0 引言

公路养护作业控制区目前应该以警告区、上游过渡区、纵向缓冲区、工作区、下游过渡区和终止区依次进行布置。高速公路养护作业的上游过渡区由于封闭行车道作业导致车辆合流行为的发生，导致交通流的状态发生改变。处于封闭车道(以下简称“汇入车道”)的车流需在作业区的上游过渡区内部或提前汇入非封闭车道(以下简称“主车道”)，由于车辆的合流行为往往会引起交通流紊乱和延误增加，从而形成高速公路的瓶颈路段。

目前在路段空间安全性研究方面，多集中在互通交通交织区。刁天逸^[1]针对互通立交交织区安全性空间分布展开研究，基于Vissim仿真分析软件并选取标准差系数表征交织区内部及上下游各断面的交通安全状态。迟佳欣等^[2]以冲突概率及变道风险为评价指标对交织区行驶区域进行了安全分析，结果表明交织区内部空间存在明显的安全区分，且在相邻集散的主线车道危险程度相对于其他车道更为集中。在施工作业区不同区段的安全性分析方面，Umar等^[3]通过分析风险成因，进行风险等级的划分，将区域内所有风险等级之和作为风险集中度指标，结果表明在施工作业中上游过渡区的风险集中程度最高，其次为工作区。Mokhtarimousavi等^[4]通过分析佛罗里达州高速公路作业区的道路交通事故分布，并使用分类层次分析方法研究了影响工作区碰撞严重程度的因素，结合混合logit建模框架，发现工作区的起终位置与交通事故的严重程度之间呈正相关。Zhang等^[5-7]利用多种分析模型研究了不同交通流条件下对于高速公路工作区风险的影响程度，并进行了风险评估。

在上游过渡区安全性分析方面，主要集中于上游过渡区优化长度设计研究。孙智勇等^[8]利用间隙接受理论和微分法建立了车辆汇入模型，用以优化计算高速公路上游过渡区的长度。杨友森^[9]基于Vissim仿真模型和SSAM模型提出交通冲突数和安全评价指标，由此确定了警告区和上游过渡区最佳长度。刘学强等^[10]利用可接受间隙理论建立了改扩建期间高速公路上游过渡区长度设置模型，求得了不同施工方案下推荐的上游过渡区长度。王雄等^[11]借助仿真分析方式对作业区上游过渡区的行车因素进行分析，发现过渡段长度和交通量对作业区行车风险的影响最大，但未考虑车型比例的影响。高建平等^[12]通过实车试验分析了驾驶员在上游过渡区获取道路信息的主要区域，结果表明前方视野和左、右两侧远处注视概率占比70%，为获取道路信息的主要区域。Xing等^[13]通过对于日本高速公路作业区瓶颈通行能力与交通安全的分析，发现工作区的容量随着上游过渡区和工作区长度而减小，同时70%的工作区交通事故发生在其交通拥堵区段。Weng等^[14]通过调查驾驶员在上游过渡区汇入车道进行并道操作的驾驶行为，发现如果相邻汇入车道的主车道前方车辆是重型车辆，则随着时间增加，汇入车道的车辆选择“完成合流操作”的意愿会降低。

综上所述，目前对于养护作业区的上游过渡区的研究多集中区段长度的优化，缺乏对该区段的空间安全性分析开展深入研究，本研究选取空间安全性评价指标并形成综合评价指标，对于不同运行速度和混合交通流条件下的上游过渡区空间安全性开展分析。

1 风险评价指标

对于行车风险衡量的评价指标应具有“客观性、全面性、实用性”原则。在上游过渡区内部，交通流变化会导致其换道位置具有随机性，车辆的换道位置和时间难以确定，应用Vissim仿真软件不能通过设置数据采集断面研究换道行为的分布情况，故该类型参数不能作为内部风险点的表征指标。因此本研究选取检测效率和准确性较高的速度和加速度相关指标进行分析。

(1) 速度标准差

速度标准差可体现车辆变换车道及超车过程中的交通流变化规律。车速标准差又称为绝对车速离散度，其反映的是交通流通过该断面时车辆速度的离散程度。正常情况下，车速标准差越大，对应其交通流运行越紊乱，安全性越低^[15]。其数值计算式为：

(1)

式中，V_σ为速度标准差；n为通过数据采集点的车辆数；V_i为通过数据采集点位置处第i辆车的瞬时速度。

(2) 客货车速差

客货车速差表示在某时段内，通过数据采集断面的货车平均车速和客车平均车速差值的绝对值。客货车速差大小体现出不同车型之间车辆速度的离散性，该值越大，反映出不同车型下对于该路段采取的驾驶行为差异性越大，其行车风险也随着提高。其计算公式为：

(2)

式中，Δ_V为客货车速差；n为通过数据采集断面的货车车辆数；V_Ti为通m为通过数据采集断面的客车车辆数；过数据采集断面时，第i辆货车的瞬时速度；V_Bj为通过数据采集断面时，第j辆客车的瞬时速度。

(3) 向后的加速度均值

交通心理工程学研究了驾驶员对于向后加速度产生的生理心理效应，以及驾驶员在向后加速度作用下的忍受时间。伴随着向后加速度的增加，驾驶员的身体反应也就越显著，对车辆的控制能力降低，行车风险就越高^[16]。其计算公式为：

(3)

式中，a_B为向后的加速度均值；n为通过数据采集断面加速度方向与车辆行驶方向相反的车辆数；a_i为通过数据采集断面加速度方向与车辆行驶方向相反的各车辆加速度值。

2 仿真试验设计 2.1 建模软件分析

Vissim是一种微观的、基于时间间隔和驾驶行为的交通仿真分析软件。Vissim仿真分析软件内部组成部分为：交通仿真器和信号状态产生器，它们之间通过接口交换检测器数据和信号状态信息。交通仿真器是一个微观交通仿真模型，它包括跟车模型和车道变换模型。信号状态产生器是一个信号控制软件，可通过程序实现交通流的控制逻辑，同时可在软件中输出多种记录和评价文件^[17]。

在仿真试验模型设计中，Vissim采用的核心模型是Wiedemann于1974年建立的生理-心理驾驶行为模型。该模型的基本思路是: 当后车驾驶员认为他与前车之间的距离小于其心理(安全)距离时，采取减速措施，并在一段时间内保持低于前车车速的行驶状态，直至前后两车之间达到另一个“安全距离”时，后车驾驶员才开始缓慢加速，如此周而复始，形成一个加、减速的迭代过程。

2.2 试验参数选取

根据《公路养护安全作业规程》(JTG H30—2015)(以下简称《规程15》)^[18]的规定，交通量可用养护作业路段在无养护作业时的断面高峰小时交通量除以养护作业剩余车道数计算，对于占道施工作业的三车道过渡为双车道和双车道过渡为单车道上游过渡区的车道数分别按双车道和单车道进行计算。《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)(以下简称《标准14》)^[19]中将服务水平分成6级，规定对于高速公路一般服务水平一般不低于3级，同时《标准14》中给定了在不同服务水平及设计速度下的交通量。通过设计试验调试可知，在3级服务水平下的交通较小时，车型比例变化和内部采集位置对于指标值的影响并不明显，车辆可自由完成换道和选择较为多变的驾驶行为，故考虑将3级服务水平下路段设计速度为120 km/h对应的1 650 pcu/(h·ln)最大服务交通量作为参数输入，可以较为明显地体现出车型比例变化对于上游过渡区的风险集中位置的影响。

对于进入上游过渡区的运行速度参考《规程15》，进入上游过渡区的运行速度设计为40~80 km/h，以步长为运行速度20 km/h的5种最终限速值，同时按照《规程15》给定的各运行速度下对应最小长度值，以步长为20 m，向上设计3种不同长度的上游过渡区。且限速过程一般在警告区内已经完成，在警告区长度的后1/4段前已基本完成降速，故在上游过渡区前设置1/4的警告区长度来保证车辆进入上游过渡区时车辆按设置的运行速度标准行驶，并能满足Vissim仿真软件在上游过渡区拥堵至入口段仍正常运行的要求，真实反映车辆在上游过渡区的运行状态^[20]。在本研究中，也采用高速公路常用的3.75 m作为模型的车道宽度，同时考虑车型比例对于风险集中位置分布的影响，结合在货车率为0条件下客货车速差将无法计算，故将交通流的货车率参数从10%~50%并以步长为10%作为交通流参数中货车率部分的输入。

对于占道施工作业的内部风险分布情况的表征，可通过不同断面位置处的指标值的数值来衡量。本研究基于Vissim仿真软件的断面数据采集功能，针对单向三车道过渡至双车道和单向双车道过渡区单车道的占道施工形式，每间隔1/3上游过渡区长度位置段设置数据采集断面，收集车辆通过数据采集断面时的速度和加速度值，故对于这施工形式下对应的数据采集断面的数目分别为11和7，数据采集断面在上游过渡区内部的具体位置见图 1。同时对于仿真试验所需参数进行汇总并形成表 1。

3 结果分析 3.1 综合评价指标和统计参数选取

通过采集断面采集的速度、加速度指标形成断面风险的表征参数。在各仿真试验数据集中，将风险表征指标进行最大值化无量纲化处理，并将3个指标值通过等权重加权计算确定得分结果作为断面风险集中程度，其计算公式见式(4)。该项得分越大，表明代表该数据采集断面在该仿真试验中的风险越集中。针对于不同占道施工形式下和运行速度利用origin作三维散点图，并结合投影点分布情况对于风险集中断面位置和其货车率的影响展开分析。

(4)

对于断面的不同位置和货车率的得分情况进行预处理，结果表明货车率的递增对于断面得分的变化趋势情况并不明显，且需要分析其变化趋势，现引出均值AVG和平均绝对偏差MAD来反映不同货车率情况下整体分布和波动情况，其计算公式为：

(5)

式中，p_T为货车率，通过该路段货车车辆数占有所有车辆的比例；w为在某种运行速度下各大车率条件下的每个数据采集断面数；SCORE_f为在不同种运行速度各大车率条件下某数据采集断面的综合评价指标。

(6)

式中，SCORE_w为在某种运行速度与各大车率条件下每个数据采集断面数的综合评价指标。

3.2 统计指标参数化综合结果研究

(1) 运行速度为40 km/h

对于进入上游过渡区的40 km/h运行速度下的2种占道施工形式的综合得分评价指标和不同货车率下形成的统计参数值开展分析，形成图 2和表 2。

对于上游过渡区为单向三车道过渡至双车道形式综合评价指标分析见图 2(a)，上游过渡区的入口断面得分整体偏向上部，且在汇入车道和相邻主车道较为集中。在1/3段至2/3段的综合分值分布较为相似，但整体趋势低于入口断面的风险指标集中情况。分析表明，由于进入上游过渡区的汇入车道车辆转向主车道的换道行为受车道宽度变化率影响较快，处于汇入车道的车辆会在进入上游过渡区时提前完成换道，故风险集中断面集中在入口断面和1/3的上游过渡区长度断面处。同时结合表 2，对于货车率的递增，综合评价指标总体变化趋势并不明显，但其波动范围整体呈现递增的现象，表明受到输入交通量较大的影响和货车宽度的影响，所以在该上游过渡区长度和形式下车辆采取非必要换道行为的驾驶行为较少，大多数车辆处于跟驰状态，但由于货车比例增加导致操作性能和驾驶行为的差异性变大，从而形成断面得分波动性递增的情况。

对于上游过渡区为单向双车道过渡至单车道形式综合评价指标分析见图 2(b)，在上游过渡区的入口断面和1/3断面波动范围较广，整体趋于高点，同时其入口断面数据波动性更为明显，且在断面1出现该模型下的极大值点，表明该入口断面位置风险冲突较为集中。其成因同该运行速度下另一种占道施工形式类似。同时结合表 2，对于货车率的递增，断面总得分整体分布和波动情况呈现出先增加后下降再增加的趋势。其机理为：在货车率处于0.1~0.3范围内时，交通流受货车操作性能和驾驶行为差异性的影响，使得路段整体综合评价指标呈现上升趋势，当达到0.4范围时，交通流从间断自由状态逐渐形成跟驰情况，此时总得分呈现下降趋势，随着货车率的继续增大，此时交通流状态从跟驰转化成拥堵，综合评价指标整体呈现又上升态势。

(2) 运行速度为60 km/h

对于进入上游过渡区的运行速度为60 km/h的2种占道施工形式的风险点表征指标值和不同货车率下形成的统计参数值开展分析，形成图 3和表 3。

对于上游过渡区为单向三车道过渡至双车道形式综合评价指标分析，见图 3(a)，随着上游过渡区长度和运行速度的增加，风险集中位置朝着上游过渡区的1/3段和2/3段转移，同时集中在该区段的汇入车道和相邻主车道。根据间隙接受理论分析，随着上游过渡区长度的增加，车辆行驶至出现横向安全宽度而采取必要变道行为，同时由于运行速度的提高, 使进入上游过渡区车辆的减速性能和驾驶员的反应时间等导致模型断面风险集中在该区段。

结合表 3，随着货车率的增加，断面总得分整体分布和波动情况呈现出先增加后下降再增加的趋势，其趋势形成原因与运行速度为40 km/h的上游过渡区为单向双车道过渡至单车道相类似。在货车率为0.3范围处出现一个较为明显的突变，此时由于交通流处于一种受货车率影响和交通量的界限范围，车辆介于完全跟驰和自由变道之间的行驶状态，导致出现了该模型下综合评价指标的峰值。

对于上游过渡区为单向双车道过渡至单车道形式综合评价指标分析，见图 3(b)，风险集中位置朝着上游过渡区的1/3段和2/3段转移，且相对于单向三车道过渡至双车道的情况更加明显。其成因是在该种占道施工形式下车辆的汇入会直接导致主车道车辆的驾驶行为发生改变，直接影响整个路段的通行能力和行车安全性，而在另一种占道施工情景下，汇入车道相邻主车道的车辆可向非相邻主车道的车流采取变道行为，将该区段风险向主车道整体发散，使得区段整体风险集中不如该种占道施工形式明显。同时结合表 3，随着货车率的增加，综合评价指标整体分布和波动情况呈现出先增加后下降再增加的趋势，其趋势形成原因同运行速度为40 km/h的上游过渡区为单向双车道过渡至单车道段相类似。均值和波动情况的变化幅度并不显著，主要是由于运行速度的提高和上游过渡区长度增加对于行驶条件的改善。

(3) 运行速度为80 km/h

对于进入上游过渡区的运行速度为80 km/h的2种占道施工形式的风险点表征指标值和不同货车率下形成的统计参数值开展分析，形成图 4和表 4。

对于上游过渡区为单向三车道过渡至双车道形式综合评价指标分析，见图 4(a)，由于上游过渡区长度和运行速度的增加，断面风险主要集中在2/3的上游过渡区和出口断面的汇入车道和相邻主车道位置区段。结合间隙接受理论分析，在上游过渡区长度较长时，当驾驶员进入上游过渡区的汇入车道时，由于渐变宽度变化率较小，同时处于大交通量条件下寻找可穿插间隙的概率会减少，从而导致风险集中在上游过渡区出现横向安全宽度的附近。结合表 4，在0.1~0.4货车率条件下，由于运行速度的提高，导致进入上游过渡区内部时车辆运行速度受车道数减少的限制，车辆所需采取的减速和换道行为增多，在大车率较低的状态下已经达到了从间断自由转入跟驰行驶的态势。并在0.4左右货车率的情况下达到完全跟驰状态，在货车率达到0.5时，交通流状态从跟驰转入拥堵情况，致使断面风险集中更加显著。

对于上游过渡区为单向双车道过渡至单车道形式综合评价指标分析，见图 4(b)，此时综合评价的提高, 使进入上游过渡区车辆的减速性能和驾驶员的反应时间多方因素导致模型断面风险集中

在该区指标分布与该运行速度下另一种占道施工形式相类似，风险主要集中在2/3的上游过渡区和出口断面位置区段。产生该数据分布的成因同另一种占道施工形式相类似，均为渐变宽度变化率较小和处于大交通量条件下寻找可穿插间隙的概率会减少，从而导致风险集中在上游过渡区出现横向安全宽度的附近。相对于另一种占道施工风险数据采集断面集中情况更加显著，主要考虑该种占道施工形式下汇入车道车辆的合流会直接导致主车道车辆的驾驶行为发生变化，直接影响整个路段的通行能力和行车安全性。同时结合表 4分析，随着货车率的增加，断面总得分整体分布和波动情况也呈现出先增加后下降在增加的趋势，其趋势成因与运行速度为40 km/h的上游过渡区为单向双车道过渡至单车道段相同。

4 结论

本研究针对混合交通流条件下的养护作业上游过渡区的空间安全性展开研究，首先基于Vissim仿真软件的断面数据采集功能形成3个风险表征指标。仿真试验设计不同的货车率、占道施工形式和上游过渡区长度，针对不同占道施工形式收集断面速度、加速度指标计算出风险表征指标值，并通过最大值化、无量纲处理、权重法确定综合评价指标值。为分析货车率递增对应的变化趋势，引入统计参数(均值和平均标准偏差)来反映不同货车率情况下整体分布和波动情况，最终通过不同运行速度和占道施工形式下的三维散点投影图和统计参数表对综合指标值变化趋势和分布开展研究分析，得出以下结论：

(1) 进入上游过渡区的运行速度从40~80 km/h增加变化时，断面风险空间集中位置从该区段的入口断面向出口断面附近移动，同时占道施工形式为单向双车道过渡至单车道形式，其集中和移动趋势更加显著。

(2) 随着货车率的递增，多数运行速度和占道施工形式试验下综合评价指标整体分布和波动情况呈现出先增加后下降再增加的趋势。其主要形成原因为：在大交通量条件下，随着货车比例的增加，受到货车的车型宽度和驾驶行为差异的影响，交通流从自由流转向间断自由流，再形成跟驰状态，最终呈现路段拥堵的变化态势。

(3) 随着货车率的递增，占道施工形式为单向双车道过渡至单车道对于综合评价指标变化趋势的效果更为显著，主要成因为不会受分散到主车道非相邻汇入车道的影响和警告区车道平均交通量转化到上游过渡区偏小的影响。

(4) 目前没有对于养护作业区上游过渡区所有的最终限速值进行分析研究，同时综合指标仅考虑3种风险表征指标的等权重研究，未来可以针对于这些方面开展进一步深入探究。