基于正交试验的城市道路施工区域阈值仿真分析

张惠玲，刘 伟，曾 好

(1.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074;2.重庆交通建设(集团)有限责任公司，重庆 401147)

基于正交试验的城市道路施工区域阈值仿真分析

张惠玲1，刘 伟1，曾 好2

(1.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074;2.重庆交通建设(集团)有限责任公司，重庆 401147)

以4车道路段为研究对象，对施工区域影响分析的阈值进行了详细的研究。选择了4因素3水平的影响因素对阈值进行分析，使用正交试验构筑了试验组合，并使用VISSIM软件对各种试验进行了仿真分析，得出了施工区域影响车辆行驶的因素依次为封闭车道数、道路饱和度、大车率、施工道长度。考虑到封闭车道数和饱和度存在交互影响，对封闭车道数和饱和度使用交互分析，再次使用仿真软件构筑封闭车道为2条车道和3条车道，且分别提取饱和度渐变时车辆的延误值，得到了4条车道路段施工时的交通影响分析阈值。

交通影响阈值;施工区域;正交试验;仿真

随着经济的发展，城市基础设施和市政工程建设在逐步推进，随之带来的城市交通系统出现了频繁的施工现象。由于道路施工需要占用城市车道，干扰了正常的交通秩序，使得原本就紧张得交通供需关系更加紧张。而道路本身扩容能力不强，这也给交通管理部门的工作带来了一定的压力。

目前，对施工区域的研究，国外研究中主要关注在高速公路方面。Asad，等［1］研究了施工区域的安全问题;Dudek，等［2］对施工期间道路的管理进行了介绍。城市道路施工的影响并没有进行系统的分析，多数成果只针对具体施工路段给出了相应的交通组织方案［3-4］;王子浜，等［5］对施工区的道路交通状况进行了仿真，分析了道路施工状况下的车辆延误值;郝媛，等［6］使用GIS建立施工区域的地理数据库，并分析了施工状况下的交通重分配问题以及相应的路阻函数。我国的CJJ 37—90《城市道路施工规范》［7］中也没有对施工影响分析的阈值、分析方法等方面进行详细的说明。针对城市道路施工问题，目前更多的研究关注于施工区的交通安全问题［8-9］。

笔者通过分析城市道路施工区段影响交通行驶状况的影响因素，借助正交试验设计了各种场景，使用微观仿真软件构筑了试验场景，提取了相关指标，对影响道路施工区的各种因素进行了分析，给出了城市道路4车道施工期间的道路影响分析的阈值，为其它情况下的阈值分析提供了思路。

1 正交试验的设计

对于城市道路施工区域的影响因素，笔者主要以单向4车道，即单向4车道路段中的某一段施工区域作为研究对象，如图1。

图1 路段施工区域示意Fig.1 The diagram of the work zone

笔者主要分析大车率、道路饱和度、封闭车道数、施工区段的长度等因素影响下的车辆行驶情况。

1)大车率。由于大车的体积较大，在道路行驶上所占用的空间较大，而且大车的启动及行驶速度也较慢，所以大车对道路交通的影响较大，结合目前城市道路的实际情况，对于大车率分为小于10%，10% ～25%，大于25%等3个等级。

2)道路饱和度。考虑在道路饱和度较低的情况下，如果封闭车道数较少，则可能不会对道路交通造成很大的影响，而如果道路饱和度较高，即使施工封闭的车道数不多，也可能会对道路交通造成较大的影响，在本次研究中，将道路饱和度分为3级:小于30%，30% ～60%，大于60%。在本次试验中，结合相关规范给出的推荐值和具体的试验场景中车速的设置，设定道路每条车道的饱和流量为1 600 pcu/h。

3)封闭车道数。对于单侧施工，不考虑半幅道路全部封闭的情况，单侧4条车道，封闭车道数为1～3条。

4)施工区段的长度。城市道路施工的起因不同，封闭车道的长度也不相同，如道路安装或者维护线圈检测器，或者地铁施工等原因。考虑道路施工区域包括预警区、过渡区、活动区、终止区4个部分组成，选取道路施工长度的最小值为100 m，结合城市道路信号控制中线控的选值，对于大于800 m的情况单独考虑，其中间区段为100～800 m，即施工区段地长度分为3级:小于等于100 m，100～800 m，大于等于800 m。

上述4个因素，均为3个水平，如果逐个情况考虑，需要81种试验，试验次数较大。另外，所考虑的各因素间可能存在交互影响的情况，且上述4个因素中，影响车辆行驶的程度也不能确定。

表1 正交试验设计Table 1 The orthogonal experiment design table

利用正交试验法可以使用较少的试验次数解决多因素、多水平及多指标等的试验组合问题。

正交试验法安排的试验方案是有代表性，且能够比较全面地反映各因素各水平对指标影响的大致情况。因此，用正交试验可以在代表各种组合的试验特征的同时减少试验的次数。

2 仿真分析

由于实际的场景中要构筑上述的各项实验可行性较差，所以借助于微观仿真软件VISSIM构筑上述9种实验场景。使用的WIEDEMANN 74模型中的参数式，如式(1):

式中:L为前一辆车的车身长度;ZF1是一个0→1正态分布的随机变数。

得到的部分仿真场景如图2。

图2 部分仿真试验场景构筑界面Fig.2 The image of part simulation experiments

由于道路流量较大且封闭车道数较多时，在施工区域的上游有大量车辆停住滞留，且一直呈波形继续向上游蔓延。而车辆在施工区域与下游的接口处，车辆能顺利且能够以较快的速度恢复正常行驶的情况。考虑到延误参数能够比较客观的反映车辆的行驶情况，所以笔者选用施工区域上游500 m到下游100 m处车辆的车均延误值作为参数分析的指标。

将通过仿真场景得到的各种试验场景下的车均延误参数使用正交试验的方法进行分析，得出各试验场景下的延误参数，假设:Kij为第j列因素第i水平下所有试验结果之和，如K12=Y1+Y5+Y9+Y13(Yi表示试验号为i的试验结果，i=1，2，…，16);ωij为第j列因素第i水平的试验指标的平均值，ωij=Kij/4;Rj为极差，即ωij中的最大值减去最小值，Rj=(ωij)max-(ωij)min［10］。所得到的9种试验场景下车辆的车均延误及直观分析情况如表2。

表2 正交试验场景下的车均延误值及直观分析Table 2 The vehicle average delay and intuitive analysis of the orthogonal experiment simulation

由表2最后一行可以看出，各因素中极值大小的 分 布 为:R施工车道数＞ R道路饱和度＞ R大车率＞R施工区域的长度，表明施工区域封闭的车道数对车辆的车均延误影响最大，施工区域的长度对施工区域的车辆通行延误影响最小。各因素对施工区域影响程度由大到小依次为:施工封闭的车道数 ＞道路饱和度 ＞大车比例 ＞施工区域的长度。

由图3中各曲线的上升及转折情况可以看出，施工车道数增加时，车辆的车均延误也在增加，特别是施工车道数从2条变成3条时，车辆的车均延误值急剧增加，表明封闭车道数从2条到3条变化时对车辆的影响程度显著增加，而车辆的饱和度增加时，车辆的车均延误也在逐步增加，公交的比例在10%以下增加10%～25%得时候对车辆得延误有所增加，而从25%得比例再增加时，对施工区域车辆得延误影响则相应有所减小。

图3 正交试验效应曲线Fig.3 The response curve of the orthogonal experiment simulation

由于道路饱和度和施工车道数会对车辆的延误产生交互作用，使用交互作用分析表进行分析，结果如表3。

表3 道路饱和度和封闭车道数交互作用数值Table 3 The interactive table of the saturation and the closed lane number

由表3可以看出，在车道封闭数为3条，且饱和度达到30%～60%的时候，该交互作用的数值达到了165.64。说明在该交互作用下，对车辆的延误影响程度最高，而在车道封闭数为2条时，随着饱和度的增加，施工段车辆得延误也有所增加。

为了得出具体的分析阈值，设定施工区域封闭车道数为2条，道路饱和度在60% ～90%范围内逐级变动;封闭车道数为3条，道路饱和度在30% ～60%范围内逐级变动。再次构筑仿真场景，对施工区域的车均延误参数进行提取，得到的封闭车道为2车道和3车道时，在不同的饱和度下提取得到的车均延误值如图4。

图4 车均延误变化曲线Fig.4 The vehicle’s average changing curve

由图4(a)可以看出，车均延误随着饱和度得增加呈增大趋势。由具体的数值变化可以得出，封闭车道数为2条时，饱和度从0.6到0.65，车均延误从22.06 s跃变到30.58 s;饱和度从0.65 到0.7，车均延误从30.58 s跃变到40.19 s，跃变幅度增大。从具体的仿真界面可以看出在该拐点处封闭车道的上游车辆的拥挤程度加剧，所以，取0.65为交通影响分析的阈值，即封闭车道数为2条，且道路的饱和度超过0.65时应进行影响分析。

从图4(b)可以看出，封闭车道为3条时，随着饱和度的增加，车均延误值整体呈增加趋势。具体来看，道路饱和度从0.3 到0.35，车均延误从 14.90 s跃变到30.18 s;饱和度从0.35 到0.4，车均延误从30.18 s跃变到55.85 s，跃变幅度较大。且从仿真界面看出，在该时段施工路段上游的车辆出现了较大规模的拥堵，所以取饱和度0.40为封闭车道数为3条时的阈值，即当饱和度超过0.40时，需要进行相应的交通影响分析。

3 结语

随着城市道路的频繁施工，施工区域的交通影响越来越多的受到关注。笔者考虑了城市道路施工区域可能的影响因素为施工车道数、道路饱和度、施工区段的长度、大车率等因素，以4车道路段为研究对象，使用正交试验构筑了4因素3水平的影响分析对应的试验场景，使用VISSIM仿真软件对各种试验进行了仿真，得到了影响车辆行驶的因素;对封闭车道数和饱和度使用交互分析的方法，得到了相应的阈值结果。

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Study on Threshold of Work Zone Simulation Analysis Based on Orthogonal Experiment

Zhang Huiling1，Liu Wei1，Zeng Hao2
(1.School of Traffic＆ Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Chongqing Communication Construction Group，Chongqing 401147，China)

The paper studies the Four-lane’s traffic impacting analysis threshold when the road is working.Four factors and three levels are chosen based on the possible impacting factors.The orthogonal experiment is used to get the experiments’combination;the VISSIM software is used to get the experiment scene.Based on the simulation model，the order of the factors impacting the traffic is closed lane number，the saturation，the bus ratio and the work zone length.For the interaction phenomenon of the closed lane number and the saturation，when there are two or three closed lanes，the simulation scene is made again and the saturation is increased gradually.Finally，the threshold is got.

traffic impact threshold;work zone;orthogonal experiment;simulation

U491

A

1674-0696(2012)04-0807-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.18

2011-11-21;

2012-03-11

重庆市自然科学基金项目(CSTC，2010BB6278)

张惠玲(1980—)，女，宁夏中宁人，副教授，博士，主要从事交通信息工程及控制方面的教学和研究。E-mail:huilingz@126.com。