高速公路养护施工区限速控制研究毕业设计.doc

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高速公路养护施工区限速控制研究摘要：本文依托交通仿真软件Vissim对各种限速条件下的交通运行情况进行仿真模拟，选取适合于养护施工区的安全评价指标，并对各种限速方案进行安全评价，得出较优的限速方案和限速标志牌的位置。关键词：养护施工区；限速控制；安全评价；交通仿真 Study on Speed-limiting Control of Freeway Work Zone Abstract: The paper utilizes traffic simulation software VISSIM to carry on the simulation of traffic operation with variety of speed-limiting conditions. It selects the safety evaluation index which is suitable for work zone and carries on the safe evaluation of variety of speed-limiting program. At last the paper derives the better speed-limiting program and the location of speed-limiting signs. Key words: Work zone; Speed-limiting control; Traffic safety evaluation; Traffic simulation 近年来随着高速公路事业在我国的快速发展，高速公路养护维修也已广泛开展，在高速公路上进行养护维修作业通常要封闭一部分车道，造成车辆运行环境恶化，因此在作业区路段易发生拥挤、排队、甚至发生事故。为了确保作业区路段的交通安全，交通管理部门通常在作业区前方进行限速管理。对高速公路养护施工区限速控制的研究将是提高作业区交通安全和保障运行效率的基础，本文依托交通仿真软件Vissim对多种限速问题进行微观仿真研究。 1.养护施工区安全评价指标的选取目前对交通安全的评价方法基本上可分为两类：基于事故统计的安全评价方法和基于交通冲突技术的安全评价方法。基于事故统计的评价方法需要有大量的原始事故数据，而国内养护施工区的事故统计还不完善，很难得到这些原始统计数据，也就无法进行下一步的计算分析；交通冲突方法需要研究分析各个地段的冲突点，而养护施工区从警告区开始到终止区结束这段路段很长，很难计算分析出各个地段的冲突点。因此这些评价方法对高速公路养护施工区的安全评价都存在一定的局限性，不能完全反映高速公路养护施工区的限速方案设置对交通安全的影响。在高速公路占用车道进行养护作业时，养护作业区会对高速交通流发生干扰，引发交通冲突，其表现一为车辆之间的纵向冲突，即追尾；二为车辆之间的横向冲突[1]。横向冲突主要是车辆之间的侧向摩擦、车辆与施工区固定物之间的摩擦等，纵向冲突主要是车辆之间的追尾。提高高速公路养护施工区的安全特性也就是减少车辆之间的纵向冲突和横向冲突。通过分析养护施工区交通流特性和交通冲突的类型，选取等效最小安全距离（MSDE）和速度标准差的变化系数（CV）作为养护施工区这个特定交通路段的安全评价指标。（1）等效最小安全距离美国Sivanaga S. Yadlapati等人在开发和测试施工作业区的可变速度限制系统中，首次提出了最小安全距离MSDE（minimum safety distance equation）这个道路的安全性指标。它代表的含义见以下的公式[2]: （1） PRT=t1+t2+t3 （2）式中：VL——前车车速（mph） VF——后车车速（mph） h——车头时距（s） PRT——车辆安全时距（s） f——路面摩擦力系数 g——道路纵坡 t1——后车驾驶员感知反应时间 t2——抬脚至制动生效时间 t3——制动开始到制动结束时间通常人们在考虑前后车辆的事故风险性时，一般都只考虑前后车辆的距离，或者单独考虑前后车辆的速度差。当单独考虑前后车辆的距离时，前后车辆距离越小，则发生事故的风险性越大；当单独考虑前后车辆的速度差时，前后车的速度差越大，则发生事故的风险性越大。而等效最小安全距离MSDE将前后车辆的距离和速度差结合在一起,综合考虑了这两个因素对事故风险性的影响。（2）速度标准差的变化系数由于养护施工区的出现，高速公路的连续车流必然受到阻挡和干扰，必然引起车头时距变小、交通干扰频繁、车速的离散性变大，从而引起交通流的不稳定。而交通流不稳定就会导致车辆在队列中走走停停的拥挤现象，引起交通拥挤甚至交通事故。如果把养护施工区看作一个系统，那么系统内要素间有很强的制约关系，此时的系统是一个不稳定的系统。国内外大量研究已经证明速度的离散性与安全密切关联[3][4],认为车速离散程度与事故率之间存在真正相关的关系，车速标准差越大的地点其安全性能也越差。由于不同断面上车辆的平均速度是不一样的，为了消除车辆平均速度的影响，采用了标准差的变化系数cv值来评价断面安全的指标，通过分析各断面cv值变化来确定车流的稳定距离。（3） 2.养护施工区限速方案交通仿真及评价分析（1）模型的建立首先考查双向8车道高速公路养护施工区段，在Vissim中建立相应的模型，并在模型中适当的位置设置数据采集点，记录下车辆的相关信息。在Vissim中设置不同的限速方案和限速标志的位置，对各种方案下的道路安全进行评价分析分析，得出安全性较高的限速方案。在此基础上，将双向8车道模型扩展为双向6车道、双向4车道模型，以考查不同车道数对作业区限速方案的影响。（2）限速方案对交通安全的影响通过对限速方案的理论研究，综合考虑通行能力、交通安全和行程时间等因素限速应限定在60～80km/h范围，但具体限定多少速度合适、如何限速，要根据具体阶段的道路行驶条件、交通条件来控制。鉴于此，为更好的反映不同的限速方案在高速公路上的影响程度，本文分别对高速公路的平直路段、竖曲线路段以及平曲线路段上的七个限速方案（见表1）进行分析。表1 限速方案限速标志个数第一限速值第二限速值第三限速值限速方案一 1 60km/h 限速方案二 2 90km/h 60km/h 限速方案三 3 100km/h 80km/h 60km/h 限速方案四 1 70km/h 限速方案五 2 90km/h 70km/h 限速方案六 1 80km/h 限速方案七 2 100km/h 80km/h ①MSDE 图1 交通量为1600辆/h时各限速方案在平直线路段的MSDE值通过仿真软件模拟高速公路养护施工区分别处于平直路段、竖曲线路段和平曲线路段，以及交通量分别为800辆/h、1600辆/h、2400辆/h（车辆组成根据沪宁高速交通实测得出）的车辆运行情况，对车辆间的等效最小安全距离进行了计算分析，在各种路段情况下的MSDE值变化趋势和规律基本一致：以最低限速值相同的几个方案为一组分三个梯次分布，从高到低依次为最低限速值为80km/h方案组、最低限速值为70km/h方案组和最低限速值为60km/h方案组，随着交通量的增加这种梯次效果逐渐减弱，当交通量加到2400辆/h时，梯次效果就没有交通量800辆/h时那么明显，而且在上游过渡区路段范围内梯次效果正好与警告区路段的梯次效果相反，方案二最好方案五其次方案七最差。产生这种现象的主要原因是：在前面警告区道路条件良好时，如果速度降幅过大容易发生交通事故，不利于交通安全，所以这时限速较高的方案占优，但到了养护施工路段，道路条件改变，车辆需要汇流通过施工区，尤其当交通量较大时，汇车间隙不能满足汇流要求时，必然出现停车排队的现象，这时限速较高的方案速度降幅就会较大，因此安全性也就较差。 ②CV 图2 交通量1600辆/h时各限速方案在平直路段的cv值通过分析仿真结果可以得出：CV值在各种情况下的变化趋势和规律基本一致，基本不受交通量变化和路段形式变化的影响。如果最低限速值较高，车速可供选择的范围较大，相应的离散性也就最大，相应的CV值也就最高，但随着交通量的增加，当交通量增加到2400辆/h时高速公路上车辆开始发生拥堵现象，车辆之间相互制约相互牵制，车速自然就会下降，三个方案的CV值也基本相当。 ③通过量表2 不同交通量下各限速方案通过的交通量交通量限速方案 800辆/h 1600辆/h 2400辆/h 限速方案一 790 1580 2368 限速方案二 790 1582 2369 限速方案三 789 1581 2371 限速方案四 789 1582 2369 限速方案五 790 1582 2372 限速方案六 791 1584 2373 限速方案七 791 1584 2374 ④方案比选表3 限速控制方案比选评价指标限速方案 MSDE cv 通过量限速方案一差较好较好限速方案二较差好较好限速方案三较差较好较好限速方案四较差较好较好限速方案五较好好较好限速方案六较好较差较好限速方案七好较差较好综合比较七个方案得出：方案五较优，即设置两个限速标志，第一限速标志限速值为90km/h，第二限速标志限速值为70km/h。同时比较MSDE值和CV值发现：各种状况下MSDE值最小值和CV值最大值均出现在上游过渡区，这就充分证明高速公路养护施工区的上游过渡区是一个交通瓶颈，最容易发生交通事故，交通安全性最差；在限速标志所在位置MSDE值和CV值都有突变，这主要是因为当驾驶员看到限速标志时会采取相应措施来降低车速，所以在限速标志附近存在发生交通事故的潜在危险，不宜过多设置限速标志牌。（3）限速标志的位置对交通安全的影响限速标志设置在不同的位置所起的效果会不一样，如果设置的位置不合理很有可能发挥不出原来的效果，甚至起到反作用，对安全不利。本文通过对比不同位置设置方案的安全性，分析出较优的限速标志设置的位置。表4 限速标志位置设置方案 90km/h限速标志位置 70km/h限速标志位置方案一距上游过渡区1100m 距上游过渡区100m 方案二距上游过渡区2000m 距上游过渡区1000m 方案三距上游过渡区2000m 距上游过渡区100m 方案四距上游过渡区1320m 距上游过渡区660m ①MSDE 图3 各限速标志设置位置方案的MSDE值 ②CV 图4 各限速标志位置设置方案的cv值 ③方案比选表5 限速标志设置方案比选评价指标设置方案 MSDE cv 方案一较好较差方案二较差较好方案三较好较好方案四较差较差综合比较各个限速标志设置方案得出：方案三较优，即90km/h限速标志设置在距上游过渡区2000m处，70km/h限速标志设置在距上游过渡区100m处。由于驾驶员发现限速标志需要采取一系列动作来降低速度，所以在限速标志附近安全性会有所下降，当车速逐渐稳定后安全性又逐渐升高。第一个限速标志的位置对MSDE的影响不大，但可以很好的降低车辆的离散性，提高CV值。第二限速标志的位置对CV值影响不大，但对MSDE的影响较大，当第二限速标志设置在距上游过渡区较远的地方时，无论是在限速标志附近还是当车速稳定后MSDE值都整体偏低，这主要是因为这时限速值较低，势必造成运行车速较低，再加上较大的交通量，车辆就会密集而且缓慢的移动，车头时距也就降低，也就更容易发生车辆追尾事故。而将第二限速标志设置在距上游过渡区100m处就很好的解决了这个问题，这时由于车辆本身就需要降低速度进行汇流，如果没有限速标志车速受交通流自身的影响，很有可能进行第三次降速（之前有两个限速标志），这样频繁的操作对安全不利，但如果有了限速标志，驾驶员在限速标志附近开始降速直到上游过渡区，就不会进行第三次降速，降低了操作次数，从MSDE的变化趋势图中也可以看出这样设置对安全是有利的。（4）限速控制方案在不同车道数上的应用效果以上研究主要是针对双向八车道，但对于双向六车道和双向四车道这样的限速控制策略还是否适合？本文在双向六车道、双向四车道上设置和双向八车道上同样的限速标志，每条车道上加载上相同的交通量（每车道400辆/h），计算出各路段上的安全指标，并进行比较分析。 ①MSDE 图5 不同车道数下的MSDE值从上图可以看出，不同车道数下的MSDE值的大小以及变化趋势基本一致。 ②cv 图6 不同车道数下的cv值仿真结果显示：不同车道数下的cv值的大小以及变化趋势基本一致。综上所述，设置两个限速标志（90km/h限速标志设置在距上游过渡区2000m处，70km/h限速标志设置在距上游过渡区100m处）不仅适合于双向八车道，在双向四车道和双向六车道的情况下安全性也较好。 3.结束语高速公路养护施工区安全性的影响因素很多也很复杂，由于条件的限制，在实际中往往很难对其展开研究。本文利用微观仿真软件Vissim对道路上的交通流进行研究，并选取了适合于仿真软件的安全评价指标，对各种情况下的养护施工区的限速控制进行了仿真分析，评价了不同限速控制下的道路安全性能并对其进行比较分析，得出了较优的限速设置方案和限速标志的设置位置。这些结论可以为养护施工区安全性的研究提供有益的参考。参考文献： [1]Federal Highway Administration. (2003).Manual on Uniform Traffic Control Devices for streets and highways (MUTCD)[S]. U. S. Department of Transportation，Washington DC. [2]黄晓清，柳本民，郭忠印．交通仿真在道路安全评价中的应用．山东交通科技，2006，（2）：50～52 [3]Vivian Robert R and Veeraragavan, “Effect of traffic speed variations on safety of rural highways”. Paper prepared for presentation at the 83rd TRB annual meeting，2004 [4]W J Frith and T L Patterson，“Speed variation, absolute speed and their contribution to safety, with special reference to the work of Solomon”. IPENZ TRANSPORTATION GROUP，2001

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