大交通流量高速公路占道施工時段研究

陳舟宇 翁士曉 閆兆柏 徐周聰 王火明

摘 要：為科學合理地制定超大交通流量高速公路占道施工時段，本文在深入分析超大交通流量高速公路各類經濟社會效益和施工組織成本的基礎上，研究提出了混合整數優化模型，并結合實際的問題設計了優化模型的求解算法，最后以甬臺溫高速塘下-溫州南區間為例，通過具體的案例分析，展示優化模型的使用方法。本研究所提出的方法可為超大交通流量高速公路占道施工時間的最優分配提供決策依據，可以有效降低高速公路改擴建施工的經濟損失。

關鍵詞：高速公路;封道施工時段;大流量

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A

0 引言

高速公路在我國的區域間出行中占有非常重要的地位，尤其在長三角區域內部的各城市之間的交通出行中，基于高速公路的出行比例非常高。而且，由于東部沿海地區的高速公路建設時間在我國機動車擁有量爆發式增長期之前，許多高速公路僅為雙向4車道，所以許多核心路段的白天流量接近飽和，施工組織難度大。施工交通組織需要面對兩類資源的分配問題，一類是空間資源的分配，微觀層面研究施工的組織方案，宏觀層面研究施工期間交通流量變化的規律，為受影響區域的交通組織提供指導;另一類是時間資源的分配，主要研究施工封道的時間方案制定。

高速公路施工交通組織的首要問題是交通安全，李雄面向安全保障，提出了一系列施工交通組織的要點與策略[1]，薛長龍基于駕駛人晝夜制動特性和視覺特性構建分級限速模型，研究施工區上游的車速限制以降低高速公路改擴建施工影響區域的交通事故率[2]。在保證安全的基礎上，需要提高施工區域的通行效率，王偉等人系統研究了施工區域中的警告區、過渡區、緩沖區、工作區、終止區的劃分方法，既保證交通安全和施工進度，又保障交通運行的效率[3]。面對山區高速公路的特殊性，陳禮彪等人系統分析山區高速公路施工期間的交通組織方案，重點探討轉換段、長下坡路段及拓寬隧道的交通設計經驗[4]。在宏觀層面分析中，高速公路改擴建還涉及區域交通組織問題，面對工程實際需求，張含飛以規范和Vissim仿真為基礎研究高速公路擴建工程的交通組織方案的動態設計[5];在區域路網條件下，高速公路改擴建會引起交通流的重分配，為此，王世偉研究常用的交通流分配方法和不同交通組織情況下路段阻抗函數的標定，采用交通運行效率指標和遺傳算法建模分析高速公路改擴建施工區域的流量分配[6]。

雖然空間交通資源分配問題已經研究得非常充分，但是，封道時間的研究仍然非常缺乏。大修施工不僅降低了高速公路的通行能力和服務水平，加劇了高速公路的交通擁堵，由于施工封道，造成大量車流由其他道路分流，降低了高速公路業主通行費的收入。因此，若全時段封閉施工，雖然有利于施工的組織，但是對區域交通和業主的經濟造成嚴重影響。為研究合適的施工封道方案，本研究面向經濟方面的分析，采用最優化數學模型的方法，建立優化模型，并使用實際的數據計算模型參數，通過Excel VBA編寫模型求解算法，以確定最合適的施工封道時間方案。本研究所提出的分析方法可指導實際工程應用。

1 封道時間方案優化模型

1.1 決策變量

為方便施工組織管理，原則上固定每天的封道起止時間，且封道時長以1小時為基本單位。若不考慮交通流量每天的波動，取交通流量與通行費用的平均值作為封道的考慮因素，本問題所需要決定的變量僅為2項：

（1）開始封道的時間，，且須為整數;

（2）結束封道的時間，，且須為整數。

1.2 施工時間長度

高速公路維修施工的時間長度由路面情況和施工工藝決定，和封道時間無關。施工時間以小時為單位，具體時間由開始封道的時間和結束封道的時間計算，方法如下：

若，總的施工時間為;

若，總的施工時間為，即全天封道;

若，總的施工時間為。

1.3 施工天數

假設某一路段的施工總時間長度為小時，理論上，可以全天24小時施工，則理論施工天數為。而實際上，每天的施工時間為，則實際需要的施工天數為。

則實際施工的天數要大于等于理論的施工天數，時間差為：

1.4 機會成本

由于施工機械與施工人員的等待期間具有機會成本，假設一段工程的總的機會成本為C元/天，則按照實際的施工安排需要多花費的機會成本為：

1.5 通行費收入

理論的施工天數與實際的施工天數存在差異，為了在通行費上公平的對比分析，將使用作為參照，分別計算理論條件下的通行費收入與實際條件下的通行費收入之差。

1.6 目標函數

施工期間主要是通行費收入和施工時間延遲的機會成本兩項經濟指標。因此，目標函數應為實際通行費多收的費用減去工程的機會成本，且要求機會成本最大化。

2 優化算法設計

該問題為離散優化問題，理論上，離散優化問題的常用算法為枚舉法、分支定界法、動態規劃法。離散優化問題所存在的困難為維度爆炸問題。本研究的決策變量只有兩個維度，每個維度只有24個取值，所以，本研究所面對問題解空間中，解的個數為有限個：24*24=576個，且數量也不大。所以本研究首選枚舉法作為優化問題的求解算法。即對于每個施工路段，求解出所有576個方案的目標函數值，再從中選出最大值作為本研究的最優解，最大值所對應的方案作為本研究的最優方案。由于通常意義下的高速公路改擴建問題規模不大，Excel VBA編程語言即可方便的編寫求解代碼。

3 案例分析

本節的案例分析以甬臺溫高速公路塘下出入口至溫州南出入口之間（由北向南）的路段為例，介紹高速公路施工時間段研究的分析過程。

3.1 塘下-溫州南流量與收費

塘下-溫州南區間的斷面流量日均為2.8萬輛，表1展示了2019年6月1日至2019年6月7日的各種車型占比，總體而言，各類車型占比相對穩定，其中，客1車型占絕大多數，為78.69%，其次為貨1車型，占7.94%。

根據計費標準，此段道路的通行費總量為14.9萬，客1的費用為8.8萬元，具體各類車型的計費標準與日均費用如表2所示。

3.2 流量與通行費的時變特征

溫州南出入口每天24小時流量分布中，從晚上23點到凌晨6點的流量很小，小時流量占全天流量的比例低于2%，上午7點，流量升至峰值，直至下午18點，流量開始下降。塘下-溫州南段的高峰小時通行費用為1.1萬元。

3.3 施工路段工期計劃

根據施工工期安排，若采用全天24小時的方式施工，道路施工工期為42天，若每天僅部分時段安排施工，則道路施工需要1 008小時。若不采用24小時施工的制度，將造成施工天數的增加，根據施工設備及人員的成本估算，各工段每增加一天的工期，將損失5萬元的機會成本。

3.4 施工時間段分析

塘下-溫州南區間的封道方案遍歷后，有效的封道方案如表3中正值所對應的方案。此路段的最優方案為：晚上19：00開始封道施工，早上7：00開始停止施工，恢復交通，每天施工12小時。此方案的施工天數將比24小時施工方案的天數增加1倍，但是總的收益將增加11萬元。

4 結語

與普通公路或城市道路相比，高速公路施工的交通組織具有特殊性，由于涉及到高速公路收費問題，路政公司需要考慮經濟效益。通常情況下，高速公路白天的流量大，通行費收益較高，而夜間的交通流量較小，通行費收入較少。夜間施工、日間通行的策略是高速公路施工時間選取的最佳策略。但是，具體夜間施工的開始時間與終止時間的確定仍然是一個問題。本研究綜合高速公路通行費、交通流量、施工成本、施工工期等要素建立最優化數學模型，通過算法求解，計算出封道施工時間的最佳策略。并以甬臺溫高速公路塘下-溫州南方向改建施工的實際場景為例，展示了占道施工時間模型的應用方法。本文所設計的模型為高速公路施工時間方案的制定具有非常好的指導意義，可以有效降低高速公路改擴建施工的經濟損失。

參考文獻：

[1]李雄.高速公路改擴建安全交通組織[J].交通世界，2020，27（22）：133-134+155.

[2]薛長龍，劉興旺，程國柱，等.基于駕駛人特性的高速公路改擴建工作區上游限速值研究[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2020，33（03）：45-51.

[3]王偉，陸雨函，李劍.高速公路改擴建工程交通組織施工區長度劃分研究[J].工程建設與設計，2020，68（13）：110-112.

[4]陳禮彪，鄔曉光，蘇興矩，等.廈蓉高速公路改擴建工程交通組織方案研究[J].工程管理學報，2020，34（03）：61-66.

[5]張含飛.高速公路改擴建交通組織方案動態設計研究[D].長安大學，2015.

[6]王世偉.區域路網條件下的高速公路改擴建交通分流研究[D].長安大學，2018.