（交通运输规划与管理专业论文）高速公路施工区交通组织及行车仿真研究.pdf

摘要 伴随着我国高速公路里程的快速增长，高速公路的交通量也呈不断增长的态势，加上部 分高速公路是在原有的一级公路上改造形成的，致使大部分高速公路的路面条件以及交通设 施都不同程度的遭到了破坏，高速公路的施工养护作业变的越来越频繁，成为高速公路发生 交通拥挤以及造成各类交通事故的重要原因。论文正是在这种背景下开展研究的。 首先，对高速公路施工区进行了重新划分，并综合运用系统工程学、交通工程学、行为 学、概率论及数理统计等理论对施工区的交通特性进行了深入分析。与高速公路基本路段相 比，施工区道路条件与交通条件发生了明显的变化，这种变化对驾驶员的驾驶行为及施工区 的交通流特性产生了深刻的影响。 其次，对高速公路施工区交通组织和通行能力进行了研究。建立了施工区合理长度的费 用模型以及提出了施工区各控制区( 警告区、锥形区和缓冲区) 的长度标准；深入研究了施 工区的限速程序；通过推荐新增施工区的各类标志，与现有的施工区交通标志共同构成了施 工区的标志系统。 高速公路施工区的通行能力研究分析了施工区通行能力的影响因素，然后通过基于交通 流统计分析模型的通行能力分析方法、基于施工区基本通行能力修正模型的通行能力分析方 法和基于交通仿真的通行能力分析方法来研究施工区的通行能力。 最后，开发了施工区的交通仿真模型。施工区的交通仿真模块主要包括道路模块、交通 设施模块、人一车模块、仿真模块、结果模块等，其中，仿真模块是仿真模型中的核心部分， 该模块是在已知仿真基本条件和仿真基本框架的基础上，根据一定的规则( 包括发车规则、 自由行驶规则、跟驰规则和换车道规则) ，对分析时段内的各人一车单元的状态进行仿真。 关键词：高速公路：施工区；交通特性；交通组织；交通仿真 a b s t r a c t 、i 血t h ef a s tg r o w t ho ft h ef r e e w a ym i l e a g eo fo u rc o u n t r y , t r a f f i cv o l u m eo ft h ef r e e w a y s a l s oi n c r e a s i n g ，a n ds o m ef r e e w a y sb e i n gr e c o n s t r u c t e df r o ma r t e r i a lr o a d ，r o a ds u r f a c ea n dt r a f f i c f a c i l i t yo ft h em a j o r i t yo ff r e e w a y sa r ed e s t r o y e dw i hd i f f e r e n td e g r e e s m a i n t e n a n c ea n d c o n s t r u c t i o no ff r e e w a ya r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ef r e q u e n t l y , a n di th a sb e e no n eo ft h em o s t i m p o r t a n tr e a s o n sf o r t h et r a f f i cc o n g e s t i o n sa n dm a n yt r a f f i ca c c i d e n t so nt h ef r e e w a y s t h i s p a p e ri sj u s tw r i t t e nu n d e rt h i sb a c k g r o u n d ， f i r s t l y , f r e e w a yw o r kz o n ei sr e p a r t i t i o n e da n ds o m et h e o r i e ss u c ha ss y s t e me n g i n e e r i n g ， t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，b e h a v i o r , p r o b a b i l i t ya n ds t o c h a s t i cp r o c e s s e sa r ea p p l i e dt oa n a l y z et h et r a f f i c c h a r a c t e r i s t i co ft h ef r e e w a yw o r kz o n e s c o m p a r e dt ot h eb a s i cs e g m e n to ft h ef r e e w a y , t h e r ea r e m a n ye v i d e n tc h a n g e so fr o a dc o n d i t i o na n dt r a f f i cc o n d i t i o nb e t w e e nt h e m ，a n dt h e s ec h a n g e s g r e a t l ya f f e c tt h eb e h a v i o r so ft h ed r i v e r sa n dt r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i co fw o r kz o n e s s e c o n d l y ，t r a f f i co r g a n i z a t i o na n dt r a f f i cc a p a c i t yo ff r e e w a yw o r kz o n e si ss t u d i e d c o s t m o d e la b o u tw o r kz o n el e n g t hi se s t a b l i s h e da n dl e n g t hs t a n d a r da b o u tc o n t r o lz o n ei sa l s op u t f o r w a r d e d a ni n - d e p t hs t u d ya b o u tw o r kz o n es p e e dl i m i tp r o c e d u r ew a sd e v e l o p e d t h r o u g h r e c o m m e n d i n gs o m es i g n sf o rf r e e w a yw o r kz o n e s ，s i g ns y s t e mo ff r e e w a yw o r kz o n e i s e s t a b l i s h e dw i t hp r e s e n ts i g n sf o rw o r kz o n e s w h e ns t u d y i n gt h ec a p a c i t yo ff r e e w a yw o r kz o n e ，s o m ef a c t o r sa r ea n a l y z e d ，t h e na n a l y s i s m e t h o db a s e do nt r a f f i cf l o ws t a t i s t i c s ，a n a l y s i sm e t h o db a s e do nm o d i f y i n gb a s i ct r a f f i cc a p a c i t y o ff r e e w a yw o r kz o n e sa n da n a l y s i sm e t h o db a s e do nt r a f f i cs i m u l a t i o na r eu s e dt os t u d yt h e c a p a c i t yo ff r e e w a yw o r kz o n e s f i n a l l y , t r a f f i cs i m u l a t i o nm o d e li sd e v e l o p e d i ti n e l u d e sr o a dm o d u l e ，t r a 炳cf a c i l i t ym o d u l e ， d r i v e r - v e h i c l em o d u l e s i m u l a t i o nm o d u l e ，r e s u l tm o d u l e s i m u l a t i o nm o d u l ei st h ec o r ea m o n g t h e s em o d u l e s b a s e do ns o n i cb a s i cc o n d i t i o na n ds i m u l a t i o uf r a r n ek n o w n ，a c c o r d i n gt os o m e r o l e s ( t r a f f i cg e n e r a t i n g ，f r e em n n i n g ，c a rf o l l o w i n ga n dl a n ec h a n g i n g ) ，t h es t a t eo fe a c h d r i v e r - v e h i c l eu n i ti ss i m u l a t e di nac e r t a i np e r i o dt i m e k e y w o r d s ：f r e e w a y ：w o r kz o n e s ；t r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c ：t r a f f i co r g a n i z a t i o n t r a f f i cs i m u l a t i o n n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于学位论文使用授权的说明 期：o b 0 2 , 岁? 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：瑟：亚持师签名： ：色竺l 五f 苎) 桫 第一章概述 1 1 研究背景 第一章概述 高速公路为专供汽车分向、分车道行驶并应全部控制出入的多车道公路。高速公路以其 快速、安全、便捷、舒适等特点成为长距离客货运输最重要的运输方式之一。根据国家高 速公路网规划规划，到2 0 3 0 年我国将建成7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西 横向线( 简称“7 9 1 8 网”) ，总规模8 5 万公里，形成“首都连接省会、省会彼此相通、连接 主要地市、覆盖重要县市”的高速公路网络。自从1 9 8 8 年中国大陆第一条高速公路沪嘉 高速公路通车以来，截至2 0 0 4 年底，我高速公路通车里程己超过3 4 万公里，继续保持世界 第二。这些高速公路的建成通车对于改善我国公路交通运输状况，加强各地区的交通联系， 促进区域之间经济的协调发展，起到了巨大的支撑作用。 但是，伴随着我国高速公路里程的快速增长，高速公路的交通量的增长速度更快，且高 速公路上货车超载现象非常严重，加上部分高速公路是在原有的一级公路上改造形成的，致 使大部分高速公路的路面条件以及交通设施都不同程度的遭到了损坏，高速公路的施工养护 作业变得越来越频繁，成为高速公路发生交通拥挤以及造成各类交通事故的重要原因。目前， 我国高速公路施工区的交通组织方案主要依靠公路养护技术规范( j t j 0 7 3 - 9 6 ) 、道路交 通标志标线( g 5 7 6 8 1 9 9 9 ) 以及各地方部门制定的施工路段管理办法，然而，这些规范和管 理办法对普通公路施工路段作了一些简单的操作规定，对施工现场安全控制设施的布置指出 了指导性的建议，并没有充分考虑高速公路的行车特点、施工规模、路幅及交通量等因素， 从而导致现状施工区的交通组织( 如施工区内各控制区的长度标准及限速标准) 存在诸多不 合理之处，严重降低了高速公路的通行能力及服务水平，影响了高速公路的经济效益和社会 效益的正常发挥。因此，开展对高速公路施工区的交通特性、交通组织及通行能力研究显得 十分迫切。 交通仿真( t r a f f i cs i m u l a t i o n ) 技术是一门在计算机上进行交通试验的技术，通过对 交通系统的仿真研究，可以得到交通流状态变量随时问与空间变量的变化分布规律及其与交 通控制变量间的关系，从而实现对现有交通系统或未来交通系统的行为进行虚拟再现或预先 把握。与现场试验( f i e l do p e r a t i o n a lt e s t s ，f o t s ) 相比，交通仿真具有周期短、节约资 金以及可以对交通系统内的关键操作、关键变量在其可行域内的重复操作等优点。国外在研 究高速公路基本路段、匝道，公路交通走廊，城市道路基本路段、交叉口，城市道路网交通 流运行状况等方面广泛运用了交通仿真技术，并取得了一定的成果，与此同时，高速公路施 工区交通系统本身具有其复杂性和特殊性，采用现场试验的方法往往由于人力、物力和财力 以及其它条件的限制，导致缺乏足够的样本而难以得出信服的结论，因此，结合我国高速公 路养护施工作业实际情况，将交通仿真技术引入高速公路施工区交通系统的研究具有重要的 理论和实际应用价值。 1 z 国内外研究现状 1 , 2 ，l 国外研究现状 由于国欧美发达国家高速公路的建设起步较我国为早，高速公路网络已基本建成，因此。 它们对高速公路施工区的交通组织与通行能力已经进行了较多研究。 最早开展对公路施工区交通安全、交通组织和通行能力研究的地区是美国的德克萨斯州。 早在1 9 7 9 年，r i c h a r d s ，s l ，a n dd u d e k ，c l 就开展了对高速公路养护施工管理策略的 研究“。，随后，两人继续对高速公路施工区的通行能力进行了研究。1 。1 9 8 1 年，m j f a u l k n e r ， s h r i c h a r d s 又对施工区的交通安全及交通控制进行了研究”1 。此后，施工区的各专项研 东南大学硕士学位论文 究越来越受到全美各交通部门和研究机构的重视。 织和通行能力的主要研究历程如下： 1 9 9 8 年，k a r e nk d i x o n 。j o s e p he h u m m e r 施工区排队长度的评估方法“1 。 近几年，公路施工区的交通特性、交通组 n a g u im r o u p h a il 等人研究了高速公路 1 9 9 9 年，j a m e sm i g l e t z ，j e r r yl g r a h a m 等人从交通安全的角度出发对公路施工区的 限速标准进行了研究，建立了交通安全水平与车速限制之间的关系”1 。同年，v i r g i n i ap s i s i o p i k u ，r i c h a r dw l y l e s 与m a i nk r u n z 等人对高速公路施工区的速度控制的影响因素 及标准进行了研究“1 。y ij i a n g u 在四车道的i n d i a n a 高速公路上获取了大量的实测数据之 后分别对拥挤和非拥挤状态下施工区的通行能力、行车速度以及车队疏散率进行了研究。这 项研究成果可以用于定量预测施工区的交通拥挤，评估交通延误以及分析出行费用。美国 i o w a j j - h 州立大学的交通研究及教育中心( c t r e ) 开展了对乡村州际公路施工区合流区域的交 通管理战略的研究”。，作为研究手段及重要的研究成果之一，他们专门开发了施工区的交通 仿真模型。 2 0 0 0 年，a h m e da l k a i s y ，毗a oz h o u ，f r e dh a l l 等人在对t o r o n t o 南部的g a r d i n e r 高速公路进行了为期四天，总计5 3 小时的施工区拥挤交通调查，调查基本显示了施工区的通 行能力与h c m 基本一致，同时也明确了施工区通行能力与驾驶员的性格、分布、星期几以及 天气状况等因素密切相关“。2 年后，a h m e da 1 一k a i s y 与f r e dh a l l 继续对加拿大安大略 省一些高速公路施工区进行了深入调查后，提出了高速公路长期施工区域通行能力的评估技 术。研究主要分两个方面，其一是高速公路施工区的基本通行能力及主要的影响因素，如大 车影响、天气状况、施工区的布设、施工作业强度以及照明情况。其二，采用不同的分析技 术手段和不同的具有代表性施工区域的观测数据开发了两个不同的“特定施工区域”通行能 力模型。最后，综合上述两方面的研究，给出了一般施工区域的基本通行能力参考值”“。 2 0 0 2 年，s t e v e ni c h i e n 和h i m a n s h uc p a t e l 对主要服务于通勤出行的双车道公路施 工区各控制区的长度进行了研究，该研究是以双向总费用最低为约束条件的“”。同年， o p e r a t o rp e r f o r m a n c el a b o r a t o r y ( o p l ) 的t h o m a ss c h n e ll 与n a t i o n a la d v a n c e dd r i v i n g s i m u l a t o r ( n a d s ) 的j e f f r e ys m o h r o r ，m s 对多车道高速公路的四个施工区进行了数据 采集、分析，并且运用h i g h w a yc a p a c i t ys o f t w a r e ( h c s ) ，s y n c h r o ，c o r s i m ( u n d e ri t r a f a n d t p a f w ) ，n e t s i m ，a n dam a c r o s c o p i cm o d e lc a l l e dq u e w z 9 2 等软件对高速公路施工区 的排队长度与延误进行了模拟“。 2 0 0 4 年，s a r a s u a ，d a v i s ，c l a r k e ，k o t t a p a l l y ，a n dm u l u k u t l a 等人利用从2 0 0 1 年9 月 到2 0 0 2 年8 月所观测的流量数据对施工区不同封闭车道条件下的通行能力进行了研究，提出了 施工区通行能力的修正模型，并且在模型开发过程中，对施工区数据的采集和分析方法进行 了总结“。b e n e k o h a l ，k a j a - m o h i d e e na n dc h i t t u r i 等人在考虑了施工区道路、交通条件以及施工密 度等因素的情况下，通过大量的现场调查数据，开发了施工区的速度一流量曲线来估算通行能力， 这种方法为道路的设计者和规划者提供了有力的依据“”。 此外，美国的m u t c d ( m a n u a lo nu n i f o r r nt r a f f i cc o n t r o ld e v i c e sf o rs t r e e t sa n d h i g h w a y s 2 0 0 3 e d ) 和h c m ( h i g h w a yc a p a c i t ym a n n u a l ) 则分别对道路施工区的交通组织和通 行能力进行了集成研究。其中m u t c d 的第六部分t e m p o r a r y t r a f f i cc o n t r o l 对高速公路施工区 的交通控制设施及交通组织进行了详细的阐述“，成为全美施工区交通组织与管理的标准， 并且美国联邦公路管理局不断对相关的内容进行更新和调整。美国各州在m u t c d 的基础上 都制定了适合本州实际的施工区交通控制导则( w o r kz o n et r a f f i cc o n t r o lg u i d e l i n e s ) 。h c m 近期的多个版本都对高速公路施工区的通行能力进行了较为全面的研究。道路通行能力手册 专题研究报告2 0 9 号( 1 9 9 1 版) 对现场有作业时的通行能力、长期施工现场作业区用可移 动混凝土路栏与交通隔离的通行能力、利用路肩作为一个临时车道以及车道变窄等情况下的 2 第一章概述 通行能力进行了研究，并给出了相应的通行能力经验统计值“。h c m 2 0 0 0 根据施工期间施工 作业区隔离设施的种类。将施工分为短期养护施工与长期建设施工“。对于前者给出了通行 道路的单车道的基本通行能力，并用施工强度影响、大车的影响、匝道影响予以修正。对于 后者则分g q 给出了单向2 车道、3 车道在不同施工情形下各车道的通行能力范围及平均每车 道的通行能力。此外，二者每车道的通行能力都要进行车道宽度修正。 综上所述，国外在高速公路施工区的交通组织方面的研究相对较为成熟，而施工区通行 能力及延误方面的研究虽然一直在持续，但大部分都是采用交通调查结合数理统计的分析方 法，由于调查样本的不足或地区的差异性，研究成果都缺乏代表性，需要进一步的加以完善a 1 ，2 2 国内研究现状 施工区的交通组织方面，主要有交通部颁发的公路养护技术规范j t j0 7 3 9 6 “以 及各省及所属地方部门制定的施工路段管理办法。此外，公路交通标志设置规范( 征求意 见稿) 也对施工区安全标志的设置作了相应的规定，并给出了部门施工情形下的施工交通组 织方案。但是该部分内容基本上沿袭了原有的标志系统，交通组织方案也主要参考国外的标 准制定的。此外，冯超铭从高速公路养护作业施工区交通安全的角度，分析施工区的区域 组成，阐述施工区交通标志的设置，并引用、比较了国外文献资料介绍的设置参数，介绍了 流动作业车辆的施工安全防护1 。吴新开，吴兵分析了施工区各种速度控制方法，并对其中 某些方法进行了综合和改进“”。 施工区的通行能力方面，2 0 0 4 年周茂松、吴兵、盖松雪应用v is s i m 仿真软件对车道封 闭型式、大车率、坡度、作业区长度等几个影响因素进行了微观仿真分析。，并得出上述影 响因素对作业区通行能力影响的程度从大到小为：车道封闭型式、和封闭车道的侧向距离、 一定大车率情况下的坡度、大车率、作业区长度。但由于该研究在v i s s i m 中设定的施工区道 路交通条件与实际的相差较大( 如仿真时v i s s i m 中没有设置锥形区以及禁止超车等标志) ， 模拟的精度因此受到了影响。 总之，高速公路施工区的交通组织、通行能力及行车仿真研究在我国仍处于起步阶段， 目前所做的研究较少且缺乏系统性。 1 3 研究的主要内容 1 ) 高速公路施工区交通特性分析( t r a f f i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ) 与高速公路基本路段相比，高速公路施工区的道路条件与交通条件发生了明显的变化， 这种变化对驾驶员的驾驶彳亍为及旌工区的交通流特性产生了深刻的影响。施工区交通特性主 要包括施工区车辆运行特性，驾驶员的信息需求、处理以及驾驶行为特征，施工区的交通流 统计特性等。 2 ) 高速公路旖工区数据采集、处理和分析( t r a f f i cd a t ac o ll e c t i o n 。d i s p o s a la n d a n a l y s i s ) 高速公路施工区交通数据主要有两个方面的作用：一是对高速公路施工区交通流的定量 统计描述，进而明确其在时间、空间、概率上的统计分布特性；二是用于交通仿真程序中各 模型参数的标定以及最终仿真成果的校核。以此为指导，以现有的采集设备为基础，研究施 工区各种数据采集方法和样本容量确定方法，以及数据处理分析方法。 3 ) 高速公路施工区交通组织( t r a f f i co r g a n i z a t i o n ) 高速公路施工区交通组织对于提高施工区的通行能力、确保施工区的交通安全具有重要 的意义。施工区的交通组织研究内容主要包括明确施工区的交通组织原则和交通组织方案建 立的流程：建立施工区合理长度的费用模型以及提出施工区各控制区( 警告区、锥形区和缓 冲区) 的长度标准；深入研究施工区的限速程序；通过推荐新增施工区的各类标志，与现有 的旌工区交通标志共同构成施工区的标志系统。 东南大学硕士学位论文 4 ) 高速公路施工区通行能力分析( t r a f f i cc a p a c i t ya n a l y s i s ) 高速公路施工区的通行能力研究将首先分析施工区通行能力的影响因素，然后通过基于 交通流统计分析模型的通行能力分析方法、基于施工区基本通行能力修正模型的通行能力分 析方法和基于交通仿真的通行能力分析方法来研究施工区的通行能力。 5 ) 高速公路施工区的交通仿真( t r a f f i cs i m u l a t i o n ) 施工区的交通仿真模块主要包括道路模块、交通设施模块、人一车模块、仿真模块、结 果模块等，其中，仿真模块是仿真模型中的核心部分，该模块是在已知仿真基本条件( 包括 流率、分布情况) 和仿真基本框架( 由道路模块、交通设施模块以及人一车单元模块决定) 的基础上，根据一定的规则( 包括发车规则、自由行驶规则、跟驰规则和换车道规则) ，对分 析时段内的各人一车单元的状态进行仿真。跟驰模型和换车道模型是仿真模块的核心，跟驰 模型将重点介绍施工区跟驰模型和行为阈值模型，换车道模型则重点介绍强制性换车道模型。 1 4 研究的技术路线 图卜1研究的技术路线 4 第二章高速公路施t 区交通特性分析 第二章高速公路施工区交通特性分析 2 1 旋工区交通控制区的划分 高速公路的施工区是高速公路施工、养护、改造的活动场所。施工区一般设置了标志、 渠化设施、障碍物、路面标线，并配备了施工作业车辆。它是从第一个施工警告标志到施工 结束标志之间所包含的区域。 典型的双向四车道高速公路养护施工控制区一般划分为：警告区、渐变区、作业区和终 止区，如图2 一l 所示。其中，警告区包括交通标志警告区与路肩锥形区髓部分，渐变区包括 汇合锥形区，作业区包括上游缓冲区和施工作业区两部分，终止区则包括下游缓冲区和下游 锥形区两个部分。 1 ) 警告区：提示前方道路施工，使司机注意交通变化情况。及时采取相应措施。警告区 内应设置限速标志、前方施工标志、前方车道变窄、禁止通行标志等。交通流逐渐由自由流 转变为限制流。 2 ) 渐变区：提供行驶车辆改变行驶方向( 变换车道) 的空间。车辆进入从此区域后如不 在开放通行车道上，必须换车道行驶。 3 ) 作业区：是施工作业进行的区域。一般通过渠化设施或障碍物将施工作业活动与道路 使用者隔离。上游缓冲区禁止施工作业以及存放施工设备、原材料、车辆等。当施工区由于 处于凸曲线顶点或平曲线转角附近不能被前方车辆发现时，上游缓冲区应延长到可被发现的 地方，一般在上游缓冲区开始点设视线诱导标和闪光灯信号。缓冲区内应设置路障，以保护 施工作业人员的安全。驶入该区段的车辆不能超车，只能跟驰行驶。 4 ) 终止区：表示施工区的结束和施工限速的解除，位于施工区的末端。交通流逐渐恢复 正常运行状态。 礁堡堡! i 主遭 7 i - 上游施工分流 锥形区 缓冲区 作业区 锥骺区 鲢避厂 下游缓冲区 警告区葡变区作业区终止区 图2 - 1典型的双向四车道高速公路施工区交通控制区划分 2 2 施工区车辆运行特性 行车道上的合流车辆要进入超车道，必须在超车道上寻找可接受间隙，在必要的情况下， 还需要调整加速度大小，实旅合流换车道操作，从而使台流车辆与超车道上的直行车辆共同 行驶在一条车道上，直至通过施工区。高速公路施工区的合流运动特性很复杂，其主要特性 可从以下几个方面分析： 2 2 1 汇入车辆造成施工区交通流的重分布 行车道车辆汇入超车道，对超车道上车流的影响非常大，其影响宏观表现为车辆在车道 上的分布的变化。对高速公路的基本路段而言，车辆在高速公路上的行车道和超车道上的分 布是均衡、稳定的。当驾驶员看到施工区第一个提示标志时，为保持车辆能顺利通过施工区， 部分行车道上的车辆就开始向超车道转移，这种情况在交通量较大的情况下表现的更加明显。 东南大学硕士学位论文 从而引起交通量在不同车道上的重新分布，结果使行车道上越接近作业区，行驶的车辆越少。 与此同时，由于行车道车辆的汇入，超车道上交通量明显增多，车速降低，车流出现紊乱现 象。当高速公路通行车辆数小于施工作业区通行能力时，在路肩锥形区上游会形成一段车流 真空；反之，则可能从路肩锥形区上游开始行车排队。 2 2 2 超车道上车辆优先通行 行车道合流车辆在汇入超车道过程中，要与原来在超车道上行驶的车辆争夺行驶空间。 据观测，二者在争夺时机会不均等，超车道车辆将享受优先权。因此，只有超车道出现足够 大的空隙时，行车道上的车辆才能进行汇入；否则，行车道上的车辆只有等待下一个空隙， 重复同样的判断一直到出现可接受间隙，完成汇入行为。若合流车辆在行车道上一直无法 找到合适的间隙，则合流车辆将在路肩锥形区顶端停止，等待下一个间隙的出现。 2 2 3 行车道汇流的强制性 与匝道车辆必须在加速车道长度范围内完成汇流过程类似。当前方进行施工作业时，在 行车道上行驶的车辆必须在施工区第一个提示标志与路肩锥形区顶端之间的这段长度内换车 道至超车道，完成汇流行为，否则，车辆就会出现排队。因此，行车道汇流具有明显的强制 性。在交通量比较大的情况f ，这种强制性的汇流行为对超车道车辆行驶将有较大的影响， 因为汇流车辆可能强制驶入超车道，而迫使紧随其后的超车道上的车辆减速，紧急跟驰行驶， 以确保行车安全。 2 3 施工区驾驶员交通特性分析 2 3 1 驾驶员信息需求 汽车在高速公路上行驶时，驾驶员要根据周围的环境、道路交通标志、标线、交通安全 设施以及车内仪表等提供的信息来进行车辆的控制。信息的获取可以通过视觉、听觉、触觉 以及嗅觉等，但据研究，驾驶员8 0 以上的信息是通过视觉通道获取的，其次是听觉。 当汽车进入高速公路施工区后，驾驶员必须审视出现的各种情况，除注视车行道以外， 还需注视前面的汽车及邻近车道的汽车；驾驶员要不时的注意道路两侧以及施工作业区的各 种交通标志、标线以及交通安全设施的设置，还要注视反光镜，且应及时核对仪表盘。 实验表明，对于驾驶员来说，有一个最适宜的观察目标密度，在这种密度情况下，驾驶 员的情结不至于紧张，较有把握驾驶汽车，对车辆由高速公路基本路段驶入施工区段也能及 时做出反应，适宜的目标密度和环境信息的多样化，有助于驾驶员的注意力集中。驾驶员的 信息负担量过多或过少，都不利于驾驶员安全驾车。就高速公路施工区而言，施工区段标志、 标线、情报板以及交通设施过少，驾驶员获取的施工区交通信息量就会不足，往往会导致驾 驶员作出错误的判断，造成交通事故。但当施工区的目标密度过大，即“信息过载”时，驾 驶员处理获取的信息需要很多的时间，容易造成驾驶员的驾驶疲劳或由于标志出现的太频繁 而厌倦，忽视了重要的交通信息，也不利于驾驶员作出正确的判断并采取相应的措施。因此， 在设置高速公路施工区的交通标志、标线、可变情报板，以及布设交通安全设施时一定要考 虑驾驶员的信息需求，合理而有效地向驾驶员提供交通信息。 啪 匪圃臼匪囹b 匪堕 p ：信息提供量q ：信息需求量 图2 2 高速公路施工区驾驶员信息需求与提供量之间的关系 6 第二章高速公路施工区交通特性分析 2 3 2 驾驶员处理信息的方式 在高速公路上行驶的汽车，其驾驶员、汽车和道路环境构成了典型的人机环境系统( 如 图2 - 3 所示) ”。在该系统中，驾驶员是最活跃的要素，对行车安全起着主导控制作用，是 保证道路交通系统安全化功能的关健。 当汽车行驶在高速公路施工区时，驾驶行为是信息感知、判断决策和动作所组成的个 不断往复进行的信息处理过程，亦即感知作用于判断决策后影响到动作。首先是高速公路上 来往车辆、道路交通标志标线、各种交通安全设施、路面状况以及汽车本身的运行情况等外 界信息，通过驾驶员的视觉、听觉和触觉等感觉器官传入驾驶员的大脑，驾驶员依据其驾驶 经验予以加工后，作出相应的判断和决策，然后再通过手、脚等运动器官发出调整方向和速 率等指令，从而改变汽车运动状态和操纵目的。而汽车行驶轨道、相对于高速公路路的适应 程度、振动、速度以及各种操纵后汽车的行驶变化再通过上述过程反馈给驾驶员，同时驾驶 员仍在不断接受道路及环境信息，调节自身驾驶状态以适应新的道路环境信息，确保汽车的 操纵稳定性、可靠性和安全性。 _ _ - _ - _ - _ 噜 熏曩捧用 图2 - 3高速公路施工区驾驶员处理信息方式 7 麟瞬棒稠 2 3 _ 3 驾驶行为的生成过程 由图2 3 可知，驾驶员与高速公路交通环境的联系是通过汽车的“过滤”来实现的，而 驾驶行为对汽车运行状态的影响则表现为驾驶员的不同动作。因此，依据对人行为的刺激( s ) 一机体( o ) 一反应( r ) 经典模式的拓展，驾驶汽车的的行为可分为三个阶段即感知阶段、 判断决策阶段和动作阶段。 ( 1 ) 感知阶段 驾驶员主要通过视觉、听觉和触觉等来感知汽车的运行环境条件，如道路交通标志标线、 信息情报板、交通安全设施的布设、现场管理人员的指挥等信息。这一阶段主要由感觉器官 完成。 ( 2 ) 判断决策阶段 驾驶员在感知信息的基础上，结合驾驶经验和技能，经过分析，作出判断，确定有利于 汽车安全行驶的措施。这一阶段主要由运动器官完成。 ( 3 ) 动作阶段 驾驶员依据判断决策所做出的实际反应和行动，具体指手、脚对汽车实施的控制，如减 速、加速、制动、转向等。这一阶段主要由运动器官完成。 这样，驾驶行为不仅是信息感知、判断决策和动作三阶段不间断的多次串联组合，而且 也是三者连锁反应的综合。于是，道路交通系统中驾驶行为( b ) 可看做驾驶员( d ) 、汽车( a ) 和道路交通环境( r ) 相互作用的函数，即 b = f ( d ，a ，r ) 由些可知，驾驶行为不仅受汽车仪器仪表显示、运行情况和道路环境的直接影响，而且 也与驾驶员的知识、经验、生理、心理机能等有关，体现在三者的交互制约上。 2 3 4 驾驶行为特征 在高速公路交通系统中起主导控制作用的驾驶员，一方面其自身作为一个极其复杂而又 相对高度完美的自适应反馈系统有利于驾驶行为的正确，另一方面驾驶员所具有的功能自由 度又导致不同程度的驾驶差错。因此，高速公路交通系统中驾驶行为具有明显的特征： 1 复杂性 驾驶员信息加工的衰减性、处理能力的局限性以及高速公路交通系统( 特别是进入施工 区后) 中诸多因素的干扰，导致驾驶行为的形成极其复杂。 2 模糊性 影响驾驶行为的因素既有主观因素( 如驾驶员的性格等) ，又有客观因素( 如施工区道路 条件的变化、交通标志的设置) ，且各因素对驾驶行为的影响程度较难确切描述，具有一定的 模糊性。 3 自学习性 在许多情况下，驾驶员能及时发现差错并能对差错即将造成的危险后果予以恢复或部分 恢复，即具有对差错状态的恢复能力。 4 相关性 驾驶行为具体体现在感知差错影响到判断决策的正确甚至动作的准确，而判断决策差错 则直接制约到动作的协调。 5 延续性 在驾驶过程中，驾驶员的后续行为要受到前续行为状态的制约，即前续行为的差错有可 能导致后续行为的不正确。 6 时变性 驾驶行为随驾驶时间的变化而发生变化。这主要因为外界客观条件的变化，如新的交通 8 第二章高速公路施工区交通特性分析 标志的不断进入视野，道路条件的变化以及驾驶员心理的变化导致的。 7 随机性 驾驶员在具体的时间、具体的地点和具体的道路交通状态中，其行为表现形式是很不确 定的。 8 自适应性 驾驶员对汽车运行状态的识别、对外界环境动态信息的处理，其变化范围很大，但一定 程度上可以通过自身的调节和控制与之相适应。当驾驶员进入施工区后，驾驶员会自动调楚 自己的认知状态，并通过一定的动作反映出来。 9 离散性 驾驶行为由感知、判断决策和动作构成的行为单元组成，每一单元相对独立又彼此联系， 即在一定的时间内实现的行为单元或多或少。从而表现出不同的驾驶行为。 1 0 突变性 驾驶差错对驾驶行为具有十分显著的影响，但这种影响状态一般应持续一定的时间，且 受各种因素的交互作用在特定的道路交通状态下，才能使驾驶行为发生某种突发性变化而破 坏道路交通系统的安全化功能，从而肇发交通事故。 2 4 施工区交通流特性 高速公路施工区由于道路、交通条件发生了变化，该区段交通流特征也表现出与一般正 常路段不同的分布特征。这种情况下车辆运行特征表现为“跟驰”，即前后两车车头间距处于 最小车头间距附近、跟驰车期望以高于前导车车速行驶而又不能超车，跟驰车处于跟驰状态。 当交通流出现一辆车跟驰另一辆车的车队现象时，可用动力学中跟驰理论一辆车跟驰另 一辆车运行规律。跟驰理论是运用动力学方法，研究在无法超车的单一车道上车辆列队行驶 的一种理论。它用数学模型描述跟驰过程中的各种运行状态，并通过观察各个车辆逐一跟驰 的方式，了解单车道的交通流特性，描述交通流的稳定性，加速干扰以及干扰的传播，检验 管理技术和通信技术，减少尾撞事故等。 施工区车辆跟驰特性分析；当交通流密度相当大时，车辆间距较小，驾驶员只能根据前 车提供的信息采用相应的车速，这种状态称为非自由运行状态。 非自由状态形式的车队有以下三个特性： 1 制约性：紧随要求、车速条件和间距条件构成一队汽车跟驰行驶的制约性。即前车车 速制约着后车车速和两车间距。 2 延迟性：跟驰车队中前后车运行状态的改变不是同步的，后车运行状态的改变滞后于 前车。 3 传递性：由制约性可知，第n 辆制约第n + l 辆的运行。一旦车队中某一辆车改变了运 行状态，它的效应将会一辆接一辆向后传递，直至最后一辆。而这种运行状态的传递又具有 延迟性，因此具有延迟性的向后传递的信息不是平滑连续的，而是象脉冲一样间断连续的。 以2 0 0 4 年9 月份在京沪高速淮安段( k 7 7 + 0 0 0 - - - k 1 1 8 + 0 0 0 ) 部分路段路面专项治理过程 中进行的施工区交通流调查分析为例，分析高速公路施工区交通流的统计分布特性，以揭示 施工区交通流运行的内在规律。 9 东南大学硕士学位论文 观测 域划 图2 4 专项治理工程施工现场交通组织方案及观测区域的划分 2 + 4 1 车头时距 图2 5 图2 - 8 分别为高速公路施工区上游正常路段行车道和超车道的车头时距分布状 况。经检验，一般路段交通流的车头时距在9 5 的置信度水平下符合移位负指数分布，行车 道与超车道分布大致相似，5 0 位的车头时距基本相同，分别为2 8 5 5 秒和2 7 9 8 秒，这也 说明我国高速公路目前普遍存在的问题：部分大型车辆总是长时间占据超车道，致使部分性 能较好的汽车不能正常超车，只能以低速跟驰行驶或有时不得不从行车道超车，从而造成了 行车道和超车道功能的混乱。图2 - 9 和图2 1 0 为超车道合流段车头时距分布特征。由于高速 公路单向由原来的2 个车道变为i 个车道，合流段的车头时距明显比一般正常路段为小，其 百分位曲线相对较为平缓，说明车头时距的离散性相对较大。合流段的车头时距平均值为 1 4 6 2 秒，约为一般正常路段行车道或超车道的i 2 。 图2 - 5正常路段行车道车头时距分布特征图2 - 6 正常路段行车道车头时距累计频率分布 圈2 7正常路段超车道车头时距分布特征图28正常路段超车道车头时距累计频率分布 1 0 第二章高速公路施工区交通特性分析 圈2 - 9 旌工区汇流段车头时距分布特征图2 一l o 施工区汇流段车头时距累计频率分布 2 4 2 车速 在2 0 0 4 年9 月份的交通调查中，我们将施工控制区分成7 个区段，如图2 4 所示。通过 对各个区段的地点车速的调查发现，高速公路施工作业对车流速度影响非常明显，并且呈现 出一定的规律。 1 ) 施工区地点车速频数分布 以2 号控制区为例，地点车速的频数分布和累计频率分布分别如图2 一1 1 和图2 1 2 所示。 采用s p s s 数据统计分析软件对地点车速的频率分布进行z 2 拟合优度检验，结果表明车速分 布符合正态分布。 图2 - 1 12 号控制区车速频率数分布情况 图2 - 1 22 号控制区车速分布累计频率图 2 ) 施工区地点车速空间分布 表2 - 1 施工区各控制区地点车速统计描述 控制区代码 123 4 567 平均值 9 2 88 9 89 l _ 76 6 77 1 o6 9 79 1 1 中位值 9 0 08 7 79 0 o6 4 56 7 26 7 59 1 4 标准误差 2 32 12 01 51 31 81 6 标准偏差 2 3 32 0 72 0 4 1 4 4 1 2 91 8 21 6 1 样本方差 5 4 4 0 4 2 8 1 4 1 8 2 2 0 7 6 1 6 6 9 3 3 1 6 2 5 9 1 东南大学硕士学位论文 图2 1 3 高速公路施工区内的车速分布状况 正常车速行驶的车辆在看到施工区第一个标志后，就有了减速行驶的驾驶意识，但是， 驾驶员并不急于立刻减速或减速的幅度非常小，另外，从驾驶员采取制动到制动生效也需要 一定的时问，因此，在车辆在经过警告区始端时，减速并不明显。随着车辆距离作业区越来 越近，