姜旭東 何超

摘? ? 要：在公路建設(shè)養(yǎng)護工程開始施工之前，有必要進行施工區(qū)布局設(shè)置規(guī)劃，優(yōu)化施工區(qū)布局設(shè)置，以使建設(shè)養(yǎng)護工程費用和用戶延誤費用最小化，同時最大限度地提高公眾和施工工作人員的安全。

關(guān)鍵詞：交通工程;施工區(qū)優(yōu)化布置;建模設(shè)計

1? 引言

一般情況下多車道公路建設(shè)和養(yǎng)護工程施工區(qū)需要封閉一條或者多條車道，道路通行能力減小導(dǎo)致交通擁堵和交通延誤，引發(fā)駕駛?cè)说牟粷M和道路使用者延誤費用增加。施工高峰季節(jié)，公路施工區(qū)死亡和傷害交通事故有增加的趨勢。相關(guān)施工區(qū)事故分析及調(diào)查也顯示施工區(qū)的布局參數(shù)對施工區(qū)安全有顯著影響，如施工作業(yè)區(qū)長度、施工時間、速度限制條件、臨時交通控制（TTC）的類型和分隔路障的類型。因此，在公路建設(shè)養(yǎng)護工程開始施工之前，有必要進行施工區(qū)布局設(shè)置規(guī)劃，優(yōu)化施工區(qū)布局設(shè)置，以使建設(shè)養(yǎng)護工程費用和用戶延誤費用最小化，同時最大限度地提高公眾和施工工作人員的安全。

2? 確定決策變量

2.1? 施工區(qū)段長度

2.2? 施工區(qū)限速條件

第二個決策變量是施工區(qū)限速，施工區(qū)可能限速值為40km/h、60km/h、80km/h和100km/h。前三個值的選擇遵守施工區(qū)通常采用的限速值，而第四個限速值代表施工區(qū)“無速度減少”。施工區(qū)限速對用戶延誤費用和事故費用有著直接的影響，施工區(qū)限速值降低一定程度上會降低施工區(qū)通行能力，導(dǎo)致排隊增加和用戶延誤費用增加;但另一方面，因事故發(fā)生頻率與施工區(qū)限速值有統(tǒng)計相關(guān)性，施工區(qū)限速值降低會使事故費用減少。

2.3? 施工時間

該模型假定維修養(yǎng)護施工可以在一天的任何時候開始，相應(yīng)的施工區(qū)施工開始時間可在1：00～24：00之間任意取值。施工開始時間及施工持續(xù)時間對施工區(qū)建設(shè)養(yǎng)護工程費用、用戶延誤費用和事故費用三個費用指標都有影響。相對于夜間開始施工而言，8：00am開始施工將不需要額外的建設(shè)費用，但是需要在早上交通量比較大的時候施工，這會導(dǎo)致用戶延誤費用的增加。同樣地，事故費用也受施工開始時間的影響，按照問卷結(jié)果，相對于白天日間施工（10am～4pm）而言下午（4pm～8pm）施工將增加施工區(qū)交通事故發(fā)生風(fēng)險。

2.4? ?臨時交通控制類型

第四個決策變量是施工區(qū)采用的臨時交通控制類型。該模型中，考慮兩種類型的TTC：①僅采用常規(guī)的臨時交通控制（TTC）設(shè)備;②同時采用交通巡警和常規(guī)的臨時交通控制（TTC）設(shè)備。研究證實在建設(shè)養(yǎng)護施工區(qū)使用交通巡邏警察對提高駕駛?cè)俗⒁饬褪蛊渥袷厥┕^(qū)法規(guī)很有效，但另一方面，這也會增加施工費用成本，尤其是對長期建設(shè)的施工區(qū)而言更是如此。

2.5? 路障類型

該模型中第五個決策變量是用于分離交通和施工區(qū)域及施工人員的路障的類型。該模型中這個決策變量有兩種備選集：①常規(guī)路障;②臨時混凝土路障。臨時混凝土路障是一套非附屬、預(yù)制、混凝土組件。使用臨時混凝土路障能夠降低事故發(fā)生的風(fēng)險等級，但會導(dǎo)致施工費用成本增加。

3? 目標函數(shù)

該模型的目標函數(shù)為施工區(qū)總費用，總費用包括：（1）建設(shè)養(yǎng)護工程費用;（2）用戶延誤費用;（3）整個項目工程持續(xù)時間內(nèi)的事故費用：

3.1? 建設(shè)養(yǎng)護工程費用

施工區(qū)的建設(shè)養(yǎng)護工程費用在該模型中用公式表示：（1）安裝和拆除費用;（2）單位長度施工區(qū)每車道建設(shè)、養(yǎng)護費用;（3）施工超出正常工作時間（6：00am～4：00pm），的加班費用;（4）在施工期聘請交通警察巡邏的額外費用;（5）使用臨時混凝土路障的額外費用。平均建設(shè)養(yǎng)護工程費用CC可表示為建設(shè)或養(yǎng)護一個長為S的施工區(qū)的費用乘以整個工程中施工區(qū)的數(shù)量：

3.2? 用戶延誤費用

公路建設(shè)施工通常會導(dǎo)致交通擁堵和給公眾出行交通環(huán)境造成危害。由于施工區(qū)通行能力下降，導(dǎo)致出行速度降低和出行時間的增加，交通擁堵對公眾出行產(chǎn)生用戶延誤費用。駕駛?cè)说难诱`費用可能會非常昂貴，并有可能超過有關(guān)部門的養(yǎng)護費用支出。用戶延誤費用組成包括：（1）由于通過施工區(qū)需要減速，車輛通過施工區(qū)的移動延誤費用;（2）到達交通流量Q超過施工區(qū)通行能力Cw時的排隊延誤費用。準確估計移動延誤費用和排隊延誤費用取決于施工區(qū)通行能力Cw的準確性。模型假設(shè)近似自由流速度v比施工區(qū)限速v（決策變量）大8.05km/h;假設(shè)施工作業(yè)區(qū)施工工作人員為4人，施工設(shè)備為2個，施工作業(yè)區(qū)與開放車道之間的距離為1.2m，能夠估算出由施工強度Rwi引起的速度減少為20.63km/h。在這個模型中，施工區(qū)運行速度v簡化成施工區(qū)限速值的函數(shù)見公式（4.3），施工區(qū)通行0能力C簡化成施工區(qū)運行速度v的函數(shù)見公式：

用戶延誤費用以小時動態(tài)地估計每小時費用。如果到達小時交通量Q小于或等于施工區(qū)的通行能力C，即沒有形成排隊，則時間延誤只是由車輛在施工區(qū)緩慢移動引起。假設(shè)平均到達速度為v，每小時移動延誤的計算見公式：

另一方面，如果每小時到達交通量Q大于施工區(qū)的通行能力時，將形成排隊，時間延誤將包含移動延誤和排隊延誤。在這種情況下移動延誤計算為公式，排隊延誤計算為公式如下所示，其中無施工區(qū)的高速公路通行能力C0是一個常數(shù)。

3.3? 施工區(qū)事故費用

現(xiàn)有模型對施工區(qū)事故費用估算方法假設(shè)其與公路路段的事故費用估算標準相類似;因為沒有考慮到與其他的連續(xù)流公路路段相比，施工區(qū)交通環(huán)境更危險和復(fù)雜，該假設(shè)會導(dǎo)致低估施工區(qū)的事故費用成本。為克服現(xiàn)有模型的這一局限性，本文中模型給出了一個新的施工區(qū)事故費用模型，即在第三章中建立了一個新的事故費用模型，確定施工區(qū)布局參數(shù)及臨時交通控制措施類型對施工區(qū)事故費用的影響：

3.4? 優(yōu)化模型總費用

示出建設(shè)、養(yǎng)護施工區(qū)總工程費用，即優(yōu)化模型可表述為：

該模型可動態(tài)地估計整個總施工建設(shè)工期每小時施工區(qū)總費用和累積總費用。

4? 模型實現(xiàn)

在MatlabR2012a中采用遺傳算法（GAs）來實現(xiàn)最優(yōu)化模型。遺傳算法是一種搜索和優(yōu)化工具，具有啟發(fā)式進化機制的強大搜索空間幫助決策者確定問題最優(yōu)解或者近優(yōu)解，GA模型連接到在Microsoft Access 2007中開發(fā)的一個原型數(shù)據(jù)庫，以便于存儲和檢索交通流量和費用修正數(shù)據(jù)。

該模型對輸入數(shù)據(jù)采用不同參數(shù)遺傳算法（如種群大小、變異率、后代數(shù)量）進行分析。不同施工開始時間，運行產(chǎn)生一系列最優(yōu)的施工區(qū)布局設(shè)置，每一個最優(yōu)解都提供一個最優(yōu)施工區(qū)布局設(shè)置和相應(yīng)的最低施工區(qū)總費用。

5? 結(jié)束語

本文為公路建設(shè)工程施工區(qū)布局設(shè)置提出了一種新的優(yōu)化模型，考慮小時交通流量的變化，確定施工區(qū)長度、限速條件、維修養(yǎng)護開始時間、臨時交通控制設(shè)備的類型和路障隔離類型五個決策變量的最優(yōu)解。首先根據(jù)第三章施工區(qū)問卷調(diào)查的結(jié)果并結(jié)合前人的研究結(jié)果從施工區(qū)布局參數(shù)的決策變量備選集中確定出施工作業(yè)區(qū)長度、施工區(qū)限速條件、施工開始時間、TTC類型和路障類型為模型的決策變量;接著以施工區(qū)總費用最小為目標，建立短期和長期公路建設(shè)養(yǎng)護工程施工區(qū)都適用的施工區(qū)布局設(shè)置優(yōu)化模型，來確定最優(yōu)建設(shè)養(yǎng)護施工區(qū)布局設(shè)置，其中施工區(qū)總費用包括建設(shè)養(yǎng)護工程費用、用戶延誤費用和事故費用。

參考文獻：

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[3] 于英，王敏，金明新.高速公路養(yǎng)護施工區(qū)安全特性的研究[J].中外公路，2007，12（6）：186～189.

作者簡介：

姜旭東（1988—）男，中國地質(zhì)大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科學(xué)歷，高級工程師，哈爾濱工程大學(xué)兼職副教授。山東省公共資源交易綜合評標評審專家、山東省政府采購評審專家。研究方向：軌道交通工程、公路交通工程、智能交通工程。