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    小汽車與公交車行程速度特性多維度對(duì)比分析*

    2014-12-14 06:03:00王玉煥陳旭梅賈顯超龔輝波
    交通信息與安全 2014年6期
    關(guān)鍵詞:主干路專用道小汽車

    王玉煥 陳旭梅▲ 賈顯超 龔輝波 張 溪

    (1.北京交通大學(xué)城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100044;2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010;3.北京交通發(fā)展研究中心 北京 100055)

    0 引言

    我國(guó)城市道路交通流的一大特點(diǎn)是小汽車與公交車混合行駛的路段大量存在。由于小汽車與公交車在車身尺寸、速度和加速度方面存在較大差異,此外,公交車具有固定的運(yùn)行線路、??空军c(diǎn),以及公交車流不是連續(xù)車流[1],因此,小汽車與公交車的速度特性存在差異。另一方面,小汽車與公交車的運(yùn)行速度是相互影響的,并且交通流中公交車比例越大,二者的相互影響越大[2]。總之,小汽車與公交車的速度特性既具有差異性,又存在關(guān)聯(lián)性。

    國(guó)外針對(duì)小汽車與公交車速度特性的研究側(cè)重于公交優(yōu)先措施或公交專用道對(duì)小汽車運(yùn)行速度的影響[3],公交專用道的設(shè)置條件及效果[4],公交??空镜臄?shù)量、形式對(duì)小汽車運(yùn)行速度的影響[5];國(guó)內(nèi)的研究主要集中在按不同公交專用道形式、不同混合比例,以及公交車不同??糠绞?,分別建立小汽車與公交車速度模型[6],分析公交專用道的設(shè)置效益[7],建立基于元胞自動(dòng)機(jī)的混合交通流模型[8],并在這些研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析不同條件下的交通流特性及公交專用道的設(shè)置條件。以上研究均側(cè)重于小汽車與公交車速度特性的差異。

    對(duì)于混合交通流中車輛速度關(guān)聯(lián)性的分析,羅霞等[9]提出了表征高等級(jí)公路混合交通流中車輛間相互影響的粘度概念,此后人們將這一指標(biāo)引入交通流動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合流體力學(xué)理論,從微觀角度研究各車輛間的相互干擾程度[10],但未涉及不同車型之間速度關(guān)聯(lián)性的宏觀對(duì)比研究。此外,已有研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)多為小汽車與公交車在道路斷面的地點(diǎn)車速,難以體現(xiàn)車輛在較長(zhǎng)路段上的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

    因此,筆者從宏觀角度出發(fā),提出了定量衡量小汽車與公交車行程速度關(guān)系的關(guān)聯(lián)度指標(biāo),利用小汽車與公交車的行程速度數(shù)據(jù),采用方差、絕對(duì)速度差,以及關(guān)聯(lián)度指標(biāo)對(duì)北京市城市道路上小汽車與公交車的行程速度特性開(kāi)展多維度研究,且對(duì)二者的速度特性進(jìn)行了定量化的對(duì)比分析與解釋。本文的研究方法可為交通運(yùn)行管理過(guò)程中小汽車與公交車運(yùn)行狀況定量評(píng)價(jià)或者公交專用道設(shè)置前后效果對(duì)比分析等提供參考。

    1 關(guān)聯(lián)性分析方法比選

    關(guān)聯(lián)性分析是1種多要素統(tǒng)計(jì)分析方法,它以各要素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù),利用關(guān)聯(lián)度指標(biāo)描述要素間關(guān)系的強(qiáng)弱,若樣本數(shù)據(jù)反映出的兩要素變化的態(tài)勢(shì)基本一致,則它們之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng);反之,則關(guān)聯(lián)性較弱[11]。筆者將小汽車與公交車的行程速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)的相似程度定義為二者的關(guān)聯(lián)度q,并基于關(guān)聯(lián)度指標(biāo)計(jì)算方法開(kāi)展小汽車與公交車行程速度關(guān)聯(lián)性分析,以下是關(guān)聯(lián)性分析的幾種常用方法。

    1.1 灰色關(guān)聯(lián)分析法

    灰色關(guān)聯(lián)分析(grey relational analysis)的基本思想是根據(jù)參考數(shù)列和若干個(gè)比較數(shù)列變化曲線的幾何形狀相似性判斷它們之間的關(guān)聯(lián)程度[12]。計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式(1)。

    將各比較數(shù)列對(duì)同一參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度ri按大小順序排列組成關(guān)聯(lián)序,進(jìn)而利用關(guān)聯(lián)序描述各比較數(shù)列與參考數(shù)列間的關(guān)聯(lián)性大小,ri越大,關(guān)聯(lián)程度越強(qiáng)。

    1.2 皮爾遜相關(guān)系數(shù)法

    皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson correlation coefficient)適用于度量2 個(gè)定距變量之間的相關(guān)程度[13],這種相關(guān)程度可以直觀地用散點(diǎn)圖表示,當(dāng)其緊密地群聚于1條直線的周圍時(shí),說(shuō)明變量間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。其計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式(2)。

    相關(guān)系數(shù)r描述的是2個(gè)變量數(shù)列間的線性相關(guān)程度,其值介于-1 與1 之間,若r>0,則2個(gè)變量正相關(guān),反之則為負(fù)相關(guān),r的絕對(duì)值越大,變量間的相關(guān)性越強(qiáng)。

    1.3 標(biāo)準(zhǔn)化均方誤差法

    標(biāo)準(zhǔn)化均方誤差(normalized mean square error,NMSE)是衡量模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間平均相對(duì)離散程度的重要指標(biāo),被廣泛應(yīng)用于模型準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià),如在著名的微觀交通排放模型CMEM中的應(yīng)用。本文引入NMSE的值用于描述兩變量數(shù)列間的相對(duì)離散程度,從側(cè)面反映二者的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱,其計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式(3)。

    NMSE的值越小,兩變量數(shù)列間的離散程度越弱,即關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。研究表明,NMSE<0.5為模型誤差的可接受范圍,因此本文認(rèn)為當(dāng)NMSE<0.5時(shí),兩變量間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。

    1.4 關(guān)聯(lián)性分析方法對(duì)比

    在灰色關(guān)聯(lián)分析法中,各點(diǎn)的關(guān)聯(lián)度ri都受最小絕對(duì)差min|X0(k)-Xi(k)|和最大絕對(duì)差max|X0(k)-Xi(k)|的影響,此外,關(guān)聯(lián)度的大小還受分辨率ρ的影響,所以由式(1)計(jì)算出的關(guān)聯(lián)度是1個(gè)相對(duì)值,不具有唯一性。同時(shí),灰色關(guān)聯(lián)分析法僅能判定各比較數(shù)列與同一參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱次序,而難以明確界定某1個(gè)比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱程度。

    皮爾遜相關(guān)系數(shù)r所反映的兩變量間相關(guān)關(guān)系特指其線性相關(guān)程度,因此,當(dāng)計(jì)算得到的小汽車與公交車的行程速度關(guān)聯(lián)度很小時(shí),說(shuō)明二者不存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系,但不能否定存在其他非線性形式的相關(guān),所以利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算小汽車與公交車的行程速度關(guān)聯(lián)度具有一定的局限性。

    相比于以上2種關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法,一方面,標(biāo)準(zhǔn)化均方誤差法對(duì)兩變量數(shù)列間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱進(jìn)行了明確的閾值界定,即當(dāng)NMSE<0.5時(shí),兩變量間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng);另一方面,標(biāo)準(zhǔn)化均方誤差法利用兩變量數(shù)列間的離散程度,從側(cè)面反映二者的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱,不受線性相關(guān)關(guān)系的限制,因而其同時(shí)避免了以上2種方法的缺陷,而且計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單。為此,在后續(xù)的研究中,本文選取標(biāo)準(zhǔn)化均方誤差法計(jì)算小汽車與公交車的行程速度關(guān)聯(lián)度q,進(jìn)而判定二者的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱。

    此外,基于對(duì)小汽車與公交車速度特性的已有研究成果[14-15],選取速度方差和絕對(duì)速度差2個(gè)典型指標(biāo)分別表征小汽車與公交車行程速度的離散性和差異性,其定義分別見(jiàn)式(4)~(6)。

    小汽車的速度方差:

    公交車的速度方差:

    小汽車與公交車的絕對(duì)速度差:

    在公式(4)~(6)中,vcari和vbusi分別表示小汽車與公交車的行程速度。在公式(4)、(5)中,方差D越大,表明小汽車或公交車的速度離散性越強(qiáng),即速度波動(dòng)性越大;在式(6)中,絕對(duì)速度差(Δ)|v|越大,表明小汽車與公交車的速度差異性越大。

    2 多維度行程速度數(shù)據(jù)采集與處理

    2.1 行程速度數(shù)據(jù)采集

    本文選取了北京市二環(huán)快速路、二環(huán)內(nèi)有公交專用道的主干路、無(wú)公交專用道的主干路以及次干路4種道路類型的典型路段,所選快速路和主干路路段均為雙向6車道,次干路路段為雙向2車道,此外為排除非機(jī)動(dòng)車、行人、匝道及交叉口等因素對(duì)車輛行程速度特性的影響,所選取的研究路段長(zhǎng)度均較短。利用浮動(dòng)車技術(shù)采集各等級(jí)道路路段上每隔5 min的小汽車行程速度數(shù)據(jù),利用公交IC卡技術(shù)、車載GPS技術(shù)采集相應(yīng)路段上公交車到站車次、到站時(shí)間數(shù)據(jù),結(jié)合站間距即可計(jì)算得到公交車的行程速度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2013年3月4日~3月6日連續(xù)3d的06:00~22:00時(shí),所選時(shí)段與公交車運(yùn)行時(shí)段相一致。通過(guò)數(shù)據(jù)篩選和處理,共獲得各等級(jí)道路路段上小汽車行程速度有效數(shù)據(jù)2 521條,公交車行程速度有效數(shù)據(jù)1 516條,后續(xù)研究中的速度均指小汽車與公交車的行程速度。

    2.2 行程速度數(shù)據(jù)處理

    為從宏觀角度分析各等級(jí)道路路段上小汽車與公交車的行程速度時(shí)變規(guī)律,以0.5h為時(shí)間間隔,計(jì)算不同天小汽車與公交車0.5h內(nèi)的平均行程速度。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)同種道路類型上小汽車與公交車各自的平均行程速度時(shí)變曲線在不同天的變化趨勢(shì)較一致,以無(wú)公交專用道快速路上小汽車的平均行程速度為例,見(jiàn)圖1。因此,為了盡量減少數(shù)據(jù)的隨機(jī)干擾性,提高其普適性和可靠性,在所研究路段無(wú)交通管制等特殊情況的前提下,筆者在后續(xù)的研究中將3d內(nèi)相同時(shí)段的小汽車或公交車行程速度取平均值以刻畫(huà)二者的速度時(shí)變規(guī)律。

    利用標(biāo)準(zhǔn)化均方誤差計(jì)算小汽車與公交車的行程速度關(guān)聯(lián)度,首先需要對(duì)二者的行程速度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以保證在同一基準(zhǔn)水平下比較二者的行程速度關(guān)聯(lián)性,增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可比性。筆者以某時(shí)段小汽車或公交車的平均行程速度與自由流狀態(tài)下的行程速度之比作為標(biāo)準(zhǔn)化后的速度值,其中自由流速度取值為06:00~06:30時(shí)段各自的平均行程速度。仍以無(wú)公交專用道快速路為例,圖2為標(biāo)準(zhǔn)化后的小汽車與公交車平均行程速度時(shí)變曲線,可以直觀的看出二者的行程速度時(shí)變趨勢(shì)具有相似性。

    圖1 無(wú)公交專用道快速路上小汽車的行程速度時(shí)變圖Fig.1 Time-varying travel speed of cars on the expressway without bus lane

    圖2 標(biāo)準(zhǔn)化后的小汽車與公交車平均行程速度時(shí)變圖Fig.2 Time-varying travel speed of cars and buses after normalizing

    3 行程速度特性多維度對(duì)比分析

    基于上述行程速度數(shù)據(jù),本文利用方差、絕對(duì)速度差和關(guān)聯(lián)度3個(gè)指標(biāo),分別針對(duì)北京市城市道路中小汽車與公交車的行程速度離散性、差異性以及關(guān)聯(lián)性,從不同道路類型、不同時(shí)段以及有無(wú)公交專用道3個(gè)維度開(kāi)展了對(duì)比分析。

    3.1 不同道路類型行程速度特性對(duì)比分析

    為定量說(shuō)明小汽車與公交車的行程速度特性在不同道路類型上的差異,本文利用小汽車與公交車在2013年3月4日~3月6日連續(xù)3d06:00~22:00時(shí)全時(shí)段的平均行程速度時(shí)變數(shù)據(jù),計(jì)算并對(duì)比分析二者在無(wú)公交專用道的快速路、主干路及次干路上的速度方差D、絕對(duì)速度差Δ|v|以及關(guān)聯(lián)度q,結(jié)果見(jiàn)表1。

    根據(jù)表1中各指標(biāo)值的計(jì)算結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。

    1)針對(duì)速度方差D,小汽車的速度方差在快速路、主干路、次干路上依次減小,分別為244.0、40.2和22.0(km/h)2,即速度離散程度逐漸減弱,公交車亦是如此,這是因?yàn)?種道路類型上的車輛運(yùn)行速度區(qū)間依次減小,速度波動(dòng)性依次減弱;在同種道路類型上,小汽車的速度方差均高于公交車,即小汽車的速度離散程度較公交車強(qiáng),這是因?yàn)楣卉嚨倪\(yùn)行速度區(qū)間較小,速度波動(dòng)性較弱。

    表1 不同道路類型上的小汽車與公交車的行程速度指標(biāo)值Tab.1 Values of travel speed indexes of cars and buses on different types of road

    2)針對(duì)絕對(duì)速度差Δ|v|,快速路上小汽車與公交車的絕對(duì)速度差最大,為12.8km/h,其次是次干路,為8.0km/h,主干路上二者的絕對(duì)速度差最小,為3.2km/h,表明主干路上小汽車與公交車的平均行程速度最為接近,這是因?yàn)樗x取的主干路路段上小汽車的平均行程速度普遍偏低。

    3)針對(duì)速度關(guān)聯(lián)度q,快速路、主干路、次干路上小汽車與公交車的速度關(guān)聯(lián)度q依次為0.100,0.047和0.035,且均小于0.5,表明在這3種道路類型上小汽車與公交車的行程速度時(shí)變規(guī)律均具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,并且次干路上二者的關(guān)聯(lián)性最強(qiáng),這主要是因?yàn)榇胃陕奋嚨罃?shù)較少,且行人、非機(jī)動(dòng)車等要素對(duì)車輛運(yùn)行干擾較大,降低了行駛速度較快的小汽車的超車可能性,同時(shí)加劇了公交車對(duì)小汽車運(yùn)行的干擾。

    3.2 不同時(shí)段行程速度特性對(duì)比分析

    為了對(duì)比小汽車與公交車在特定道路類型、不同時(shí)段的行程速度特性,選取北京市二環(huán)無(wú)公交專用道快速路路段,分別計(jì)算小汽車與公交車在晚高峰時(shí)段(17:00~19:00 時(shí))和平峰時(shí)段(19:00~21:00時(shí))的速度方差D、絕對(duì)速度差Δ|v|及關(guān)聯(lián)度q,其結(jié)果見(jiàn)表2。

    表2 無(wú)公交專用道快速路上小汽車與公交車在不同時(shí)段的行程速度指標(biāo)值Tab.2 Values of travel speed indexes of cars and buses on the expressway without bus lane at different times

    根據(jù)表2中各指標(biāo)值的計(jì)算結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。

    1)針對(duì)速度方差D,快速路上小汽車的速度方差在平峰時(shí)段為0.6(km/h)2,遠(yuǎn)低于晚高峰時(shí)段的60.1(km/h)2,即平峰時(shí)段小汽車的速度離散程度較弱,公交車亦是如此;針對(duì)絕對(duì)速度差Δ|v|,快速路上小汽車與公交車在平峰和晚高峰時(shí)段的絕對(duì)速度差分別為18.7和16.7km/h,表明平峰時(shí)段二者的平均行程速度差異性更加明顯。這是因?yàn)槠椒鍟r(shí)段車流量小,車輛運(yùn)行狀況較穩(wěn)定,使得小汽車與公交車各自的運(yùn)行速度均較集中。

    2)針對(duì)速度關(guān)聯(lián)度q,快速路上小汽車與公交車在平峰時(shí)段的速度關(guān)聯(lián)度g為0.051,大于晚高峰時(shí)段的0.031,表明晚高峰時(shí)段小汽車與公交車的速度關(guān)聯(lián)性較平峰時(shí)段強(qiáng),這主要是由于晚高峰時(shí)段車流量大,使得小汽車與公交車的相互干擾增強(qiáng)。

    3.3 有無(wú)公交專用道行程速度特性對(duì)比分析

    在城市道路上公交專用道啟用時(shí)段,小汽車與公交車分道行駛,因而二者的速度關(guān)聯(lián)性較無(wú)公交專用道弱,為了驗(yàn)證該速度特性,利用小汽車和公交車在早晚高峰時(shí)段(07:00~09:00時(shí),17:00~19:00時(shí))的平均行程速度時(shí)變規(guī)律,分別計(jì)算二者在有無(wú)公交專用道主干路上的各指標(biāo)值,結(jié)果見(jiàn)表3。

    表3 有無(wú)公交專用道主干路上小汽車與公交車的行程速度指標(biāo)值Tab.3 Values of travel speed indexes of cars and buses on arterial roads with v.s.without bus lane

    由上表可以得出,在高峰時(shí)段,即公交專用道的啟用時(shí)段:

    1)針對(duì)速度方差D,有公交專用道主干路上小汽車的速度方差為14.1(km/h)2,較無(wú)公交專用道的34.9(km/h)2低,公交車亦是如此;針對(duì)絕對(duì)速度差Δ|v|,有公交專用道主干路上小汽車與公交車的絕對(duì)速度差為7.3km/h,較無(wú)公交專用道的3.8km/h 高,表明有公交專用道主干路上小汽車與公交車各自的速度離散性較弱,而二者的速度差異性較大。這是由于在有公交專用道的主干路上小汽車與公交車分車道行駛,減小了二者的相互干擾,使得小汽車與公交車的行程速度差別明顯,而各自的速度離散程度均較小。

    2)針對(duì)速度關(guān)聯(lián)度q,有、無(wú)公交專用道主干路上小汽車與公交車的速度關(guān)聯(lián)度q分別為0.101和0.083,均小于0.5,并且無(wú)公交專用道主干路上的q值較低,驗(yàn)證了無(wú)公交專用道路段小汽車與公交車的速度關(guān)聯(lián)性較有公交專用道強(qiáng)。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    1)對(duì)比不同道路類型,無(wú)公交專用道快速路、主干路、次干路上小汽車與公交車各自的速度離散程度依次減弱,且小汽車的速度離散程度均高于公交車;其次,快速路上小汽車與公交車的速度差異性最大,其次是次干路,主干路上小汽車與公交車的速度差異性最小;再次,小汽車與公交車的速度關(guān)聯(lián)性隨道路等級(jí)的降低依次增強(qiáng);

    2)對(duì)比不同時(shí)段,在高峰時(shí)段,無(wú)公交專用道快速路上小汽車與公交車各自的速度離散程度較平峰時(shí)段強(qiáng),而二者的速度差異性較平峰時(shí)段弱;其次,小汽車與公交車的速度關(guān)聯(lián)性較平峰時(shí)段強(qiáng);

    3)對(duì)比有無(wú)公交專用道,無(wú)公交專用道主干路上小汽車與公交車各自的速度離散程度、二者的速度差異性以及關(guān)聯(lián)性均較有公交專用道的弱,說(shuō)明公交專用道對(duì)降低小汽車與公交車運(yùn)行過(guò)程中的相互干擾作用明顯。

    在后續(xù)研究中,將針對(duì)北京市二環(huán)區(qū)域以外的快速路、主干路、次干路乃至高速公路路段上小汽車與公交車的行程速度特性,繼續(xù)開(kāi)展更為深入、廣泛的對(duì)比分析,進(jìn)一步驗(yàn)證筆者計(jì)算方法的普適性。

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