一種基于動態(tài)數(shù)據(jù)的高速公路網(wǎng)規(guī)劃合理性判斷方法

俞鵬飛，萬超

（江西省交通投資集團(tuán)路網(wǎng)運(yùn)營管理公司養(yǎng)護(hù)技術(shù)中心，江西 南昌 330025）

0 引言

近年來，隨著我國高速公路交通需求快速增長，汽車保有量快速增加，呈現(xiàn)出公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對不足，交通擁堵問題日益突出，安全性下降的突出問題。交通擁堵帶來居民出行時間和成本增加，交通事故增多和大氣環(huán)境污染。因此，從公路交通運(yùn)行特征評價入手，不僅能輔助分析交通運(yùn)行不理想的原因，還可以對規(guī)劃設(shè)計起到指導(dǎo)作用。

傳統(tǒng)的公路網(wǎng)規(guī)劃評價方法中，大多采用年度為時間周期，指標(biāo)數(shù)據(jù)多為靜態(tài)數(shù)據(jù)的規(guī)劃方法，且應(yīng)對擁堵問題使用的是加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的傳統(tǒng)解決辦法。其缺點(diǎn)在于評價的動態(tài)指標(biāo)不足，分析粒度較為宏觀，規(guī)劃的傳統(tǒng)方案效果有限。

本方法采用了一種基于公路交通運(yùn)行特征進(jìn)行公路網(wǎng)規(guī)劃合理性判斷的方法，從時空上對路網(wǎng)和路段的運(yùn)行特征進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)獲取上，主要通過公路行業(yè)管理路網(wǎng)現(xiàn)狀和規(guī)劃數(shù)據(jù)、交調(diào)量調(diào)查站交通量數(shù)據(jù)，以及互聯(lián)網(wǎng)獲取的公開數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)易獲取、粒度小、時效性強(qiáng)、質(zhì)量好，評價方法經(jīng)過實(shí)際工程驗(yàn)證，有效、閉環(huán)且實(shí)操性強(qiáng)。

1 評價方法

本方法主要是針對省域內(nèi)高速公路路網(wǎng)的基于交通運(yùn)行特征的公路網(wǎng)規(guī)劃合理性評價?？梢愿逦卣莆崭咚俟方煌ㄟ\(yùn)行規(guī)律，提供科學(xué)依據(jù)，為公路網(wǎng)交通規(guī)劃合理性提供重要參考。

總體評價方法流程如圖1所示，共分為三個階段，指標(biāo)選擇階段、單指標(biāo)評價階段和多指標(biāo)評價階段。

圖1 評價方法流程圖

指標(biāo)選擇階段的主要目標(biāo)是為高速公路交通運(yùn)行特征選擇評價的一套科學(xué)合理的指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系參考了國外和國內(nèi)的交通運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)，包括了交通服務(wù)水平類、交通流參數(shù)類、出行耗費(fèi)時間類、交通擁堵類和其他類型的指標(biāo)，并結(jié)合了我國國情和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了取舍和創(chuàng)新。公路網(wǎng)規(guī)劃方案的評價通常劃分為技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)和社會指標(biāo)四類。本方法將技術(shù)指標(biāo)劃分為路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)和路網(wǎng)運(yùn)行特征指標(biāo)，主要應(yīng)用于路網(wǎng)運(yùn)行特征指標(biāo)。選擇指標(biāo)中，首先按照通用性指標(biāo)的選擇原則進(jìn)行選擇，其次，按照數(shù)據(jù)是否易于獲取進(jìn)行選擇，最終形成一套全面、科學(xué)、實(shí)用的指標(biāo)體系。

單指標(biāo)評價階段為將前一階段中計算的指標(biāo)體系中，分層級的各個指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立評價，建立干線公路運(yùn)行特征的評價體系。

多指標(biāo)評價階段是將多個指標(biāo)進(jìn)行綜合計算，得到路段交通運(yùn)行特征評價結(jié)果，再獲得路網(wǎng)評價結(jié)果，進(jìn)而評價公路網(wǎng)的交通運(yùn)行特征。然后，評估規(guī)劃公路的合理性、必要性和可行性，評估改善措施的方案（如路段、路網(wǎng)可從車速控制、主線控制、車型控制、交通誘導(dǎo)方面考慮），并且可以形成新的建議方案，進(jìn)入方案評價閉環(huán)。

最后可以得出按照路網(wǎng)運(yùn)行特征評價出的最合理方案并形成相關(guān)報告。

1.1 選擇指標(biāo)

本方法在參考國內(nèi)、外路網(wǎng)運(yùn)行特征評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國國情、工程實(shí)踐上動態(tài)數(shù)據(jù)獲取的便捷性、評價的全面性、指標(biāo)的創(chuàng)新性，對路網(wǎng)運(yùn)行特征評價指標(biāo)進(jìn)行了構(gòu)建。在考慮到路網(wǎng)運(yùn)行微觀、中觀、宏觀特征上，從人、車、路、環(huán)境的角度提出了交通路況、交通氣象和交通事件三種一級分類指標(biāo)。微觀特征選擇基本的交通運(yùn)行參數(shù)，中觀特征選擇常態(tài)和非常態(tài)的路段綜合服務(wù)水平，宏觀特征選擇路網(wǎng)-路線-路段三級區(qū)域路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀況。

（1）交通路況

高速公路交通運(yùn)行狀況信息的數(shù)據(jù)來源，包括傳統(tǒng)的交通量調(diào)查站、高速公路門架視頻抓拍數(shù)據(jù)和ETC通行數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)交通路況通過API提供的平均車速、自由流車速和擁堵狀態(tài)[浮動車軌跡，來源為手機(jī)客戶端、車載客戶端、物流車輛（三通一達(dá)、菜鳥網(wǎng)絡(luò)等）等]。交通量調(diào)查站可以獲取交通流量分布情況、車型結(jié)構(gòu)分布、交通量方向分布、交通量時間分布等。

（2）交通氣象

交通氣象的數(shù)據(jù)來源，主要包括傳統(tǒng)的交通量氣象站、共享接入的地方氣象部門數(shù)據(jù)、應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用經(jīng)過空間解算和匹配至行業(yè)管理高速公路路網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)交通氣象（國家氣象局、地方氣象局、國家水利部門、國家科技部門等）數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的交通量氣象站或傳感器在氣象條件惡劣路段、隧道安裝的能見度檢測儀、多要素氣象檢測儀等實(shí)時采集獲得的能見度、結(jié)冰、雨量等數(shù)據(jù)較少。

關(guān)注內(nèi)容通常涵蓋衛(wèi)星云圖、降水實(shí)況、中短期天氣預(yù)報，暴雨、暴雪、霧霾、寒潮、大風(fēng)、沙塵暴、高溫等氣象信息，地質(zhì)災(zāi)害范圍、區(qū)域和時間，以及地質(zhì)災(zāi)害類型（如泥石流、滑坡、塌方）等，主要用于及時發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵路段（如氣象條件惡劣路段、事故易發(fā)路段、交通流量大路段、自然災(zāi)害頻發(fā)路段、特大橋和互通立交等）交通環(huán)境的變化情況和氣象狀況。

對于交通運(yùn)行，溫度能夠直接反映交通環(huán)境狀態(tài)的好壞，溫度明顯高于正常水平時，易引發(fā)車輛爆胎事故，一般可以判斷該地點(diǎn)或路段處于嚴(yán)重影響交通運(yùn)行的惡劣氣象狀態(tài)。溫度明顯低于正常水平時，易引發(fā)路面結(jié)冰，進(jìn)而引發(fā)交通事故，一般可以判斷該地點(diǎn)或路段處于嚴(yán)重影響交通運(yùn)行的惡劣氣象狀態(tài)。

（3）交通事件

交通事件的數(shù)據(jù)來源有四種。一種來源是傳統(tǒng)的行業(yè)填報，可人工采集異常事件信息，由養(yǎng)護(hù)或路政巡查人員、社會公眾人工填報或利用電話、短信、傳真、郵件等方式報送軟件系統(tǒng)，主要是由自下而上的填報系統(tǒng)、手機(jī)端APP或小程序進(jìn)行填報，其特點(diǎn)是權(quán)威性強(qiáng)，時效性不高；一種來源是可以利用“互聯(lián)網(wǎng)+”手段，獲知眾包事件和交警管制事件，其特點(diǎn)是時效性高，但眾包的權(quán)威性和準(zhǔn)確性欠佳；一種來源是由預(yù)警信息經(jīng)人工核對轉(zhuǎn)換后的事件，對自動或人工采集的信息，經(jīng)過判斷可產(chǎn)生《公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測與服務(wù)暫行技術(shù)要求》中的公路交通突發(fā)事件等級單項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)；最后一種來源來自視頻監(jiān)控，對攝像機(jī)采集的視頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理和事件檢測，對異常交通事件進(jìn)行自動檢測、記錄和預(yù)警。

1.2 單項(xiàng)指標(biāo)評價

由于各個指標(biāo)的內(nèi)涵不同，且有各自的量綱，直接使用不同量綱的值進(jìn)行比較是沒有意義的。因此，為了便于后續(xù)的分析和處理，保證各個指標(biāo)之間具有等效性，使各個指標(biāo)無量綱化和歸一化。各指標(biāo)可分為如下4種類型：區(qū)間型（落在某個區(qū)間范圍內(nèi)為最佳）、定指標(biāo)型（越接近某個固定值為最佳）、極大型（值越大為最佳）、極小型（值越小為最佳）。對每種類型使用不同的歸一化方法，將其歸一化為[0-1]區(qū)間內(nèi)的極大型無量綱指標(biāo)。（如圖2）

圖2 單項(xiàng)指標(biāo)評價

1.3 多項(xiàng)指標(biāo)評價

多項(xiàng)指標(biāo)評價將多個指標(biāo)進(jìn)行綜合計算。綜合計算的方式是由專家組確定指標(biāo)集的權(quán)重，即參考表1設(shè)一級指標(biāo)集U=(U1,U2,U3,…Un),其中U1、U2、U3是一級指標(biāo)，分別對應(yīng)路段1、路段2、路段3直到路段n。第一級指標(biāo)集可以由第二級指標(biāo)級Uij決定，第二級指標(biāo)集可以由第三級指標(biāo)集Uijk決定。一、二、三級權(quán)重集均滿足非負(fù)條件和權(quán)重和為1的條件。即Wu=(w1,w2,w3,…wn)，wi≥0且=1。

然后，構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣，得到路段交通運(yùn)行特征評價結(jié)果，再獲得路網(wǎng)評價結(jié)果，進(jìn)而評價公路網(wǎng)的交通運(yùn)行特征。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 技術(shù)路線

軟件開發(fā)環(huán)境使用ArcGIS，數(shù)據(jù)庫使用PostgreSQL，后端開發(fā)語言為JAVA,前端開發(fā)語言為基于JavaScript的VUE3.0進(jìn)行開發(fā)。

數(shù)據(jù)庫中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、公路網(wǎng)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要是行政管理區(qū)劃界，包括地市、區(qū)縣界。公路網(wǎng)數(shù)據(jù)包括現(xiàn)狀公路網(wǎng)和規(guī)劃公路網(wǎng)，路線屬性有路線名稱、路線編碼、行車方向、起點(diǎn)樁號、止點(diǎn)樁號等。路網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)由公路網(wǎng)數(shù)據(jù)生成，高速公路的互通立交作為節(jié)點(diǎn)。動態(tài)數(shù)據(jù)包括路況、氣象和事件數(shù)據(jù)。路況數(shù)據(jù)來源于行業(yè)的收費(fèi)站及門架卡口數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（包括百度、高德）。氣象數(shù)據(jù)來源于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（中國氣象局及其他）。事件數(shù)據(jù)來源于行業(yè)上報數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（高德）。

2.2 功能說明

電子地圖模塊：以圖層控制的方式顯示電子地圖，主要有基礎(chǔ)地理、現(xiàn)狀路網(wǎng)和規(guī)劃路網(wǎng)?；A(chǔ)地理圖層和現(xiàn)狀路網(wǎng)圖層不可編輯，地圖可以放大、縮小、平移等操作。

指標(biāo)計算模塊：用戶選擇管理區(qū)劃類型，選擇相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行計算，通常選擇一個指標(biāo)或者選擇全部指標(biāo)。指標(biāo)的計算結(jié)果以表格、電子地圖專題圖、報告的方式進(jìn)行展現(xiàn)。

歸一化模塊：用戶選擇相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行歸一化計算，通常選擇一個指標(biāo)或者選擇全部指標(biāo)。歸一化類型、固定最佳值、區(qū)間最佳值可以由用戶進(jìn)行設(shè)置。歸一化指標(biāo)的計算結(jié)果以表格、電子地圖專題圖、報告的方式進(jìn)行展現(xiàn)。

綜合對比模塊：用戶選擇不同方案的歸一化指標(biāo)矩陣進(jìn)行對比。至少為兩個方案。一般有兩種選擇，一是選擇規(guī)劃前后的矩陣進(jìn)行對比，二是選擇多種規(guī)劃方案進(jìn)行對比。多種方案的，采用熵值法進(jìn)行對比排序。對比結(jié)果以表格、報告的方式進(jìn)行展現(xiàn)。

系統(tǒng)管理模塊：主要是用戶、權(quán)限、密碼、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等配置管理。

3 總結(jié)

本方法以動態(tài)數(shù)據(jù)中既能夠獲取又能夠反映運(yùn)行狀態(tài)的思路，對高速路網(wǎng)的各種空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析和評價，從多個動態(tài)指標(biāo)進(jìn)行計算、分析、對比，總結(jié)出一種獲取動態(tài)數(shù)據(jù)便捷、客觀、科學(xué)、實(shí)效的公路網(wǎng)規(guī)劃評價方法。其優(yōu)勢在于評價時所需的動態(tài)數(shù)據(jù)易于獲取，質(zhì)量有保障、時效性好，整體的評價方法為閉環(huán)，因此得出的結(jié)論較為準(zhǔn)確。

本方法的創(chuàng)新之處在于應(yīng)用了“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，選擇了一套在實(shí)際中易于獲取數(shù)據(jù)的路網(wǎng)規(guī)劃評價動態(tài)指標(biāo)并做了歸一化處理，然后進(jìn)行了綜合對比，形成了業(yè)務(wù)閉環(huán)，為最終形成最合理的基于動態(tài)數(shù)據(jù)的公路網(wǎng)規(guī)劃評價提供了工程上實(shí)用的方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。