福建省高速公路擁堵判斷識別方法探究

■黃曉迪

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司， 福州 350004）

隨著福建省經(jīng)濟社會的發(fā)展及高速路網(wǎng)的建設(shè)，福建高速公路通車里程日益增大，截至2020 年底福建省高速公路通車里程突破6000 km， 鄉(xiāng)鎮(zhèn)便捷通高速覆蓋率達到80.3%，綜合密度居各國各省第3 位；人民生活水平的提高也使家庭汽車保有量節(jié)節(jié)攀升，“十三五”期間增長了60%，致使高速交通流量迅速增長， 局部路段經(jīng)常發(fā)生擁堵狀況，特別是周末及免征通行費的節(jié)假日期間，高速公路路網(wǎng)擁堵狀況愈加嚴重，高速公路服務(wù)水平下降。

如何利用現(xiàn)有的高速公路路網(wǎng)交通流量信息和數(shù)據(jù)資源對上述問題進行分析，提高高速公路路網(wǎng)運行效率，提升高速公路服務(wù)品質(zhì)，成為福建省高速公路路網(wǎng)迫切需要解決的問題[1]。 其中有效判斷高速公路擁堵情況，為路段擁堵預(yù)警系統(tǒng)提供擁堵閾值信息至關(guān)重要。

1 擁堵評判指標(biāo)

判斷高速公路擁堵情況一般以小時為單位進行分析計算， 但高速公路的擁堵情況通常以短時、即時特征出現(xiàn)，若以小時為單位計算該路段的服務(wù)水平，無法準(zhǔn)確反映路段的實時服務(wù)水平，擁堵敏感程度較弱，因此本文提出以15 min 短時流量進行擁堵等級評價，從中尋找擁堵路段發(fā)生時段與交通量的關(guān)聯(lián)性。

結(jié)合《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（JTG B01-2014）》《公路通行能力規(guī)范（報批稿）》《公路出行信息服務(wù)技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》《建設(shè)項目交通影響評價技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（CJJ/T141-2010）》等相關(guān)規(guī)范及文件，以公路服務(wù)水平、運行飽和度、運行速度、運行密度值4個指標(biāo)判斷高速公路擁堵狀態(tài)， 分析不同指標(biāo)所對應(yīng)的交通擁堵特征，并選取相應(yīng)的權(quán)重計算綜合度量指標(biāo)，作為高速公路擁堵判斷識別的標(biāo)準(zhǔn)。

（1）公路服務(wù)水平

目前在公路規(guī)劃設(shè)計過程中，通常采用公路服務(wù)水平來衡量擁堵程度[2]，作為評價服務(wù)水平的主要指標(biāo)，將服務(wù)水平分為六級（見表1），分別代表一定運行條件下駕駛員的感受，并以超過三級服務(wù)水平下限作為擁堵評判的臨界值。

表1 高速公路路段V/C 值對應(yīng)的服務(wù)水平分級

通過斷面交通量、車道數(shù)、設(shè)計速度等參數(shù)計算公路服務(wù)水平V/C：

式中：DDHV—雙向小時交通量 （pcu/h），將15 min 的交通量擴大為1 h 交通量；

N—公路雙向車道路；

C—基準(zhǔn)通行能力 （pcu/（h·ln））， 設(shè)計速度120 km/h、100 km/h、80 km/h 的高速公路基準(zhǔn)通行能力分別為2200、2100、2000 pcu/（h·ln）；

fp—駕駛?cè)丝傮w特征修正系數(shù)， 取值范圍宜0.95～1.00，本次取0.95；

ff—路側(cè)干擾系數(shù)，高速公路取1.0。

（2）運行飽和度

考慮到公路服務(wù)水平V/C 中基準(zhǔn)通行能力是以設(shè)計速度對應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力值來確定，但實際運行過程中，車輛的自由流行駛速度并不等于設(shè)計速度，因此提出運行飽和度的評價指標(biāo)。 根據(jù)《公路通行能力規(guī)范（報批稿）》，運營階段的高速公路可根據(jù)實際車輛自由流行駛速度對應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力值確定每車道基準(zhǔn)通行能力，再考慮實際高速公路車道數(shù)、交通組成和駕駛?cè)藛T總體特征計算高速公路實際通行能力Cr：

式中：C′基準(zhǔn)—自由流速度對應(yīng)的車道基準(zhǔn)通行能力值；不同自由流速度對應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力可按表2 選取，其余自由流速度對應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力采用插值法進行計算；

表2 不同自由流速度對應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力值

fp—駕駛?cè)丝傮w特征修正系數(shù)，取值范圍宜0.95～1.00，本次取0.95；

ff—路側(cè)干擾系數(shù)，高速公路取1.0；

fw—車道寬度和路側(cè)寬度修正系數(shù)， 高速公路雙向八車道及以上，可不做修正。

運行飽和度值V/Cr為實際斷面交通量與運營階段通行能力的比值，即：

式中：DDHV—雙向小時交通量（pcu/h），將15 min的交通量擴大為1 h 交通量；

N—公路雙向車道數(shù)。

飽和度分為六級，劃分同《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（JTG B01-2014）》[2]（表1）服務(wù)水平分級，以超過三級服務(wù)水平下限作為擁堵評判的臨界值。

（3）運行速度

根據(jù)福建省高速公路聯(lián)網(wǎng)公司提供的門架數(shù)據(jù)，得到高速公路各門架間車輛15 min 的平均行駛速度，以車輛平均行駛速度來判斷高速公路斷面運行狀態(tài)。 根據(jù)《公路出行信息服務(wù)技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》，指標(biāo)分為暢通、緩行、輕度擁堵、重度擁堵、嚴重擁堵和中斷6 個等級。 結(jié)合高速公路路段服務(wù)水平分級的交通流狀態(tài)，基本可將高速公路運行狀態(tài)的6 個等級對應(yīng)公路服務(wù)水平（表1）的等級，并以超過三級服務(wù)水平下限作為擁堵評判的臨界值。具體見表3。

表3 3 種高速公路不同運行速度下的運行狀態(tài)（單位：km/h）

（4）運行密度值

根據(jù) 《建設(shè)項目交通影響評價技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（CJJ/T141-2010）》[3]， 機動車運行狀態(tài) 還可 按密度值（pcu/（km·車道)）來確定，密度值是描述交通流運行狀態(tài)的重要參數(shù)，可以反映車輛之間相互接近的程度。 密度通車是指單位長度的車道或公路中的車輛數(shù)，密度值計算公式如下：

式中：k—密度值（pcu/（km·車道））；

DDHV—雙向小時交通量（pcu/h），將15 min 的交通量擴大為1 h 交通量；

N—雙向車道路；

v—平均行程速度（km/h）。

結(jié)合高速公路路段服務(wù)水平分級的交通流狀態(tài)，密度值也可分為六級，并以超過三級服務(wù)水平下限作為擁堵評判的臨界值。 具體見表4。

表4 高速公路路段機動車密度值對應(yīng)的服務(wù)水平

2 擁堵識別方法

擁堵識別方法可為單參數(shù)的閾值劃分擁堵識別，也可以是多參數(shù)算法的擁堵識別，單參數(shù)識別方法簡單、快速但精確度較低，而多參數(shù)識別方法模型算法復(fù)雜，識別時間較長但精確度較高。 本文選用服務(wù)水平V/C 比、運行飽和度V/Cr、運行速度v、運行密度k 4 個參數(shù)作為擁堵識別的指標(biāo)， 以高速公路設(shè)計速度120 km/h 的情況為例，整理各評價標(biāo)準(zhǔn)如表5 所示。

表5 高速公路擁堵等級評價

考慮模型的實時性及高速預(yù)警系統(tǒng)操作的便捷性要求， 選用較為簡單快速的算法模型進行多參數(shù)閾值劃分擁堵識別， 以進行較為準(zhǔn)確的高速擁堵狀態(tài)識別。 具體的多參數(shù)綜合閾值擁堵識別步驟如下：

（1）確定擁堵等級閾值

結(jié)合上文，高速公路交通狀態(tài)分為6 類，不同運行狀態(tài)對應(yīng)的閾值如表6 所示，以超過三級服務(wù)水平下限作為擁堵評判的臨界值。

表6 高速公路擁堵等級閾值

（2）對評價指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于服務(wù)水平V/C 比、運行飽和度V/Cr、運行速度v、運行密度k 是在不同的量綱指標(biāo)，需要標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)度對不同的量綱指標(biāo)進行歸一化處理。

以表6 作為統(tǒng)一的量綱標(biāo)準(zhǔn)，主要針對速度和密度進行標(biāo)準(zhǔn)化處理， 分析表5 中不同速度與閾值、不同密度與閾值之間的關(guān)系，得到運行速度和運行密度值的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)：

（3）指標(biāo)權(quán)重的確定

公路服務(wù)水平V/C 中采用設(shè)計速度下的基準(zhǔn)通行能力，通常用于計算設(shè)計階段的V/C 比，而本文主要研究運營階段的擁堵情況，公路服務(wù)水平V/C將作為輔助指標(biāo)進行分析， 不賦予權(quán)重。 而飽和度V/Cr值主要是研究運營階段的運行狀態(tài)，且綜合考慮了交通量、平均行駛速度、車道數(shù)以及干擾修正系數(shù)的影響，是一個較為全面的評價指標(biāo)，賦予0.5 的權(quán)重。

車輛運行速度是判斷交通狀態(tài)的直觀數(shù)據(jù)，在擁堵識別狀態(tài)中表現(xiàn)得更為敏感，而密度的高低有時并不能明確地反應(yīng)交通流的狀態(tài)，因此以車輛速度來識別交通狀態(tài)的準(zhǔn)確度比密度值要高[4]，綜上，分別賦予運行速度和運行密度的指標(biāo)權(quán)重0.3 和0.2。

（4）計算加權(quán)綜合度量值

計算標(biāo)準(zhǔn)化后的運行速度、 密度值及飽和度，分別與其權(quán)重相乘后相加，得到綜合度量指標(biāo)T：

（5）對比判斷

根據(jù)計算的加權(quán)綜合度量值與高速公路擁堵等級閾值（表6）進行比較判斷高速公路的擁堵狀態(tài)等級。

3 高速擁堵評判實例

3.1 項目概況

以沈海高速泉州段山頭隧道至蘇厝隧道路段為研究對象，具體地理位置如圖1 所示。 沈海高速公路泉廈段是G15 沈海高速的重要組成部分， 路線起于泉州市洛陽江區(qū)，終于廈門市集美區(qū)，路線全長約81.895 km。 泉廈高速公路于1997 年建成通車，采用雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)，后進行“四改八”改擴建，于2010 年建成通車，設(shè)計速度120 km/h、雙向八車道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。 研究路段位于沈海高速泉州段K2266～K2273 山頭隧道至蘇厝隧道路段，里程區(qū)間7 km。

圖1 項目地理位置

3.2 交通量特征

山頭隧道至蘇厝隧道路段位于沈海高速西錦樞紐（門架）至翔安互通（門架）之間，福建省高速聯(lián)網(wǎng)公司提供的交通量數(shù)據(jù)精度僅覆蓋門架區(qū)間，暫無法精確至具體隧道段落，故以西錦樞紐（門架）至翔安互通（門架）交通量作為山頭隧道至蘇厝隧道路段斷面交通量。

根據(jù)福建省高速聯(lián)網(wǎng)公司提供的門架數(shù)據(jù)，2020 年西錦樞紐至翔安互通之間工作日日均交通量為80112 pcu/d，周末日均交通量為120221 pcu/d，端午節(jié)期間日均交通量為110525 pcu/d， 國慶節(jié)期間日均交通量為97537 pcu/d。 節(jié)假日、周末車流量明顯大于日常工作日車流量，其中周末車流量可達工作日的1.50 倍，端午節(jié)為日常工作日的1.38 倍，國慶節(jié)為1.22 倍。 具體見圖2。

圖2 2020 年各節(jié)點交通量分布

以15 min 為單位分析2020 年山頭隧道至蘇厝隧道路段交通量（圖3），高峰時段在10∶00-11∶00、16∶00-17∶00，節(jié)假日、周末車流量高峰情況較為明顯，高峰小時交通量占比在9.0%～11.0%左右；工作日高峰小時交通量占比約7.0%～8.0%。

3.3 路段擁堵程度分析

（1）公路服務(wù)水平

結(jié)合沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段各時間段交通量（圖3），按照公式（1）計算山頭隧道至蘇厝隧道路段服務(wù)水平，結(jié)果如圖4 所示。

圖3 交通量日分布情況

圖4 各節(jié)點服務(wù)水平日分布情況

根據(jù)圖4 可知，2020 年山頭隧道至蘇厝隧道路段各時間段值基本低于0.5，服務(wù)水平處于一～二級水平， 其中周末高峰時段V/C 達到0.55，服務(wù)水平降至三級。 2020 年各時間節(jié)點服務(wù)水平均沒有超過三級下限， 高峰時段相關(guān)交通特征值如表7 所示：

表7 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時段交通量及服務(wù)水平

（2）運行飽和度

根據(jù)福建省高速聯(lián)網(wǎng)公司提供的交通信息，沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段各時段的15 min 自由流速度見圖5， 該路段為隧道進出口段，平均速度約70 km/h，對應(yīng)表2，平均基準(zhǔn)通行能力約1600 pcu/h·ln。

圖5 各節(jié)點自由流速度分布圖

根據(jù)各時段自由流速度，按照表2 中對應(yīng)的基準(zhǔn)通行能力采用插值法計算出各時段的基準(zhǔn)通行能力。 結(jié)合沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段各時間段交通量（圖3）和運營階段高速公路通行能力，按照公式（2）～（3）計算山頭隧道至蘇厝隧道路段飽和度，結(jié)果見圖6。

根據(jù)圖6 可知，2020 年各時間節(jié)點飽和度水平均沒有超過三級下限，其中工作日的飽和度均處于一、二級水平；周末運行飽和度最高，8∶45-11∶45、13∶15-14∶45 飽和度降至三級； 端午節(jié)期間8∶45-11∶30、14∶30-17∶15 飽和度降至三級； 國慶節(jié)期間9∶45-11∶15 飽和度降至三級。 各高峰時段相關(guān)交通特征值見表8。

表8 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時段交通量及飽和度

圖6 各節(jié)點飽和度分布圖

（3）運行速度

根據(jù)高速公路聯(lián)網(wǎng)公司提供的交通信息，得到山頭隧道至蘇厝隧道路段15 min 的平均行駛速度，速度變化幅度較大，9∶00 開始速度開始下降， 持續(xù)至12∶00 左右，14∶30 開始速度又出現(xiàn)了波谷。周末、端午節(jié)及國慶節(jié)部分時段運行速度降至50 km/h，而該路段設(shè)計車速為120 km/h，對應(yīng)表3，此時出現(xiàn)嚴重擁堵，詳見圖7。

以運行速度為判斷指標(biāo)，2020 年各時間節(jié)點高峰時段及超過三級水平下限的擁堵時段相關(guān)特征值見表9。周末高峰時段運行速度最慢，擁堵持續(xù)時間150 min，但端午節(jié)擁堵時間最長，達195 min，國慶節(jié)擁堵時段達90 min。

表9 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時段運行速度及擁堵狀態(tài)

（4）運行密度值

結(jié)合沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段各時間段交通量（圖3）和平均運行速度（圖7），按照公式（5）計算山頭隧道至蘇厝隧道路段密度值。 其中工作日的密度值均處于一、二級水平；周末的密度值最大，高峰時段甚至超過30，對應(yīng)表4，達到四級水平； 端午節(jié)期間在9∶45-11∶15、15∶00-15∶30 降至三級及以下； 國慶節(jié)期間在10∶00-11∶15 運行狀態(tài)達到三級水平，詳見圖8。

圖7 各節(jié)點平均運行速度日分布情況

圖8 各節(jié)點運行密度值日分布情況

以運行密度為判斷指標(biāo)，2020 年各時間節(jié)點高峰時段及超過三級水平下限的擁堵時段相關(guān)特征值見表10。 周末高峰時段密度值最大，超過四級水平且擁堵持續(xù)時間最長，達105 min；端午節(jié)高峰時段密度值也超過了四級水平，持續(xù)時間30 min。

表10 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時段運行密度值及擁堵狀態(tài)

（5）綜合度量指標(biāo)

綜合服務(wù)水平比V/C、運行飽和度V/Cr、運行速度v、運行密度k 4 個指標(biāo)參數(shù)，按照調(diào)整函數(shù)（公式（5）～（6））及加權(quán)權(quán)重值，得到綜合度量指標(biāo)T（公式（7）），各時間點綜合度量指標(biāo)示意圖見圖9。

根據(jù)圖9，得到2020 年各時間節(jié)點高峰時段及超過三級水平下限的擁堵時段相關(guān)特征值見表11。山頭隧道至蘇厝隧道路段工作日期間均處于緩行及暢通狀態(tài)，而周末及節(jié)假日對該路段交通擁堵狀態(tài)影響較大，其中周末擁堵情況最為嚴重，持續(xù)時間最長，出現(xiàn)在9∶45-10∶15、10∶30-10∶45、15∶00-15∶15，時長達60 min；端午節(jié)嚴重擁堵持續(xù)時間達15 min，出現(xiàn)在10∶30-10∶45，其余時段處于輕度擁堵及緩行狀態(tài)；而國慶節(jié)期間出現(xiàn)輕度擁堵情況。

圖9 各節(jié)點綜合度量指標(biāo)分布情況

表11 山頭隧道至蘇厝隧道路段高峰時段綜合度量指標(biāo)

以超過三級服務(wù)水平下限作為擁堵評判的臨界值，據(jù)此擬定高速公路擁堵預(yù)警系統(tǒng)：當(dāng)綜合度量值達到三級時，觸發(fā)擁堵關(guān)注提醒；超過三級時，觸發(fā)擁堵預(yù)警提醒；即當(dāng)評價指標(biāo)超過0.55 的閾值時，觸發(fā)常發(fā)擁堵路段的擁堵關(guān)注；當(dāng)評價指標(biāo)超過0.75 的閾值時，觸發(fā)常發(fā)擁堵路段的擁堵預(yù)警。

4 結(jié)論

本文利用現(xiàn)有的高速公路路網(wǎng)交通流量信息，以沈海高速山頭隧道至蘇厝隧道路段為研究對象，選用服務(wù)水平比、運行飽和度、運行速度、運行密度4 個參數(shù)作為擁堵識別的指標(biāo)， 考慮各指標(biāo)的權(quán)重得到擁堵綜合度量指標(biāo)，從而判斷該路段的擁堵等級及擁堵時段[5]。 研究提供的擁堵識別方法能夠為福建省高速公路擁堵判斷識別提供技術(shù)基礎(chǔ)和支撐，具體是在高速公路擁堵預(yù)測判斷和流量預(yù)警過程中，根據(jù)路段的車流量、自由流速度、平均速度等數(shù)據(jù)，構(gòu)建高速公路擁堵綜合度量指標(biāo)并確定擁堵預(yù)警閾值。