城市道路網運行實時動態評價理論和技術研究

全永燊，郭繼孚，溫慧敏，孫建平

(北京交通發展研究中心，北京 100055)

城市道路網運行實時動態評價理論和技術研究

全永燊，郭繼孚，溫慧敏，孫建平

(北京交通發展研究中心，北京 100055)

從道路網運行的基本特性入手，著重分析了路網運行的隨機波動性、遞延傳導效應和周期規律性。在此基礎上，剖析了迄今國內外一直沿用的道路“負荷度”路網評價理論的局限性，提出一套適用于路網整體實時動態評價的理論和技術方法，解決了無盲區實時數據采集與處理、路網運行時空動態分析、評價指標閾值標定等關鍵技術難題，為交通戰略規劃、實時動態路網功況診斷等提供了全新的技術手段，北京市的實證研究初步證明了所提出的理論和技術體系科學、有效、實用。

路網實時動態評價;負荷度評價;遞延傳導效應;“五維”擁堵指數

1 前言

眾所周知，城市道路網是城市綜合交通體系中最為重要的基礎設施，是多種交通方式的運行載體。道路網運行功況不僅客觀反映道路系統自身承載能力、運行效率和決定承載能力與效率的各種相關因素間交互作用關系，而且也在一定程度上客觀地反映了城市交通供需平衡狀況、城市交通方式構成的合宜程度以及與綜合交通體系整體運行相關的規劃決策和運行管理水平。因此，對道路網系統實時運行狀況的動態評價和功況診斷無疑是城市綜合交通體系規劃、建設與運行管理不可或缺的重要基礎依據和前提條件。然而，城市道路網是一個具有高度開放性的復雜巨系統，運行中受多種無約定和難以預知的人為因素以及自然因素干預影響，系統運行經常處于非穩定狀態。對于這樣一個復雜的非穩定系統進行整體實時動態評價是當今國內外尚未完全解決的難題。

一直沿用至今的“道路負荷度”評價方法雖可用于路段和交叉口通行能力核算，但卻不適合用于路網運行狀況的整體評價，更無法用于路網實時動態評價。因此，有必要在路網運行理論上做新的探索。并尋求建立一套新的評價技術方法體系。文章將以近年來在這一領域的研究成果和應用實踐為基礎，指出傳統的“負荷度”評價方法的理論缺陷和應用的局限性，對路網整體動態評價的理論方法做概要論述，并給出這一方法體系實踐應用的初步成果和例證。

2 路網運行動態特性

2.1 隨機波動性

就路網的每一個節點和具體路段而言，瞬時運行參數(流量、密度、速度)處于隨機波動狀態(見圖1)。路網運行的隨機波動性是由系統的開放性特征決定的。路網系統的介入者(路網規劃建設群體、運行管理群體以及使用群體)無時無刻不在對路網的運行進行干預。系統介入者的干預在信息不對稱的條件下無可避免地帶有盲目性。這種不間斷的，帶有盲目性的干預無疑是導致路網系統運行隨機波動的主要因素。此外，各類頻發或偶發的意外事件(如各類人為事故、交通管制、天氣因素等)也是造成系統運行波動的客觀因素。這種波動既表現在同一斷面車流運動參數瞬時隨機變化，也表現在同一瞬間路網上多個點段運行參數的差異。

圖1 路網車流運動參數波動Fig.1 Traffic flow parameter fluctuations

2.2 遞延傳導效應

路網運行中，每一個局部點(段)的運行參數變化都存在緊密的關聯性。任何一個特定點(段)的運行參數變化趨勢都是由周邊相鄰點(段)運行狀況的波動所決定的。反過來，一個特定點(段)運行參數的改變也會引起周邊點(段)運行狀況的改變。由于路網各個局部的承載能力和實際負荷均有很大差異，隨著負荷量的上升，在某些最為敏感的點(段)上就會首先出現流態的變化，乃至形成車流擁塞，形成擁塞點(瓶頸)。擁塞點(瓶頸)的出現—擁塞范圍的擴展—擁塞范圍回縮—擁塞點(瓶頸)消失，這一過程是由路網運行中的遞延傳導效應所控制的。

上述過程中的前半段是路網中某一節點或路段流量匯集過程。該節點(或路段)受其上游匯流區和下游泄流區流量平衡狀態的控制，一旦由于該路段(或節點)自身或受下游路網泄流區的某種波動因素影響，出現如下情況時，滯留排隊現象便發生。即當:時，滯流排隊出現。

Volumei為來自上游匯流區第i條路徑流量，為時段t內，由上游匯入路段A(單向)流量總和為下游泄流區第j條路徑流量，為時段t內，下游M條路徑泄流量總和。

在自由流態下，車流密度的增加達到穩定流(約束流)臨界點時，則進入穩定流狀態。由穩定流向非穩定流(紊亂流)轉換往往是上述滯留排隊情況作為前兆已經出現，上游匯入量雖受到一定抑制，但仍在持續匯入。累積滯留量與持續匯入量疊加，超過臨界值，則進入紊亂流態。一旦進入紊亂流態，C(道路斷面通行能力)就不再是常量。實際觀測表明，在穩定流態的后半段，即V/C(V為實際負荷流量)值接近0.85時，車流的擁塞形成瓶頸，通行能力隨著匯入流量和滯留量的增加，瓶頸現象加劇，通行能力進一步下降，直至C=0。

但是，也正是由于遞延傳導效應的存在，在“瓶頸”形成后，其上游匯流區內的車流路徑將隨之改變，匯入量將相應遞減，而下游泄流量仍保持不變，經過一段時間調整后，，滯留排隊逐漸縮減，C回升，“瓶頸”逐漸消散，重新回到穩定流或自由流流態(見圖2和圖3)。從瓶頸的形成和消失過程不難看出，路網運行中的遞延傳導效應在客觀上賦予路網運行自調節能力，因此，也是一種整體協同效應。

2.3 周期規律性

鑒于路網功能級配結構和拓撲結構在一定時期具有相對穩定性，道路網的使用者(服務對象)和管理者對路網運行狀況有自己積累的經驗，加之路網自身運行過程中所具有的整體協同效應，因此，盡管路網運行過程中始終處于不間斷的波動狀態，但在總體上仍然呈現周期規律性，不僅表現在全網暢通水平(擁擠程度)、擁堵點段的空間分布、擁堵生成與消散過程的周期規律性，而且即便對某一具體路段或節點，其運行參數也同樣呈較為明顯的周期性變化(見圖4)。

圖2 擁塞點(瓶頸)形成與消散過程Fig.2 Congestion(bottleneck)formation and dissipation patterns

圖3 “瓶頸”形成—消散過程中流態更迭與通行能力的變化Fig.3 Traffic flow phase alternation and capacity change during congestion formation and dissipation

圖4 路網運行參數(以速度為例)的周期變化Fig.4 Periodicity of traffic flow parameters(i.e.speed)

3 基于道路“負荷度”(V/C)的路網評價理論缺陷和應用方法的局限性

迄今國內外仍在普通應用的道路運行評價方法，盡管具體的評價指標不盡相同，但都離不開C和V這兩個基礎數據。所依據的基本理論要點是:對于給定的道路和節點，其通行能力是個不變的常數，決定它們運行狀況(水平)的是V與C之比值(即負荷度)。因此，不妨把這一評價理論方法稱之為“負荷度評價”。

長期以來，人們既把負荷度評價理論方法用于道路或交叉口規劃設計階段的承載能力與服務水平的靜態評估，也把它用于道路或交叉口實時運行動態分析。不僅如此，在找不到新的評價方法之前，人們把這種本來只用于單一路段或節點作靜態負荷評價的理論方法搬用到路網系統實時動態評價。

負荷度評價理論方法的主要局限性在于以下幾點:

1)該理論方法基于一個假設前提，即任何情況下，給定C都是不變的常量。這個假設只在特定的車流流態下是成立的。

實際觀測表明，只有在自由流和穩定約束流前半段(亦即擁塞排隊現象未出現之前)，C才維持一個常量，一旦流量接近紊亂流態臨界點，擁塞排隊現象出現，在道路上形成通行瓶頸，C也隨之下降，直至為“0”，以致形成堵塞死點(如圖2和圖3所示)。

2)以負荷度評價理論方法建立的靜態分析模型中，流量的增長是不受通行能力約束的，因此常常會出現V/C≥1的評估結果。事實上，由于路網運行中遞延傳導效應，任何V都受通行能力的約束，并會隨C的變化而變化，始終不會出現V/C≥1的情況。

3)負荷度評價理論方法用于路網整體評價時，未考慮不同功能和技術等級的道路對路網整體運行水平所發揮作用的差異，也未考慮它們之間的交互制約動態關聯性。因此，只能給出在一個設定的出行O－D(即居民出行起止點，“O”為出發地，“D”為目的地)需求條件下，每條道路(路段)的V/C評估數值，無法給出路網整體運行水平評估指標。

4)負荷度評價方法無法反映路網運行中的隨機波動狀況。在不同的流態狀況下，V/C與道路實際運行效率(暢通程度)的對應關系是有差異的。與流量或負荷度相比較，行程車速對道路暢通度更為敏感，也能更加真實地反映道路運行動態。如圖5所示，在自由流和非穩定(紊亂)流兩種狀態下，車流運行速度離散程度都很高。換言之，在這兩種狀況下，對應于同一V/C值，實際運行隨機波動性幅度很大，負荷度評價無法真實反映這一狀況。

圖5 不同流態下速度—流量關系示意圖Fig.5 Speed and volume relationship during different traffic flow phases

5)負荷度評價所依據的V數據，無論選取的斷面間隔多密，在空間上仍然是不連續的。在數據采集的實際工作中，受設備投資等客觀條件制約，流量數據的實時采集對于整個路網的覆蓋率更是很難滿足路網實時整體動態評價需要。鑒于前面述及的路網運行特性，路網整體運行動態評價無疑要求基礎數據能夠在時間與空間上均連續、無盲區。不僅如此，作為路網運行狀態實時評價，現有宏觀靜態分析模型以出行O－D歷史數據為基礎依據的負荷度評價也是不適用的。

綜上所述，負荷度評價理論方法不能真實反映路網運行的實時動態特性，雖仍可用于單一道路或節點服務水平的靜態評估，但卻不適用于路網整體動態評價。

4 路網實時動態評價理論方法及關鍵技術

基于對路網運行特征和傳統負荷度評價理論方法局限性的分析，顯然需要尋求新的理論方法，圍繞“整體”和“動態”評價兩大目標，在關鍵技術上有所突破。

4.1 新的評價理論方法要點

1)把道路網整體暢通水平作為主要評價目標，以可覆蓋全網時空連續的運行特征參數——實時行程車速作為評價指標體系的基礎，以便能夠充分反映路網運行動態特性和流態可逆性更迭對路網運行狀態的影響。

2)充分顧及路網中不同功能等級道路流量—密度—速度關系的差異，分別確定對應于不同擁擠度的行程車速臨界閾值。

3)根據路網中每條道路和節點實時車流運行速度與上述閾值的對照，判斷它們的瞬時暢通程度(擁堵等級)。

4)根據不同功能等級道路在路網中實際分擔的負荷量(與里程比例、負荷能力相關)，分析其運行水平對路網整體運行水平的影響度(在路網整體評價指標計算中占有的權重)。

5)根據對路網中每個局部運行狀態(暢通度)的跟蹤評價，確定擁堵點段的實時空間位置以及擁堵“瓶頸”形成—持續—消失的起訖時間，并以不同權重計入路網擁堵狀況整體評價。

4.2 城市路網動態評價技術

城市路網動態評價指標體系是在考慮城市路網動態評價整體性和動態性的基本要求的前提下，提出從擁堵強度、擁堵范圍、擁堵時間、擁堵發生頻率和運行可靠性的“五維”角度，綜合描述交通擁堵的多維動態變化特征(見圖6)［1，2］。所采用的具體指標如下所示。

1)交通擁堵指數:綜合反映一日內不同時段城市道路網或區域道路網整體運行狀況的指標。

2)擁堵里程比例:道路網中不同擁堵等級路段里程占全網總里程的比例。這一指標從空間范圍上反映路網運行的暢通程度。

3)交通擁堵持續時間:一日內道路網處于輕度擁堵、中度擁堵和嚴重擁堵等級的持續時間。這一指標可以給出路網運行負荷高峰擁堵時段起訖時點的變化趨勢。

4)常發擁堵路段分布:道路網中按一定發生頻率周期性出現擁堵路段的數量及空間分布。這一指標可反映常發擁堵點段的空間分布及擁堵范圍擴展或回縮的變化趨勢。

圖6 “五維”擁堵評價體系Fig.6 “Five-dimensional”congestion performance evaluation structure

5)行程時間可靠性指數:該指數指由某一時間段路網中任意兩點間行程時間的波動幅度。反映道路網運行的穩定性(亦即可靠性)程度［3～5］。

其中“交通擁堵指數”是最核心的指標，它以路網中各類功能等級道路所承擔的負荷量VKT(vehicle kilometers of travel)為權重，在對路網各不同路段逐一按擁堵閾值分別確定擁堵等級的基礎上，計算全路網或特定區域路網擁堵里程比例，再依據擁堵里程比例與擁堵指數的函數關系建立的數學模型，計算全路網交通擁堵指數。

MR為道路網嚴重擁堵里程比例;MRi為第i等級道路的嚴重擁堵里程比例;VKTi為第i等級道路的車公里數權重;n為道路等級的數量，按照城市道路劃分標準(快速路、主干路、次干路和支路)。

4.3 關鍵技術

為建立這一新的評價理論方法體系，在幾項關鍵技術上取得成功突破，概況起來有以下幾項。

4.3.1 浮動車實時數據采集與處理

浮動車數據能夠獲取覆蓋全路網的車輛連續的行程速度數據，解決間斷數據存在盲區的問題。主要技術包括:

1)樣本規模的確定及數據有效性檢驗。浮動車樣本規模是決定實時采集數據有效性的重要因素。國外多采用基于交通流理論分析方法，但實踐證明按這一方法給出的樣本規模采樣，覆蓋率和數據有效性較差。筆者在多年的實踐探索中，找到一種基于浮動車的分布規律、仿真分析和實際數據抽樣相互校驗的方法，使實時采集數據的相對誤差控制在14%以內。

2)地圖匹配。地圖匹配是實時行程速度計算的重要基礎。國外主要采用簡單的點到線匹配方法，得到的僅是GPS瞬時速度，不能代表車輛行程速度。筆者在建立路網實時動態評價方法時，采用基于最優路徑的點到線地圖匹配算法，實現了前點與后點的關聯，有效解決了主輔路并行和立交匝道等復雜路網的地圖匹配難題，匹配準確性由通用算法的 70% 提高到 95.6%［5，6］。

4.3.2 路網運行動態分析數據的時空集成技術

路網運行狀態測度指標能夠評價任意路段在任意時刻的運行狀態，但是對路網的宏觀整體評價需要從時間上和空間上有機集成、綜合考慮。在時間分析上，為精確把握道路交通運行的波動性，要確定合理的樣本時間粒度。其次，對時間粒度進行集成，形成“小時－日－周－月－年”的時間集成機制。在空間分析上，要解決如何從具體路段的分析數據綜合集成為路網整體運行指標的難題。經反復實踐，最終確定以不同功能等級道路在路網中承擔的負荷量反映其對路網運行的貢獻度，并作為指標綜合的權重，這樣在空間上形成“路段－某等級道路－局部路網 －全路網”的立體評價空間集成平臺［7，8］。

4.3.3 指標閾值的標定

擁堵閾值的標定在國外主要是以實際運行速度與自由流速度(或期望速度)之比值為依據，并未考慮道路功能等級速度閾值的差異。筆者在對城市路網運行動態特性和功能特征深入分析的基礎上，提出綜合實際速度數據頻數分析和調查數據模糊隸屬度函數分析閾值標定方法，用以科學劃分不同功能等級道路的擁堵閾值。

5 城市路網運行動態評價技術應用

路網運行實時動態評價理論方法的建立，為交通戰略規劃、實時動態路網功況分析、系統短板診斷、路網功能級配結構優化、缺陷及成因分析等提供了全新的技術手段。

1)戰略規劃。在戰略規劃方面，改變了僅僅依靠負荷度評價的局面，利用該理論方法和技術可得到反映全路網整體運行狀態的指標，能夠支持制訂并評估交通發展戰略目標，分析城市交通發展的趨勢和癥結，評估各項行動措施對路網運行的影響，從而制訂科學合理的戰略規劃。

2)路網功能診斷。引導合理的土地利用方式、改善路網功能層次使用混亂狀況是路網結構調整的目標。利用該技術對車流行駛路徑的跟蹤分析技術，一方面可以判斷不同功能層次的道路是否發揮了其預期功能;另一方面，可有不同O－D、不同行程距離的出行使用各類功能等級道路的里程比例，判斷他們對機動性與可達性的不同要求，在此基礎上，對道路功能級配結構的合宜性作出界定，為路網結構優化提供可靠的基礎依據。此外，根據路網運行動態評價，可方便地找出系統短板(即路網頸點段)，分析其成因，從而對路網規劃、改擴建、微循環改善提供指導。

3)交通政策與運行管理方案評價。該技術為交通需求管理政策預評估和后評價、道路網運行方案效果評價、道路施工影響評價等提供了可靠的技術手段。通過對“中非論壇”和“好運北京”測試賽期間交通政策效果分析評價，對奧運需求管理政策、機動車限行數量、公共交通保障提出方案建議，并在奧運會后研究實施了常態化的每周少開一天車等需求管理政策［9］。為以后類似大型活動和日常交通保障奠定了基礎。

4)交通監測與誘導。該技術實現了對北京市五環路內路網的運行狀態實時監測，每5 min更新2萬多個路段路況信息，包括道路旅行速度、數據采集的樣本量和擁堵指數。可查詢城市每條道路在某一時間段內不同周期的交通變化情況。將全市或指定區域范圍在某一時間段內不同周期的交通狀況圖以動態的形式播放出來，形成非常直觀的交通狀況動態演變回放。同時，能夠對交通流信息進行短時預測，為交通流誘導奠定了技術基礎。奧運期間通過實時信息應用與動態導航，為1500輛奧運貴賓車輛提供實時信息服務。

［1］Sun Jianping，Wen Huimin，Gao Yong，et al.Metropolitan congestion performance measures based on mass floating car data［C］//Proceedings of the Second International Joint Conference on Computational Science and Optimization(CSO2009).USA:IEEE Computer Society Press，2009.

［2］全永燊，郭繼孚，關積珍，等.交通擁堵評價研究及北京交通擁堵評價的實證分析［C］//第三屆中國智能交通年會論文集.南京:東南大學出版社，2007:1－6.

［3］Shawn Turner，Rich Margiotta，Tim Lomax.Monitoring urban freeways in 2003:current conditions and trends from archived operations Data［R］.College Station:Texas Transportation Institute，2004.

［4］Shawn Turner，Rich Margiotta，Tim Lomax.Lessons learned:monitoring highway congestion and reliability using archived traffic detector data［R］.College Station:Texas Transportation Institute，2004.

［5］Wen Huimin，Liu Xuejie，Gao Yong.The distribution characteristic of travel time reliability in Beijing road network［C］//Proceedings of the Second International Joint Conference on Computational Science and Optimization(CSO2009)USA:IEEE Computer Society Press，2009

［6］朱麗云，郭繼孚，溫慧敏，等.一種適用于復雜城市路網的浮動車實時地圖匹配技術［J］.交通與計算機，2007，25(6):81－84.

［7］朱麗云，溫慧敏，孫建平.北京市浮動車交通狀況信息實時計算系統［J］.城市交通，2008，6(1):77－80.

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［9］溫慧敏，扈中偉，郭繼孚，等.奧運期間北京市道路網運行分析［J］.交通運輸系統工程與信息，2008，8(6):32－37.

Real-time dynamic evaluation of urban netword

Quan Yongshen，Guo Jifu，Wen Huimin，Sun Jianping

(Beijing Transportation Research Center，Beijing 100055)

This paper analyzes the dynamic nature of real-time traffic network performance measurement，with particular focus on random traffic flow fluctuation，traffic deferred conduction effect and traffic periodicity.The limitations of the traditional traffic network evaluation methods based on traffic V/C is discussed;followed by the presentation of a novel approach for real-time traffic network performance evaluation，which solves the previous technical issues such as data collection and processing with no blind region，dynamic spatial-temporal traffic network performance analysis and evaluation threshold calibration.The proposed approach is validated in a case study using the Beijing traffic network，which proves its rationality，efficiency and practicality.The implications of the research and methodologies presented in this paper provide new theories and perspectives for infrastructural planning，dynamic road network performance evaluation，etc.

real-time traffic performance evaluation;V/C evaluation;traffic deferred conduction effect;“five-dimensional”congestion index

U49

A

1009－1742(2011)01－0043－06

2010－11－01

國家重點基礎研究發展計劃973項目(2006CB705500);北京市科技計劃項目(D101100049710004、D07050600440704)

全永燊(1941—)，男，北京市人，教授級高級工程師，主要從事交通規劃、交通政策、交通發展戰略的研究工作;E － mail:quanys@bjtrc.org.cn