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        基于可達性的高速公路改擴建工程誘增交通量研究

        2022-03-20 12:22:20吳曉明孔繁盛段丹軍趙延慶
        北方交通 2022年3期
        關(guān)鍵詞:交通量標(biāo)定高速公路

        吳曉明,孔繁盛,段丹軍,趙延慶

        (1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 大連市 116000; 2.山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原市 030000;3.大連理工大學(xué) 交通運輸學(xué)院 大連市 116000)

        近年來汽車保有量和公路運輸量不斷提升,高速公路急切需要進行改擴建來改善道路條件。由于高速公路的改擴建,路網(wǎng)結(jié)構(gòu)得以改變,使區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局和交通出行條件得到改善,從而誘發(fā)新的交通需求的產(chǎn)生,新產(chǎn)生的交通需求就是誘增交通需求。

        誘增交通需求的科學(xué)預(yù)測是交通量分析的重要組成部分。在誘增交通量的研究方面,我國學(xué)者已提出多種模型對其進行預(yù)測,包括彈性系數(shù)法、生長曲線法、重力模型法和MD模型等[1-4]。在我國2010年頒布的《公路建設(shè)項目可行性研究報告編制辦法》(以下簡稱為《編制辦法》)中按照“有無對比法”的原則對誘增交通需求進行預(yù)測。但以上模型仍然存在不足之處﹐彈性系數(shù)法對于數(shù)據(jù)采集的要求比較高,當(dāng)發(fā)生了數(shù)據(jù)的缺失時,就可能導(dǎo)致所采取的預(yù)測結(jié)果和實際情況之間存在很大的誤差[1]。重力模型法的計算機理缺乏理論支持,當(dāng)出行距離、出行時間較短或小區(qū)內(nèi)部出行時預(yù)測值會偏大[2];生長曲線法對初期誘增交通需求的預(yù)測值偏低﹐不適用于誘增交通需求的平均增長率相對較高的地區(qū)[3]。

        Hansen于1959年提出可達性的概念,是交通研究中一個非常重要和基礎(chǔ)的概念,廣泛地應(yīng)用于交通學(xué)、公路規(guī)劃及地理學(xué)等領(lǐng)域??蛇_性一般指利用某種特殊的交通系統(tǒng)從某一給定出發(fā)地到達活動目的地的便捷程度??蛇_性模型可以表現(xiàn)為因為道路新建或擴建而對出行者的出行行為產(chǎn)生的影響,適合應(yīng)用于考慮誘增交通需求的傳統(tǒng)交通量預(yù)測模型的研究中。何南采用基于可達性的四階段模型對城市道路誘增交通量進行預(yù)測[5]。現(xiàn)階段的研究大多數(shù)針對的是城市道路,很少有對高速公路改擴建誘增交通量的研究。本研究采用考慮可達性的“四階段”交通量預(yù)測模型,預(yù)測改擴建高速公路誘增交通量。

        1 研究方法

        1.1 交通量預(yù)測方法

        “四階段”模型被認(rèn)為是目前國內(nèi)外最為常見的一種交通量預(yù)測手段。對于高速公路改擴建工程,《編制辦法》中描述的基本施工步驟主要有四個階段,即社會經(jīng)濟增長預(yù)測、交通發(fā)生吸引、交通分布、交通分配。

        本研究中采用三種方法分析比較,以得到適用于改擴建高速公路工程考慮誘增交通量的預(yù)測方法。具體方法如下:

        1.1.1方法A

        根據(jù)傳統(tǒng)的四階段模型,采用重力模型法,僅對趨勢交通量進行預(yù)測,不考慮誘增交通量。重力模型法的計算過程相較簡便﹐參數(shù)容易標(biāo)定。模型表達式如式(1):

        (1)

        式中:Qij為i到j(luò)區(qū)的趨勢交通需求(veh/d);Pi為未來年i區(qū)的發(fā)生交通需求(veh/d);Aj為未來j區(qū)的吸引交通需求(veh/d);Fij為i到j(luò)區(qū)的交通阻抗,一般指出行的距離、時間或費用;K、α、β、γ為重力模型的參數(shù),根據(jù)路網(wǎng)現(xiàn)狀OD和時間出行矩陣,由回歸分析法進行標(biāo)定。

        1.1.2方法B

        《編制辦法》中的有無對比法。在《編制辦法》中對誘增交通量的預(yù)測,要考慮的重要因素是小區(qū)間的運行時間,按照“有無對比法”原則,采用重力模型,將誘增交通量的預(yù)測工作按照兩種情況分別計算。預(yù)測公式及內(nèi)容如下:

        (1)當(dāng)現(xiàn)狀小區(qū)間出行交通量不為零時,采取下列計算公式:

        (2)

        (2)當(dāng)現(xiàn)狀小區(qū)間出行交通量為零時,采取下列計算公式:

        (3)

        此模型是在預(yù)測趨勢交通出行的基礎(chǔ)上,僅計算由于出行的時間、成本或距離等因素的降低,而導(dǎo)致產(chǎn)生一種新的誘增出行。對因道路網(wǎng)改變而引起區(qū)域經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地利用開發(fā)程度及性質(zhì)得到改變等引起的誘增交通需求考慮不足。

        1.1.3方法C

        基于可達性的四階段模型。本研究所采用的模型是在傳統(tǒng)“四階段”模型的基礎(chǔ)上,將可達性的概念引入其中,考慮了可達性、人口及經(jīng)濟的因素,對發(fā)生吸引及分布模型進行改進,改進后的模型構(gòu)造如下:

        交通發(fā)生模型:

        Pi=λi·ACCi+ai×Xi+bi×Yi+C

        (4)

        交通吸引模型:

        Aj=λj·ACCj+cj×Xj+dj×Yj+C

        (5)

        交通分布模型:

        Tij=PRij·Gi

        (6)

        (7)

        式中:ACC為小區(qū)可達性指標(biāo);X為小區(qū)出行人口數(shù);Y為小區(qū)經(jīng)濟情況;Tij為小區(qū)ij間的分布交通需求;PRij為從小區(qū)i到j(luò)的選擇概率;tij為小區(qū)間的出行時間;Pij為小區(qū)間的流量;λ、a、b、c、d、C為可達性待估參數(shù)。

        本研究建立具有反饋循環(huán)的四階段模型對誘增交通量進行預(yù)測。具體反饋流程如圖1。

        圖1 反饋流程

        對于模型的收斂條件,由于道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的情況下,選定車出行公里數(shù)(即依據(jù)各路段距離與其對應(yīng)的路段交通量相乘)作為收斂標(biāo)準(zhǔn)。具體收斂準(zhǔn)則如式(8):

        (8)

        式中:VKTn為第n次車出行公里數(shù);VKTn+1為第n+1次車出行公里數(shù)。

        本研究選取TransCAD軟件,其將GIS系統(tǒng)與交通規(guī)劃模型進行整合,憑借編輯GISDK腳本語言,實現(xiàn)基于TransCAD的反饋模型的運行,利用BatchMode工具獲取所有的輸入輸出數(shù)據(jù)文件、參數(shù)標(biāo)定及設(shè)置,將GISDK腳本語言放到一個循環(huán)里,直至滿足收斂條件才跳出循環(huán),獲得結(jié)果。

        1.2 可達性模型

        可達性模型的主要影響因素包括兩個方面:路網(wǎng)屬性、出行目的地吸引力?,F(xiàn)階段針對路網(wǎng)可達性主要有累計機會法、重力模型法、效用模型法、拓?fù)浞治龇ê涂臻g阻抗方法等五種模型。

        空間阻隔模型大多應(yīng)用在交通網(wǎng)絡(luò)和地理信息等研究領(lǐng)域,擁有直觀、簡潔、數(shù)據(jù)易獲取等優(yōu)點,適用于對宏觀可達性進行評價。然而該模型的缺點也顯而易見,該模型不能體現(xiàn)由于土地利用和交通系統(tǒng)的不同而對可達性產(chǎn)生的影響;為克服模型的缺點,采用加權(quán)空間阻抗模型,很好地解決了原有模型的缺點,具體形式為:

        (9)

        1.3 可達性參數(shù)標(biāo)定

        參數(shù)標(biāo)定對于保證模型的有效性和準(zhǔn)確性來說,是一項不可或缺的工作。具體標(biāo)定流程如圖2所示,具體的參數(shù)標(biāo)定過程為:

        圖2 參數(shù)標(biāo)定過程

        (1)交通分配參數(shù)估計:為計算得出區(qū)間廣義成本(一般指小區(qū)出行時間),將現(xiàn)狀路網(wǎng)及實際車輛出行OD表代入用戶均衡分配模型進行計算。

        (2)交通分布參數(shù)估計:根據(jù)實際交通量分布模型,結(jié)合相關(guān)小區(qū)社會經(jīng)濟現(xiàn)狀推出交通分布階段的參數(shù)估計結(jié)果。通過加權(quán)空間阻抗模型進行計算,獲得交通發(fā)生與吸引階段所需的可達性指標(biāo)。

        (3)交通發(fā)生吸引參數(shù)估計:通過實際交通發(fā)生吸引交通量,將可達性指標(biāo)與區(qū)域經(jīng)濟現(xiàn)狀、道路屬性、人口等結(jié)合推導(dǎo)發(fā)生與吸引階段的參數(shù)估計結(jié)果。

        從每個階段的參數(shù)標(biāo)定的方法看出,這種由下到上逐步對每個階段模型的參數(shù)進行標(biāo)定的過程使得到的參數(shù)合理有效。

        2 誘增交通量預(yù)測工程實例

        2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

        以山西省晉陽高速公路改擴建工程(S86)為例,將陽城附近地區(qū)劃分為6個小區(qū),分別為陽城區(qū)、晉城區(qū)、高平區(qū)、侯馬區(qū)、翼城區(qū)及沁水區(qū)。各個小區(qū)的數(shù)據(jù)通過《山西統(tǒng)計年鑒》和前瞻數(shù)據(jù)庫獲得,分別為總?cè)丝凇⑸a(chǎn)總值及一二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值等。在路網(wǎng)數(shù)據(jù)分析過程中,通過參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)中的公路設(shè)計時速,結(jié)合山西省公路的實際狀況對速度進行定義。本研究結(jié)合《公路通行能力手冊》和世界銀行的《公路投資優(yōu)化研究與可行性研究方法改進》的報告,根據(jù)實際情況對通行能力進行選取。

        2.2 算例分析

        晉陽高速公路改擴建項目擬2019年12月啟動建設(shè),施工周期擬定4年。本研究選取2018年為基年,選取2024年、2025年、2030年、2035年為特征年預(yù)測。參考土地利用性質(zhì)及行政區(qū)劃將晉陽附近地區(qū)劃分為6個交通小區(qū),建立小區(qū)及路網(wǎng)圖層,并將小區(qū)屬性(人口、經(jīng)濟情況等)和道路屬性(通行能力、路段長度、車道數(shù)、路段通行速度)輸入。具體劃分信息及路網(wǎng)見圖3所示,各小區(qū)OD表見表1。

        表1 晉陽高速公路2018年(基年)出行OD表

        通過回歸分析可以得到方法A和方法B的交通發(fā)生與吸引模型參數(shù),具體形式如下:

        交通發(fā)生模型:

        Pi= -21.03×Xi+3.69×Yi+687.28

        (10)

        交通吸引模型:

        Aj=-14.35×Xj+3.16×Yj+429.48

        (11)

        通過對晉陽高速公路的現(xiàn)狀小區(qū)出行OD矩陣和時間矩陣進行回歸分析,計算得到的參數(shù)如下:

        K=1.38;α=1.10;β=1.28;γ=1.10。

        方法C交通發(fā)生與吸引模型參數(shù)由2.3中論述的方法得到,具體形式如下:

        交通發(fā)生模型:

        Pi=-0.28×ACCi-15.5×Xi+5.44×Yi+462.33

        (12)

        交通吸引模型:

        Aj=-3.03×ACCj-13.23×Xj+4.71×Yj+679.74

        (13)

        交通分布模型采用上文論述方法,交通分配選取用戶平衡分配模型,并進行反饋循環(huán)計算。

        2.3 結(jié)果分析

        針對上述工程實例,分別采用方法A、方法B和方法C進行分析,得到交通生成總量和車出行公里數(shù),如圖4和圖5所示。

        圖4 各方法預(yù)測的交通生成總量對比圖

        圖5 各方法預(yù)測的車出行公里數(shù)對比圖

        可以看出,方法B對誘增交通量的預(yù)測值在5%~15%間波動,方法C的預(yù)測值在20%~30%間波動。由于方法B沒有充分考慮誘增交通量,其預(yù)測結(jié)果相對保守。而方法C考慮了各相關(guān)因素對誘增交通量的影響,在反饋循環(huán)的過程對改擴建的高速公路交通量進行預(yù)測,分析結(jié)果更為合理,因此對傳統(tǒng)四階段模型進行改進是必要的工作。

        在利用反饋模型進行預(yù)測時,車出行公里數(shù)開始不斷變化,后趨于穩(wěn)定最終收斂。通過結(jié)果分析可以得出改擴建引發(fā)了誘增交通量的產(chǎn)生,且有必要進行考慮,引入可達性的四階段模型更適用于對改擴建后誘增交通量的預(yù)測。

        3 結(jié)語

        (1)將可達性的概念引入“四階段”模型,考慮了可達性、小區(qū)人口及經(jīng)濟情況對誘增交通量的影響,建立了可靠的誘增交通量預(yù)測模型,更合理地預(yù)測高速公路改擴建工程交通量。

        (2)方法B對誘增交通量的預(yù)測值在5%~15%間波動,本文方法的預(yù)測值在20%~30%間波動。由于傳統(tǒng)方法有充分考慮誘增交通量,其預(yù)測結(jié)果相對保守,本文方法考慮了各相關(guān)因素對誘增交通量的影響,在反饋循環(huán)的過程對改擴建的高速公路交通量進行預(yù)測,分析結(jié)果更為合理。

        (3)改擴建后的高速公路可達性對誘增交通量的產(chǎn)生存在影響,且需要考慮可達性的因素,才能較為合理地對誘增交通量進行預(yù)測。

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