基于模糊綜合評(píng)價(jià)的HOV車道綜合效益分析

王 瑜,李 勇

(1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610036)

0 引言

高容量車輛(High Occupancy Vehicle， HOV)車道最初在美國(guó)興起，相繼在加拿大、澳大利亞、英國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用。通過(guò)設(shè)置通行規(guī)則，有效提高道路使用效率，緩解交通擁堵[1]。2014年5月，HOV車道正式進(jìn)入我國(guó)，無(wú)錫市首次設(shè)置HOV車道，允許3人及以上車輛通行。2015年7月，濟(jì)南市試點(diǎn)開通HOV車道，允許2人及以上乘員車輛、特種車輛在早晚高峰使用。隨后，成都市、大連市等均在具備設(shè)置條件的相應(yīng)路段(一般為城市主干道或快速路)開通HOV車道，規(guī)定在工作日的早晚高峰使用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于HOV車道的設(shè)置可行性、理論模型、設(shè)置方案、效益評(píng)價(jià)等進(jìn)行了廣泛的研究。Huang等[2]考慮單獨(dú)駕車、合乘和地鐵出行方式，改進(jìn)了既有的交通流均衡模型，并從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度分析了模型結(jié)果。 Kwon等[3]采用交通量檢測(cè)器收集數(shù)據(jù)，對(duì)HOV車道運(yùn)行效果進(jìn)行了全面分析評(píng)價(jià)。李春燕等[4]從宏觀和微觀層面分析了美國(guó)HOV車道的設(shè)置類型和運(yùn)行方式，分析了在我國(guó)的適用性和可行性，并提出實(shí)用性建議。戶佐安等[5]通過(guò)分析HOV車道設(shè)置的影響因素，建立了路段的出行總效用模型，對(duì)比分析了方案實(shí)施前后的總效用差值。

目前，國(guó)內(nèi)外大部分研究成果主要集中于HOV車道的可行性分析和理論模型建立，缺乏對(duì)HOV車道的實(shí)證分析。鑒于此，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通效率、環(huán)境保護(hù)、出行滿意度4個(gè)方面建立HOV車道的綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以成都市為例，對(duì)HOV車道的綜合效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 HOV車道評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

HOV車道通過(guò)提高小汽車載客量，鼓勵(lì)合乘出行，減少道路車流量，提高道路資源利用率，解決交通擁堵和環(huán)境污染問(wèn)題。為綜合性評(píng)價(jià)HOV車道的運(yùn)行效果，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通效率、環(huán)境保護(hù)、出行滿意度4個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖1。

圖1 綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Comprehensive benefit evaluation indicator system

以下對(duì)HOV車道的綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定義。

1.1 居民平均出行費(fèi)用

居民平均出行費(fèi)用以出行時(shí)間成本和燃油消耗成本為主，二者具有不同的當(dāng)量，用時(shí)間價(jià)值和能源價(jià)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其計(jì)算公式為：

(1)

式中，U1為居民平均出行費(fèi)用；T為平均出行時(shí)間；ε為時(shí)間價(jià)值參數(shù),ε=45元/h；U2為單位車輛燃油消耗量；n為乘客數(shù)量；θ為能源價(jià)值參數(shù),θ=8元/L。

1.2 單位車輛燃油消耗

單位車輛燃油消耗是居民出行成本的重要構(gòu)成部分，與車輛運(yùn)行速度有關(guān)，其計(jì)算公式為：

U2=T2×FC(V),

(2)

式中，T2為路段的車均行程時(shí)間;FC(V)為車輛每小時(shí)油耗模型。

根據(jù)相關(guān)研究，高峰時(shí)期車輛每小時(shí)油耗與車輛行駛速度的回歸模型為[6]：

(3)

式中T1為路段平均車速。

1.3 路段平均行程車速

路段平均行程車速是指在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)路段觀測(cè)點(diǎn)的車速平均值，其計(jì)算公式為：

(4)

式中，T1為平均車速;N為統(tǒng)計(jì)時(shí)段里的觀測(cè)車數(shù);Vi為第i輛車的瞬時(shí)車速。

1.4 路段車均行程時(shí)間

路段的車均行程時(shí)間是指在統(tǒng)計(jì)期內(nèi)通過(guò)路段所需時(shí)間的平均值, 計(jì)算公式為：

(5)

式中，T2為路段的車均行程時(shí)間；n為統(tǒng)計(jì)期數(shù)；ti為統(tǒng)計(jì)時(shí)段車輛在該路段行程時(shí)間。

1.5 道路飽和度

道路飽和度用以衡量道路車流量和通行能力是否均衡，反映道路擁擠度，計(jì)算公式為[7]：

T3=q/C，

(6)

式中，T3為道路飽和度；q為路段最大車流量；C為該路段通行能力。

C=C0×γ，

(7)

式中，C0為道路理論通行能力；γ為折減系數(shù)。

1.6 車道均衡系數(shù)

車道均衡系數(shù)用來(lái)衡量各個(gè)車道利用率是否存在不均衡，計(jì)算公式為[8]：

(8)

式中，T4為車道均衡系數(shù)；q1為HOV車道的車流數(shù)；q2為普通車道的車流數(shù)；S為車道數(shù)。

1.7 單位車輛污染物平均排放濃度

機(jī)動(dòng)車尾氣排放污染物平均濃度是重要的環(huán)境影響指標(biāo)之一。通過(guò)回歸分析得到機(jī)動(dòng)車尾氣排放量與速度的計(jì)算模型為[9]：

E1=-27.156×lnT1+138.941，

(9)

式中E1為單位車輛污染物排放量。

1.8 車道交通噪聲超標(biāo)率

以HOV車道兩側(cè)白天平均噪聲不大于70 dB、夜間噪聲不大于55 dB為標(biāo)準(zhǔn)，車道交通噪聲超標(biāo)率的計(jì)算公式為[10]：

(10)

式中，E2為噪聲超標(biāo)率；L0為噪聲超標(biāo)里程；L為HOV車道的設(shè)計(jì)里程。

1.9 公眾接受度

公眾接受度作為定性指標(biāo)，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的形式，將定性指標(biāo)定量化，得到公眾接受度指標(biāo)值S1。

1.10 服務(wù)可靠性

為衡量HOV車道的服務(wù)可靠性，引入無(wú)量綱路段行程時(shí)間變異系數(shù)，反映HOV車道運(yùn)行過(guò)程的均衡性、穩(wěn)定性。當(dāng)變異系數(shù)為0時(shí)，數(shù)據(jù)服從均勻分布，無(wú)波動(dòng)；當(dāng)變異系數(shù)越大時(shí)，波動(dòng)性越大繼而穩(wěn)定性越差。

(11)

式中，S2為道路運(yùn)行時(shí)間變異系數(shù)；σT為道路運(yùn)行時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差；ΔT為道路運(yùn)行時(shí)間平均值。

2 HOV車道模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)HOV車道進(jìn)行綜合效益評(píng)價(jià)。一是使用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，熵權(quán)法通過(guò)數(shù)據(jù)之間的差異來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重，較為客觀地反映某項(xiàng)指標(biāo)在指標(biāo)體系中的重要性。二是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊合成原理，綜合多個(gè)因素對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)[10]。

2.1 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

2.1.1設(shè)m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)n個(gè)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行評(píng)估，構(gòu)建判斷矩陣P[11]

(12)

式中，pij為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)第j個(gè)評(píng)估對(duì)象的值。

對(duì)pij進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到：

(13)

式中tij為pij標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.1.2定義第i項(xiàng)指標(biāo)的熵值

(14)

(15)

式中，di為第i項(xiàng)指標(biāo)的熵值；hij為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)第j個(gè)評(píng)估對(duì)象的特征比重值，當(dāng)hij時(shí)，令lnhij。

2.1.3計(jì)算熵權(quán)

(16)

式中Wi為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

2.2 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)

將HOV車道運(yùn)行效益劃分為優(yōu)秀、良好、一般、較差、差5大類，并分別用P1，P2，P3，P4，P5表示，則得到判斷集P={P1,P2,P3,P4,P5}。根據(jù)評(píng)價(jià)路段的道路等級(jí)情況，結(jié)合《城市道路交通運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》(DB11/T 785—2011)對(duì)相關(guān)指標(biāo)的規(guī)定，作為判斷依據(jù)，確立HOV車道運(yùn)行效益評(píng)價(jià)的隸屬度評(píng)價(jià)值[12]，如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度Tab.1 Membership degrees of evaluation indicators

HOV車道運(yùn)行效益水平?jīng)]有明確的分界線，存在一定的模糊性。因梯形隸屬度函數(shù)具有平緩穩(wěn)定的特性，故將其作為隸屬度函數(shù)，結(jié)合表2數(shù)據(jù)，建立以下各隸屬度函數(shù)[13-15]。

居民平均出行費(fèi)用為定量指標(biāo)，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最小值，定義為負(fù)指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

2.2.2單位車輛燃油消耗的隸屬度函數(shù)

居民平均出行費(fèi)用為定量指標(biāo)，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最小值，定義為負(fù)指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

2.2.3路段平均行程車速的隸屬度函數(shù)

路段平均行程車速為定量指標(biāo)，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最大值，定義為正指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡18歲及以上的近視和散光患者；②球鏡度＞-6.00 D，柱鏡度＜ 2.00 D；③屈光度數(shù)穩(wěn)定2年以上，每年變化＜0.5 D；④角膜地形圖檢查正常；⑤軟性角膜接觸鏡停戴1～2周，硬性角膜接觸鏡停戴3～4周，角膜塑形鏡停戴3個(gè)月以上。

2.2.4路段車均行程時(shí)間的隸屬度函數(shù)

路段車均行程時(shí)間為定量指標(biāo)，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最小值，定義為負(fù)指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

2.2.5道路飽和度的隸屬度函數(shù)

道路飽和度為定量指標(biāo)，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最小值，定義為負(fù)指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

2.2.6道路均衡系數(shù)的隸屬度函數(shù)

道路均衡系數(shù)為定量指標(biāo)，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最大值，定義為正指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

2.2.7單位車輛污染物平均排放濃度隸屬度函數(shù)

單位車輛污染物平均排放濃度為定量指標(biāo)，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最小值，定義為負(fù)指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

2.2.8交通噪聲超標(biāo)率的隸屬度函數(shù)

交通噪聲超標(biāo)率為定量指標(biāo)，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最小值，定義為負(fù)指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(52)

(53)

(54)

(55)

(56)

2.2.9公眾接受度的隸屬度函數(shù)

公眾接受度為定性指標(biāo)，將其定量化，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最大值，定義為正指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(57)

(58)

(59)

(60)

(61)

2.2.10服務(wù)可靠性的隸屬度函數(shù)

服務(wù)可靠性為定量指標(biāo)，最優(yōu)評(píng)價(jià)結(jié)果為最小值，定義為負(fù)指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

(62)

(63)

(64)

(65)

(66)

2.3 構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.3.1單因素判斷

根據(jù)上述構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)，結(jié)合路段運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行單因素獨(dú)立影響評(píng)判，得到評(píng)判矩陣F[16-17]。

(67)

2.3.2綜合評(píng)價(jià)

將評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量W與評(píng)判矩陣F進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到綜合評(píng)價(jià)集V[18]。

V=W×F=[ν1,ν2,ν3,ν4,ν5]。

(68)

2.3.3確定評(píng)價(jià)結(jié)果

將結(jié)果量化，采用加權(quán)平均法計(jì)算最終評(píng)價(jià)結(jié)果[19]。令判斷集{P1,P2,P3,P4,P5}={1，2，3，4，5}，則：

(69)

式中R為最終評(píng)價(jià)值。

3 成都HOV車道的綜合效益評(píng)價(jià)

從2017年1月起，成都市在3處路段設(shè)立HOV車道。一是科華南路由南向北方向(以下簡(jiǎn)稱路段a)；二是天府大道南一、二段由南向北方向(以下簡(jiǎn)稱路段b)；三是自2018年12月，劍南大道南段(以下簡(jiǎn)稱路段c)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)交通調(diào)查，將評(píng)價(jià)路段早晚高峰交通運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，見表2、表3。

表2 各路段早高峰交通運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.2 Traffic operation data of each section in morning rush hour

表3 各路段晚高峰交通運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.3 Traffic operation data of each section in evening rush hour

同時(shí)，通過(guò)對(duì)周邊區(qū)域居民出行使用HOV車道的滿意度進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，獲得有效統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表4。

表4 路段HOV車道的滿意度(單位: %)Tab.4 Satisfaction degree of HOV lane in section (unit: %)

結(jié)合表2～表4的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)前述的指標(biāo)計(jì)算公式，得到3處路段HOV車道的早、晚高峰指標(biāo)值, 如表5～表7所示。

表5 路段a的HOV車道指標(biāo)值Tab.5 Indicators of HOV lane in section a

表6 路段b的HOV車道指標(biāo)值Tab.6 Indicators of HOV lane in section b

3.1 模糊綜合評(píng)價(jià)

3.1.1熵權(quán)法確定權(quán)重

根據(jù)前述方法，結(jié)合表5～表7路段指標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

表7 路段c的HOV車道指標(biāo)值Tab.7 Indicators of HOV lane in section c

W=[0.29 0.1 0.19 0.13 0.07 0.06 0.07 0.01 0.05 0.03]。

由此看出，居民平均出行費(fèi)用、行程車速、行程時(shí)間、車輛油耗是影響路段運(yùn)行效益的重要因素。

3.1.2隸屬度函數(shù)計(jì)算

3.1.3綜合評(píng)價(jià)

3.1.4確定評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用上述過(guò)程，同樣計(jì)算路段b、路段c的HOV車道早晚高峰綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，得到：

3.2 成都HOV車道綜合效益評(píng)價(jià)結(jié)果分析

R作為最終評(píng)價(jià)值，R的數(shù)值越小，代表綜合運(yùn)行效益越優(yōu)秀。根據(jù)前文計(jì)算的HOV路段綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，見表8。

表8 HOV車道的綜合效益評(píng)價(jià)值Tab.8 Comprehensive benefit evaluation value of HOV lane

3.2.1結(jié)果分析

(1)由表8所示，總體上運(yùn)行情況良好，且早高峰優(yōu)于晚高峰。成都HOV車道從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通效率、環(huán)境保護(hù)、出行滿意度4個(gè)方面總體評(píng)價(jià)結(jié)果為一般及良好，且早高峰運(yùn)行情況均優(yōu)于晚高峰。

(2)路段b的HOV車道運(yùn)行效益最優(yōu)。具體來(lái)看，路段b道路整體較為通暢，道路飽和度在50%左右，交通運(yùn)行狀態(tài)良好，車流速度基本能達(dá)到70 km/h 及以上，各項(xiàng)指標(biāo)均處于較優(yōu)的狀態(tài)，出行者滿意度較高。

(3)路段c的HOV車道運(yùn)行效益較差。具體來(lái)看，路段c道路資源有限，交通出行需求較大，道路飽和度較高，且部分路段有施工現(xiàn)場(chǎng)，影響道路交通效率。同時(shí)道路監(jiān)管較難，部分單乘員車輛進(jìn)入HOV車道行駛，影響了綜合運(yùn)行效益。該路段HOV車道設(shè)置區(qū)間較短，難以體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

(4)路段a的HOV車道運(yùn)行效益穩(wěn)定。路段a的HOV車道運(yùn)行情況較為穩(wěn)定，HOV車道優(yōu)勢(shì)逐漸突出，綜合運(yùn)行效益評(píng)價(jià)為良好。

3.2.2對(duì)比分析

運(yùn)用同樣的方法，計(jì)算3個(gè)路段普通車道的運(yùn)行效益，結(jié)果見表9。

表9 路段的運(yùn)行效益評(píng)價(jià)值

(1)路段b的普通車道運(yùn)行效益與HOV車道相比差別不大，目前設(shè)置必要性不強(qiáng)，可進(jìn)一步預(yù)測(cè)未來(lái)交通量分析該路段設(shè)置HOV車道的可行性。

(2)路段c的HOV車道處于運(yùn)行初期，普通車道擁擠度加劇。路段c的HOV車道方案運(yùn)行時(shí)間較短，普通車道數(shù)量減少，HOV車道優(yōu)勢(shì)未突出，難以改變居民的出行習(xí)慣，反而加劇了普通車道的擁擠度。隨著方案推進(jìn)，HOV車道優(yōu)勢(shì)和特權(quán)效益會(huì)更突出，道路運(yùn)行效益會(huì)逐漸產(chǎn)生變化。

(3)從改善交通效率來(lái)看，路段a的HOV車道運(yùn)行效率提高了60%～80%，路段c的HOV車道運(yùn)行效率提高了55%左右，路段a的改善效果相比其他路段更突出。

4 結(jié)論

HOV車道在運(yùn)行初期運(yùn)行效率優(yōu)勢(shì)不突出，公眾接受度較低，普通車道數(shù)減少反而加劇擁堵；隨著方案的推進(jìn)，HOV車道帶來(lái)的特權(quán)效益和運(yùn)行優(yōu)勢(shì)日益突出，會(huì)逐漸改變居民出行習(xí)慣。成都市已實(shí)施HOV車道的運(yùn)行情況表明，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通效率、環(huán)境影響、出行滿意度來(lái)綜合衡量HOV車道運(yùn)行效益，路段a、路段b均為良好，路段c為一般。同時(shí)，對(duì)比同路段HOV車道和普通車道，路段a、路段c的HOV車道綜合效益優(yōu)于普通車道，改善效果明顯；路段b的HOV車道和普通車道綜合效益區(qū)別不大，設(shè)置必要性不強(qiáng)。

部分路段的HOV車道改善效果不佳，存在以下原因：(1)道路條件不足，運(yùn)行環(huán)境不好，出行需求較大，道路本身處于超飽和運(yùn)行狀態(tài)；(2)部分路段HOV車道的設(shè)置方案不太合理；(3)HOV車道方案的運(yùn)行時(shí)間短，居民對(duì)HOV車道了解程度不高，難以改變出行習(xí)慣；(4)監(jiān)管較難，部分單乘員車輛違規(guī)行駛HOV車道，影響了運(yùn)行效率。

針對(duì)實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出以下建議：

(1)改進(jìn)既有HOV車道運(yùn)行方案。

路段b普通車道和HOV車道的運(yùn)行效益區(qū)別不大，設(shè)置必要性不強(qiáng)，應(yīng)滿足設(shè)置HOV車道的基本條件為2人以上車輛占比總流量的30%以上。該路段目前HOV車道設(shè)置地點(diǎn)居民出行量較少，可考慮調(diào)整現(xiàn)有HOV車道設(shè)置的位置。現(xiàn)行方案的設(shè)置區(qū)間長(zhǎng)度為5 km，相對(duì)較短，難以體現(xiàn)HOV車道的優(yōu)勢(shì)，從而改變居民出行方式，可考慮增加HOV車道的區(qū)間長(zhǎng)度。

路段c的HOV車道運(yùn)行效益不理想，應(yīng)對(duì)多乘員數(shù)量(現(xiàn)行2人及以上適用)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)HOV車道平均載客為1.4人/veh以上時(shí)，HOV車道的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)調(diào)整為3人/veh及以上的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮路段c道路資源有限等情況，可考慮不單獨(dú)設(shè)置HOV車道、與其他專用道共用等方式。

(2)加強(qiáng)HOV車道的宣傳，讓居民了解HOV車道的出行優(yōu)勢(shì)，提高公眾接受度。

(3)加強(qiáng)道路監(jiān)管，提高違法違規(guī)成本，保障HOV車道能夠有效實(shí)施。

(4)規(guī)范合乘行為、建立信息共享。

制訂相應(yīng)法律法規(guī)來(lái)規(guī)范居民的合乘行為，保障合乘出行者的合法權(quán)益，營(yíng)造良好的合乘環(huán)境。同時(shí)，構(gòu)建居民出行需求共享平臺(tái)，以有效促進(jìn)資源的合理分配，提高居民合乘出行便利性。