滬寧高速公路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)及通行能力提升策略

楊 陽

(江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京市 211008)

0 引言

目前，高速公路運(yùn)行狀態(tài)分析方法主要有HCM2016、基本圖理論和三相交通流理論，在雙向四車道及多車道高速公路中均可采用。HCM2016將上游到達(dá)率、交通瓶頸和下游交通狀態(tài)作為主要因素進(jìn)行高速公路交通流狀態(tài)的劃分。基本圖是根據(jù)交通流流量、速度與密度三參數(shù)之間的相互關(guān)系確定交通流狀態(tài)。Duret[1]通過對(duì)高速公路交通流量數(shù)據(jù)分析表明，三車道高速公路上的自由流交通特性服從特定的車道流量分布，每條車道上總交通流量的比例相對(duì)于總交通流量有明顯的線性變化趨勢(shì)。Roncoli[2]提出了一種新的方法，用于分析基于功能數(shù)據(jù)分析的日交通流量曲線。這為有關(guān)道路擴(kuò)容、控制和其他長(zhǎng)期決策的戰(zhàn)略決策提供了理想的信息。多車道高速公路中各車道表現(xiàn)出不同的交通運(yùn)行狀態(tài)特征，學(xué)者們從交通狀態(tài)和安全特性等方面展開了研究。Ishak[3]等對(duì)美國(guó)多條實(shí)施了限速、客貨車分車型分車道管理策略的多車道高速公路進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析，并分析了其交通運(yùn)行狀態(tài)。

通過構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，應(yīng)用該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)滬寧高速公路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并由此提出部分提升高速公路通行能力的策略。

1 高速公路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

(1)基礎(chǔ)指標(biāo)體系

高速公路的運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系根據(jù)高速公路的交通流基本特性以及常用的交通系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系從包括道路利用狀況、運(yùn)行效率等四個(gè)方面列出了13個(gè)基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體表示為通行能力、流量、飽和度、占有率、平均車速、平均行程時(shí)間、交通密度、平均行程延誤、事故率、速度標(biāo)準(zhǔn)差、換道率、交通污染物排放量、交通噪聲。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選原則

在指標(biāo)體系的構(gòu)建中，指標(biāo)如何選擇具有一定的原則。一方面，若選取的指標(biāo)數(shù)量單一時(shí)，其評(píng)價(jià)結(jié)果不能真實(shí)反映高速公路的交通運(yùn)行狀態(tài)；另一方面，若選取的指標(biāo)數(shù)量過多時(shí)，不能避免其中某些指標(biāo)的效果具有重復(fù)性，造成評(píng)價(jià)結(jié)果相互干擾，也不能真實(shí)反映高速公路的交通運(yùn)行狀態(tài)。因此，需要選擇具有代表性的指標(biāo)，構(gòu)建真實(shí)、敏感的指標(biāo)體系，客觀反映出高速公路的交通運(yùn)行狀態(tài)。

(3)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)上述表述的評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選需要遵守的原則，對(duì)以上13個(gè)基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選。根據(jù)篩選結(jié)果，本次研究選取了以下4個(gè)指標(biāo)作為高速公路路段交通運(yùn)行狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

①飽和度(pcu/h/ln)：飽和度是指高速公路的V/C，即是路段交通流量與該路段的通行能力的比值。

②平均車速(km/h)

平均車速是在某一特定時(shí)刻，某一特定長(zhǎng)度的道路上正在行駛的所有車輛的地點(diǎn)車速分布的平均值。當(dāng)選定的道路長(zhǎng)度一定時(shí)，平均車速的數(shù)值即為地點(diǎn)車速觀測(cè)值的調(diào)和平均值。

③時(shí)間占有率

在選定的的觀測(cè)時(shí)間T內(nèi)車輛占用車輛檢測(cè)器的時(shí)間，與選定的觀測(cè)時(shí)間之間的比值表示時(shí)間占有率。

④路段平均行程延誤

車輛在該路段的行駛時(shí)間與暢行速度下的暢行行駛時(shí)間之間的時(shí)間差，除以該路段長(zhǎng)度即可得到平均行程延誤。考慮到當(dāng)路況較好，車流量小時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)延誤為負(fù)的情況，在計(jì)算時(shí)取值為0。

1.2 交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)

1.2.1路段交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)

(1)指標(biāo)處理

綜合評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量較多，并且每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱也都各不相同，所以需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，達(dá)到統(tǒng)一的量綱。

①逆指標(biāo)的處理

在多指標(biāo)評(píng)價(jià)中，正指標(biāo)表示該指標(biāo)數(shù)值越大越好，反之逆指標(biāo)表示指標(biāo)數(shù)值越小越好。在評(píng)指標(biāo)價(jià)計(jì)算前需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將逆指標(biāo)轉(zhuǎn)化為正指標(biāo)，具體采用的方法是取逆指標(biāo)的倒數(shù)形式，這樣轉(zhuǎn)化后的指標(biāo)數(shù)值越大越好。

②指標(biāo)值的無量綱化

考慮各指標(biāo)的量綱不一致，采用極小值評(píng)價(jià)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行處理，處理后所有的指標(biāo)區(qū)間都表示為[0,1]。

(2)指標(biāo)權(quán)重確定

①構(gòu)造判斷矩陣

針對(duì)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建判斷矩陣，將評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較，建立成對(duì)比較矩陣，矩陣的元素aij用Saaty標(biāo)度法進(jìn)行確定。

②層次排序及一致性檢驗(yàn)

對(duì)于判斷矩陣，需要計(jì)算的是該判斷矩陣的特征值及與特征值相對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量，即同一層次中各因素對(duì)于上一層各目標(biāo)的權(quán)重。計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重采用的方法是方根法，具體的計(jì)算步驟表示如下：

計(jì)算各行的幾何平均值：

(1)

(2)

最大特征值λmax：

(3)

矩陣一致性比率CR判定公式為：

(4)

式中，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值如表1所示。

表1 RI取值表

一般情況下，當(dāng)CR<0.1時(shí)，滿足一致性要求。當(dāng)CR≥0.1時(shí)，則意味著不能滿足一致性要求，則需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。

綜合的多指標(biāo)評(píng)價(jià)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重根據(jù)以上分析，最終計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

為保證各指標(biāo)評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)性，將路段交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為6個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行劃分，見表3。

表3 高速公路交通運(yùn)行狀態(tài)各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重，分析可得路段交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)為：

(5)

(4)路段運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)劃分

根據(jù)上述構(gòu)建的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，分段選取滬寧高速公路2019年1月至11月全時(shí)段微波檢測(cè)器數(shù)據(jù)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)全、數(shù)據(jù)清洗和平滑處理，作為狀態(tài)評(píng)估輸入?yún)?shù)，最終得到路段運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)分級(jí)表，見表4。

表4 滬寧高速公路路段運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)劃分級(jí)表

1.2.2道路交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)

Theodore[6]的研究表明，基于時(shí)間即車小時(shí)(VHT)的擁堵評(píng)價(jià)方法與基于里程即車公里(VMT)的擁堵評(píng)價(jià)方法相對(duì)比，前者對(duì)于道路的擁堵程度評(píng)價(jià)更具有準(zhǔn)確性。這是因?yàn)榻煌▍⑴c者對(duì)時(shí)間的敏感性高于對(duì)空間的敏感性。因此，選取車小時(shí)(VHT)作為權(quán)重值來表示交通擁堵程度，具體計(jì)算表達(dá)式如下：

(6)

式中，VHTLi表示的是第i路段在選定時(shí)間內(nèi)的車輛行駛時(shí)間；ni表示第i路段的車道數(shù)；TPILi表示第i路段在選定時(shí)間內(nèi)的交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)；m表示組成這條道路的路段總數(shù)量。

其中：

(7)

式中，qi表示的是第i路段的流量，即在選定時(shí)間段內(nèi)行駛經(jīng)過的車輛數(shù)量；Li表示第i路段的長(zhǎng)度，即選取的特定路段的長(zhǎng)度；vi表示選定時(shí)間段內(nèi)第i路段的所有行駛車輛的平均速度。

由于TPILi并不是在區(qū)間[1，6]內(nèi)的連續(xù)變量，因此對(duì)TPIR的取值區(qū)間進(jìn)行處理。處理方法是“四舍五入”。處理后的計(jì)算結(jié)果相較處理前更能真實(shí)地反映道路的交通運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)以上處理方法，處理后的道路交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)變化為：

(8)

處理后的交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)同取值對(duì)應(yīng)的道路交通運(yùn)行狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5表示。

表5 取值與道路交通運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系表

2 滬寧高速公路交通狀態(tài)評(píng)估

2.1 滬寧高速公路分路段交通狀態(tài)評(píng)估

根據(jù)滬寧高速公路全段交通流量、速度、時(shí)間占有率和延誤等交通運(yùn)行狀況，綜合考慮路段道路特征、沿線出入口分布情況等因素，分別從滬寧高速公路寧鎮(zhèn)段、常州段、無錫段和蘇州段選取鎮(zhèn)江—河陽、常州—橫山、碩放—東橋和陸家—花橋進(jìn)行斷面的交通狀態(tài)評(píng)估，分析四個(gè)路段代表斷面的工作日、節(jié)假日全天的交通運(yùn)行狀況。

(1)鎮(zhèn)江—河陽

工作日期間，鎮(zhèn)江—河陽段交通運(yùn)行狀態(tài)良好，流量1300～9100pcu/h，速度基本在100km/h以上，平峰TPIL值小于0.2，處于一、二服務(wù)水平，車輛能以自由速度行駛，互相干擾微小；高峰時(shí)段(8∶00—17∶00)TPIL值在0.2和0.3之間，即工作日鎮(zhèn)江—河陽路段交通處于二級(jí)服務(wù)水平。國(guó)慶、中秋等節(jié)假日，鎮(zhèn)江—河陽流量6000～13000pcu/h，速度70～100km/h，TPIL值在0.2～0.5之間，即節(jié)假日鎮(zhèn)江—河陽路段交通處于三級(jí)服務(wù)水平。

(2)常州—橫山

工作日期間，橫山—碩放段流量在1000～7000pcu/h，白天(7∶00—18∶00)間流量較大，5000～7000pcu/h，夜間(0∶00—5∶00)流量基本在1000～2000pcu/h；全天速度基本在100km/h以上，車輛行駛自由度高，速度差較小，TPIL值小于0.3，即處于一、二級(jí)服務(wù)水平。節(jié)假日期間，小時(shí)流量增加，白天(7∶00—18∶00)流量在7000～13000pcu/h，速度值處于80～90km/h，TPIL值在0.4左右，處于三級(jí)服務(wù)水平，其余時(shí)間流量基本在6000～7000pcu/h，TPIL值在0.3左右，即二級(jí)服務(wù)水平。

(3)碩放—東橋

工作日期間，碩放—東橋段流量在1500～13000pcu/h，白天和夜間相比流量波動(dòng)較大，速度在70～100km/h，能保持正常運(yùn)行，平峰時(shí)段TPIL值在0.4～0.5，處于三、四級(jí)服務(wù)水平；高峰時(shí)段(7∶00—18∶00)TPIL值在0.5～0.8，處于四、五級(jí)服務(wù)水平。節(jié)假日期間，流量在6000～13500pcu/h之間，夜間流量較工作日增加，高峰時(shí)間TPIL值為0.6～0.95，即大部分時(shí)段處于四、五級(jí)服務(wù)水平，存在部分短時(shí)段(<15min)流率大于通行能力，即位于六級(jí)服務(wù)水平，但隨時(shí)間逐步疏散。

(4)陸家—花橋

工作日期間，陸家—花橋段流量在1500～10000pcu/h，TPIL值小于0.5，速度大于80km/h，基本處于三級(jí)及三級(jí)服務(wù)水平以下，交通運(yùn)行狀態(tài)良好。節(jié)假日期間，流量增加明顯，為4000～12000pcu/h，高峰時(shí)段(8∶00—17∶00)流量基本在10000～12000pcu/h，TPIL值在0.6～0.8，處于四、五級(jí)服務(wù)水平，平峰時(shí)段在7000pcu/h左右，TPIL值為0.5左右，處于三級(jí)服務(wù)水平。

2.2 滬寧高速公路交通狀態(tài)評(píng)估

表6 滬寧高速公路各段交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)表

寧鎮(zhèn)段和常州段的交通運(yùn)行狀態(tài)良好，工作日和節(jié)假日的服務(wù)水平均在三級(jí)以下，車輛運(yùn)行順暢，互相干擾較小。無錫段的交通運(yùn)行狀態(tài)一般，工作日高峰時(shí)段達(dá)到五級(jí)服務(wù)水平，節(jié)假日位于四、五級(jí)服務(wù)水平，車輛跟馳行駛，互相干擾較大，較小的擾動(dòng)可能會(huì)引發(fā)擁堵，通行效率有待提升。蘇州段交通運(yùn)行狀態(tài)介于其之間，工作日基本處于三級(jí)服務(wù)水平，節(jié)假日在三級(jí)和五級(jí)服務(wù)水平之間，交通運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。

3 滬寧高速公路通行能力提升策略

經(jīng)過上述分析可知，滬寧高速部分路段可能會(huì)引發(fā)擁堵，通行效率不高，交通運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，本節(jié)提出了部分關(guān)于滬寧高速公路通行能力的提升策略。

根據(jù)路段大流量成因，選取高速公路誘導(dǎo)分流控制、應(yīng)急車道開放管理、貨車錯(cuò)峰出行等交通組織方式，實(shí)現(xiàn)高速公路的“智慧擴(kuò)容”。對(duì)由于出入口匝道過多、交織區(qū)影響密集而造成的大交通量區(qū)段，如無錫段，應(yīng)及時(shí)采取高速公路主線控制策略，對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)節(jié)、誘導(dǎo)、指揮和協(xié)調(diào)。

對(duì)滬寧高速公路事故多發(fā)段，如無錫段雙向和蘇州段寧滬方向集中采取出入口段和交織區(qū)的交通事故采取預(yù)防整治措施，達(dá)到減少出入口匝道處事故多發(fā)和事故發(fā)生后快速處理的目的。

4 總結(jié)

根據(jù)構(gòu)建的針對(duì)路段和道路的高速公路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，提出了高速公路運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估方法，并將評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的六級(jí)服務(wù)水平對(duì)應(yīng)，為后續(xù)交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。通過分析現(xiàn)狀運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到了滬寧高速公路寧鎮(zhèn)段、常州段、無錫段和蘇州段分別在工作日、節(jié)假日平、高峰的服務(wù)水平狀況。根據(jù)滬寧高速公路的交通運(yùn)行狀況，提出了部分通行能力的提升策略，如出臺(tái)合理的交通組織方案、整治重點(diǎn)事故路段等。