李绍华 金卫国 孙传姣安徽省交通控股集团有限公司 交通运输部公路科学研究院

摘 要：因改扩建路段交通事故增多、施工等的影响，高速公路改扩建路段的交通应急站点的布设优化需要考虑事故多发点、施工路段的影响因素，根据系统最优化的理论进行优化和改进。本文建立系统优化的模型，运用到真实的工程案例中，解决了交通应急站点的布设优化。

关键词：改扩建;应急站点;布设;优化;

基金：安徽省交通控股集团有限公司科技项目(JKKJ-2018-42);

目前，我国高速公路进入了改扩建的高峰时段，改扩建工作多是边通行边扩建，交通应急救援的压力比较大，如何在改扩建路段科学合理的布置应急站点是亟需解决的关键问题。

1 国内外研究现状1.1 国外研究现状

国外部分发达国家对高速公路的建设和研究起步都比较早，对公路施工区的应急组织和设施配置理论也较为完善。70年代末，Aly Adel等人在选取应急服务设施位置时，依据救援最短时间具有随机性的特点，提出了集合覆盖模型。Vladimir Marianov等人对集合覆盖模型进行扩展，建立了随机性集合覆盖模型。考虑城市管理部门资源建设的局限性，B.Adenso-Díaz建立了MCLP模型，在有限资源内将设施覆盖人口数最大。Wlodzimierz将多目标模型转化为Chebyschev—γ参数的单目标模型，并讨论了模型转化的算法。随着近年来路网不断扩大，公路运输应急服务设施选址理论得到更多应用。Ana Paula Iannoni等对高速公路救护车停车站点及救援范围进行了研究，建立了超立方选址模型，并用遗传算法求解建立的模型确定站点位置。

1.2 国内研究现状

国内对交通应急站点配置研究起步较晚，主要的研究成果有:王林分析了高速公路施工区的通行能力和安全特性，提出了大修交通组织和交通事故紧急救援的原则，编写了相应的应急预案;肖传宇提出基于网络化的高速公路沿线资源配置点选址模型，以多目标建模计算、确定应急资源优化配置地址。李伟建立了三级养护点选址评价指标体系。徐孟阳对比分析了不同路段的交通事故特征和概率，提出了救援资源和救援站点的最优分配模型;宋效凯运用广义最大理论基础建模应急养护点布设问题，并利用遗传算法求解陕北高速真实数据。

1.3 小结

通过国内外研究情况总结可以看出，国内外的研究工作集中在如何进行模型的优化以及，针对改扩建路段特点的应急站点的布设优化方案研究相对较少。

2 影响站点布设优化的因素分析

结合高速改扩建施工路段交通流特征、突发事件特征、施工方案、施工区交通组织方案等施工区应急救援点布设的影响因素包括:

(1)救援时间

改扩建路段突发事件应急救援抵达时间的最低要求，作为应急救援点布设的约束条件之一。

(2)现有基础设施条件

高速公路沿线及附近已有基础设施的可利用情况，包括养护工区、服务区、高速公路出入口等分布，已有空间、设备、设施可利用情况，充分并优先利用现有资源。

(3)自然环境条件

高速公路的气候条件、地质条件、水文条件、地形条件等，明确应急救援点布设的地理条件需求。

(4)交通流数据

调研高速改扩建边施工边通车路段的交通流特征，通过查阅历史资料，获取项目开工前后交通数据变化情况，挖掘交通流变化对突发事件的影响，为应急救援点的布设提供科学依据。

(5)突发事件历史数据

调研高速公路改扩建施工路段突发事件发生情况，查阅资料获取项目开工前后突发事件变化情况，通过分析突发事件的变化特征，在突发事件常发、易发路段适当增加应急救援点的设置数量，并根据突发事件类型和影响规模确定应急救援点的设置规模。

(6)施工方案及交通组织方案

针对高速公路改扩建施工不同阶段的施工方案及交通组织方案，分析其对道路通行能力、交通流运行、突发事件产生的影响，为应急救援点的布设提供科学依据。

(7)经济成本

在应急救援点布设方案初步拟定的情况下，综合分析点位布设的建设费用和运营费用，在满足其他约束条件的基础上，合理调整站点布设数量和站点规模，使建设成本和运营成本总体最小。

3 改扩建高速公路交通应急站点优化模型3.1 特点

高速公路具有封闭性的特点，当交通事件发生时，应急站点须依靠互通匝道直驶或掉头赶往事发地段;改扩建路段的高速公路由于部分路段进行施工，可以提供部分的场地，以便救援更快、更及时到达;但是改扩建也存在不利之处，由于施工的影响，可能相对运营期产生更多的交通事故，事故的类型追尾和剐蹭事件更多;因此在改扩建路段，会需要更多考虑历史事故以及施工方案和交通组织方案对于交通事故的影响。

3.2 模型

为了更好的做好改扩建路段应急救援点的布设，需要建立总应急时间最短、社会经济效益最大的目标函数，通过优化方法计算最优解，确定最佳的救援资源站点布设位置。

设tij[Xi,Yj]表示从应急救援点Xi到路段Yj所需要的响应时间。设应急系统的响应时间有限制，假设事故发生后应急资源到达事故现场的应急响应时间上限为t0。

设在应急救援点Xi处建立应急救援点的成本为ci(i=1,2，…m),ci与应急救援点的基础设施情况、交通状态等因素密切相关，假设应急资源配置点总成本为C。应急系统的目标函数为应急响应总时间最小，同时系统总收益最大，即在应急响应总时间最小和总成本限制条件下，使应急系统发挥的社会经济效益最大，建立数学模型如下:

应急响应总时间最小数学模型为:

社会经济效益最大数学模型为:

C为系统限值的总成本，R[qj]为建立应急系统后，路段Yj上可以减少的交通事故损失，则应急救援点的确定可由以下多目标决策数学模型来确定:

由多目标决策数学模型，确定X={X1,X12，…Xm}中最优的选址点Xi。

3.3 参数标定

(1)R[qj]的确定

R[qj]可减少的交通事故的损失要由路段上的历史交通事故、事件数据进行综合分析后确定。

(2)确定路段权重

在建立模型时需要充分考虑路段的可靠度问题，由于施工的影响，不同路段在不同的时期具有不同的连通状况以及行驶车速，需要进行针对性的考虑。

4 合安高速改扩建交通应急站点优化布设案例研究

以安徽合安高速改扩建路段的应急站点布设为例进行改扩建路段应急站点的布设优化。

合安高速自2017年开始改扩建，一期工程起点顺接京台高速合肥市区方兴大道互通立交，终点位于京台高速与合安高速交叉的庐江县马堰互通立交，改扩建工程路线全长约51.1km。

对2017年～2019年的交通事故、应急事件进行了统计分析，结果如表1所示。

表1 合安高速事故、事件统计 下载原图

通过图1可以看出交通事件在桩号1054-1059、1074-1079、1079-1084这些路段发生的应急事件较多。

图1 合安段事故分桩号统计 下载原图

结合交通事件发生的地点、数量、合安高速改扩建路段的特点以及应急救援的需求，将合安高速划分为三段，小西冲枢纽、方兴大道出口、肥西出口，建立应急站点的救援模型。

C根据统计数据中安徽省的交通事故直接损失金额，综合考虑合安2017年的事故、故障总数可以将其确定为500万。R[qj]根据历史事故情况进行确定。以1km的长度为节点对路段进行精确划分，计算每一段的通行时间，确定事故成本，并给出不同有关的权重值，利用matlab最优化的算法，对应急站点的选择进行优化，最终获得的优化结果。结果显示:小西冲枢纽、方兴大道出口、肥西出口均为一级应急站点，根据施工及事故情况确定K1055,K1079,K1096三个二级应急站点。

5 结论

通过对高速公路改扩建路段的交通应急站点的布设的影响因素进行分析，包括:救援时间、现有基础设施条件、自然环境条件、交通流数据、突发事件历史数据、施工方案及交通组织方案、经济成本等因素，建立了应急站点配置的优化模型，根据系统最优化的理论进行优化和改进。本文建立系统优化的模型，运用到真实的工程案例中，解决了交通应急站点的布设优化。

参考文献

[1] Aly A A,White J A.Probabilistic Formulation of the Emergency Service Location Problem.Journal of the Operational Research Society,1978,29(12):1167-1179．

[2] Marianov V,Revelle C.The queuing probabilistic location set covering problem and some extensions,1994,28(3):167-178．

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[8] 李伟．高速公路养护站点分级建立与选址研究．长安大学，2011．

[9] 徐孟阳．高速公路救援能力配置模式研究．重庆交通大学，2014．

[10] 孙超．高速公路施工区交通运行组织方法研究，2017．

[11] 宋效凯．公路应急养护站点布设及设备配置建模研究，2017.