干線公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測制約因素及指標(biāo)體系設(shè)計研究

王歡 朱靜

摘要 干線公路網(wǎng)具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)、政治、文化、國防等重要服務(wù)職能，交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是對其進(jìn)行管理、誘導(dǎo)、控制、指揮與救援，保障其正常運(yùn)營的基礎(chǔ)。文章首先回顧了當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于干線公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測的成果，然后從數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、指標(biāo)體系、管理體制以及服務(wù)模式四個方面分析了當(dāng)前制約運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)一步發(fā)展的主要因素，最后結(jié)合當(dāng)前理論研究現(xiàn)狀及運(yùn)營實際情況，構(gòu)建了面向應(yīng)用的干線公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)體系。該文的研究結(jié)果可以為后續(xù)干線公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)體系的構(gòu)建及運(yùn)營策略的制定提供參考。

關(guān)鍵詞 干線公路網(wǎng);運(yùn)行狀態(tài);制約因素;指標(biāo)體系

中圖分類號 U491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0009-03

0 引言

截至2019年，中國公路總里程已達(dá)484.65萬km、高速公路達(dá)14.26萬km，居世界第一。我國已成為名副其實的公路大國。但目前我國干線公路網(wǎng)表現(xiàn)出“大而不強(qiáng)”的特征，主要表現(xiàn)在道路交通擁擠問題不斷凸顯，交通安全事故時有發(fā)生，路網(wǎng)負(fù)荷程度日益嚴(yán)重，進(jìn)一步提升我國干線公路網(wǎng)的運(yùn)營管理水平已經(jīng)成為推動我國公路高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，公路交通管理部門已經(jīng)認(rèn)識到：預(yù)警潛在風(fēng)險、緩解及治理擁堵是當(dāng)前及今后相當(dāng)長時期的重要任務(wù)，而準(zhǔn)確掌控交通運(yùn)行狀態(tài)是完成上述任務(wù)的基礎(chǔ)。

隨著干線公路里程的快速擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，以及機(jī)動車保有量的持續(xù)迅猛增長，干線路網(wǎng)負(fù)荷日益嚴(yán)重，道路交通擁擠和突發(fā)事件及其引發(fā)的運(yùn)輸效率、行車安全、能源消耗和環(huán)境污染等問題已受到社會各界的廣泛關(guān)注，公路交通管理部門已經(jīng)認(rèn)識到：掌控交通運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)警潛在風(fēng)險、緩解及治理擁堵是當(dāng)前及今后相當(dāng)長時期的重要任務(wù)。與國外相比，我國公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測起步較晚，當(dāng)前我國在干線公路網(wǎng)交通運(yùn)行管理的手段和技術(shù)上較為落后，存在數(shù)據(jù)資源多而不合、事件響應(yīng)被動滯后、路網(wǎng)狀態(tài)判斷和預(yù)測缺乏科學(xué)有效的分析方法等問題，因此，有必要根據(jù)我國現(xiàn)狀，總結(jié)國內(nèi)外已有的經(jīng)驗，研究交通數(shù)據(jù)的融合標(biāo)準(zhǔn)、多層次多粒度路網(wǎng)運(yùn)行特征提取與評估預(yù)警、擁堵判別及原因分析等關(guān)鍵技術(shù)。

1 國內(nèi)外研究綜述

1.1 國外研究現(xiàn)狀

美國、日本非常重視高速公路運(yùn)行狀態(tài)的分析和管理，通過完善的監(jiān)測系統(tǒng)實時采集交通量、占有率與車速等數(shù)據(jù)，自動生成車輛行駛里程、行程時間和行駛時間等指標(biāo)，形成龐大的數(shù)據(jù)庫[1]?；跀?shù)據(jù)庫，工作人員通過大數(shù)據(jù)分析構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，研判高速公路交通運(yùn)行狀況及其發(fā)展趨勢。

公路績效監(jiān)測系統(tǒng)（HPMS，Highway Performance Monitoring System）是聯(lián)邦公路管理局（FHWA，F(xiàn)ederal Highway Administration）在1978年從聯(lián)邦層面對美國實現(xiàn)的一項國家計劃，是為了支撐交通運(yùn)輸部部長對國家運(yùn)輸?shù)墓芾頉Q策，同時給美國國會與行政提供并支持足夠的公路運(yùn)輸數(shù)據(jù)與系統(tǒng)績效信息。HPMS的數(shù)據(jù)是由各州每年收集并上報，是為了加強(qiáng)各州的交通運(yùn)輸部、地方政府以及大都市規(guī)劃組織（MPO）之間的合作提供必要的信息。全國性的數(shù)據(jù)報告是每年由各州州長認(rèn)證的所有國家公共道路的庫存信息，包括各州和大城市化地區(qū)的115 000條主干道和支路等國家公路的范圍、條件、績效、使用和運(yùn)行特征數(shù)據(jù)組成。國會要求每兩年一次上報國家未來公路投資需求的狀況和績效報告，因此HPMS數(shù)據(jù)用于評估符合美國交通部（U.S.DOT）和聯(lián)邦公路管理局的戰(zhàn)略規(guī)劃和績效報告流程的公路系統(tǒng)績效。

美國得克薩斯州交通研究院以不同等級道路每千米平均日交通量的加權(quán)平均值來評價城市交通的相對擁堵水平，并于1994年提出道路擁堵指數(shù)[2]。加州35個城市采用擁堵持續(xù)指標(biāo)（LKDIF，Lane kilometer duration index）作為評價周期性交通擁堵嚴(yán)重程度的指標(biāo)，每個城市區(qū)域的擁堵持續(xù)指標(biāo)是每個單獨(dú)路段上發(fā)生交通擁堵的車道長度和持續(xù)時間共同作用的結(jié)果[2]。美國聯(lián)邦公路管理局在其公路運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)果分析報告中以每百萬車千米出行總的車輛延誤時間定義擁堵嚴(yán)重度指數(shù)（CSI，Congestion Severity Index）作為量化擁堵的指標(biāo)[2]。

日本高速公路日本阪神高速公路管理部門對該地區(qū)范圍內(nèi)16條線路，總長222 km實行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)高速公路交通運(yùn)行狀態(tài)的實時科學(xué)分析。通過各線路上以500 m間隔設(shè)置的車輛檢測器獲得交通信息主要包括斷面交通流量、時間與空間占有率與定點(diǎn)車速，其中交通運(yùn)行狀況基于斷面交通流量與時空占有率用來評價，定點(diǎn)車速則用來計算車輛行駛時間[3]。除車輛檢測器外，該部門還在線形不良路段加設(shè)突發(fā)事件檢測裝置并設(shè)置緊急電話設(shè)備，以便于發(fā)現(xiàn)交通事件時快速采取管理措施。阪神高速公路的運(yùn)營管理部門為了長期分析和改善高速公路交通運(yùn)行狀況，與京都大學(xué)建立了長期的合作研究關(guān)系，以通過校企合作的模式不斷探索研究方法，以適應(yīng)高速公路的發(fā)展和交通量變化趨勢。

國外雖然通過定義不同的指標(biāo)對交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別的指標(biāo)，但其都是通過量化的方式，以具體數(shù)值大小來衡量公路運(yùn)行狀態(tài)的通暢與否。其指標(biāo)定義不外乎兩種，一種是通過類似道路飽和度的概念從管理者的角度來反映當(dāng)前道路的負(fù)荷程度，另一種則是從車輛延誤，從出行者的角度反映擁堵的嚴(yán)重程度。這兩種指標(biāo)都需要實測交通量，可由檢測器或者交通調(diào)查獲取，在適用范圍上均可作為區(qū)域性交通狀態(tài)評價，反映宏觀交通擁堵程度。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對于運(yùn)行狀態(tài)的研究都還集中在城市道路領(lǐng)域，超一線城市北上廣深和部分一線城市陸續(xù)發(fā)布了城市道路交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)，一是通過信息發(fā)布為出行者提供便利，二是便于相關(guān)部門及時掌握城市交通總體情況及變化趨勢。各城市發(fā)布的交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)總體來看可以分為三種，即基于嚴(yán)重?fù)矶鲁潭嚷范伪壤?，基于出行時間比例和綜合分析評價。

以嚴(yán)重?fù)矶鲁潭嚷范伪壤嬎憬煌〒矶轮笖?shù)的城市主要有北京、南京和廣州。北京市發(fā)布的路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)為TPI，先根據(jù)路段平均行程速度計算該時段下各等級道路中處于嚴(yán)重?fù)矶鲁潭鹊穆范伍L度占該等級道路里程的比例，然后以道路車千米數(shù)（VKT）為權(quán)重值加權(quán)獲得路網(wǎng)的嚴(yán)重?fù)矶鲁潭缺壤?，最后通過轉(zhuǎn)換得到該時段下路網(wǎng)交通狀態(tài)指數(shù)[4]。

深圳、高德則是基于出行時間延誤的比例計算交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)，深圳市發(fā)布的路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)同樣為TPI，然而其是先計算出行實際時間與自由流車速下出行時間的比例，自由流車速一般為當(dāng)天最高車速的85%，再通過德爾菲法建立出行時間比例與交通狀態(tài)指數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系[4]。

上海選取速度和飽和度作為評價指標(biāo)，通過專家打分法和層次分析法分別計算速度和飽和度的權(quán)重，然后運(yùn)用綜合分析的方法得到評價指標(biāo)與交通運(yùn)行狀態(tài)指數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系[5]。

相對來說，國外在干線路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測領(lǐng)域做得比較成熟，能夠從定量的角度展示公路交通運(yùn)行狀態(tài)，但是其量化指標(biāo)缺乏體系性;國內(nèi)的干線路網(wǎng)運(yùn)行狀況分析評價研究基礎(chǔ)薄弱，評價維度單一，也缺乏系統(tǒng)地分析和綜合評價。對干線公路交通運(yùn)行狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析評價，為干線路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化形成后實現(xiàn)路網(wǎng)調(diào)度指揮提供依據(jù)和支持，是干線路網(wǎng)運(yùn)營管理中的一項重要內(nèi)容，也是將來干線路網(wǎng)智能化交通監(jiān)控、管理的必然趨勢。

2 干線公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)制約因素分析

2.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)制約

主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)整理困難且數(shù)據(jù)感知能力較弱。全國公路網(wǎng)系統(tǒng)龐大、復(fù)雜、數(shù)據(jù)量巨大，將海量的數(shù)據(jù)匯聚到一起需要耗費(fèi)相當(dāng)長的時間和精力。目前我國基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)主要集中在交通運(yùn)輸部路網(wǎng)中心，然而路網(wǎng)完整性不高，對道路的等級、車道數(shù)等屬性統(tǒng)計精度更為堪憂。高德、百度所積累的路網(wǎng)數(shù)據(jù)較為完備，僅缺少農(nóng)村路網(wǎng)，但使用其路網(wǎng)數(shù)據(jù)的附加費(fèi)用極為昂貴。數(shù)據(jù)感知主要存在以下的問題：一是交調(diào)站數(shù)量少，依據(jù)干線公路網(wǎng)里程推算，平均每個交調(diào)站監(jiān)測里程超過50 km[1];二是數(shù)據(jù)源少，僅基于交調(diào)數(shù)據(jù)難以充分發(fā)揮路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測感知的服務(wù)能力，還需與監(jiān)測視頻、高速公路ETC/MTC等多源數(shù)據(jù)融合;三是路側(cè)感知不足，除流量、車速，還應(yīng)增加對事件、路面健康等的監(jiān)測感知能力，以適應(yīng)車路協(xié)同等新型應(yīng)用場景的發(fā)展。

2.2 指標(biāo)體系制約

主要體現(xiàn)在：一是指標(biāo)提取。從海量的數(shù)據(jù)源中提取出反映全國區(qū)域路網(wǎng)運(yùn)行狀況綜合評價的關(guān)鍵指標(biāo)，需要豐富的經(jīng)驗和判斷力。二是實現(xiàn)多重指標(biāo)的無量綱化，如何將不同維度、異構(gòu)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無量綱化的指標(biāo)還需要進(jìn)一步的思考和不斷地嘗試。三是指標(biāo)評判閾值的劃定?，F(xiàn)階段國內(nèi)外已有指數(shù)的取值范圍和評判閾值各有不同，大多停留在對道路擁堵、暢通的分級上，并未考慮路網(wǎng)運(yùn)行的綜合情況，多采用與單一數(shù)值比較區(qū)分擁堵與暢通，或按照數(shù)值區(qū)間劃分擁堵、暢通等級的。

2.3 管理體制制約

目前我國公路管理采取建、管、養(yǎng)一體化與建、管、養(yǎng)分開兩種模式[1]。該種模式造成的其他問題一是數(shù)據(jù)共享程度不足。由于沒有統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及條塊分割的管理模型，各地區(qū)數(shù)據(jù)采集依靠的前端傳感器來自不同的生產(chǎn)企業(yè)，這些企業(yè)并沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，這就造成即使同一個城市的不同系統(tǒng)也很難進(jìn)行銜接和配合。二是監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性和可靠性難以保障。運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的整合度和復(fù)雜度要求很高，但是由于運(yùn)維管理分散，其健壯性并沒有得到保障。

2.4 服務(wù)模式制約

增值服務(wù)模式挖掘較難，行業(yè)服務(wù)動力不足。干線路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)投資力度較大，但是建成以后盈利模式較模糊。目前國內(nèi)高德百度利用導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行干線路網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測，其通過發(fā)布路網(wǎng)年度運(yùn)行報告等方式利用導(dǎo)航數(shù)據(jù)盈利，但是目前掌握數(shù)據(jù)的公路行業(yè)無法用這種模式。其次，干線路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的定位不明確，其服務(wù)對象較為模糊，針對大眾和政府的指標(biāo)體系制定完全是兩套。

管理體制和服務(wù)模式的制約在指標(biāo)設(shè)計和技術(shù)層面上是無法解決的，因此該文基于數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和指標(biāo)體系制約因素的分析，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)條件進(jìn)行干線公路網(wǎng)指標(biāo)體系設(shè)計。

3 指標(biāo)體系設(shè)計

干線路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)是一種多角度、多層面、多維度的狀態(tài)，一個指數(shù)是難以全面地描述其真正的含義，因此除擁堵指數(shù)外，該研究還建立了速度和延誤、飽和度、擁堵分布三個評價指標(biāo)，從管理者和公眾的角度出發(fā)，分別提供給他們最需要和最關(guān)注的信息。該研究從空間尺度上將干線公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分為線層和面層，即路段和路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。此外，高速公路和普通國省道在服務(wù)功能、管理需求以及指標(biāo)合理值范圍內(nèi)都存在較大的差異，因此也分別進(jìn)行測算。

擁堵指數(shù)是集交通擁堵空間范圍、持續(xù)時間、嚴(yán)重程度為一體的綜合性數(shù)值，交通管理者及交通參與者可以通過交通指數(shù)，得到全路網(wǎng)或者區(qū)域路網(wǎng)的交通狀態(tài)，以便及時采取有效措施，減少擁堵的發(fā)生。

速度和延誤是公共出行最關(guān)心的信息。定點(diǎn)車速相比，平均行程車速能反映車輛通過特定道路的效率，能夠全面反映道路運(yùn)行狀態(tài)的具體情況，易于公眾感受和理解，是出行選擇的重要依據(jù)，也是用于交通技術(shù)評估分析的最有效指標(biāo)。平均車速是單位時間車輛行駛的距離，常用km/h表示。

飽和度是反映道路服務(wù)水平的重要指標(biāo)之一。該指標(biāo)綜合考慮了道路交通量及道路通行能力兩方面，表征了交通量及道路通行能力之間的匹配關(guān)系。飽和度值越高，一方面體現(xiàn)出該路段相比設(shè)計階段重要性存在上升，另一方面該路段也是通行能力改善的重要候選。

擁堵分布是發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)中長期存在的瓶頸路段和危險路段，以便于管理者進(jìn)行路網(wǎng)管理，緩解交通擁堵，滿足交通需求。擁擠度描述路段交通流的大小，根據(jù)路段不同斷面時間平均速度的均值和斷面交通量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

4 結(jié)語

在干線公路網(wǎng)日益突出的擁堵和突發(fā)事件頻發(fā)的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，該文首先論述了干線公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測國內(nèi)外現(xiàn)狀，然后從數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、指標(biāo)體系設(shè)計、管理體制以及服務(wù)模式四個方面指出了干線公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)制約的因素，最終針對數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和指標(biāo)體系的制約問題，重新設(shè)計了公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測指標(biāo)體系，從點(diǎn)、線、面不同維度為干線公路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測提供了理論依據(jù)。

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