基于節(jié)點(diǎn)交調(diào)數(shù)據(jù)的公路網(wǎng)流量推算仿真

薛紅軍 黃 旭

（1.南通市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南通 226007；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

近年來(lái)，公路出行安全、便捷、快速的需求日益增長(zhǎng)，使公路網(wǎng)監(jiān)測(cè)、管理和服務(wù)面臨著巨大的壓力，同時(shí)也促使我國(guó)公路交通信息化進(jìn)入新的融合發(fā)展階段。以江蘇省為例，《江蘇省普通公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)設(shè)施布局規(guī)劃（試行）（2019—2030年）》等多項(xiàng)指導(dǎo)文件內(nèi)容均指出，運(yùn)用信息化手段提高路網(wǎng)通行能力和效率有利于增強(qiáng)信息感知能力，提高保障公共安全和突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力。準(zhǔn)確、可靠、數(shù)量穩(wěn)定的干線(xiàn)流量數(shù)據(jù)將作為“可信、可靠、可控、可用、可視、可溯”的公路信息中的一部分[1]，可進(jìn)一步帶動(dòng)公路數(shù)字化、智能化路網(wǎng)管理能力和水平提升。微觀路網(wǎng)交通流參數(shù)的精細(xì)化程度是影響仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素之一，應(yīng)能夠簡(jiǎn)單、快速、低成本、普遍地獲取路網(wǎng)交通流參數(shù)。利用概率論的方法推導(dǎo)OD矩陣，基于推斷的OD矩陣得到微觀路網(wǎng)各個(gè)流量變化點(diǎn)的交通量參數(shù)是主流方法[2]，如Corsim[3]、Mitsim[4]等仿真軟件均支持以O(shè)D矩陣的形式輸入或呈現(xiàn)路網(wǎng)交通流狀態(tài)。但OD矩陣法在基于節(jié)點(diǎn)交調(diào)數(shù)據(jù)的微觀路網(wǎng)輸入估計(jì)問(wèn)題上存在不足，多數(shù)方法基于假設(shè)研究車(chē)輛的進(jìn)入和離開(kāi)必須在同一個(gè)研究時(shí)間段內(nèi)，但假設(shè)不適用于更新頻率較高（通常為5 min），且兩個(gè)相鄰輸入間距離較長(zhǎng)（平均20 km）的路側(cè)交調(diào)數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的基于概率的微觀路網(wǎng)交通量估計(jì)方法求解復(fù)雜，通常應(yīng)用于交通小區(qū)間的OD交通量估計(jì)或?qū)δ硞€(gè)流量變化點(diǎn)的轉(zhuǎn)向車(chē)流求解，而相鄰交調(diào)設(shè)備間距較長(zhǎng)，中間路段可能存在多個(gè)流量變化點(diǎn)，涉及多個(gè)可能的OD對(duì)，因此現(xiàn)有方法在大規(guī)模復(fù)雜路網(wǎng)的交通流中求解困難。

1 微觀路網(wǎng)交通量推算模型

為在路網(wǎng)管理與應(yīng)急指揮決策方面充分利用交調(diào)站數(shù)據(jù)，解決其空間覆蓋不足、缺少微觀交通流信息等問(wèn)題，利用部分交調(diào)路側(cè)檢測(cè)設(shè)備提供的節(jié)點(diǎn)時(shí)空數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路網(wǎng)微觀仿真模型，重建車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，推算出與真實(shí)道路中原始單節(jié)點(diǎn)交通流數(shù)據(jù)相匹配的二維仿真路網(wǎng)交通流數(shù)據(jù)。將離散數(shù)據(jù)仿真為可靠性高的宏觀連續(xù)性數(shù)據(jù)，包含各個(gè)路段區(qū)間的平均車(chē)速、行程時(shí)間、擁堵排隊(duì)長(zhǎng)度等有效微觀交通流信息。

1.1 仿真輸入估計(jì)模型

交調(diào)數(shù)據(jù)包含數(shù)據(jù)觀測(cè)的時(shí)間及日期、觀測(cè)站標(biāo)志、車(chē)輛行駛方向、小客車(chē)、大客車(chē)、小貨車(chē)、中貨車(chē)、大貨車(chē)等類(lèi)型車(chē)輛的交通量，數(shù)據(jù)精度好，實(shí)時(shí)性高，但存在節(jié)點(diǎn)交調(diào)流量數(shù)據(jù)細(xì)粒度不足等問(wèn)題。本文將交調(diào)數(shù)據(jù)結(jié)合各路段幾何特征與車(chē)道流量調(diào)整理論，測(cè)算流量交換點(diǎn)處進(jìn)出口道流量，進(jìn)而推演出各路段的精確交通流量。

根據(jù)路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、道路幾何特征和路側(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)平交口和一般流量交換點(diǎn)的路網(wǎng)，建立仿真輸入估計(jì)模型。干線(xiàn)流量變化點(diǎn)只考慮交通流量的輸入輸出，不考慮車(chē)輛在流量變化點(diǎn)處的轉(zhuǎn)向、變道等微觀行為。微觀仿真模型及微觀仿真輸入估計(jì)模型如圖1所示。

圖1 微觀仿真模型及微觀仿真輸入估計(jì)模型

因此，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)交叉口和一般流量變化點(diǎn)模型拓展可得一對(duì)交調(diào)站之間的路網(wǎng)微觀仿真輸入估計(jì)模型。其中，一對(duì)交調(diào)數(shù)據(jù)按照道路一側(cè)計(jì)算，道路另一側(cè)流量變化數(shù)據(jù)則應(yīng)當(dāng)通過(guò)另一對(duì)交調(diào)數(shù)據(jù)計(jì)算。

1.2 流量變換點(diǎn)進(jìn)出流量推算

基于交調(diào)數(shù)據(jù)的各路段進(jìn)出流量分3個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算。首先，根據(jù)路段內(nèi)各流量交換點(diǎn)的道路幾何特征，計(jì)算理想條件下理論車(chē)道流量和路段流量變化值。

式中：f nin——第n流量變化點(diǎn)的理論匯入流量；Q0——目標(biāo)路段的理論流量變化值；f nout——第n流量交換點(diǎn)的理論流出流量；In——第n流量變化點(diǎn)的進(jìn)口道數(shù)量；On——第n流量交換點(diǎn)的出口道數(shù)量；αn——建模路段內(nèi)第n流量交換點(diǎn)各車(chē)道的平均道路服務(wù)水平，無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)αn的推薦取值范圍在0.6～0.8之間；Q——目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，各流量變化點(diǎn)出的平均車(chē)道設(shè)計(jì)通行能力；N——路段內(nèi)流量交換點(diǎn)數(shù)目。

根據(jù)理論上該路段的流量變化值與路側(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)中該路段的實(shí)際流量變化值的差值，計(jì)算車(chē)道流量調(diào)整量。

式中：V2——路段流出流量；V1——路段進(jìn)入流量；ΔQ——各流量變換點(diǎn)進(jìn)出流量調(diào)整值之和。

根據(jù)車(chē)道流量調(diào)整理論，對(duì)計(jì)算所得車(chē)道流量進(jìn)行調(diào)整，得到各流量交換點(diǎn)的流量：

如果ΔQ>0，增大理論變化流量；如果V2-V1>0，則此時(shí)進(jìn)入車(chē)道流量調(diào)整為qin=α?Q+Δq，離開(kāi)車(chē)道流量調(diào)整為qout=α?Q-Δq；如果V2-V1<0，則此時(shí)進(jìn)入車(chē)道流量調(diào)整為qin=α?Q-Δq，離開(kāi)車(chē)道流量調(diào)整為qout=α?Q+Δq。

如果ΔQ<0，減少理論變化流量；如果V2-V1>0，則此時(shí)進(jìn)入車(chē)道流量調(diào)整為qin=α?Q-Δq，離開(kāi)車(chē)道流量調(diào)整為qin=α?Q+Δq；如果V2-V1<0，則此時(shí)進(jìn)入車(chē)道流量調(diào)整為qin=α?Q+Δq，離開(kāi)車(chē)道流量調(diào)整為qout=α?Q-Δq。

綜上所述，在進(jìn)口道和出口道數(shù)量已知的情況下，第n流量交換點(diǎn)的進(jìn)入流量為f nin=Inqin，流出流量為f nout=Onqout。按照交調(diào)站的位置對(duì)公路網(wǎng)進(jìn)行切片，兩個(gè)相鄰交調(diào)站之間的路段為一個(gè)研究對(duì)象，將各流量交換點(diǎn)按順序編號(hào)，根據(jù)流量交換點(diǎn)處進(jìn)出口道的數(shù)量構(gòu)建仿真輸入估計(jì)模型的框架。

1.3 測(cè)算結(jié)果合理性約束

交通流量數(shù)據(jù)是一項(xiàng)基礎(chǔ)而重要的數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)道路交通狀況的感知、仿真以及管控均會(huì)受到深遠(yuǎn)影響。因此，需要對(duì)測(cè)算所得數(shù)據(jù)是否符合實(shí)際交通狀況進(jìn)行約束檢驗(yàn)。

流量非負(fù)約束：各流量交換點(diǎn)的進(jìn)出口流量均大于等于0。

流量守恒約束：路段各流量交換點(diǎn)進(jìn)口流量的總和與各流量交換點(diǎn)出口流量的總和的差值，恒等于該路段的流量變化值。

微觀交通流合理性約束：路段左右轉(zhuǎn)概率、主線(xiàn)流量、支線(xiàn)流量需要在合理的范圍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，路段左右轉(zhuǎn)概率的范圍為0.1～0.3，主線(xiàn)流量和支線(xiàn)流量小于理論飽和流量，具體的取值根據(jù)路網(wǎng)的實(shí)際情況的不同而調(diào)整。

1.4 測(cè)算結(jié)果差異性修正

當(dāng)路段上各流量交換點(diǎn)的交通量間存在顯著差異時(shí)，尤其是主線(xiàn)里程較長(zhǎng)時(shí)，存在輔道、各類(lèi)小路口、小區(qū)出入口等影響測(cè)算結(jié)果的因素，或路段上各流量交換點(diǎn)道路等級(jí)不同時(shí)，可利用偏移量An對(duì)各流量交換點(diǎn)的流量進(jìn)行修正，偏移量An>0，可以使調(diào)整后的流量交換點(diǎn)進(jìn)出口流量的平均值接近理論通行能力。當(dāng)路段上各流量交換點(diǎn)的交通量不存在顯著差異時(shí)，不需要修正。

2 案例分析

以南通市某一普通干線(xiàn)公路2021年一對(duì)交調(diào)站之間的數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)交調(diào)數(shù)據(jù)為例，仿真輸入估計(jì)模型和輸入估計(jì)參數(shù)如圖2所示。

圖2 仿真輸入估計(jì)模型案例

圖3 案例路網(wǎng)仿真輸入模型結(jié)論

代入式（5），可得理論上該路段的流量變化值為420。

根據(jù)理論上該路段的流量變化值與路側(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)中該路段的實(shí)際流量變化值的差值，計(jì)算車(chē)道流量調(diào)整量。實(shí)際該路段的流量變化值為24，對(duì)車(chē)道流量進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)式（1）可得各流量變換點(diǎn)進(jìn)出流量調(diào)整值之和為-396。

同一路段上流量交換點(diǎn)各進(jìn)口道的重要程度相近，將總調(diào)整量分配到各車(chē)道上即為單車(chē)道流量調(diào)整值，代入式（3）可得為56。

由于ΔQ<0，即理論變化流量大于實(shí)際變化流量，需要減少理論變化流量。因?yàn)閂2-V1>0，即實(shí)際上在研究時(shí)間內(nèi)有更少的車(chē)輛進(jìn)入研究路段，此時(shí)進(jìn)入車(chē)道流量調(diào)整為qin=84，離開(kāi)車(chē)道流量調(diào)整為qout=196。

將測(cè)算的流量數(shù)據(jù)輸入交通仿真模型，根據(jù)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真短時(shí)預(yù)測(cè)，判斷未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的道路交通狀況，及時(shí)獲取常發(fā)性交通擁堵位置，因地制宜地制定相應(yīng)的決策，如通過(guò)可變情報(bào)板、第三方導(dǎo)航平臺(tái)、門(mén)戶(hù)網(wǎng)站等方式提前發(fā)布引導(dǎo)信息，引導(dǎo)車(chē)輛及時(shí)分流，均衡路網(wǎng)流量，減少全路網(wǎng)交通壓力，以科學(xué)手段優(yōu)化基于交通運(yùn)轉(zhuǎn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以公路管理部門(mén)交通調(diào)查站數(shù)據(jù)源為依據(jù)，研究干線(xiàn)公路網(wǎng)交通量推算與仿真方法。傳統(tǒng)交調(diào)數(shù)據(jù)受路側(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)施部署和設(shè)備性能的影響，僅能提供道路斷面的節(jié)點(diǎn)流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息較為離散，不足以支撐交調(diào)點(diǎn)所在區(qū)域干線(xiàn)公路及周邊路網(wǎng)的系統(tǒng)性管控決策。本文通過(guò)交調(diào)數(shù)據(jù)、路網(wǎng)拓?fù)浜偷缆穾缀翁卣鞔罱肪W(wǎng)的基礎(chǔ)流量模型，再根據(jù)車(chē)道流量調(diào)整理論對(duì)車(chē)道流量進(jìn)行調(diào)整和修正，以較低成本實(shí)現(xiàn)基于交調(diào)站數(shù)據(jù)的普通公路各路段交通流量參數(shù)細(xì)粒度測(cè)算，為干線(xiàn)公路網(wǎng)提供足以支撐仿真推演能力的路段基礎(chǔ)流量數(shù)據(jù)，以公路信息數(shù)字化的方式持續(xù)支撐公路網(wǎng)布局、公路技術(shù)等級(jí)評(píng)估、養(yǎng)護(hù)運(yùn)營(yíng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)步提升，有效提升公路動(dòng)態(tài)信息數(shù)字化效能，具備較強(qiáng)的實(shí)踐價(jià)值。