借用對向車道通行的高速公路施工控制區 梯級限速研究

呂路 丁天 郭忠印 侯福金

摘要：【目的】為使車輛平穩快速地通過借用對向車道通行的高速公路施工控制區，對施工控制區梯級限速方案進行了研究?！痉椒ā渴紫?，采集并分析不同施工控制區斷面交通流速和車頭時距變化；其次，根據車輛軌跡特征計算末級限速值，基于車輛減速運動特征和駕駛人注視特點制定施工控制區梯級限速方案；最后，構建駕駛模擬實驗場景，通過安全與效率協調優化的評價指標對所建立的限速方案進行評價?！窘Y果】結果表明：中分帶開口區平均車速和車頭時距最小。當中分帶開口長度為70 m的兩車道時，形成以40 km/h為最終限速值、以20 km/h為降速幅值、以過渡區起點上游50 m為最終限速標志位置的變間距高速公路施工控制區限速系統?！窘Y論】駕駛模擬實驗表明，同《公路養護安全作業規程》（JTG H30—2015）中的兩級限速方案相比，所建立的梯級限速方案可使施工控制區綜合效率指數提高9.15%，綜合安全指數提高27.62%。

關鍵詞：高速公路施工控制區；借用對向車道通行；交通特性；安全與效率；限速

中圖分類號：U491.4 文獻標志碼：A

本文引用格式：呂路，丁天，郭忠印，等. 借用對向車道通行的高速公路施工控制區梯級限速研究[J]. 華東交通大學學報，2024，41（1）：1-10.

Study on Graded Speed Limit in Work Zone Crossovers for Expressway Construction

Lyu Lu1， Ding Tian2， Guo Zhongyin1， Hou Fujin3

（1. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China;

2. College of Railway Transportation， Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China;

3. Shandong Hi-Speed Construction Management Group Co.， Ltd.， Jinan 250014， China）

Abstract： 【Objective】To ensure the vehicles through the work zone crossovers for expressway construction smooth and fast， a graded speed limit plan for the traffic control zone was studied. 【Method】Firstly， collect and analyze the traffic flow velocity and time headway in different traffic control zones. Secondly， according to the vehicle trajectory to calculate the value of the last speed limit sign， and a graded speed limit plan for the traffic control zone was formulated based on vehicle deceleration and driver gaze. Finally， the graded speed limit plan was evaluated by safety and efficiency indictors through driving simulator. 【Result】The results show that the average speed and the time headway in work zone crossovers are the smallest. When the median width is 70 m， the final speed limit value should be 40 km/h， forming a graded speed limit system in expressway construction with a deceleration amplitude of 20 km/h and a final speed limit sign positioned in 50 m before the upstream of the transition area. 【Conclusion】The driving simulation test shows that compared with the two-level speed limit scheme in JTG H30—2015， the comprehensive efficiency index of the traffic control zone under established scheme has increased by 9.15%， and the extensive safety index has increased by 27.62%.

Key words： expressway construction; work zone crossover; traffic characteristics; traffic safety and efficiency; speed limit

Citation format：LYU L， DING T， GUO Z Y， et al. Study on graded speed limit in work zone crossovers for expressway construction[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（1）： 1-10.

【研究意義】借用對向車道通行是高速公路保通施工的一種交通組織方式[1]，為了保障施工期間的路網通行安全與效率，需要設置由警告、上游過渡、緩沖、轉序、工作、下游過渡和終止等交通管控區組成的施工控制區[2-3]。頻繁的交通環境過渡導致施工控制區交通流異質性增加，車速離散性變大，存在交通安全隱患。設置合理的施工控制區限速方案，對維持施工路段的交通運行秩序、保障車輛通行安全具有重要意義[4]。

【研究進展】研究發現，不同交通管控區的交通流運行參數和風險特征不同。在上游過渡區，開放車道與封閉車道上游的車輛合流，導致此區域側面碰撞事故高發；在工作區，車輛以跟馳行駛為主，引發此區域追尾事故的風險增加；在中分帶開口區，車輛為了駛入目標車道需要在短時間和短距離內連續轉向，此區域危險駕駛行為集中[5]?，F行《公路養護安全作業規程》（JTG H30—2015）中的兩級限速方案，不能滿足借用對向車道通行時車輛通行環境平穩過渡的應用需要[6]，不利于保障行車安全。

現有研究中的限速方案主要包括區間限速[7-9]和梯級限速[10-11]兩種。根據各施工控制區車速分布特征，建立以車速統計指標為影響因素的區間限速方案，具有簡便易行的特點，但也存在不能使車輛運行速度平穩變化的問題[12]。作業區梯級限速具有使車輛平穩通過交通環境劇烈變化路段的優勢，但在計算最終限速值、各級限速值、末級限速標志位置時[13]，應符合施工控制區的交通流特征，當前對此類問題的研究較少。

【創新特色】本文基于實地調查，分析了工作區上下游不同斷面的交通流參數，建立了符合施工控制區交通流變化特征的梯級限速方案?！娟P鍵問題】通過對車輛減速運動特征和駕駛員注視特點的分析，確定了施工控制區最終限速值、逐級限速的限速標志間隔和降速幅值，基于駕駛模擬實驗驗證了限速方案的有效性。

1 數據來源與分析

1.1 數據來源

S29濱萊高速淄博樞紐至萊蕪樞紐段改擴建工程將原雙向四車道高速公路改擴建為雙向八車道，項目全長72.678 km。原路基寬度為26 m，中間帶寬度為3.5 m，改擴建后路基寬度為42 m，中間帶寬度為4.5 m。在S29濱州方向K83+350至K82+350之間，采用半幅封閉施工半幅通車的交通組織方式，中央分隔帶開口長度為70 m，導行區共設置兩條行車道，施工區限速60 km/h。

分別在施工控制區中的警告區、縱向緩沖區、中分帶開口區、施工作業區、終止區中的最外側車道設置交通調查斷面，通過Metro Count 5600氣壓管式車輛分型統計系統采集車型、車輛速度、車輛通過調查斷面的時間等信息，由此得到逐車車速、車頭時距等交通流數據，所獲得的不同施工控制區車輛數，如表1所示。

1.2 斷面交通流運行特征分析

由于警告區、縱向緩沖區、工作區等交通管控區車輛通行環境不同，導致該路段交通流參數也不相同。統計不同斷面車輛運行速度、車頭時距分布，繪制斷面交通流速箱線圖和車頭時距累積頻率曲線圖，結果如圖1所示。圖中顯示，車輛在通過施工控制區時，交通流平均流速先降低再增加，中分帶開口區內斷面交通流速平均值小于60 km/h。各調查斷面50%以上的車頭時距集中在10 s以內，中分帶開口區內車頭時距各分位值最小。

平均交通流速越小，道路通行效率越低；車頭時距分位值越小，引發追尾事故的行車風險越大。由此可見，在不同施工控制區，中分帶開口區內的行車安全水平和路段通行效率最低，且車輛由限制速度為120 km/h的自由行駛區行駛至中分帶開口區時，降速幅值較大。因此，應以中分帶開口區所允許的車輛通行速度作為施工控制區最終限速值，并制定能使車輛平穩運行的施工控制區限速方案。

在高速公路施工控制區，行車空間壓縮，大、小型車混行，分車型限速已經不能滿足實際需要，應對施工控制區車輛進行統一限速。根據施工控制區內交通流運行特征，采用梯級限速的施工控制區限速方案，保障車輛平穩運行。車輛駛入對向車道后，受對向車道來車和交通安全設施影響，仍存在較大的行車風險，應根據施工作業區長度，重復設置限速標志，與中分帶開口區之前的梯級限速方案，共同構成借用對向車道通行的高速公路施工控制區限速系統。

2 高速公路施工控制區限速方案

2.1 施工控制區最終限速值計算

采用無人機懸停拍攝中分帶開口區，基于圖像處理技術得到車輛運行軌跡數據。車輛運行軌跡帶在中分帶開口區內的分布，如圖2所示。

圖2顯示，車輛在中分帶開口區內的運行軌跡帶可近似為[S]形。選擇兩條反向相接的圓曲線進行軌跡擬合，得到車輛轉向半徑[R]與中分帶開口長度[L]、中間帶寬度[Wc]、導行區寬度[Wn]的關系[14]，如

根據車輛轉向時的受力狀態以及各種力的幾何關系，推導出車輛速度與圓曲線半徑、橫向力系數、道路橫坡坡度的關系，結果如

式中：[V]為車輛速度，km/h；[μ]為橫向力系數；[i]為路拱橫坡；[R]為圓曲線半徑，m；調查路段中間帶寬度[Wc]為4.5 m，導行區共設置兩條行車道，即[Wn]為7.5 m；駛入對向車道過程中路拱橫坡[i]為2%。根據《公路工程技術標準》（JTG B01—2014），高速公路設計速度越高，設計用的橫向力系數越小。由圓曲線最小半徑計算結果，不同開口長度下的設計橫向力系數在（0.12～0.16）之間取值。綜合式（1）和式（2），得到不同中央分隔帶開口長度與車輛速度之間的關系，結果如表2所示。

由表2可知，當中央分隔帶開口長度為70 m時，計算得到車輛速度為46.21 km/h。為了保障車輛通行安全，按照《公路限速標志設計規范》（JTG/T 338102—2020）高速公路限速值應為10 km/h的整數倍的規定，得到施工控制區最終限速值應為40 km/h。

2.2 梯級限速標志設置方案

2.2.1 限速標志視認及車輛減速過程

道路交通標志的可視認性受光照環境影響較大。前文施工控制區交通調查均在光照良好的條件下進行，為了減少理論分析與現場調查變量差異對施工控制區交通運行狀態產生的影響，以下所進行的施工控制區限速標志設置方案研究，均以光照充足為前提條件。駕駛員操縱車輛通過限速區的過程，可分為對限速標志的視認和操縱車輛減速兩個相互依存的事件，具體過程如圖3所示。

由圖3可知，車輛通過限速標志影響區的關鍵節點包括：當車輛行駛至A點時，駕駛員發現位于D點的限速標志并開始視認，直至C點視認完成。在標志視認過程中，駕駛員在B點采取制動減速措施。隨著車輛的行駛，標志在E點從駕駛員的視野中消失，車速在[D]處降至限定值以下。圖3中，[LAB]為駕駛員的制動反應距離，m；[LBD]是車輛的制動行駛距離，m；兩者共同構成車輛的制動減速過程。

駕駛員的視野在車輛運動過程中發生變化，[LAE]為從駕駛員發現限速標志起至限速標志在視野內消失的距離，m；[LED]為標志從視野內消失至實際標志設置點之間的距離，m。同時，為確保車輛在某個特定位置將車速控制在限定值以下，應將限速標志前移，標志前移距離為[LDD]，m。標志可供視認的距離，標志消失距離和標志前移距離三者共同構成駕駛員對限速標志的視認過程。

[LAD]為駕駛員對限速標志的初始視覺識別距離，m。為了確保駕駛員能夠在特定位置將車速控制在限定值以下，車輛制動減速距離應小于駕駛員對限速標志的初始視覺識別距離。即

根據車輛通過限速標志時的運動狀態，建立制動反應距離、制動行駛距離、標志閱讀距離以及標志視認距離與車輛速度、位置、駕駛員制動反應時間和標志視認時間之間的關系模型，即可推導各級限速標志的限定值。

在進行限速標志間隔計算時，假設第i與第i+1個限速標志之間的距離為[li]，車輛需要在G點將車速控制至在第i個限速標志的限定值以下，則兩個限速標志之間的距離計算方法如

式中：[Hi]為第i個限速標志的前移距離[LDD]；[Ji+1]為第i+1個限速標志的初始視覺識別距離[LAD]。第i與第i+1個限速標志之間的距離計算圖解，如圖4所示。

2.2.2 梯級限速標志限速值及標志間隔

通過計算式（3）和式（4）中與距離有關的變量，可確定梯級限速標志設置方案中各級限速標志限速值和標志設置位置。假設車輛初始速度為[Vi-1]，制動末速度為[Vi]；制動反應時間為[t1]，此處取2 s；制動減速度為[g f]，g為重力加速度。車輛行駛速度V不同，其與路面之間的摩擦系數[f]不同，導致[g f]也不同。V，f兩者之間的關系，見表3。車輛在制動減速過程中的行駛距離計算方法如

駕駛員對限速標志的視認過程中，標志視認與標志消失過程的圖解，如圖5所示。圖中[LCD]指標志視認完成點C至標志所在平面的縱向距離；[LED]指標志消失點E至標志所在平面的縱向距離。以駕駛員為中心，當駕駛員視野寬度為[α]時，標志視認完成點C、標志消失點E至限速標志所在平面的縱向距離分別為[LCD]和[LED]；駕駛員正前方視線與標志所在平面的交點為D，點D至限速標志中心H和標志下邊緣點K的距離分別為[LDH]和[LDK]；標志視認完成點C、標志消失點E至限速標志中心H和限速標志下邊緣點K的距離分別為[LCH]和[LEK]，其中[△CDH]和[△EDK]為兩個相似的直角三角形；[∠HCD]和[∠KED]均為駕駛員視野寬度α的一半。

標志的初始視覺識別距離[LAD]，可通過標志閱讀距離[LAC]和標志視認距離[LCD]進行求解，計算方法如

駕駛員對標志的視認時間主要受光照強度、車輛速度、標志顏色影響，當車輛速度大于40 km/h，標志顏色為白-紅-黑，光照強度大于500 lx時（即光照良好的白天駕駛工況），駕駛員的視認時間約為1.4～3.1 s[15]。為了保障車輛通行安全，

式（6）中的標志視認時間[t2]取駕駛員對標志視認時間的下限值，即3.1 s。在標志視認完成點，I為駕駛員視線高度與限速標志中心之間的垂直距離，S為駕駛員與限速標志中心之間的橫向距離，α為駕駛員視野寬度（與車速有關，取值方法如表3所示[12]）；[h1]為限速標志支柱高度，取2.5 m；R為交通標志半徑，取0.6 m；[h2]為小客車駕駛員的視線高度，取1.2 m；W為車道寬度，取3.75 m；m為交通標志外邊緣與車道邊線之間的距離，取4.0 m（限速標志設于路側凈區，標志內邊緣距土路肩0.25 m，硬路肩寬為3.0 m，土路肩寬度為0.75 m）。受駕駛員視野變化影響，在最外側車道行駛車輛的標志視認距離小于內側車道。為了確保施工區通行安全，以在最外側車道行駛車輛的標志視認和制動減速過程為依據，進行標志間隔計算。

將式（5）和式（6）代入式（3）中，得到各級限速標志限速值的計算方法，結果如

為了確保駕駛員在標志消失之前能夠觀察到限速標志，則[LAE=LAB+LBD-LED-LDD≥0]，標志前置距離[LDD≤LAB+LBD-LED]。此處的[LBD]應與式（5）中的[LBD]含義相同，均為車輛制動行駛距離，標志前移距離[LDD]的計算方法如

標志消失距離[LED]的計算方法如

在標志消失點，[M]為駕駛員視線高度與限速標志下邊緣之間的垂直距離。根據式（4），則限速標志間隔[li=Hi+Ji+1=LAB+LBD-LED+LAC+LCD]。依次代入各變量值，結果如

2.3 施工控制區梯級限速方案

在設計速度為120 km/h，作業區長度為1 km，最終限速值為40 km/h的高速公路施工控制區，按照式（7）計算得到第1個限速標志的限速值[V1]為95.612 km/h，由于公路限速值應為10的整數倍，此處限速值取100 km/h。按照式（10），分別計算得到第1和第2個限速標志的間隔[l1]為189 m，最終限速標志前置距離[lend]為50 m。具體計算過程，如表4所示。

按照表4的計算思路，同理可得，第2個限速標志的限速值[V2]為79.112 km/h，第3個限速標志的限速值[V3]為59.622 km/h，第4個限速標志的限速值[V4]為38.166 km/h，約等于施工控制區最終限速值，所以應建立以100 km/h為初始限速值，以20 km/h為降速幅值的施工控制區四級限速方案。其中，第2和第3個限速標志的間隔[l2]為149 m，第3和第4個限速標志的間隔[l3]為109 m。車輛駛入對向車道后，車速已經得到有效控制，此時限速標志間隔應不小于200 m，本研究按照500 m設置重復提示限速標志。

值得注意的是，雖然中分帶開口區是施工控制區中安全與效率最低的區域，但為了保障封閉車道上游車輛順利駛入開放車道，本研究將梯級限速的末級限速標志設置在上游過渡區起點之前。由此形成在施工控制區中的警告區內設置梯級限速標志，在對向車道設置重復提示限速標志的施工控制區限速方案，結果如圖6所示。

3 效果評價

3.1 駕駛模擬實驗

3.1.1 實驗場景設計

基于ScaNer Studio駕駛模擬實驗平臺進行仿真實驗，分別按照圖6和圖7的方法進行施工區交通組織。從施工警告標志起點至解除限速標志之間的路段長度為3.38 km，路基寬度為42 m，車道寬度為3.75 m，中間帶寬度為4.5 m，路拱橫坡坡度為2%。為了避免平縱曲線變化對實驗結果產生影響，所有實驗場景均設置在縱坡為零的直線段。實驗時，實驗車輛先通過3 km長的預實驗路，再通過按圖6設置的施工區交通組織場景，最后通過3 km長的自由行駛區，連接圖7設置的施工區交通組織場景，整個實驗路段長度為13.5 km。

選擇小客車作為實驗車輛。公開招募30名駕駛員進行駕駛模擬實驗，其中男性駕駛員22人，女性駕駛員8人。駕駛員年齡為23～30歲（平均值24.4，標準差1.82）；駕齡為0.5～6 a（平均值3.3，標準差1.46）。實驗時要求駕駛員按照平時的駕駛習慣操縱駕駛模擬器。

采集車輛位置、速度、加速度，方向盤轉角速率等信號，采樣頻率為50 Hz?；隈{駛負荷的道路通行安全舒適性評價結果表明，駕駛負荷提前于道路線形變化；根據車輛運行時駕駛員的視覺需求，確定車輛行駛前方100～250 m有效注視范圍為前方線形對車速的影響范圍，確定后方200 m加減速長度范圍為后方線形對車速的影響范圍[16]。根據仿真實驗中施工區布置方式，選擇施工警告區上游200 m至終止區下游100 m之間的路段作為實驗數據分析范圍。

3.1.2 實驗結果分析

安全與效率是評價交通系統運行狀態的兩個主要指標。斷面交通流速越大，代表交通系統運行效率越高。當前方道路通行環境變差時，駕駛員通過降低車速來保障行駛安全；當前方道路通行環境變好時，駕駛員通過操縱加速踏板加速來滿足期望車速，因此，加速度的變化可反應交通系統的運行風險。根據上述分析，選擇平均速度和平均加速度表征交通系統的運行狀態。繪制交通流參數在不同場景中沿道路縱向的變化，結果如圖8所示。

由圖8（a）平均流速沿道路縱向的變化可以發現，規范方案中警告區內交通流速出現兩次急劇的下降，這主要是因為駕駛員觀察到車行前方兩處限速標志而緊急制動造成的。在中分帶開口區上下游路段，交通流速經歷了先下降再增加的變化過程。而本研究方案在施工警告區中的交通流速下降點滯后于規范方案，且呈現出長距離的均勻下降狀態。在中分帶開口區之前，交通流速維持在限速值附近波動，并在駛入對向車道后出現回升。綜合來看，本研究方案下的施工區交通流速平均值大于規范方案。

由圖8（b）平均加速度沿道路縱向的變化可以發現，相較于規范方案中加速度在限速標志前、中分帶開口區內的急劇變化過程，本研究方案下的加速度變化幅度較小，表明駕駛員可以更從容應對車輛通行環境變化，也說明了本研究方案下的行車風險更小。

3.2 優化效果評價

3.2.1 評價方法

為了驗證本研究所建立的施工控制區梯級限速方案實施效果，采用安全與效率協調優化的交通評價指標對不同限速方案下的交通系統運行狀態進行量化分析。當第[i]種限速方案下的系統綜合安全指數[fSi]和綜合效率指數[fEi]與理想點[PA，PB]之間的歐氏距離[O]越小，表明此限速方案越優。具體評價方法如

式中：理想點[PA=fminS]，[PB=fminE]。

1） 系統綜合安全指數。選擇單位時間內，通過實驗路段的所有車輛的制動減速度超出臨界值的累積行駛距離，表征系統的運行安全水平，計算方法如

式中：[q]為交通量，pcu；[lj]指在實驗數據分析范圍內，第[j]輛車的制動減速度小于臨界值的累積行駛距離，km；[l]指實驗數據分析范圍；[ac]為制動減速度臨界值，[aj]為加速度的計算值，m/s2。

全部試驗道路全部被試數據的減速度第85%分位值，可用于運行速度模型中減速度值的標定，進而計算車輛駛入平曲線時的運行速度變化[17]。在進行減速度取值時，一方面可建立減速度與公路幾何參數之間的關系；另一方面可指定一個區間或一個恒定值，例如-0.85 m/s2或-1 m/s2。在施工區限速標志前，如果沒有嚴格的限速監督措施，駕駛員更多憑借自身駕駛經驗操縱車輛，此種情況類似于車輛在復雜線形公路上的行駛工況。因此，將車輛制動減速度的臨界值設為-1 m/s2，用于表征車輛在特定駕駛環境中的行駛工況。

2） 系統綜合效率指數。以單位時間內通過實驗路段的車輛總消耗時間表征系統的運行效率，計算方法如

式中：[Tj]為第[j]輛車的路段平均行程時間，h；[vj]為第[j]輛車在實驗路段內的平均行程車速，km/h。

3） 指標歸一化。為了建立安全與效率協調優化的交通評價指標，分別對綜合安全指數[fSi]和綜合效率指數[fEi]進行歸一化處理，計算方法如

式中：[x]為各指標無量綱處理后的值；[x]為待進行無量綱處理的值；[m]為待進行無量綱處理的最小元素值；[M]為待進行無量綱處理的最大元素值。

3.2.2 評價結果

根據駕駛模擬實驗結果，當實驗樣本量[q]等于30時，采用本研究方法所建立的施工控制區限速方案，所有實驗車輛制動減速度小于臨界值的平均行使距離[lj]=73.43 m，所有實驗車輛的平均行程車速[vj]=68.80 km/h，所有實驗車車輛的平均行程時間[Tj]=193.6 s。采用規范方法建立的施工控制區限速方案，[lj]=101.45 m，[vj]=62.18 km/h，[Tj]=213.1 s。將此計算結果分別代入式（12）和式（13），得到本研究方案下的施工控制區綜合安全指數[fS]=2.203，綜合效率指數[fE]=1.613；規范方案下的施工控制區綜合安全指數[fS]=3.044，綜合效率指數[fE]=1.776。計算結果表明，與規范方案相比，本研究方案下的施工控制區綜合安全指數提高了27.62%，綜合效率指數提高了9.15%。將各指標值進行歸一化后代入式（11），結果表明本研究方案下的目標函數值更小，說明依據本研究所建立的施工控制區限速方案更優。

4 結論

1） 中分帶開口區平均交通流速最小、平均車頭時距最短，是施工控制區中通行安全與通行效率最低的區域。

2） 在設計速度為120 km/h、借用對向車道通行的高速公路施工控制區路段，當中央分隔帶開口長度為70 m、導行區共設置兩條行車道時，應采用以40 km/h為最終限速值、以20 km/h為降速幅值、以50 m為末級限速標志前置距離的變間距高速公路施工控制區四級限速方案。

3） 采用安全與效率協調優化的交通評價指標，駕駛模擬實驗結果表明，同《公路養護安全作業規程》（JTG H30—2015）中的施工控制區限速方案相比，本研究方案下的施工控制區綜合安全指數提高了27.62%，綜合效率指數提高了9.15%。

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通信作者：呂路（1991—），男，博士研究生，研究方向為道路安全與環境。E-mail：lvlu0426@#edu.cn。