基于城市交通擁塞的區域路網服務退化指數研究

胡立偉，孟 玲，祁首銘，張亞平,羅振武

(1. 昆明理工大學 交通工程學院, 云南 昆明 650500; 2. 哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引 言

城市道路交通擁塞已經成為涉及每個人切身利益，有待解決的難點、重點問題。交通擁堵現象對每個城市的影響體現在多個方面：車輛運行速度下降、路網服務水平和道路通行能力的降低，同時會造成能源與時空資源的浪費、環境污染等，同時更容易引發交通安全事故，使社會成本、經濟成本、產生巨大損失，人們的健康也受到極大威脅。因此，采取適合的道路交通擁塞評價方法，來評定不同的影響程度，從而針對不同影響程度相應地找到適合的控制策略顯得至關重要。

國內外眾多學者對路網容量問題和道路服務水平進行了有意義的探索。HAI Yang等[1]將排隊度、道路通行能力等作為約束條件，研究路網服務水平；S. S. LEE等[2]通過仿真技術模擬真實交通環境，研究了交通延誤和路網容量問題；WU N等[3]綜合考慮了路網內交通的分流、交織等不同情況，建立了綜合計算模型以評價道路服務水平；謝輝等[4]以路網容量最大化為目標，建立了路網容量評估模型；郭佳寧等[5]考慮了資源的時空性和城市交通的需求，對路網容量基本模型進行改進，得到不同條件下的車速閾值，并對道路網的服務水平進行了評價；陸容[6]對道路服務水平與路網儲備容量的關系進行分析，通過構建雙層規劃模型，得到道路服務水平與路網儲備容量存在正相關的結論；胡立偉等[7]通過研究路網容量和道路服務水平的關系，并通過自組織理論的研究構建了自疏散模型；鄧俊俊[8]討論了影響路網容量內部和外部的主要因素，建立基于運行質量的路網容量計算模型，并給出路網潛在瓶頸路段的識別方法，有效提升道路服務水平。

國內外許多機構也采取不同交通指數對交通擁塞情況進行了評價。美國Texas交通研究所在1994年首先提出交通擁堵指數RCI，將日均行駛距離與車道長度之比看作評價交通狀況指標；歐洲大部分國家從2010年開始使用INRIX Index指標。在國內，北京市于2011年4月正式發布了《城市道路交通運行評價指標體系》[9]，深圳市于2012年發布了城市交通運行指數，廣州市于2013年3月公布了《城市道路交通運行評價指標體系(征求意見稿)》[10]，這些都能客觀說明城市道路網的運行狀態越來越受到關注。

城市交通擁塞已經不再是若干相鄰路段的問題，而是整個路網的問題。以往的研究對擁塞成因分析、擁塞控制方法等方面有較為深入的研究，但對于路網整體性的分析缺乏有益的探索。借鑒已有研究，將道路交通擁塞的狀態按照通暢、擁擠、擁堵、堵塞4個級別進行劃分，并提出一個新的概念——區域路網服務退化指數(SDI)，基于改進的AHM模型建立分析模型，以擁塞退化的程度來評價路網的服務水平。

1 區域路網服務退化指數的概念及影響指標分析

1.1 道路交通擁塞狀態的劃分

目前國際上沒有對交通擁塞的標準定義，而且過往的研究只關注擁堵的本身，沒有考慮車輛運行中的變化。為了進一步探究城市道路交通擁塞的演變規律，筆者將從動態變化過程的視角出發，對城市道路交通擁塞演變過程進行分析。

在道路發生擁塞時，必然有誘發擁塞的源點，定義誘發交通擁塞的源點為“擁塞核”，當產生交通擁塞時，擁塞輻射波由內部向外部進行傳遞，但其輻射程度逐漸遞減。輻射波向外輻射可以看作是一種內應力f(x)，它變化的過程反映了擁塞核對當時交通的影響過程，它的大小也決定著交通擁塞的影響范圍。根據內應力的變化過程，將交通擁塞狀態動態劃分為堵塞、擁堵、擁擠、通暢4個過程，不同狀態的示意圖由圖1。根據交通擁塞從產生到消散的全過程，f(x)與交通密度k、行駛速度v和行駛時間t存在影響關系，構建概念模型如式(1)：

f(x)=G(k，v，t)

(1)

式中：k為交通密度，pcu/km；v為行駛速度,km/h；t為行駛時間,h。

圖1 不同交通擁塞狀態示意Fig. 1 Schematic diagram of different traffic congestion status

1.2 SDI的定義

在城市主干路所圍成的區域內，若某一點產生擁塞核并且逐漸擴散，其輻射影響范圍使區域路網服務水平降低，由此稱為區域路網服務退化，用SDI對整個過程進行評價。將不同的SDI與不同程度的擁堵退化相對應，宏觀評價區域路網的服務水平。

1.3 SDI影響因素分析

道路服務水平通常會受到不同道路、交通條件等因素的影響，為了更好地分析道路服務能力和評價道路服務質量，選取即時道路飽和度(V/C)、擁堵延時指數β、自由度、交通量以及空間占用率5個指標對區域路網服務水平進行評價。

1.3.1 即時道路飽和度(V/C)

參考我國對道路服務水平劃分標準與HCM，當V/C超過1時即為堵塞，如式(2)：

(2)

式中：C為設計道路容量，pcu；V為即時道路容量，pcu；α為即時道路飽和度。

構建以α為劃分標準的關系表，如表1。

表1 α值與城市道路服務水平等級關系Table 1 Relationship between α value and urban road service level

1.3.2 擁堵延時指數β

將車輛實際運行的平均時間與其在自由流狀態下所用平均時間之比定義擁堵延時指數。車輛實際運行的平均時間及其在自由流狀態下所用平均時間的計算方法分別如式(3)和式(4):

(3)

(4)

式中：TR為車輛實際運行的平均時間，s；T0為車輛自由流狀態下運行的平均時間，s；V(tφ)為各調查路段對應的平均速度，km/h；v′(tφ)為各調查路段對應的設計速度，km/h；φ為調查路段數；S為各路段長度，km。

式(5)為擁堵延時指數的計算方法：

(5)

式中：β為擁堵延時指數，構建以β為分級標準的關系表，如表2。

表2 β值與城市道路服務水平等級關系Table 2 Relationship between β value and urban road service level

1.3.3 自由度

車輛實際運行速度與其在自由流條件下運行速度之比即為自由度。計算方法如式(6)：

(6)

式中：γ為自由度；vs為車輛行駛區間平均車速，km/h；v0為自由流條件下行駛速度，km/h。

構建以γ為劃分標準的關系表，如表3。

表3 γ值與城市道路服務水平等級關系Table 3 Relationship between γ value and urban road service level

1.3.4 交通量

筆者只考慮路網內機動車的交通量。如式(7)：

(7)

式中：qc為交通量，pcu/h；Xa為測試車沿逆測定方向行駛時，與測試車對向行駛的車量數，pcu；Yc為測試車沿測定方向上行駛時，超越測試車的車輛數減去被測試車超越的車輛數，pcu；ta為測試車與待測定車流方向反向行駛時的行駛時間，min；tc為測試車順待測定車流方向行駛時的行駛時間，min。

構建以qc為劃分標準的關系表，如表4。

表4 qc值與城市道路服務水平等級關系Table 4 Relationship between qc value and urban road service level

1.3.5 空間占用率

交通密度通常用車輛在道路上的占用率來衡量，車輛占用率愈高，交通密度愈大。車輛占用率分為空間占用率和時間占用率，筆者采用空間占用率表征密度。空間占用率R計算式如式(8)：

(8)

式中：R為空間占用率；L為各觀測路段總長度，m；li為第i輛車的長度，m；n為觀測路段車輛數量。

將所有車輛標準換算為小汽車，根據國標規定標準化小汽車長度為3.5 m。構建以R為劃分標準的關系級表，如表5。

表5 R值與城市道路服務水平等級關系Table 5 Relationship between R value and urban road service level

2 區域路網服務退化指數模型構建

2.1 SDI影響指標判斷矩陣構建

基于改進AHM模型，考慮道路狀態、擁塞狀態、交通要素等因素，選取即時交通飽和度、擁堵延時指數、自由度、交通量以及空間占用率等指標構建評價體系，經權重計算和一致性檢驗后，得到相應評價指標體系權重計算表，如表6。

表6 道路服務水平評價指標體系權重計算Table 6 Weight calculation of evaluation index system of road service level

2.2 SDI模型構建

建立SDI分析模型時借用Logistic分析法，首先采用數據歸一法將SDI的取值范圍限定在(0,1)內。分別設即時交通飽和度、擁堵延時指數β、自由度γ、交通量qc、空間占用率R所占的權重分別為a、b、c、d、e，在各種達到堵塞臨界條件時，值分別為αmax、βmax、γmax、qcmax、Rmax，設區域路網服務退化指數為y，則有：

(9)

將各自權重及計算式帶入式(9)，得到式(10)：

(10)

結合上文可以得出一個關于區域路網服務水平分級表，同理將區域路網服務水平分為4個級別，從Ⅰ級到Ⅳ級分別代表通暢、擁擠、擁堵、堵塞，如表7。

表7 交通擁塞環境下區域路網服務退化指數Table 7 Degradation index table of regional road network service in traffic congestion

當y值處于0至0.4時，道路服務水平較好，所有車輛將會通暢行駛，隨著y值逐漸增大，區域路網的服務水平會逐漸退化，直至堵塞狀態時，區域路網將癱瘓，其服務水平也退化最低。將區域路網服務退化的不同程度與HCM中道路服務水平對應，得到圖2。

圖2 不同服務退化程度與道路服務水平關系示意Fig. 2 Schematic diagram of the relationship between different service degradation levels and road service levels

3 實例驗證

以昆明市青年路時代廣場至昆明動物園整條路網為例進行SDI計算，以驗證模型的正確性和適用性。通過實地調查，采集不同時段路網區域內所需指標數據，如行程時間、斷面流量、信號周期時長、路段長度等信息，將信息采集結果相關數據經過處理后帶入式(9)，根據道路服務水平第Ⅳ級的最小值來取值，也就是αmax、βmax、γmax、qcmax、Rmax分別取值為0.75、6f、10、1 900、80%，故此所選區域路網交通服務退化指數y1計算如下：

即根據表7有青年路時代廣場至昆明動物園整條路網的服務退化水平為Ⅲ級服務退化，即是處于擁堵狀態。

同理將區域路網服務退化評價模型用于金碧路，即可計算出該區域的道路服務水平，設該區域路網交通服務退化指數為y2，帶入數據計算得y2=0.687 4。

同理，根據的計算結果y2和表7的分級情況對照表，可以得出金碧路的道路服務水平為Ⅲ級服務退化，即是處于擁堵狀態，驗證的結果基本符合區域路網的交通運行狀態，故此模型具有良好的適用性，可以用來宏觀評價城市交通運行態勢和道路服務水平。

4 結 語

劃分了道路交通擁塞的狀態，首次提出了區域路網服務退化指數的概念，基于改進的AHM方法通過5個評價指標構建了區域路網服務退化分析模型，以服務退化程度為依據度對城市道路交通擁塞進行宏觀評價。通過昆明市的部分路網調查數據進行驗證，得到了路網的服務退化程度，且與實際的情況一致，表明區域路網服務退化指數具有良好的適用性。從路網整體性的角度出發，為從宏觀層面評價城市道路交通擁塞程度提供了新的方法，并且為改善交通環境、提高交通管理水平貢獻力量。