高速路網(wǎng)交通特征度量方法分析

鄒栫潔、田澤陽(yáng)、李輝、黃軍、胡鄭雨

（1.深圳高速公路股份有限公司，廣東 深圳 518038；2.北京北大千方科技有限公司，北京 100085）

0 引言

高速公路是重要的公共交通基礎(chǔ)設(shè)施，能夠有效地為民眾提供出行服務(wù)，合理、正確地度量高速公路交通特征，對(duì)減少道路擁堵與交通事故、提高高速公路運(yùn)營(yíng)效果等均有重要意義。目前，在高速公路交通情況評(píng)估工作中，通常局限于通過固定某方面的數(shù)據(jù)獲取交通狀況，如通過收費(fèi)站的收費(fèi)情況來評(píng)估高速公路上的車輛通行情況，但目前高速公路已形成整套路網(wǎng)，單靠收費(fèi)情況已無法準(zhǔn)確評(píng)估高速公路的實(shí)際交通情況，需要結(jié)合多種交通特征，合理評(píng)估交通運(yùn)行狀況。

1 建立車輛的通行過程軌跡矩陣

矩陣以車輛為主體，輔以時(shí)間和地點(diǎn)兩個(gè)維度的車輛數(shù)據(jù)，其中時(shí)間、地點(diǎn)可以清楚地展示每一輛從研究范圍道路上通行的車輛的行駛軌跡。將每一輛車作為一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體，在采集到新的車輛ETC 通行數(shù)據(jù)或收費(fèi)站收費(fèi)數(shù)據(jù)的時(shí)候，先根據(jù)車輛唯一標(biāo)識(shí)碼檢索數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在該車輛的信息，如果沒有，則在數(shù)據(jù)庫(kù)中新增該車輛信息；如果存在該車輛標(biāo)識(shí)碼的記錄，則根據(jù)新的數(shù)據(jù)將該車輛經(jīng)過的地點(diǎn)（在這里指ETC 門架或者收費(fèi)站）以及通過時(shí)間等數(shù)據(jù)添加到該車輛的數(shù)據(jù)記錄之后，使每一輛車在整個(gè)路網(wǎng)中能夠形成一條完整的軌跡記錄數(shù)據(jù)。通過全過程監(jiān)測(cè)，可以便捷地展開進(jìn)一步的交通特征分析工作。

1.1 前提條件

第一，ETC 龍門架以及收費(fèi)站可以提供完整、連續(xù)的通行數(shù)據(jù)以及收費(fèi)數(shù)據(jù)；

第二，考慮到保密要求，若無法利用車輛的車牌號(hào)信息時(shí)，針對(duì)同一車輛，需要保證通行數(shù)據(jù)與收費(fèi)數(shù)據(jù)中有相同的唯一車輛標(biāo)識(shí)碼，用于判斷車輛“身份”。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

車輛經(jīng)收費(fèi)站進(jìn)出高速公路路網(wǎng)，以及在高速公路路網(wǎng)通行的過程中，會(huì)產(chǎn)生一條完整的原始通行數(shù)據(jù)，這樣的一條數(shù)據(jù)應(yīng)該包含車輛的行程信息和收費(fèi)站進(jìn)出信息，在車輛進(jìn)入高速公路路網(wǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生該輛車的一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)碼，用于判斷車輛“身份”。其中所包含的主要字段見表1。

表1 通行數(shù)據(jù)中所包含的數(shù)據(jù)信息

字段名passId enStationId enTime gantryId transTime exStationId exTime vehicleType vehicleSpeed字段含義車輛的唯一標(biāo)識(shí)碼，相當(dāng)于車牌號(hào)入口收費(fèi)站編號(hào)進(jìn)入入口收費(fèi)站的時(shí)間ETC龍門架編號(hào)經(jīng)過ETC龍門架的時(shí)間出口收費(fèi)站編號(hào)經(jīng)過出口收費(fèi)站的時(shí)間車型（客/貨車標(biāo)識(shí)）車輛行駛速度

1.3 矩陣建立過程

建立通行軌跡矩陣，主要需要行與列兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)，每一行代表一輛車，這里用車輛的唯一標(biāo)識(shí)碼（passId）來表示，每一列則代表同一輛車的不同軌跡點(diǎn)，關(guān)于軌跡點(diǎn)，必須有時(shí)間和點(diǎn)位兩個(gè)關(guān)鍵信息，這里的點(diǎn)位可以用ETC 龍門架或者收費(fèi)站的編號(hào)/名稱來表示。每增加一輛車，就會(huì)多加一行數(shù)據(jù)，車輛數(shù)太多時(shí)，可以定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、刪除，對(duì)已經(jīng)完整經(jīng)過該路網(wǎng)的車輛數(shù)據(jù)（即在軌跡點(diǎn)上已經(jīng)出現(xiàn)了高速公路出口收費(fèi)站的車輛數(shù)據(jù)）進(jìn)行刪除，保留仍在該路網(wǎng)上行駛的車輛的數(shù)據(jù)。矩陣示例見表2。

表2 車輛全過程通行矩陣示例

收費(fèi)站A 龍門架B 龍門架C 龍門架D 收費(fèi)站E車輛A 2021-10-30 16:00:08 2021-10-30 16:20:08 2021-10-30 18:40:08車輛B 2021-10-30 16:40:08 2021-10-30 16:55:08車輛C 2021-10-30 16:10:08 2021-10-30 16:30:08車輛D 2021-10-30 17:10:08 2021-10-30 17:25:08 2021-10-30 17:40:08車輛E 2021-10-30 18:20:08 2021-10-30 18:40:08 2021-10-30 18:55:08

2 交通特征度量

2.1 交通流量

流量即為單位時(shí)間內(nèi)的車輛經(jīng)過數(shù)量，針對(duì)不同設(shè)備區(qū)域，高速公路場(chǎng)景下有ETC 龍門架車流量、收費(fèi)站入口車流量和收費(fèi)站出口車流量；針對(duì)車輛主體，可分為客車、貨車（大型、中型、小型、微型等）。

在高速公路流量單位時(shí)間的設(shè)定上，建議限定為半小時(shí)或一個(gè)小時(shí)，單位時(shí)間過長(zhǎng)或過短都不好，單位時(shí)間過長(zhǎng)可能將多個(gè)異常情況場(chǎng)景覆蓋，而單位時(shí)間過短則可能無法準(zhǔn)確反映高速公路當(dāng)時(shí)的交通流情況。

在該研究中，將單位時(shí)間設(shè)定為一個(gè)小時(shí)，每整點(diǎn)統(tǒng)計(jì)一次，這樣每逢整點(diǎn)，每個(gè)設(shè)備就會(huì)計(jì)算出一小時(shí)內(nèi)的車流量情況，這個(gè)數(shù)據(jù)可以比較直觀地看到不同路段及收費(fèi)站一小時(shí)內(nèi)各種車型的過車數(shù)量，再結(jié)合《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）中各汽車代表車型及車流量折算系數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)的流量數(shù)據(jù)，從而可以判斷高速公路各個(gè)路段的基本運(yùn)行情況。

2.2 過境流量計(jì)算與流量通道識(shí)別

在高速公路上流量通道可以分為客運(yùn)通道、貨運(yùn)通道以及過境通道。流量通道的識(shí)別需要先統(tǒng)計(jì)各路段的各類型流量數(shù)據(jù)，進(jìn)而選取出流量占比最大的路段定義為各類型流量通道，并加以管控。

在三種類型的流量中，客運(yùn)流量以及貨運(yùn)流量可以通過統(tǒng)計(jì)ETC 龍門架以及收費(fèi)站檢測(cè)到的對(duì)應(yīng)類型的車流數(shù)據(jù)得到，通過車型字段定義，可以得到相對(duì)應(yīng)的客運(yùn)車流量以及貨運(yùn)車流量。過境流量的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，根據(jù)過境車輛的定義：途經(jīng)了該高速公路路段，但并未通過該高速公路路網(wǎng)的收費(fèi)站，而是直接進(jìn)入了其他高速公路，即未在該路網(wǎng)繳費(fèi)。因此需要從矩陣中統(tǒng)計(jì)通行地點(diǎn)不包括出口收費(fèi)站的車輛數(shù)據(jù)，將得到的車輛數(shù)作為過境流量。進(jìn)而以統(tǒng)計(jì)得到的各類型流量為基礎(chǔ)，選取出其中流量占比最大的部分路段，這些路段可以定義為各類型的流量通道。

識(shí)別流量通道可以幫助高速公路管理者定位各類型流量最大的路段，也能得到無法在所在高速公路路網(wǎng)收費(fèi)站得以收費(fèi)的車輛的來源和通行信息等，進(jìn)而為大流量路段的管控提供理論依據(jù)。

2.2.1 過境流量計(jì)算與流量通道識(shí)別

由于在某一時(shí)間點(diǎn)，高速公路上會(huì)有正在通行的車輛，所以，在計(jì)算過境流量時(shí)，如果以一小時(shí)為單位時(shí)間，計(jì)算一小時(shí)內(nèi)的過境流量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的誤差，因?yàn)闊o法判斷在網(wǎng)車輛是否會(huì)從該高速公路路網(wǎng)的出口收費(fèi)站離開，所以無法判斷其是否為過境車輛。面對(duì)這種情況，建議過境流量的計(jì)算以天為單位，從該天0 點(diǎn)整開始計(jì)時(shí)，在計(jì)算過境車輛時(shí)直接計(jì)算24 小時(shí)內(nèi)的過境流量，這樣雖然無法避免因存在在網(wǎng)車輛而造成的誤差，但能極大程度地減少誤差以及減少誤差所占的比重。

2.2.2 路網(wǎng)過境流量與各線路過境流量計(jì)算

計(jì)算各條線路過境流量之后，需要計(jì)算整個(gè)路網(wǎng)的過境流量。需要注意，路網(wǎng)的過境流量并不等于各條線路的過境流量之和，因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)這種情況：一輛車并沒有在該線路通過收費(fèi)站離開高速公路，而是從屬于該路網(wǎng)的另一條線路的某個(gè)收費(fèi)站離開高速公路，在以該線路作為主體時(shí)，這輛車毫無疑問屬于過境車輛，而以整個(gè)路網(wǎng)作為主體時(shí)，這輛車則不滿足過境車輛的定義，不能將其納入過境車輛之內(nèi)。以深圳高速公路路網(wǎng)為例，2021年9月29日，深圳高速公路路網(wǎng)整體的過境流量情況如圖1所示。在中午12時(shí)，深圳高速公路路網(wǎng)各條線路以及整個(gè)路網(wǎng)的過境流量情況如表3所示，其中000 代表路網(wǎng)，其中各條線路的過境流量之和為190360，由表中不難得出之前的結(jié)論，路網(wǎng)的過境流量并不等于各條線路的過境流量之和。

圖1 2021年9月29日深圳高速路網(wǎng)過境車流量

表3 2021年9月29日12 時(shí)過境流量情況

線路編號(hào)S3 S86 G15-E G15-W 000過境流量（輛）21321 61142 83559 24338 155207

2.3 車輛平均速度

車輛平均速度指的是在路段上車輛的平均速度，以此來直觀地評(píng)估路段上的擁堵情況。車輛在途經(jīng)ETC 龍門架時(shí)，AI 智能檢測(cè)設(shè)備會(huì)記錄一次車輛的速度，由于高速公路對(duì)車輛的行駛速度限制比較嚴(yán)格，所以可以用此速度近似代替該輛車的平均行駛速度，對(duì)所有車輛的速度求平均值，可以得到該段高速公路上車輛的平均行駛速度，以此速度來評(píng)估高速公路路段上車輛的通行情況以及高速公路的擁堵情況。若發(fā)現(xiàn)有路段出現(xiàn)速度異常的情況，即可判斷該段路大概率出現(xiàn)了擁堵情況或者發(fā)生了交通事故，從而起到比較好的警示作用。

2.4 車輛軌跡還原與路段流量溯源

車輛軌跡還原可分為兩種:一種是針對(duì)單輛車進(jìn)行軌跡的還原;另一種是對(duì)一段路上的車輛進(jìn)行溯源分析。針對(duì)單輛車時(shí)，只需要在已經(jīng)構(gòu)建好的矩陣中，找到該輛車的數(shù)據(jù)，將該輛車在矩陣中所顯示的入口收費(fèi)站、ETC 龍門架和出口收費(fèi)站全部提取出來，即可得到該輛車的行駛軌跡；對(duì)某路段上的車輛進(jìn)行溯源時(shí)，可以先篩選出一定時(shí)間內(nèi)通過某一路段的所有車輛，然后根據(jù)車輛途經(jīng)的地點(diǎn)，回溯各車輛進(jìn)入高速公路網(wǎng)絡(luò)的入口收費(fèi)站，然后以收費(fèi)站為主體，統(tǒng)計(jì)該路段上從該收費(fèi)站進(jìn)入高速公路的車輛數(shù)，這樣就能得到在某一路段上，源于各個(gè)收費(fèi)站的車輛數(shù)目以及對(duì)應(yīng)的比重。如果高速公路某一路段交通出現(xiàn)壓力，就可以通過上述方法找出對(duì)該路段造成交通壓力最大的入口收費(fèi)站，進(jìn)而對(duì)相關(guān)收費(fèi)站進(jìn)行一定的管控，此舉可一定程度上緩解交通壓力。

2.5 OD 分析

通過車輛通行全過程監(jiān)測(cè)矩陣可以從車輛通過地點(diǎn)中獲取該車輛進(jìn)入高速公路網(wǎng)絡(luò)的起訖點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)所有車輛的起訖點(diǎn)，可以得到該時(shí)間段內(nèi)高速公路網(wǎng)絡(luò)的OD 矩陣，以及對(duì)應(yīng)起訖點(diǎn)之間的OD 量。

根據(jù)OD 矩陣，可以對(duì)高速公路網(wǎng)絡(luò)的車輛通行特征進(jìn)行分析，從中找出通行量最大的路段，輔助識(shí)別各類型流量通道，同時(shí)確定各收費(fèi)站流量分布，為是否實(shí)施收費(fèi)站收費(fèi)車道開放等管控措施提供理論支撐。

2.6 交通特征度量結(jié)果應(yīng)用

完成各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算之后，將各項(xiàng)流量指標(biāo)——流量通道情況、過境流量情況、路段車輛的軌跡溯源情況以及車輛行程的OD 矩陣聚合在一起，形成一份可靠的交通特征度量結(jié)果報(bào)告，并附以異常數(shù)據(jù)的標(biāo)記和分析，公路管理部門可針對(duì)異常情況進(jìn)行溯源，找到產(chǎn)生異常的原因，進(jìn)而采取相應(yīng)的管控措施，及時(shí)解決異常問題、有效降低交通事故發(fā)生率，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路路網(wǎng)的有效管控。

3 結(jié)語(yǔ)

基于深圳外環(huán)高速、機(jī)荷高速以及沿江高速中的ETC 龍門架和收費(fèi)站數(shù)據(jù)，對(duì)高速公路通行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取交通出行特征度量的方法，著重提出了過境流量的概念，并對(duì)車輛的軌跡溯源進(jìn)行比較細(xì)致的分析，以確?？梢赃_(dá)到對(duì)車輛的整個(gè)運(yùn)行軌跡的完整把控，并精準(zhǔn)定位事故車輛的來源、分析造成擁堵的原因?？傊?，建立針對(duì)車輛通行全過程的軌跡矩陣，能夠分析交通流量、流量通道、過境流量、車輛平均速度、車輛軌跡溯源、路段流量溯源等交通特征，便于針對(duì)性地開展高速公路交通管控。