基于OD反推技術(shù)的城市新建高等級(jí)道路交通量預(yù)測(cè)方法——以鎮(zhèn)江市長(zhǎng)江隧道為例

王 磊，紀(jì)書(shū)錦，李星星，王 鶴

（鎮(zhèn)江市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江212001）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原有城市路網(wǎng)已無(wú)法承載快速增長(zhǎng)的交通需求，交通供需矛盾日益凸顯。為緩解城市擁堵，各城市已逐步開(kāi)始新一輪的路網(wǎng)調(diào)整工作，高架、隧道類(lèi)型的主干道或快速路級(jí)別的城市高等級(jí)道路建設(shè)數(shù)量不斷增多。這些高等級(jí)道路一般是城市的骨架性道路，承擔(dān)著主要的交通流集散任務(wù)，它們的建設(shè)完成對(duì)于完善城市道路網(wǎng)絡(luò)、緩解城市擁堵具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。但這些高等級(jí)城市道路的建設(shè)投資往往較大，以雙向六車(chē)道隧道為例，其單公里造價(jià)高達(dá)5億元以上，且這些道路在建設(shè)期內(nèi)將對(duì)現(xiàn)狀交通的正常運(yùn)行造成負(fù)面影響。因此，在規(guī)劃決策初期階段對(duì)道路規(guī)劃方案進(jìn)行道路交通量預(yù)測(cè)是一項(xiàng)極為重要的工作，在2010年出版的《公路建設(shè)項(xiàng)目可行性報(bào)告編制辦法》中也明確提出，“交通量是道路建設(shè)可行性研究的重要內(nèi)容，是確定建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)等級(jí)、工程設(shè)施規(guī)模以及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)”。

目前，新建道路交通量預(yù)測(cè)主要采用“四階段”法，該方法的基礎(chǔ)在于OD矩陣的獲得，該矩陣反映了區(qū)域交通流量、流向等特征[1]。一般獲取OD 矩陣采用的是大規(guī)模交通調(diào)查法，該方法所需時(shí)間較長(zhǎng)，需要耗費(fèi)大量的人力、物力及財(cái)力。隨著現(xiàn)代交通理論的發(fā)展，OD 反推技術(shù)逐漸出現(xiàn)，該技術(shù)可通過(guò)對(duì)路段交通量進(jìn)行逆運(yùn)算得到具有一定精度的各小區(qū)現(xiàn)狀OD，相比傳統(tǒng)的OD調(diào)查方法，該方法具有數(shù)據(jù)可獲取性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[2]。本文以鎮(zhèn)江市長(zhǎng)江隧道為例，對(duì)基于OD 反推技術(shù)的城市高等級(jí)道路交通量預(yù)測(cè)方法進(jìn)行介紹，以期為其他城市新建高等級(jí)道路交通量預(yù)測(cè)提供借鑒。

1 長(zhǎng)江隧道規(guī)劃方案簡(jiǎn)介

鎮(zhèn)江市長(zhǎng)江隧道規(guī)劃位于鎮(zhèn)江市北部區(qū)域，西起長(zhǎng)江路，東至濱水路，總長(zhǎng)約4 500m。隧道設(shè)計(jì)等級(jí)為城市主干道，雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速為60km/h，設(shè)計(jì)通行能力為5 000pcu/h。隧道設(shè)計(jì)采用雙孔單向設(shè)計(jì)，單孔寬度為10.2m，總寬度為21.4m，高7.9m，預(yù)計(jì)總投資為11.3 億元，方案具體情況如圖1、圖2所示。

圖1 長(zhǎng)江隧道規(guī)劃方案

圖2 長(zhǎng)江隧道橫斷面（單位：m）

隧道建設(shè)主要達(dá)到以下3個(gè)目的：

（1）作為鎮(zhèn)江市北部區(qū)域重要分流通道，分流過(guò)境及景區(qū)到達(dá)交通；

（2）加強(qiáng)區(qū)域景區(qū)南北方向的慢行溝通；

（3）分擔(dān)長(zhǎng)江路交通壓力，緩解老城區(qū)擁堵。

2 基于OD反推技術(shù)的交通量預(yù)測(cè)

由于進(jìn)行OD調(diào)查所需時(shí)間較長(zhǎng)，為了在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)項(xiàng)目建設(shè)近、遠(yuǎn)期交通量進(jìn)行預(yù)測(cè)，本文運(yùn)用OD 反推技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代交通量統(tǒng)計(jì)手段（如感應(yīng)線(xiàn)圈）獲得各路段流量，繼而對(duì)隧道建設(shè)后交通量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

基于OD反推的交通量預(yù)測(cè)方法分為以下4個(gè)步驟：

（1）確定項(xiàng)目影響區(qū)域及研究道路現(xiàn)狀，包括通行能力、設(shè)計(jì)速度、現(xiàn)狀交通量等；

（2）反推現(xiàn)狀OD矩陣；

（3）預(yù)測(cè)目標(biāo)年OD矩陣；

（4）預(yù)測(cè)目標(biāo)年新建道路交通量。

具體流程如圖3所示。

圖3 基于OD反推技術(shù)交通量預(yù)測(cè)流程

2.1 研究區(qū)域內(nèi)道路現(xiàn)狀

結(jié)合城市主干道合理間距及鎮(zhèn)江市實(shí)際情況，確定長(zhǎng)江路隧道規(guī)劃方案1km范圍內(nèi)為影響區(qū)域，區(qū)域內(nèi)東西向道路為競(jìng)爭(zhēng)道路，南北向道路為集散道路。據(jù)此分析，長(zhǎng)江路為隧道主要競(jìng)爭(zhēng)道路；征潤(rùn)州路、中山北路、新河路、和平路、云臺(tái)山路、迎江路、中華路、寶塔路、電力路、雙井路、解放路、第一樓街、濱水路為隧道主要集散道路（見(jiàn)圖4）。

圖4 研究區(qū)域及道路示意圖

現(xiàn)狀區(qū)域內(nèi)東西向交通量較大，南北向較小。其中長(zhǎng)江路自電力路以東至濱水路一段，早高峰期小時(shí)雙向交通量達(dá)到2 700pcu以上，路段飽和度達(dá)到0.8以上；南北向道路除中華路交通量較大，其余道路較為適中，具體各道路現(xiàn)狀交通量見(jiàn)圖5，道路信息見(jiàn)表1。

圖5 研究區(qū)域內(nèi)道路現(xiàn)狀交通量（標(biāo)準(zhǔn)車(chē)）（單位：pcu/h）

表1 研究區(qū)域內(nèi)道路基本信息

2.2 現(xiàn)狀OD矩陣反推

OD矩陣反推過(guò)程歸納起來(lái)主要有3個(gè)步驟：

（1）構(gòu)建現(xiàn)狀路網(wǎng)并劃分交通小區(qū)；

（2）構(gòu)建阻抗矩陣及種子矩陣；

（3）現(xiàn)狀OD矩陣反推。

2.2.1 路網(wǎng)構(gòu)建及小區(qū)劃分

路網(wǎng)模型是OD 反推的基礎(chǔ)，可以將OD 矩陣與路段交通量之間進(jìn)行聯(lián)系。為保證將出行OD分配到各個(gè)相關(guān)道路，本文在各個(gè)連接道路處均設(shè)置一個(gè)交通小區(qū)，路網(wǎng)及小區(qū)劃分見(jiàn)圖6。隨后為路網(wǎng)模型賦予相關(guān)屬性，包括道路等級(jí)（Type）、通行能力（Capacity）、車(chē)道數(shù)（Lane）、設(shè)計(jì)時(shí)速（Speed）、路段阻抗（Time），交通量（Flow）及BPR 參數(shù)（Alpha&Beta）[3]共7 個(gè)屬性，具體賦值如圖7所示。

圖6 道路網(wǎng)絡(luò)及交通小區(qū)

圖7 路段信息輸入

2.2.2 阻抗矩陣及種子矩陣構(gòu)建

阻抗是表示各交通小區(qū)間的出行阻礙大小的重要指標(biāo)，也是OD矩陣反推的重要參數(shù)[4]。阻抗矩陣采用多路徑計(jì)算法（Multiple Path），通過(guò)計(jì)算各質(zhì)心點(diǎn)間最小阻抗值獲得，最終阻抗矩陣如圖8所示。

圖8 阻抗矩陣（單位：s）

種子OD 能夠反映OD 之間的交通分布結(jié)構(gòu)，高質(zhì)量的種子OD矩陣可以大大提高反推結(jié)果的精確度。由于出行者受交通小區(qū)間出行阻抗的影響，因此本文采用基于交通小區(qū)出行阻抗的種子OD矩陣計(jì)算方法，具體計(jì)算公式如式（1）所示[5]：

式中：fij為種子OD 矩陣中交通小區(qū)i與j的出行量比重；tij為交通小區(qū)i與j之間的出行阻抗值。

最終計(jì)算獲得種子矩陣如圖9所示。

圖9 種子矩陣

2.2.3 現(xiàn)狀OD矩陣反推

OD 反推（見(jiàn)圖10）是交通分配的逆運(yùn)算，因此其算法與交通分配相同，包括非平衡分配算法的全有全無(wú)法、容量限制法、系統(tǒng)優(yōu)化法以及近年來(lái)出現(xiàn)的隨機(jī)分配方法，如用戶(hù)平衡法、隨機(jī)用戶(hù)平衡法等[6]。本文選取隨機(jī)用戶(hù)平衡法（SUE）以保證OD反推結(jié)果更接近現(xiàn)實(shí)，最終反推獲得的現(xiàn)狀OD矩陣如圖11所示。

圖10 OD反推

2.3 新建道路交通量預(yù)測(cè)

新建道路交通量主要包括區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移交通量、區(qū)外轉(zhuǎn)移交通量?jī)蓚€(gè)部分。區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移交通量是指正常發(fā)展情況下，區(qū)域內(nèi)交通需求自然增長(zhǎng)后分配至新建道路的交通量。區(qū)外轉(zhuǎn)移交通量是指項(xiàng)目建設(shè)后，引起區(qū)域交通條件變化，從其他區(qū)域轉(zhuǎn)移至項(xiàng)目的交通量[7]。

2.3.1 區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移交通量預(yù)測(cè)

圖11 現(xiàn)狀OD矩陣

區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移交通量仍采用傳統(tǒng)“四階段法”進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)鎮(zhèn)江市相關(guān)規(guī)劃，隧道規(guī)劃建設(shè)初期，其周邊用地性質(zhì)并不會(huì)發(fā)生較大變化，路網(wǎng)調(diào)整也較小，因此本文采用增長(zhǎng)率法預(yù)測(cè)未來(lái)小區(qū)出行增長(zhǎng)，根據(jù)彈性系數(shù)確定小區(qū)2015 年—2020年出行總量年平均增長(zhǎng)率為5.1%。

2.3.2 區(qū)外轉(zhuǎn)移交通量預(yù)測(cè)

區(qū)外轉(zhuǎn)移交通量目前尚未有比較完善的定量計(jì)算方法，主要采用定性比較分析的方法確定。本文借鑒《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 37—90）中新建道路設(shè)計(jì)小時(shí)交通量計(jì)算方法對(duì)該部分交通量進(jìn)行預(yù)測(cè)。主要原因在于《規(guī)范》中提出的計(jì)算方法并不考慮道路競(jìng)合關(guān)系，若項(xiàng)目新建完成后，研究區(qū)域內(nèi)交通量期望值應(yīng)等于原有道路交通量與新建道路設(shè)計(jì)交通量之和，因此本文認(rèn)為該部分交通量即為區(qū)外轉(zhuǎn)移交通量?？紤]到轉(zhuǎn)移交通量分配與道路容量相關(guān)，本文利用新建道路與研究區(qū)域主要競(jìng)爭(zhēng)道路通行能力作為分配權(quán)重進(jìn)行配流，具體計(jì)算公式如下：

式中：qn為第n條道路轉(zhuǎn)移交通量（pcu/h）；Nd為新建道路設(shè)計(jì)年平均日交通量（pcu/d）；k為設(shè)計(jì)高峰小時(shí)交通量與年平均日交通量比值，新建道路可參照性質(zhì)相近的同類(lèi)型道路的數(shù)值選用，不能取得時(shí)可采用11%；Cn為研究區(qū)域內(nèi)第n條道路設(shè)計(jì)通行能力（pcu/h）。

綜上分析，2020年長(zhǎng)江隧道總預(yù)測(cè)交通量如表2所示。

表2 2020年早高峰長(zhǎng)江隧道分向流量（單位：pcu/h）

為檢驗(yàn)本方法預(yù)測(cè)精度，本文采用該方法與傳統(tǒng)“四階段法”分別對(duì)2030 年長(zhǎng)江隧道交通量進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)表3 及表4 可以發(fā)現(xiàn)“OD 反推法”預(yù)測(cè)的交通量與傳統(tǒng)“四階段法”預(yù)測(cè)值間還存在一定差值，主要原因有：（1）區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移交通量預(yù)測(cè)方面，隨著遠(yuǎn)期道路周邊用地性質(zhì)發(fā)生改變后，居民出行行為及小區(qū)發(fā)生吸引均會(huì)發(fā)生一定變化，該部分交通量預(yù)測(cè)存在一定誤差；（2）區(qū)外轉(zhuǎn)移交通量方面，由于鎮(zhèn)江市缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，k值為規(guī)范推薦值，并不完全符合實(shí)際現(xiàn)狀，因此該部分交通量預(yù)測(cè)也可能存在一定誤差。但“OD 反推法”與“四階段法”差值比例基本在15%以?xún)?nèi)，其精度基本可滿(mǎn)足初期規(guī)劃及決策使用。

表3 2030年早高峰長(zhǎng)江隧道分向流量（單位：pcu/h）

注：四階段法基于《鎮(zhèn)江市綜合交通規(guī)劃》（2015—2030），委托江蘇省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院計(jì)算獲得。

表4 2030年早高峰長(zhǎng)江隧道雙向流量（單位：pcu/h）

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于OD反推技術(shù)的城市新建高等級(jí)道路交通量預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究，并結(jié)合鎮(zhèn)江市長(zhǎng)江隧道交通量預(yù)測(cè)對(duì)該方法進(jìn)行了應(yīng)用，主要結(jié)論有以下兩點(diǎn)。

（1）基于OD 反推技術(shù)的城市新建高等級(jí)道路交通量預(yù)測(cè)方法相對(duì)于傳統(tǒng)“四階段”法具有省時(shí)、省錢(qián)、高效的優(yōu)點(diǎn)，可在較短時(shí)間內(nèi)提供具有一定精度的交通量預(yù)測(cè)值，在初期決策階段為規(guī)劃方案提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）該方法預(yù)測(cè)精度仍然有限，預(yù)測(cè)精度受項(xiàng)目周邊用地性質(zhì)的變化影響較大，適用于項(xiàng)目建設(shè)近期交通量預(yù)測(cè)，對(duì)遠(yuǎn)期用地性質(zhì)變化較大的區(qū)域適用性相對(duì)較差。

[1] 王煒，徐吉謙，楊濤，等.城市交通規(guī)劃理論及其應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社，1995.

[2] 張剛.OD 矩陣反推技術(shù)在交通量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].交通科技，2010（2）：109-111.

[3] 戴繼峰，趙延峰.機(jī)動(dòng)車(chē)流路段阻抗函數(shù)參數(shù)標(biāo)定與校核方法研究[J].城市交通，2007，5（1）：41-45，55.

[4] 陸化普.交通規(guī)劃理論與方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[5] 盧佳斌.“OD 反推”技術(shù)在城市交通需求預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[6] 姚宏偉.TransCAD 軟件在高速公路交通量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，1（4）：64-66.