王歡 朱靜

摘要 干線(xiàn)公路網(wǎng)具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)、政治、文化、國(guó)防等重要服務(wù)職能，交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)其進(jìn)行管理、誘導(dǎo)、控制、指揮與救援，保障其正常運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。文章首先回顧了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于干線(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)的成果，然后從數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、指標(biāo)體系、管理體制以及服務(wù)模式四個(gè)方面分析了當(dāng)前制約運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)一步發(fā)展的主要因素，最后結(jié)合當(dāng)前理論研究現(xiàn)狀及運(yùn)營(yíng)實(shí)際情況，構(gòu)建了面向應(yīng)用的干線(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)體系。該文的研究結(jié)果可以為后續(xù)干線(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系的構(gòu)建及運(yùn)營(yíng)策略的制定提供參考。

關(guān)鍵詞 干線(xiàn)公路網(wǎng);運(yùn)行狀態(tài);制約因素;指標(biāo)體系

中圖分類(lèi)號(hào) U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）01-0009-03

0 引言

截至2019年，中國(guó)公路總里程已達(dá)484.65萬(wàn)km、高速公路達(dá)14.26萬(wàn)km，居世界第一。我國(guó)已成為名副其實(shí)的公路大國(guó)。但目前我國(guó)干線(xiàn)公路網(wǎng)表現(xiàn)出“大而不強(qiáng)”的特征，主要表現(xiàn)在道路交通擁擠問(wèn)題不斷凸顯，交通安全事故時(shí)有發(fā)生，路網(wǎng)負(fù)荷程度日益嚴(yán)重，進(jìn)一步提升我國(guó)干線(xiàn)公路網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)管理水平已經(jīng)成為推動(dòng)我國(guó)公路高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，公路交通管理部門(mén)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到：預(yù)警潛在風(fēng)險(xiǎn)、緩解及治理?yè)矶率钱?dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的重要任務(wù)，而準(zhǔn)確掌控交通運(yùn)行狀態(tài)是完成上述任務(wù)的基礎(chǔ)。

隨著干線(xiàn)公路里程的快速擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，以及機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的持續(xù)迅猛增長(zhǎng)，干線(xiàn)路網(wǎng)負(fù)荷日益嚴(yán)重，道路交通擁擠和突發(fā)事件及其引發(fā)的運(yùn)輸效率、行車(chē)安全、能源消耗和環(huán)境污染等問(wèn)題已受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，公路交通管理部門(mén)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到：掌控交通運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)警潛在風(fēng)險(xiǎn)、緩解及治理?yè)矶率钱?dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的重要任務(wù)。與國(guó)外相比，我國(guó)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)起步較晚，當(dāng)前我國(guó)在干線(xiàn)公路網(wǎng)交通運(yùn)行管理的手段和技術(shù)上較為落后，存在數(shù)據(jù)資源多而不合、事件響應(yīng)被動(dòng)滯后、路網(wǎng)狀態(tài)判斷和預(yù)測(cè)缺乏科學(xué)有效的分析方法等問(wèn)題，因此，有必要根據(jù)我國(guó)現(xiàn)狀，總結(jié)國(guó)內(nèi)外已有的經(jīng)驗(yàn)，研究交通數(shù)據(jù)的融合標(biāo)準(zhǔn)、多層次多粒度路網(wǎng)運(yùn)行特征提取與評(píng)估預(yù)警、擁堵判別及原因分析等關(guān)鍵技術(shù)。

1 國(guó)內(nèi)外研究綜述

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)、日本非常重視高速公路運(yùn)行狀態(tài)的分析和管理，通過(guò)完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集交通量、占有率與車(chē)速等數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成車(chē)輛行駛里程、行程時(shí)間和行駛時(shí)間等指標(biāo)，形成龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)[1]。基于數(shù)據(jù)庫(kù)，工作人員通過(guò)大數(shù)據(jù)分析構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，研判高速公路交通運(yùn)行狀況及其發(fā)展趨勢(shì)。

公路績(jī)效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（HPMS，Highway Performance Monitoring System）是聯(lián)邦公路管理局（FHWA，F(xiàn)ederal Highway Administration）在1978年從聯(lián)邦層面對(duì)美國(guó)實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)國(guó)家計(jì)劃，是為了支撐交通運(yùn)輸部部長(zhǎng)對(duì)國(guó)家運(yùn)輸?shù)墓芾頉Q策，同時(shí)給美國(guó)國(guó)會(huì)與行政提供并支持足夠的公路運(yùn)輸數(shù)據(jù)與系統(tǒng)績(jī)效信息。HPMS的數(shù)據(jù)是由各州每年收集并上報(bào)，是為了加強(qiáng)各州的交通運(yùn)輸部、地方政府以及大都市規(guī)劃組織（MPO）之間的合作提供必要的信息。全國(guó)性的數(shù)據(jù)報(bào)告是每年由各州州長(zhǎng)認(rèn)證的所有國(guó)家公共道路的庫(kù)存信息，包括各州和大城市化地區(qū)的115 000條主干道和支路等國(guó)家公路的范圍、條件、績(jī)效、使用和運(yùn)行特征數(shù)據(jù)組成。國(guó)會(huì)要求每?jī)赡暌淮紊蠄?bào)國(guó)家未來(lái)公路投資需求的狀況和績(jī)效報(bào)告，因此HPMS數(shù)據(jù)用于評(píng)估符合美國(guó)交通部（U.S.DOT）和聯(lián)邦公路管理局的戰(zhàn)略規(guī)劃和績(jī)效報(bào)告流程的公路系統(tǒng)績(jī)效。

美國(guó)得克薩斯州交通研究院以不同等級(jí)道路每千米平均日交通量的加權(quán)平均值來(lái)評(píng)價(jià)城市交通的相對(duì)擁堵水平，并于1994年提出道路擁堵指數(shù)[2]。加州35個(gè)城市采用擁堵持續(xù)指標(biāo)（LKDIF，Lane kilometer duration index）作為評(píng)價(jià)周期性交通擁堵嚴(yán)重程度的指標(biāo)，每個(gè)城市區(qū)域的擁堵持續(xù)指標(biāo)是每個(gè)單獨(dú)路段上發(fā)生交通擁堵的車(chē)道長(zhǎng)度和持續(xù)時(shí)間共同作用的結(jié)果[2]。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局在其公路運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)果分析報(bào)告中以每百萬(wàn)車(chē)千米出行總的車(chē)輛延誤時(shí)間定義擁堵嚴(yán)重度指數(shù)（CSI，Congestion Severity Index）作為量化擁堵的指標(biāo)[2]。

日本高速公路日本阪神高速公路管理部門(mén)對(duì)該地區(qū)范圍內(nèi)16條線(xiàn)路，總長(zhǎng)222 km實(shí)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)高速公路交通運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)科學(xué)分析。通過(guò)各線(xiàn)路上以500 m間隔設(shè)置的車(chē)輛檢測(cè)器獲得交通信息主要包括斷面交通流量、時(shí)間與空間占有率與定點(diǎn)車(chē)速，其中交通運(yùn)行狀況基于斷面交通流量與時(shí)空占有率用來(lái)評(píng)價(jià)，定點(diǎn)車(chē)速則用來(lái)計(jì)算車(chē)輛行駛時(shí)間[3]。除車(chē)輛檢測(cè)器外，該部門(mén)還在線(xiàn)形不良路段加設(shè)突發(fā)事件檢測(cè)裝置并設(shè)置緊急電話(huà)設(shè)備，以便于發(fā)現(xiàn)交通事件時(shí)快速采取管理措施。阪神高速公路的運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)為了長(zhǎng)期分析和改善高速公路交通運(yùn)行狀況，與京都大學(xué)建立了長(zhǎng)期的合作研究關(guān)系，以通過(guò)校企合作的模式不斷探索研究方法，以適應(yīng)高速公路的發(fā)展和交通量變化趨勢(shì)。

國(guó)外雖然通過(guò)定義不同的指標(biāo)對(duì)交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別的指標(biāo)，但其都是通過(guò)量化的方式，以具體數(shù)值大小來(lái)衡量公路運(yùn)行狀態(tài)的通暢與否。其指標(biāo)定義不外乎兩種，一種是通過(guò)類(lèi)似道路飽和度的概念從管理者的角度來(lái)反映當(dāng)前道路的負(fù)荷程度，另一種則是從車(chē)輛延誤，從出行者的角度反映擁堵的嚴(yán)重程度。這兩種指標(biāo)都需要實(shí)測(cè)交通量，可由檢測(cè)器或者交通調(diào)查獲取，在適用范圍上均可作為區(qū)域性交通狀態(tài)評(píng)價(jià)，反映宏觀交通擁堵程度。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)的研究都還集中在城市道路領(lǐng)域，超一線(xiàn)城市北上廣深和部分一線(xiàn)城市陸續(xù)發(fā)布了城市道路交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)，一是通過(guò)信息發(fā)布為出行者提供便利，二是便于相關(guān)部門(mén)及時(shí)掌握城市交通總體情況及變化趨勢(shì)。各城市發(fā)布的交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)總體來(lái)看可以分為三種，即基于嚴(yán)重?fù)矶鲁潭嚷范伪壤?，基于出行時(shí)間比例和綜合分析評(píng)價(jià)。

以嚴(yán)重?fù)矶鲁潭嚷范伪壤?jì)算交通擁堵指數(shù)的城市主要有北京、南京和廣州。北京市發(fā)布的路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)為T(mén)PI，先根據(jù)路段平均行程速度計(jì)算該時(shí)段下各等級(jí)道路中處于嚴(yán)重?fù)矶鲁潭鹊穆范伍L(zhǎng)度占該等級(jí)道路里程的比例，然后以道路車(chē)千米數(shù)（VKT）為權(quán)重值加權(quán)獲得路網(wǎng)的嚴(yán)重?fù)矶鲁潭缺壤?，最后通過(guò)轉(zhuǎn)換得到該時(shí)段下路網(wǎng)交通狀態(tài)指數(shù)[4]。

深圳、高德則是基于出行時(shí)間延誤的比例計(jì)算交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)，深圳市發(fā)布的路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)同樣為T(mén)PI，然而其是先計(jì)算出行實(shí)際時(shí)間與自由流車(chē)速下出行時(shí)間的比例，自由流車(chē)速一般為當(dāng)天最高車(chē)速的85%，再通過(guò)德?tīng)柗品ń⒊鲂袝r(shí)間比例與交通狀態(tài)指數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系[4]。

上海選取速度和飽和度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)專(zhuān)家打分法和層次分析法分別計(jì)算速度和飽和度的權(quán)重，然后運(yùn)用綜合分析的方法得到評(píng)價(jià)指標(biāo)與交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系[5]。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，國(guó)外在干線(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)領(lǐng)域做得比較成熟，能夠從定量的角度展示公路交通運(yùn)行狀態(tài)，但是其量化指標(biāo)缺乏體系性;國(guó)內(nèi)的干線(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行狀況分析評(píng)價(jià)研究基礎(chǔ)薄弱，評(píng)價(jià)維度單一，也缺乏系統(tǒng)地分析和綜合評(píng)價(jià)。對(duì)干線(xiàn)公路交通運(yùn)行狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)，為干線(xiàn)路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化形成后實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)調(diào)度指揮提供依據(jù)和支持，是干線(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是將來(lái)干線(xiàn)路網(wǎng)智能化交通監(jiān)控、管理的必然趨勢(shì)。

2 干線(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)制約因素分析

2.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)制約

主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)整理困難且數(shù)據(jù)感知能力較弱。全國(guó)公路網(wǎng)系統(tǒng)龐大、復(fù)雜、數(shù)據(jù)量巨大，將海量的數(shù)據(jù)匯聚到一起需要耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間和精力。目前我國(guó)基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)主要集中在交通運(yùn)輸部路網(wǎng)中心，然而路網(wǎng)完整性不高，對(duì)道路的等級(jí)、車(chē)道數(shù)等屬性統(tǒng)計(jì)精度更為堪憂(yōu)。高德、百度所積累的路網(wǎng)數(shù)據(jù)較為完備，僅缺少農(nóng)村路網(wǎng)，但使用其路網(wǎng)數(shù)據(jù)的附加費(fèi)用極為昂貴。數(shù)據(jù)感知主要存在以下的問(wèn)題：一是交調(diào)站數(shù)量少，依據(jù)干線(xiàn)公路網(wǎng)里程推算，平均每個(gè)交調(diào)站監(jiān)測(cè)里程超過(guò)50 km[1];二是數(shù)據(jù)源少，僅基于交調(diào)數(shù)據(jù)難以充分發(fā)揮路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)感知的服務(wù)能力，還需與監(jiān)測(cè)視頻、高速公路ETC/MTC等多源數(shù)據(jù)融合;三是路側(cè)感知不足，除流量、車(chē)速，還應(yīng)增加對(duì)事件、路面健康等的監(jiān)測(cè)感知能力，以適應(yīng)車(chē)路協(xié)同等新型應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展。

2.2 指標(biāo)體系制約

主要體現(xiàn)在：一是指標(biāo)提取。從海量的數(shù)據(jù)源中提取出反映全國(guó)區(qū)域路網(wǎng)運(yùn)行狀況綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和判斷力。二是實(shí)現(xiàn)多重指標(biāo)的無(wú)量綱化，如何將不同維度、異構(gòu)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱化的指標(biāo)還需要進(jìn)一步的思考和不斷地嘗試。三是指標(biāo)評(píng)判閾值的劃定?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已有指數(shù)的取值范圍和評(píng)判閾值各有不同，大多停留在對(duì)道路擁堵、暢通的分級(jí)上，并未考慮路網(wǎng)運(yùn)行的綜合情況，多采用與單一數(shù)值比較區(qū)分擁堵與暢通，或按照數(shù)值區(qū)間劃分擁堵、暢通等級(jí)的。

2.3 管理體制制約

目前我國(guó)公路管理采取建、管、養(yǎng)一體化與建、管、養(yǎng)分開(kāi)兩種模式[1]。該種模式造成的其他問(wèn)題一是數(shù)據(jù)共享程度不足。由于沒(méi)有統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及條塊分割的管理模型，各地區(qū)數(shù)據(jù)采集依靠的前端傳感器來(lái)自不同的生產(chǎn)企業(yè)，這些企業(yè)并沒(méi)有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，這就造成即使同一個(gè)城市的不同系統(tǒng)也很難進(jìn)行銜接和配合。二是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性和可靠性難以保障。運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整合度和復(fù)雜度要求很高，但是由于運(yùn)維管理分散，其健壯性并沒(méi)有得到保障。

2.4 服務(wù)模式制約

增值服務(wù)模式挖掘較難，行業(yè)服務(wù)動(dòng)力不足。干線(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)投資力度較大，但是建成以后盈利模式較模糊。目前國(guó)內(nèi)高德百度利用導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行干線(xiàn)路網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，其通過(guò)發(fā)布路網(wǎng)年度運(yùn)行報(bào)告等方式利用導(dǎo)航數(shù)據(jù)盈利，但是目前掌握數(shù)據(jù)的公路行業(yè)無(wú)法用這種模式。其次，干線(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位不明確，其服務(wù)對(duì)象較為模糊，針對(duì)大眾和政府的指標(biāo)體系制定完全是兩套。

管理體制和服務(wù)模式的制約在指標(biāo)設(shè)計(jì)和技術(shù)層面上是無(wú)法解決的，因此該文基于數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和指標(biāo)體系制約因素的分析，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)條件進(jìn)行干線(xiàn)公路網(wǎng)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)。

3 指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

干線(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)是一種多角度、多層面、多維度的狀態(tài)，一個(gè)指數(shù)是難以全面地描述其真正的含義，因此除擁堵指數(shù)外，該研究還建立了速度和延誤、飽和度、擁堵分布三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，從管理者和公眾的角度出發(fā)，分別提供給他們最需要和最關(guān)注的信息。該研究從空間尺度上將干線(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分為線(xiàn)層和面層，即路段和路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。此外，高速公路和普通國(guó)省道在服務(wù)功能、管理需求以及指標(biāo)合理值范圍內(nèi)都存在較大的差異，因此也分別進(jìn)行測(cè)算。

擁堵指數(shù)是集交通擁堵空間范圍、持續(xù)時(shí)間、嚴(yán)重程度為一體的綜合性數(shù)值，交通管理者及交通參與者可以通過(guò)交通指數(shù)，得到全路網(wǎng)或者區(qū)域路網(wǎng)的交通狀態(tài)，以便及時(shí)采取有效措施，減少擁堵的發(fā)生。

速度和延誤是公共出行最關(guān)心的信息。定點(diǎn)車(chē)速相比，平均行程車(chē)速能反映車(chē)輛通過(guò)特定道路的效率，能夠全面反映道路運(yùn)行狀態(tài)的具體情況，易于公眾感受和理解，是出行選擇的重要依據(jù)，也是用于交通技術(shù)評(píng)估分析的最有效指標(biāo)。平均車(chē)速是單位時(shí)間車(chē)輛行駛的距離，常用km/h表示。

飽和度是反映道路服務(wù)水平的重要指標(biāo)之一。該指標(biāo)綜合考慮了道路交通量及道路通行能力兩方面，表征了交通量及道路通行能力之間的匹配關(guān)系。飽和度值越高，一方面體現(xiàn)出該路段相比設(shè)計(jì)階段重要性存在上升，另一方面該路段也是通行能力改善的重要候選。

擁堵分布是發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)中長(zhǎng)期存在的瓶頸路段和危險(xiǎn)路段，以便于管理者進(jìn)行路網(wǎng)管理，緩解交通擁堵，滿(mǎn)足交通需求。擁擠度描述路段交通流的大小，根據(jù)路段不同斷面時(shí)間平均速度的均值和斷面交通量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié)語(yǔ)

在干線(xiàn)公路網(wǎng)日益突出的擁堵和突發(fā)事件頻發(fā)的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，該文首先論述了干線(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，然后從數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、指標(biāo)體系設(shè)計(jì)、管理體制以及服務(wù)模式四個(gè)方面指出了干線(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)制約的因素，最終針對(duì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和指標(biāo)體系的制約問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)了公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，從點(diǎn)、線(xiàn)、面不同維度為干線(xiàn)公路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了理論依據(jù)。

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