基于改進“四階段法”的高速公路交通量預測研究

丁志坤，朱夢煉，宋義勇

(1.深圳大學 土木工程學院，廣東 深圳 518060；2.施偉拔咨詢(深圳)有限公司，廣東 深圳 518060)

基于改進“四階段法”的高速公路交通量預測研究

丁志坤1，朱夢煉1，宋義勇2

(1.深圳大學 土木工程學院，廣東 深圳 518060；2.施偉拔咨詢(深圳)有限公司，廣東 深圳 518060)

以“四階段法”為基礎，通過加入經濟-交通組合模型進行改進，提出了一種更為合理的交通量預測方法。并應用該方法預測了杭州繞城高速公路2015年—2029年年平均日交通量(annual average daily traffic, AADT)，并對交通量構成及來源進行分析。結果表明：該預測方法提高了高速公路交通量預測的準確性，減少了預測結果的誤差，具有理論與實踐應用價值。

道路工程；高速公路；四階段法；OD調查；彈性系數

交通量是高速公路建成后評價其規劃和管理的重要基礎數據，是確定公路水平、服務等級的重要參數[1]。對交通量進行預測是確定項目建設規模和標準的依據，是制定項目建設實施計劃、進行項目經濟評價及財務評價的基礎[2]，也是運營管理公司評估經濟營收、提高管理水平的一項重要工作，其預測地準確性具有重要的現實意義。

由于我國在交通預測方面的工作起步較晚，在交通量預測上呈現出一些技術上的和由于人們思想認識不一致、做法不統一而造成的人為上問題[3]。目前我國普遍采用的交通量預測方法是“四階段法”?！八碾A段法”包含交通生成(generation)、交通分布(distribution)、交通方式劃分(mode split)、交通分配(assignment)4個階段[4]?！八碾A段法”存在精度不夠，誤差較大，預測不夠準確等問題。

筆者針對傳統的“四階段法”的不足進行了改進。以杭州繞城高速公路為例，在原方法的基礎上融入了經濟-交通組合模型，預測出高速沿線不同區域的經濟增長系數；并結合交通時間彈性系數，預測出未來的交通增長系數；通過交通模型直接預測未來年平均日交通量(AADT)，最終基于回歸方法得出預測結果，使預測的未來AADT更加精確合理。

1 交通調查及分析

杭州繞城高速公路從1994年4月動工到2003年底全線貫通，公路全長123.5 km，設計速度為每小時100～120 km。

1.1 路網現狀

杭州繞城高速公路是國家高速公路網G25長深高速的重要組成部分，編號為G2501。筆者研究的杭州繞城高速包括西線的19 km和北、東、南三線的85.4 km，不包含杭金衢共用段的17 km。

1.2 OD調查

筆者采用機動車起訖點調查法(簡稱OD調查)與出入口交通量觀測法相結合的方式進行。為詳盡了解道路沿線的交通狀況，筆者在杭州繞城高速公路的13個收費站布置了24 h的OD調查點。并將調查詢問得到的地點整合成23個大區。23個大區的劃分主要考慮所研究公路的距離，同時兼顧地區經濟發展水平。為保障調查的準確性，對車輛進行分類，按車型分類標準將客車分為1～4類客車；將貨車分為1～7類貨車。然后通過24 h人工計數方式，按照不同車型、不同流向對交通量實施調查。最后整理分析所得的交通量基礎數據，為預測未來交通量奠定基礎。

2 交通量預測

2.1 預測概述

“四階段法”是目前交通行業內最為常用的預測方法，主要是以出行調查為基礎，由交通生成、交通分布、交通方式劃分和交通分配等4個階段組成。目前所使用的“四階段法”存在著一些不足而導致預測的交通量與實測交通量存在著較大差異。歸結原因主要有：①對轉移、誘增交通量的預測不夠準確；②經濟分析的角度不完整和分析的內容還不夠完善；③精度不夠，誤差較大等。

因此，筆者在研究傳統的交通量預測方法的基礎上，改進了傳統的“四階段法”，提出了適用于高速公路交通量預測的新思路，并應用到杭州繞城高速公路交通量預測研究中。

2.2 模型技術路線

筆者在交通調查的基礎上，按照周邊區域社會經濟發展水平，假定未來年的經濟增長率，以近年來機動車增長率為基礎，確定出未來年的交通增長率。在交通模型的基礎上，對設定小區內的交通生成和交通分布做出整理，同時確定出未來年各種類型車輛比例及交通流量特征。在道路最大斷面通行能力限制的條件下，將趨勢交通量與誘增轉移的交通量結合，得出最終預測結果。

為對杭州繞城高速公路未來交通量的增長進行準確預測，筆者建立了的社會經濟-交通組合模型，該模型可以分成兩個互相聯系的子模型，分別為：

1)經濟分析模型：分析經濟發展趨勢，用于確定未來交通增長率；

2)交通預測模型：用于校核及分配交通流量，分析分流及誘增情況。

2.3 經濟模型

2.3.1 經濟指標

經濟指標需要對每個交通小區進行分析。筆者將研究區域劃分成731個交通小區(traffic analysis zone，TAZ)，建立TAZ交通產生量與經濟指標的回歸模型，并將這些TAZ歸編成了23個大區，分析得出這23個大區的經濟指標增長值。同時，筆者收集了杭州繞城高速公路以及附近的各高速公路的歷史交通量，將這些交通產生量與研究公路關系最密切區域的經濟指標建立關系模型，即經濟-交通模型。最后把經濟增長值帶入模型中，得到每個TAZ未來年分車型的交通出行增長?？紤]各個區域指標獲得的難易程度，最后確定GDP作為與客、貨車增長相關的經濟指標，然后分別進行回歸分析。

Yn=a×X1+c

(1)

式中：Yn為出入口交通量的增長率；X1為直接影響區域(杭州市)歷史社會經濟指標GDP的增長率；a和c分別為彈性系數。

經過線性回歸分析的方法，確定出了經濟-交通增長模型中的各系數。

客車：a=0.813；c=0.001；

貨車：a=0.902；c=-0.01。

筆者主要依據“十二五”經濟發展目標來預計未來的經濟發展趨勢，以未來5年的GDP增長率作為未來趨勢的控制點。通過趨勢曲線，回歸分析各經濟分析區歷史數據，建立時間序列模型，并基于該模型預測23個大區的未來經濟指標(GDP)增長情況。如表1截取了10個地區的數據。

表1 未來年各經濟分析區GDP年增長率

(續表 1)

地區時 段2014—2015年2016—2020年2021—2025年2026—2030年2031—2035年淳安縣7.57543臨安市7.57543湖州市76.5543嘉興市7.56543寧波市7.57543全 國76543

2.3.2 時間彈性系數假設

彈性系數是交通增長率與國民經濟發展增長率之間的比例關系[5]，國內外經驗表明：經濟與交通的時間彈性系數在一定時期內(3～5年)是相對穩定的。當經濟處于較低水平時，運輸需求較大，經濟對運輸的依賴程度高，則時間彈性系數較大；當經濟發展到一定程度，運輸時間彈性系數呈下降趨勢。通過對國內多個省市高速公路的研究，采集多組交通量增長率和經濟增長率的數據，筆者分析發現時間彈性系數基本上保持在0.70～0.95之間。表2為時間彈性系數取值范圍。

2.4 交通模型建立

2.4.1 路 網

筆者采用浙江省高速公路與規劃網圖作為基本參照依據，建立基年交通模型路網，運用EMME/3建立交通供給模型，并在模型中輸入浙江省及周圍省份的路網。

表2 客貨車時間彈性系數取值范圍

2.4.2 流量延誤函數(volume delay functions, VDF)

車速決定行車時間的長短，而車速又與道路擁擠程度密不可分。但隨著交通量的不斷增加，在估計車速時，通過容量約束交通分配是很有必要的。通行力阻礙函數如式(2)：

PVDF=L×[60/vSf+A×(V/C-R1)+B×(V/C-R2)]

(2)

式中：PVDF為通行力阻礙函數；L為距離；vSf為自由流車速；V/C為飽和度；R1，R2為參數應用的飽和度范圍；A，B為模型參數。

2.4.3 未來年路網假設

為分析未來周邊高速路網變化對研究道路的誘增或分流影響，筆者收集了未來年周邊高速公路建設規劃，總結出未來路網，如表3。

表3 周邊高速公路網規劃建設情況

2.4.4 通行能力

對高速公路的通行能力構成影響的因素主要有設計標準(設計車速)、車型構成、交通量時間分布(高峰小時系數)、各種修正系數等。所研究公路的設計車速為100～120 km/h，由于繞城高速公路主要服務于杭州市的集散交通，現狀交通流量較為擁堵，其服務水平應為三級服務水平。根據國家公路規范標準，三級服務水平斷面的通行能力為1 800(pcu/車道)/h。通過整理計算調查數據，所研究公路的高峰小時系數PHF=7.65%。

因此，實際條件下的通行能力如式(3)：

C=C0×fw×fHV×fp

(3)

式中：C為實際條件下的通行能力；C0為一條道設計車速的基本通行能力；fw為受限車道寬度和側向凈空影響修正系數；fHV為大中型車輛修正系數；fp為駕駛員總體特征影響修正系數(通常取fp=1.00)。

通過整理收集數據得出：公路的受限車道寬度和側向凈空影響修正系數fw=1；駕駛員總體特征影響修正系數fp=1。計算得出大中型車的修正系數fHV=0.83；4車道的C=78 118輛/d；6車道C=117 176輛/天；8車道C=156 235輛/天。

2.4.5 岀行分配過程

筆者采用的交通分配方法，主要是以成本作為衡量標準，如行車距離、行車時間和行車成本(包括通行費用和運營成本)，這些影響道路車輛路徑的選擇。同時考慮了與所研究道路競爭的線路上的交通狀況，主要是考慮行車速度與擁堵程度。

某一路段的綜合成本可以用式(4)表示：

Gij=Tij+[Cij+Mij]/WVOT

(4)

式中：Gij為出行的綜合費；Tij為由交通區i到j所需的出行時間；Cij為由交通區i到j所需的出行成本；Mij是由交通區i到j所需的路費；WVOT為不同車輛類型的時間價值(value of time)。

2.4.6 誘增及分流交通量

誘增交通量是高速公路開通后，由于改善了路網結構，從而影響了區域經濟和產業布局，使道路兩側的土地使用性質發生變化而引發的新交通量[6]，誘增交通量和誘增型經濟增長量是相適應的[7]。在確定誘增交通增長與出行便利之間的彈性系數上，筆者根據經驗并結合平行國省道上車牌調查所得大致的地域分布情況進行確定。

誘增交通出行可由式(5)表示：

Di=di×[1+ci×f]

(5)

式中：Di為誘增OD出行量；di為誘增前OD出行量；ci為新道路開通后減少的出行成本比例；f為誘增彈性系數(由于杭州區域經濟發展已經趨于穩定，因此杭州繞城高速段的誘增系數f=0.2～0.3)。

3 交通量預測結果

表4截取了2014—2021年分車型的年平均日交通量預測結果。從表4預測結果對比分析來看：不同車型的年平均日交通量的變化是不一樣的。其中2017年的增長率最高達到5.70%，2019年的增長率最低達到-0.70%。

表5截取了2014—2021年從張家昄樞紐到勾莊斷面的分斷面，年平均日交通量的預測結果。從表5預測結果對比分析來看：不同斷面下年平均日交通量的變化是不一樣的，如：在截取的預測結果中張家昄樞紐-杭州南樞紐、五常-三墩年平均日交通量在逐年增長，其他斷面的年平均日交通量有增有減。

表4 研究路分車型年平均日交通量預測

表5 研究路分斷面年平均日交通量預測

4 結 語

隨著經濟的快速發展和科學技術水平的不斷提高，準確合理的路網規劃和公路建設應建立在掌握公路需求和車流發展趨勢的基礎上。對高速公路車流量的未來發展趨勢做出合理準確的預測是我國進行交通建設、發展交通科技的重要條件。

筆者在已有的研究成果中，對傳統的高速公路 “四階段法”進行了改進。通過建立社會-經濟模型和EMME/3路網交通模型，使用回歸法得出預測結果，提高了交通量預測的精度。

筆者提出的“四階段法”仍存在如下方面的問題需要進一步研究和完善：①高速公路交通量影響結果眾多，影響因素無法明確闡述；②對建立的經濟模型多數是經驗性的，對其合理性與否并未做深入研究；③影響交通量預測的各個參數與未來年實際結果可能存在一定的誤差需要進一步的探索總結，使預測結果更加科學。

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(責任編輯：劉 韜)

Traffic Forecast of Highway Based on Improved “Four-Stage Method”

DING Zhikun1, ZHU Menglian1, SONG Yiyong2

(1.College of Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong, P.R.China;2.WB Group International Limited, Shenzhen 518060, Guangdong, P.R.China)

Based on the “four-stage method”, a better traffic volume forecast method was proposed by adding the improved economic-traffic combination model. The proposed method was applied to predict annual average daily traffic (AADT) of Hangzhou highway from 2015 to 2029, and the composition and sources of traffic volume were also analyzed. The results indicate that the proposed forecast method has theoretical and practical value, which can improve the prediction accuracy of traffic volume and reduce the error of prediction results.

road engineering; highway; four-stage method; OD (origin destination) survey; elastic coefficient

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.15

2015-12-24；

2016-03-24

國家自然科學基金項目(71202101)；深圳大學人文社會科學青年教師扶持項目(17QNFC34)

丁志坤(1978—)，男，山東萊州人，副教授，博士，主要從事管理科學與工程方面的研究。E-mail: ddzk@szu.edu.cn。

朱夢煉(1992—)，女，貴州遵義人，碩士研究生，主要從事管理科學與工程方面的研究。E-mail：13728809775@163.com。

U491

A

1674-0696(2017)05-086-05