基于聚類分析的交通荷載分布特征研究

王春紅

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司、公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230011）

1 引言

交通荷載狀況對確定路面結構至關重要，直接影響路面使用壽命。由于地理位置、自然資源分布以及政治經濟條件的差異，不同地域的道路交通條件有所不同。《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）[1]將設計交通荷載等級分為輕、中等、重、特重和極重共5類。而在實際進行路面結構設計時，考慮到建設施工的方便性，除了按照規范要求劃分交通等級外，設計人員通常綜合考慮車流總量和貨車比重等因素，從廣義上將一個項目的交通壓力分為輕、中、重3個水平，進而來擬定與其水平相適應的路面結構。因此，對路面設計人員而言，有必要總結一定區域內的交通荷載分布特征，從而幫助設計人員在路面結構設計之前，快速掌握項目所在地交通荷載狀況，從而提高路面結構設計的準確性和工作效率。

本文采用聚類分析的方法，對華中地區某省域的道路交通分布進行分析，將該省高速公路的交通壓力水平進行劃片分級，并研究各級交通荷載水平和相關規范要求的關聯對等性，為設計人員進行類似的交通荷載分布研究提供技術參考。

2 數據獲取

收集2017年7月份某省約20條高速公路的交通量數據，累計交通斷面660個。該數據基本覆蓋了省內絕大部分的高速公路，能較好代表該省整體交通壓力分布。對各斷面的交通量數據進行匯總，統計得出月交通總量、月貨車交通量和貨車比例三項指標，如表1所示。

各高速公路不同斷面交通量統計結果（換算成小客車） 表1

從表1可以看出，各斷面的車輛總數和貨車比例等數據相差較大，尤其是貨車比例，最大相差4.5倍。因此，不同高速或斷面的交通壓力各有不同，路面結構設計時應區別對待，實行差異化、針對性設計。

3 基于MATLAB軟件的交通量數據聚類分析

聚類分析在道路工程的很多領域都有應用，是一種將數據集按照某種指導思想劃分為很多群組或者簇的過程。劃分的思想原則就是相同簇內的數據對象差距盡量的小，不同簇中的處理對象差距盡量的大，從而滿足聚類的結果。例如在針對交通擁堵、路網交通狀態等問題，通過將聚類分析方法與交通工程相結合，可以實現交通擁堵路段的識別、預測、擁堵程度分類[2]。

本文綜合考慮車輛總數、貨車總數與貨車比例三個影響因素，采用聚類分析軟件MATLAB軟件對表1中的匯總數據進行聚類分析運算，在MATLAB中建立三維分析矩陣。經過計算機聚類分析，將統計的660個斷面劃分成了3類，初步擬定為輕、中、重3個交通荷載水平，分別用綠色、黃色與紅色表示，劃分結果如圖1所示。設計人員將各斷面的分析結果按照不同顏色標注于高速公路網布局圖中，可以一目了然地掌握不同區域的交通壓力水平。

圖1 MATLAB聚類分析圖

分類后，各交通荷載水平下的交通量有明顯差異。重交通水平的交通量分別是輕交通水平的9倍、中交通水平的2倍。如圖2所示。

圖2 不同交通水平的交通量對比

交通量是影響瀝青路面使用狀況發展的重要外在因素。重載車會加速路面損傷，導致路面早期破壞提前出現。因此，路面結構設計應緊密結合交通量總體水平和重載車比重。對于交通總量和重載壓力不大的路段，可以適當降低瀝青層厚度，建議瀝青層厚度為15～16cm，以提高路面工程的經濟性，節省工程造價。而對于交通壓力大，重載車較多的路段，應適當提高瀝青層厚度至20cm以上，并且采用高溫穩定性好的材料，以改善路面結構的疲勞壽命，保證路面在使用期間良好的路用性能。對于中等交通量的路段，可以采用傳統的18cm的瀝青層。

4 交通壓力水平與規范的關聯對等性

為方便設計人員統籌掌握不同角度下的交通荷載狀況，本文研究了表2的分析結果和規范要求的對應關系。選取表1中的133個斷面，以2017年交通量數據為基礎，預估各斷面設計年限內累計大型客車和貨車交通量，然后按照規范要求確定各斷面交通荷載等級，從而得出兩者的對應關系如表2所示。

交通壓力水平等級和規范要求的對應關系 表2

表2對應結果表明，本文劃分的“輕”交通水平基本對應規范中的“輕”和“中等”交通等級，“中”交通水平基本對應規范中的“重”交通等級，“重”交通水平基本對應規范中的“特重”及以上交通等級。這種對應關系符合設計人員廣義認知的交通水平等級，也說明本文采用的聚類分析方法是可行的。

5 結語

為系統掌握一定區域內道路交通壓力分布狀況，本文采用聚類分析的方法，以車輛總數、貨車總數和貨車比例3指標作為分類因子，對高速公路若干交通斷面的交通數據進行聚類分析計算，將路網區域內的交通荷載分為輕、中、重3個水平，用以表征不同地域相應的交通壓力水平，從而為設計人員確定路面結構和材料選擇提供設計依據。

此外，本文還研究了聚類分析結果和規范要求的交通等級的對應關系。測算分析表明，文中采用的聚類分析方法與設計人員廣義認知的交通水平等級基本對應，可以在一定程度上反映一個地區的交通荷載分布，對于開展該地區路面結構設計和后期養護決策有很大指導意義。