四车道高速公路部分占用超车道交通控制区交通特性及通行能力研究

孟祥海，张龙钊，李生龙

(1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，哈尔滨150090；2.中交公路规划设计院有限公司，北京100088)

0 引言

高速公路的四改八车道为缓解交通压力提供了新思路，施工期的高速公路面临一边通车一边施工的复杂状况，各保通阶段交通服务水平的维护、工期保证等问题凸显，国内在高速公路养护作业时通常借鉴《公路养护安全作业规程》(简称规程)，《规程》中针对四车道高速公路养护作业控制区布置类型只包含3类，然而新的施工作业区类型不断出现，缺乏针对性的规范成为急需解决的问题，需要对新型施工作业区开展研究.

国内外学者针对施工作业区的通行能力、换道特性、交通组织与管理等进行了研究并取得了具有一定参考价值的成果.在施工作业区通行能力方面，Al-Kaisy A.等[1]研究了交通量、车道变换行为、大货车占比、速度等因素对通行能力的影响，提出高速公路施工区通行能力模型.Chaoru Lu等[2]基于Logistic模型采用修正的5个交通参数描述了施工区速度—密度关系，提出动态的通行能力预测方法.Du等[3]提出一种基于非线性交通流模型和离散时间滑模控制的高速公路工作区可变限速控制理论来提高工作区通行能力.Wang等[4]利用双层规划模型对可变限速标志的布设地点做了进一步研究.车道变换研究方面，Guo Mingmin等[5]研究了变道率、车头时距、目标车道的选择等，总结了相应具有借鉴意义的结论.Weng等[6]利用施工作业区车辆换道轨迹数据建立的时变逻辑回归模型对车辆换道行为进行预测并取得了较好的预测效果.

孟祥海等[7]提出基于格林希尔治速度—流量模型的通行能力确定方法和基于运行速度及道路交通条件修正的通行能力确定方法.王忠宇等[8]提出根据车辆运行轨迹线与车道线之间的几何关系确定车辆换道起始点、结束点的方法，描述分车道的车辆换道长度与换道起始点的关系；裴玉龙等[9]引入样条曲线，建立曲率连续的期望运行轨迹模型；吴江玲[10]通过改进的LMRS模型，建立适用于分析养护作业区车辆换道行为的换道模型.

对高速公路施工区交通特性及通行能力的研究较多，但针对高速公路部分占用超车道交通控制区的研究较少，本文深入分析了四车道高速公路部分占用超车道交通控制区各区段车辆换道特性、分车道分车型的速度分布情况及通行能力等，并给出施工作业交通控制区布置建议，对提升道路利用率、保障交通运行安全具有重要意义.

1 施工作业交通控制区布置及交通运行条件分析

四车道高速公路部分占用超车道左侧的施工作业交通控制区，如图1所示，与《规程》中规定的四车道高速公路封闭内侧车道的施工作业交通控制区存在明显的区别.①本文研究的交通控制区在施工作业区段尚能维持两条车道通行，只是超车道左侧侧向净空受限(因距施工作业面较近，取消了左侧路缘带)，车道宽度有所减少，只满足3.5 m的车道宽度要求；《规程》中则是一个标准的单车道断面.②交通控制方式有较大不同，本文研究的施工作业交通控制区中，警告区内设置的是“左侧道路变窄”标志，没有明确规定要变道至行车道上；《规程》中则设置“向右变道标志”，即给出明确的变道要求及变道地点要求.图1中：S为警告区长度；LS为上游过渡区长度；H为纵向缓冲区长度；G为施工区长度；LX为下游过渡区长度；Z为终止区长度.

从交通条件上看，本研究中交通控制区的瓶颈效应并不如《规程》中所规定的那样明显，但变窄、左侧侧向净空受限的超车道利用率如何？超车道上的车辆是否会大量变道至行车道上？施工作业区段左侧受限的双车道道路通行能力有多大？整个交通控制区的车速变化特征是什么？这些问题的解决，对今后优化设置该类交通控制区具有借鉴和指导意义.

2 交通调查与交通流数据采集

依托京沪高速公路新泰至临沂段改扩建工程，对部分占用左侧超车道的施工作业区实施交通调查，该作业区位于京沪高速公路K656～K658处，利用无人机录制2019年8月13日该施工作业区的交通实况，视频时长累计9 h.将施工作业控制区每30 m标记为一个断面，即检测断面.利用视频处理软件Premiere Pro CC 2017提取每一辆车在各个检测断面处的事件数据，包括车辆通过两检测断面的视频帧数、所处车道等原始信息.基于原始事件数据，经断面间车速计算(断面间距除以视频帧数的换算时间)及统计分析，即可得到分车型的交通量、断面间车速及车辆变道位置等交通运行参数.施工作业交通控制区检测断面的设置如图2所示.

图1 四车道高速公路部分占用超车道交通控制区Fig.1 Overtaking lane partly occupied traffic control zone of four-lane expressway

图2 施工作业交通控制区检测断面设置Fig.2 Inspection section setting of construction traffic control zone

3 交通量的车道分布及车辆换道特性

如图2所示，在四车道高速公路部分占用超车道左侧的施工作业交通控制区中，瓶颈路段(施工作业区段)也能保持两车道通行，但每条车道的利用率及换道特性等问题值得研究，涉及到车道划分、车道宽度设置及交通控制方式选择等相关技术问题.

由警告区至上游过渡区直至终止区等6个区段构成完整的施工作业交通控制区，其行车道和超车道的交通流量分布及变化情况如图3所示，换道比例如图4所示.

由图3和图4可知：从警告区起至终点前150 m处的警告区，绝大部分路段上行车道和超车道上的交通量几乎相等，各占约50%，此时，行车道和超车道的车道宽度是相等的，与正常路段一致；从警告区前150 m至施工区前30 m，由于驾驶员发现(包括“左侧变窄”交通标志的指引作用)超车道左侧净空将受到限制且车道宽度变窄，大量车辆由超车道变道至行车道上，累计变道的车辆比例约36.90%(图4)，因此，该区段(包括上游过渡区段全部，警告区终止区局部路段，以及上游缓冲区起始区局部路段)成为一个主要变道区.

在施工作业区的全部路段，以及上游缓冲区终止区局部路段上，约90%的车辆行驶在行车道上，10%的车辆行驶在超车道上，超车道的利用率较低.行车道上的车辆驶出施工区后，又开始换道至超车道，此时主要变道区为下游过渡区末端和终止区.车辆驶出终止区后仍有少部分变道行为出现，变道方向仍是由超车道变道至行车道.

图3 车道流量分布Fig.3 Lane flow distribution

图4 换道位置分布Fig.4 Location distribution of lane changing

4 车速分布特性

施工作业交通控制区的上游正常路段、警告区路段、上游过渡区段等的设计速度、限速值、实测平均车速、实测运行速度等指标如表1，图5和图6所示.

表 1 交通控制区各区段的车速Table 1 Speed of each section in traffic control zone (km/h)

图5 超车道和行车道上的车速平均值Fig.5 Average speed of overtaking lane and carriageway

图6 各区段速度的正态分布图Fig.6 Normal distribution of speed in each section

分析车速分布特性可知：①在较低交通量水平下，整个交通控制区的平均车速、运行速度等均较高，上游过渡区、上游缓冲区、施工作业区段上的运行速度高于限速值达30 km/h以上，这表明此时设置的限速值过低或驾驶员群体有明显的超速行为；②由上游正常路段至警告区再至上游过渡区直至施工作业区段，车速均逐渐降低(但幅度不是很大)，在施工作业区段达到了最低值，这与施工作业交通控制区的道路条件及交通控制条件总体上是一致的；③各区段的车速均呈典型的正态分布且车速离散程度均较小(图6)，车速差较小或车速集中，有利于道路交通安全.

针对施工作业交通控制区的车速分布特性，本文给出以下两点建议：

(1)根据运行速度调整交通控制区主要区段上的限速标准，比如，将运行速度下浮5～10 km/h作为限速值，本交通控制区警告区后半段的限速值可取90 km/h，上游过渡区、缓冲区、作业区的限速值可取80 km/h，这样可有效提高交通控制区的通行效率，减少交通延误.

(2)对于边通车边施工的高速公路改扩建项目，若仍对社会车辆收取通行费用(不降价)，则限速60 km/h有些偏低；另外，驾驶员行车及交通执法均会面临一定的困难，一方面高速公路的最低限速值一般为60 km/h，而此时又规定最高限速值为60 km/h，驾驶员及交通执法者难于操作该交通控制条件.

5 道路通行能力研究

施工作业区段是一个典型的瓶颈路段，警告区、过渡区、缓冲区等交通控制区的设置，就是围绕如何安全、有序、快速地通过瓶颈区而采取的交通组织与控制方式.

基于Greenshields原理，对上游正常路段、警告区路段、施工作业区段标定了速度—流量关系模型.

上游正常路段为

警告区路段为

施工作业区为

式中：Q为小时流量(pcu/(h⋅ln))；U为速度(km/h)；R为相关系数.

速度—流量关系曲线及速度与流量的样本点如图7所示.依据速度与流量关系模型，确定上述3个区段的自由流速度、阻塞密度及道路通行能力，如表2所示.

图7 各主要区段速度—流量关系Fig.7 Speed-flow relationship of each section

表 2 交通控制区的道路通行能力Table 2 Capacity of traffic control zone

分析各主要区段的道路通行能力可知：

(1)从正常路段至警告区再至施工作业区段，道路通行能力逐渐降低，降低值分别为27 pcu/(h·ln)和148 pcu/(h·ln)，相对前一个区段通行能力分别下降1.57%和8.73%，即由警告区末端至施工作业区段道路通行能力下降较大.

(2)施工作业区段的道路通行能力为1547pcu/(h·ln)，断面最大的小时交通量为3094pcu，因此，当达到小时交通量超过3 094 pcu时，应在施工作业交通控制区的上游分流点进行必要的交通分流.另外，当预测高峰小时交通量超过该值，在确定改扩建工程施工期的交通组织方案时，应进行系统的分流组织设计.

依据施工作业交通控制区的道路通行能力大小，给出建议：应根据控制区中交通瓶颈路段(多为施工作业区段)的断面通行能力大小，合理确定强制分流时的交通量上限值，这是确定路网分流方案及分流车型选择的重要依据.

6 施工作业交通控制区优化设置建议

针对四车道高速公路部分占用超车道左侧的施工作业交通控制区，依据其交通量的车道分布特性及车辆换道特性，给出以下两点建议：

(1)通过交通分流后，若实测或预测高峰小时交通量尚未超过单车道通行能力时，考虑将施工作业区段的双车道改为单车道，从而增加车道的侧向余宽(重点是远离施工作业面)，通过在警告区内设置变道标志后(使车辆有序地在规定地段变道)，其安全效果和通行效率也有可能要高于目前的双车道设置方式.

(2)当实测或预测高峰小时交通量较大时，施工作业区段采用双车道是必然的.为提高超车道的利用率，宜将行车道和超车道整合后重新划分车道，使行车道和超车道的通行条件大体相当.交通控制方式也应相应调整，例如，将原来的“左侧单路变窄”标志调整为“双侧道路变窄”标志等.

7 结论

交通量处于较低水平时，超车道变窄且左侧净空受限使超车道的利用率较低，只有正常水平的20%左右，造成大量未预期变道行为，此时，应对车道划分、车道设置及交通控制方式等进行优化调整；交通控制区各主要区段上的车速均呈离散程度较小的正态分布，车速差变小有利于交通安全，但在较低交通量水平下，交通控制区的平均车速、运行速度等均较高，较高的实际运行速度与较低限速标准(为确保安全而选择了限速值)间的矛盾突出，因此，建议使用运行速度作为限速值的取值依据；交通控制区中施工作业区段的道路通行能力最低，只有正常路段的89%左右，因此，在保障交通安全的前提下应着力提高瓶颈路段的道路通行能力，并将瓶颈路段的断面通行能力作为是否进行强制分流的依据.