高速公路改扩建施工期交通流特征及仿真平台设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究背景及意义

自“七五”期间建成了以沈大、沪嘉、广佛、西临等高速公路，我国高速公路建设迅猛发展。截至2018年末，中国高速公路总里程已达14.3万公里，居世界第一[1]。

随着社会经济的持续快速发展，不少早期建设的高速公路都走向改扩建，如沈大、广佛、沪宁、京津塘和京港澳等高速公路，大多为四车道。2002年，素有“神州第一路”美誉的沈大高速公路的四车道改八车道改扩建施工（以下简称“四改八”）[2]，拉开了我国大规模高速公路改扩建的序幕，且公路改扩建将成为我国未来很长一段时期道路扩容的一种重要方式。

大部分需要进行改扩建的高速公路交通量巨大且增长迅速，通常是所处交通网的运输线路，其改扩建工程施工将会对沿线路网产生较大的交通分流压力，从而影响沿线的社会和经济发展。因此，在此种情况下，研究“在不中断交通、保障一定通行能力的条件下进行施工”的高速公路改扩建保通方案，是改扩建工程的重点之一。

一般情况下“四改八”改扩建工程采用两车道、四车道保通方案。具体有以下几种方式：

1.半幅封闭施工，半幅双向两车道通行；

2.半幅封闭施工，半幅单向两车道通行；

3.双侧/单侧拼宽施工，双幅双向四车道通行；

4.半幅封闭施工，半幅双向四车道通行；

无论采用何种施工组织方式对原有高速公路进行扩建，必然对原有高速公路交通流产生干扰，从而影响道路的正常行车。其主要表现有：扩建施工时路侧施工对原有道路正常交通流的干扰、路侧净空间和视距不足造成的道路通行能力降低、因施工组织需要造成的车辆频繁改道、分道、并道行驶等。另外，路段内施工作业的工人、机械及隔离设施等对车辆的行驶也有不同程度的干扰。这些影响将会导致项目路道路通行能力、服务水平严重下降，导致其交通安全水平大幅降低。

在本文中，主要针对四车道保通情形下，对高速公路改扩建工程在半幅封闭施工，半幅双向四车道通行路段的交通流特性进行研究。

本文的研究意义主要表现为以下几个方面：一方面结合实地调查改扩建施工期的交通基础数据和交通组织措施现状，以半幅通车半幅封闭施工路段（即单向全封闭施工区）为研究重点，分析“四改八,四保通”改扩建施工期交通流特性和驾驶行为特征，为车速控制和交通组织等交通管理措施提供依据；另一方面，在此基础上，基于改扩建施工期交通运行特征，构建相应的交通流模型，并设计开发交通流仿真平台，为改扩建施工期交通特性分析、交通冲突分析、通行能力及服务水平研究提供参考。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 高速公路改扩建工程现状

欧美发达国家高速公路的建设起步较早，高速公路网络已基本建成。德国于1932年修建了世界上第一条从波恩至科隆的高速公路，是世界上最早修建高速公路的国家，它拥有仅次于中国、美国和加拿大的世界第四长的高速公路网络，其改扩建工程以Kamjenica-Dresden的A4号联邦高速公路为代表。

荷兰至2010年，全国高速公路里程为2335km，到目前为止，荷兰改扩建的高速公路主要有鹿特丹—乌德勒支A2号高速公路，鹿特丹—安特卫普A16号高速公路等。

在亚洲地区，日本高速公路兴建开始于上世纪60年代，相较于西方国家起步较晚，但日本国内高速公路建设发展速度较快，至2015年建成14000km的高速公路。日本高速公路改扩建重要项目是名古屋—神户高速公路改扩建加宽工程。

国内最早改扩建的项目为广佛高速公路，1989年竣工通车，1997年开始扩建，采用双向整体拼接的“四改八”改扩建方案，其改建工程施工期间的交通组织根据周边道路网和交通量情况，用外部分流和内部转换相结合的方式，在交通量较大的路段利用相关平行道路分流部分车型的车辆，在交通量较小的路段车辆采用内部转换的方式[3]。

沈大高速公路于1990年建成通车，全长375km，2002年开始改建，于2002至2004年完成了双向四车道改为双向八车道的整体对称拼接改扩建工程，改建工程施工期间交通组织为：第一年不封闭，车辆正常通行，主要进行路基、桥梁两侧加宽施工；第二年封闭一侧，另一侧正常通行，封闭侧交通量转移到辅道上去；第三年封闭另一侧，其交通量不需转移，在加宽改造完的一侧采取安全措施，实行双向行驶[4]。

沪杭甬高速公路于2000年起分段、分期扩建，基本上采用“四改八”的整体拼接形式；连霍高速公路郑州段[5]、安新高速公路[6]等项目，也都采用整体对称拼接或局部小间距改线建设形式扩建为双向八车道。

沪宁高速公路2003年开始扩建，采用“两侧拼接为主、局部分离”的“四改八”改扩建方案，期间高速公路基本路段和部分互通立交采用半幅通车、半幅施工的保通方案；部分互通立交采用封闭施工但间隔进行，整个交通组织基本上保证了沪宁高速公路施工期间的交通正常运行。

此外，随着我国内陆经济腹地的发展，不少内陆早期建成的高速公路也开始走向改扩建工程，以满足交通量发展的需要，近年来也陆续开始并完成了许多高速公路改扩建工程的建设，如广西省柳南高速公路改扩建工程、南北高速公路改扩建工程等。

已有高速公路改扩建必定是未来十多年新的公路建设热点，因此研究高速公路改扩建交通具有很强的现实意义和理论研究价值，对改扩建期间的交通研究具有重要的意义。

表1 国内部分“四改八”改扩建的高速公路

高速公路施工区由于道路交通条件的变化，路段交通流特征往往与一般正常路段不同。研究高速公路施工区交通流特性，可以为确定施工区合理限速值，施工安全设施布设等提供依据，对有效提高施工期交通运行效率和交通安全水平具有重要意义，从上世纪80年代，发达国家一直都在从事对交通流特性研究，取得了较多的研究成果。随着我国高速公路逐步进入施工维修期，国内学者也初步开展了相关研究工作。

吴彪等[7, 8]（2016）进行了双向四车道高速公路单向行车道封闭和半幅双向通行施工区的车辆速度调查，定量分析了施工区内不同交通控制区域的车速分布形式及其变化规律，结果表明，高速公路施工区路段大型车、小型车速度均服从正态分布。

孙智勇[9]（2015）分析了高速公路养护施工区在不同的施工区交通组织模式下，车辆的运行速度和车头时距特性，施工区不同区段的交通量、运行速度和车头时距的变化，分析有无施工、白天与夜间和施工组织形式等因素对养护施工区运行速度和车头时距的影响。研究结论表明，车速和车头时距受以上因素的影响。

孟祥海等[10-14]（2013）研究了双向四车道高速公路半幅封闭施工区的交通特性与交通冲突特性，应用负指数分布、位移负指数分布、爱尔朗分布以及威布尔分布等对车头时距的分布进行了拟合，结果表明，均可用爱尔朗分布来描述高峰期、平峰期及全天的车头时距。其次调查了单向行车道封闭施工、单向超车道封闭施工、半幅封闭施工、半幅封闭施工过渡区段的施工作业区，对施工区各主要区段的车速，平均车速、85％位车速、各区段间的车速差、大小型车间的车速差，以及各区段相对于现场限速值时的超速比例等车速分布特性进行了分析。

张蕾等[15]（2009）对高速公路改扩建立交作业区的交通特性进行了分析，调查了立交改扩建作业区驾驶人交通特性、道路基本特征、车辆运行特性及交流流特性，为互通立交改扩建作业区施工安全提供了依据。

Kang[16]（2006）等分析高速公路施工区交通流流量、速度和密度的历史数据，对不同时段内的交通特性进行预估，并提出了一种新的可变速度控制方法。

何小洲等[17]（2005）对高速公路养护施工区路段进行了大量交通调查，获得了行车道、超车道和合流车道的车头时距分布，各控制区的地点车速的频率分布和空间分布，车道占有率以及车辆汇入特征，为作业区的交通安全研究和管理提供了一定的依据。

Pouls等[18]（1999）调查了高速公路短时施工区关闭部分车道的路段的车流速度和通行能力，并研究了施工区警察巡逻车对路段交通的影响。结果表明，施工区交通流平均速度下降，施工区警察巡逻车会使车头间距减小。

Pesti等[19]（1999）研究了高速公路施工区采用合流控制措施后的交通流特性，分析自由流和限制流交通流的车道分布，得出部分驾驶员没有遵循合流控制标志，从而使施工区通行效率降低。

Benekohm等[20]（1993）调查了车辆在施工区不同位置的运行速度，随着驾驶员驶入施工区，他们的速度首先降低，然后略微提高，最后在工作区达到最低值。通过之后，速度不断提高，直到车辆离开施工区。

1.2.3 施工期跟驰和换道模型研究

（1）跟驰模型

国内外学者对跟驰模型的研究侧重较多，跟驰模型的建立主要可分为确立模型结构、标定参数和效果验证三个部分。其中，针对高速公路施工路段跟驰模型主要有以下研究。

Fei L等[21]（2016）在分析施工区的交通流特性的基础上，改进了元胞自动机模型，并通过仿真实验证明该模型能够较好的拟合施工区交通流特征。

黄青霞等[22]（2015）以NaSch模型为基础，以高速公路二合一施工区为研究对象，建立了高速公路施工区交通流模型，研究探讨了单个施工区与2个施工区的交通流状况与旅行时间的变化规律以及两封闭路段间距对交通流的特性的影响，结果表明，在间距较小时，车辆频繁换道行为将引起交织冲突的增加，间距较大时，施工区数量的增加不会对交通系统产生额外的影响。

LIANG Guo Hua [23]（2014）等利用改进的施工区元胞自动机模型，采用交通冲突数和车速差指标开展安全评价。

张翛等[24, 25]（2012）通过分析高速公路作业区汇合交通特性，建立了高速公路作业区的宏观动力学交通流模，并用此模型做了汇合交通流的数值模型，进而对高速公路作业区的交通波动做了理论上的分析。数值模拟结果表明，模型可基本反映交通流的物理特性，在描述不均匀密度在车流中的传递,车道数目变化对交通流的影响方面,有一定的优势。

孙智勇等[26]（2012）对驾驶员在施工区的合流行为进行了研究，并据此建立了可接受间隙模型以表征驾驶员的车辆汇入行为。

（2）换道模型

国内外对换道模型的研究最初主要是把跟驰模型用来进行换道，近年来，逐渐拓展到单独的专门的研究。换道建模用以模拟分析换道行为，相较于跟驰行为，换道行为更受制于数据采集，现有的换道模型主要集中于研究高速公路与城市快速的路的换道行为[27]。其中对于高速公路换道建模主要有以下研究。

杨达等[28]（2018）对一般直行高速上的换道决策行为进行研究，提出了基于社会力的驾驶员换道决策行为模型，并通过NGSIM数据对模型进行了标定和验证，具有较高的识别精度。

欧阳男等[29]（2018）开展了不同车流密度的模拟驾驶试验，采集车辆换道位置数据，考虑了车辆运行轨迹和方向盘转角，定义车辆换道位置和换道距离，分析车流密度和驾驶员心率对车辆换道位置和换道距离的影响，构建出基于车流密度和驾驶员心率的车辆换道预测模型，以此预测驾驶人心率与高速公路养护作业区车辆换道的关系。

王忠宇等[30]（2018）通过无人机航拍获取高速公路施工区车辆运行轨迹的数据，研究车辆换道行为特性，并根据行驶轨迹和车道线之间的几何关系等建立了二次回归模型，从而刻画分车道的车辆换道长度与换道起点的关系。

吴江玲[31]（2017）建立了适用于分析高速公路施工区车辆换道行为的换道模型，并将换道意愿模型整合到跟车模型中，用实测数据进行模型标定和验证。

Yang等[32]（1996）提出了高速公路上基于规则的换道模型，此模型对可插间隙进行判定，假设前车和后车的临界间隙成正态对数分布，当目标车道前后车间隙都满足时才能安全换道。

1.2.4 施工期交通仿真研究

柴华等[33]（2019）针对高速公路改扩建存在的既有双车道公路利用形成的双路拱的特殊道路进行安全风险仿真研究，通过车辆模拟仿真对不同路段场景及车辆工况条件下的小客车进行了模拟仿真，为高速公路单幅改扩建提供参考。

杜子君等[34]（2019）基于Vissm微观仿真对单侧拼宽改扩建高速公路中央分隔带开口进行了仿真，分析了改扩建不同中分带开口长度、主线流量及车辆换道点等指标，评价不同的同向开口长度以及流量对行车安全性的影响规律。

Shakouri Mahmoud等[35]（2016）通过驾驶模拟器仿真了不同施工控制区和流量密度对驾驶员的影响，由30名参与者进行了测试，收集驾驶员为完成正常行驶，在因车道封闭通行车道数减少的合流区域变换车道和强制合流时有关行驶时间、车速、换道点等数据。

高松洁等[36]（2015）通过TransModeler仿真软件建立京港澳高速改扩建施工交通仿真模型，分析了改扩建交通组织方案，对交通组织进行优化。

韦勇球等[37]（2012）建立了单向封闭的交通组织仿真模型，通过对比仿真车速值和实际测量值对仿真模型进行了有效性验证，并通过仿真模型为施工区限速标志设置位置提供参考。

Rami Harb[38]（2012）等采用VISSIM仿真软件对高速公路施工作业区3 种合流控制的施工方案进行对比分析，在施工区内大型车比例相同的形况下，其中 1 种施工方案-即半幅拼接半幅分离方案在提升施工区通行能力方面有更好的效果。

Hsin-Yun Lee[39]（2009）应用 VISSIM 仿真软件对高速公路施工作业区的施工安排、施工速度控制方案进行了模拟仿真，并对交通流影响进行量化，得出的结论是，通过合理的控制施工安排、施工速度，可有效降低施工作业对于正常交通流的影响。

Poonam Wiles等[40]（2008）运用 VISSIM 仿真软件对高速公路施工区多种施工方案的交通流运行特性进行对比分析，例如合流控制、改道通行等，通过模拟、检验施工区的交通组织方案，为提升交通运行安全性、车辆通行效率等方面提供参考。

1.3 文献综述

国外对于高速公路改扩建施工区已开展较多的研究，我国高速公路施工区已逐渐受到关注，但对于高速公路改扩建交通流研究仍有待补充，主要包括以下三点：

（一）目前施工区研究主要集中在日常养护施工，而针对高速公路改扩建的研究又集中在交通组织和管理措施等宏观分析方面，涉及改扩建施工区交通流特征和交通流模型研究较少。

（二）现有的交通流仿真主要基于正常的驾驶行为，考虑施工区驾驶行为的交通仿真研究较少。

（三）针对于高速公路改扩建交通流的研究，所涵盖的施工区类型较少，且主要研究不同施工区段的交通流特性，缺少对不同的施工区横断面组成、路侧特征、施工、道路环境差异对交通流的影响研究。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究内容

本文的研究内容包括以下几个方面：

（1）高速公路改扩建施工期交通流及驾驶行为特征研究

3. 研究计划与安排

3月15号前，完成毕业设计选题调整和课程补退选任务

3月25号前，查阅相关文献资料，明确研究课题内容，了解相关课题的国内外最新研究进展；结合实验室现有研究进展以及实验室设备条件，设计毕设方案，完成开题报告和外文翻译，并及时上传。

3月25号—4月15号：开展课题设计。根据设计方案，对施工路段及该路段的交通情况进行调查。完成调查后，通过获取的交通流数据对交通流特性和交通运行状态进行分析。。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 中华人民共和国中央人民政府. 高速铁路高速公路里程世界第一中国交通70年大幅跃升[r]., 2019.

[2] 曲向进. 沈大高速公路改扩建工程技术方案[z]. 中国公路学会, 2003.

[3] 李岚，陈德华. 广佛、佛开高速公路改扩建工程交通组织方案研究[j]. 青海交通科技. 2006(03): 62-63.