高速公路施工区动态限速探究

由于高速公路施工区或事故区上游广泛存在合流冲突，且与距离施工区距离有关，因此可将施工区上游固定限速方案改为动态可变限速控制，并基于车流波理论确定检测器与限速标志之间合理间距。通过VISSIM仿真软件模拟不同限速方案下施工区上游交通运行状况，并选择合适的评价参数。

近年来，由于高速公路交通量持续增长，社会经济、商业物流发展造成重型车比例也有所增加，对于高速公路而言交通压力过大容易导致路面结构损毁、坍塌，对高速公路高效养护的需求日益凸显，且由于交通密度的增加，大型车与私家车混行，车辆特性不同导致运行冲突更易发生，且事故发生量增加，后果更为严重。对此，前人已有部分研究，Lee等人[1]研究发现采用可变限速方案可将交通事故风险降低5%～17%左右，且通过交通仿真模拟发现可明显提高施工区通行能力；Hellingan等[2]研究认为若驾驶员可以遵守该动态限速方案，则交通事故率可显著降低；李志斌等[3]通过应用交通仿真模拟软件验证了可变限速方案可以降低瓶颈路段追尾事故发生率，并有效提高高速公路通过能力；范海龙等[4]建立了运输效率模型，并应用VISSIM仿真软件验证了可变限速可以通过降低车辆行驶速度离散型来保证交通安全。因此本文根据计算确定检测器及限速标志设置位置，通过该种动态限速控制方案减少高速公路上车辆的延误时长及排队长度，以此提高施工区交通运行安全性。

1施工区动态限速控制方案

高速公路施工区是管理养护部门进行维修、整理、改造的工作场所，但同时也是道路设施中的一个重要部分，在满足养护施工安全的同时，又要保证基本的道路通过需要，保证交通流连续、安全、不中断，因此对于施工区采用合理的交通组织设计和限速方案就显得尤为重要。动态限速控制方案是指依据不同交通流特性———密度、速度、交通量等，以及到施工区距离来设置不同的限速方案，以此延长施工区上游车辆完成变道行为的长度，降低临近施工区车辆排队长度，减少追尾事故的发生。同时，在距离施工区较远处设置较低的限制车速可提早使驾驶员认识到前方道路环境的变化，为需要进行变道行为的车辆提供更多的可穿越间隙，及早做出判断。具体公路施工区动态限速方案如图1所示。拟所用路网图，假设分析路段为单向两车道的高速路段，施工区占用其中一条行车道，车辆需在施工区上游进行换道，形成一种类似“窄桥”的交通流通过施工区。施工区造成的瓶颈影响路段分为警告区、上游过渡区、缓冲区、施工区、下游过渡区和终止区。具体限速标志及检测器将在下文计算得出。

2限速标志及检测器位置

2.1动态限速标志设置位置

按照图1所示，所标注功能区长度按照《公路养护安全作业规程》（JTGH30-2004），80～120km/h为施工区上游车辆限速的适合区间，警告区对应的对小长度为1.6km。由于交通仿真中路段起始段输入的交通流量大于施工区剩余通行能力，因此将警告区延长至2km。前方施工的警告标志设置于警告区起始位置，限速标志设置于警告区上游1/4处位置，即应将解除解除限速的标志设置于施工区速度控制终止区内。

2.2检测器布设位置

本文中方案均采用暑期微波型车辆检测器，其主要优点有：受恶劣天气影响较小，可保证全天工作时长，能检测静止车辆，且安装固定较为简单方便。为了确定出的检测器设置位置更满足实际交通流通行要求，本文采用VISSIM模拟仿真的方式，并基于车流波理论选取合理的检测器布设位置。2.2.1施工区过渡段VISSIM仿真实验本文采用的过渡段模拟仿真实验，设置初始输入车流量为2200辆/h，车辆组成为95%小汽车、5%大型车，限速标志设置为上游过渡区前1500m位置处，由于VISSIM后台运行规则，当需要变道超车或合流行为发生时头车需要等待可穿越间隙，但实际交通中穿越车辆有可能主动变道以创造可穿越间隙，因此这里调整冲突区域集中FrontGap、RearGap、SafetyDist等数值来规范车辆行为，调整参数值FrontGap：0.01s，SafetyDist：0.02s。通过仿真可得到施工区上游过渡段速度值及施工区通行能力，如表1所示。

2.2.2车流波理论分析车流波动理论，即流体动力学模拟理论，将交通流比作流体，依据水动力学基本原理模拟车辆形成交通流运行时的方程理论。高速公路施工区上游过渡区车道数量从两车道变为单车道，形成高速公路瓶颈路段，就会产生拥挤、紊乱甚至堵塞等情况，交通流会在进入瓶颈路段前产生一个反向的聚集波。若Vw得值为负，说明车流波传递方向与原车流行驶方向相反，此时表示在瓶颈过渡段及其上游，车辆被迫排队减速，进而产生拥堵，根据上表所得施工区上游过渡段速度及通行能力值，根据车流波理论式（1）计算，可得不同限速值条件下车流波波速。假设高峰小时之后没有车流量驶入，则可计算出排队车辆消散的时间以及消除100米排队车辆多需要的平均时间，结果如表2所示。

2.2.3检测器位置确定在确定检测器位置时还需要运用控制算法等方法进行分析确定，在实际应用中，保证车辆在行驶到检测器附近时，系统提供的动态限速即将控制速度从60km/h变为40km/h，提供不同的速度区域限制，对于运行车辆而言限制速度为动态可变的，公式（3）可表示行驶车辆在距离过渡区xkm时由于系统提供的不同限制速度，车辆到达施工区的时间不同，公式如下由于车辆排队已经到达检测器所在位置，因此可以得出检测器放置在不同地点时车辆到达的延误时间和聚集波形成的排队消散所需要的时间，如表3中所示。为了保证车辆在到达设定检测器地点时前面等待车辆大多数行驶经过过渡区，理论上车辆的延长时间应该尽量与消散时间相同或接近，但由于车辆在行驶到检测器地点时大多数驾驶员已经无法看到限速标志，因此应规定延长时间多于消散时间，如表3所示，可于距离上游过渡区150米处安设检测器进行检测。

3结论

针对高速公路施工区特有的交通特性及交通问题，本文提出了用动态限速方案代替固定限速方案，根据规范要求布置各功能区长度以及限速标志位置，并通过VISSIM与交通流理论相结合推算出检测器设置的合理位置。通过这种施工区上游的动态限速方案，可以保证车辆安全快速的通过施工区，提高瓶颈路段通行效益。

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