■黃曉迪

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 福州 350004）

隨著福建省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展及高速路網(wǎng)的建設(shè)，福建高速公路通車?yán)锍倘找嬖龃?，截?020 年底福建省高速公路通車?yán)锍掏黄?000 km， 鄉(xiāng)鎮(zhèn)便捷通高速覆蓋率達(dá)到80.3%，綜合密度居各國(guó)各省第3 位；人民生活水平的提高也使家庭汽車保有量節(jié)節(jié)攀升，“十三五”期間增長(zhǎng)了60%，致使高速交通流量迅速增長(zhǎng)， 局部路段經(jīng)常發(fā)生擁堵狀況，特別是周末及免征通行費(fèi)的節(jié)假日期間，高速公路路網(wǎng)擁堵狀況愈加嚴(yán)重，高速公路服務(wù)水平下降。

如何利用現(xiàn)有的高速公路路網(wǎng)交通流量信息和數(shù)據(jù)資源對(duì)上述問題進(jìn)行分析，提高高速公路路網(wǎng)運(yùn)行效率，提升高速公路服務(wù)品質(zhì)，成為福建省高速公路路網(wǎng)迫切需要解決的問題[1]。 其中有效判斷高速公路擁堵情況，為路段擁堵預(yù)警系統(tǒng)提供擁堵閾值信息至關(guān)重要。

1 擁堵評(píng)判指標(biāo)

判斷高速公路擁堵情況一般以小時(shí)為單位進(jìn)行分析計(jì)算， 但高速公路的擁堵情況通常以短時(shí)、即時(shí)特征出現(xiàn)，若以小時(shí)為單位計(jì)算該路段的服務(wù)水平，無法準(zhǔn)確反映路段的實(shí)時(shí)服務(wù)水平，擁堵敏感程度較弱，因此本文提出以15 min 短時(shí)流量進(jìn)行擁堵等級(jí)評(píng)價(jià)，從中尋找擁堵路段發(fā)生時(shí)段與交通量的關(guān)聯(lián)性。

結(jié)合《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（JTG B01-2014）》《公路通行能力規(guī)范（報(bào)批稿）》《公路出行信息服務(wù)技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》《建設(shè)項(xiàng)目交通影響評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（CJJ/T141-2010）》等相關(guān)規(guī)范及文件，以公路服務(wù)水平、運(yùn)行飽和度、運(yùn)行速度、運(yùn)行密度值4個(gè)指標(biāo)判斷高速公路擁堵狀態(tài)， 分析不同指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的交通擁堵特征，并選取相應(yīng)的權(quán)重計(jì)算綜合度量指標(biāo)，作為高速公路擁堵判斷識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)。

（1）公路服務(wù)水平

目前在公路規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，通常采用公路服務(wù)水平來衡量擁堵程度[2]，作為評(píng)價(jià)服務(wù)水平的主要指標(biāo)，將服務(wù)水平分為六級(jí)（見表1），分別代表一定運(yùn)行條件下駕駛員的感受，并以超過三級(jí)服務(wù)水平下限作為擁堵評(píng)判的臨界值。

表1 高速公路路段V/C 值對(duì)應(yīng)的服務(wù)水平分級(jí)

通過斷面交通量、車道數(shù)、設(shè)計(jì)速度等參數(shù)計(jì)算公路服務(wù)水平V/C：

式中：DDHV—雙向小時(shí)交通量 （pcu/h），將15 min 的交通量擴(kuò)大為1 h 交通量；

N—公路雙向車道路；

C—基準(zhǔn)通行能力 （pcu/（h·ln））， 設(shè)計(jì)速度120 km/h、100 km/h、80 km/h 的高速公路基準(zhǔn)通行能力分別為2200、2100、2000 pcu/（h·ln）；

fp—駕駛?cè)丝傮w特征修正系數(shù)， 取值范圍宜0.95～1.00，本次取0.95；

ff—路側(cè)干擾系數(shù)，高速公路取1.0。

（2）運(yùn)行飽和度

考慮到公路服務(wù)水平V/C 中基準(zhǔn)通行能力是以設(shè)計(jì)速度對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力值來確定，但實(shí)際運(yùn)行過程中，車輛的自由流行駛速度并不等于設(shè)計(jì)速度，因此提出運(yùn)行飽和度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 根據(jù)《公路通行能力規(guī)范（報(bào)批稿）》，運(yùn)營(yíng)階段的高速公路可根據(jù)實(shí)際車輛自由流行駛速度對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力值確定每車道基準(zhǔn)通行能力，再考慮實(shí)際高速公路車道數(shù)、交通組成和駕駛?cè)藛T總體特征計(jì)算高速公路實(shí)際通行能力Cr：

式中：C′基準(zhǔn)—自由流速度對(duì)應(yīng)的車道基準(zhǔn)通行能力值；不同自由流速度對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力可按表2 選取，其余自由流速度對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力采用插值法進(jìn)行計(jì)算；

表2 不同自由流速度對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力值

fp—駕駛?cè)丝傮w特征修正系數(shù)，取值范圍宜0.95～1.00，本次取0.95；

ff—路側(cè)干擾系數(shù)，高速公路取1.0；

fw—車道寬度和路側(cè)寬度修正系數(shù)， 高速公路雙向八車道及以上，可不做修正。

運(yùn)行飽和度值V/Cr為實(shí)際斷面交通量與運(yùn)營(yíng)階段通行能力的比值，即：

式中：DDHV—雙向小時(shí)交通量（pcu/h），將15 min的交通量擴(kuò)大為1 h 交通量；

N—公路雙向車道數(shù)。

飽和度分為六級(jí)，劃分同《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（JTG B01-2014）》[2]（表1）服務(wù)水平分級(jí)，以超過三級(jí)服務(wù)水平下限作為擁堵評(píng)判的臨界值。

（3）運(yùn)行速度

根據(jù)福建省高速公路聯(lián)網(wǎng)公司提供的門架數(shù)據(jù)，得到高速公路各門架間車輛15 min 的平均行駛速度，以車輛平均行駛速度來判斷高速公路斷面運(yùn)行狀態(tài)。 根據(jù)《公路出行信息服務(wù)技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》，指標(biāo)分為暢通、緩行、輕度擁堵、重度擁堵、嚴(yán)重?fù)矶潞椭袛? 個(gè)等級(jí)。 結(jié)合高速公路路段服務(wù)水平分級(jí)的交通流狀態(tài)，基本可將高速公路運(yùn)行狀態(tài)的6 個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)公路服務(wù)水平（表1）的等級(jí)，并以超過三級(jí)服務(wù)水平下限作為擁堵評(píng)判的臨界值。具體見表3。

表3 3 種高速公路不同運(yùn)行速度下的運(yùn)行狀態(tài)（單位：km/h）

（4）運(yùn)行密度值

根據(jù) 《建設(shè)項(xiàng)目交通影響評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（CJJ/T141-2010）》[3]， 機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài) 還可 按密度值（pcu/（km·車道)）來確定，密度值是描述交通流運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，可以反映車輛之間相互接近的程度。 密度通車是指單位長(zhǎng)度的車道或公路中的車輛數(shù)，密度值計(jì)算公式如下：

式中：k—密度值（pcu/（km·車道））；

DDHV—雙向小時(shí)交通量（pcu/h），將15 min 的交通量擴(kuò)大為1 h 交通量；

N—雙向車道路；

v—平均行程速度（km/h）。

結(jié)合高速公路路段服務(wù)水平分級(jí)的交通流狀態(tài)，密度值也可分為六級(jí)，并以超過三級(jí)服務(wù)水平下限作為擁堵評(píng)判的臨界值。 具體見表4。

表4 高速公路路段機(jī)動(dòng)車密度值對(duì)應(yīng)的服務(wù)水平

2 擁堵識(shí)別方法

擁堵識(shí)別方法可為單參數(shù)的閾值劃分擁堵識(shí)別，也可以是多參數(shù)算法的擁堵識(shí)別，單參數(shù)識(shí)別方法簡(jiǎn)單、快速但精確度較低，而多參數(shù)識(shí)別方法模型算法復(fù)雜，識(shí)別時(shí)間較長(zhǎng)但精確度較高。 本文選用服務(wù)水平V/C 比、運(yùn)行飽和度V/Cr、運(yùn)行速度v、運(yùn)行密度k 4 個(gè)參數(shù)作為擁堵識(shí)別的指標(biāo)， 以高速公路設(shè)計(jì)速度120 km/h 的情況為例，整理各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表5 所示。

表5 高速公路擁堵等級(jí)評(píng)價(jià)

考慮模型的實(shí)時(shí)性及高速預(yù)警系統(tǒng)操作的便捷性要求， 選用較為簡(jiǎn)單快速的算法模型進(jìn)行多參數(shù)閾值劃分擁堵識(shí)別， 以進(jìn)行較為準(zhǔn)確的高速擁堵狀態(tài)識(shí)別。 具體的多參數(shù)綜合閾值擁堵識(shí)別步驟如下：

（1）確定擁堵等級(jí)閾值

結(jié)合上文，高速公路交通狀態(tài)分為6 類，不同運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的閾值如表6 所示，以超過三級(jí)服務(wù)水平下限作為擁堵評(píng)判的臨界值。

表6 高速公路擁堵等級(jí)閾值

（2）對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于服務(wù)水平V/C 比、運(yùn)行飽和度V/Cr、運(yùn)行速度v、運(yùn)行密度k 是在不同的量綱指標(biāo)，需要標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)度對(duì)不同的量綱指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。

以表6 作為統(tǒng)一的量綱標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)速度和密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理， 分析表5 中不同速度與閾值、不同密度與閾值之間的關(guān)系，得到運(yùn)行速度和運(yùn)行密度值的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)：

（3）指標(biāo)權(quán)重的確定

公路服務(wù)水平V/C 中采用設(shè)計(jì)速度下的基準(zhǔn)通行能力，通常用于計(jì)算設(shè)計(jì)階段的V/C 比，而本文主要研究運(yùn)營(yíng)階段的擁堵情況，公路服務(wù)水平V/C將作為輔助指標(biāo)進(jìn)行分析， 不賦予權(quán)重。 而飽和度V/Cr值主要是研究運(yùn)營(yíng)階段的運(yùn)行狀態(tài)，且綜合考慮了交通量、平均行駛速度、車道數(shù)以及干擾修正系數(shù)的影響，是一個(gè)較為全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，賦予0.5 的權(quán)重。

車輛運(yùn)行速度是判斷交通狀態(tài)的直觀數(shù)據(jù)，在擁堵識(shí)別狀態(tài)中表現(xiàn)得更為敏感，而密度的高低有時(shí)并不能明確地反應(yīng)交通流的狀態(tài)，因此以車輛速度來識(shí)別交通狀態(tài)的準(zhǔn)確度比密度值要高[4]，綜上，分別賦予運(yùn)行速度和運(yùn)行密度的指標(biāo)權(quán)重0.3 和0.2。

（4）計(jì)算加權(quán)綜合度量值

計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的運(yùn)行速度、 密度值及飽和度，分別與其權(quán)重相乘后相加，得到綜合度量指標(biāo)T：

（5）對(duì)比判斷

根據(jù)計(jì)算的加權(quán)綜合度量值與高速公路擁堵等級(jí)閾值（表6）進(jìn)行比較判斷高速公路的擁堵狀態(tài)等級(jí)。

3 高速擁堵評(píng)判實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

以沈海高速泉州段山頭隧道至蘇厝隧道路段為研究對(duì)象，具體地理位置如圖1 所示。 沈海高速公路泉廈段是G15 沈海高速的重要組成部分， 路線起于泉州市洛陽(yáng)江區(qū)，終于廈門市集美區(qū)，路線全長(zhǎng)約81.895 km。 泉廈高速公路于1997 年建成通車，采用雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)，后進(jìn)行“四改八”改擴(kuò)建，于2010 年建成通車，設(shè)計(jì)速度120 km/h、雙向八車道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。 研究路段位于沈海高速泉州段K2266～K2273 山頭隧道至蘇厝隧道路段，里程區(qū)間7 km。

圖1 項(xiàng)目地理位置

3.2 交通量特征

山頭隧道至蘇厝隧道路段位于沈海高速西錦樞紐（門架）至翔安互通（門架）之間，福建省高速聯(lián)網(wǎng)公司提供的交通量數(shù)據(jù)精度僅覆蓋門架區(qū)間，暫無法精確至具體隧道段落，故以西錦樞紐（門架）至翔安互通（門架）交通量作為山頭隧道至蘇厝隧道路段斷面交通量。

根據(jù)福建省高速聯(lián)網(wǎng)公司提供的門架數(shù)據(jù)，2020 年西錦樞紐至翔安互通之間工作日日均交通量為80112 pcu/d，周末日均交通量為120221 pcu/d，端午節(jié)期間日均交通量為110525 pcu/d， 國(guó)慶節(jié)期間日均交通量為97537 pcu/d。 節(jié)假日、周末車流量明顯大于日常工作日車流量，其中周末車流量可達(dá)工作日的1.50 倍，端午節(jié)為日常工作日的1.38 倍，國(guó)慶節(jié)為1.22 倍。 具體見圖2。

圖2 2020 年各節(jié)點(diǎn)交通量分布

以15 min 為單位分析2020 年山頭隧道至蘇厝隧道路段交通量（圖3），高峰時(shí)段在10∶00-11∶00、16∶00-17∶00，節(jié)假日、周末車流量高峰情況較為明顯，高峰小時(shí)交通量占比在9.0%～11.0%左右；工作日高峰小時(shí)交通量占比約7.0%～8.0%。

3.3 路段擁堵程度分析

（1）公路服務(wù)水平

結(jié)合沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段各時(shí)間段交通量（圖3），按照公式（1）計(jì)算山頭隧道至蘇厝隧道路段服務(wù)水平，結(jié)果如圖4 所示。

圖3 交通量日分布情況

圖4 各節(jié)點(diǎn)服務(wù)水平日分布情況

根據(jù)圖4 可知，2020 年山頭隧道至蘇厝隧道路段各時(shí)間段值基本低于0.5，服務(wù)水平處于一～二級(jí)水平， 其中周末高峰時(shí)段V/C 達(dá)到0.55，服務(wù)水平降至三級(jí)。 2020 年各時(shí)間節(jié)點(diǎn)服務(wù)水平均沒有超過三級(jí)下限， 高峰時(shí)段相關(guān)交通特征值如表7 所示：

表7 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時(shí)段交通量及服務(wù)水平

（2）運(yùn)行飽和度

根據(jù)福建省高速聯(lián)網(wǎng)公司提供的交通信息，沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段各時(shí)段的15 min 自由流速度見圖5， 該路段為隧道進(jìn)出口段，平均速度約70 km/h，對(duì)應(yīng)表2，平均基準(zhǔn)通行能力約1600 pcu/h·ln。

圖5 各節(jié)點(diǎn)自由流速度分布圖

根據(jù)各時(shí)段自由流速度，按照表2 中對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力采用插值法計(jì)算出各時(shí)段的基準(zhǔn)通行能力。 結(jié)合沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段各時(shí)間段交通量（圖3）和運(yùn)營(yíng)階段高速公路通行能力，按照公式（2）～（3）計(jì)算山頭隧道至蘇厝隧道路段飽和度，結(jié)果見圖6。

根據(jù)圖6 可知，2020 年各時(shí)間節(jié)點(diǎn)飽和度水平均沒有超過三級(jí)下限，其中工作日的飽和度均處于一、二級(jí)水平；周末運(yùn)行飽和度最高，8∶45-11∶45、13∶15-14∶45 飽和度降至三級(jí)； 端午節(jié)期間8∶45-11∶30、14∶30-17∶15 飽和度降至三級(jí)； 國(guó)慶節(jié)期間9∶45-11∶15 飽和度降至三級(jí)。 各高峰時(shí)段相關(guān)交通特征值見表8。

表8 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時(shí)段交通量及飽和度

圖6 各節(jié)點(diǎn)飽和度分布圖

（3）運(yùn)行速度

根據(jù)高速公路聯(lián)網(wǎng)公司提供的交通信息，得到山頭隧道至蘇厝隧道路段15 min 的平均行駛速度，速度變化幅度較大，9∶00 開始速度開始下降， 持續(xù)至12∶00 左右，14∶30 開始速度又出現(xiàn)了波谷。周末、端午節(jié)及國(guó)慶節(jié)部分時(shí)段運(yùn)行速度降至50 km/h，而該路段設(shè)計(jì)車速為120 km/h，對(duì)應(yīng)表3，此時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶?，詳見圖7。

以運(yùn)行速度為判斷指標(biāo)，2020 年各時(shí)間節(jié)點(diǎn)高峰時(shí)段及超過三級(jí)水平下限的擁堵時(shí)段相關(guān)特征值見表9。周末高峰時(shí)段運(yùn)行速度最慢，擁堵持續(xù)時(shí)間150 min，但端午節(jié)擁堵時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)195 min，國(guó)慶節(jié)擁堵時(shí)段達(dá)90 min。

表9 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時(shí)段運(yùn)行速度及擁堵狀態(tài)

（4）運(yùn)行密度值

結(jié)合沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段各時(shí)間段交通量（圖3）和平均運(yùn)行速度（圖7），按照公式（5）計(jì)算山頭隧道至蘇厝隧道路段密度值。 其中工作日的密度值均處于一、二級(jí)水平；周末的密度值最大，高峰時(shí)段甚至超過30，對(duì)應(yīng)表4，達(dá)到四級(jí)水平； 端午節(jié)期間在9∶45-11∶15、15∶00-15∶30 降至三級(jí)及以下； 國(guó)慶節(jié)期間在10∶00-11∶15 運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到三級(jí)水平，詳見圖8。

圖7 各節(jié)點(diǎn)平均運(yùn)行速度日分布情況

圖8 各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行密度值日分布情況

以運(yùn)行密度為判斷指標(biāo)，2020 年各時(shí)間節(jié)點(diǎn)高峰時(shí)段及超過三級(jí)水平下限的擁堵時(shí)段相關(guān)特征值見表10。 周末高峰時(shí)段密度值最大，超過四級(jí)水平且擁堵持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)105 min；端午節(jié)高峰時(shí)段密度值也超過了四級(jí)水平，持續(xù)時(shí)間30 min。

表10 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時(shí)段運(yùn)行密度值及擁堵狀態(tài)

（5）綜合度量指標(biāo)

綜合服務(wù)水平比V/C、運(yùn)行飽和度V/Cr、運(yùn)行速度v、運(yùn)行密度k 4 個(gè)指標(biāo)參數(shù)，按照調(diào)整函數(shù)（公式（5）～（6））及加權(quán)權(quán)重值，得到綜合度量指標(biāo)T（公式（7）），各時(shí)間點(diǎn)綜合度量指標(biāo)示意圖見圖9。

根據(jù)圖9，得到2020 年各時(shí)間節(jié)點(diǎn)高峰時(shí)段及超過三級(jí)水平下限的擁堵時(shí)段相關(guān)特征值見表11。山頭隧道至蘇厝隧道路段工作日期間均處于緩行及暢通狀態(tài)，而周末及節(jié)假日對(duì)該路段交通擁堵狀態(tài)影響較大，其中周末擁堵情況最為嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，出現(xiàn)在9∶45-10∶15、10∶30-10∶45、15∶00-15∶15，時(shí)長(zhǎng)達(dá)60 min；端午節(jié)嚴(yán)重?fù)矶鲁掷m(xù)時(shí)間達(dá)15 min，出現(xiàn)在10∶30-10∶45，其余時(shí)段處于輕度擁堵及緩行狀態(tài)；而國(guó)慶節(jié)期間出現(xiàn)輕度擁堵情況。

圖9 各節(jié)點(diǎn)綜合度量指標(biāo)分布情況

表11 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時(shí)段綜合度量指標(biāo)

以超過三級(jí)服務(wù)水平下限作為擁堵評(píng)判的臨界值，據(jù)此擬定高速公路擁堵預(yù)警系統(tǒng)：當(dāng)綜合度量值達(dá)到三級(jí)時(shí)，觸發(fā)擁堵關(guān)注提醒；超過三級(jí)時(shí)，觸發(fā)擁堵預(yù)警提醒；即當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)超過0.55 的閾值時(shí)，觸發(fā)常發(fā)擁堵路段的擁堵關(guān)注；當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)超過0.75 的閾值時(shí)，觸發(fā)常發(fā)擁堵路段的擁堵預(yù)警。

4 結(jié)論

本文利用現(xiàn)有的高速公路路網(wǎng)交通流量信息，以沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段為研究對(duì)象，選用服務(wù)水平比、運(yùn)行飽和度、運(yùn)行速度、運(yùn)行密度4 個(gè)參數(shù)作為擁堵識(shí)別的指標(biāo)， 考慮各指標(biāo)的權(quán)重得到擁堵綜合度量指標(biāo)，從而判斷該路段的擁堵等級(jí)及擁堵時(shí)段[5]。 研究提供的擁堵識(shí)別方法能夠?yàn)楦＝ㄊ「咚俟窊矶屡袛嘧R(shí)別提供技術(shù)基礎(chǔ)和支撐，具體是在高速公路擁堵預(yù)測(cè)判斷和流量預(yù)警過程中，根據(jù)路段的車流量、自由流速度、平均速度等數(shù)據(jù)，構(gòu)建高速公路擁堵綜合度量指標(biāo)并確定擁堵預(yù)警閾值。