基于可達性的高速公路改擴建工程誘增交通量研究

吳曉明，孔繁盛，段丹軍，趙延慶

(1.大連理工大學 土木工程學院 大連市 116000； 2.山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原市 030000；3.大連理工大學 交通運輸學院 大連市 116000)

近年來汽車保有量和公路運輸量不斷提升，高速公路急切需要進行改擴建來改善道路條件。由于高速公路的改擴建，路網(wǎng)結構得以改變，使區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局和交通出行條件得到改善，從而誘發(fā)新的交通需求的產(chǎn)生，新產(chǎn)生的交通需求就是誘增交通需求。

誘增交通需求的科學預測是交通量分析的重要組成部分。在誘增交通量的研究方面，我國學者已提出多種模型對其進行預測，包括彈性系數(shù)法、生長曲線法、重力模型法和MD模型等[1-4]。在我國2010年頒布的《公路建設項目可行性研究報告編制辦法》(以下簡稱為《編制辦法》)中按照“有無對比法”的原則對誘增交通需求進行預測。但以上模型仍然存在不足之處﹐彈性系數(shù)法對于數(shù)據(jù)采集的要求比較高，當發(fā)生了數(shù)據(jù)的缺失時,就可能導致所采取的預測結果和實際情況之間存在很大的誤差[1]。重力模型法的計算機理缺乏理論支持,當出行距離、出行時間較短或小區(qū)內(nèi)部出行時預測值會偏大[2]；生長曲線法對初期誘增交通需求的預測值偏低﹐不適用于誘增交通需求的平均增長率相對較高的地區(qū)[3]。

Hansen于1959年提出可達性的概念，是交通研究中一個非常重要和基礎的概念，廣泛地應用于交通學、公路規(guī)劃及地理學等領域。可達性一般指利用某種特殊的交通系統(tǒng)從某一給定出發(fā)地到達活動目的地的便捷程度?？蛇_性模型可以表現(xiàn)為因為道路新建或擴建而對出行者的出行行為產(chǎn)生的影響，適合應用于考慮誘增交通需求的傳統(tǒng)交通量預測模型的研究中。何南采用基于可達性的四階段模型對城市道路誘增交通量進行預測[5]。現(xiàn)階段的研究大多數(shù)針對的是城市道路，很少有對高速公路改擴建誘增交通量的研究。本研究采用考慮可達性的“四階段”交通量預測模型，預測改擴建高速公路誘增交通量。

1 研究方法

1.1 交通量預測方法

“四階段”模型被認為是目前國內(nèi)外最為常見的一種交通量預測手段。對于高速公路改擴建工程，《編制辦法》中描述的基本施工步驟主要有四個階段，即社會經(jīng)濟增長預測、交通發(fā)生吸引、交通分布、交通分配。

本研究中采用三種方法分析比較，以得到適用于改擴建高速公路工程考慮誘增交通量的預測方法。具體方法如下：

1.1.1方法A

根據(jù)傳統(tǒng)的四階段模型，采用重力模型法，僅對趨勢交通量進行預測，不考慮誘增交通量。重力模型法的計算過程相較簡便﹐參數(shù)容易標定。模型表達式如式(1)：

(1)

式中：Qij為i到j區(qū)的趨勢交通需求(veh/d);Pi為未來年i區(qū)的發(fā)生交通需求(veh/d);Aj為未來j區(qū)的吸引交通需求(veh/d);Fij為i到j區(qū)的交通阻抗,一般指出行的距離、時間或費用;K、α、β、γ為重力模型的參數(shù),根據(jù)路網(wǎng)現(xiàn)狀OD和時間出行矩陣,由回歸分析法進行標定。

1.1.2方法B

《編制辦法》中的有無對比法。在《編制辦法》中對誘增交通量的預測,要考慮的重要因素是小區(qū)間的運行時間,按照“有無對比法”原則,采用重力模型,將誘增交通量的預測工作按照兩種情況分別計算。預測公式及內(nèi)容如下：

(1)當現(xiàn)狀小區(qū)間出行交通量不為零時，采取下列計算公式：

(2)

(2)當現(xiàn)狀小區(qū)間出行交通量為零時，采取下列計算公式：

(3)

此模型是在預測趨勢交通出行的基礎上,僅計算由于出行的時間、成本或距離等因素的降低,而導致產(chǎn)生一種新的誘增出行。對因道路網(wǎng)改變而引起區(qū)域經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、土地利用開發(fā)程度及性質(zhì)得到改變等引起的誘增交通需求考慮不足。

1.1.3方法C

基于可達性的四階段模型。本研究所采用的模型是在傳統(tǒng)“四階段”模型的基礎上，將可達性的概念引入其中，考慮了可達性、人口及經(jīng)濟的因素，對發(fā)生吸引及分布模型進行改進，改進后的模型構造如下：

交通發(fā)生模型：

Pi=λi·ACCi+ai×Xi+bi×Yi+C

(4)

交通吸引模型：

Aj=λj·ACCj+cj×Xj+dj×Yj+C

(5)

交通分布模型：

Tij=PRij·Gi

(6)

(7)

式中：ACC為小區(qū)可達性指標；X為小區(qū)出行人口數(shù)；Y為小區(qū)經(jīng)濟情況；Tij為小區(qū)ij間的分布交通需求；PRij為從小區(qū)i到j的選擇概率；tij為小區(qū)間的出行時間；Pij為小區(qū)間的流量;λ、a、b、c、d、C為可達性待估參數(shù)。

本研究建立具有反饋循環(huán)的四階段模型對誘增交通量進行預測。具體反饋流程如圖1。

圖1 反饋流程

對于模型的收斂條件，由于道路基礎設施建設的情況下，選定車出行公里數(shù)(即依據(jù)各路段距離與其對應的路段交通量相乘)作為收斂標準。具體收斂準則如式(8)：

(8)

式中：VKTn為第n次車出行公里數(shù);VKTn+1為第n+1次車出行公里數(shù)。

本研究選取TransCAD軟件，其將GIS系統(tǒng)與交通規(guī)劃模型進行整合，憑借編輯GISDK腳本語言，實現(xiàn)基于TransCAD的反饋模型的運行，利用BatchMode工具獲取所有的輸入輸出數(shù)據(jù)文件、參數(shù)標定及設置，將GISDK腳本語言放到一個循環(huán)里，直至滿足收斂條件才跳出循環(huán)，獲得結果。

1.2 可達性模型

可達性模型的主要影響因素包括兩個方面：路網(wǎng)屬性、出行目的地吸引力。現(xiàn)階段針對路網(wǎng)可達性主要有累計機會法、重力模型法、效用模型法、拓撲分析法和空間阻抗方法等五種模型。

空間阻隔模型大多應用在交通網(wǎng)絡和地理信息等研究領域，擁有直觀、簡潔、數(shù)據(jù)易獲取等優(yōu)點，適用于對宏觀可達性進行評價。然而該模型的缺點也顯而易見，該模型不能體現(xiàn)由于土地利用和交通系統(tǒng)的不同而對可達性產(chǎn)生的影響；為克服模型的缺點，采用加權空間阻抗模型，很好地解決了原有模型的缺點，具體形式為：

(9)

1.3 可達性參數(shù)標定

參數(shù)標定對于保證模型的有效性和準確性來說，是一項不可或缺的工作。具體標定流程如圖2所示，具體的參數(shù)標定過程為:

圖2 參數(shù)標定過程

(1)交通分配參數(shù)估計：為計算得出區(qū)間廣義成本(一般指小區(qū)出行時間)，將現(xiàn)狀路網(wǎng)及實際車輛出行OD表代入用戶均衡分配模型進行計算。

(2)交通分布參數(shù)估計：根據(jù)實際交通量分布模型，結合相關小區(qū)社會經(jīng)濟現(xiàn)狀推出交通分布階段的參數(shù)估計結果。通過加權空間阻抗模型進行計算，獲得交通發(fā)生與吸引階段所需的可達性指標。

(3)交通發(fā)生吸引參數(shù)估計：通過實際交通發(fā)生吸引交通量，將可達性指標與區(qū)域經(jīng)濟現(xiàn)狀、道路屬性、人口等結合推導發(fā)生與吸引階段的參數(shù)估計結果。

從每個階段的參數(shù)標定的方法看出，這種由下到上逐步對每個階段模型的參數(shù)進行標定的過程使得到的參數(shù)合理有效。

2 誘增交通量預測工程實例

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

以山西省晉陽高速公路改擴建工程(S86)為例，將陽城附近地區(qū)劃分為6個小區(qū)，分別為陽城區(qū)、晉城區(qū)、高平區(qū)、侯馬區(qū)、翼城區(qū)及沁水區(qū)。各個小區(qū)的數(shù)據(jù)通過《山西統(tǒng)計年鑒》和前瞻數(shù)據(jù)庫獲得，分別為總人口、生產(chǎn)總值及一二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值等。在路網(wǎng)數(shù)據(jù)分析過程中，通過參考《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)中的公路設計時速，結合山西省公路的實際狀況對速度進行定義。本研究結合《公路通行能力手冊》和世界銀行的《公路投資優(yōu)化研究與可行性研究方法改進》的報告，根據(jù)實際情況對通行能力進行選取。

2.2 算例分析

晉陽高速公路改擴建項目擬2019年12月啟動建設,施工周期擬定4年。本研究選取2018年為基年，選取2024年、2025年、2030年、2035年為特征年預測。參考土地利用性質(zhì)及行政區(qū)劃將晉陽附近地區(qū)劃分為6個交通小區(qū)，建立小區(qū)及路網(wǎng)圖層，并將小區(qū)屬性(人口、經(jīng)濟情況等)和道路屬性(通行能力、路段長度、車道數(shù)、路段通行速度)輸入。具體劃分信息及路網(wǎng)見圖3所示，各小區(qū)OD表見表1。

表1 晉陽高速公路2018年(基年)出行OD表

通過回歸分析可以得到方法A和方法B的交通發(fā)生與吸引模型參數(shù)，具體形式如下：

交通發(fā)生模型：

Pi= -21.03×Xi+3.69×Yi+687.28

(10)

交通吸引模型：

Aj=-14.35×Xj+3.16×Yj+429.48

(11)

通過對晉陽高速公路的現(xiàn)狀小區(qū)出行OD矩陣和時間矩陣進行回歸分析，計算得到的參數(shù)如下:

K=1.38;α=1.10;β=1.28;γ=1.10。

方法C交通發(fā)生與吸引模型參數(shù)由2.3中論述的方法得到，具體形式如下：

交通發(fā)生模型：

Pi=-0.28×ACCi-15.5×Xi+5.44×Yi+462.33

(12)

交通吸引模型:

Aj=-3.03×ACCj-13.23×Xj+4.71×Yj+679.74

(13)

交通分布模型采用上文論述方法，交通分配選取用戶平衡分配模型，并進行反饋循環(huán)計算。

2.3 結果分析

針對上述工程實例，分別采用方法A、方法B和方法C進行分析，得到交通生成總量和車出行公里數(shù)，如圖4和圖5所示。

圖4 各方法預測的交通生成總量對比圖

圖5 各方法預測的車出行公里數(shù)對比圖

可以看出，方法B對誘增交通量的預測值在5%～15%間波動，方法C的預測值在20%～30%間波動。由于方法B沒有充分考慮誘增交通量，其預測結果相對保守。而方法C考慮了各相關因素對誘增交通量的影響，在反饋循環(huán)的過程對改擴建的高速公路交通量進行預測，分析結果更為合理，因此對傳統(tǒng)四階段模型進行改進是必要的工作。

在利用反饋模型進行預測時，車出行公里數(shù)開始不斷變化，后趨于穩(wěn)定最終收斂。通過結果分析可以得出改擴建引發(fā)了誘增交通量的產(chǎn)生，且有必要進行考慮，引入可達性的四階段模型更適用于對改擴建后誘增交通量的預測。

3 結語

(1)將可達性的概念引入“四階段”模型，考慮了可達性、小區(qū)人口及經(jīng)濟情況對誘增交通量的影響，建立了可靠的誘增交通量預測模型，更合理地預測高速公路改擴建工程交通量。

(2)方法B對誘增交通量的預測值在5%～15%間波動，本文方法的預測值在20%～30%間波動。由于傳統(tǒng)方法有充分考慮誘增交通量，其預測結果相對保守，本文方法考慮了各相關因素對誘增交通量的影響，在反饋循環(huán)的過程對改擴建的高速公路交通量進行預測，分析結果更為合理。

(3)改擴建后的高速公路可達性對誘增交通量的產(chǎn)生存在影響，且需要考慮可達性的因素，才能較為合理地對誘增交通量進行預測。