滬寧高速公路運行狀態評價及通行能力提升策略

楊 陽

(江蘇中路工程技術研究院有限公司 南京市 211008)

0 引言

目前，高速公路運行狀態分析方法主要有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將上游到達率、交通瓶頸和下游交通狀態作為主要因素進行高速公路交通流狀態的劃分。基本圖是根據交通流流量、速度與密度三參數之間的相互關系確定交通流狀態。Duret[1]通過對高速公路交通流量數據分析表明，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于總交通流量有明顯的線性變化趨勢。Roncoli[2]提出了一種新的方法，用于分析基于功能數據分析的日交通流量曲線。這為有關道路擴容、控制和其他長期決策的戰略決策提供了理想的信息。多車道高速公路中各車道表現出不同的交通運行狀態特征，學者們從交通狀態和安全特性等方面展開了研究。Ishak[3]等對美國多條實施了限速、客貨車分車型分車道管理策略的多車道高速公路進行了數據采集與分析，并分析了其交通運行狀態。

通過構建評價指標體系，應用該評價指標體系對滬寧高速公路的運行狀態進行評估，并由此提出部分提升高速公路通行能力的策略。

1 高速公路運行狀態評價方法

1.1 評價指標體系構建

(1)基礎指標體系

高速公路的運行狀況評價指標體系根據高速公路的交通流基本特性以及常用的交通系統評價指標體系從包括道路利用狀況、運行效率等四個方面列出了13個基礎評價指標。具體表示為通行能力、流量、飽和度、占有率、平均車速、平均行程時間、交通密度、平均行程延誤、事故率、速度標準差、換道率、交通污染物排放量、交通噪聲。

(2)評價指標篩選原則

在指標體系的構建中，指標如何選擇具有一定的原則。一方面，若選取的指標數量單一時，其評價結果不能真實反映高速公路的交通運行狀態；另一方面，若選取的指標數量過多時，不能避免其中某些指標的效果具有重復性，造成評價結果相互干擾，也不能真實反映高速公路的交通運行狀態。因此，需要選擇具有代表性的指標，構建真實、敏感的指標體系，客觀反映出高速公路的交通運行狀態。

(3)運行評價指標體系

根據上述表述的評價指標篩選需要遵守的原則，對以上13個基礎評價指標進行篩選。根據篩選結果，本次研究選取了以下4個指標作為高速公路路段交通運行狀況的評價指標。

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刻，某一特定長度的道路上正在行駛的所有車輛的地點車速分布的平均值。當選定的道路長度一定時，平均車速的數值即為地點車速觀測值的調和平均值。

③時間占有率

在選定的的觀測時間T內車輛占用車輛檢測器的時間，與選定的觀測時間之間的比值表示時間占有率。

④路段平均行程延誤

車輛在該路段的行駛時間與暢行速度下的暢行行駛時間之間的時間差，除以該路段長度即可得到平均行程延誤。考慮到當路況較好，車流量小時可能會出現延誤為負的情況，在計算時取值為0。

1.2 交通運行狀態評價

1.2.1路段交通運行狀態評價

(1)指標處理

綜合評價的評價指標數量較多，并且每個評價指標的量綱也都各不相同，所以需要對評價指標進行標準化處理，達到統一的量綱。

①逆指標的處理

在多指標評價中，正指標表示該指標數值越大越好，反之逆指標表示指標數值越小越好。在評指標價計算前需要對指標進行標準化處理，將逆指標轉化為正指標，具體采用的方法是取逆指標的倒數形式，這樣轉化后的指標數值越大越好。

②指標值的無量綱化

考慮各指標的量綱不一致，采用極小值評價法對指標進行處理，處理后所有的指標區間都表示為[0,1]。

(2)指標權重確定

①構造判斷矩陣

針對運行狀態評價指標體系，構建判斷矩陣，將評價指標兩兩進行比較，建立成對比較矩陣，矩陣的元素aij用Saaty標度法進行確定。

②層次排序及一致性檢驗

對于判斷矩陣，需要計算的是該判斷矩陣的特征值及與特征值相對應的歸一化特征向量，即同一層次中各因素對于上一層各目標的權重。計算各指標權重采用的方法是方根法，具體的計算步驟表示如下：

計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為平均隨機一致性指標，其取值如表1所示。

表1 RI取值表

一般情況下，當CR<0.1時，滿足一致性要求。當CR≥0.1時，則意味著不能滿足一致性要求，則需要對判斷矩陣進行調整。

綜合的多指標評價的運行狀態評價指標權重根據以上分析，最終計算結果如表2。

表2 交通運行狀態評價指標權重表

(3)評價指標等級劃分

為保證各指標評價的關聯性，將路段交通運行狀態評價指標分為6個評價等級，對各評價指標進行劃分，見表3。

表3 高速公路交通運行狀態各指標分級標準

結合各指標權重，分析可得路段交通運行狀態指數為：

(5)

(4)路段運行狀態指數劃分

根據上述構建的指標體系和評價等級劃分標準，分段選取滬寧高速公路2019年1月至11月全時段微波檢測器數據，對采集數據進行數據補全、數據清洗和平滑處理，作為狀態評估輸入參數，最終得到路段運行狀態指數分級表，見表4。

表4 滬寧高速公路路段運行狀態指數劃分級表

1.2.2道路交通運行狀態評價

Theodore[6]的研究表明，基于時間即車小時(VHT)的擁堵評價方法與基于里程即車公里(VMT)的擁堵評價方法相對比，前者對于道路的擁堵程度評價更具有準確性。這是因為交通參與者對時間的敏感性高于對空間的敏感性。因此，選取車小時(VHT)作為權重值來表示交通擁堵程度，具體計算表達式如下：

(6)

式中，VHTLi表示的是第i路段在選定時間內的車輛行駛時間；ni表示第i路段的車道數；TPILi表示第i路段在選定時間內的交通運行狀態指數；m表示組成這條道路的路段總數量。

其中：

(7)

式中，qi表示的是第i路段的流量，即在選定時間段內行駛經過的車輛數量；Li表示第i路段的長度，即選取的特定路段的長度；vi表示選定時間段內第i路段的所有行駛車輛的平均速度。

由于TPILi并不是在區間[1，6]內的連續變量，因此對TPIR的取值區間進行處理。處理方法是“四舍五入”。處理后的計算結果相較處理前更能真實地反映道路的交通運行狀態。根據以上處理方法，處理后的道路交通運行狀態指數變化為：

(8)

處理后的交通運行狀態指數同取值對應的道路交通運行狀態的對應關系如表5表示。

表5 取值與道路交通運行狀態對應關系表

2 滬寧高速公路交通狀態評估

2.1 滬寧高速公路分路段交通狀態評估

根據滬寧高速公路全段交通流量、速度、時間占有率和延誤等交通運行狀況，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段、常州段、無錫段和蘇州段選取鎮江—河陽、常州—橫山、碩放—東橋和陸家—花橋進行斷面的交通狀態評估，分析四個路段代表斷面的工作日、節假日全天的交通運行狀況。

(1)鎮江—河陽

工作日期間，鎮江—河陽段交通運行狀態良好，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、二服務水平，車輛能以自由速度行駛，互相干擾微小；高峰時段(8∶00—17∶00)TPIL值在0.2和0.3之間，即工作日鎮江—河陽路段交通處于二級服務水平。國慶、中秋等節假日，鎮江—河陽流量6000～13000pcu/h，速度70～100km/h，TPIL值在0.2～0.5之間，即節假日鎮江—河陽路段交通處于三級服務水平。

(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、二級服務水平。節假日期間，小時流量增加，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，處于三級服務水平，其余時間流量基本在6000～7000pcu/h，TPIL值在0.3左右，即二級服務水平。

(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較大，速度在70～100km/h，能保持正常運行，平峰時段TPIL值在0.4～0.5，處于三、四級服務水平；高峰時段(7∶00—18∶00)TPIL值在0.5～0.8，處于四、五級服務水平。節假日期間，流量在6000～13500pcu/h之間，夜間流量較工作日增加，高峰時間TPIL值為0.6～0.95，即大部分時段處于四、五級服務水平，存在部分短時段(<15min)流率大于通行能力，即位于六級服務水平，但隨時間逐步疏散。

(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，基本處于三級及三級服務水平以下，交通運行狀態良好。節假日期間，流量增加明顯，為4000～12000pcu/h，高峰時段(8∶00—17∶00)流量基本在10000～12000pcu/h，TPIL值在0.6～0.8，處于四、五級服務水平，平峰時段在7000pcu/h左右，TPIL值為0.5左右，處于三級服務水平。

2.2 滬寧高速公路交通狀態評估

表6 滬寧高速公路各段交通運行狀態指數表

寧鎮段和常州段的交通運行狀態良好，工作日和節假日的服務水平均在三級以下，車輛運行順暢，互相干擾較小。無錫段的交通運行狀態一般，工作日高峰時段達到五級服務水平，節假日位于四、五級服務水平，車輛跟馳行駛，互相干擾較大，較小的擾動可能會引發擁堵，通行效率有待提升。蘇州段交通運行狀態介于其之間，工作日基本處于三級服務水平，節假日在三級和五級服務水平之間，交通運行狀態不穩定。

3 滬寧高速公路通行能力提升策略

經過上述分析可知，滬寧高速部分路段可能會引發擁堵，通行效率不高，交通運行狀態不穩定，本節提出了部分關于滬寧高速公路通行能力的提升策略。

根據路段大流量成因，選取高速公路誘導分流控制、應急車道開放管理、貨車錯峰出行等交通組織方式，實現高速公路的“智慧擴容”。對由于出入口匝道過多、交織區影響密集而造成的大交通量區段，如無錫段，應及時采取高速公路主線控制策略，對車輛進行調節、誘導、指揮和協調。

對滬寧高速公路事故多發段，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的交通事故采取預防整治措施，達到減少出入口匝道處事故多發和事故發生后快速處理的目的。

4 總結

根據構建的針對路段和道路的高速公路運行狀態評價的指標體系，提出了高速公路運行狀態的評估方法，并將評估結果與現行標準的六級服務水平對應，為后續交通運行狀態評價奠定基礎。通過分析現狀運行數據，得到了滬寧高速公路寧鎮段、常州段、無錫段和蘇州段分別在工作日、節假日平、高峰的服務水平狀況。根據滬寧高速公路的交通運行狀況，提出了部分通行能力的提升策略，如出臺合理的交通組織方案、整治重點事故路段等。