城市道路占道施工條件下基于速度-流量的交通疏解預(yù)測(cè)模型

裴玉龍，何慶齡，徐慧智，侯 琳，楊鈺泉

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，以地鐵、快速路、供熱管線為主的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐年增多。城市道路占道施工期間，路段通行能力降低，區(qū)域路網(wǎng)原有容量減少，提高了交通擁堵發(fā)生的可能性。研究表明，交通擁堵不僅增加出行成本，而且會(huì)增加駕駛員的精神負(fù)荷、心理疲勞和應(yīng)激水平[1]，產(chǎn)生交通外部成本，增加社會(huì)平均經(jīng)濟(jì)損失[2]。

Tay等[3]認(rèn)為占道施工期間道路服務(wù)水平降低，施工結(jié)束后，道路服務(wù)水平恢復(fù)至原有狀態(tài)，在交通流量不變的條件下，服務(wù)水平的降低主要是因道路原有通行能力受到重型車輛、駕駛員人數(shù)、施工圍擋和施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)活動(dòng)的影響[4]。同時(shí)Chelugo[5]研究表明占道施工期和竣工恢復(fù)期為城市交通事故的多發(fā)期。Raju等[6]認(rèn)為占道施工作業(yè)期間通過(guò)道路指示標(biāo)志及信息媒體等手段提示駛?cè)胧┕ぷ鳂I(yè)區(qū)的駕駛員，在交通流量不變的條件下，路段行程車速可提高28.5%。Aschauer等[7]認(rèn)為合理的交通組織可提高路網(wǎng)整體通行效率，減少區(qū)域內(nèi)交通瓶頸和擁堵概率，降低出行成本。

道路通行能力手冊(cè)依據(jù)施工作業(yè)占據(jù)車道時(shí)間，將占道施工區(qū)劃分為短期占道施工區(qū)和長(zhǎng)期占道施工區(qū)，并指出車道寬度對(duì)占道施工區(qū)通行能力有重要影響[8]。邵長(zhǎng)橋等[9]認(rèn)為改擴(kuò)建道路中間帶開(kāi)口長(zhǎng)度對(duì)道路運(yùn)行速度和通行能力有較大影響。于玲等[10]認(rèn)為主次干路在城市道路網(wǎng)中的作用是影響通行能力的主要因素。張銳等[11]探究了突發(fā)交通事件下交通流失效機(jī)理，構(gòu)建了基于尖點(diǎn)突變模型的交通流失效分析模型。徐程等[12-13]采用閾值法和時(shí)間序列法篩選剔除恢復(fù)交通數(shù)據(jù)，在分析10種典型的交通流速度-密度關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，采用非線性最小二乘法對(duì)北京快速路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得到了適應(yīng)于我國(guó)快速路交通流特性的結(jié)論。Weng等[14]提出通過(guò)占道施工區(qū)容量分配確定速度-流量關(guān)系的方法。孫然然等[15]分析了交通事故風(fēng)險(xiǎn)與交通流狀態(tài)的變化關(guān)系，構(gòu)建了基于支持向量機(jī)的危險(xiǎn)交通流狀態(tài)識(shí)別模型。戴學(xué)臻等[16]以連續(xù)通過(guò)道路斷面的車流量作為劃分時(shí)間間隔依據(jù)，提出了基于集對(duì)分析理論的交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。Yuan等[17]根據(jù)交通運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性，建立了城市道路服務(wù)水平綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建了交通運(yùn)行狀況綜合計(jì)算模型。張蕭蕭等[18]提出以施工范圍、工期、影響流線等為整合因素，利用周邊路網(wǎng)分流，確保主流向通行。宋永朝等[19]提出以道路飽和度和區(qū)間平均車速為評(píng)價(jià)指標(biāo)，制定施工期間交通組織優(yōu)化方案。

國(guó)內(nèi)外占道施工的研究主要是以城市基礎(chǔ)建設(shè)為背景，以調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立占道施工影響區(qū)域內(nèi)速度、流量、密度之間的關(guān)系，探討占道施工對(duì)道路通行能力、駕駛行為和出行成本的影響及變化規(guī)律，提出交通組織方案，以道路服務(wù)水平、交通安全和經(jīng)濟(jì)成本為指標(biāo)，構(gòu)建交通組織疏解方案的評(píng)價(jià)模型。

1 研究對(duì)象與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究對(duì)象

占道施工以建設(shè)周期為標(biāo)準(zhǔn)可劃分為短期、中期、長(zhǎng)期占道施工；按照施工圍擋位置及封閉形式可分為完全、部分占道施工和基本不占道施工。占道施工期間路段通行能力降低，施工重型車輛增多，原有交通運(yùn)行環(huán)境改變，交通運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)阻滯中斷現(xiàn)象的可能性增加。占道施工期間的交通組織是根據(jù)工程建設(shè)周期和施工需要，結(jié)合周邊路網(wǎng)容量，以均衡施工期路網(wǎng)交通負(fù)荷為目標(biāo)，通過(guò)合理的組織誘導(dǎo)疏解，降低施工期間交通影響，提高出行效率，節(jié)約社會(huì)平均成本的措施。

本研究以哈爾濱市2019年供熱主管線施工區(qū)域33條路段(包括施工道路和疏解道路)為研究對(duì)象，施工建設(shè)為期3個(gè)月，屬于中期施工，施工圍擋寬度為7～8 m，屬部分占道施工(路側(cè)、路中)。施工道路總長(zhǎng)6.89 km，其中主干路約5.83 km，次干路約0.42 km，支路約0.64 km。施工道路周邊比鄰主次干路路網(wǎng)見(jiàn)圖1。

圖1 施工道路周邊比鄰主次干路路網(wǎng)Fig.1 Construction road is adjacent to network of main and secondary roads

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是以《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 37—2012)中規(guī)定的道路設(shè)計(jì)通行能力及設(shè)計(jì)車速作為最大閾值，以每5 min擴(kuò)充后的交通流量和車速為判斷依據(jù)，通過(guò)閾值法對(duì)原始調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行異常診斷剔除，剔除后的數(shù)據(jù)采用基于時(shí)間序列的方法恢復(fù)。閾值法判斷異常數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 異常數(shù)據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Criteria for judging abnormal data

時(shí)間序列數(shù)據(jù)恢復(fù)方法公式為：

(1)

采用閾值法及時(shí)間序列方法從3 168條現(xiàn)狀交通流量與車速調(diào)查樣本中剔除恢復(fù)交通流量樣本54條，車速樣本24條；從3 168條施工期交通流量與車速調(diào)查樣本中剔除恢復(fù)施工期交通流量樣本52條，車速樣本18條，共計(jì)148條。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是指通過(guò)交通流量和車速定量反映路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)，明確道路設(shè)施利用情況，發(fā)現(xiàn)空置資源及路段可疏解分擔(dān)量，均衡交通負(fù)荷，確保交通參與者從道路運(yùn)行狀況、交通與管制條件、道路運(yùn)行環(huán)境等交通狀態(tài)所能得到的服務(wù)水平最高。服務(wù)水平評(píng)價(jià)是指以飽和度和車速為衡量指標(biāo)，通過(guò)道路通行能力、交通流量和車速計(jì)算劃分交通運(yùn)行狀況等級(jí)的評(píng)價(jià)方法。

由圖2(a)和圖2(b)，并結(jié)合表2可知，現(xiàn)狀和施工期間的高峰交通流量均值分別為986 pcu/h和911 pcu/h，交通流量主要集中在500～1 500 pcu/h，占道施工期間交通流量整體降低7.6%。由圖3(a)和圖3(b)，并結(jié)合表2可知，現(xiàn)狀和施工期間的速度均值分別為13.9 km/h和13.0 km/h，現(xiàn)狀高峰時(shí)期車速主要集中在10～20 km/h，施工期主要集中在5～15 km/h，占道施工期間車速整體降低6.4%?，F(xiàn)狀和施工期交通調(diào)查數(shù)據(jù)頻率散點(diǎn)見(jiàn)圖2和圖3，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 路段流量頻率散點(diǎn)圖Fig.2 Road volume frequency scatter plots

圖3 路段速度頻率散點(diǎn)圖Fig.3 Road speed frequency scatter plots

由表2可知，施工期間區(qū)域路網(wǎng)交通流量均值下降，施工期中值高于現(xiàn)狀，車速均值和中值均下降。由圖4(a)和圖4(b)可知，施工期以飽和度為指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果相較于現(xiàn)狀變化幅度不大，主要原因是以飽和度為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平評(píng)價(jià)方法適用于非飽和流交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)，現(xiàn)狀和施工期高峰交通流量均處于飽和流狀態(tài)，故評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。施工期以車速為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平等級(jí)占比結(jié)果較現(xiàn)狀：C，F(xiàn)分別增長(zhǎng)1.2%，12.8%；D，E分別下降11.1%，12.9%，主要原因是占道施工期間通行能力降低，道路負(fù)荷增加，交通流處于過(guò)飽和狀態(tài)，車速降低。以飽和度為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平評(píng)價(jià)側(cè)重于道路通行能力和交通流量，以車速為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平評(píng)價(jià)側(cè)重于道路設(shè)計(jì)速度和車輛實(shí)際行駛速度，由于車輛行駛速度受駕駛員駕駛行為和交通運(yùn)行環(huán)境等多方面的影響，在高峰期間車輛行駛速度與設(shè)計(jì)車速相差較大，導(dǎo)致以車輛行駛速度為衡量指標(biāo)的道路服務(wù)水平相較于以飽和度為衡量指標(biāo)的道路服務(wù)水平較低，兩者的評(píng)價(jià)結(jié)果相差較大?，F(xiàn)狀和施工期交通服務(wù)水平見(jiàn)圖4。

表2 不同時(shí)期交通調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Statistical analysis of traffic survey data in different periods

圖4 路段交通服務(wù)水平Fig.4 Road traffic service level

2 模型構(gòu)建

2.1 方法思路

占道施工期間的交通疏解預(yù)測(cè)是以交通流三參數(shù)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)狀道路交通調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建的區(qū)域道路路段單車道速度-流量二次關(guān)系模型。該模型假定施工期間道路交通流量不變，以區(qū)域道路服務(wù)水平均衡為目標(biāo)，根據(jù)施工占道計(jì)劃及路段交通基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合路段飽和度及車速，判斷施工道路需要疏解交通流量及疏解道路可分擔(dān)交通流量，疏解預(yù)測(cè)區(qū)域道路施工期間的路段交通流量、行程車速及綜合服務(wù)水平。

該模型以區(qū)域道路實(shí)際路段交通流量及車速為依據(jù)，忽略區(qū)域OD出行量調(diào)查與分析，減少了工程前期的交通調(diào)查難度與工作量，從占道施工實(shí)際需求出發(fā)，疏解預(yù)測(cè)施工期間區(qū)域道路路段交通流量和行程車速，并計(jì)算綜合服務(wù)水平，可均衡交通負(fù)荷，降低因施工期間交通路網(wǎng)擁堵瓶頸出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，提高交通參與者的整體出行效率。

2.2 模型步驟及參數(shù)標(biāo)定

疏解預(yù)測(cè)模型步驟如下：

(1)以區(qū)域道路現(xiàn)狀路段交通流量和速度調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建區(qū)域單車道速度-流量二次關(guān)系模型；

(2)明確施工占道計(jì)劃及道路交通基礎(chǔ)設(shè)施；

(3)確定道路現(xiàn)狀服務(wù)水平，明確施工期道路通行能力；

(4)結(jié)合實(shí)際初步計(jì)算施工道路疏解交通流量及疏解道路可分擔(dān)交通流量；

(5)計(jì)算疏解后的區(qū)域道路車速；

(6)判斷是否符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，符合，則計(jì)算結(jié)束；不符合，則回到步驟(4)重新計(jì)算。

疏解預(yù)測(cè)模型流程見(jiàn)圖5。

圖5 施工期交通疏解預(yù)測(cè)流程Fig.5 Traffic dispersion prediction process during construction

根據(jù)現(xiàn)狀交通調(diào)查數(shù)據(jù)，區(qū)域路段速度-流量單車道疏解預(yù)測(cè)模型擬合散點(diǎn)見(jiàn)圖6(a)，模型擬合曲線見(jiàn)圖6(b)，擬合模型摘要及參數(shù)估算值見(jiàn)表3。

圖6 速度-流量單車道二次擬合散點(diǎn)及曲線Fig.6 Speed-volume single-lane quadratic fitting scatters and curve

表3 現(xiàn)狀速度-流量二次曲線擬合模型摘要和參數(shù)估算值Tab.3 Current speed-volume quadratic curve fitting model summary and estimated parameter values

現(xiàn)狀區(qū)域道路單車道速度-流量疏解預(yù)測(cè)模型為：

y=-1.27x2+56.68x-36.28，

(2)

式中，y為流量；x為車速。

2.3 模型結(jié)果

由圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)，并結(jié)合表4可知，占道施工期間施工道路疏解流量范圍為150～650 pcu/h，區(qū)域整體疏解預(yù)測(cè)交通流量集中在500～2 000 pcu/h，整體較現(xiàn)狀降低1.8%，較施工期實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)增加6.3%。施工道路疏解后車速主要集中在10～20 km/h，整體較現(xiàn)狀降低2.9%，較施工期實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)增加3.8%。占道施工期間疏解預(yù)測(cè)交通數(shù)據(jù)頻率散點(diǎn)見(jiàn)圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖7 施工期間疏解預(yù)測(cè)交通數(shù)據(jù)頻率散點(diǎn)圖Fig.7 Dispersion predicted traffic data frequency scatter plots during construction

表4 施工期交通疏解數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of traffic dispersion data during construction

由表4可知，施工期間區(qū)域路網(wǎng)疏解后的交通流量均值下降，施工期中值較現(xiàn)狀較高，行程車速均值和中值均下降。由圖8可知，占道施工期間以飽和度為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平等級(jí)占比結(jié)果較現(xiàn)狀：D，E分別增長(zhǎng)14.0%，4.6%，A，B，C分別降低13.5%，3.6%，1.5%；以車速為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平等級(jí)占比結(jié)果較現(xiàn)狀：C，F(xiàn)分別增長(zhǎng)15.1%，14.8%，D，E分別降低13.9%，16.0%。占道施工期間以飽和度為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平等級(jí)占比結(jié)果較施工期間實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)：B，D分別增長(zhǎng)3.8%，12.2%，A降低13.5%；以車速為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平等級(jí)占比結(jié)果較施工期間實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)：C增長(zhǎng)13.3%，D，E，F(xiàn)分別降低2.8%，3.1%，7.4%。

圖8 施工期間預(yù)測(cè)交通服務(wù)水平Fig.8 Traffic service level prediction during construction

3 模型驗(yàn)證

3.1 方法思路

模型驗(yàn)證以區(qū)域道路服務(wù)水平均衡為目標(biāo)，考慮以飽和度和車速為衡量指標(biāo)的現(xiàn)有服務(wù)水平評(píng)價(jià)體系，以服務(wù)水平等級(jí)占比為參數(shù)，通過(guò)信息熵法確定權(quán)重，構(gòu)建道路綜合服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型，探析占道施工期間疏解預(yù)測(cè)與實(shí)際交通運(yùn)行狀況的相符性。

道路服務(wù)水平的衡量指標(biāo)主要有飽和度和車速，故道路綜合服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型的因素集U為：

U={飽和度，車速}。

(3)

道路綜合服務(wù)水平評(píng)價(jià)是為明確施工期間道路交通運(yùn)行的綜合服務(wù)等級(jí)，對(duì)比分析交通組織疏解前后效果，故評(píng)價(jià)集V為：

V={A,B,C,D,E,F},

(4)

式中,A,B,C,D,E,F分別為評(píng)價(jià)集對(duì)應(yīng)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

以交通運(yùn)行參數(shù)為計(jì)算依據(jù)，結(jié)合評(píng)價(jià)集所占比例，構(gòu)建單因素評(píng)判集ri為：

ri=(ri1,ri2,…,rin),

(5)

式中，ri1,ri2,rin分別為第1,2,n個(gè)因素。

道路綜合服務(wù)水平評(píng)判矩陣為：

(6)

式中，rij為第i個(gè)因素集在第j個(gè)評(píng)價(jià)集上的頻率分布；m為因素集的個(gè)數(shù)；n為評(píng)價(jià)集的個(gè)數(shù)。

采用平移伸縮法中的極值化方法無(wú)量綱化路段高峰期每5 min的交通流量和車速，對(duì)應(yīng)的評(píng)判矩陣權(quán)重采用信息熵法確定，其公式為：

(7)

式中，Wi為第i個(gè)影響因子的權(quán)重；Di為第i個(gè)影響因子的差異系數(shù)。

A=(W1,W2),

(8)

式中，A為權(quán)重分配集；W1為飽和度的權(quán)重值；W2為車速的權(quán)重值。

道路綜合服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型B1為：

B1=A*R，

(9)

式中，R為因素集到評(píng)價(jià)集的模糊關(guān)系。

計(jì)算得到的評(píng)判指標(biāo)歸一化即為評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)占比。

3.2 效果驗(yàn)證

3.2.1 道路實(shí)際綜合服務(wù)水平

由實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)可得，占道施工期間道路實(shí)際綜合服務(wù)水平評(píng)判矩陣為：

(10)

路段交通流量和車速無(wú)量綱化后的權(quán)重均值為：

A=(0.4，0.6)。

(11)

道路實(shí)際綜合服務(wù)水平評(píng)價(jià)結(jié)果為：

B1=(0.4，0.6)

(12)

B1=(0.126,0.163,0.089,0.104,0.160,0.360)。

(13)

將上述評(píng)判指標(biāo)歸一化處理后：

(14)

結(jié)果表明，占道施工期間區(qū)域道路實(shí)際綜合服務(wù)水平A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)、E級(jí)、F級(jí)占比分別為12.5%，16.3%，8.9%，10.4%,16.0%，35.9%。

3.2.2 道路疏解預(yù)測(cè)綜合服務(wù)水平

由疏解預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)可得，占道施工期間道路疏解預(yù)測(cè)綜合服務(wù)水平評(píng)判矩陣為：

(15)

道路疏解預(yù)測(cè)交通流量和車速的權(quán)重取值與實(shí)際數(shù)據(jù)權(quán)重一致，占道施工期間道路疏解預(yù)測(cè)綜合服務(wù)水平評(píng)價(jià)結(jié)果為：

B2=(0.4，0.6)

(16)

B2=(0.072,0.178,0.170,0.136,0.144,0.300)。

(17)

評(píng)判指標(biāo)歸一化處理后，道路疏解預(yù)測(cè)綜合服務(wù)水平為：

(18)

結(jié)果表明，占道施工期間道路疏解預(yù)測(cè)綜合服務(wù)水平A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)、E級(jí)、F級(jí)占比分別為7.2%，17.8%，17%，13.6%，14.4%，30.0%。占道施工期間道路實(shí)際與疏解預(yù)測(cè)綜合服務(wù)水平占比結(jié)果，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)T檢驗(yàn)后的結(jié)果見(jiàn)表5～表7。

表5 配對(duì)樣本統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of paired samples

表6 配對(duì)樣本相關(guān)性Tab.6 Correlation of paired samples

表7 配對(duì)樣本檢驗(yàn)Tab.7 Test of paired sample

由表7可知，道路實(shí)際與疏解預(yù)測(cè)綜合服務(wù)水平占比的相關(guān)性為0.844，顯著性為0.035，表明該疏解預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際交通運(yùn)行服務(wù)水平相關(guān)性較高，適用于占道施工期間的交通疏解預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

本研究以哈爾濱市供熱主管線2019年工程為研究案例，以調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建速度-流量交通疏解預(yù)測(cè)模型和道路綜合服務(wù)水平評(píng)價(jià)模型，主要得到以下結(jié)論：

(1)在交通運(yùn)行狀況相同的條件下，以飽和度為評(píng)價(jià)指標(biāo)的道路服務(wù)水平高于以行程車速為評(píng)價(jià)指標(biāo)的道路服務(wù)水平，主要是由于高峰時(shí)期交通流趨于飽和狀態(tài)，出行時(shí)間成為衡量道路服務(wù)水平的主要因素。

(2)占道施工期間速度-流量符合三參數(shù)模型，假定區(qū)域路段交通流量不變，以路網(wǎng)服務(wù)水平均衡為目標(biāo)，現(xiàn)狀單車道速度-流量模型適用于計(jì)算占道施工期間施工道路疏解交通流量和周邊比鄰主次干路分擔(dān)交通流量。

(3)基于速度-流量的交通疏解預(yù)測(cè)模型，假定占道施工期間區(qū)域路段交通流量不變，未考慮占道施工期間由于通行能力降低，出行成本增加，原有私家車轉(zhuǎn)移至公共交通出行和部分居民因施工導(dǎo)致公共交通行駛速度降低，公交站點(diǎn)轉(zhuǎn)移等因素采用非機(jī)動(dòng)車等其他交通出行方式，造成施工期交通流量變化等因素。