基于模糊綜合評價的HOV車道綜合效益分析

王 瑜,李 勇

(1.四川交通職業技術學院，四川 成都 611130;2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610036)

0 引言

高容量車輛(High Occupancy Vehicle， HOV)車道最初在美國興起，相繼在加拿大、澳大利亞、英國等歐美發達國家廣泛采用。通過設置通行規則，有效提高道路使用效率，緩解交通擁堵[1]。2014年5月，HOV車道正式進入我國，無錫市首次設置HOV車道，允許3人及以上車輛通行。2015年7月，濟南市試點開通HOV車道，允許2人及以上乘員車輛、特種車輛在早晚高峰使用。隨后，成都市、大連市等均在具備設置條件的相應路段(一般為城市主干道或快速路)開通HOV車道，規定在工作日的早晚高峰使用。

國內外學者對于HOV車道的設置可行性、理論模型、設置方案、效益評價等進行了廣泛的研究。Huang等[2]考慮單獨駕車、合乘和地鐵出行方式，改進了既有的交通流均衡模型，并從經濟學角度分析了模型結果。 Kwon等[3]采用交通量檢測器收集數據，對HOV車道運行效果進行了全面分析評價。李春燕等[4]從宏觀和微觀層面分析了美國HOV車道的設置類型和運行方式，分析了在我國的適用性和可行性，并提出實用性建議。戶佐安等[5]通過分析HOV車道設置的影響因素，建立了路段的出行總效用模型，對比分析了方案實施前后的總效用差值。

目前，國內外大部分研究成果主要集中于HOV車道的可行性分析和理論模型建立，缺乏對HOV車道的實證分析。鑒于此，從社會經濟、交通效率、環境保護、出行滿意度4個方面建立HOV車道的綜合效益評價指標體系，以成都市為例，對HOV車道的綜合效益進行評價。

1 HOV車道評價指標體系的構建

HOV車道通過提高小汽車載客量，鼓勵合乘出行，減少道路車流量，提高道路資源利用率，解決交通擁堵和環境污染問題。為綜合性評價HOV車道的運行效果，從社會經濟、交通效率、環境保護、出行滿意度4個方面構建評價指標體系，見圖1。

圖1 綜合效益評價指標體系Fig.1 Comprehensive benefit evaluation indicator system

以下對HOV車道的綜合效益評價指標體系各項指標進行定義。

1.1 居民平均出行費用

居民平均出行費用以出行時間成本和燃油消耗成本為主，二者具有不同的當量，用時間價值和能源價值進行轉換，其計算公式為：

(1)

式中，U1為居民平均出行費用；T為平均出行時間；ε為時間價值參數,ε=45元/h；U2為單位車輛燃油消耗量；n為乘客數量；θ為能源價值參數,θ=8元/L。

1.2 單位車輛燃油消耗

單位車輛燃油消耗是居民出行成本的重要構成部分，與車輛運行速度有關，其計算公式為：

U2=T2×FC(V),

(2)

式中，T2為路段的車均行程時間;FC(V)為車輛每小時油耗模型。

根據相關研究，高峰時期車輛每小時油耗與車輛行駛速度的回歸模型為[6]：

(3)

式中T1為路段平均車速。

1.3 路段平均行程車速

路段平均行程車速是指在一定時間內通過路段觀測點的車速平均值，其計算公式為：

(4)

式中，T1為平均車速;N為統計時段里的觀測車數;Vi為第i輛車的瞬時車速。

1.4 路段車均行程時間

路段的車均行程時間是指在統計期內通過路段所需時間的平均值, 計算公式為：

(5)

式中，T2為路段的車均行程時間；n為統計期數；ti為統計時段車輛在該路段行程時間。

1.5 道路飽和度

道路飽和度用以衡量道路車流量和通行能力是否均衡，反映道路擁擠度，計算公式為[7]：

T3=q/C，

(6)

式中，T3為道路飽和度；q為路段最大車流量；C為該路段通行能力。

C=C0×γ，

(7)

式中，C0為道路理論通行能力；γ為折減系數。

1.6 車道均衡系數

車道均衡系數用來衡量各個車道利用率是否存在不均衡，計算公式為[8]：

(8)

式中，T4為車道均衡系數；q1為HOV車道的車流數；q2為普通車道的車流數；S為車道數。

1.7 單位車輛污染物平均排放濃度

機動車尾氣排放污染物平均濃度是重要的環境影響指標之一。通過回歸分析得到機動車尾氣排放量與速度的計算模型為[9]：

E1=-27.156×lnT1+138.941，

(9)

式中E1為單位車輛污染物排放量。

1.8 車道交通噪聲超標率

以HOV車道兩側白天平均噪聲不大于70 dB、夜間噪聲不大于55 dB為標準，車道交通噪聲超標率的計算公式為[10]：

(10)

式中，E2為噪聲超標率；L0為噪聲超標里程；L為HOV車道的設計里程。

1.9 公眾接受度

公眾接受度作為定性指標，通過問卷調查的形式，將定性指標定量化，得到公眾接受度指標值S1。

1.10 服務可靠性

為衡量HOV車道的服務可靠性，引入無量綱路段行程時間變異系數，反映HOV車道運行過程的均衡性、穩定性。當變異系數為0時，數據服從均勻分布，無波動；當變異系數越大時，波動性越大繼而穩定性越差。

(11)

式中，S2為道路運行時間變異系數；σT為道路運行時間標準差；ΔT為道路運行時間平均值。

2 HOV車道模糊綜合評價模型的建立

采用模糊綜合評價法對HOV車道進行綜合效益評價。一是使用熵權法確定指標權重，熵權法通過數據之間的差異來確定指標的權重，較為客觀地反映某項指標在指標體系中的重要性。二是以模糊數學為基礎，應用模糊合成原理，綜合多個因素對被評價對象進行模糊綜合評價[10]。

2.1 熵權法確定指標權重

2.1.1設m個評價指標對n個評估對象進行評估，構建判斷矩陣P[11]

(12)

式中，pij為第i個評價指標對第j個評估對象的值。

對pij進行標準化處理得到：

(13)

式中tij為pij標準化后的指標數據。

2.1.2定義第i項指標的熵值

(14)

(15)

式中，di為第i項指標的熵值；hij為第i個評價指標對第j個評估對象的特征比重值，當hij時，令lnhij。

2.1.3計算熵權

(16)

式中Wi為第i項指標的權重。

2.2 構建評價指標的隸屬度函數

將HOV車道運行效益劃分為優秀、良好、一般、較差、差5大類，并分別用P1，P2，P3，P4，P5表示，則得到判斷集P={P1,P2,P3,P4,P5}。根據評價路段的道路等級情況，結合《城市道路交通運行評價指標體系》(DB11/T 785—2011)對相關指標的規定，作為判斷依據，確立HOV車道運行效益評價的隸屬度評價值[12]，如表1所示。

表1 評價指標的隸屬度Tab.1 Membership degrees of evaluation indicators

HOV車道運行效益水平沒有明確的分界線，存在一定的模糊性。因梯形隸屬度函數具有平緩穩定的特性，故將其作為隸屬度函數，結合表2數據，建立以下各隸屬度函數[13-15]。

居民平均出行費用為定量指標，最優評價結果為最小值，定義為負指標，其隸屬度函數為：

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

2.2.2單位車輛燃油消耗的隸屬度函數

居民平均出行費用為定量指標，最優評價結果為最小值，定義為負指標，其隸屬度函數為：

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

2.2.3路段平均行程車速的隸屬度函數

路段平均行程車速為定量指標，最優評價結果為最大值，定義為正指標，其隸屬度函數為：

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

納入標準：①年齡18歲及以上的近視和散光患者；②球鏡度＞-6.00 D，柱鏡度＜ 2.00 D；③屈光度數穩定2年以上，每年變化＜0.5 D；④角膜地形圖檢查正常；⑤軟性角膜接觸鏡停戴1～2周，硬性角膜接觸鏡停戴3～4周，角膜塑形鏡停戴3個月以上。

2.2.4路段車均行程時間的隸屬度函數

路段車均行程時間為定量指標，最優評價結果為最小值，定義為負指標，其隸屬度函數為：

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

2.2.5道路飽和度的隸屬度函數

道路飽和度為定量指標，最優評價結果為最小值，定義為負指標，其隸屬度函數為：

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

2.2.6道路均衡系數的隸屬度函數

道路均衡系數為定量指標，最優評價結果為最大值，定義為正指標，其隸屬度函數為：

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

2.2.7單位車輛污染物平均排放濃度隸屬度函數

單位車輛污染物平均排放濃度為定量指標，最優評價結果為最小值，定義為負指標，其隸屬度函數為：

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

2.2.8交通噪聲超標率的隸屬度函數

交通噪聲超標率為定量指標，最優評價結果為最小值，定義為負指標，其隸屬度函數為：

(52)

(53)

(54)

(55)

(56)

2.2.9公眾接受度的隸屬度函數

公眾接受度為定性指標，將其定量化，最優評價結果為最大值，定義為正指標，其隸屬度函數為：

(57)

(58)

(59)

(60)

(61)

2.2.10服務可靠性的隸屬度函數

服務可靠性為定量指標，最優評價結果為最小值，定義為負指標，其隸屬度函數為：

(62)

(63)

(64)

(65)

(66)

2.3 構建模糊綜合評價模型

2.3.1單因素判斷

根據上述構建的評價指標隸屬度函數，結合路段運行數據，對各指標進行單因素獨立影響評判，得到評判矩陣F[16-17]。

(67)

2.3.2綜合評價

將評價指標的權重向量W與評判矩陣F進行模糊運算，得到綜合評價集V[18]。

V=W×F=[ν1,ν2,ν3,ν4,ν5]。

(68)

2.3.3確定評價結果

將結果量化，采用加權平均法計算最終評價結果[19]。令判斷集{P1,P2,P3,P4,P5}={1，2，3，4，5}，則：

(69)

式中R為最終評價值。

3 成都HOV車道的綜合效益評價

從2017年1月起，成都市在3處路段設立HOV車道。一是科華南路由南向北方向(以下簡稱路段a)；二是天府大道南一、二段由南向北方向(以下簡稱路段b)；三是自2018年12月，劍南大道南段(以下簡稱路段c)。通過現場交通調查，將評價路段早晚高峰交通運行數據統計，見表2、表3。

表2 各路段早高峰交通運行數據Tab.2 Traffic operation data of each section in morning rush hour

表3 各路段晚高峰交通運行數據Tab.3 Traffic operation data of each section in evening rush hour

同時，通過對周邊區域居民出行使用HOV車道的滿意度進行問卷調查，獲得有效統計結果，見表4。

表4 路段HOV車道的滿意度(單位: %)Tab.4 Satisfaction degree of HOV lane in section (unit: %)

結合表2～表4的基礎數據，通過前述的指標計算公式，得到3處路段HOV車道的早、晚高峰指標值, 如表5～表7所示。

表5 路段a的HOV車道指標值Tab.5 Indicators of HOV lane in section a

表6 路段b的HOV車道指標值Tab.6 Indicators of HOV lane in section b

3.1 模糊綜合評價

3.1.1熵權法確定權重

根據前述方法，結合表5～表7路段指標數據，計算評價指標的權重。

表7 路段c的HOV車道指標值Tab.7 Indicators of HOV lane in section c

W=[0.29 0.1 0.19 0.13 0.07 0.06 0.07 0.01 0.05 0.03]。

由此看出，居民平均出行費用、行程車速、行程時間、車輛油耗是影響路段運行效益的重要因素。

3.1.2隸屬度函數計算

3.1.3綜合評價

3.1.4確定評價結果

運用上述過程，同樣計算路段b、路段c的HOV車道早晚高峰綜合評價結果，得到：

3.2 成都HOV車道綜合效益評價結果分析

R作為最終評價值，R的數值越小，代表綜合運行效益越優秀。根據前文計算的HOV路段綜合評價指數，對評價結果進行分析，見表8。

表8 HOV車道的綜合效益評價值Tab.8 Comprehensive benefit evaluation value of HOV lane

3.2.1結果分析

(1)由表8所示，總體上運行情況良好，且早高峰優于晚高峰。成都HOV車道從社會經濟、交通效率、環境保護、出行滿意度4個方面總體評價結果為一般及良好，且早高峰運行情況均優于晚高峰。

(2)路段b的HOV車道運行效益最優。具體來看，路段b道路整體較為通暢，道路飽和度在50%左右，交通運行狀態良好，車流速度基本能達到70 km/h 及以上，各項指標均處于較優的狀態，出行者滿意度較高。

(3)路段c的HOV車道運行效益較差。具體來看，路段c道路資源有限，交通出行需求較大，道路飽和度較高，且部分路段有施工現場，影響道路交通效率。同時道路監管較難，部分單乘員車輛進入HOV車道行駛，影響了綜合運行效益。該路段HOV車道設置區間較短，難以體現優勢。

(4)路段a的HOV車道運行效益穩定。路段a的HOV車道運行情況較為穩定，HOV車道優勢逐漸突出，綜合運行效益評價為良好。

3.2.2對比分析

運用同樣的方法，計算3個路段普通車道的運行效益，結果見表9。

表9 路段的運行效益評價值

(1)路段b的普通車道運行效益與HOV車道相比差別不大，目前設置必要性不強，可進一步預測未來交通量分析該路段設置HOV車道的可行性。

(2)路段c的HOV車道處于運行初期，普通車道擁擠度加劇。路段c的HOV車道方案運行時間較短，普通車道數量減少，HOV車道優勢未突出，難以改變居民的出行習慣，反而加劇了普通車道的擁擠度。隨著方案推進，HOV車道優勢和特權效益會更突出，道路運行效益會逐漸產生變化。

(3)從改善交通效率來看，路段a的HOV車道運行效率提高了60%～80%，路段c的HOV車道運行效率提高了55%左右，路段a的改善效果相比其他路段更突出。

4 結論

HOV車道在運行初期運行效率優勢不突出，公眾接受度較低，普通車道數減少反而加劇擁堵；隨著方案的推進，HOV車道帶來的特權效益和運行優勢日益突出，會逐漸改變居民出行習慣。成都市已實施HOV車道的運行情況表明，從社會經濟、交通效率、環境影響、出行滿意度來綜合衡量HOV車道運行效益，路段a、路段b均為良好，路段c為一般。同時，對比同路段HOV車道和普通車道，路段a、路段c的HOV車道綜合效益優于普通車道，改善效果明顯；路段b的HOV車道和普通車道綜合效益區別不大，設置必要性不強。

部分路段的HOV車道改善效果不佳，存在以下原因：(1)道路條件不足，運行環境不好，出行需求較大，道路本身處于超飽和運行狀態；(2)部分路段HOV車道的設置方案不太合理；(3)HOV車道方案的運行時間短，居民對HOV車道了解程度不高，難以改變出行習慣；(4)監管較難，部分單乘員車輛違規行駛HOV車道，影響了運行效率。

針對實施過程中存在的問題，提出以下建議：

(1)改進既有HOV車道運行方案。

路段b普通車道和HOV車道的運行效益區別不大，設置必要性不強，應滿足設置HOV車道的基本條件為2人以上車輛占比總流量的30%以上。該路段目前HOV車道設置地點居民出行量較少，可考慮調整現有HOV車道設置的位置?，F行方案的設置區間長度為5 km，相對較短，難以體現HOV車道的優勢，從而改變居民出行方式，可考慮增加HOV車道的區間長度。

路段c的HOV車道運行效益不理想，應對多乘員數量(現行2人及以上適用)進行調整，當HOV車道平均載客為1.4人/veh以上時，HOV車道的準入標準應調整為3人/veh及以上的標準，同時考慮路段c道路資源有限等情況，可考慮不單獨設置HOV車道、與其他專用道共用等方式。

(2)加強HOV車道的宣傳，讓居民了解HOV車道的出行優勢，提高公眾接受度。

(3)加強道路監管，提高違法違規成本，保障HOV車道能夠有效實施。

(4)規范合乘行為、建立信息共享。

制訂相應法律法規來規范居民的合乘行為，保障合乘出行者的合法權益，營造良好的合乘環境。同時，構建居民出行需求共享平臺，以有效促進資源的合理分配，提高居民合乘出行便利性。