基于聚類分析的交通荷載分布特征研究

王春紅

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司、公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230011）

1 引言

交通荷載狀況對(duì)確定路面結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，直接影響路面使用壽命。由于地理位置、自然資源分布以及政治經(jīng)濟(jì)條件的差異，不同地域的道路交通條件有所不同?！豆窞r青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）[1]將設(shè)計(jì)交通荷載等級(jí)分為輕、中等、重、特重和極重共5類。而在實(shí)際進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到建設(shè)施工的方便性，除了按照規(guī)范要求劃分交通等級(jí)外，設(shè)計(jì)人員通常綜合考慮車流總量和貨車比重等因素，從廣義上將一個(gè)項(xiàng)目的交通壓力分為輕、中、重3個(gè)水平，進(jìn)而來(lái)擬定與其水平相適應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)路面設(shè)計(jì)人員而言，有必要總結(jié)一定區(qū)域內(nèi)的交通荷載分布特征，從而幫助設(shè)計(jì)人員在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，快速掌握項(xiàng)目所在地交通荷載狀況，從而提高路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和工作效率。

本文采用聚類分析的方法，對(duì)華中地區(qū)某省域的道路交通分布進(jìn)行分析，將該省高速公路的交通壓力水平進(jìn)行劃片分級(jí)，并研究各級(jí)交通荷載水平和相關(guān)規(guī)范要求的關(guān)聯(lián)對(duì)等性，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行類似的交通荷載分布研究提供技術(shù)參考。

2 數(shù)據(jù)獲取

收集2017年7月份某省約20條高速公路的交通量數(shù)據(jù)，累計(jì)交通斷面660個(gè)。該數(shù)據(jù)基本覆蓋了省內(nèi)絕大部分的高速公路，能較好代表該省整體交通壓力分布。對(duì)各斷面的交通量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，統(tǒng)計(jì)得出月交通總量、月貨車交通量和貨車比例三項(xiàng)指標(biāo)，如表1所示。

各高速公路不同斷面交通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果（換算成小客車） 表1

從表1可以看出，各斷面的車輛總數(shù)和貨車比例等數(shù)據(jù)相差較大，尤其是貨車比例，最大相差4.5倍。因此，不同高速或斷面的交通壓力各有不同，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待，實(shí)行差異化、針對(duì)性設(shè)計(jì)。

3 基于MATLAB軟件的交通量數(shù)據(jù)聚類分析

聚類分析在道路工程的很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，是一種將數(shù)據(jù)集按照某種指導(dǎo)思想劃分為很多群組或者簇的過(guò)程。劃分的思想原則就是相同簇內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)象差距盡量的小，不同簇中的處理對(duì)象差距盡量的大，從而滿足聚類的結(jié)果。例如在針對(duì)交通擁堵、路網(wǎng)交通狀態(tài)等問(wèn)題，通過(guò)將聚類分析方法與交通工程相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)交通擁堵路段的識(shí)別、預(yù)測(cè)、擁堵程度分類[2]。

本文綜合考慮車輛總數(shù)、貨車總數(shù)與貨車比例三個(gè)影響因素，采用聚類分析軟件MATLAB軟件對(duì)表1中的匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析運(yùn)算，在MATLAB中建立三維分析矩陣。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)聚類分析，將統(tǒng)計(jì)的660個(gè)斷面劃分成了3類，初步擬定為輕、中、重3個(gè)交通荷載水平，分別用綠色、黃色與紅色表示，劃分結(jié)果如圖1所示。設(shè)計(jì)人員將各斷面的分析結(jié)果按照不同顏色標(biāo)注于高速公路網(wǎng)布局圖中，可以一目了然地掌握不同區(qū)域的交通壓力水平。

圖1 MATLAB聚類分析圖

分類后，各交通荷載水平下的交通量有明顯差異。重交通水平的交通量分別是輕交通水平的9倍、中交通水平的2倍。如圖2所示。

圖2 不同交通水平的交通量對(duì)比

交通量是影響瀝青路面使用狀況發(fā)展的重要外在因素。重載車會(huì)加速路面損傷，導(dǎo)致路面早期破壞提前出現(xiàn)。因此，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)緊密結(jié)合交通量總體水平和重載車比重。對(duì)于交通總量和重載壓力不大的路段，可以適當(dāng)降低瀝青層厚度，建議瀝青層厚度為15～16cm，以提高路面工程的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)省工程造價(jià)。而對(duì)于交通壓力大，重載車較多的路段，應(yīng)適當(dāng)提高瀝青層厚度至20cm以上，并且采用高溫穩(wěn)定性好的材料，以改善路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，保證路面在使用期間良好的路用性能。對(duì)于中等交通量的路段，可以采用傳統(tǒng)的18cm的瀝青層。

4 交通壓力水平與規(guī)范的關(guān)聯(lián)對(duì)等性

為方便設(shè)計(jì)人員統(tǒng)籌掌握不同角度下的交通荷載狀況，本文研究了表2的分析結(jié)果和規(guī)范要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系。選取表1中的133個(gè)斷面，以2017年交通量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)估各斷面設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)大型客車和貨車交通量，然后按照規(guī)范要求確定各斷面交通荷載等級(jí)，從而得出兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

交通壓力水平等級(jí)和規(guī)范要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系 表2

表2對(duì)應(yīng)結(jié)果表明，本文劃分的“輕”交通水平基本對(duì)應(yīng)規(guī)范中的“輕”和“中等”交通等級(jí)，“中”交通水平基本對(duì)應(yīng)規(guī)范中的“重”交通等級(jí)，“重”交通水平基本對(duì)應(yīng)規(guī)范中的“特重”及以上交通等級(jí)。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系符合設(shè)計(jì)人員廣義認(rèn)知的交通水平等級(jí)，也說(shuō)明本文采用的聚類分析方法是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

為系統(tǒng)掌握一定區(qū)域內(nèi)道路交通壓力分布狀況，本文采用聚類分析的方法，以車輛總數(shù)、貨車總數(shù)和貨車比例3指標(biāo)作為分類因子，對(duì)高速公路若干交通斷面的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析計(jì)算，將路網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的交通荷載分為輕、中、重3個(gè)水平，用以表征不同地域相應(yīng)的交通壓力水平，從而為設(shè)計(jì)人員確定路面結(jié)構(gòu)和材料選擇提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

此外，本文還研究了聚類分析結(jié)果和規(guī)范要求的交通等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)算分析表明，文中采用的聚類分析方法與設(shè)計(jì)人員廣義認(rèn)知的交通水平等級(jí)基本對(duì)應(yīng)，可以在一定程度上反映一個(gè)地區(qū)的交通荷載分布，對(duì)于開展該地區(qū)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后期養(yǎng)護(hù)決策有很大指導(dǎo)意義。