公路交通工程建设养护工程施工区布局优化建模设计研究分析
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摘 要：在公路建设养护工程开始施工之前，有必要进行施工区布局设置规划，优化施工区布局设置，以使建设养护工程费用和用户延误费用最小化，同时最大限度地提高公众和施工工作人员的安全。
关键词：交通工程;施工区优化布置;建模设计
1 引言
一般情况下多车道公路建设和养护工程施工区需要封闭一条或者多条车道，道路通行能力减小导致交通拥堵和交通延误，引发驾驶人的不满和道路使用者延误费用增加。施工高峰季节，公路施工区死亡和伤害交通事故有增加的趋势。相关施工区事故分析及调查也显示施工区的布局参数对施工区安全有显著影响，如施工作业区长度、施工时间、速度限制条件、临时交通控制（TTC）的类型和分隔路障的类型。因此，在公路建设养护工程开始施工之前，有必要进行施工区布局设置规划，优化施工区布局设置，以使建设养护工程费用和用户延误费用最小化，同时最大限度地提高公众和施工工作人员的安全。
2 确定决策变量
2.1 施工区段长度
2.2 施工区限速条件
第二个决策变量是施工区限速，施工区可能限速值为40km/h、60km/h、80km/h和100km/h。前三个值的选择遵守施工区通常采用的限速值，而第四个限速值代表施工区“无速度减少”。施工区限速对用户延误费用和事故费用有着直接的影響，施工区限速值降低一定程度上会降低施工区通行能力，导致排队增加和用户延误费用增加;但另一方面，因事故发生频率与施工区限速值有统计相关性，施工区限速值降低会使事故费用减少。
2.3 施工时间
该模型假定维修养护施工可以在一天的任何时候开始，相应的施工区施工开始时间可在1：00～24：00之间任意取值。施工开始时间及施工持续时间对施工区建设养护工程费用、用户延误费用和事故费用三个费用指标都有影响。相对于夜间开始施工而言，8：00am开始施工将不需要额外的建设费用，但是需要在早上交通量比较大的时候施工，这会导致用户延误费用的增加。同样地，事故费用也受施工开始时间的影响，按照问卷结果，相对于白天日间施工（10am～4pm）而言下午（4pm～8pm）施工将增加施工区交通事故发生风险。
2.4 临时交通控制类型
第四个决策变量是施工区采用的临时交通控制类型。该模型中，考虑两种类型的TTC：①仅采用常规的临时交通控制（TTC）设备;②同时采用交通巡警和常规的临时交通控制（TTC）设备。研究证实在建设养护施工区使用交通巡逻警察对提高驾驶人注意力和使其遵守施工区法规很有效，但另一方面，这也会增加施工费用成本，尤其是对长期建设的施工区而言更是如此。
2.5 路障类型
该模型中第五个决策变量是用于分离交通和施工区域及施工人员的路障的类型。该模型中这个决策变量有两种备选集：①常规路障;②临时混凝土路障。临时混凝土路障是一套非附属、预制、混凝土组件。使用临时混凝土路障能够降低事故发生的风险等级，但会导致施工费用成本增加。
3 目标函数
该模型的目标函数为施工区总费用，总费用包括：（1）建设养护工程费用;（2）用户延误费用;（3）整个项目工程持续时间内的事故费用：
3.1 建设养护工程费用
施工区的建设养护工程费用在该模型中用公式表示：（1）安装和拆除费用;（2）单位长度施工区每车道建设、养护费用;（3）施工超出正常工作时间（6：00am～4：00pm），的加班费用;（4）在施工期聘请交通警察巡逻的额外费用;（5）使用临时混凝土路障的额外费用。平均建设养护工程费用CC可表示为建设或养护一个长为S的施工区的费用乘以整个工程中施工区的数量：
3.2 用户延误费用
公路建设施工通常会导致交通拥堵和给公众出行交通环境造成危害。由于施工区通行能力下降，导致出行速度降低和出行时间的增加，交通拥堵对公众出行产生用户延误费用。驾驶人的延误费用可能会非常昂贵，并有可能超过有关部门的养护费用支出。用户延误费用组成包括：（1）由于通过施工区需要减速，车辆通过施工区的移动延误费用;（2）到达交通流量Q超过施工区通行能力Cw时的排队延误费用。准确估计移动延误费用和排队延误费用取决于施工区通行能力Cw的准确性。模型假设近似自由流速度v比施工区限速v（决策变量）大8.05km/h;假设施工作业区施工工作人员为4人，施工设备为2个，施工作业区与开放车道之间的距离为1.2m，能够估算出由施工强度Rwi引起的速度减少为20.63km/h。在这个模型中，施工区运行速度v简化成施工区限速值的函数见公式（4.3），施工区通行0能力C简化成施工区运行速度v的函数见公式：
用户延误费用以小时动态地估计每小时费用。如果到达小时交通量Q小于或等于施工区的通行能力C，即没有形成排队，则时间延误只是由车辆在施工区缓慢移动引起。假设平均到达速度为v，每小时移动延误的计算见公式：
另一方面，如果每小时到达交通量Q大于施工区的通行能力时，将形成排队，时间延误将包含移动延误和排队延误。在这种情况下移动延误计算为公式，排队延误计算为公式如下所示，其中无施工区的高速公路通行能力C0是一个常数。
3.3 施工区事故费用
现有模型对施工区事故费用估算方法假设其与公路路段的事故费用估算标准相类似;因为没有考虑到与其他的连续流公路路段相比，施工区交通环境更危险和复杂，该假设会导致低估施工区的事故费用成本。为克服现有模型的这一局限性，本文中模型给出了一个新的施工区事故费用模型，即在第三章中建立了一个新的事故费用模型，确定施工区布局参数及临时交通控制措施类型对施工区事故费用的影响： 3.4 优化模型总费用
示出建设、养护施工区总工程费用，即优化模型可表述为：
该模型可动态地估计整个总施工建设工期每小时施工区总费用和累积总费用。
4 模型实现
在MatlabR2012a中采用遗传算法（GAs）来实现最优化模型。遗传算法是一种搜索和优化工具，具有启发式进化机制的强大搜索空间帮助决策者确定问题最优解或者近优解，GA模型连接到在Microsoft Access 2007中开发的一个原型数据库，以便于存储和检索交通流量和费用修正数据。
该模型对输入数据采用不同参数遗传算法（如种群大小、变异率、后代数量）进行分析。不同施工开始时间，运行产生一系列最优的施工区布局设置，每一个最优解都提供一个最优施工区布局设置和相应的最低施工区总费用。
5 结束语
本文为公路建设工程施工區布局设置提出了一种新的优化模型，考虑小时交通流量的变化，确定施工区长度、限速条件、维修养护开始时间、临时交通控制设备的类型和路障隔离类型五个决策变量的最优解。首先根据第三章施工区问卷调查的结果并结合前人的研究结果从施工区布局参数的决策变量备选集中确定出施工作业区长度、施工区限速条件、施工开始时间、TTC类型和路障类型为模型的决策变量;接着以施工区总费用最小为目标，建立短期和长期公路建设养护工程施工区都适用的施工区布局设置优化模型，来确定最优建设养护施工区布局设置，其中施工区总费用包括建设养护工程费用、用户延误费用和事故费用。
参考文献：
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[2] 吴彪.高速公路作业区行车风险与安全控制策略[D].长春：吉林大学，2011.
[3] 于英，王敏，金明新.高速公路养护施工区安全特性的研究[J].中外公路，2007，12（6）：186～189.
作者简介：
姜旭东（1988—）男，中国地质大学，土木工程专业，本科学历，高级工程师，哈尔滨工程大学兼职副教授。山东省公共资源交易综合评标评审专家、山东省政府采购评审专家。研究方向：轨道交通工程、公路交通工程、智能交通工程。
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