基于改進(jìn)“四階段法”的高速公路交通量預(yù)測研究

丁志坤，朱夢煉，宋義勇

(1.深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.施偉拔咨詢(深圳)有限公司，廣東 深圳 518060)

基于改進(jìn)“四階段法”的高速公路交通量預(yù)測研究

丁志坤1，朱夢煉1，宋義勇2

(1.深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.施偉拔咨詢(深圳)有限公司，廣東 深圳 518060)

以“四階段法”為基礎(chǔ)，通過加入經(jīng)濟(jì)-交通組合模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種更為合理的交通量預(yù)測方法。并應(yīng)用該方法預(yù)測了杭州繞城高速公路2015年—2029年年平均日交通量(annual average daily traffic, AADT)，并對交通量構(gòu)成及來源進(jìn)行分析。結(jié)果表明：該預(yù)測方法提高了高速公路交通量預(yù)測的準(zhǔn)確性，減少了預(yù)測結(jié)果的誤差，具有理論與實(shí)踐應(yīng)用價值。

道路工程；高速公路；四階段法；OD調(diào)查；彈性系數(shù)

交通量是高速公路建成后評價其規(guī)劃和管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是確定公路水平、服務(wù)等級的重要參數(shù)[1]。對交通量進(jìn)行預(yù)測是確定項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，是制定項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施計(jì)劃、進(jìn)行項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價及財(cái)務(wù)評價的基礎(chǔ)[2]，也是運(yùn)營管理公司評估經(jīng)濟(jì)營收、提高管理水平的一項(xiàng)重要工作，其預(yù)測地準(zhǔn)確性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于我國在交通預(yù)測方面的工作起步較晚，在交通量預(yù)測上呈現(xiàn)出一些技術(shù)上的和由于人們思想認(rèn)識不一致、做法不統(tǒng)一而造成的人為上問題[3]。目前我國普遍采用的交通量預(yù)測方法是“四階段法”。“四階段法”包含交通生成(generation)、交通分布(distribution)、交通方式劃分(mode split)、交通分配(assignment)4個階段[4]?！八碾A段法”存在精度不夠，誤差較大，預(yù)測不夠準(zhǔn)確等問題。

筆者針對傳統(tǒng)的“四階段法”的不足進(jìn)行了改進(jìn)。以杭州繞城高速公路為例，在原方法的基礎(chǔ)上融入了經(jīng)濟(jì)-交通組合模型，預(yù)測出高速沿線不同區(qū)域的經(jīng)濟(jì)增長系數(shù)；并結(jié)合交通時間彈性系數(shù)，預(yù)測出未來的交通增長系數(shù)；通過交通模型直接預(yù)測未來年平均日交通量(AADT)，最終基于回歸方法得出預(yù)測結(jié)果，使預(yù)測的未來AADT更加精確合理。

1 交通調(diào)查及分析

杭州繞城高速公路從1994年4月動工到2003年底全線貫通，公路全長123.5 km，設(shè)計(jì)速度為每小時100～120 km。

1.1 路網(wǎng)現(xiàn)狀

杭州繞城高速公路是國家高速公路網(wǎng)G25長深高速的重要組成部分，編號為G2501。筆者研究的杭州繞城高速包括西線的19 km和北、東、南三線的85.4 km，不包含杭金衢共用段的17 km。

1.2 OD調(diào)查

筆者采用機(jī)動車起訖點(diǎn)調(diào)查法(簡稱OD調(diào)查)與出入口交通量觀測法相結(jié)合的方式進(jìn)行。為詳盡了解道路沿線的交通狀況，筆者在杭州繞城高速公路的13個收費(fèi)站布置了24 h的OD調(diào)查點(diǎn)。并將調(diào)查詢問得到的地點(diǎn)整合成23個大區(qū)。23個大區(qū)的劃分主要考慮所研究公路的距離，同時兼顧地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。為保障調(diào)查的準(zhǔn)確性，對車輛進(jìn)行分類，按車型分類標(biāo)準(zhǔn)將客車分為1～4類客車；將貨車分為1～7類貨車。然后通過24 h人工計(jì)數(shù)方式，按照不同車型、不同流向?qū)煌繉?shí)施調(diào)查。最后整理分析所得的交通量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為預(yù)測未來交通量奠定基礎(chǔ)。

2 交通量預(yù)測

2.1 預(yù)測概述

“四階段法”是目前交通行業(yè)內(nèi)最為常用的預(yù)測方法，主要是以出行調(diào)查為基礎(chǔ)，由交通生成、交通分布、交通方式劃分和交通分配等4個階段組成。目前所使用的“四階段法”存在著一些不足而導(dǎo)致預(yù)測的交通量與實(shí)測交通量存在著較大差異。歸結(jié)原因主要有：①對轉(zhuǎn)移、誘增交通量的預(yù)測不夠準(zhǔn)確；②經(jīng)濟(jì)分析的角度不完整和分析的內(nèi)容還不夠完善；③精度不夠，誤差較大等。

因此，筆者在研究傳統(tǒng)的交通量預(yù)測方法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了傳統(tǒng)的“四階段法”，提出了適用于高速公路交通量預(yù)測的新思路，并應(yīng)用到杭州繞城高速公路交通量預(yù)測研究中。

2.2 模型技術(shù)路線

筆者在交通調(diào)查的基礎(chǔ)上，按照周邊區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，假定未來年的經(jīng)濟(jì)增長率，以近年來機(jī)動車增長率為基礎(chǔ)，確定出未來年的交通增長率。在交通模型的基礎(chǔ)上，對設(shè)定小區(qū)內(nèi)的交通生成和交通分布做出整理，同時確定出未來年各種類型車輛比例及交通流量特征。在道路最大斷面通行能力限制的條件下，將趨勢交通量與誘增轉(zhuǎn)移的交通量結(jié)合，得出最終預(yù)測結(jié)果。

為對杭州繞城高速公路未來交通量的增長進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，筆者建立了的社會經(jīng)濟(jì)-交通組合模型，該模型可以分成兩個互相聯(lián)系的子模型，分別為：

1)經(jīng)濟(jì)分析模型：分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，用于確定未來交通增長率；

2)交通預(yù)測模型：用于校核及分配交通流量，分析分流及誘增情況。

2.3 經(jīng)濟(jì)模型

2.3.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)需要對每個交通小區(qū)進(jìn)行分析。筆者將研究區(qū)域劃分成731個交通小區(qū)(traffic analysis zone，TAZ)，建立TAZ交通產(chǎn)生量與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的回歸模型，并將這些TAZ歸編成了23個大區(qū)，分析得出這23個大區(qū)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)增長值。同時，筆者收集了杭州繞城高速公路以及附近的各高速公路的歷史交通量，將這些交通產(chǎn)生量與研究公路關(guān)系最密切區(qū)域的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)建立關(guān)系模型，即經(jīng)濟(jì)-交通模型。最后把經(jīng)濟(jì)增長值帶入模型中，得到每個TAZ未來年分車型的交通出行增長?？紤]各個區(qū)域指標(biāo)獲得的難易程度，最后確定GDP作為與客、貨車增長相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，然后分別進(jìn)行回歸分析。

Yn=a×X1+c

(1)

式中：Yn為出入口交通量的增長率；X1為直接影響區(qū)域(杭州市)歷史社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)GDP的增長率；a和c分別為彈性系數(shù)。

經(jīng)過線性回歸分析的方法，確定出了經(jīng)濟(jì)-交通增長模型中的各系數(shù)。

客車：a=0.813；c=0.001；

貨車：a=0.902；c=-0.01。

筆者主要依據(jù)“十二五”經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)來預(yù)計(jì)未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，以未來5年的GDP增長率作為未來趨勢的控制點(diǎn)。通過趨勢曲線，回歸分析各經(jīng)濟(jì)分析區(qū)歷史數(shù)據(jù)，建立時間序列模型，并基于該模型預(yù)測23個大區(qū)的未來經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(GDP)增長情況。如表1截取了10個地區(qū)的數(shù)據(jù)。

表1 未來年各經(jīng)濟(jì)分析區(qū)GDP年增長率

(續(xù)表 1)

地區(qū)時 段2014—2015年2016—2020年2021—2025年2026—2030年2031—2035年淳安縣7.57543臨安市7.57543湖州市76.5543嘉興市7.56543寧波市7.57543全 國76543

2.3.2 時間彈性系數(shù)假設(shè)

彈性系數(shù)是交通增長率與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展增長率之間的比例關(guān)系[5]，國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明：經(jīng)濟(jì)與交通的時間彈性系數(shù)在一定時期內(nèi)(3～5年)是相對穩(wěn)定的。當(dāng)經(jīng)濟(jì)處于較低水平時，運(yùn)輸需求較大，經(jīng)濟(jì)對運(yùn)輸?shù)囊蕾嚦潭雀?，則時間彈性系數(shù)較大；當(dāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定程度，運(yùn)輸時間彈性系數(shù)呈下降趨勢。通過對國內(nèi)多個省市高速公路的研究，采集多組交通量增長率和經(jīng)濟(jì)增長率的數(shù)據(jù)，筆者分析發(fā)現(xiàn)時間彈性系數(shù)基本上保持在0.70～0.95之間。表2為時間彈性系數(shù)取值范圍。

2.4 交通模型建立

2.4.1 路 網(wǎng)

筆者采用浙江省高速公路與規(guī)劃網(wǎng)圖作為基本參照依據(jù)，建立基年交通模型路網(wǎng)，運(yùn)用EMME/3建立交通供給模型，并在模型中輸入浙江省及周圍省份的路網(wǎng)。

表2 客貨車時間彈性系數(shù)取值范圍

2.4.2 流量延誤函數(shù)(volume delay functions, VDF)

車速決定行車時間的長短，而車速又與道路擁擠程度密不可分。但隨著交通量的不斷增加，在估計(jì)車速時，通過容量約束交通分配是很有必要的。通行力阻礙函數(shù)如式(2)：

PVDF=L×[60/vSf+A×(V/C-R1)+B×(V/C-R2)]

(2)

式中：PVDF為通行力阻礙函數(shù)；L為距離；vSf為自由流車速；V/C為飽和度；R1，R2為參數(shù)應(yīng)用的飽和度范圍；A，B為模型參數(shù)。

2.4.3 未來年路網(wǎng)假設(shè)

為分析未來周邊高速路網(wǎng)變化對研究道路的誘增或分流影響，筆者收集了未來年周邊高速公路建設(shè)規(guī)劃，總結(jié)出未來路網(wǎng)，如表3。

表3 周邊高速公路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)情況

2.4.4 通行能力

對高速公路的通行能力構(gòu)成影響的因素主要有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)計(jì)車速)、車型構(gòu)成、交通量時間分布(高峰小時系數(shù))、各種修正系數(shù)等。所研究公路的設(shè)計(jì)車速為100～120 km/h，由于繞城高速公路主要服務(wù)于杭州市的集散交通，現(xiàn)狀交通流量較為擁堵，其服務(wù)水平應(yīng)為三級服務(wù)水平。根據(jù)國家公路規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，三級服務(wù)水平斷面的通行能力為1 800(pcu/車道)/h。通過整理計(jì)算調(diào)查數(shù)據(jù)，所研究公路的高峰小時系數(shù)PHF=7.65%。

因此，實(shí)際條件下的通行能力如式(3)：

C=C0×fw×fHV×fp

(3)

式中：C為實(shí)際條件下的通行能力；C0為一條道設(shè)計(jì)車速的基本通行能力；fw為受限車道寬度和側(cè)向凈空影響修正系數(shù)；fHV為大中型車輛修正系數(shù)；fp為駕駛員總體特征影響修正系數(shù)(通常取fp=1.00)。

通過整理收集數(shù)據(jù)得出：公路的受限車道寬度和側(cè)向凈空影響修正系數(shù)fw=1；駕駛員總體特征影響修正系數(shù)fp=1。計(jì)算得出大中型車的修正系數(shù)fHV=0.83；4車道的C=78 118輛/d；6車道C=117 176輛/天；8車道C=156 235輛/天。

2.4.5 岀行分配過程

筆者采用的交通分配方法，主要是以成本作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，如行車距離、行車時間和行車成本(包括通行費(fèi)用和運(yùn)營成本)，這些影響道路車輛路徑的選擇。同時考慮了與所研究道路競爭的線路上的交通狀況，主要是考慮行車速度與擁堵程度。

某一路段的綜合成本可以用式(4)表示：

Gij=Tij+[Cij+Mij]/WVOT

(4)

式中：Gij為出行的綜合費(fèi)；Tij為由交通區(qū)i到j(luò)所需的出行時間；Cij為由交通區(qū)i到j(luò)所需的出行成本；Mij是由交通區(qū)i到j(luò)所需的路費(fèi)；WVOT為不同車輛類型的時間價值(value of time)。

2.4.6 誘增及分流交通量

誘增交通量是高速公路開通后，由于改善了路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從而影響了區(qū)域經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)布局，使道路兩側(cè)的土地使用性質(zhì)發(fā)生變化而引發(fā)的新交通量[6]，誘增交通量和誘增型經(jīng)濟(jì)增長量是相適應(yīng)的[7]。在確定誘增交通增長與出行便利之間的彈性系數(shù)上，筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合平行國省道上車牌調(diào)查所得大致的地域分布情況進(jìn)行確定。

誘增交通出行可由式(5)表示：

Di=di×[1+ci×f]

(5)

式中：Di為誘增OD出行量；di為誘增前OD出行量；ci為新道路開通后減少的出行成本比例；f為誘增彈性系數(shù)(由于杭州區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此杭州繞城高速段的誘增系數(shù)f=0.2～0.3)。

3 交通量預(yù)測結(jié)果

表4截取了2014—2021年分車型的年平均日交通量預(yù)測結(jié)果。從表4預(yù)測結(jié)果對比分析來看：不同車型的年平均日交通量的變化是不一樣的。其中2017年的增長率最高達(dá)到5.70%，2019年的增長率最低達(dá)到-0.70%。

表5截取了2014—2021年從張家昄樞紐到勾莊斷面的分?jǐn)嗝?，年平均日交通量的預(yù)測結(jié)果。從表5預(yù)測結(jié)果對比分析來看：不同斷面下年平均日交通量的變化是不一樣的，如：在截取的預(yù)測結(jié)果中張家昄樞紐-杭州南樞紐、五常-三墩年平均日交通量在逐年增長，其他斷面的年平均日交通量有增有減。

表4 研究路分車型年平均日交通量預(yù)測

表5 研究路分?jǐn)嗝婺昶骄战煌款A(yù)測

4 結(jié) 語

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，準(zhǔn)確合理的路網(wǎng)規(guī)劃和公路建設(shè)應(yīng)建立在掌握公路需求和車流發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上。對高速公路車流量的未來發(fā)展趨勢做出合理準(zhǔn)確的預(yù)測是我國進(jìn)行交通建設(shè)、發(fā)展交通科技的重要條件。

筆者在已有的研究成果中，對傳統(tǒng)的高速公路 “四階段法”進(jìn)行了改進(jìn)。通過建立社會-經(jīng)濟(jì)模型和EMME/3路網(wǎng)交通模型，使用回歸法得出預(yù)測結(jié)果，提高了交通量預(yù)測的精度。

筆者提出的“四階段法”仍存在如下方面的問題需要進(jìn)一步研究和完善：①高速公路交通量影響結(jié)果眾多，影響因素?zé)o法明確闡述；②對建立的經(jīng)濟(jì)模型多數(shù)是經(jīng)驗(yàn)性的，對其合理性與否并未做深入研究；③影響交通量預(yù)測的各個參數(shù)與未來年實(shí)際結(jié)果可能存在一定的誤差需要進(jìn)一步的探索總結(jié)，使預(yù)測結(jié)果更加科學(xué)。

[1] 李祖?zhèn)?，何兵．在交通量預(yù)測中構(gòu)造“修正系數(shù)”的探討[J]. 重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，21(3)：76-78． LI Zuwei, HE Bing. The enquiry of “coefficient of correction” in traffic volume forecast[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity, 2002, 21(3): 76-78.

[2] 錢云志，明磊．改進(jìn)型“四階段法”在高速公路交通量預(yù)測中的應(yīng)用研究[J]．科教導(dǎo)刊，2010(3)：75-77． QIAN Yunzhi, MING Lei. Study on the application of the improved “four stage method” in highway traffic volume forecast[J].TheGuideofScience&Education, 2010(3): 75-77.

[3] 王維鳳，林航飛，陳小鴻．對高速公路流量預(yù)測中兩個核心問題的探討[J]．中國公路學(xué)報(bào)，2001，14(增刊)：77-80． WANG Weifeng, LIN Hangfei, CHEN Xiaohong. Two major factors in volume forecast of freeway[J].ChinaJournalofHighwayandTransport, 2001, 14(Sup): 77-80.

[4] 王瑋，陳學(xué)武．交通規(guī)劃[M]．北京：人民交通出版社，2012：7． WANG Wei, CHEN Xuewu.TrafficRegulation[M]．Beijing, China Communications Press, 2012: 7.

[5] 霍婭敏．公路交通量預(yù)測的模型及參數(shù)研究[J]．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，18(1)：1-4． HUO Yamin. Study on prognostic model and parameter of highway traffic volume[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity, 1999, 18(1): 1-4.

[6] 周偉，王穎．高速公路誘增交通量分析[J]．長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，22(1)：49-52． ZHOU Wei, WANG Ying. Analysis for induced traffic volume on expressway[J].JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition), 2002, 22(1): 49-52.

[7] 楊龍海，章錫俏，安實(shí)．高速公路誘增交通量經(jīng)濟(jì)預(yù)測研究[J]．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，24(6)：123-125． YANG Longhai, ZHANG Xiqiao, AN Shi. Study on freeway induced traffic volume economic forecasting[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity, 2005, 24(6): 123-125.

(責(zé)任編輯：劉 韜)

Traffic Forecast of Highway Based on Improved “Four-Stage Method”

DING Zhikun1, ZHU Menglian1, SONG Yiyong2

(1.College of Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong, P.R.China;2.WB Group International Limited, Shenzhen 518060, Guangdong, P.R.China)

Based on the “four-stage method”, a better traffic volume forecast method was proposed by adding the improved economic-traffic combination model. The proposed method was applied to predict annual average daily traffic (AADT) of Hangzhou highway from 2015 to 2029, and the composition and sources of traffic volume were also analyzed. The results indicate that the proposed forecast method has theoretical and practical value, which can improve the prediction accuracy of traffic volume and reduce the error of prediction results.

road engineering; highway; four-stage method; OD (origin destination) survey; elastic coefficient

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.15

2015-12-24；

2016-03-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71202101)；深圳大學(xué)人文社會科學(xué)青年教師扶持項(xiàng)目(17QNFC34)

丁志坤(1978—)，男，山東萊州人，副教授，博士，主要從事管理科學(xué)與工程方面的研究。E-mail: ddzk@szu.edu.cn。

朱夢煉(1992—)，女，貴州遵義人，碩士研究生，主要從事管理科學(xué)與工程方面的研究。E-mail：13728809775@163.com。

U491

A

1674-0696(2017)05-086-05