基于指數(shù)模型的城市路網(wǎng)交通擁堵評判方法研究

李丹丹，王建強(qiáng)

(蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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基于指數(shù)模型的城市路網(wǎng)交通擁堵評判方法研究

李丹丹，王建強(qiáng)

(蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

城市路網(wǎng)交通擁堵評判方法研究一直是擁堵評判技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題之一。交通擁堵指數(shù)模型能夠把復(fù)雜的城市路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況進(jìn)行簡單化、透明化，并能應(yīng)用到其他城市或區(qū)域路網(wǎng)評判體系研究中。文章提出了基于交通擁堵指數(shù)模型的一般性交通擁堵評判方法，介紹了該模型各評判指標(biāo)的計(jì)算過程。并以蘭州市七里河區(qū)和城關(guān)區(qū)的路網(wǎng)交通為例，對該模型的實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證，最終得出兩城區(qū)整體交通擁堵規(guī)律及指數(shù)變化趨勢，說明了該評判方法的可行性和有效性。

城市交通；路網(wǎng)擁堵評判；指數(shù)模型；Matlab

0 引言

近年來，交通擁堵成為熱門話題，關(guān)于交通擁堵評判方法的研究也成為交通領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)。國外開展了大量擁堵評判方法的研究工作，其中美國較系統(tǒng)地開展了交通擁堵評判體系研究及其應(yīng)用，以德克薩斯交通研究所為代表開發(fā)

出了道路交通擁堵指數(shù)RCI、出行率指數(shù)和出行延誤等指標(biāo)，且RCI的使用最為廣泛，其他部分國家也相繼研究出各具特色的評判指標(biāo)，伊朗[1]的研究人員參考HCM手冊建立適合未來發(fā)展中國家使用的擁堵指數(shù)體系。國內(nèi)擁堵評判體系的建立理論依據(jù)還不完善，沒有對擁堵評判方法做出專門的研究。梁麗娟[2]等人借助杭州市相關(guān)交通流數(shù)據(jù)，構(gòu)建交通擁堵評價(jià)指標(biāo)體系，從區(qū)域和道路層面上評價(jià)交通擁堵的一系列特征；姚運(yùn)梅[3]提出運(yùn)用動(dòng)態(tài)交通仿真技術(shù)對我國大型客運(yùn)站路網(wǎng)交通進(jìn)行仿真評價(jià)；祝付玲[4]在綜合評價(jià)方法的基礎(chǔ)上提出了“先狀態(tài)分類后趨勢分析”的擁堵評價(jià)方法等在交通擁堵評判的應(yīng)用上都得到了肯定；高藝[5]提出基于一次擁堵的交通擁堵綜合評判模型，把擁堵形成和消散的過程為評判對象，體現(xiàn)了擁堵評判的集中化思想，并結(jié)合北京浮動(dòng)車數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。而對于蘭州這樣的西部城市的道路擁堵研究還沒有受到重視，缺乏對城市路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況的簡單描述及整體掌握，所以本文針對西部地區(qū)的道路擁堵評判進(jìn)行簡單研究，建立完善的、專業(yè)的擁堵評判體系以全面描述道路交通擁堵狀況，為及時(shí)開展擁堵救急方案提供依據(jù)。

本文源于北京交通發(fā)展研究中心開發(fā)的交通擁堵指數(shù)[6，7]應(yīng)用系統(tǒng)和上海市道路交通擁堵指數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)已全面投入使用，為政府全面實(shí)時(shí)掌握路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況提供依據(jù)，并為交通部門提供大量的數(shù)據(jù)保障。本文針對此模型進(jìn)行分析，對平均行程速度這一重要指標(biāo)的獲取進(jìn)行改進(jìn)，并對各評判指標(biāo)的計(jì)算過程進(jìn)行描述，以便確定該模型的精確性和可行性。

本研究的目標(biāo)在于通過利用指數(shù)模型對城市路網(wǎng)交通擁堵評判技術(shù)進(jìn)行深入研究，以期望能夠量化路網(wǎng)擁堵的潛在規(guī)律，傳遞當(dāng)前區(qū)域交通運(yùn)行狀況，以此引起人們對蘭州市交通擁堵治理問題的重視以及說明指數(shù)模型引入擁堵評判領(lǐng)域研究中的重要性。

1 交通擁堵指數(shù)模型描述

從可行性、可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，把對影響城市路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況的主觀因素和客觀因素綜合考慮，創(chuàng)建交通擁堵指數(shù)模型。模型中涉及到了平均行程速度、交通量、嚴(yán)重?fù)矶吕锍瘫壤萚7]多個(gè)評判指標(biāo)，各評判指標(biāo)之間通過計(jì)算公式相互聯(lián)系，這些指標(biāo)能夠反映路網(wǎng)內(nèi)交通運(yùn)行特性及規(guī)律，以使模型能夠體現(xiàn)不同評判范圍內(nèi)路網(wǎng)的交通擁堵情況，且重點(diǎn)分析嚴(yán)重?fù)矶侣范蔚慕煌顩r。

1.1 指數(shù)取值

交通擁堵指數(shù)取值區(qū)間對應(yīng)的路網(wǎng)交通擁堵級別如表1所示。

表1 指數(shù)范圍表

本研究針對平均行程速度這一重要指標(biāo)的數(shù)據(jù)獲取作出改進(jìn)。對于各等級道路的路段平均速度數(shù)據(jù)的獲取，采用路段里程、小時(shí)交通量和行程時(shí)間[9]進(jìn)行計(jì)算得到，而不是通過出租車定位系統(tǒng)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到，以此說明因?yàn)樘鞖庾儾疃剐谐趟俣冉档?、路段交通流增多所造成的交通擁堵和天氣良好情況下的交通流增多造成的交通擁堵兩者情況的不同，使得交通擁堵指數(shù)更加準(zhǔn)確。

1.2 指數(shù)計(jì)算過程

本文將城市道路分為四種類型：快速路、主干路、次干路及支路。

(1)平均行程速度的計(jì)算。根據(jù)分析路段的平均行程速度[6，10]，定義各等級道路上的嚴(yán)重?fù)矶侣范紊系乃俣葮?biāo)準(zhǔn)：快速路為20 km/h；主干路為15 km/h；次干路和支路都為10 km/h。

(1)

式中：v——路段的平均行程速度，單位：km/h；

l——路段里程，單位：km；

m——路段的小時(shí)交通量，單位：輛/h；

ti——第i輛車通過路段的行程時(shí)間，單位：h。

(2)嚴(yán)重?fù)矶侣范卫锍瘫壤?。根?jù)道路等級計(jì)算各道路類型嚴(yán)重?fù)矶侣范嗡嫉睦锍瘫萚7]，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Lj——第j等級道路嚴(yán)重?fù)矶侣范卫锍?，單位：km；

LQj——評判范圍內(nèi)第j等級道路里程，單位：km；

Q——第j級道路嚴(yán)重?fù)矶侣范卫锍瘫壤?，單位?。

(3)道路網(wǎng)嚴(yán)重?fù)矶吕锍瘫壤?。其中各等級道路在整個(gè)道路網(wǎng)中的綜合權(quán)重為VMT。

(3)

式中：RQ——道路網(wǎng)嚴(yán)重?fù)矶吕锍瘫壤?，單位?；

VMT——為第j等級道路的車輛行駛總里程權(quán)重；

n——道路等級的數(shù)量，n等于4。

(4)交通擁堵指數(shù)。道路網(wǎng)嚴(yán)重?fù)矶吕锍瘫壤齊Q與道路網(wǎng)交通擁堵指數(shù)[6-8]TPI的關(guān)系式為：

(4)

2 模型應(yīng)用實(shí)例

對蘭州市七里河區(qū)和城關(guān)區(qū)的交通流數(shù)據(jù)開展調(diào)研并進(jìn)行分析，評判路網(wǎng)擁堵程度。其中不同區(qū)域之間因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r不同，人口分布不同，道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)情況不同，它們之間的交通擁堵指數(shù)不存在可比性[6]。本文通過對兩個(gè)區(qū)在工作日期間的道路交通進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)估計(jì)一天中部分小時(shí)交通擁堵指數(shù)的變化情況，來以此說明路網(wǎng)交通具體擁堵程度。選取七里河區(qū)和城關(guān)區(qū)的部分主次干道作為實(shí)例研究對象，其路網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1～2所示。

本研究以1h為時(shí)間單位，各等級道路路段以0.5km為一個(gè)單位統(tǒng)計(jì)交通量等數(shù)據(jù)，然后用Matlab計(jì)算各路段的平均行程速度，判斷出路網(wǎng)中各個(gè)道路的交通擁堵等級，并得出各等級道路中嚴(yán)重?fù)矶侣范卫锍瘫壤?。最后，?jì)算出路網(wǎng)交通擁堵指數(shù)的值。

圖1 七里河區(qū)主要干道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 城關(guān)區(qū)主要干道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 七里河區(qū)路網(wǎng)交通擁堵狀況分析

統(tǒng)計(jì)蘭州市七里河區(qū)部分路網(wǎng)中各等級道路的里程：快速路總里程LQ1為3.6km；主干路總里程LQ2為20.7km；次干路總里程LQ3為19.1km；支路總里程LQ4為56.4km；確定該區(qū)的道路綜合權(quán)重VMT。在工作日期間，在道路高峰時(shí)段和全天平均的VMT值如表2所示。因晚高峰17：00～18：00時(shí)間段內(nèi)的交通擁堵狀況比較明顯，故把這個(gè)時(shí)間段的交通擁堵指數(shù)的計(jì)算過程進(jìn)行演示。

表2 七里河區(qū)工作日VMT值表

首先對通過該路段的車輛進(jìn)行分類，按照車牌分為小型車、中型車、大型車，分別記錄三種車型的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(1)快速路某路段交通流數(shù)據(jù)見表3：

表3 快速路數(shù)據(jù)表

(2)主干路某路段交通流數(shù)據(jù)見表4：

表4 主干路數(shù)據(jù)表

(3)次干路某路段交通流數(shù)據(jù)見表5：

表5 次干路數(shù)據(jù)表

(4)支路某路段交通流數(shù)據(jù)見表6：

表6 支路數(shù)據(jù)表

統(tǒng)計(jì)得出各等級道路上的嚴(yán)重?fù)矶吕锍虜?shù)據(jù)見表7：

表7 各等級道路嚴(yán)重?fù)矶吕锍瘫?/p>

最后得出交通擁堵指數(shù)TPI=7.682 8。

通過計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得出一天中部分小時(shí)交通擁堵指數(shù)變化曲線如圖3所示：

圖3 七里河區(qū)交通擁堵指數(shù)變化曲線圖

從指數(shù)的變化曲線可以看出七里河區(qū)的1：00～22：00時(shí)間段內(nèi)小時(shí)交通擁堵指數(shù)的具體數(shù)值變化情況。早高峰時(shí)間段的交通擁堵指數(shù)明顯增大，路網(wǎng)交通處于輕度擁堵狀況，晚高峰時(shí)間段的交通擁堵指數(shù)變化最為明顯，路網(wǎng)交通達(dá)到中度擁堵級別。其他時(shí)間段的小時(shí)交通擁堵指數(shù)變化不明顯，路網(wǎng)交通基本暢通。

2.2 城關(guān)區(qū)路網(wǎng)交通擁堵狀況分析

以黃河為界線，把城關(guān)區(qū)分成了兩大部分，在相同時(shí)間內(nèi)，分別計(jì)算其道路交通擁堵指數(shù)。其中城關(guān)區(qū)工作日期間的車輛行駛里程權(quán)重如表8所示。

表8 城關(guān)區(qū)工作日VMT值表

通過參考蘭州地圖算出城關(guān)區(qū)黃河以南區(qū)域的路網(wǎng)里程：快速路總里程LQ1為7.15km；主干路總里程LQ2為19.4km；次干路總里程LQ3為80.97km；支路總里程LQ4為65.13km。

通過計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得出一天中部分小時(shí)交通擁堵指數(shù)變化曲線如圖4所示：

圖4 城關(guān)區(qū)黃河以南路網(wǎng)交通擁堵指數(shù)變化曲線圖

如圖顯示的指數(shù)變化曲線中，數(shù)值變化幅度明顯，從6：00～20：00這段時(shí)間內(nèi)路網(wǎng)交通基本都處于擁堵狀況，且早晚高峰時(shí)間段內(nèi)路網(wǎng)交通處于中度擁堵級別，尤其晚高峰時(shí)期，路網(wǎng)總體接近于嚴(yán)重?fù)矶碌燃?，即路網(wǎng)中處于擁堵的路段占很大比例。

同樣的對于城關(guān)區(qū)黃河以北的區(qū)域路網(wǎng)里程：快速路總里程LQ1為3.2km；主干路總里程LQ2為6.06km；次干路總里程LQ3為18.51km；支路總里程LQ4為15.5km。

則一天中部分小時(shí)交通擁堵指數(shù)變化曲線如圖5所示：

圖5 城關(guān)區(qū)黃河以北路網(wǎng)交通擁堵指數(shù)變化曲線圖

城關(guān)區(qū)黃河以北的路網(wǎng)交通總體來講基本暢通，很少有擁堵的情況。小時(shí)交通擁堵指數(shù)數(shù)值變化平緩，路網(wǎng)交通基本穩(wěn)定。

3 結(jié)語

本文借助交通擁堵指數(shù)模型，構(gòu)建出基于路網(wǎng)層面的交通擁堵評判方法體系，對路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況進(jìn)行全面分析，為治理擁堵提供依據(jù)。蘭州市作為西部地區(qū)崛起的城市，道路交通擁堵治理問題目前還沒有得到廣泛關(guān)注，本文對其路網(wǎng)交通進(jìn)行分析，說明在研究路網(wǎng)交通擁堵評判中能參考此模型。目前，擁堵評判方法的研究主要成就還是理論部分占絕對地位，在后續(xù)的研究中，希望采集更多的交通流數(shù)據(jù)來驗(yàn)證指數(shù)模型的合理性，為盡早投入實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

[1]Bindra，SP.HighwayCongestionIndexforaDevelopingCountry[J].SCIENTIAIRANICA.Modeling，2007，14(1)：1-10.

[2]梁麗娟，鄭 瑾.城市交通擁堵現(xiàn)狀評價(jià)方法與應(yīng)用-以杭州市為例[C].第八屆中國智能交通年會(huì)優(yōu)秀論文集，2013.

[3]姚運(yùn)梅.大型客運(yùn)站站區(qū)交通疏解車流擁堵仿真評價(jià)方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[4]祝付玲.城市道路交通擁堵評價(jià)指標(biāo)體系研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[5]高 藝.基于一次擁堵的城市交通擁堵綜合評價(jià)方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[6]北京交通發(fā)展研究中心，北京四通智能交通系統(tǒng)集成有限公司，北京交通大學(xué).交通擁堵評價(jià)[R].北京，2007.

[7]郭繼孚，劉夢涵，等.北京市交通擁堵宏觀評價(jià)指標(biāo)體系開發(fā)及其應(yīng)用[C].第三屆中國智能交通年會(huì)論文集，2007.

[8]賈珊珊，李 娟.城市道路系統(tǒng)的綜合評價(jià)的量化方法——交通指數(shù)[J].中國水運(yùn)，2007，8(7)：137-138.

[9]郭澤斌，李振龍.城市道路擁堵程度評判方法研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2013(11)：62-65.

[10]王 煒，過秀成.交通工程學(xué)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2000.

Studies on Traffic Congestion Evaluation Method of Urban Road Network Based on the Index Model

LI Dan-dan，WANG Jian-qiang

(School of Traffic and Transportation，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu，730070)

Study on traffic congestion evaluation methods of urban road network has always been one of the focuses and difficulties in congestion evaluation technology field.Traffic congestion index model is able to make the complex urban road network traffic operation conditions simplistic and transparent，and can use it in the study of road network evaluation system in other cities or regions.This article pres-ented an general traffic congestion evaluation method based on traffic congestion index model，and described the calculation process of various evaluation indexes in this model.Moreover，with the road network traffic of Qilihe District and Chengguan District in Lanzhou City as the example，it verified the usefulness of this model，and finally obtained the overall traffic congestion rules and index changing trends of these two districts，which illustrated the feasibility and effectiveness of this evaluation method.

Urban transportation；Road network congestion evaluation；Index model；Matlab

李丹丹(1991—)，女，研究生，研究方向：城市交通規(guī)劃與管理；

王建強(qiáng)(1980—)，男，博士，研究方向：城市路網(wǎng)交通規(guī)劃與管理。

教育部人文社會(huì)科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：12YJC63020 0)；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：145RJZA190)

U491.1+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.015

1673-4874(2015)01-0069-05

2014-12-09