shí)間也不同；②經(jīng)濟(jì)因素：經(jīng)濟(jì)因素有時(shí)是制定養(yǎng)護(hù)工程方案的決定性因素，取決于養(yǎng)護(hù)工程類型和技術(shù)措施，同時(shí)與交通管理方式有關(guān)；③交通管理因素：城市道路交通量大，局部交通擁堵容易造成較大的交通影響，因此，交通管理措施是城市道路養(yǎng)護(hù)工程方案的重要內(nèi)容；④施工時(shí)間：白天交通繁忙，道路施工易造成交通擁堵，夜間施工對(duì)交通干擾小，但施工成本有一定的增加；⑤施工方式：施工方式指養(yǎng)護(hù)工程施工順序、施工流程等，對(duì)全幅路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可以采取封閉不同車道進(jìn)行施工，封閉的車道數(shù)不同，施工持續(xù)時(shí)間不同，對(duì)交通的影響也不同；⑥其他：交通導(dǎo)改標(biāo)志設(shè)置、作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度、天氣等因素也是制定道路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案需要考慮的內(nèi)容。

目前在編制養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案時(shí)，對(duì)技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)因素的定量考慮比較全面，而對(duì)其他方面的考慮較少，即使考慮也只是進(jìn)行定性分析，而沒有進(jìn)行定量分析。

某城市道路養(yǎng)護(hù)工程分為東、西兩段，本文選取西段作為研究對(duì)象，如圖1所示。養(yǎng)護(hù)路段自六里橋向東經(jīng)過太平橋大街至馬連道路口，全長(zhǎng)1 370m。路段信息如表1所示。本文以該養(yǎng)護(hù)工程為研究對(duì)象，探討?zhàn)B護(hù)工程的交通影響分析和評(píng)價(jià)方法，并對(duì)由此造成的燃油增加等后續(xù)效應(yīng)進(jìn)行初步的分析。

圖1　 施工路段位置圖

表1　施工路段信息

2　城市道路養(yǎng)護(hù)工程施工方案的確定

2.1施工時(shí)段

一天中不同時(shí)段內(nèi)的交通量差別比較大，道路施工對(duì)交通產(chǎn)生的影響也不同。該養(yǎng)護(hù)工程位于北京市市區(qū)，為保證交通的順暢運(yùn)行，一般要求在晚上施工。為比較施工時(shí)段對(duì)交通的影響，本文將施工時(shí)段分為兩類，即白天施工（7：00—19：00）和夜間施工（22：00—次日6：00）。

2.2施工方式

施工方式指養(yǎng)護(hù)工程施工組織方式。根據(jù)該工程的可能性，將施工方式劃分為三類，即全長(zhǎng)半幅施工、分段半幅施工和全長(zhǎng)分車道施工，如圖2所示。

圖2　施工組織方式示意圖

圖2（a）所示為全長(zhǎng)半幅施工。該施工方式是實(shí)際工程采用的施工組織方式，即對(duì)全長(zhǎng)1 370m的半幅路面進(jìn)行全封閉，一次性完成導(dǎo)改和養(yǎng)護(hù)施工。對(duì)向半幅路面的三條車道中，兩條車道保持原交通方式，一條車道改為反方向交通方式，以保證該路段雙向交通運(yùn)行，車流方向如圖中箭頭所示。

圖2（b）為分段半幅施工。由于施工區(qū)段較長(zhǎng)，可能對(duì)該路段交通產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此考慮將該養(yǎng)護(hù)路段劃分為兩部分分別施工，以減小施工區(qū)長(zhǎng)度。分段內(nèi)的施工方式同圖2（a）。

圖2（c）為全長(zhǎng)分車道施工。為進(jìn)一步減小養(yǎng)護(hù)施工可能對(duì)該路段交通產(chǎn)生的影響，考慮采取全長(zhǎng)分車道施工的方式。即對(duì)于全長(zhǎng)1370m的路面，分別對(duì)每條車道進(jìn)行交通導(dǎo)改和養(yǎng)護(hù)施工。施工時(shí)其他兩個(gè)車道保持交通運(yùn)行狀態(tài)，以保證施工路段雙向交通運(yùn)行，車流方向如圖中箭頭所示。

2.3施工作業(yè)區(qū)仿真模型

養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)控制區(qū)一般由警告區(qū)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)及終止區(qū)組成。根據(jù)道路實(shí)際情況和《城市道路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程》（SZ—51—2006）[10]的規(guī)定，擬定施工作業(yè)區(qū)設(shè)置方式（見表2），并用于路段的交通仿真。

表2　施工作業(yè)區(qū)布置方式（單位：m）

2.4施工總時(shí)間

施工總時(shí)間包括交通導(dǎo)改時(shí)間和養(yǎng)護(hù)施工時(shí)間，施工組織方式不同，完工所需施工總時(shí)間也不相同。該養(yǎng)護(hù)工程實(shí)際施工中，采用全長(zhǎng)度半幅施工方式，施工時(shí)段為23：00—次日6：00。經(jīng)對(duì)該工程施工情況進(jìn)行跟蹤調(diào)查，交通導(dǎo)改時(shí)間共計(jì)4d，養(yǎng)護(hù)施工時(shí)間共計(jì)18d，養(yǎng)護(hù)工程持續(xù)時(shí)間共計(jì)22d。折合成工作小時(shí)數(shù)，則交通導(dǎo)改時(shí)間為28h，施工時(shí)間為126h，總時(shí)間為154h。

一般來講，交通導(dǎo)改時(shí)間和養(yǎng)護(hù)施工時(shí)間均與施工面積有關(guān)。施工面積大，則需要的交通導(dǎo)改長(zhǎng)度長(zhǎng)，交通導(dǎo)改和養(yǎng)護(hù)施工時(shí)間也同步增加。但交通導(dǎo)改時(shí)間和養(yǎng)護(hù)施工時(shí)間與養(yǎng)護(hù)施工面積并不是在任何情況下都是同比例增長(zhǎng)的。相同養(yǎng)護(hù)施工面積下，分兩次施工時(shí)，需要進(jìn)行兩次交通導(dǎo)改，總的交通導(dǎo)改時(shí)間要長(zhǎng)于一次交通導(dǎo)改的總時(shí)間。養(yǎng)護(hù)施工時(shí)間也是這樣，由于設(shè)備的調(diào)配、進(jìn)出場(chǎng)、調(diào)試等，分兩次施工所需要的總時(shí)間要長(zhǎng)于一次施工所需要的總時(shí)間。

根據(jù)上述分析，本文提出交通導(dǎo)改效率系數(shù)α和養(yǎng)護(hù)施工效率系數(shù)β，前者指不同施工組織方式時(shí)交通導(dǎo)改所需時(shí)間的調(diào)整系數(shù)，而后者指不同施工組織方式時(shí)養(yǎng)護(hù)施工所需時(shí)間的調(diào)整系數(shù)。不同施工組織方式下的交通導(dǎo)改和養(yǎng)護(hù)施工所需總時(shí)間按式（1）和式（2）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

式中：T1為實(shí)際交通導(dǎo)改時(shí)間（h）；T2為實(shí)際養(yǎng)護(hù)施工時(shí)間（h）；α為交通導(dǎo)改效率系數(shù)，全長(zhǎng)半幅施工時(shí)，α為1，分段半幅施工及全長(zhǎng)分車道施工時(shí)，α為1.2；β為養(yǎng)護(hù)施工效率系數(shù)，全長(zhǎng)半幅施工時(shí)，β為1，分段半幅施工時(shí)，β為1.5，全長(zhǎng)分車道施工時(shí)，β為1.8；v1為交通導(dǎo)改平均速度（m/ h）；v2為養(yǎng)護(hù)施工平均速度（m2/h）；L為交通導(dǎo)改設(shè)施搭建和拆除的總長(zhǎng)度（m）；S為養(yǎng)護(hù)施工總面積（m2）。

表3　不同施工方式的養(yǎng)護(hù)施工總時(shí)間

3　養(yǎng)護(hù)工程交通影響的Vissim仿真及評(píng)價(jià)

3.1仿真模型的驗(yàn)證

依據(jù)上述養(yǎng)護(hù)施工方式設(shè)計(jì)，分別建立Vissim仿真模型并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。選取仿真高峰小時(shí)流量作為校核Vissim模型的指標(biāo)。本文依據(jù)實(shí)際工程全長(zhǎng)半幅施工下的交通流量調(diào)查結(jié)果，求出每條車道的平均交通流量，并用來估算另外兩種施工方式下的交通流量。不同道路施工方式下的實(shí)際高峰小時(shí)流量與仿真高峰小時(shí)流量對(duì)比如表4所示。

表4　高峰小時(shí)流量對(duì)比

由表4可以看出，Vissim仿真結(jié)果與三種施工方式高峰小時(shí)流量的相對(duì)誤差絕對(duì)值都在2%以內(nèi)，所以參數(shù)標(biāo)定符合實(shí)際情況，建立的仿真模型有較好的適用性。

3.2交通總延誤

對(duì)不同施工方式下的養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)區(qū)段進(jìn)行Vissim仿真，得到不同情況下的平均延誤時(shí)間及仿真車輛數(shù)，進(jìn)而求得總延誤時(shí)間。總延誤時(shí)間的計(jì)算公式如式（3）所示：

式中：T為總延誤時(shí)間（h）；t1為平均延誤時(shí)間（s）；t2為完工時(shí)間（d）；t3為仿真時(shí)間（h）；veh為仿真車輛（輛）。

圖3為不同施工方式下的總延誤時(shí)間。可以看出，在所有施工方式下，白天施工都比晚上施工的總延誤時(shí)間要多，并且在不同施工方式或施工作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度下，改變施工時(shí)段對(duì)總延誤時(shí)間的影響程度不同。與半幅施工相比，分車道施工能很大程度地減少總延誤時(shí)間，這主要是因?yàn)榉周嚨朗┕r(shí)的車速較快，平均延誤時(shí)間較小。比較作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度（685m與1 370m）可知，減少作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度、采用分段半幅施工可以減少總延誤時(shí)間，這主要是車輛行駛路段短、平均運(yùn)行時(shí)間減少所致。

圖3　不同施工方式下的總延誤時(shí)間對(duì)比圖

不同施工方式下的總延誤時(shí)間對(duì)比如圖3所示。對(duì)比上述三種施工方式可以看出，無論選擇白天還是晚上施工，施工方式3即作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度為1 370m的分車道施工的總延誤時(shí)間最少，為理論上最優(yōu)的施工方案。

3.3不同施工方式下的燃油消耗

利用Vissim仿真，輸出三種不同施工方式下的運(yùn)行時(shí)間、平均速度及仿真車輛數(shù)，結(jié)果見表5。

表5　不同施工方式下的仿真輸出指標(biāo)

車輛在不同工況下，燃油性能不同。由于道路的養(yǎng)護(hù)施工造成了車輛行駛狀況的改變，必然會(huì)影響該路段通過車輛的總?cè)加土俊Ｎ墨I(xiàn)[11]給出了城市道路工況下小型客車的平均速度-油耗模型，如式（4）、式（5）所示。調(diào)查表明，本文研究路段上運(yùn)行車輛類型中的小型客車占到90%以上，其他所有車型比例小于10%，其條件符合該模型的適用條件。

平峰時(shí)期：

高峰時(shí)期：

式中：FC為單位車輛油耗（L·h-1）；v為平均速度（km·h-1）。

利用上述模型和本文的仿真結(jié)果，可以計(jì)算不同施工方式下，施工作業(yè)區(qū)路段通行車輛的總?cè)加土浚?jì)算公式如式（6）所示，計(jì)算結(jié)果見圖4。

式中：Q為總油耗（L）；t1為運(yùn)行時(shí)間（s）；t2為完工時(shí)間（d）；t3為仿真時(shí)間（h）；veh為仿真車輛數(shù)（輛）。

圖4　不同施工方式下的總油耗對(duì)比圖

由圖4可以看出，在三種不同施工組織方式下，白天施工總油耗比夜間施工總油耗大，主要是因?yàn)榘滋斓慕煌枯^大。比較施工方式1和施工方式2可知，適當(dāng)減小作業(yè)區(qū)長(zhǎng)度，可以降低施工路段內(nèi)運(yùn)行車輛的燃油消耗，主要是因?yàn)榉忾]路段較短，車輛通過施工路段運(yùn)行時(shí)間減少，車輛油耗隨之減少；與半幅施工相比，選擇分車道施工卻增加了車輛燃油消耗，雖然分車道施工車速有很大程度提高，但該施工方式下交通量增加，施工工期延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致總油耗增加。

對(duì)比上述三種施工方式的燃油消耗情況可知，無論白天還是夜間施工，施工方式2的總油耗最小，即作業(yè)長(zhǎng)度為685m的半幅施工為理論最優(yōu)方案。

4　城市道路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案決策流程

在實(shí)際工作中，城市道路養(yǎng)護(hù)工程方案的確定是一個(gè)復(fù)雜的決策過程，既要考慮養(yǎng)護(hù)技術(shù)的可行性，也要考慮養(yǎng)護(hù)方案的經(jīng)濟(jì)性，還要考慮養(yǎng)護(hù)工程施工可能造成的交通擁堵等交通影響。本文利用交通仿真手段進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工程的交通影響分析，在養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)定量評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通影響的定量評(píng)價(jià)。

綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、交通因素，本文提出城市道路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案決策流程，如圖5所示。基本方法是：首先，根據(jù)工程的具體情況擬定3~4個(gè)初步實(shí)施方案，進(jìn)行技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性分析，如果存在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上的缺陷，則應(yīng)舍去，重新擬定可行的實(shí)施方案；其次，對(duì)于技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的2~3個(gè)實(shí)施方案，利用交通仿真手段，進(jìn)行不同實(shí)施方案的交通影響分析，得到平均延誤、平均車速、排隊(duì)長(zhǎng)度等技術(shù)指標(biāo)；然后，進(jìn)行交通影響和環(huán)境影響評(píng)價(jià)，包括總延誤、總延誤費(fèi)用、燃油性、排放量等技術(shù)指標(biāo)；最后，根據(jù)優(yōu)先程度、重要性、工程特點(diǎn)等，確定最優(yōu)的實(shí)施方案。

5　結(jié)論

城市道路養(yǎng)護(hù)工程施工具有其特殊性，在考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性的同時(shí)，還必須考慮養(yǎng)護(hù)工程對(duì)交通的影響。本文提出了道路養(yǎng)護(hù)工程交通影響的定量評(píng)價(jià)方法，并提出了進(jìn)行城市道路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案決策流程。

圖5　城市道路施工方案決策流程

本文通過對(duì)具體養(yǎng)護(hù)工程的研究發(fā)現(xiàn)，不同實(shí)施方案產(chǎn)生的交通影響和環(huán)境影響不同，實(shí)際中所采取的養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案，從交通影響和環(huán)境影響來看并非最優(yōu)方案，通過改變施工組織方式，可以把養(yǎng)護(hù)工程對(duì)交通和環(huán)境的影響顯著降低。因此，在考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性的基礎(chǔ)上，還要定量考慮養(yǎng)護(hù)工程對(duì)交通產(chǎn)生的影響，才能提出最優(yōu)的城市道路養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施方案。

本文結(jié)合具體工程進(jìn)行研究，其結(jié)論尚需在其他工程中進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、交通、環(huán)境的道路養(yǎng)護(hù)施工方案決策方法有待進(jìn)一步的研究。

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Evaluation Method of Road Maintenance Project Program Based on Traffic Simulation

ZHANG Qian,ZHANG Jin-xi
(Key Laboratory for Traffic Engineering of Beijing,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Taking the evaluation method of urban road maintenance project implementation scheme as the research object in the paper,the traffic impact of different maintenance project of urban road were quantitatively evaluated by using the traffic simulation method.Then,based on the vehicle′velocity-fuel consumption model,the change of vehicle fuel consumption caused by different embodiments of maintenance projects was analyzed.The results showed that the construction period,the construction method and the operating zone length had significant impact on road traffic in the maintenance construction of urban road,which also led to large changes in fuel consumption of vehicles.Therefore it was concluded that reasonable and scientific construction plan optimization not only can reduce the traffic impact caused by the road maintenance construction,but also can reduce the fuel consumption of vehicles.Finally,the decision process and method of urban road maintenance project program were suggested.

urban road;maintenance project;program;evaluation method;traffic simulation

U491

A

2095-9931（2015）01-0027-06

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.005

2014-09-25