基于大數(shù)據(jù)的城市尾號限行方案設(shè)計與評估研究

張曉陽，徐 韜，張宜華，張 磊

(重慶市市政設(shè)計研究院，重慶400020)

0 引言

各大城市開始把以限行為主導(dǎo)的交通需求管理(TDM)作為交通緩堵主要措施，重慶市以牛角沱嘉陵江大橋半幅封閉施工為契機，對主城區(qū)尾號限行進行首次嘗試和探索，本文以重慶尾號限行方案設(shè)計及方案必選和實施后評估為重點，為國內(nèi)其余城市特別是山地城市尾號限行提供部分參考.

楊忠振等[1]通過計算尾號出行OD矩陣，建立了尾號限行方案優(yōu)化模型，提高了路網(wǎng)通行效率；宋儷婧等[2]通過對常規(guī)期間和奧運期間出租車運行進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)奧運限行期間出租車運行速度和載客率均有所提升；李春艷等[3]通過分析北京奧運期間限行前后居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)居民總體出行率、私人機動車出行強度均有所下降；汪偉峰等[4]、劉小明等[5]對北京奧運限行前后空氣質(zhì)量、交通運行進行對比，發(fā)現(xiàn)汽車限行對交通運行及空氣改善均有提升效果；何玲等[6]從效益分析層面對蘭州尾號限行成本進行了研究；許功虎等[7]以成都為研究對象，對成都限行前后空氣質(zhì)量進行了跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)汽車限行對改善空氣質(zhì)量有一定效果.上述學(xué)者從不同方面對尾號限行實施效果進行評估，充分肯定了尾號限行的有效性.

現(xiàn)階段尾號限行研究主要集中在兩方面，一是尾號限行前方案設(shè)計與優(yōu)化，但多停留在模型研究層面，僅以模型數(shù)據(jù)評估模型，缺乏統(tǒng)一規(guī)范的設(shè)計流程；二是尾號限行方案評估，尚缺乏統(tǒng)一的評估指標體系，并且多個指標難以進行綜合量化分析.因此，本文依托重慶主城區(qū)交通大數(shù)據(jù)，制定了詳實的尾號限行設(shè)計流程，根據(jù)主城區(qū)運行現(xiàn)狀初步制定限行方案，利用宏觀模型對各方案進行評價，并將模型優(yōu)化方案與最終落地實施方案進行評估，為重慶常態(tài)化限行提供決策依據(jù).

1 問題描述

合理的城市尾號限行方案流程應(yīng)如下：

Step1 明確限行目的.

Step2 明確限行路段.

Step3 明確限行時段.

Step4 明確限制尾號.

Step5 明確限制車型.

Step6 宏觀模型評估.

Step7 實施后評估.

Step8 方案反饋修正.

2 模型建模

2.1 方式劃分模型

方式劃分模型為

式中：Pijkst為小區(qū)i與小區(qū)j之間時段t分類s第k種出行方式的分擔(dān)率；Vijkst為小區(qū)i與小區(qū)j之間時段t分類s第k種出行方式的效用.

本文方式劃分模型將出行總量劃分為步行出行與非步行出行兩類，其中非步行出行分為非機動車(自行車、電動自行車)、摩托車、小汽車、出租車及公共交通5種，同時將公共交通細分為常規(guī)公交和軌道交通.擁車類型分為有車(CA)、無車(NC)兩類，不同出行目的分為HBW(基家工作)、HBSC(基家上學(xué))、HBSH(基家購物)、HBO(基家其他)、NHB(非基家出行)5類，地帶分為地帶1(出行起訖點均在內(nèi)環(huán)以內(nèi))、地帶2(除去地帶1的所有出行)2類，結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 機動化交通方式劃分流程圖Fig.1 Flow chart of motorized traffic mode division

交通方式劃分階段的核心是確定各交通方式的效用Vijkst，各種出行方式效用函數(shù)模型為

式中：βijst為小區(qū)i與小區(qū)j之間時段t分類s的待定系數(shù)；GCijkst為小區(qū)i與小區(qū)j之間時段t分類s第k種出行方式的阻抗，ASCijkst為小區(qū)i與小區(qū)j之間時段t分類s第k種出行方式的常數(shù)項.

出行阻抗模型為

式中：GC為綜合成本(min)；Time為出行時間(min)；Fare為出行費用(元)；VOT為時間價值(元/h).

基本阻抗可以分為個體交通出行阻抗和公共交通出行阻抗.個體交通包括步行、非機動車(自行車、電動車)、摩托車、出租車、私家車等，個體出行阻抗為

式中：GCi為第i出行方式綜合成本；Timei為第i出行方式行程時間；Petro為燃油等能燃油(燃氣)費用；Toll為道路收費費用；Parking為基于交通分區(qū)和車輛類型的停車費用；Fare′為票價.

公共交通出行阻抗為

式中：TWalk、TIVT、TIWait、TXWait、TBoard、Penalty分別為步行時間、車內(nèi)時間、換乘候車時間、換乘時間、上下車時間、換乘懲罰；Fare″為公交票價.

2.2 路網(wǎng)運行評價模型

本文評價模型包括路網(wǎng)運行車速、擁堵里程、改善路段數(shù)量、節(jié)點改善數(shù)量、流量均衡、實施難度等6項指標，指標得分向量為F=F(α1,α2,α3,α4,α5,α6)，權(quán)值向量為λ=λ(α1,α2,α3,α4,α5,α6)，則最終評價總分D為

(1)路網(wǎng)運行車速特征值.

路網(wǎng)運行車速特征值反映路網(wǎng)整體運行變化情況，本文表示方案實施后與現(xiàn)狀交通車速環(huán)比值，模型為

(2)擁堵里程特征值.

擁堵里程特征值反映路網(wǎng)前后擁堵里程增減情況，模型為

式中：L為擁堵里程特征值；Lm為模型擁堵里程；Lx為現(xiàn)狀擁堵里程.

(3)路段改善特征值.

路段改善特征值反映限行前后目標路段的交通運行整體情況，實質(zhì)是統(tǒng)計路段中限行后車速提升超過10%的路段數(shù)量，判斷模型為

式中：N為路段改善特征值；Vim為路段i的模型車速；Vix為路段i的現(xiàn)狀車速，i∈(1,2,…,n)，n為所需統(tǒng)計路段數(shù)量.

(4)節(jié)點改善數(shù)量特征值.

節(jié)點改善數(shù)量特征值反映限行前后路網(wǎng)節(jié)點的整體運行情況，實質(zhì)是統(tǒng)計節(jié)點中限行后節(jié)點擁堵時長減少超過10%的節(jié)點數(shù)量，判斷模型為

式中：M為節(jié)點改善數(shù)量特征值；Tim為節(jié)點i的模型擁堵時長；Tix為路段i的現(xiàn)狀擁堵時長，i∈(1,2,…,m)，m為所需統(tǒng)計節(jié)點數(shù)量.

(5)流量均衡特征值.

流量均衡特征值反映統(tǒng)計路段的通行能力使用情況，富余過大則存在資源浪費，缺口過大則加重擁堵，理想狀態(tài)是實際流量與通行能力差值為0，其模型為

式中：Q為流量均衡特征值；Qm為模型中統(tǒng)計路段的交通通行能力；Qx為模型中統(tǒng)計路段的實際流量總和.

(6)實施難度.

交管部門是限行執(zhí)行單位，因此實施難度以交管部門意見為準.

由于各評價指標缺乏統(tǒng)一尺度，因此根據(jù)各指標數(shù)值分為A～E等5級，如表1所示.

為確保評估的適應(yīng)性，具體得分標準根據(jù)實際運行進行修正，本文利用層次分析法確定各指標權(quán)重，其網(wǎng)絡(luò)如圖2所示.

圖2 評價模型網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Evaluation model network

共收集60份重慶市各部門及行業(yè)專家的指標重要性調(diào)查問卷，其中有效問卷57份，結(jié)果表明，各指標按重要性排序依次為路網(wǎng)運行車速、實施難度、路段改善、節(jié)點改善、擁堵里程、流量均衡，則判斷矩陣A為

在判斷矩陣A一致性檢驗后，利用Matlab計算出其權(quán)值向量為

3 算例分析

3.1 限行方案制定

本文限行方案利用了重慶交通大數(shù)據(jù)(重慶市主城區(qū)道路交通運行監(jiān)測平臺)，該平臺由重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會牽頭、重慶市市政設(shè)計研究院研發(fā)，平臺在集成浮動車、RFID、流量卡口、兩客一危、移動手機信令等多源交通運行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過動態(tài)數(shù)據(jù)分析處理程序，以路段運行車速為基礎(chǔ)指標，建立了交通擁堵指數(shù)評價體系，同時建立了主城區(qū)宏觀模型，可對城市交通基礎(chǔ)設(shè)施項目進行交通影響專業(yè)評估.

數(shù)據(jù)顯示重慶跨嘉陵江102萬pcu/日，跨長江約82萬pcu/日，跨江總量約184萬pcu/日，扣除二次過江重復(fù)量，跨江總量為152萬pcu/日，約占小汽車出行總量的56%，區(qū)域道路限行存在實施難度大、缺乏精準性、設(shè)施投入大等缺點，同時考慮牛角沱嘉陵江大橋維修施工的需要(日均產(chǎn)生6萬輛轉(zhuǎn)移交通量)，因此最終方案確定為橋梁限行.

主城區(qū)早高峰平均運行車速為35.5 km/h，晚高峰為34.6 km/h，對早高峰或晚高峰車速低于30 km/h的橋梁進行限；橋梁日均擁堵時長3.5 h，對全天擁堵時長大于4 h的橋梁進行限行.經(jīng)過初步篩選后，為了減少限行措施實施阻力，由小及大逐步擴大限行范圍，最終確定為方案1(3橋尾號)，方案2(6橋尾號)，方案3(11橋尾號)等3個方案.

限制時段根據(jù)橋梁平均路段擁堵強度進行標定，選擇路段平均擁堵強度大于2的時段(即速度為自由流車速50%)，最終限制時段為7:00-22:00；限制尾號為尾號輪換限行，星期一～星期五分別限行尾號1和6，2和7，3和8，4和9及字母為尾號，5和0；限制車型與北京、成都限行車型基本一致.

表2 橋梁尾號限行匯總表Table 2 Summary of limit of bridge tail number

3.2 方案評價

各方案路段流量分配及道路服務(wù)水平如圖3～圖8所示.

2017年內(nèi)環(huán)以內(nèi)高峰車速為22.5 km/h，擁堵里程193 km，由于方案為橋梁限行，故改善路段統(tǒng)計對象為主城區(qū)19座橋梁34個方向，各評價指標得分等級如表3所示.

圖3 方案1模型流量分配圖Fig.3 Scheme 1 model flow distribution diagram

圖4 方案1模型道路服務(wù)水平圖Fig.4 Scheme 1 model road service level

根據(jù)模型各指標數(shù)值，結(jié)合表1和表2，統(tǒng)計出各方案各指標具體得分，根據(jù)式(7)計算出評價總分，如表5所示.

圖5 方案2模型流量分配圖Fig.5 Scheme 2 model flow distribution diagram

圖6 方案2模型道路服務(wù)水平圖Fig.6 Scheme 2 model road service level map

圖7 方案3模型流量分配圖Fig.7 Scheme 3 model flow distribution diagram

圖8 方案3模型道路服務(wù)水平圖Fig.8 Scheme 3 model road service level

表3 各評價指標得分等級對照表Table 3 Comparison table of scores for each evaluation index

表4 各方案指標明細及評價Table 4 Detail and evaluation of the indicators

從表5可知，隨著橋梁限行數(shù)量的增加，運行車速、擁堵里程、改善路段數(shù)量、節(jié)點改善數(shù)量等指標得分呈上升趨勢，但流量均衡與實施難度指標得分呈下降趨勢，重慶尾號限行方案研究到正式實施僅1個月，方案經(jīng)過了反復(fù)論證，以至相關(guān)配套交通設(shè)施無法在短時間內(nèi)進行安裝，因此交通部門對各方案實施難度進行了綜合考量，最終根據(jù)評價總分，選擇了方案1進行實施.

表5 各方案指標分值匯總表Table 5 Summary of the indexes of each program

方案1實施后，在經(jīng)歷限行第1周調(diào)整期后，選擇了第2周穩(wěn)定數(shù)據(jù)作為方案檢驗對比數(shù)據(jù)，模型運行車速相對誤差為2.9%，擁堵里程相對誤差為5.2%，預(yù)測精度較高.

表6 模型相對誤差表Table 6 Model relative error table

4 結(jié)論

交管部門根據(jù)評價總分選擇了方案1作為實施方案，已于2018年4月23日正式實施，限行實施后，實際運行車速和擁堵里程分別為23.8 km/h、171 km，模型相對誤差分別為2.9%、5.2%，預(yù)測精度較高，為其他城市尾號限行提供了一定參考，與此同時，限行方案制定和評估仍存在一定的局限性：

(1)交管部門在限行方案實施時，增加了大量的其他的交通管制措施，如局部路段限流等，模型中未予以考慮，一定程度上增加了模型誤差.

(2)從交通運行效果來看，方案3顯然優(yōu)于方案1，本次未采納方案3主要是由于施工時間緊，短期內(nèi)無法完善相關(guān)配套設(shè)施，致使無法實施該方案，亦是很大的遺憾.

(3)由于采用Transcad建立的宏觀模型作為評價依據(jù)，因此評價指標受限于軟件輸出，如未考慮限行對公共交通沖擊等，評價指標有進一步優(yōu)化的必要.