基于城市交通擁塞的區(qū)域路網(wǎng)服務退化指數(shù)研究

胡立偉，孟 玲，祁首銘，張亞平,羅振武

(1. 昆明理工大學 交通工程學院, 云南 昆明 650500; 2. 哈爾濱工業(yè)大學 交通科學與工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引 言

城市道路交通擁塞已經(jīng)成為涉及每個人切身利益，有待解決的難點、重點問題。交通擁堵現(xiàn)象對每個城市的影響體現(xiàn)在多個方面：車輛運行速度下降、路網(wǎng)服務水平和道路通行能力的降低，同時會造成能源與時空資源的浪費、環(huán)境污染等，同時更容易引發(fā)交通安全事故，使社會成本、經(jīng)濟成本、產生巨大損失，人們的健康也受到極大威脅。因此，采取適合的道路交通擁塞評價方法，來評定不同的影響程度，從而針對不同影響程度相應地找到適合的控制策略顯得至關重要。

國內外眾多學者對路網(wǎng)容量問題和道路服務水平進行了有意義的探索。HAI Yang等[1]將排隊度、道路通行能力等作為約束條件，研究路網(wǎng)服務水平；S. S. LEE等[2]通過仿真技術模擬真實交通環(huán)境，研究了交通延誤和路網(wǎng)容量問題；WU N等[3]綜合考慮了路網(wǎng)內交通的分流、交織等不同情況，建立了綜合計算模型以評價道路服務水平；謝輝等[4]以路網(wǎng)容量最大化為目標，建立了路網(wǎng)容量評估模型；郭佳寧等[5]考慮了資源的時空性和城市交通的需求，對路網(wǎng)容量基本模型進行改進，得到不同條件下的車速閾值，并對道路網(wǎng)的服務水平進行了評價；陸容[6]對道路服務水平與路網(wǎng)儲備容量的關系進行分析，通過構建雙層規(guī)劃模型，得到道路服務水平與路網(wǎng)儲備容量存在正相關的結論；胡立偉等[7]通過研究路網(wǎng)容量和道路服務水平的關系，并通過自組織理論的研究構建了自疏散模型；鄧俊俊[8]討論了影響路網(wǎng)容量內部和外部的主要因素，建立基于運行質量的路網(wǎng)容量計算模型，并給出路網(wǎng)潛在瓶頸路段的識別方法，有效提升道路服務水平。

國內外許多機構也采取不同交通指數(shù)對交通擁塞情況進行了評價。美國Texas交通研究所在1994年首先提出交通擁堵指數(shù)RCI，將日均行駛距離與車道長度之比看作評價交通狀況指標；歐洲大部分國家從2010年開始使用INRIX Index指標。在國內，北京市于2011年4月正式發(fā)布了《城市道路交通運行評價指標體系》[9]，深圳市于2012年發(fā)布了城市交通運行指數(shù)，廣州市于2013年3月公布了《城市道路交通運行評價指標體系(征求意見稿)》[10]，這些都能客觀說明城市道路網(wǎng)的運行狀態(tài)越來越受到關注。

城市交通擁塞已經(jīng)不再是若干相鄰路段的問題，而是整個路網(wǎng)的問題。以往的研究對擁塞成因分析、擁塞控制方法等方面有較為深入的研究，但對于路網(wǎng)整體性的分析缺乏有益的探索。借鑒已有研究，將道路交通擁塞的狀態(tài)按照通暢、擁擠、擁堵、堵塞4個級別進行劃分，并提出一個新的概念——區(qū)域路網(wǎng)服務退化指數(shù)(SDI)，基于改進的AHM模型建立分析模型，以擁塞退化的程度來評價路網(wǎng)的服務水平。

1 區(qū)域路網(wǎng)服務退化指數(shù)的概念及影響指標分析

1.1 道路交通擁塞狀態(tài)的劃分

目前國際上沒有對交通擁塞的標準定義，而且過往的研究只關注擁堵的本身，沒有考慮車輛運行中的變化。為了進一步探究城市道路交通擁塞的演變規(guī)律，筆者將從動態(tài)變化過程的視角出發(fā)，對城市道路交通擁塞演變過程進行分析。

在道路發(fā)生擁塞時，必然有誘發(fā)擁塞的源點，定義誘發(fā)交通擁塞的源點為“擁塞核”，當產生交通擁塞時，擁塞輻射波由內部向外部進行傳遞，但其輻射程度逐漸遞減。輻射波向外輻射可以看作是一種內應力f(x)，它變化的過程反映了擁塞核對當時交通的影響過程，它的大小也決定著交通擁塞的影響范圍。根據(jù)內應力的變化過程，將交通擁塞狀態(tài)動態(tài)劃分為堵塞、擁堵、擁擠、通暢4個過程，不同狀態(tài)的示意圖由圖1。根據(jù)交通擁塞從產生到消散的全過程，f(x)與交通密度k、行駛速度v和行駛時間t存在影響關系，構建概念模型如式(1)：

f(x)=G(k，v，t)

(1)

式中：k為交通密度，pcu/km；v為行駛速度,km/h；t為行駛時間,h。

圖1 不同交通擁塞狀態(tài)示意Fig. 1 Schematic diagram of different traffic congestion status

1.2 SDI的定義

在城市主干路所圍成的區(qū)域內，若某一點產生擁塞核并且逐漸擴散，其輻射影響范圍使區(qū)域路網(wǎng)服務水平降低，由此稱為區(qū)域路網(wǎng)服務退化，用SDI對整個過程進行評價。將不同的SDI與不同程度的擁堵退化相對應，宏觀評價區(qū)域路網(wǎng)的服務水平。

1.3 SDI影響因素分析

道路服務水平通常會受到不同道路、交通條件等因素的影響，為了更好地分析道路服務能力和評價道路服務質量，選取即時道路飽和度(V/C)、擁堵延時指數(shù)β、自由度、交通量以及空間占用率5個指標對區(qū)域路網(wǎng)服務水平進行評價。

1.3.1 即時道路飽和度(V/C)

參考我國對道路服務水平劃分標準與HCM，當V/C超過1時即為堵塞，如式(2)：

(2)

式中：C為設計道路容量，pcu；V為即時道路容量，pcu；α為即時道路飽和度。

構建以α為劃分標準的關系表，如表1。

表1 α值與城市道路服務水平等級關系Table 1 Relationship between α value and urban road service level

1.3.2 擁堵延時指數(shù)β

將車輛實際運行的平均時間與其在自由流狀態(tài)下所用平均時間之比定義擁堵延時指數(shù)。車輛實際運行的平均時間及其在自由流狀態(tài)下所用平均時間的計算方法分別如式(3)和式(4):

(3)

(4)

式中：TR為車輛實際運行的平均時間，s；T0為車輛自由流狀態(tài)下運行的平均時間，s；V(tφ)為各調查路段對應的平均速度，km/h；v′(tφ)為各調查路段對應的設計速度，km/h；φ為調查路段數(shù)；S為各路段長度，km。

式(5)為擁堵延時指數(shù)的計算方法：

(5)

式中：β為擁堵延時指數(shù)，構建以β為分級標準的關系表，如表2。

表2 β值與城市道路服務水平等級關系Table 2 Relationship between β value and urban road service level

1.3.3 自由度

車輛實際運行速度與其在自由流條件下運行速度之比即為自由度。計算方法如式(6)：

(6)

式中：γ為自由度；vs為車輛行駛區(qū)間平均車速，km/h；v0為自由流條件下行駛速度，km/h。

構建以γ為劃分標準的關系表，如表3。

表3 γ值與城市道路服務水平等級關系Table 3 Relationship between γ value and urban road service level

1.3.4 交通量

筆者只考慮路網(wǎng)內機動車的交通量。如式(7)：

(7)

式中：qc為交通量，pcu/h；Xa為測試車沿逆測定方向行駛時，與測試車對向行駛的車量數(shù)，pcu；Yc為測試車沿測定方向上行駛時，超越測試車的車輛數(shù)減去被測試車超越的車輛數(shù)，pcu；ta為測試車與待測定車流方向反向行駛時的行駛時間，min；tc為測試車順待測定車流方向行駛時的行駛時間，min。

構建以qc為劃分標準的關系表，如表4。

表4 qc值與城市道路服務水平等級關系Table 4 Relationship between qc value and urban road service level

1.3.5 空間占用率

交通密度通常用車輛在道路上的占用率來衡量，車輛占用率愈高，交通密度愈大。車輛占用率分為空間占用率和時間占用率，筆者采用空間占用率表征密度?？臻g占用率R計算式如式(8)：

(8)

式中：R為空間占用率；L為各觀測路段總長度，m；li為第i輛車的長度，m；n為觀測路段車輛數(shù)量。

將所有車輛標準換算為小汽車，根據(jù)國標規(guī)定標準化小汽車長度為3.5 m。構建以R為劃分標準的關系級表，如表5。

表5 R值與城市道路服務水平等級關系Table 5 Relationship between R value and urban road service level

2 區(qū)域路網(wǎng)服務退化指數(shù)模型構建

2.1 SDI影響指標判斷矩陣構建

基于改進AHM模型，考慮道路狀態(tài)、擁塞狀態(tài)、交通要素等因素，選取即時交通飽和度、擁堵延時指數(shù)、自由度、交通量以及空間占用率等指標構建評價體系，經(jīng)權重計算和一致性檢驗后，得到相應評價指標體系權重計算表，如表6。

表6 道路服務水平評價指標體系權重計算Table 6 Weight calculation of evaluation index system of road service level

2.2 SDI模型構建

建立SDI分析模型時借用Logistic分析法，首先采用數(shù)據(jù)歸一法將SDI的取值范圍限定在(0,1)內。分別設即時交通飽和度、擁堵延時指數(shù)β、自由度γ、交通量qc、空間占用率R所占的權重分別為a、b、c、d、e，在各種達到堵塞臨界條件時，值分別為αmax、βmax、γmax、qcmax、Rmax，設區(qū)域路網(wǎng)服務退化指數(shù)為y，則有：

(9)

將各自權重及計算式帶入式(9)，得到式(10)：

(10)

結合上文可以得出一個關于區(qū)域路網(wǎng)服務水平分級表，同理將區(qū)域路網(wǎng)服務水平分為4個級別，從Ⅰ級到Ⅳ級分別代表通暢、擁擠、擁堵、堵塞，如表7。

表7 交通擁塞環(huán)境下區(qū)域路網(wǎng)服務退化指數(shù)Table 7 Degradation index table of regional road network service in traffic congestion

當y值處于0至0.4時，道路服務水平較好，所有車輛將會通暢行駛，隨著y值逐漸增大，區(qū)域路網(wǎng)的服務水平會逐漸退化，直至堵塞狀態(tài)時，區(qū)域路網(wǎng)將癱瘓，其服務水平也退化最低。將區(qū)域路網(wǎng)服務退化的不同程度與HCM中道路服務水平對應，得到圖2。

圖2 不同服務退化程度與道路服務水平關系示意Fig. 2 Schematic diagram of the relationship between different service degradation levels and road service levels

3 實例驗證

以昆明市青年路時代廣場至昆明動物園整條路網(wǎng)為例進行SDI計算，以驗證模型的正確性和適用性。通過實地調查，采集不同時段路網(wǎng)區(qū)域內所需指標數(shù)據(jù)，如行程時間、斷面流量、信號周期時長、路段長度等信息，將信息采集結果相關數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后帶入式(9)，根據(jù)道路服務水平第Ⅳ級的最小值來取值，也就是αmax、βmax、γmax、qcmax、Rmax分別取值為0.75、6f、10、1 900、80%，故此所選區(qū)域路網(wǎng)交通服務退化指數(shù)y1計算如下：

即根據(jù)表7有青年路時代廣場至昆明動物園整條路網(wǎng)的服務退化水平為Ⅲ級服務退化，即是處于擁堵狀態(tài)。

同理將區(qū)域路網(wǎng)服務退化評價模型用于金碧路，即可計算出該區(qū)域的道路服務水平，設該區(qū)域路網(wǎng)交通服務退化指數(shù)為y2，帶入數(shù)據(jù)計算得y2=0.687 4。

同理，根據(jù)的計算結果y2和表7的分級情況對照表，可以得出金碧路的道路服務水平為Ⅲ級服務退化，即是處于擁堵狀態(tài)，驗證的結果基本符合區(qū)域路網(wǎng)的交通運行狀態(tài)，故此模型具有良好的適用性，可以用來宏觀評價城市交通運行態(tài)勢和道路服務水平。

4 結 語

劃分了道路交通擁塞的狀態(tài)，首次提出了區(qū)域路網(wǎng)服務退化指數(shù)的概念，基于改進的AHM方法通過5個評價指標構建了區(qū)域路網(wǎng)服務退化分析模型，以服務退化程度為依據(jù)度對城市道路交通擁塞進行宏觀評價。通過昆明市的部分路網(wǎng)調查數(shù)據(jù)進行驗證，得到了路網(wǎng)的服務退化程度，且與實際的情況一致，表明區(qū)域路網(wǎng)服務退化指數(shù)具有良好的適用性。從路網(wǎng)整體性的角度出發(fā)，為從宏觀層面評價城市道路交通擁塞程度提供了新的方法，并且為改善交通環(huán)境、提高交通管理水平貢獻力量。