基于等效通行能力的施工區(qū)交通影響評價方法

邵長橋,郭杰

(北京工業(yè)大學(xué)城市交通學(xué)院北京市交通工程重點實驗室,北京 100124)

目前中國很多大中型城市都在對已有城市道路進(jìn)行升級改造,頻繁的道路施工給城市帶來了巨大的交通運行壓力,而道路施工往往要占用部分道路資源,甚至中斷道路進(jìn)行全封閉施工,使得道路通行能力下降,部分車輛需繞行其他鄰近道路行駛。占道施工不僅影響施工區(qū)所在路段的交通運行,還會影響其周圍路網(wǎng)交通運行[1]。因此有必要對城市占道施工區(qū)交通影響評價方法進(jìn)行研究,通過選擇不同的評價指標(biāo),對占道施工區(qū)的道路及其周邊路網(wǎng)進(jìn)行全面的交通影響分析,根據(jù)所得交通影響分析結(jié)果制定合理的交通組織措施,從而最小化占道施工對城市交通運行影響。

中外學(xué)者對占道施工區(qū)所產(chǎn)生的交通影響進(jìn)行了大量研究。Bourne等[2]從駕駛?cè)烁兄矫嫜芯苛烁咚俟肥┕^(qū)設(shè)施布設(shè)對交通運行的影響,并給出了設(shè)施完善度、平均延誤等交通運行評價指標(biāo)。Bhutani等[3]分析了城市道路施工對車輛行程速度、行程時間以及油耗等方面影響,從交通運行成本角度量化了城市占道施工對城市交通運行的影響。Pesti等[4]應(yīng)用實測數(shù)據(jù),基于高速公路施工區(qū)的行程時間、延誤、排隊長度,分析了高速公路施工區(qū)的交通影響。中國對占道施工區(qū)交通影響的研究相對較少。劉偉等[5]分析了計算通行能力時的不同影響因素,提出等效通行能力折減方法,并給出了施工占道項目交通影響分析閾值。王興[6]根據(jù)建設(shè)項目對交叉口、路段以及路網(wǎng)3個方面的影響,給出了建設(shè)項目綜合影響程度評價指標(biāo)體系,并利用層次分析法給出了評價指標(biāo)重要度排序方法。劉令[7]應(yīng)用仿真方法研究了施工區(qū)交通影響,提出了占道施工條件下路網(wǎng)容量衰減比和占道施工強(qiáng)度因子兩個評價指標(biāo)。楊達(dá)等[8]基于車輛延誤指標(biāo)對高速公路施工區(qū)交通狀態(tài)進(jìn)行了評價,并得出分析施工區(qū)車輛延誤有助于尋找交通影響最小化的施工區(qū)交通組織方案的結(jié)論。呂佳璐等[9]以平均延誤、平均速度、平均停車次數(shù)為評價指標(biāo),提出了基于模糊數(shù)學(xué)理論的交通影響評價方法,并對城市干道施工路段進(jìn)行了評價。Khamphay等[10]以通過時間、平均通行速度等為指標(biāo)分析了城市道路施工區(qū)不同因素對車輛延誤的影響,并提出了基于社會力模型的城市路段施工區(qū)交通延誤分析方法。

綜上所述,中外對占道施工區(qū)交通影響分析研究成果較多,但研究對象大多是高速公路占道施工區(qū),而對城市道路占道施工區(qū)的相關(guān)研究較少。現(xiàn)有的占道施工區(qū)交通影響評價方法理論性較強(qiáng),計算難度較大,并且未從各個層面系統(tǒng)性地給出評價指標(biāo)。同時,已有的交通影響評價啟動閾值大多根據(jù)交叉口或路段的剩余通行能力值確定,缺少基于施工區(qū)影響評價指標(biāo)確定評價閾值。因此,不能全面反應(yīng)占道施工對施工道路及周邊路網(wǎng)所產(chǎn)生的影響。鑒于此,針對城市道路所具有的交通運行特點,在等效通行能力的理論基礎(chǔ)上給出了城市占道施工區(qū)交通影響評價方法,從交叉口、路段、路網(wǎng)層面系統(tǒng)性地給出了交通影響評價指標(biāo),并利用綜合評價方法確定了城市占道施工交通影響評價閾值,最后結(jié)合評價閾值給出了城市占道施工區(qū)交通影響范圍確定流程。所提出的交通影響評價方法更符合城市道路占道施工區(qū)的交通運行特點,具有一定的實際意義,同時也完善了中國關(guān)于城市道路占道施工交通影響評價的研究。

1 城市道路占道施工特征分析

為度量城市占道施工區(qū)對交通運行造成的影響,從占道施工區(qū)交通流特性和占道施工區(qū)道路特性兩個方面對城市道路占道施工進(jìn)行特征分析。

1.1 城市道路占道施工區(qū)交通流特性

由于占道施工區(qū)占用部分道路資源,原有的道路線形發(fā)生改變,此時交通流將會重新分布,從而產(chǎn)生合流性、波動性、跟馳性等特性。合流性是指處于被施工區(qū)占用車道上的車輛需要匯入到未被占用車道上行駛,此時占道施工區(qū)交通流將呈現(xiàn)出合流特性,并且該合流是強(qiáng)制性的;波動性是指車輛行駛至占道施工區(qū)域時,由于車道數(shù)減少,在車道數(shù)漸變段會形成一個瓶頸點,此時一個與車輛行駛方向相反的阻滯波將會形成,從而出現(xiàn)一段擁堵路段[5];跟馳性是指車輛行駛至占道施工區(qū)域時行駛車速降低,車輛的行駛速度將會隨著前車車速的改變而改變,此時交通流呈現(xiàn)出一定的跟馳性[11]。

1.2 城市道路占道施工區(qū)道路特性

城市道路占道施工區(qū)的道路特性主要體現(xiàn)在道路線形變化、施工區(qū)設(shè)施布設(shè)、道路通行能力降低等。城市道路占道施工區(qū)占用部分道路資源,道路的原有線形受到破壞,從而造成行車視距不足,增加安全隱患;為了使車輛安全順暢地通過占道施工區(qū)域,一般會按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置交通安全管理配套設(shè)施,如通過設(shè)置交通標(biāo)志、標(biāo)線等引導(dǎo)駕駛?cè)税踩ㄟ^施工區(qū)域。城市道路占道施工區(qū)道路特性的變化,導(dǎo)致施工區(qū)交通運行復(fù)雜,交通擁堵頻發(fā),從而降低道路通行能力[12],造成部分車輛繞行其他道路,甚至?xí)M(jìn)一步影響周圍路網(wǎng)交通運行。

2 占道施工交通影響評價方法

2.1 等效通行能力

等效通行能力不同于傳統(tǒng)通行能力,傳統(tǒng)通行能力將通過瓶頸斷面的最大流率作為路段通行能力,而實際路段瓶頸斷面很難確定,僅以瓶頸斷面通行能力作為整個路段通行能力不能全面反應(yīng)道路設(shè)施之間的差異。城市道路是由交叉口和其之間的路段連接而成的,等效通行能力正是從城市道路這種間斷流特征出發(fā),將間斷道路等效為連續(xù)道路,通過測定車輛在等效路段上的實際行程時間,進(jìn)而計算得出等效路段的通行能力,而城市道路中的各種干擾因素包括交叉口干擾以及路段干擾因素都會在行程時間中得以體現(xiàn)[13]。

(1)

(2)

式中:L為道路長度,km;v為等效車速,km/h;t為行程時間,h。

當(dāng)交通密度小、交通密度擁擠時,速度v與密度k的關(guān)系模型為

(3)

式(3)中:vf為自由流速度,km/h;vm為交通量最大時對應(yīng)的車速,km/h;kj為阻塞密度,pcu/km。

最大流量qm即等效通行能力,可表示為

(4)

表1 速度與密度回歸分析函數(shù)關(guān)系式Table 1 Relationship between velocity and density regression analysis function

圖1 速度-密度關(guān)系對數(shù)型擬合曲線Fig.1 Logarithmic fitting curve of velocity-density relationship

圖2 速度-密度關(guān)系指數(shù)型擬合曲線Fig.2 Exponential fitting curve of velocity-density relationship

對城市道路交通流運行特點進(jìn)行分析可知,路段自由流車速應(yīng)根據(jù)道路平峰時期實際行程時間確定,即

(5)

式(5)中:L為路段長度,km;t1為路段平峰行程時間,h,由實測數(shù)據(jù)得到。

通過式(3)和式(5)計算出路段阻塞密度和自由流車速后,根據(jù)式(4)即可計算出路段等效通行能力。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算得到研究范圍內(nèi)部分路段等效通行能力值如表2所示。

表2 各路段等效通行能力Table 2 Equivalent capacity of each road section

2.2 評價指標(biāo)選取

建設(shè)項目或占道施工項目大多從“點”層面確定交通影響評價指標(biāo),如交叉口延誤、排隊長度等,然而城市占道施工區(qū)對交通的影響往往是區(qū)域性的,只對施工道路某一交叉口或施工路段進(jìn)行交通影響評價不能準(zhǔn)確量化占道施工項目給路網(wǎng)帶來的交通影響。在等效通行能力基礎(chǔ)上從“點”“線”“面”3個層面對占道施工進(jìn)行交通影響評價,從每個層面選取具有代表性的評價指標(biāo),然后利用這些評價指標(biāo)通過綜合評價方法確定占道施工交通影響評價閾值。對于交叉口,選取平均延誤評價指標(biāo);對于路段,提出等效飽和度評價指標(biāo);對于路網(wǎng),提出行程時間可靠性評價指標(biāo)。

2.2.1 交叉口平均延誤

交叉口平均延誤的定義是所有車輛通過交叉口產(chǎn)生延誤的平均值,其可通過仿真分析工具直接獲取。

2.2.2 等效飽和度

等效飽和度與傳統(tǒng)飽和度的不同之處在于等效飽和度是等效路段交通量與等效通行能力的比值,該評價指標(biāo)描述了由多個交叉口和路段組成的等效路段由于占道施工對其造成的交通影響。等效飽和度計算公式為

(6)

式(6)中:s為等效飽和度。

2.2.3 行程時間可靠性

行程時間可靠性指的是在指定的出行時間內(nèi),出行者完成從出發(fā)地到目的地之間行程的概率大小,用來衡量出行者完成一次完整出行符合預(yù)期的程度的指標(biāo)[14]。假設(shè)路段、路徑行程時間均可用正態(tài)分布描述,通過計算路段、路徑所需行程時間的均值和方差,即可確定其行程時間可靠性。

行程時間可應(yīng)用美國道路局(Bureau of Public Road,BPR)開發(fā)的BPR函數(shù)[15]計算,BPR函數(shù)是針對連續(xù)流交通設(shè)施開發(fā)的,考慮到本文研究對象為城市占道施工區(qū),因此,對BPR函數(shù)進(jìn)行了修正。BPR計算模型為

(7)

式(7)中:T(t)為某路段t時刻行程時間,h;t0為某路段自由流行程時間,h;q(t)為某路段t時刻交通量,pcu/h;c(t)為某路段t時刻等效通行能力,pcu/h;α、β為參數(shù),根據(jù)不同交通流狀態(tài)取值。

通過調(diào)整BPR函數(shù)中的兩個參數(shù)取值對其進(jìn)行修正,針對不同交通流運行狀態(tài)對模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,從而得到不同交通流運行狀態(tài)下BPR修正模型。首先將BPR模型進(jìn)行對數(shù)化處理[11]。

(8)

通過實測數(shù)據(jù)分別獲得某條路徑高峰和平峰交通量,在VISSIM仿真平臺中輸入從平峰到高峰之間的不同交通量,通過仿真實驗獲得不同交通量對應(yīng)的平均行程時間,選取研究范圍內(nèi)其中一條具有代表性的路徑,該路徑包含3個交叉口,單向兩車道,仿真運行后得到的實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 平均行程時間與擁堵指數(shù)對比Fig.3 Comparison of average travel time and congestion index

交通擁堵指數(shù)TSI計算公式為[16]

(9)

式(9)中:TSI為交通擁堵指數(shù);T0為所選路徑自由流行程時間,h;Ti為所選路徑實際行程時間,h。

通過圖3中行程時間和擁堵指數(shù)隨交通量的變化趨勢可以看出,交通流可分為自由流、阻滯流、擁堵流3種狀態(tài),并以此將擁堵指數(shù)劃分為3個區(qū)間,具體劃分區(qū)間如表3所示。

表3 擁堵指數(shù)劃分區(qū)間Table 3 Congestion index division

根據(jù)交通流狀態(tài)劃分區(qū)間,通過SPSS軟件回歸分析得到BPR修正模型中α、β如表4所示。

表4 BPR修正模型參數(shù)取值Table 4 BPR correction model parameter values

將標(biāo)定后的參數(shù)取值帶入BPR模型中,即可得到修正的BPR函數(shù),可表示為

(10)

E[T(t)]=t0+αt0c-βE(qβ)

(11)

(12)

式中:E為計算數(shù)據(jù)的期望;D為計算數(shù)據(jù)的方差。

假設(shè)道路交通參與者期望的路段和路徑行程時間不超過t′,則路段、路徑行程時間可靠性[17]可表示為

R(q)=P{T(t)≤t′}

=P{T(t)≤γt0}

(13)

式(13)中:R(q)為路段和路徑期望行程時間可靠性;γ為參數(shù),根據(jù)交通流狀況進(jìn)行取值。

關(guān)于式(13)中參數(shù)γ的取值,Bell等[18]提出在一般情況下建議取值1.2,認(rèn)為參數(shù)γ應(yīng)根據(jù)路段和路徑實際行程時間的均值進(jìn)行取值,因為道路交通量在全天中變化較為明顯,尤其是高峰期與平峰期交通量差距較大。在高峰期間,道路行程時間往往高于自由流行程時間,此時仍然采用1.2倍自由流行程時間作為判斷標(biāo)準(zhǔn),所計算出的行程時間可靠性將會很低,甚至為0。如果在計算道路行程時間可靠性時,全天所有時段均采用行程時間小于等于1.2倍自由流行程時間,顯然很不合理,因此認(rèn)為參數(shù)γ的取值應(yīng)按式(14)進(jìn)行計算。

(14)

式(14)中:Ti為所選路徑實際行程時間。

2.3 評價閾值確定

結(jié)合給出的評價指標(biāo),從交叉口、路段、路網(wǎng)3個層面對占道施工進(jìn)行綜合交通影響評價,將上述3個評價指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、一致化、歸一化處理后,進(jìn)而得出評價閾值。根據(jù)《美國道路通行能力手冊》[15]關(guān)于城市道路平均延誤水平的規(guī)定,將平均延誤評價等級分為6個等級,城市道路交叉口平均延誤評價等級劃分如表5所示。

表5 交叉口平均延誤分級Table 5 Average delay classification of intersections

飽和度與道路服務(wù)水平存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著道路服務(wù)水平等級的升高,路段飽和度逐漸降低,隨著道路服務(wù)水平的降低,路段飽和度逐漸升高,根據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》(CJJ 37—2012)[19]關(guān)于城市道路服務(wù)水平等級的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,將等效飽和度劃分為6個評價等級,城市道路路段等效飽和度評價等級劃分如表6所示。

表6 路段等效飽和度分級Table 6 Equivalent saturation classification of road sections

根據(jù)《美國道路通行能力手冊》[15]可知,服務(wù)水平共分為6個等級,而服務(wù)水平(V)與飽和度(C)比值V/C存在一定的聯(lián)系,交通量變化引起飽和度變化,同時也引起了行程時間的變化,因此借鑒服務(wù)水平分級將行程時間可靠性分為6個等級,行程時間可靠性具體等級劃分如表7所示。

表7 行程時間可靠性分級Table 7 Travel time reliability classification

2.3.1 評價指標(biāo)預(yù)處理

由于以上3個評價指標(biāo)量綱不一致,因此在計算交通影響評價閾值前,要通過預(yù)處理方法,使3個評價指標(biāo)量綱保持一致。

(1)評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。利用統(tǒng)計學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)化方法,消除評價指標(biāo)原始單位的影響,在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理之前,需要預(yù)先確定評價指標(biāo)的極值,表8給出了各個評價指標(biāo)極值的具體取值。

表8 評價指標(biāo)極值取值Table 8 Evaluation index extreme value

采用極值法對評價指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[20]處理,令Mj=max{Xij},mj=min{Xij},則有

(15)

(2)評價指標(biāo)一致化。平均延誤和等效飽和度均為逆指標(biāo)(其值越小越好),行程時間可靠性為正指標(biāo)(其值越大越好),通過對3個評價指標(biāo)進(jìn)行一致化[20]處理,使其指標(biāo)類型得到統(tǒng)一。設(shè)正指標(biāo)為Xi(i=1,2,…,n),則經(jīng)過一致化處理后的逆指標(biāo)為

(16)

式(16)中:x′i為經(jīng)一致化處理后的逆指標(biāo);Xi為正指標(biāo)。

(3)評價指標(biāo)歸一化。由于行程可靠性評價指標(biāo)經(jīng)過一致化處理后,其值會出現(xiàn)大于1的情況,而標(biāo)準(zhǔn)化處理方法對于數(shù)值較小的評價指標(biāo)將失去作用,故需要采用歸一化方法[6]對數(shù)值大于1的評價指標(biāo)進(jìn)行處理,具體計算公式為

(17)

確定交通影響評價閾值的相關(guān)評價指標(biāo)預(yù)處理結(jié)果如表9所示。

表9 預(yù)處理后的評價指標(biāo)分級Table 9 Evaluation index classification after preprocessing

2.3.2 綜合評價方法確定評價閾值

y=(x″i1)2+(x″i2)2

(18)

根據(jù)式(18)計算不同等級下的綜合評價閾值,計算得到的閾值分級如表10所示。

表10 綜合評價閾值分級Table 10 Comprehensive evaluation threshold grading

根據(jù)《美國道路通行能力手冊》[15]中給出的道路服務(wù)水平分級表可知,當(dāng)服務(wù)水平達(dá)到D級時,車流運行由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài),此時的飽和度為0.90,可將其作為評價路網(wǎng)運行狀態(tài)的最低值。即當(dāng)綜合評價閾值大于0.61時,要進(jìn)行占道施工區(qū)的交通影響評價工作,并采取相應(yīng)的交通組織措施。考慮到道路的使用率情況,部分路段的服務(wù)水平在占道施工前可能處于較高等級,等效飽和度較低,占道施工后可能不會使該路段等效飽和度降低到D級及以下,但此時該路段的服務(wù)水平等級已發(fā)生了較大變化,交通流運行狀態(tài)發(fā)生了較大改變,因此本文建議對于綜合評價閾值降低一級及以上時都需要進(jìn)行交通影響評價。

2.4 交通影響范圍確定

由于城市占道施工區(qū)所產(chǎn)生的交通影響是區(qū)域性的,因此,將等效通行能力作為理論依據(jù),從而確定交通影響范圍,通過可靠行程時間推算路段可轉(zhuǎn)移交通量,然后按照阻抗最小原則分配占道施工路段需轉(zhuǎn)移的交通量,根據(jù)本文提出的交通影響評價閾值對分流后的路網(wǎng)進(jìn)行交通影響分析,對于達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)的路網(wǎng)范圍就是占道施工的交通影響范圍。交通影響范圍具體確定流程如圖4所示。

圖4 交通影響范圍確定流程Fig.4 Process of determining the scope of traffic influence

3 案例分析

為了驗證所提出的基于等效通行能力的城市占道施工區(qū)交通影響評價方法,選取北京市某輕軌建設(shè)工程作為案例進(jìn)行分析。該輕軌建設(shè)工程需經(jīng)過博興八路大橋,因施工需要,施工期間需中斷博興八路大橋進(jìn)行全封閉施工,該大橋為雙向四車道,道路等級為城市主干道,是該區(qū)域南北向進(jìn)入經(jīng)開區(qū)的重要通道。

根據(jù)本文評價指標(biāo),通過VISSIM仿真平臺對研究范圍內(nèi)占道施工前后路網(wǎng)運行情況進(jìn)行仿真評價,其中路網(wǎng)內(nèi)交叉口平均延誤變化情況如圖5所示,路網(wǎng)內(nèi)各路段等效飽和度變化情況如圖6所示,路網(wǎng)內(nèi)各路段行程時間可靠性變化情況如圖7所示。

圖5 研究范圍交叉口平均延誤變化情況Fig.5 Changes in average delays at intersections within the study area

圖6 研究范圍路段等效飽和度變化情況Fig.6 Changes in equivalent saturation of road sections in the study area

圖7 研究范圍路段行程時間可靠性變化情況Fig.7 Changes in travel time reliability of road sections in the study area

如圖7所示,部分路段行程時間可靠性有所提升,這是由于占道施工區(qū)的存在,使得施工道路周邊路網(wǎng)交通量大幅增加,導(dǎo)致其行程時間也隨之增加,路段內(nèi)交通流運行不暢,與此同時,隨著轉(zhuǎn)移到周圍路網(wǎng)交通量的增加,使得交通量隨時間變化的離散性大幅減小,根據(jù)前文中給出的行程時間可靠性計算模型的結(jié)構(gòu)特征可以看出,雖然行程時間是增加的,但由于交通量方差大幅減小,最終計算得出的路段行程時間可靠性是增加的,這也反映出該路段受到占道施工的影響較大。

部分路段行程時間可靠性有所降低,是由于這些路段在存在占道施工區(qū)之前交通量較小,占道施工區(qū)存在后,使得這些路段交通量大幅增加,車輛在該路段上的行程時間也隨之增加,最終計算得出的路段行程時間可靠性降低。

根據(jù)計算得出的交叉口平均延誤、路段等效飽和度、路段行程時間可靠性,進(jìn)而通過式(16)計算各路段綜合評價閾值,具體計算結(jié)果如表11所示。

表11 研究范圍路段綜合評價閾值變化情況Table 11 Changes in comprehensive evaluation thresholds of road sections in the study area

研究范圍內(nèi)的具體交通影響范圍可根據(jù)圖4給出的交通影響范圍確定流程和表11中施工前后綜合評價閾值的變化情況進(jìn)行劃定。

4 結(jié)論

(1)將等效通行能力應(yīng)用于城市占道施工區(qū)交通影響評價方法中,在等效通行能力基礎(chǔ)上提出等效飽和度和行程時間可靠性評價指標(biāo),并從交叉口、路段、路網(wǎng)3個層面選取具有代表性的評價指標(biāo)對城市占道施工區(qū)產(chǎn)生的交通影響進(jìn)行綜合評價,利用綜合評價方法給出了城市占道施工區(qū)交通影響評價閾值,然后根據(jù)交通影響評價閾值給出了城市占道施工區(qū)交通影響范圍確定流程。

(2)道路交通參與者對出行質(zhì)量最直觀的感受就是道路服務(wù)水平和行程時間的變化,因此通過交叉口平均延誤、等效飽和度、行程時間可靠性確定交通影響評價閾值。最終通過實際案例對所提出的城市占道施工交通影響評價方法進(jìn)行了驗證。該方法與已有的交通影響評價方法相比,解決了交通影響評價方法計算難度過大,難以應(yīng)用于實際的問題,且從不同層面綜合量化分析了交通影響評價閾值,克服了已有交通影響評價方法確定評價閾值時考慮層面單一化的缺陷,具有一定的實際意義。