一種基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的高速公路網(wǎng)規(guī)劃合理性判斷方法

俞鵬飛，萬(wàn)超

（江西省交通投資集團(tuán)路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理公司養(yǎng)護(hù)技術(shù)中心，江西 南昌 330025）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路交通需求快速增長(zhǎng)，汽車(chē)保有量快速增加，呈現(xiàn)出公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)不足，交通擁堵問(wèn)題日益突出，安全性下降的突出問(wèn)題。交通擁堵帶來(lái)居民出行時(shí)間和成本增加，交通事故增多和大氣環(huán)境污染。因此，從公路交通運(yùn)行特征評(píng)價(jià)入手，不僅能輔助分析交通運(yùn)行不理想的原因，還可以對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

傳統(tǒng)的公路網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)方法中，大多采用年度為時(shí)間周期，指標(biāo)數(shù)據(jù)多為靜態(tài)數(shù)據(jù)的規(guī)劃方法，且應(yīng)對(duì)擁堵問(wèn)題使用的是加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的傳統(tǒng)解決辦法。其缺點(diǎn)在于評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)不足，分析粒度較為宏觀，規(guī)劃的傳統(tǒng)方案效果有限。

本方法采用了一種基于公路交通運(yùn)行特征進(jìn)行公路網(wǎng)規(guī)劃合理性判斷的方法，從時(shí)空上對(duì)路網(wǎng)和路段的運(yùn)行特征進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)獲取上，主要通過(guò)公路行業(yè)管理路網(wǎng)現(xiàn)狀和規(guī)劃數(shù)據(jù)、交調(diào)量調(diào)查站交通量數(shù)據(jù)，以及互聯(lián)網(wǎng)獲取的公開(kāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)易獲取、粒度小、時(shí)效性強(qiáng)、質(zhì)量好，評(píng)價(jià)方法經(jīng)過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證，有效、閉環(huán)且實(shí)操性強(qiáng)。

1 評(píng)價(jià)方法

本方法主要是針對(duì)省域內(nèi)高速公路路網(wǎng)的基于交通運(yùn)行特征的公路網(wǎng)規(guī)劃合理性評(píng)價(jià)。可以更清晰地掌握高速公路交通運(yùn)行規(guī)律，提供科學(xué)依據(jù)，為公路網(wǎng)交通規(guī)劃合理性提供重要參考。

總體評(píng)價(jià)方法流程如圖1所示，共分為三個(gè)階段，指標(biāo)選擇階段、單指標(biāo)評(píng)價(jià)階段和多指標(biāo)評(píng)價(jià)階段。

圖1 評(píng)價(jià)方法流程圖

指標(biāo)選擇階段的主要目標(biāo)是為高速公路交通運(yùn)行特征選擇評(píng)價(jià)的一套科學(xué)合理的指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系參考了國(guó)外和國(guó)內(nèi)的交通運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)，包括了交通服務(wù)水平類(lèi)、交通流參數(shù)類(lèi)、出行耗費(fèi)時(shí)間類(lèi)、交通擁堵類(lèi)和其他類(lèi)型的指標(biāo)，并結(jié)合了我國(guó)國(guó)情和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了取舍和創(chuàng)新。公路網(wǎng)規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)通常劃分為技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)和社會(huì)指標(biāo)四類(lèi)。本方法將技術(shù)指標(biāo)劃分為路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)和路網(wǎng)運(yùn)行特征指標(biāo)，主要應(yīng)用于路網(wǎng)運(yùn)行特征指標(biāo)。選擇指標(biāo)中，首先按照通用性指標(biāo)的選擇原則進(jìn)行選擇，其次，按照數(shù)據(jù)是否易于獲取進(jìn)行選擇，最終形成一套全面、科學(xué)、實(shí)用的指標(biāo)體系。

單指標(biāo)評(píng)價(jià)階段為將前一階段中計(jì)算的指標(biāo)體系中，分層級(jí)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立評(píng)價(jià)，建立干線公路運(yùn)行特征的評(píng)價(jià)體系。

多指標(biāo)評(píng)價(jià)階段是將多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合計(jì)算，得到路段交通運(yùn)行特征評(píng)價(jià)結(jié)果，再獲得路網(wǎng)評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)而評(píng)價(jià)公路網(wǎng)的交通運(yùn)行特征。然后，評(píng)估規(guī)劃公路的合理性、必要性和可行性，評(píng)估改善措施的方案（如路段、路網(wǎng)可從車(chē)速控制、主線控制、車(chē)型控制、交通誘導(dǎo)方面考慮），并且可以形成新的建議方案，進(jìn)入方案評(píng)價(jià)閉環(huán)。

最后可以得出按照路網(wǎng)運(yùn)行特征評(píng)價(jià)出的最合理方案并形成相關(guān)報(bào)告。

1.1 選擇指標(biāo)

本方法在參考國(guó)內(nèi)、外路網(wǎng)運(yùn)行特征評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)國(guó)情、工程實(shí)踐上動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)獲取的便捷性、評(píng)價(jià)的全面性、指標(biāo)的創(chuàng)新性，對(duì)路網(wǎng)運(yùn)行特征評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了構(gòu)建。在考慮到路網(wǎng)運(yùn)行微觀、中觀、宏觀特征上，從人、車(chē)、路、環(huán)境的角度提出了交通路況、交通氣象和交通事件三種一級(jí)分類(lèi)指標(biāo)。微觀特征選擇基本的交通運(yùn)行參數(shù)，中觀特征選擇常態(tài)和非常態(tài)的路段綜合服務(wù)水平，宏觀特征選擇路網(wǎng)-路線-路段三級(jí)區(qū)域路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀況。

（1）交通路況

高速公路交通運(yùn)行狀況信息的數(shù)據(jù)來(lái)源，包括傳統(tǒng)的交通量調(diào)查站、高速公路門(mén)架視頻抓拍數(shù)據(jù)和ETC通行數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)交通路況通過(guò)API提供的平均車(chē)速、自由流車(chē)速和擁堵?tīng)顟B(tài)[浮動(dòng)車(chē)軌跡，來(lái)源為手機(jī)客戶(hù)端、車(chē)載客戶(hù)端、物流車(chē)輛（三通一達(dá)、菜鳥(niǎo)網(wǎng)絡(luò)等）等]。交通量調(diào)查站可以獲取交通流量分布情況、車(chē)型結(jié)構(gòu)分布、交通量方向分布、交通量時(shí)間分布等。

（2）交通氣象

交通氣象的數(shù)據(jù)來(lái)源，主要包括傳統(tǒng)的交通量氣象站、共享接入的地方氣象部門(mén)數(shù)據(jù)、應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用經(jīng)過(guò)空間解算和匹配至行業(yè)管理高速公路路網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)交通氣象（國(guó)家氣象局、地方氣象局、國(guó)家水利部門(mén)、國(guó)家科技部門(mén)等）數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的交通量氣象站或傳感器在氣象條件惡劣路段、隧道安裝的能見(jiàn)度檢測(cè)儀、多要素氣象檢測(cè)儀等實(shí)時(shí)采集獲得的能見(jiàn)度、結(jié)冰、雨量等數(shù)據(jù)較少。

關(guān)注內(nèi)容通常涵蓋衛(wèi)星云圖、降水實(shí)況、中短期天氣預(yù)報(bào)，暴雨、暴雪、霧霾、寒潮、大風(fēng)、沙塵暴、高溫等氣象信息，地質(zhì)災(zāi)害范圍、區(qū)域和時(shí)間，以及地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型（如泥石流、滑坡、塌方）等，主要用于及時(shí)發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵路段（如氣象條件惡劣路段、事故易發(fā)路段、交通流量大路段、自然災(zāi)害頻發(fā)路段、特大橋和互通立交等）交通環(huán)境的變化情況和氣象狀況。

對(duì)于交通運(yùn)行，溫度能夠直接反映交通環(huán)境狀態(tài)的好壞，溫度明顯高于正常水平時(shí)，易引發(fā)車(chē)輛爆胎事故，一般可以判斷該地點(diǎn)或路段處于嚴(yán)重影響交通運(yùn)行的惡劣氣象狀態(tài)。溫度明顯低于正常水平時(shí)，易引發(fā)路面結(jié)冰，進(jìn)而引發(fā)交通事故，一般可以判斷該地點(diǎn)或路段處于嚴(yán)重影響交通運(yùn)行的惡劣氣象狀態(tài)。

（3）交通事件

交通事件的數(shù)據(jù)來(lái)源有四種。一種來(lái)源是傳統(tǒng)的行業(yè)填報(bào)，可人工采集異常事件信息，由養(yǎng)護(hù)或路政巡查人員、社會(huì)公眾人工填報(bào)或利用電話、短信、傳真、郵件等方式報(bào)送軟件系統(tǒng)，主要是由自下而上的填報(bào)系統(tǒng)、手機(jī)端APP或小程序進(jìn)行填報(bào)，其特點(diǎn)是權(quán)威性強(qiáng)，時(shí)效性不高；一種來(lái)源是可以利用“互聯(lián)網(wǎng)+”手段，獲知眾包事件和交警管制事件，其特點(diǎn)是時(shí)效性高，但眾包的權(quán)威性和準(zhǔn)確性欠佳；一種來(lái)源是由預(yù)警信息經(jīng)人工核對(duì)轉(zhuǎn)換后的事件，對(duì)自動(dòng)或人工采集的信息，經(jīng)過(guò)判斷可產(chǎn)生《公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與服務(wù)暫行技術(shù)要求》中的公路交通突發(fā)事件等級(jí)單項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)；最后一種來(lái)源來(lái)自視頻監(jiān)控，對(duì)攝像機(jī)采集的視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理和事件檢測(cè)，對(duì)異常交通事件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、記錄和預(yù)警。

1.2 單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

由于各個(gè)指標(biāo)的內(nèi)涵不同，且有各自的量綱，直接使用不同量綱的值進(jìn)行比較是沒(méi)有意義的。因此，為了便于后續(xù)的分析和處理，保證各個(gè)指標(biāo)之間具有等效性，使各個(gè)指標(biāo)無(wú)量綱化和歸一化。各指標(biāo)可分為如下4種類(lèi)型：區(qū)間型（落在某個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)為最佳）、定指標(biāo)型（越接近某個(gè)固定值為最佳）、極大型（值越大為最佳）、極小型（值越小為最佳）。對(duì)每種類(lèi)型使用不同的歸一化方法，將其歸一化為[0-1]區(qū)間內(nèi)的極大型無(wú)量綱指標(biāo)。（如圖2）

圖2 單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

1.3 多項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

多項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)將多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合計(jì)算。綜合計(jì)算的方式是由專(zhuān)家組確定指標(biāo)集的權(quán)重，即參考表1設(shè)一級(jí)指標(biāo)集U=(U1,U2,U3,…Un),其中U1、U2、U3是一級(jí)指標(biāo)，分別對(duì)應(yīng)路段1、路段2、路段3直到路段n。第一級(jí)指標(biāo)集可以由第二級(jí)指標(biāo)級(jí)Uij決定，第二級(jí)指標(biāo)集可以由第三級(jí)指標(biāo)集Uijk決定。一、二、三級(jí)權(quán)重集均滿足非負(fù)條件和權(quán)重和為1的條件。即Wu=(w1,w2,w3,…wn)，wi≥0且=1。

然后，構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣，得到路段交通運(yùn)行特征評(píng)價(jià)結(jié)果，再獲得路網(wǎng)評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)而評(píng)價(jià)公路網(wǎng)的交通運(yùn)行特征。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 技術(shù)路線

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境使用ArcGIS，數(shù)據(jù)庫(kù)使用PostgreSQL，后端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為JAVA,前端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為基于JavaScript的VUE3.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

數(shù)據(jù)庫(kù)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、公路網(wǎng)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要是行政管理區(qū)劃界，包括地市、區(qū)縣界。公路網(wǎng)數(shù)據(jù)包括現(xiàn)狀公路網(wǎng)和規(guī)劃公路網(wǎng)，路線屬性有路線名稱(chēng)、路線編碼、行車(chē)方向、起點(diǎn)樁號(hào)、止點(diǎn)樁號(hào)等。路網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)由公路網(wǎng)數(shù)據(jù)生成，高速公路的互通立交作為節(jié)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括路況、氣象和事件數(shù)據(jù)。路況數(shù)據(jù)來(lái)源于行業(yè)的收費(fèi)站及門(mén)架卡口數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（包括百度、高德）。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（中國(guó)氣象局及其他）。事件數(shù)據(jù)來(lái)源于行業(yè)上報(bào)數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（高德）。

2.2 功能說(shuō)明

電子地圖模塊：以圖層控制的方式顯示電子地圖，主要有基礎(chǔ)地理、現(xiàn)狀路網(wǎng)和規(guī)劃路網(wǎng)。基礎(chǔ)地理圖層和現(xiàn)狀路網(wǎng)圖層不可編輯，地圖可以放大、縮小、平移等操作。

指標(biāo)計(jì)算模塊：用戶(hù)選擇管理區(qū)劃類(lèi)型，選擇相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，通常選擇一個(gè)指標(biāo)或者選擇全部指標(biāo)。指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果以表格、電子地圖專(zhuān)題圖、報(bào)告的方式進(jìn)行展現(xiàn)。

歸一化模塊：用戶(hù)選擇相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行歸一化計(jì)算，通常選擇一個(gè)指標(biāo)或者選擇全部指標(biāo)。歸一化類(lèi)型、固定最佳值、區(qū)間最佳值可以由用戶(hù)進(jìn)行設(shè)置。歸一化指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果以表格、電子地圖專(zhuān)題圖、報(bào)告的方式進(jìn)行展現(xiàn)。

綜合對(duì)比模塊：用戶(hù)選擇不同方案的歸一化指標(biāo)矩陣進(jìn)行對(duì)比。至少為兩個(gè)方案。一般有兩種選擇，一是選擇規(guī)劃前后的矩陣進(jìn)行對(duì)比，二是選擇多種規(guī)劃方案進(jìn)行對(duì)比。多種方案的，采用熵值法進(jìn)行對(duì)比排序。對(duì)比結(jié)果以表格、報(bào)告的方式進(jìn)行展現(xiàn)。

系統(tǒng)管理模塊：主要是用戶(hù)、權(quán)限、密碼、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等配置管理。

3 總結(jié)

本方法以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中既能夠獲取又能夠反映運(yùn)行狀態(tài)的思路，對(duì)高速路網(wǎng)的各種空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從多個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、分析、對(duì)比，總結(jié)出一種獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)便捷、客觀、科學(xué)、實(shí)效的公路網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)方法。其優(yōu)勢(shì)在于評(píng)價(jià)時(shí)所需的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)易于獲取，質(zhì)量有保障、時(shí)效性好，整體的評(píng)價(jià)方法為閉環(huán)，因此得出的結(jié)論較為準(zhǔn)確。

本方法的創(chuàng)新之處在于應(yīng)用了“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，選擇了一套在實(shí)際中易于獲取數(shù)據(jù)的路網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)指標(biāo)并做了歸一化處理，然后進(jìn)行了綜合對(duì)比，形成了業(yè)務(wù)閉環(huán)，為最終形成最合理的基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的公路網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)提供了工程上實(shí)用的方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。