基于武漢市ETC系統的交通運行分析色譜圖

（武漢市交通發展戰略研究院，湖北武漢430017）

0 引言

隨著社會經濟水平和機動化水平的迅速提高以及交通需求的快速增長，中國大城市道路交通擁堵現象日益嚴重，武漢市也面臨同樣的交通問題。為了緩解城市交通擁堵，提高交通運行效率，輔助政府決策與交通規劃，北京、上海、廣州、深圳、杭州等城市建立了不同功能的交通信息系統，廣泛應用于城市交通規劃建設與管理，并取得了顯著效果。交通信息系統為解決交通問題提供了新思路和新手段，通過多方位數據融合分析，為制定有針對性的交通改善措施和實施方案、最大限度地提高交通系統的運行效率提供強大的技術支持。

武漢市于2010年開始交通信息系統的前期研究工作，2011年完成以浮動車系統、擁堵評價系統為核心的一期工程，并于2012年正式啟動以ETC流量分析子系統(以下簡稱“ETC系統”)、調查流量分析子系統、模型分析子系統和決策支持平臺為核心的二期工程。武漢市已成為中國首個全面安裝車輛電子標簽(Radio Frequency Indentification,RFID)的城市。目前，交通信息系統全面接入武漢市“七橋一隧”ETC過江實時流量數據。

1 ETC流量分析子系統

1.1 背景

武漢市自2011年7月1日開始對通過長江公路橋、長江隧道、白沙洲大橋、天興洲長江大橋、睛川橋、月湖橋、長豐橋的車輛按ETC方式征收通行費，同時停止使用原通行年費征收方式。2012年12月二七長江大橋也開始實施ETC收費。ETC系統能夠實現不停車電子收費功能，ETC電子標簽識別率達99%以上，車牌抓拍系統對未安裝電子標簽車輛的整體識別率達90%以上。

圖1 速度-流量曲線模型Fig.1 Speed-flow diagram

表1 速度等級劃分Tab.1 Speed categorization

表2 路段服務水平劃分Tab.2 Classification of roadway level of service

武漢市ETC系統的建立，為基于ETC數據的交通通道流量、運行速度、OD分布分析提供了條件。并且，較高的車輛電子標簽覆蓋率為未來分析武漢市全網的交通運行情況及出行時空分布帶來了契機，只需在足夠的點斷面(理論上覆蓋干路，具體視城市面積而定)安裝微波專用短程通信設備就可獲取大范圍流量、運行速度及OD分布等核心交通數據，因此，武漢市基于ETC系統的交通信息數據分析工作前景廣闊。

1.2 建設計劃

由于該系統需要在主要道路上布設ETC路側單元以實時監測道路流量信息，而路側單元的布設是一項大型的系統工程，因此，武漢市ETC流量分析子系統應分兩個階段進行建設：

1）先期接入現有“七橋一隧”過江流量數據，構建ETC分析系統框架；

2）分批次布設路側單元，進行全市主干路網的交通運行監測和OD推算。

2012年底，武漢市ETC流量分析子系統的建設已完成第一階段內容，目前正在進行第二階段路側單元的選址與論證，本文主要針對ETC流量分析子系統中交通運行分析色譜圖的構建進行分析，根據實時流量推導動態OD這一過程(第二階段)暫不作討論。

2 交通運行分析色譜圖

2.1 構建原因

ETC流量分析子系統能夠實時監測道路(目前僅為過江通道)流量信息，但不能反映通道的交通運行狀態。由于目前只有8個斷面的過江流量和車輛電子標簽數據，只能進行過江通道的OD分布推算，ETC流量分析子系統的功能難以充分發揮。因此，需要在第一階段從實時監測上尋找突破口，同時為判斷武漢市浮動車系統對于道路運行狀況監測的準確程度提供幫助。

常用的速度-流量模型為格林希爾治模型(Greenshields)[1]、Van Aerde四參數單一結構模型等，文獻[2]及文獻[3]等也對速度-流量關系進行了研究，表明不同模型的適用性以及城市道路與高速公路在暢行速度和車道通行能力上的區別等。

速度-流量模型主要反映道路暢通-飽和-擁堵-停滯的過程(見圖1)，但模型只大致劃分了擁擠區和非擁擠區，雖然有些學者也對交通狀態的運行區域進行了討論及劃分，但缺少定量的描述。同時，大多數情況下運用服務水平單一指標對道路運行狀況進行衡量不夠準確和全面，因此，本文通過流量、速度雙指標對道路運行狀況進行判斷，構建交通運行分析色譜圖。

2.2 數據來源

對過江通道進行交通運行判斷需要結合速度、流量兩項指標，因此，繪制速度-流量圖的主要數據源為：

1）道路運行實時車速。

主要來源于浮動車系統的道路實時車速數據。2011年，借助武漢市1.4萬臺出租汽車GPS數據，研發道路匹配算法，將運營出租汽車的車速轉換為城市道路運行的平均車速。同時，搜集約2萬份駕駛人擁堵感受調查數據，建立車速與擁堵指數之間的關系，以0～10的數值對擁堵指數進行量化：＜2為暢通，2～＜4為基本暢通，4～＜6為輕度擁堵，6～＜8為中度擁堵，8～10為嚴重擁堵。

2）ETC過江實時流量。

建立速度-流量關系需要有與道路實時平均車速相對應的流量。武漢市已收集“七橋一隧”的實時流量，本文主要通過接入ETC過江通道的實時流量數據，與浮動車系統得到的實時車速進行整合分析。

2.3 構建流程

1）構建速度-流量散點圖。

以實時車速為縱坐標，實時流量為橫坐標，15 min為時間間隔，構建約一個月時間的速度-流量散點圖。其中車速為斷面平均車速，流量為單車道平均流量，分析可能適用的模型(Greenshields或Van Aerde四參數單一結構模型)。

2）標定阻塞密度(Kj)和暢行速度(Vf)。

對原模型進行公式變換，得到車流阻塞密度(Kj)和暢行速度(Vf)值。

3）調整曲線。

由于樣本數據質量會直接影響參數的標定，因此標定完成后，需要對曲線參數進行校核，對暢行速度和單車道實際通行能力進行定性判斷和微調；

4）確定等級劃分標準。

建立速度-流量曲線后，需劃分色譜圖的區域，以確定道路運行狀況的分級標準并量化。

①速度等級劃分。

武漢市浮動車系統已制定完善了擁堵評價標準[5]，速度等級劃分沿用浮動車系統的分級標準，分為暢通、基本暢通、輕度擁堵、中度擁堵和嚴重擁堵五級，見表1。

由于速度與交通擁堵指數線性相關，因此需要根據指數的劃分標準確定不同運行狀況下速度的劃分標準。圖2為分段構建的線性相關模型，R為線性相關水平，圖中分段點均同時滿足兩端公式。

②流量等級劃分。

對速度進行等級劃分后，需要確定流量分級標準。通過流量與設計通行能力的比值即飽和度，劃分流量等級。本文采用常用的服務水平分級標準，見表2。

5）構建交通運行分析色譜圖。

通過速度和流量的等級劃分，可構建交通運行狀況方格網，并通過交叉分類進行定性判斷及微調，最終得到交通運行分析色譜圖，見圖3。

由橫坐標的流量和縱坐標的速度分級，得到基于速度-流量雙指標的網格色塊圖，根據某通道的散點位于的色塊，可綜合判斷該通道的交通運行狀態。該方法很大程度上避免了采用單一流量指標可能出現的對道路運行狀況的錯誤判斷，同時，根據散點圖的擬合情況，可得到具體通道的重要交通流參數(如暢行速度、實際最大流量等)。

2.4 主要應用

結合道路交通運行雙指標，對曲線圖進行詳細的區域色塊劃分，定量描述相應道路在任意時刻的交通運行狀態。構建交通運行分析色譜圖的作用為：

1）實時監測道路交通運行狀態；

圖3 交通運行分析色譜圖Fig.3 Traffic operations analysis chromatogram

圖4 武漢市主要ETC過江通道交通運行分析色譜圖Fig.4 Traffic operations analysis chromatogram on main crossing river tunnels in Wuhan

2） 通過交通運行分析色譜圖，實時對道路交通量過大、交通事故、極端天氣等交通異常情況(點落在不同顏色色塊，代表不同的道路服務水平)進行分析；

3）定量分析道路實際通行能力，為通道與道路規劃、運行評價提供依據；

4）分析道路或通道暢行速度，為道路限行車速的制定提供依據。

3 案例分析

通過可用的實時流量數據，針對武漢市主要ETC過江通道構建交通運行分析色譜圖(見圖4)。根據武漢市“七橋一隧”數據分析結果，可以得出以下結論：

1）在速度-流量模型的擬合過程中，對于已達到飽和狀態的道路，Greenshields模型具有較好的適用性；而對于全天運行暢通的路段或通道，可采用Van Aerde四參數單一結構模型。

2）在現有的通道方式(高架、地面或隧道)、橫斷面型式(4車道、6車道、8車道或有無非機動車道)、兩端銜接方式(立體交叉或平面交叉相銜接)條件下，長江公路橋、長江隧道、月湖橋已經處于飽和狀態(高峰流量無增長空間，并非某一時刻的狀態)；其他通道的通行能力尚未達到飽和狀態。

3）相同橫斷面型式的道路，平均單車道的實際通行能力也存在較大差異，其實際通行能力不僅與車道數有關，還與縱向坡度、通道方式、兩端銜接方式有很大關系。

4）通過構建交通運行分析色譜圖，不僅可以采用真實的數據擬合得到暢行速度和實際通行能力，而且可以實時掌握道路運行狀況并監測突發事件，對于道路交通規劃、設計和管理具有重大意義。

4 結語

本文綜合考慮流量和速度兩項指標，首次提出道路交通運行分析色譜圖，并以此為基礎建立ETC流量分析子系統。該系統對于完善道路交通規劃、指導城市道路設計、實時監測道路交通運行狀況和突發事件，具有一定實用價值。本文僅提出并簡要分析了基于交通運行分析色譜圖的ETC流量分析子系統，今后的研究將在以下幾個方面予以完善：1)對已有ETC通道中全天運行暢通的通道，進一步研究Van Aerde四參數單一結構模型的適用性；2)在對速度與流量進行等級劃分后，對于方格網中運行狀態的標定仍需要采取定性判斷，下一步將研究定量化的評價方法；3)分階段在主干路網上加設路側單元，獲取車輛出行OD信息，并以此為基礎進行車輛動態OD的推算。

∶

[1]Greenshields B D.A Study of Traffic Capacity[C]//NationalResearch Council.Highway Research Board Proceedings.Washington DC∶Highway Research Board,1935∶448-477.

[2]郭繼孚，全永燊，鄭猛.北京城市快速路速度流量研究[J].城市規劃，2000，11(3)：42-44.Guo Jifu,Quan Yongshen,Zheng Meng.Study on the Traffic Flow of the Expressway System in Beijing[J].City Planning Review,2000,11(3)∶42-44.

[3]高超，張勇.城市干道路段交通流速度－流量關系模型研究[J].道路交通與安全，2007，7(2)：18-20．

[4]劉金，李建忠.武漢市交通影響評價技術指標體系研究[R].武漢：武漢市交通發展戰略研究院，2008.

[5]李建忠，佘世英，朱麗云.武漢市交通信息系統(一期)系統詳細設計報告[R].武漢：武漢市交通發展戰略研究院，北京交通發展研究中心，2011.