选题依据及研究意义（研究背景、研究意义）

1.研究背景

现有高速公路服务水平和通行能力难以适应当前交通物流发展水平，高速公路时常发生交通拥堵、事故率显著增加，考虑到既有高速公路已形成了沿线经济结构，存在着经济和社会依赖性，所以人们提出了高速公路改扩建的方式以增大交通供给。作为交通运输的重要载体，既有的高速公路若在改扩建施工期全线封闭，势必会造成沉重的交通负担。高速公路管理者一般会采用“半施工、半运营”的模式进行改扩建工程，交通组织是高速公路改扩建期间的重点保障性工程。

在高速公路改扩建期间，由于施工封闭导致道路拥堵，行车时长增加，从而加剧了驾乘人员对服务区的使用需求。高速公路服务区作为高速公路运营的关键节点，承担着驾乘人员饮食、休憩及车辆加油、维修等重要任务。服务区也可能因为服务水平不足、功能划分不合理等原因，需要进行原址改建或新址重建。然而改扩建工程历时工期长、施工强度大，服务区采取“部分施工、部分运营”的施工模式会导致大量实质性问题。首先，改扩建期间交通流组成复杂，驶入率、服务需求大幅增长，节假日交通需求增持幅度较大；其次，处于半运营状态的服务区服务水平大幅折减，如果采取不恰当的开放顺序，会导致交通流驶入不均衡，造成部分服务区服务过载，甚至导致服务区排队溢出，轻则影响主线交通，重则造成交通混乱、产生交通安全隐患。

相对而言，我国高速公路改扩建发展较晚，目前国内高速公路服务区改扩建施工相应的交通组织规范和指南中对服务区交通组织的设计十分模糊，改扩建工程一方面吸收过往工程项目经验，另一方面参考相关规范如《公路交通安全设施施工技术规范》^[1]（JTGF71-2006）、《道路交通标志和标线》^[2]（GB5768-2009）、《公路安全设施设计规范》^[3]（JTGD81-2006）及《公路养护安全作业规程》^[4]（JTG-H30-2015）等，然而这些规范并没有针对服务区的开放组合模式运营模式、方案比选及总体交通组织方案设计等相关问题进行详细说明。

在高速公路改扩建施工过程中施工作业和交通运营之间的矛盾十分尖锐，所以探讨全线整体服务区的交通组织是高速公路改扩建期间需要着重考虑的问题。

2.研究意义

高速公路服务区作为高速公路网中的重要配套设施，其作用日益凸显。正如《公路工程技术标准》^[5]（JTGB01-2014）中指出：公路交通如何体现安全、服务的观念，如何突出交通文化的现代内涵和品质，这是社会和公路届普遍关注的焦点，是社会发展和文明进步的要求。服务设施是公路运输体系中的一个基本要素，是体现公路交通文化的窗口。

高速公路改扩建期间，全线服务区的不同开放模式会影响整体服务效率和服务水平。对于建设较晚的高速公路，由于其主线交通量较小，对服务区需求较小，且服务区间隔、规模设置较为合理等原因，服务区供需矛盾不突出，采用间隔封闭施工，间隔开放运营的交通组织模式便可满足使用需求。对于建设较早的高速公路，由于其服务区设施陈旧，建设初期规划不合理等问题，导致改扩建期间服务供需矛盾较为突出，可能需要采用全线开放、边施工边运营的组织模式才能缓解供需矛盾。

改扩建期间全线整体服务区的开放模式，应在满足基本运营和改扩建施工的双重需求下，尽量减少对驾乘人员和车辆的影响。针对不同车辆驶入率，服务区合理地采用全线开放、间隔封闭、混合封闭等运营模式，对保障改扩建顺利施工及满足司乘人员和车辆的使用需求具有重要意义。此外，制定合理的开放模式和开放顺序，能够最大限度地确保全线服务区获得最佳的经济效益和社会效益。

高速公路服务区交通组织是高速公路改扩建期间的一项重要工作，结合改扩建期间交通特性和服务区特性，探讨合理的交通组织模式有利于推动高速公路改扩建交通组织规范和指南的制定，且能够为今后将要实施改扩建的高速公路提供指导和依据。

文献综述（对已有相关代表性研究成果的综合介绍与评价）

1.国内研究现状

国内高速公路改扩建是近几年的交通热点问题，虽然在已经完成的广佛、沪宁、沈大等高速公路改扩建工程中，积累了一定的交通组织优化经验，但未形成较为成熟的理论体系。施工期服务区的运营模式和交通组织是一个复杂的系统工程，涉及到流量预测、交通管控、交通仿真、排队理论、交通辅助设施设置等相关内容。国内的施工区段交通组织大多是建立在对交通现状的基础上，预测未来施工段的交通流量，通过采取分流、限速、交通转换、设置辅助设施等手段，缓解施工区交通冲突及交通隐患。

（1）高速公路服务区特性的研究

国内对于高速公路服务区设施的研究比较晚，在《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）中对于服务设施只是简单的提出：“服务区、停车区的位置应根据区域路网、建设条件、景观和环保要求等规划和布设。”仅规定了服务区设置间距和服务区内部设施的设置，并没有对服务区改扩建施工及交通组织技术要求等做明确的规定。

罗红刚^[6]、长安大学张文成^[7]，对高速公路服务区的定义、作用、选址和等级划分依据、设置间隔、建设规模、平面布局规划及设施建筑技术要求进行了研讨，并提出了高速公路服务区规模参数的确定，包括如何选取交通量、服务区驶入率的确定和预测、高峰率和周转率的确定等。最后又选取了陕西省和甘肃省的高速公路中几条比较典型的线路，详细地介绍了整条线路服务区规划的方法和过程，继而提出了高速公路服务区的总体规划。

东南大学张嵩^[8]、东南大学欧晓星^[9]，对高速公路房屋建筑从类型到组成进行了分析，针对服务区和停车区的设计，提出了总体规划、选址、规模到内部布局、室内外环境等理论，并结合驾驶员生理心理特点提出创造具有公路交通特色的服务区建筑。

目前针对高速公路改扩建期间的服务区规划与设计，都是针对具体案例开展的规模和场地规划等方面的研究，如：郑州大学王国梁^[10]，针对河南省高速公路服务区所出现的问题，提出了高速公路服务区规划设计的一般原则，然后根据以京港澳、连霍线路为代表的河南省高速公路服务区现状提出了场地规划、站房主体建筑和景观设计的具体改扩建设计方法。最后介绍了在以改扩建设计方法的指导下连霍线开封服务区和京港澳线信阳停车区进行改扩建设计的方法和工作过程，进而对改扩建设计的指导方法进行验证。刘伟^[11]对河南省高速公路服务区的改扩建设计进行了尝试性探讨和研究。

（2）服务区交通流特性的研究

何小洲^[12]等在高速公路施工区交通特性分析中，通过数据量化的方式，对施工影响区段划分情况下，因施工造成的交通流变化进行归纳总结，得出了施工区段的交通特性。

于晓桦^[13]借助高速公路收费系统中交通流数据，运用统计学原理，结合交通运行规律，对高速公路交通时空特性进行了分析研究，具体包括高速公路车辆行驶里程分布、交通网络分配规律、交通运行方向的研究、交通时变规律、车辆行驶时间规律和交通时空联合分布及相关性的研究。

闫寒^[14]等在《基于排队论的服务区加油区合理用地规模计算》一文中，选取主线驶入量、不同车型加油率及不同车型加油周转率等参数,基于排队论建立了加油区排队系统模型,确定了其系统在平稳分布下加油车辆平均逗留时间、服务强度及平均排队加油车辆数均值之间的关系;考虑排队车辆容忍等待时间少于加油车辆平均逗留时间的条件约束,通过对排队车辆调查,进而得出加油区合理用地规模。

（3）服务区评价指标研究

霍东芳^[15]等在高速公路改扩建期间交通组织方案评价指标体系研究中，首先确定交通组织方案的评价指标体系选取原则，构建评价指标体系，通过定量指标计算，量化交通组织方案的交通服务能力，并通过实例进行验证。

赵君莉^[16]、长安大学李晓伟^[17]等人高速公路服务区服务水平评价方法进行了探讨，通过实际调查、数值计算和定量分析，采用排队论等方法研探讨了服务水平评价指标。

武汉理工大学胡空^[18]依据交通特性等确定评价指标体系，采用分层次评价指标体系，分为服务水平指标、交通环境指标、经济效益指标及交通安全指标，在多种综合评价方法中选取动态综合评价方法，并给出了评价指标的量化方法。

（4）高速公路改扩建服务区交通组织设计研究

目前国内对高速公路改扩建施工交通组织多集中在路基路面、立交桥涵等方面，关于这些重要工程控制点的研究较为具体和规范，但对服务区交通组织研究较少，其理论较为简单，对交通组织的设计也不够规范和具体。

朱胜标^[19]、冯自星^[20]等人，围绕高速公路改扩建产生的交通影响进行探讨，分别从路基、路面、立交、桥梁、服务区这5个高速公路改扩建重要领域进行研究分析，提出了交通流组织优化设计方案，并结合案例分析了交通组织方案设计的具体做法。吴平^[21]等在高速公路施工区交通组织方案研究中，通过明确交通组织原则，为交通组织方案建立设计流程，在具体的操作过程中，以控制施工作业区长度为首要原则，设置施工区交通标志及交通安全设施等辅助手段，达到消除交通冲突的目的。

（5）高速公路改扩建服务区交通组织仿真研究

国内对于高速公路服务区方面的仿真研究较少，多采用排队理论进行交通离散仿真，如：重庆交通大学杜忠杰、张雷^[22]等人针对高速公路收费站拥堵问题，在排队论模型的基础上分别对收费亭数量和收费方式进行元胞自动机仿真和VISSIM仿真，并通过仿真的结果对实际情况做出分析。

对于高速公路停车区交通仿真的研究，北京交通大学魏家蓉^[23]考虑停车比例、停车机动持续时间、停车带长度等因素加入了停车车辆的驶入驶出行为规则。最后又利用时间案例对比分析了数学模型、元胞自动机模型和VISSIM仿真模型各自的优缺点。

2.国外研究现状

国外的高速公路发展较早，德国于1932年建成波恩至科隆高速公路，是世界上最早的高速公路。此后，高速公路在美国、英国、法国、日本等国家逐渐发展。

（1）高速公路服务区设施规划研究

日本较早出现关于高速公路服务设施的研究，且较为规范和具体。日本高速公路设计手册^[24]（1980年）根据《关于高速公路上休息设施规划设计的研究》^[25]（1979年）制定了高速公路休息设施的设计技术标准。1991年，手册又根据名神、东名、中央、东北等四条高速公路的服务设施的调查资料被重新进行了修订。1991版高速公路设计手册^[26]从服务设施的设置规模、停车规划、建筑机械、电气通讯、园地绿地、匝道设计等方面比较全面的规定了服务区设计的工程技术标准和设计方法。但没有对高速公路改扩建方面提出具体的规定和技术标准。

（2）高速公路服务区改扩建交通组织设计研究

1983年美国运输研究委员会组织召开了公路扩建工程专题国际会议，首次对高速公路改扩建工程技术方法进行了总结，主要包括扩建施工方法、高速公路改扩建拼接方法及道路线形优化设计上的研究^[27]，但是对改扩建施工期间交通组织^[28]方面涉及较少。

交通控制设施标准手册^[29]（MUTCD）对改扩建作业区的交通组织设施做了详细说明。Richard、Dudek^[30]等人及Nemeth^[31]等人研究了高速公路改扩建施工区域的不同类型的交通组织方案与事故率两者间的关系，发现两者呈负相关关系，即随着交通组织方案的规范化、交通组织技术的合理化，施工期间交通事故率会显著降低。1991年，Tzong.Shiou、Garber^[32]等人提出合理、规范地制定交通组织设计方案、优化施工区交通工程技术措施、合理划分封闭施工区类型和长度等，以此降低对改扩建施工区域交通流的影响。

3.研究综述

总体来说，国内外对高速公路改扩建施工交通组织的研究多集中在路基路面、立交桥涵等关键工程控制点，关于这些控制点的研究较为具体和规范，但对服务区交通组织方面的研究较少，其理论较为简单和模糊，对交通组织的设计也不够规范和具体。

关于高速公路改扩建期间服务区的研究主要是偏向服务区新址重建和原址改建等施工方法和技术方面的研究，如：从重新规划服务区规模、服务功能划分、设施重建等角度进行个体服务区的改建。而在服务区总体交通组织方面，也多停留在提出服务区交通组织的概念，少有学者结合改扩建期间的交通流和服务区特性围绕施工要求与整体服务区开放模式进行研究，对于服务区交通组织的设计也不够具体和规范。

所以本文结合国内外研究现状，分析调研了交通流特性、单一服务区特性和总体服务区特性。确定服务区关键特性因子，并进行多因子多水平下的服务区类型组合。结合全线开放式、间隔封闭式、混合封闭式等改扩建期间服务区交通组织模式，开展仿真实验，输出宏微观评价指标，进行综合评价和方案比选，最终确定各类服务区交通组织通用技术标准。

研究内容

（1）高速公路改扩建期间服务区交通特性调研与分析。分析交通流特性如断面流量、交通组成、驶入特性、时变特性、不均匀性等特性；单一服务区特性如服务类型、服务区规模等特性；总体服务区特性如分布特性、分布间隔等特性。调查服务区交通组织模式如全线开放式、间隔封闭式、混合封闭式等交通组织模式。

（2）确定服务区组合模式。结合文献，确定服务区关键特性因子，并划分研究对象不同水平，确定多因子多水平的若干组合模式，开展实验设计。

（3）改扩建服务区交通组织仿真。基于全线开放式、间隔封闭式、混合封闭式等服务区组织模式，在不同服务区组合模式下开展仿真实验，在不同因子水平下，对服务区进行宏微观交通仿真，输出宏观评价指标如服务水平、周转效率、均衡率等，微观评价指标如车均延误、排队长度、通行效率等。

（4）改扩建服务区交通组织评价。基于高速公路改扩建期间服务区交通组织宏微观评价指标，对各个方案进行比选，提出在各类服务区组合模式下适宜采用的通用交通组织模式，即高速公路改扩建期间服务区交通组织准则。

研究方法

（1）查阅文献，了解高速公路改扩建期间服务区交通特性、个体服务区特性、服务区分布特性，并确定服务区评价指标。

（2）结合改扩建期间服务区特性开展正交实验，确定研究因子，划分因子水平，对各因子水平进行交互，确定多因子多水平的服务区组合模式。

（3）结合排队理论、交通流概率统计分布理论、元胞自动机仿真模型、驾驶行为模型等理论，采用Arena、VISSIM仿真软件对若干服务区组合模式进行模拟，输出宏微观评价指标。（如：服务效率、周转率、车辆延误等）

（4）采用综合评价方法对方案进行评价。拟采用熵值法、TOPSIS法、模糊评价等交通综合评价方法对各运营模式在不同交通参数输入条件下进行评价，获取不同因子水平下，适宜选用的服务区运营模式，并提出高速公路改扩建期间服务区交通组织准则。

技术路线

参考文献

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[4]JTG-H30-2015 公路养护安全作业规程 [S] 北京：人民交通出版社.2015.

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