邵长桥,郭杰

(北京工业大学城市交通学院北京市交通工程重点实验室,北京 100124)

目前中国很多大中型城市都在对已有城市道路进行升级改造,频繁的道路施工给城市带来了巨大的交通运行压力,而道路施工往往要占用部分道路资源,甚至中断道路进行全封闭施工,使得道路通行能力下降,部分车辆需绕行其他邻近道路行驶。占道施工不仅影响施工区所在路段的交通运行,还会影响其周围路网交通运行[1]。因此有必要对城市占道施工区交通影响评价方法进行研究,通过选择不同的评价指标,对占道施工区的道路及其周边路网进行全面的交通影响分析,根据所得交通影响分析结果制定合理的交通组织措施,从而最小化占道施工对城市交通运行影响。

中外学者对占道施工区所产生的交通影响进行了大量研究。Bourne等[2]从驾驶人感知方面研究了高速公路施工区设施布设对交通运行的影响,并给出了设施完善度、平均延误等交通运行评价指标。Bhutani等[3]分析了城市道路施工对车辆行程速度、行程时间以及油耗等方面影响,从交通运行成本角度量化了城市占道施工对城市交通运行的影响。Pesti等[4]应用实测数据,基于高速公路施工区的行程时间、延误、排队长度,分析了高速公路施工区的交通影响。中国对占道施工区交通影响的研究相对较少。刘伟等[5]分析了计算通行能力时的不同影响因素,提出等效通行能力折减方法,并给出了施工占道项目交通影响分析阈值。王兴[6]根据建设项目对交叉口、路段以及路网3个方面的影响,给出了建设项目综合影响程度评价指标体系,并利用层次分析法给出了评价指标重要度排序方法。刘令[7]应用仿真方法研究了施工区交通影响,提出了占道施工条件下路网容量衰减比和占道施工强度因子两个评价指标。杨达等[8]基于车辆延误指标对高速公路施工区交通状态进行了评价,并得出分析施工区车辆延误有助于寻找交通影响最小化的施工区交通组织方案的结论。吕佳璐等[9]以平均延误、平均速度、平均停车次数为评价指标,提出了基于模糊数学理论的交通影响评价方法,并对城市干道施工路段进行了评价。Khamphay等[10]以通过时间、平均通行速度等为指标分析了城市道路施工区不同因素对车辆延误的影响,并提出了基于社会力模型的城市路段施工区交通延误分析方法。

综上所述,中外对占道施工区交通影响分析研究成果较多,但研究对象大多是高速公路占道施工区,而对城市道路占道施工区的相关研究较少。现有的占道施工区交通影响评价方法理论性较强,计算难度较大,并且未从各个层面系统性地给出评价指标。同时,已有的交通影响评价启动阈值大多根据交叉口或路段的剩余通行能力值确定,缺少基于施工区影响评价指标确定评价阈值。因此,不能全面反应占道施工对施工道路及周边路网所产生的影响。鉴于此,针对城市道路所具有的交通运行特点,在等效通行能力的理论基础上给出了城市占道施工区交通影响评价方法,从交叉口、路段、路网层面系统性地给出了交通影响评价指标,并利用综合评价方法确定了城市占道施工交通影响评价阈值,最后结合评价阈值给出了城市占道施工区交通影响范围确定流程。所提出的交通影响评价方法更符合城市道路占道施工区的交通运行特点,具有一定的实际意义,同时也完善了中国关于城市道路占道施工交通影响评价的研究。

1 城市道路占道施工特征分析

为度量城市占道施工区对交通运行造成的影响,从占道施工区交通流特性和占道施工区道路特性两个方面对城市道路占道施工进行特征分析。

1.1 城市道路占道施工区交通流特性

由于占道施工区占用部分道路资源,原有的道路线形发生改变,此时交通流将会重新分布,从而产生合流性、波动性、跟驰性等特性。合流性是指处于被施工区占用车道上的车辆需要汇入到未被占用车道上行驶,此时占道施工区交通流将呈现出合流特性,并且该合流是强制性的;波动性是指车辆行驶至占道施工区域时,由于车道数减少,在车道数渐变段会形成一个瓶颈点,此时一个与车辆行驶方向相反的阻滞波将会形成,从而出现一段拥堵路段[5];跟驰性是指车辆行驶至占道施工区域时行驶车速降低,车辆的行驶速度将会随着前车车速的改变而改变,此时交通流呈现出一定的跟驰性[11]。

1.2 城市道路占道施工区道路特性

城市道路占道施工区的道路特性主要体现在道路线形变化、施工区设施布设、道路通行能力降低等。城市道路占道施工区占用部分道路资源,道路的原有线形受到破坏,从而造成行车视距不足,增加安全隐患;为了使车辆安全顺畅地通过占道施工区域,一般会按照相关标准设置交通安全管理配套设施,如通过设置交通标志、标线等引导驾驶人安全通过施工区域。城市道路占道施工区道路特性的变化,导致施工区交通运行复杂,交通拥堵频发,从而降低道路通行能力[12],造成部分车辆绕行其他道路,甚至会进一步影响周围路网交通运行。

2 占道施工交通影响评价方法

2.1 等效通行能力

等效通行能力不同于传统通行能力,传统通行能力将通过瓶颈断面的最大流率作为路段通行能力,而实际路段瓶颈断面很难确定,仅以瓶颈断面通行能力作为整个路段通行能力不能全面反应道路设施之间的差异。城市道路是由交叉口和其之间的路段连接而成的,等效通行能力正是从城市道路这种间断流特征出发,将间断道路等效为连续道路,通过测定车辆在等效路段上的实际行程时间,进而计算得出等效路段的通行能力,而城市道路中的各种干扰因素包括交叉口干扰以及路段干扰因素都会在行程时间中得以体现[13]。

(1)

(2)

式中:L为道路长度,km;v为等效车速,km/h;t为行程时间,h。

当交通密度小、交通密度拥挤时,速度v与密度k的关系模型为

(3)

式(3)中:vf为自由流速度,km/h;vm为交通量最大时对应的车速,km/h;kj为阻塞密度,pcu/km。

最大流量qm即等效通行能力,可表示为

(4)

表1 速度与密度回归分析函数关系式Table 1 Relationship between velocity and density regression analysis function

图1 速度-密度关系对数型拟合曲线Fig.1 Logarithmic fitting curve of velocity-density relationship

图2 速度-密度关系指数型拟合曲线Fig.2 Exponential fitting curve of velocity-density relationship

对城市道路交通流运行特点进行分析可知,路段自由流车速应根据道路平峰时期实际行程时间确定,即

(5)

式(5)中:L为路段长度,km;t1为路段平峰行程时间,h,由实测数据得到。

通过式(3)和式(5)计算出路段阻塞密度和自由流车速后,根据式(4)即可计算出路段等效通行能力。

根据实测数据计算得到研究范围内部分路段等效通行能力值如表2所示。

表2 各路段等效通行能力Table 2 Equivalent capacity of each road section

2.2 评价指标选取

建设项目或占道施工项目大多从“点”层面确定交通影响评价指标,如交叉口延误、排队长度等,然而城市占道施工区对交通的影响往往是区域性的,只对施工道路某一交叉口或施工路段进行交通影响评价不能准确量化占道施工项目给路网带来的交通影响。在等效通行能力基础上从“点”“线”“面”3个层面对占道施工进行交通影响评价,从每个层面选取具有代表性的评价指标,然后利用这些评价指标通过综合评价方法确定占道施工交通影响评价阈值。对于交叉口,选取平均延误评价指标;对于路段,提出等效饱和度评价指标;对于路网,提出行程时间可靠性评价指标。

2.2.1 交叉口平均延误

交叉口平均延误的定义是所有车辆通过交叉口产生延误的平均值,其可通过仿真分析工具直接获取。

2.2.2 等效饱和度

等效饱和度与传统饱和度的不同之处在于等效饱和度是等效路段交通量与等效通行能力的比值,该评价指标描述了由多个交叉口和路段组成的等效路段由于占道施工对其造成的交通影响。等效饱和度计算公式为

(6)

式(6)中:s为等效饱和度。

2.2.3 行程时间可靠性

行程时间可靠性指的是在指定的出行时间内,出行者完成从出发地到目的地之间行程的概率大小,用来衡量出行者完成一次完整出行符合预期的程度的指标[14]。假设路段、路径行程时间均可用正态分布描述,通过计算路段、路径所需行程时间的均值和方差,即可确定其行程时间可靠性。

行程时间可应用美国道路局(Bureau of Public Road,BPR)开发的BPR函数[15]计算,BPR函数是针对连续流交通设施开发的,考虑到本文研究对象为城市占道施工区,因此,对BPR函数进行了修正。BPR计算模型为

(7)

式(7)中:T(t)为某路段t时刻行程时间,h;t0为某路段自由流行程时间,h;q(t)为某路段t时刻交通量,pcu/h;c(t)为某路段t时刻等效通行能力,pcu/h;α、β为参数,根据不同交通流状态取值。

通过调整BPR函数中的两个参数取值对其进行修正,针对不同交通流运行状态对模型参数进行标定,从而得到不同交通流运行状态下BPR修正模型。首先将BPR模型进行对数化处理[11]。

(8)

通过实测数据分别获得某条路径高峰和平峰交通量,在VISSIM仿真平台中输入从平峰到高峰之间的不同交通量,通过仿真实验获得不同交通量对应的平均行程时间,选取研究范围内其中一条具有代表性的路径,该路径包含3个交叉口,单向两车道,仿真运行后得到的实验结果如图3所示。

图3 平均行程时间与拥堵指数对比Fig.3 Comparison of average travel time and congestion index

交通拥堵指数TSI计算公式为[16]

(9)

式(9)中:TSI为交通拥堵指数;T0为所选路径自由流行程时间,h;Ti为所选路径实际行程时间,h。

通过图3中行程时间和拥堵指数随交通量的变化趋势可以看出,交通流可分为自由流、阻滞流、拥堵流3种状态,并以此将拥堵指数划分为3个区间,具体划分区间如表3所示。

表3 拥堵指数划分区间Table 3 Congestion index division

根据交通流状态划分区间,通过SPSS软件回归分析得到BPR修正模型中α、β如表4所示。

表4 BPR修正模型参数取值Table 4 BPR correction model parameter values

将标定后的参数取值带入BPR模型中,即可得到修正的BPR函数,可表示为

(10)

E[T(t)]=t0+αt0c-βE(qβ)

(11)

(12)

式中:E为计算数据的期望;D为计算数据的方差。

假设道路交通参与者期望的路段和路径行程时间不超过t′,则路段、路径行程时间可靠性[17]可表示为

R(q)=P{T(t)≤t′}

=P{T(t)≤γt0}

(13)

式(13)中:R(q)为路段和路径期望行程时间可靠性;γ为参数,根据交通流状况进行取值。

关于式(13)中参数γ的取值,Bell等[18]提出在一般情况下建议取值1.2,认为参数γ应根据路段和路径实际行程时间的均值进行取值,因为道路交通量在全天中变化较为明显,尤其是高峰期与平峰期交通量差距较大。在高峰期间,道路行程时间往往高于自由流行程时间,此时仍然采用1.2倍自由流行程时间作为判断标准,所计算出的行程时间可靠性将会很低,甚至为0。如果在计算道路行程时间可靠性时,全天所有时段均采用行程时间小于等于1.2倍自由流行程时间,显然很不合理,因此认为参数γ的取值应按式(14)进行计算。

(14)

式(14)中:Ti为所选路径实际行程时间。

2.3 评价阈值确定

结合给出的评价指标,从交叉口、路段、路网3个层面对占道施工进行综合交通影响评价,将上述3个评价指标进行标准化、一致化、归一化处理后,进而得出评价阈值。根据《美国道路通行能力手册》[15]关于城市道路平均延误水平的规定,将平均延误评价等级分为6个等级,城市道路交叉口平均延误评价等级划分如表5所示。

表5 交叉口平均延误分级Table 5 Average delay classification of intersections

饱和度与道路服务水平存在负相关关系,随着道路服务水平等级的升高,路段饱和度逐渐降低,随着道路服务水平的降低,路段饱和度逐渐升高,根据《城市道路工程设计规范》(CJJ 37—2012)[19]关于城市道路服务水平等级的标准规定,将等效饱和度划分为6个评价等级,城市道路路段等效饱和度评价等级划分如表6所示。

表6 路段等效饱和度分级Table 6 Equivalent saturation classification of road sections

根据《美国道路通行能力手册》[15]可知,服务水平共分为6个等级,而服务水平(V)与饱和度(C)比值V/C存在一定的联系,交通量变化引起饱和度变化,同时也引起了行程时间的变化,因此借鉴服务水平分级将行程时间可靠性分为6个等级,行程时间可靠性具体等级划分如表7所示。

表7 行程时间可靠性分级Table 7 Travel time reliability classification

2.3.1 评价指标预处理

由于以上3个评价指标量纲不一致,因此在计算交通影响评价阈值前,要通过预处理方法,使3个评价指标量纲保持一致。

(1)评价指标标准化。利用统计学中的标准化方法,消除评价指标原始单位的影响,在进行标准化处理之前,需要预先确定评价指标的极值,表8给出了各个评价指标极值的具体取值。

表8 评价指标极值取值Table 8 Evaluation index extreme value

采用极值法对评价指标进行标准化[20]处理,令Mj=max{Xij},mj=min{Xij},则有

(15)

(2)评价指标一致化。平均延误和等效饱和度均为逆指标(其值越小越好),行程时间可靠性为正指标(其值越大越好),通过对3个评价指标进行一致化[20]处理,使其指标类型得到统一。设正指标为Xi(i=1,2,…,n),则经过一致化处理后的逆指标为

(16)

式(16)中:x′i为经一致化处理后的逆指标;Xi为正指标。

(3)评价指标归一化。由于行程可靠性评价指标经过一致化处理后,其值会出现大于1的情况,而标准化处理方法对于数值较小的评价指标将失去作用,故需要采用归一化方法[6]对数值大于1的评价指标进行处理,具体计算公式为

(17)

确定交通影响评价阈值的相关评价指标预处理结果如表9所示。

表9 预处理后的评价指标分级Table 9 Evaluation index classification after preprocessing

2.3.2 综合评价方法确定评价阈值

y=(x″i1)2+(x″i2)2

(18)

根据式(18)计算不同等级下的综合评价阈值,计算得到的阈值分级如表10所示。

表10 综合评价阈值分级Table 10 Comprehensive evaluation threshold grading

根据《美国道路通行能力手册》[15]中给出的道路服务水平分级表可知,当服务水平达到D级时,车流运行由稳定状态变为不稳定状态,此时的饱和度为0.90,可将其作为评价路网运行状态的最低值。即当综合评价阈值大于0.61时,要进行占道施工区的交通影响评价工作,并采取相应的交通组织措施。考虑到道路的使用率情况,部分路段的服务水平在占道施工前可能处于较高等级,等效饱和度较低,占道施工后可能不会使该路段等效饱和度降低到D级及以下,但此时该路段的服务水平等级已发生了较大变化,交通流运行状态发生了较大改变,因此本文建议对于综合评价阈值降低一级及以上时都需要进行交通影响评价。

2.4 交通影响范围确定

由于城市占道施工区所产生的交通影响是区域性的,因此,将等效通行能力作为理论依据,从而确定交通影响范围,通过可靠行程时间推算路段可转移交通量,然后按照阻抗最小原则分配占道施工路段需转移的交通量,根据本文提出的交通影响评价阈值对分流后的路网进行交通影响分析,对于达到既定标准的路网范围就是占道施工的交通影响范围。交通影响范围具体确定流程如图4所示。

图4 交通影响范围确定流程Fig.4 Process of determining the scope of traffic influence

3 案例分析

为了验证所提出的基于等效通行能力的城市占道施工区交通影响评价方法,选取北京市某轻轨建设工程作为案例进行分析。该轻轨建设工程需经过博兴八路大桥,因施工需要,施工期间需中断博兴八路大桥进行全封闭施工,该大桥为双向四车道,道路等级为城市主干道,是该区域南北向进入经开区的重要通道。

根据本文评价指标,通过VISSIM仿真平台对研究范围内占道施工前后路网运行情况进行仿真评价,其中路网内交叉口平均延误变化情况如图5所示,路网内各路段等效饱和度变化情况如图6所示,路网内各路段行程时间可靠性变化情况如图7所示。

图5 研究范围交叉口平均延误变化情况Fig.5 Changes in average delays at intersections within the study area

图6 研究范围路段等效饱和度变化情况Fig.6 Changes in equivalent saturation of road sections in the study area

图7 研究范围路段行程时间可靠性变化情况Fig.7 Changes in travel time reliability of road sections in the study area

如图7所示,部分路段行程时间可靠性有所提升,这是由于占道施工区的存在,使得施工道路周边路网交通量大幅增加,导致其行程时间也随之增加,路段内交通流运行不畅,与此同时,随着转移到周围路网交通量的增加,使得交通量随时间变化的离散性大幅减小,根据前文中给出的行程时间可靠性计算模型的结构特征可以看出,虽然行程时间是增加的,但由于交通量方差大幅减小,最终计算得出的路段行程时间可靠性是增加的,这也反映出该路段受到占道施工的影响较大。

部分路段行程时间可靠性有所降低,是由于这些路段在存在占道施工区之前交通量较小,占道施工区存在后,使得这些路段交通量大幅增加,车辆在该路段上的行程时间也随之增加,最终计算得出的路段行程时间可靠性降低。

根据计算得出的交叉口平均延误、路段等效饱和度、路段行程时间可靠性,进而通过式(16)计算各路段综合评价阈值,具体计算结果如表11所示。

表11 研究范围路段综合评价阈值变化情况Table 11 Changes in comprehensive evaluation thresholds of road sections in the study area

研究范围内的具体交通影响范围可根据图4给出的交通影响范围确定流程和表11中施工前后综合评价阈值的变化情况进行划定。

4 结论

(1)将等效通行能力应用于城市占道施工区交通影响评价方法中,在等效通行能力基础上提出等效饱和度和行程时间可靠性评价指标,并从交叉口、路段、路网3个层面选取具有代表性的评价指标对城市占道施工区产生的交通影响进行综合评价,利用综合评价方法给出了城市占道施工区交通影响评价阈值,然后根据交通影响评价阈值给出了城市占道施工区交通影响范围确定流程。

(2)道路交通参与者对出行质量最直观的感受就是道路服务水平和行程时间的变化,因此通过交叉口平均延误、等效饱和度、行程时间可靠性确定交通影响评价阈值。最终通过实际案例对所提出的城市占道施工交通影响评价方法进行了验证。该方法与已有的交通影响评价方法相比,解决了交通影响评价方法计算难度过大,难以应用于实际的问题,且从不同层面综合量化分析了交通影响评价阈值,克服了已有交通影响评价方法确定评价阈值时考虑层面单一化的缺陷,具有一定的实际意义。