吳月磊 王 紅 李琪霖 查明高 袁 怡 朱順應(yīng)

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司2) 武漢 430056)

0 引 言

改擴(kuò)建時(shí)機(jī)的確定是高速公路改擴(kuò)建工程中的重要決策問(wèn)題．國(guó)外高速公路建設(shè)起步早，標(biāo)準(zhǔn)高，規(guī)劃相對(duì)超前，美國(guó)、加拿大等國(guó)家采取了中央預(yù)留方式，使其在改擴(kuò)建時(shí)道路機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，選取不同的時(shí)機(jī)進(jìn)行改擴(kuò)建影響較?。畤?guó)內(nèi)對(duì)于改擴(kuò)建時(shí)機(jī)的研究方法可分為成本效益法、大型車(chē)占比法和服務(wù)水平法三類(lèi)．成本效益法因效益、成本構(gòu)成復(fù)雜，量化困難，易導(dǎo)致建設(shè)時(shí)機(jī)過(guò)度超前或滯后．大型車(chē)占比法因大型車(chē)對(duì)交通風(fēng)險(xiǎn)影響呈高度非線(xiàn)性、多值性[1]，空間制約性強(qiáng)[2]，時(shí)機(jī)決策不好把握．服務(wù)水平法是國(guó)內(nèi)采用的主流方法，其原理是引入觸發(fā)點(diǎn)機(jī)制，將項(xiàng)目路施工前服務(wù)水平達(dá)到閾值時(shí)的年份作為改擴(kuò)建時(shí)機(jī)，國(guó)內(nèi)學(xué)者以飽和度(V/C值，即流量與通行能力的比值)作為服務(wù)水平劃分的依據(jù)，通過(guò)總結(jié)對(duì)比國(guó)內(nèi)典型高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)確定V/C閾值，將預(yù)測(cè)交通量達(dá)到V/C閾值時(shí)所對(duì)應(yīng)的年份作為改擴(kuò)建時(shí)機(jī)．沈大、京津塘、滬杭甬、滬寧、佛開(kāi)、安新、西潼、西寶八條四改八高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)V/C平均為0.58，最低為沈大高速0.42，最高為佛開(kāi)高速0.79，不同高速公路改擴(kuò)建時(shí)的V/C閾值差距較大．JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》)和JTG/T L11-2014《高速公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《細(xì)則》)規(guī)定高速公路宜在服務(wù)水平下降到三級(jí)下限之前進(jìn)行改擴(kuò)建，《關(guān)于高速公路改擴(kuò)建工程中有關(guān)技術(shù)問(wèn)題處理的若干意見(jiàn)》(交公路發(fā)[2013]634號(hào))(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《意見(jiàn)》)規(guī)定高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)應(yīng)在服務(wù)水平下降到二級(jí)下限(即現(xiàn)行《標(biāo)準(zhǔn)》三級(jí)服務(wù)水平)之前，可見(jiàn)規(guī)范規(guī)定的范圍過(guò)寬，時(shí)機(jī)仍然難以把握．

服務(wù)水平法雖然是目前最常用的決策方法，但仍有以下突出問(wèn)題：①高速公路作為路網(wǎng)中的重要道路，項(xiàng)目路改擴(kuò)建時(shí)期不僅影響自身道路運(yùn)行，也會(huì)影響周?chē)缆愤\(yùn)行；現(xiàn)有服務(wù)水平法只考慮了項(xiàng)目路改擴(kuò)建前的運(yùn)行狀況，忽視了項(xiàng)目路施工期以及路網(wǎng)和駕駛者等其他相關(guān)因素的影響;②現(xiàn)有服務(wù)水平法工作重點(diǎn)往往集中在交通量預(yù)測(cè)，而對(duì)于服務(wù)水平閾值的確定并不統(tǒng)一．

文中提出的基于服務(wù)水平的高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)決策方法，主要是針對(duì)現(xiàn)有服務(wù)水平法考慮因素單一、服務(wù)水平閾值確定不統(tǒng)一的突出問(wèn)題，在現(xiàn)有服務(wù)水平法考慮項(xiàng)目路施工前服務(wù)水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究項(xiàng)目路施工期和受流路服務(wù)水平及其評(píng)價(jià)指標(biāo)和指標(biāo)閾值的確定方法，建立高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)決策模型．并以柳南高速為例進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證本文方法的可行性和有效性．

1 方 法

高速公路改擴(kuò)建工程常采用邊通車(chē)邊施工，施工期還必須保證一定服務(wù)水平的通行條件；改擴(kuò)建高速公路(項(xiàng)目路)由于通行能力下降，常會(huì)向周邊道路(受流路)分流，從而影響受流路服務(wù)水平．因此，在考慮服務(wù)水平對(duì)改擴(kuò)建時(shí)機(jī)的影響時(shí)還要考慮項(xiàng)目路施工期和受流路的服務(wù)水平．通過(guò)分析項(xiàng)目路施工前、項(xiàng)目路施工期、受流路三個(gè)層面的服務(wù)水平對(duì)改擴(kuò)建時(shí)機(jī)的影響選取決策指標(biāo)，確定指標(biāo)閾值，建立高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)決策模型，采用逐年遞推法求出高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)，方法見(jiàn)圖1．

圖1 基于服務(wù)水平的高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)決策方法

1.1 道路服務(wù)水平的影響分析和指標(biāo)選取

1) 項(xiàng)目路施工前服務(wù)水平 項(xiàng)目路施工前服務(wù)水平過(guò)高或過(guò)低都會(huì)帶來(lái)不同的負(fù)面影響．各國(guó)對(duì)服務(wù)水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)不盡相同：美國(guó)采用車(chē)流密度，德國(guó)采用平均速度，國(guó)內(nèi)和日本則采用V/C．這是因?yàn)檐?chē)流密度和平均速度不夠直觀、有效，且數(shù)據(jù)收集復(fù)雜[3]，而V/C是一個(gè)相對(duì)的指標(biāo)，其數(shù)據(jù)搜集簡(jiǎn)單，可以直觀的反映在營(yíng)運(yùn)交通量和設(shè)計(jì)指標(biāo)相同的情況下，地理位置、交通組成不同的高速公路的服務(wù)水平[4]．本文以V/C進(jìn)行項(xiàng)目路施工前服務(wù)水平評(píng)價(jià)．

項(xiàng)目路施工前飽和度計(jì)算.

V/C=VMS/CR

(1)

式中：VMS為實(shí)際道路條件和交通條件單車(chē)道最大服務(wù)交通量，pcu/(h·ln)；CR為實(shí)際道路條件設(shè)計(jì)速度對(duì)應(yīng)的通行能力值，pcu/(h·ln)．

最大服務(wù)交通量計(jì)算：

(2)

式中：VSF為實(shí)際道路和交通條件下，單方向N條車(chē)道的服務(wù)交通量，pcu/h；fHV為大型車(chē)修正系數(shù)；fDC為駕駛員總體特性修正系數(shù)；N為道路單向車(chē)道數(shù)．

實(shí)際單方向一條車(chē)道的服務(wù)交通量計(jì)算.

(3)

式中：DDHV為單方向小時(shí)交通量，pcu/h；PHF15為15 min高峰小時(shí)系數(shù)．

單方向小時(shí)交通量計(jì)算：

DDHV=AADT×K×D

(4)

式中：AADT為年平均日交通量，pcu/d；K為設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)；D為方向不均勻系數(shù)．

實(shí)際道路條件對(duì)理想設(shè)計(jì)速度的修正計(jì)算.

VR=V0+VW+VN

(5)

式中：VR為實(shí)際道路條件下的設(shè)計(jì)速度，km/h；V0為理想條件下的設(shè)計(jì)速度，km/h；VW為車(chē)道寬度和路側(cè)凈空對(duì)設(shè)計(jì)速度的修正值，km/h；VN為車(chē)道數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)速度的修正值，km/h．

2) 項(xiàng)目路施工期服務(wù)水平 高速公路承載的交通量巨大，因此一般在不中斷交通的情況下進(jìn)行施工，同時(shí)為減小交通風(fēng)險(xiǎn)，常設(shè)置最低限速，進(jìn)而導(dǎo)致通行能力降低[5-6]．若不考慮項(xiàng)目路施工期服務(wù)水平，容易導(dǎo)致項(xiàng)目路在施工前服務(wù)水平滿(mǎn)足要求，但在施工期服務(wù)水平嚴(yán)重降低，影響施工進(jìn)度和行車(chē)安全．

選取施工期飽和度對(duì)項(xiàng)目路施工期的服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，在考慮施工區(qū)基準(zhǔn)通行能力的基礎(chǔ)上，還考慮了車(chē)道寬度、交通組成等因素對(duì)施工期道路通行能力的修正[7-8]．

項(xiàng)目路施工期飽和度計(jì)算.

β=Q/C1

(6)

式中：β為項(xiàng)目路施工期飽和度；Q為項(xiàng)目路施工期的實(shí)際交通量，pcu/(h·ln)；C1為項(xiàng)目路施工期實(shí)際通行能力，pcu/(h·ln)．

施工期實(shí)際通行能力計(jì)算：

C1=Cbs×fW×fHV×fDC×fi×fn×fsc

(7)

式中：Cbs為施工區(qū)基準(zhǔn)通行能力，pcu/(h·ln)；fW為車(chē)道寬度及側(cè)向余寬修正系數(shù)；fHV為大型車(chē)修正系數(shù)；fDC為駕駛員對(duì)環(huán)境熟悉程度修正系數(shù)；fi為施工區(qū)施工強(qiáng)度修正系數(shù)；fn為車(chē)道數(shù)修正系數(shù);fsc為限制速度修正系數(shù)．

大型車(chē)修正系數(shù)計(jì)算.

(8)

式中：PHV為大型車(chē)交通量占總交通量的百分比；EHV為大型車(chē)換算成小客車(chē)的車(chē)輛換算系數(shù)．

3) 受流路服務(wù)水平 交通分流時(shí)應(yīng)在合理的繞行距離下選擇受流路，在保證項(xiàng)目路和受流路服務(wù)水平都滿(mǎn)足要求的前提下進(jìn)行交通分流．

繞行系數(shù)表示受流路與項(xiàng)目路長(zhǎng)度的比值．李煉恒等[9]對(duì)駕駛者在高速公路出行距離100 km的情況下可接受的繞行距離進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果顯示當(dāng)繞行距離為30 km時(shí)，81%的駕駛者可以接受．因此，交通分流時(shí)選擇的受流路繞行系數(shù)應(yīng)不超過(guò)1.3．

以交通容差總和作為受流路服務(wù)水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)．交通容差總和計(jì)算.

(9)

1.2 服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值確定

1) 項(xiàng)目路施工前飽和度閾值 通過(guò)對(duì)《標(biāo)準(zhǔn)》《意見(jiàn)》及地方標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研(見(jiàn)表1)：各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)均以V/C作為服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)，規(guī)定的V/C閾值均小于0.75；江蘇省作為經(jīng)濟(jì)實(shí)力相對(duì)較強(qiáng)的地區(qū)，交通量增長(zhǎng)速度快，道路服務(wù)水平要求高，V/C閾值偏小(0.5≤V/C≤0.58)；河南省屬于經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)平均的地區(qū)，交通量增長(zhǎng)較快，但其經(jīng)濟(jì)實(shí)力和交通量增長(zhǎng)速度不如東部經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū)的水平，V/C閾值偏高(V/C≤0.7)．

表1 國(guó)家規(guī)范及地方標(biāo)準(zhǔn)改擴(kuò)建服務(wù)水平閾值

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)典型高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)的調(diào)研(見(jiàn)表2)，國(guó)內(nèi)典型高速公路改擴(kuò)建時(shí)平均V/C為0.69，符合《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定(0.65≤V/C≤0.75)．因此本文的施工前飽和度閾值參照《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行取值，同時(shí)引入保險(xiǎn)系數(shù)fc保證施工前飽和度閾值在一定的波動(dòng)范圍內(nèi)仍滿(mǎn)足《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定．

表2 國(guó)內(nèi)典型高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)

施工前飽和度閾值計(jì)算.

0.65≤α0±fc≤0.75

(10)

式中：α0為項(xiàng)目路施工前飽和度閾值；fc為保險(xiǎn)系數(shù)．

當(dāng)fc取0.05時(shí)，式(10)左右兩邊等號(hào)同時(shí)成立，α0為0.7，因此文中項(xiàng)目路施工前飽和度閾值取0.7．

2) 項(xiàng)目路施工期飽和度閾值 《細(xì)則》規(guī)定維持通車(chē)的施工路段，服務(wù)水平可較正常路段降低一級(jí)，高速公路設(shè)計(jì)服務(wù)水平不低于三級(jí)，因此項(xiàng)目路施工期服務(wù)水平不應(yīng)低于四級(jí)[10]．根據(jù)《細(xì)則》和《高速公路改擴(kuò)建交通組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(待出版)相關(guān)規(guī)定結(jié)合施工區(qū)限速，將四級(jí)服務(wù)水平下限值作為最低限速對(duì)應(yīng)的施工期飽和度閾值，將四級(jí)服務(wù)水平上限作為最高限速對(duì)應(yīng)的施工期飽和度閾值，由于不同項(xiàng)目施工區(qū)限速不同，其余限速采用插值法確定施工期飽和度閾值，具體取值見(jiàn)表3．

表3 項(xiàng)目路施工期飽和度閾值取值

3) 受流路交通容差閾值 不同項(xiàng)目的交通分流方案不同，受流路交通容差閾值的選擇應(yīng)能滿(mǎn)足各種分流方案，當(dāng)以規(guī)定的繞行系數(shù)選擇的受流路交通容差總和大于項(xiàng)目路分流交通量時(shí)，無(wú)論具體分流方案是怎樣執(zhí)行，所有車(chē)輛均可在規(guī)定的繞行系數(shù)下完成交通分流，且保持受流路服務(wù)水平不發(fā)生級(jí)別變化；當(dāng)交通容差總和小于項(xiàng)目路分流交通量時(shí)，超出交通容差總和的交通量涌入受流路時(shí)，會(huì)造成受流路服務(wù)水平級(jí)別降低．因此本文以項(xiàng)目路分流交通量作為受流路交通容差閾值．

1.3 時(shí)機(jī)決策模型建立

根據(jù)以上決策指標(biāo)和相應(yīng)閾值，建立道路服務(wù)水平因素下的高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)決策模型，采用逐年遞推法計(jì)算出各年項(xiàng)目路施工前飽和度、項(xiàng)目路施工期飽和度、受流路交通容差總和，當(dāng)以上指標(biāo)達(dá)到相應(yīng)閾值時(shí)即可確定該指標(biāo)下的改擴(kuò)建啟動(dòng)時(shí)機(jī)ti，由式(11)計(jì)算出符合各指標(biāo)的改擴(kuò)建時(shí)間T，即為改擴(kuò)建最佳時(shí)機(jī)．

改擴(kuò)建時(shí)機(jī)計(jì)算模型：

T=min(t1,t2,t3)

(11)

2 實(shí)例分析

選取柳南高速公路柳州至南寧段進(jìn)行實(shí)例分析．柳州至南寧段全長(zhǎng)212 km，計(jì)劃由雙向四車(chē)道擴(kuò)建為雙向八車(chē)道，設(shè)計(jì)速度120 km/h，以2010年作為預(yù)測(cè)基年，根據(jù)2010—2015年預(yù)測(cè)年平均日交通量，分別計(jì)算各指標(biāo)及相應(yīng)閾值，運(yùn)用本文的時(shí)機(jī)決策模型，計(jì)算高速公路改擴(kuò)建最佳時(shí)機(jī)．

2.1 指標(biāo)計(jì)算

1) 項(xiàng)目路施工前飽和度計(jì)算 根據(jù)柳南高速2010—2015年的路段預(yù)測(cè)年平均日交通量，由式(1)～(5)結(jié)合柳南高速現(xiàn)狀計(jì)算出各年施工前飽和度，見(jiàn)表4．

表4 柳南高速施工前飽和度

2) 項(xiàng)目路施工期飽和度計(jì)算 柳南高速施工期間保持雙向四車(chē)道通行，限速60 km/h，根據(jù)柳南高速2010—2015年的路段預(yù)測(cè)施工期交通量，由式(6)～(8)計(jì)算出各年施工期飽和度，見(jiàn)表5．

表5 柳南高速施工期飽和度

3) 受流路交通容差計(jì)算 通過(guò)對(duì)柳南高速所在路網(wǎng)進(jìn)行綜合分析，柳南高速改擴(kuò)建期間的主要受流路有G209、G322、G324，各受流路繞行系數(shù)及預(yù)測(cè)交通量見(jiàn)表6.各受流路的繞行系數(shù)均小于1.3，可作為受流路．

由式(9)結(jié)合表6計(jì)算受流路交通容差總和，見(jiàn)表7．

表6 受流路繞行系數(shù)及預(yù)測(cè)交通量

表7 受流路交通容差總和

2.2 指標(biāo)閾值確定

柳南高速項(xiàng)目路施工前飽和度閾值α0為0.7；柳南高速施工期限速60 km/h，由表3可得柳南高速施工期飽和度閾值β0取0.9；當(dāng)施工期飽和度大于0.9時(shí)需進(jìn)行交通分流，柳南高速施工期預(yù)測(cè)項(xiàng)目路分流交通量見(jiàn)表8．

表8 預(yù)測(cè)項(xiàng)目路分流交通量

2.3 改擴(kuò)建時(shí)機(jī)計(jì)算

將2010—2015年柳南高速指標(biāo)計(jì)算結(jié)果和選取的相應(yīng)閾值代入式(11)，計(jì)算改擴(kuò)建最佳時(shí)機(jī)，見(jiàn)圖2，柳南高速施工前飽和度逐年上漲，2014年施工前飽和度為0.65，2015年施工前飽和度為0.73，超過(guò)了施工前飽和度閾值0.7，可得t1為2014年；柳南高速施工期飽和度每年均高于施工前飽和度且逐年上漲，2013年施工期飽和度為0.86，2014年施工期飽和度為0.97，超過(guò)了施工期飽和度閾值0.9，可得t2為2013年；柳南高速2010—2013年均能滿(mǎn)足施工期飽和度要求，不需要進(jìn)行交通分流，因此分流交通量為0，受流路交通容差2010—2013年呈下降趨勢(shì)，2013年以后突然增大，這是由于2013年柳州至合浦高速建成通車(chē)，吸引了部分交通量，2015年分流交通量達(dá)到2 504 pcu/h，首次超過(guò)了受流路交通容差總和2 362 pcu/h，可得t3為2014年．

圖2 柳南高速改擴(kuò)建時(shí)機(jī)分析

因此，在2013年進(jìn)行改擴(kuò)建可以滿(mǎn)足各指標(biāo)要求，改擴(kuò)建最佳時(shí)機(jī)T為2013年．

將各指標(biāo)結(jié)果與傳統(tǒng)的服務(wù)水平法結(jié)果相比較，見(jiàn)圖3．傳統(tǒng)服務(wù)水平法計(jì)算的改擴(kuò)建時(shí)機(jī)為2015年，此時(shí)施工前飽和度為0.73，施工期飽和度為1.09，受流路飽和度為1.03且交通容差小于分流交通量，受流路服務(wù)水平級(jí)別會(huì)降級(jí)；本文的服務(wù)水平法時(shí)機(jī)決策模型計(jì)算的改擴(kuò)建時(shí)機(jī)為2013年，此時(shí)施工前飽和度為0.58，施工期飽和度為0.86，受流路飽和度為0.72且不需要進(jìn)行交通分流，受流路服務(wù)水平可以滿(mǎn)足要求，各指標(biāo)飽和度均小于傳統(tǒng)的服務(wù)水平法．因此，文中提出的基于服務(wù)水平的高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)決策方法考慮了項(xiàng)目路施工期和受流路服務(wù)水平的影響，對(duì)于道路系統(tǒng)而言，結(jié)果更優(yōu)．

圖3 本文研究方法與傳統(tǒng)服務(wù)水平法的結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

1) 文中從服務(wù)水平的角度分析了項(xiàng)目路施工前和施工期、施工期受流路及駕駛者對(duì)高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)決策的影響；以項(xiàng)目路施工前飽和度和施工期飽和度以及受流路交通容差總和作為評(píng)判指標(biāo)，針對(duì)不同地區(qū)、不同限速、不同分流方案提出了項(xiàng)目路施工前和施工期、施工期受流路服務(wù)水平指標(biāo)閾值確定方法，建立了道路服務(wù)水平因素下的改擴(kuò)建時(shí)機(jī)決策模型，可更好地適用于不同區(qū)域、不同工況的改擴(kuò)建工程．

2) 基于柳南高速實(shí)例分析表明：改擴(kuò)建最佳時(shí)機(jī)為2013年，與傳統(tǒng)服務(wù)水平法相比，本方法計(jì)算得到的高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目路施工前飽和度下降20.5%、項(xiàng)目路施工期飽和度下降21.1%、受流路飽和度下降30.1%；項(xiàng)目路施工前和施工期以及受流路服務(wù)水平均優(yōu)于傳統(tǒng)服務(wù)水平法．因此，考慮道路服務(wù)水平因素計(jì)算得到的改擴(kuò)建時(shí)機(jī)對(duì)于道路系統(tǒng)更優(yōu)．

3) 文中研究了項(xiàng)目路施工前和施工期、施工期受流路的道路服務(wù)水平因素對(duì)改擴(kuò)建時(shí)機(jī)的影響，但仍存在一些不足，后續(xù)的研究中可進(jìn)一步討論綜合因素下的飽和度閾值的確定方法，提出更全面的高速公路改擴(kuò)建時(shí)機(jī)決策方法．