辛光照

（成都市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，成都 610041）

1 引言

在智能交通系統(tǒng)中，交通供給方在科學(xué)分配交通量、合理編制運(yùn)營(yíng)計(jì)劃和統(tǒng)籌制定交通管理規(guī)劃時(shí)，都需要行程時(shí)間等基礎(chǔ)信息。在典型的“四階段”交通需求預(yù)測(cè)模型中，交通分配需要基于行程時(shí)間等信息；在公共交通運(yùn)營(yíng)公司制定運(yùn)營(yíng)計(jì)劃時(shí)，也需要行程時(shí)間以期獲得最佳的運(yùn)輸效率。同樣，交通需求者在進(jìn)行路徑選擇和交通方式選擇時(shí)，行程時(shí)間也是影響決策的主要因素。同時(shí)行程時(shí)間也是交通管理中評(píng)價(jià)道路服務(wù)水平的一項(xiàng)主要因素?？傊谐虝r(shí)間在交通系統(tǒng)中，是影響交通供給者、需求者和管理者決策的主要因素[1]。

美國(guó)聯(lián)邦公路局的BPR路阻函數(shù)[2]能夠求解路段行程時(shí)間，但是由于路段上的自由流速度和實(shí)際通行能力因地而異，標(biāo)定路阻參數(shù)需要大量實(shí)驗(yàn)，而且該函數(shù)不適合高飽和流量情況。為了完善BPR路阻函數(shù)計(jì)算路段行程時(shí)間的不足，王煒[3]應(yīng)用大量的交通觀測(cè)數(shù)據(jù)建立了各級(jí)公路在不同交通負(fù)荷條件下的車速—流量關(guān)系模型，提出了各級(jí)公路在不同設(shè)計(jì)車速下的實(shí)用模型參數(shù)，該模型適用于高峰小時(shí)超飽和狀態(tài)下的行程時(shí)間估算。

張和生[4]利用出租車GPS數(shù)據(jù)研究了路段行程時(shí)間估算準(zhǔn)確性，提出了大樣本GPS數(shù)據(jù)采用樣本均值、小樣本量GPS數(shù)據(jù)利用順序統(tǒng)計(jì)量方法估算路段行程時(shí)間的方法。曲鑫[5]根據(jù)浮動(dòng)車數(shù)據(jù)估算行程時(shí)間存在5種類型的潛在誤差，提出了修正浮動(dòng)車數(shù)據(jù)估算行程時(shí)間的模型，通過(guò)模型有效性檢驗(yàn)改善了利用低頻浮動(dòng)車估算路徑行程時(shí)間精度不高的問(wèn)題。付鳳杰[6]研究了不同樣本率下通過(guò)車牌識(shí)別匹配估算路段行程時(shí)間中位數(shù)的平均絕對(duì)百分比誤差，提出了利用高清卡口數(shù)據(jù)估算行程時(shí)間的可行方法。

Baibing Li[7]根據(jù)感應(yīng)線圈檢測(cè)數(shù)據(jù)估算了在暢通、擁擠和混亂的三種交通狀態(tài)下的車頭時(shí)距，通過(guò)不同交通狀態(tài)下的車頭時(shí)距可以計(jì)算行程時(shí)間。在感應(yīng)線圈檢測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，Ashish Bhaskar和Edward Chung[8]融合浮動(dòng)車調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)含有信號(hào)交叉口的路徑行程時(shí)間進(jìn)行了估算研究。Soriguera Marti[9]將感應(yīng)線圈數(shù)據(jù)和收費(fèi)站進(jìn)出口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)融合，改進(jìn)了高速公路行程時(shí)間估算和預(yù)測(cè)的方法，估算準(zhǔn)確性相對(duì)單一數(shù)據(jù)源提升效果明顯。Irum Sanaullah[10]利用車載GPS數(shù)據(jù)，提出了一種將車輛軌跡進(jìn)行地圖匹配高精度計(jì)算行程時(shí)間的方法。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些大城市在城市快速路和主干道兩側(cè)安裝了微波車輛檢測(cè)器（RTMS），與觀測(cè)數(shù)據(jù)、浮動(dòng)車數(shù)據(jù)、感應(yīng)線圈檢測(cè)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)[11-16]不同，RTMS數(shù)據(jù)包含流量、平均速度和占有率等信息，通過(guò)對(duì)RTMS數(shù)據(jù)的挖掘分析，能建立一種計(jì)算路徑行程時(shí)間的新方法。為保證路段行程時(shí)間計(jì)算結(jié)果的精度，需將路段劃分為連續(xù)流路段和間斷流路段。高速公路和城市快速路是連續(xù)流設(shè)施，通過(guò)在路側(cè)設(shè)置RTMS檢測(cè)器，以地點(diǎn)車速估計(jì)空間平均車速，可以得到路段行程時(shí)間。城市主干路路段行程時(shí)間會(huì)受到交叉口信號(hào)控制設(shè)施的影響，可將交叉口間的路段劃分為連續(xù)流路段和間斷流路段。連續(xù)流路段的路段行程時(shí)間與快速路相同，間斷流路段的行程時(shí)間和交叉口處的延誤進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算。交叉口延誤與信號(hào)配時(shí)、交通量、信號(hào)周期等因素有關(guān)，主要計(jì)算方法有英國(guó)的Webster延誤公式和美國(guó)HCM延誤模型。

根據(jù)RTMS數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，為適應(yīng)不同交通流在車道和道路縱向斷面分布的特點(diǎn)，本文提出了3種基于RTMS數(shù)據(jù)的連續(xù)流路段行程時(shí)間計(jì)算方法；將間斷流路段劃分為交叉口影響路段和交叉口延誤路段，兩部分路段的行程時(shí)間組成了間斷流路段行程時(shí)間；接著以北京清華東路—德勝門(mén)外大街為研究路徑，采用C#語(yǔ)言編程，從原始檢測(cè)器數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出每個(gè)車道的檢測(cè)器數(shù)據(jù)，以30分鐘為單位，分時(shí)段分車道分方法計(jì)算了研究路段的路段行程時(shí)間；然后通過(guò)交通調(diào)查研究路徑沿途交叉口在早高峰、平峰和晚高峰的信號(hào)配時(shí)和車輛到達(dá)等數(shù)據(jù)，應(yīng)用Webster延誤模型計(jì)算了車輛平均延誤，由車輛平均延誤和路段行程時(shí)間得到路徑行程時(shí)間；最后通過(guò)研究路徑的調(diào)查行程時(shí)間和仿真行程時(shí)間，對(duì)計(jì)算行程時(shí)間的準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析。

2 路徑行程時(shí)間計(jì)算方法

2.1 連續(xù)流路段行程時(shí)間

根據(jù)RTMS數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，考慮不同道路的流量在車道和道路縱向斷面的空間分布特征，提出了3種連續(xù)流路段行程時(shí)間計(jì)算方法。第一種是基于車道劃分的路段行程時(shí)間計(jì)算方法（方法1），這是后面方法的基礎(chǔ)，適用于研究不同車道的行程時(shí)間。第二種方法考慮了流量在車道上分布不均勻的情況，引入車道權(quán)重因子，建立了基于車道流量分布的路段行程時(shí)間計(jì)算方法（方法2），適用于研究流量在不同車道分布不均衡條件下某行車方向的行程時(shí)間。第三種模型在第二種基于車道流量分布的路段行程時(shí)間估計(jì)模型的基礎(chǔ)上，引入檢測(cè)點(diǎn)權(quán)重因子，建立了改進(jìn)的基于車道流量分布的行程時(shí)間計(jì)算方法（方法3），適用于研究流量在不同車道和道路縱向斷面分布不均衡條件下某行車方向的行程時(shí)間。

2.1.1 基于車道劃分的路段行程時(shí)間

方法1中連續(xù)流路段i的j車道行程時(shí)間的計(jì)算公式為：

式中，vs(i, j) 和vf(i, j)表示路段i的j車道的起點(diǎn)和終點(diǎn)平均車速；li表示路段i的長(zhǎng)度；t1c(i, j)表示路段i的j車道的行程時(shí)間。

j車道路段（共劃分為n個(gè)路段）總的行程時(shí)間表示為：

2.1.2 基于車道流量分布的路段行程時(shí)間

方法2以檢測(cè)點(diǎn)處的車道流量為基礎(chǔ)，引入車道權(quán)重因子，計(jì)算m個(gè)車道平均車速的加權(quán)平均值，得出路段i起點(diǎn)的車速為：

式中，aj是j車道權(quán)重因子，滿足

方法2中連續(xù)流路段i行程時(shí)間是：

連續(xù)流路段總的行程時(shí)間表示為：

2.1.3 改進(jìn)的基于車道流量分布的路段行程時(shí)間

方法3在車道權(quán)重因子的基礎(chǔ)上，以路段起點(diǎn)和終點(diǎn)檢測(cè)的交通量作為路段起點(diǎn)和終點(diǎn)影響權(quán)重，計(jì)算路段行程時(shí)間，方法3的算法表達(dá)式是：

式中，h表示路段起點(diǎn)權(quán)重因子，其他符號(hào)意義與上面相同。

2.2 間斷流路段行程時(shí)間

車輛行駛至交叉口進(jìn)口道附近時(shí)，遇到紅燈會(huì)減速停車等待。以車輛開(kāi)始減速的路段位置為起點(diǎn)，到交叉口停車線為終點(diǎn)作為交叉口延誤路段。交叉口延誤路段起點(diǎn)至交叉口上游RTMS的路段位置作為交叉口影響路段。車輛在交叉口延誤路段的行程時(shí)間通過(guò)調(diào)查車輛到達(dá)交叉口的規(guī)律、交叉口控制和設(shè)計(jì)因素，應(yīng)用Webster延誤模型計(jì)算。交叉口影響路段的行程時(shí)間結(jié)合交叉口上游RTMS檢測(cè)到的交通流運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行估算。交叉口延誤路段和影響路段兩部分行程時(shí)間之和等于間斷流路段行程時(shí)間。

Webster延誤模型的計(jì)算公式是：

式中，d是每輛車的平均延誤；C是信號(hào)周期；λ是綠信比；q是到達(dá)交通量；X是飽和度（流量/通行能力）。

2.3 路徑行程時(shí)間

路徑行程時(shí)間是連續(xù)流路段間、交叉口影響路段和交叉口延誤路段的行程時(shí)間總和。

式中，tc(i)是第i個(gè)連續(xù)流路段的行程時(shí)間；tp(k)是第k個(gè)交叉口影響路段的行程時(shí)間；d(r)是第r個(gè)交叉口延誤路段的行程時(shí)間。

3 實(shí)例行程路徑

研究路徑是清華東路—德勝門(mén)外大街，由主干路和快速路組成，起點(diǎn)是清華東路北京林業(yè)大學(xué)站，途經(jīng)北沙灘橋、安翔橋、健翔橋、健德橋、馬甸橋，終點(diǎn)是德勝門(mén)進(jìn)口處。路徑全長(zhǎng)8.11公里，共有18個(gè)檢測(cè)器，圖1是研究路徑，圖中標(biāo)記代碼是微波檢測(cè)器編號(hào)，以兩檢測(cè)器之間的路線為路段單元，劃分為17個(gè)路段單元。

清華東路沿線共有3處信號(hào)控制交叉口，從東向西依次是清華東路與志新西路信號(hào)交叉口、清華東路與學(xué)院路信號(hào)交叉口、北京林業(yè)大學(xué)處信號(hào)交叉口，信號(hào)交叉口位置分布如圖2所示。三處交叉口分別位于檢測(cè)器01-02，02-03和04-05間，以信號(hào)交叉口01-02、02-03和04-05分別代表三處交叉口。

圖1 研究路徑

圖2 信號(hào)交叉口位置分布

3.1 連續(xù)流路段行程時(shí)間計(jì)算

3.1.1 方法1：基于車道劃分的行程時(shí)間

微波檢測(cè)器提供的原始數(shù)據(jù)是6車道的數(shù)據(jù)，在計(jì)算前需要分離出每個(gè)車道的檢測(cè)數(shù)據(jù)。利用C#語(yǔ)言編程可以根據(jù)檢測(cè)器的原始數(shù)據(jù)提取出每個(gè)車道的檢測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)上步提取的每個(gè)車道的數(shù)據(jù)，選取07:20-07:50作為早高峰時(shí)間段，13:30-14:00作為平峰時(shí)間段，17:30-18:00作為晚高峰時(shí)間段，順著研究行車方向的3車道共選取了162個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)文件。利用C#語(yǔ)言編程計(jì)算出每個(gè)車道的各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在早高峰、平峰和晚高峰三個(gè)時(shí)間段的平均地點(diǎn)車速，以兩個(gè)檢測(cè)器之間的路段作為路段單元，路段兩端的檢測(cè)器編號(hào)作為路段標(biāo)號(hào)，將每個(gè)車道兩個(gè)相鄰檢測(cè)點(diǎn)的地點(diǎn)車速平均值作為兩檢測(cè)點(diǎn)間路段的平均行程車速，得到各個(gè)路段的不同車道在早高峰、平峰和晚高峰時(shí)間段的平均行程車速。根據(jù)路段距離和路段間每個(gè)車道的平均行程車速計(jì)算出每個(gè)路段的不同車道在早高峰、平峰和晚高峰時(shí)間段的平均行程時(shí)間。以早高峰時(shí)間段為例，基于車道劃分的早高峰路段行程時(shí)間的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基于車道劃分的早高峰路段行程時(shí)間（秒）

3.1.2 方法2：基于車道流量分布的行程時(shí)間

在實(shí)際的車輛行駛中，駕駛員一般不會(huì)固定在某一車道行駛，根據(jù)車頭間距和速度狀況會(huì)變換行車道，具有一定的靈活性和隨機(jī)性。方法1適用于車道流量分布不均勻條件下不同車道的交通流參數(shù)對(duì)比。一般情況下交通參與者關(guān)心的行程時(shí)間并沒(méi)有局限在車道行程時(shí)間上，一般是指某一行車方向的行程時(shí)間，因此進(jìn)一步提出了基于車道流量分布的行程時(shí)間估算方法。在計(jì)算某一行車方向的行程時(shí)間時(shí)，以車道行程時(shí)間為基礎(chǔ)，考慮流量在各車道上的分布，以檢測(cè)點(diǎn)各車道交通量為影響權(quán)重，計(jì)算各車道行程時(shí)間的加權(quán)平均值，在此基礎(chǔ)上計(jì)算該行車方向的行程時(shí)間。以早高峰為例的車道權(quán)重因子的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 早高峰時(shí)間段各車道權(quán)重因子

3.1.3 方法3：改進(jìn)的基于車道流量分布的行程時(shí)間

方法2考慮了流量在車道上分布不均衡的情況，能估算流量在不同車道分布不均勻條件下的某一行車方向的行程時(shí)間。針對(duì)沿道路縱斷面流量分布不均勻的情況，在方法2的基礎(chǔ)上，以路段兩端的檢測(cè)交通量作為檢測(cè)點(diǎn)權(quán)重因子，計(jì)算路段兩端檢測(cè)點(diǎn)的地點(diǎn)車速的加權(quán)平均值，即改進(jìn)后的路段平均車速（表3），然后根據(jù)路段長(zhǎng)度計(jì)算路段行程時(shí)間。

表3 改進(jìn)后的路段平均車速（千米/時(shí)）

3.2 間斷流路段行程時(shí)間計(jì)算

受信號(hào)交叉口影響，路段[01,02]、[02,03]和[04,05]屬于間斷流路段。計(jì)算間斷流路段的行程時(shí)間包含交叉口延誤路段的延誤和交叉口影響路段的行程時(shí)間。通過(guò)實(shí)地交通調(diào)查，獲取信號(hào)交叉口01-02、02-03和04-05處早高峰、平峰和晚高峰時(shí)間段內(nèi)東西直行方向的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表4），應(yīng)用Webster交叉口延誤模型公式計(jì)算出各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的交叉口平均延誤。

表4 信號(hào)交叉口01-02、02-03和04-05調(diào)查數(shù)據(jù)

綜合交叉口延誤路段的延誤和交叉口影響路段的行程時(shí)間，得到間斷流路段早高峰、平峰和晚高峰時(shí)間段內(nèi)的行程時(shí)間見(jiàn)表5。

表5 間斷流路段行程時(shí)間計(jì)算結(jié)果（秒）

3.3 路徑行程時(shí)間計(jì)算結(jié)果分析

研究路徑的行程時(shí)間等于連續(xù)流和間斷流路段行程時(shí)間之和。沿清華東路至京藏高速路方向，從北京林業(yè)大學(xué)南門(mén)到德勝門(mén)的各研究時(shí)段內(nèi)的行程時(shí)間見(jiàn)表6。

表6 研究路徑在三種行程時(shí)間計(jì)算方法中的行程時(shí)間（秒）

通過(guò)分析三種計(jì)算方法的結(jié)果（圖3）可以看出，方法1基于車道劃分的行程時(shí)間中不同車道的行程時(shí)間存在一定的差異，這反映了流量在研究路徑的橫斷面車道上分布不均勻。方法1中間車道的行程時(shí)間最接近方法2基于車道流量分布的計(jì)算行程時(shí)間，這反映了車輛在研究路徑的橫斷面中間車道上分布最多。方法2基于車道流量分布的計(jì)算行程時(shí)間和方法3改進(jìn)后的基于車道流量分布的計(jì)算行程時(shí)間相差不大，這反映了流量在研究路徑的縱向斷面上分布均勻。

圖3 行程時(shí)間計(jì)算結(jié)果對(duì)比（秒）

在早晚高峰和平峰時(shí)間段內(nèi)借助跟車法，沿著研究路徑進(jìn)行實(shí)地交通調(diào)查。實(shí)地跟車調(diào)查結(jié)果表明，在早晚高峰時(shí)間段內(nèi)路段調(diào)查行程時(shí)間與方法2基于車道流量分布的計(jì)算行程時(shí)間和方法3改進(jìn)后的基于車道流量分布的計(jì)算行程時(shí)間相差不大；在平峰時(shí)間段內(nèi)，路段調(diào)查行程時(shí)間與方法1中間車道的計(jì)算行程時(shí)間最接近。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出方法的有效性，在路段調(diào)查行程時(shí)間基礎(chǔ)上，通過(guò)VISSIM交通仿真軟件建立研究路線的仿真模型獲取路段仿真行程時(shí)間。以早高峰時(shí)間段為例，調(diào)查和仿真路段行程時(shí)間與方法3改進(jìn)的基于車道流量分布的計(jì)算行程時(shí)間的對(duì)比如圖4所示。路段調(diào)查行程時(shí)間與路段計(jì)算行程時(shí)間的平均絕對(duì)百分比誤差（MAP1）的平均值為9.33%，其中最大值和最小值分別為15.58%和3.54%。路段仿真行程時(shí)間與路段計(jì)算行程時(shí)間的平均絕對(duì)百分比誤差（MAP2）的平均值為4.15%，其中最大值和最小值分別為9.87%和1.41%。

圖4 各路段行程時(shí)間的調(diào)查、計(jì)算與仿真結(jié)果對(duì)比（秒）

4 結(jié)論

微波車輛檢測(cè)器提供的交通流檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠應(yīng)用于行程時(shí)間估算新方法的研究。本文提出的第1種基于車道劃分的行程時(shí)間計(jì)算方法能夠分車道進(jìn)行行程時(shí)間估算。第2種基于車道流量的行程時(shí)間計(jì)算方法能夠估算流量在道路橫斷面不同車道分布不均勻條件下特定行車方向的行程時(shí)間。針對(duì)流量在道路橫斷面不同車道和縱斷面不同路段分布不均勻的情況，提出了第3種改進(jìn)的基于車道流量分布的行程時(shí)間計(jì)算方法。3種行程時(shí)間計(jì)算方法涵蓋了交通流空間分布的不同特征，能用于計(jì)算不同交通流條件下的行程時(shí)間。