（武漢市交通發(fā)展戰(zhàn)略研究院，湖北武漢430017）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和機(jī)動(dòng)化水平的迅速提高以及交通需求的快速增長，中國大城市道路交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重，武漢市也面臨同樣的交通問題。為了緩解城市交通擁堵，提高交通運(yùn)行效率，輔助政府決策與交通規(guī)劃，北京、上海、廣州、深圳、杭州等城市建立了不同功能的交通信息系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于城市交通規(guī)劃建設(shè)與管理，并取得了顯著效果。交通信息系統(tǒng)為解決交通問題提供了新思路和新手段，通過多方位數(shù)據(jù)融合分析，為制定有針對(duì)性的交通改善措施和實(shí)施方案、最大限度地提高交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

武漢市于2010年開始交通信息系統(tǒng)的前期研究工作，2011年完成以浮動(dòng)車系統(tǒng)、擁堵評(píng)價(jià)系統(tǒng)為核心的一期工程，并于2012年正式啟動(dòng)以ETC流量分析子系統(tǒng)(以下簡稱“ETC系統(tǒng)”)、調(diào)查流量分析子系統(tǒng)、模型分析子系統(tǒng)和決策支持平臺(tái)為核心的二期工程。武漢市已成為中國首個(gè)全面安裝車輛電子標(biāo)簽(Radio Frequency Indentification,RFID)的城市。目前，交通信息系統(tǒng)全面接入武漢市“七橋一隧”ETC過江實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。

1 ETC流量分析子系統(tǒng)

1.1 背景

武漢市自2011年7月1日開始對(duì)通過長江公路橋、長江隧道、白沙洲大橋、天興洲長江大橋、睛川橋、月湖橋、長豐橋的車輛按ETC方式征收通行費(fèi)，同時(shí)停止使用原通行年費(fèi)征收方式。2012年12月二七長江大橋也開始實(shí)施ETC收費(fèi)。ETC系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不停車電子收費(fèi)功能，ETC電子標(biāo)簽識(shí)別率達(dá)99%以上，車牌抓拍系統(tǒng)對(duì)未安裝電子標(biāo)簽車輛的整體識(shí)別率達(dá)90%以上。

圖1 速度-流量曲線模型Fig.1 Speed-flow diagram

表1 速度等級(jí)劃分Tab.1 Speed categorization

表2 路段服務(wù)水平劃分Tab.2 Classification of roadway level of service

武漢市ETC系統(tǒng)的建立，為基于ETC數(shù)據(jù)的交通通道流量、運(yùn)行速度、OD分布分析提供了條件。并且，較高的車輛電子標(biāo)簽覆蓋率為未來分析武漢市全網(wǎng)的交通運(yùn)行情況及出行時(shí)空分布帶來了契機(jī)，只需在足夠的點(diǎn)斷面(理論上覆蓋干路，具體視城市面積而定)安裝微波專用短程通信設(shè)備就可獲取大范圍流量、運(yùn)行速度及OD分布等核心交通數(shù)據(jù)，因此，武漢市基于ETC系統(tǒng)的交通信息數(shù)據(jù)分析工作前景廣闊。

1.2 建設(shè)計(jì)劃

由于該系統(tǒng)需要在主要道路上布設(shè)ETC路側(cè)單元以實(shí)時(shí)監(jiān)測道路流量信息，而路側(cè)單元的布設(shè)是一項(xiàng)大型的系統(tǒng)工程，因此，武漢市ETC流量分析子系統(tǒng)應(yīng)分兩個(gè)階段進(jìn)行建設(shè)：

1）先期接入現(xiàn)有“七橋一隧”過江流量數(shù)據(jù)，構(gòu)建ETC分析系統(tǒng)框架；

2）分批次布設(shè)路側(cè)單元，進(jìn)行全市主干路網(wǎng)的交通運(yùn)行監(jiān)測和OD推算。

2012年底，武漢市ETC流量分析子系統(tǒng)的建設(shè)已完成第一階段內(nèi)容，目前正在進(jìn)行第二階段路側(cè)單元的選址與論證，本文主要針對(duì)ETC流量分析子系統(tǒng)中交通運(yùn)行分析色譜圖的構(gòu)建進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)時(shí)流量推導(dǎo)動(dòng)態(tài)OD這一過程(第二階段)暫不作討論。

2 交通運(yùn)行分析色譜圖

2.1 構(gòu)建原因

ETC流量分析子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測道路(目前僅為過江通道)流量信息，但不能反映通道的交通運(yùn)行狀態(tài)。由于目前只有8個(gè)斷面的過江流量和車輛電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行過江通道的OD分布推算，ETC流量分析子系統(tǒng)的功能難以充分發(fā)揮。因此，需要在第一階段從實(shí)時(shí)監(jiān)測上尋找突破口，同時(shí)為判斷武漢市浮動(dòng)車系統(tǒng)對(duì)于道路運(yùn)行狀況監(jiān)測的準(zhǔn)確程度提供幫助。

常用的速度-流量模型為格林希爾治模型(Greenshields)[1]、Van Aerde四參數(shù)單一結(jié)構(gòu)模型等，文獻(xiàn)[2]及文獻(xiàn)[3]等也對(duì)速度-流量關(guān)系進(jìn)行了研究，表明不同模型的適用性以及城市道路與高速公路在暢行速度和車道通行能力上的區(qū)別等。

速度-流量模型主要反映道路暢通-飽和-擁堵-停滯的過程(見圖1)，但模型只大致劃分了擁擠區(qū)和非擁擠區(qū)，雖然有些學(xué)者也對(duì)交通狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行了討論及劃分，但缺少定量的描述。同時(shí)，大多數(shù)情況下運(yùn)用服務(wù)水平單一指標(biāo)對(duì)道路運(yùn)行狀況進(jìn)行衡量不夠準(zhǔn)確和全面，因此，本文通過流量、速度雙指標(biāo)對(duì)道路運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷，構(gòu)建交通運(yùn)行分析色譜圖。

2.2 數(shù)據(jù)來源

對(duì)過江通道進(jìn)行交通運(yùn)行判斷需要結(jié)合速度、流量兩項(xiàng)指標(biāo)，因此，繪制速度-流量圖的主要數(shù)據(jù)源為：

1）道路運(yùn)行實(shí)時(shí)車速。

主要來源于浮動(dòng)車系統(tǒng)的道路實(shí)時(shí)車速數(shù)據(jù)。2011年，借助武漢市1.4萬臺(tái)出租汽車GPS數(shù)據(jù)，研發(fā)道路匹配算法，將運(yùn)營出租汽車的車速轉(zhuǎn)換為城市道路運(yùn)行的平均車速。同時(shí)，搜集約2萬份駕駛?cè)藫矶赂惺苷{(diào)查數(shù)據(jù)，建立車速與擁堵指數(shù)之間的關(guān)系，以0～10的數(shù)值對(duì)擁堵指數(shù)進(jìn)行量化：＜2為暢通，2～＜4為基本暢通，4～＜6為輕度擁堵，6～＜8為中度擁堵，8～10為嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

2）ETC過江實(shí)時(shí)流量。

建立速度-流量關(guān)系需要有與道路實(shí)時(shí)平均車速相對(duì)應(yīng)的流量。武漢市已收集“七橋一隧”的實(shí)時(shí)流量，本文主要通過接入ETC過江通道的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，與浮動(dòng)車系統(tǒng)得到的實(shí)時(shí)車速進(jìn)行整合分析。

2.3 構(gòu)建流程

1）構(gòu)建速度-流量散點(diǎn)圖。

以實(shí)時(shí)車速為縱坐標(biāo)，實(shí)時(shí)流量為橫坐標(biāo)，15 min為時(shí)間間隔，構(gòu)建約一個(gè)月時(shí)間的速度-流量散點(diǎn)圖。其中車速為斷面平均車速，流量為單車道平均流量，分析可能適用的模型(Greenshields或Van Aerde四參數(shù)單一結(jié)構(gòu)模型)。

2）標(biāo)定阻塞密度(Kj)和暢行速度(Vf)。

對(duì)原模型進(jìn)行公式變換，得到車流阻塞密度(Kj)和暢行速度(Vf)值。

3）調(diào)整曲線。

由于樣本數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)直接影響參數(shù)的標(biāo)定，因此標(biāo)定完成后，需要對(duì)曲線參數(shù)進(jìn)行校核，對(duì)暢行速度和單車道實(shí)際通行能力進(jìn)行定性判斷和微調(diào)；

4）確定等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

建立速度-流量曲線后，需劃分色譜圖的區(qū)域，以確定道路運(yùn)行狀況的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并量化。

①速度等級(jí)劃分。

武漢市浮動(dòng)車系統(tǒng)已制定完善了擁堵評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[5]，速度等級(jí)劃分沿用浮動(dòng)車系統(tǒng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分為暢通、基本暢通、輕度擁堵、中度擁堵和嚴(yán)重?fù)矶挛寮?jí)，見表1。

由于速度與交通擁堵指數(shù)線性相關(guān)，因此需要根據(jù)指數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)確定不同運(yùn)行狀況下速度的劃分標(biāo)準(zhǔn)。圖2為分段構(gòu)建的線性相關(guān)模型，R為線性相關(guān)水平，圖中分段點(diǎn)均同時(shí)滿足兩端公式。

②流量等級(jí)劃分。

對(duì)速度進(jìn)行等級(jí)劃分后，需要確定流量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。通過流量與設(shè)計(jì)通行能力的比值即飽和度，劃分流量等級(jí)。本文采用常用的服務(wù)水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

5）構(gòu)建交通運(yùn)行分析色譜圖。

通過速度和流量的等級(jí)劃分，可構(gòu)建交通運(yùn)行狀況方格網(wǎng)，并通過交叉分類進(jìn)行定性判斷及微調(diào)，最終得到交通運(yùn)行分析色譜圖，見圖3。

由橫坐標(biāo)的流量和縱坐標(biāo)的速度分級(jí)，得到基于速度-流量雙指標(biāo)的網(wǎng)格色塊圖，根據(jù)某通道的散點(diǎn)位于的色塊，可綜合判斷該通道的交通運(yùn)行狀態(tài)。該方法很大程度上避免了采用單一流量指標(biāo)可能出現(xiàn)的對(duì)道路運(yùn)行狀況的錯(cuò)誤判斷，同時(shí)，根據(jù)散點(diǎn)圖的擬合情況，可得到具體通道的重要交通流參數(shù)(如暢行速度、實(shí)際最大流量等)。

2.4 主要應(yīng)用

結(jié)合道路交通運(yùn)行雙指標(biāo)，對(duì)曲線圖進(jìn)行詳細(xì)的區(qū)域色塊劃分，定量描述相應(yīng)道路在任意時(shí)刻的交通運(yùn)行狀態(tài)。構(gòu)建交通運(yùn)行分析色譜圖的作用為：

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測道路交通運(yùn)行狀態(tài)；

圖3 交通運(yùn)行分析色譜圖Fig.3 Traffic operations analysis chromatogram

圖4 武漢市主要ETC過江通道交通運(yùn)行分析色譜圖Fig.4 Traffic operations analysis chromatogram on main crossing river tunnels in Wuhan

2） 通過交通運(yùn)行分析色譜圖，實(shí)時(shí)對(duì)道路交通量過大、交通事故、極端天氣等交通異常情況(點(diǎn)落在不同顏色色塊，代表不同的道路服務(wù)水平)進(jìn)行分析；

3）定量分析道路實(shí)際通行能力，為通道與道路規(guī)劃、運(yùn)行評(píng)價(jià)提供依據(jù)；

4）分析道路或通道暢行速度，為道路限行車速的制定提供依據(jù)。

3 案例分析

通過可用的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，針對(duì)武漢市主要ETC過江通道構(gòu)建交通運(yùn)行分析色譜圖(見圖4)。根據(jù)武漢市“七橋一隧”數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）在速度-流量模型的擬合過程中，對(duì)于已達(dá)到飽和狀態(tài)的道路，Greenshields模型具有較好的適用性；而對(duì)于全天運(yùn)行暢通的路段或通道，可采用Van Aerde四參數(shù)單一結(jié)構(gòu)模型。

2）在現(xiàn)有的通道方式(高架、地面或隧道)、橫斷面型式(4車道、6車道、8車道或有無非機(jī)動(dòng)車道)、兩端銜接方式(立體交叉或平面交叉相銜接)條件下，長江公路橋、長江隧道、月湖橋已經(jīng)處于飽和狀態(tài)(高峰流量無增長空間，并非某一時(shí)刻的狀態(tài))；其他通道的通行能力尚未達(dá)到飽和狀態(tài)。

3）相同橫斷面型式的道路，平均單車道的實(shí)際通行能力也存在較大差異，其實(shí)際通行能力不僅與車道數(shù)有關(guān)，還與縱向坡度、通道方式、兩端銜接方式有很大關(guān)系。

4）通過構(gòu)建交通運(yùn)行分析色譜圖，不僅可以采用真實(shí)的數(shù)據(jù)擬合得到暢行速度和實(shí)際通行能力，而且可以實(shí)時(shí)掌握道路運(yùn)行狀況并監(jiān)測突發(fā)事件，對(duì)于道路交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理具有重大意義。

4 結(jié)語

本文綜合考慮流量和速度兩項(xiàng)指標(biāo)，首次提出道路交通運(yùn)行分析色譜圖，并以此為基礎(chǔ)建立ETC流量分析子系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)于完善道路交通規(guī)劃、指導(dǎo)城市道路設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)監(jiān)測道路交通運(yùn)行狀況和突發(fā)事件，具有一定實(shí)用價(jià)值。本文僅提出并簡要分析了基于交通運(yùn)行分析色譜圖的ETC流量分析子系統(tǒng)，今后的研究將在以下幾個(gè)方面予以完善：1)對(duì)已有ETC通道中全天運(yùn)行暢通的通道，進(jìn)一步研究Van Aerde四參數(shù)單一結(jié)構(gòu)模型的適用性；2)在對(duì)速度與流量進(jìn)行等級(jí)劃分后，對(duì)于方格網(wǎng)中運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)定仍需要采取定性判斷，下一步將研究定量化的評(píng)價(jià)方法；3)分階段在主干路網(wǎng)上加設(shè)路側(cè)單元，獲取車輛出行OD信息，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行車輛動(dòng)態(tài)OD的推算。

∶

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