基于視頻卡口數(shù)據(jù)的外地車輛出行和技術(shù)參數(shù)時變特征分析*

王敏亦，丁卉，李麗，徐銳，劉永紅

1.中山大學(xué)智能工程學(xué)院/廣東省智能交通系統(tǒng)重點實驗室，廣東廣州 510006

2.廣東省交通環(huán)境智能監(jiān)測與治理工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510275

汽車尾氣排放已成為城市空氣污染主要來源之一［1］。城市之間交通往來頻繁，出行車輛中除本地車之外，均存在較多外地車，且其出行目的、頻次、車輛種類等運行特征多樣化。不同城市的外地車不僅占用道路資源、帶來交通運行壓力，還產(chǎn)生了較高的污染物排放。因此，已有學(xué)者利用動態(tài)交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行城市小時尺度的路網(wǎng)機(jī)動車排放清單編制、排放特征研究［2-4］。嚴(yán)晗［5］監(jiān)測了北京2009 年冬夏季和2012 年冬季的交通流數(shù)據(jù)以及4條典型道路（高速路、快速路、主干道）排放對道路邊的污染物濃度的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)夜間時段外地中重型貨車對顆粒物排放強(qiáng)度的影響較大。韋清波等［6］基于卡口監(jiān)控數(shù)據(jù)建立了交通出行評價體系，揭示了外地車在本地道路資源上的日出行次數(shù)、月出行頻率及出行強(qiáng)度。江迎［7］從時空分布、車輛歸屬以及車輛使用特征等多個角度進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，分析了長沙市區(qū)路網(wǎng)的外地車輛分布和構(gòu)成。龍小強(qiáng)等［8］基于卡口車牌識別數(shù)據(jù)對外地車出行行為進(jìn)行了分類。

佛山作為粵港澳大灣區(qū)的主要城市之一，外地車進(jìn)入佛山區(qū)域的頻次較高。觀測分析數(shù)據(jù)表明，交通排放對佛山空氣污染的影響排在第一位，而外地車排放是其中重要的來源。因此，本文利用全市179個道路卡口的過車記錄數(shù)據(jù)源，分析了外地車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的出行特征，為揭示中型城市外地車尾氣排放狀況提供理論支撐。

1 研究數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究范圍

研究收集了2017年7月全市179個視頻卡口［9］檢測數(shù)據(jù)，即逐秒的過車車牌記錄數(shù)據(jù)。采集點位及主要道路分布如圖1所示?？跈z測數(shù)據(jù)包括卡口編號、方向編號、車道編號、號牌種類、過車時間、車輛速度、車牌號碼、車牌顏色等。

圖1 佛山市卡口監(jiān)測點位及主要道路分布圖Fig.1 Monitoring points and main road distribution map of Foshan

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

卡口檢測數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要是對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行無效數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)去除。廣東省內(nèi)非佛山境內(nèi)車（簡稱省內(nèi)外地車）流量的具體字段包括道路名稱、道路類型（4 種）、時間（精確到小時）、車輛類型（2類）、排放標(biāo)準(zhǔn)（4種）、燃料類型（6種）、外地車小時流量。廣東省外車（簡稱省外外地車）流量的具體字段包括道路名稱、時間（精確到小時）、車輛類型、外地車小時流量。省內(nèi)外地車道路類型、車型分類、排放標(biāo)準(zhǔn)、燃料類型的分類如圖2所示。省外外地車因無法確定以上技術(shù)參數(shù)，僅按車牌顏色分為重型車和輕型車，如圖3所示。

圖2 省內(nèi)外地車小時車流量的不同分類標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 Different classification standards for the hourly traffic volume of non-local vehicles in the province

圖3 省外外地車小時車流量的分類標(biāo)準(zhǔn)Fig.3 Different classification standards for the hourly traffic volume of non-local vehicles outside the province

本研究采集的視頻卡口檢測數(shù)據(jù)基本完整，過車記錄與廣東省機(jī)動車注冊登記信息無法匹配、獲取三級分類車型（車輛類型-燃料類型-排放標(biāo)準(zhǔn)）的數(shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的7.36%，數(shù)據(jù)總體質(zhì)量完好。對無法匹配、獲取三級分類車型的數(shù)據(jù)，采用已有數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本擴(kuò)充。缺失數(shù)據(jù)按照省內(nèi)當(dāng)前小時路段上車型結(jié)構(gòu)的比例進(jìn)行分?jǐn)?，具體方法為：黃牌（即重型車）按照中型客車、大型客車、中型貨車、重型貨車車型的比例分?jǐn)?；其他顏色車牌（即輕型車）按照微型客車、輕型客車、微型貨車、輕型貨車4種車型［10-11］的比例分?jǐn)偂?/p>

缺省數(shù)據(jù)補(bǔ)充公式為

式中Qi，j，k，m，n為第i個路段，第j個時間點，k類機(jī)動車車型，m類排放類型，n類燃料類型缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)充后的小時流量；Q'i，j為部分字段缺失數(shù)據(jù)的第i個路段，第j個時間點的小時流量；qi，j，k，m，n為路段完整車型的小時流量；Wi，j，k，m，n為最終小時流量。

2 結(jié)果與討論

2.1 外地車輛日均流量分布

統(tǒng)計分析表明，外地車的日均出行量為62 萬輛，占佛山市總出行量的24.11%。表1～2為佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外全市及外地車分車型的單路段日均車流量和省內(nèi)省外外地車單路段日均車流量。輕型車的日均車流量分別是重型車的8.7～16.0 倍（全市）、4.6～8.3 倍（外地車），外地車的輕型車在一環(huán)內(nèi)的日均流量是一環(huán)外的1.5 倍，相反重型車在一環(huán)外的日均流量是一環(huán)內(nèi)的1.2 倍。這主要因為一環(huán)內(nèi)為中心城區(qū)、路網(wǎng)密集，包括交通流量較大的主干路和次干路，并有貨車限行；一環(huán)外路網(wǎng)主要為國道和省道，聚集較多的物流和客運中心。

表1 佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外佛山市及外地車單路段日均車流量Table 1 Average daily traffic flow of the city's and non-local vehicles on single-line inside and outside the Foshan First Ring Road

佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外不同歸屬地的外地車的日均流量在總外地車中的比例有明顯的差異，省內(nèi)外地車為70.36%～75.68%、省外外地車為23.52%～41.96%。同時，省內(nèi)外地車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的日均流量明顯高于省外外地車，差異在50%以上，而重型車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的日均流量變化較小。

圖4 為外地車歸屬地構(gòu)成。省內(nèi)外地車輛主要是由廣州、肇慶以及廣東省其他城市的車輛構(gòu)成。省外外地車車籍主要分布在華南地區(qū)和中南地區(qū)，數(shù)量前3 的省份為廣西、浙江、湖南。

圖4 外地車歸屬地分類Fig.4 Classification of the ownership of non-local vehicles

圖5 為佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外外地車輛在重點路段的日均流量分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，在廣佛連接通道上，省內(nèi)外地車的日均流量超過了15 000 輛，而省外外地車的日均流量在5 000 輛以上。這也表明佛山一環(huán)以內(nèi)區(qū)域是佛山的主城區(qū)，內(nèi)部交通出行需求大且集中在主干路和快速路（交通性道路），對內(nèi)承擔(dān)連接城市主要分區(qū)的職責(zé)，對外銜接周邊交通節(jié)點，為城市機(jī)動車長距離出行提供快速通行服務(wù)。佛山一環(huán)以外集中了客流中心和物流區(qū)，重點路段在高速公路、省道和國道上，承載著出入境的交通流，起連接佛山與省內(nèi)外的交通集散作用。

圖5 佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外外地車的重點路段日均流量Fig.5 Average daily flow of key sections of non-local vehicles inside and outside the Foshan First Ring Road

表2 佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外省內(nèi)省外外地車單路段日均車流量Table 2 The average daily traffic flow of non-local vehicles in and out of the province inside and outside of the Foshan First Ring Road

2.2 省內(nèi)外地車結(jié)構(gòu)分布

從圖6 可知，佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外省內(nèi)外地車的車型分布相近，輕型車占主導(dǎo)地位。其中客車的占比最大（72.9%～76.4%），貨車的占比次之（23.6%～27.1%）。這與趙靜琦等［12］關(guān)于天津全市的外地車運行特征基本相近。

圖6 佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外省內(nèi)外地車不同車型的分布Fig.6 Distribution of different models of non-local vehicles inside and outside the Foshan First Ring Road in the Province

貨車是產(chǎn)生污染物NOx和PM10的重要來源［13-14］。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，省內(nèi)外地車中，佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外國Ⅳ車日均流量占比最大（48.49%～49.79%）；其次為國Ⅴ車，占比達(dá)到31.86%（圖7a），這與2015 年廣東省實行更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)國Ⅴ，淘汰低排放高污染車型的政策有關(guān)［15］。佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的省內(nèi)外地車中，貨車主要的排放標(biāo)準(zhǔn)為國Ⅲ（27.0%～32.87%）和國Ⅳ（38.9%～44.6%），其中重型貨車的排放標(biāo)準(zhǔn)分布在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的差異相較于輕型貨車更明顯：一環(huán)內(nèi)國Ⅲ車占比最高為42.5%，而一環(huán)外國Ⅳ車占比最高為44.7%。佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外，省內(nèi)外地車中，貨車的主要燃料類型為柴油（78.0%～78.4%），其中輕型和重型貨車的燃料組成基本一致，主要的燃料類型為柴油（輕型車65.3%～68.3%、重型車95.0%～99.2%）（圖7b）。因此，相關(guān)部門可重點關(guān)注貨車中國Ⅲ、國Ⅳ和柴油類型的排放問題［16］。

圖7 省內(nèi)外地車主要車型的技術(shù)特征分布Fig.7 Distribution of technical features of main non-local vehicle types in the province

2.3 外地車輛日均流量的空間分布

結(jié)合2.1 和表3 可知，外地車在不同空間、時間上的主要車型均為輕型車，各道路類型的日均車流量有明顯差異，車輛主要集中在國省道和快速路。對于輕型車，國省道、主干路和其他道路類型在一環(huán)內(nèi)的工作日和非工作日的車流量都遠(yuǎn)高于一環(huán)外，這與快速路的現(xiàn)象相反；對于重型車，國省道和快速路在一環(huán)外的工作日和非工作日的車流量都遠(yuǎn)高于一環(huán)內(nèi)，與主干路和其他道路類型的現(xiàn)象相反［17］。

表3 佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外外地車不同道路類型單路段日均流量分布Table 3 Distribution of average daily flow of non-local vehicles on single-line of different road types inside and outside the First Ring Road 輛·d-1

從圖8可知，不同歸屬地的外地車在各道路類型的主要車型為輕型車（省內(nèi)85.71%～90.96%、省外65.71%～96.04%），重型車（省內(nèi)9.04%～13.48%、省外6.33%～34.29%）。對于省內(nèi)外地車，各道路類型下兩種車型占比基本相近，其中快速路和其他道路類型的重型車在一環(huán)內(nèi)占比明顯高于一環(huán)外；對于省外外地車，佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外各道路類型下兩種車型的占比差異較大，一環(huán)外重型車的車流量高于一環(huán)內(nèi)，這與佛山市中心城區(qū)有貨車限行的時間限制有關(guān)（每日6：00～22：00）。

圖8 佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外外地車不同道路類型的車型占比Fig.8 Proportion of different road types of non-local vehicles inside and outside the Foshan First Ring Road

2.4 外地車輛小時流量變化特征

2.4.1 總體分布 圖9 為佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外全市車輛及外地車的小時流量分布，總體呈現(xiàn)“M”形分布［18-21］。外地車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的全天小時流量變化占全市的比例分別為15.71%～34.84%和22.77%～54.01%，且晝夜相差較大，白天維持相對較高的數(shù)值，白天的車流量是夜間的3倍左右。雖然外地車在00：00～06：00 的車流量較少，但是在全市總車流量中的占比高于其他時間段，主要原因是外地車在此時間段以貨運為主。此外，外地車在一環(huán)內(nèi)的小時流量高于一環(huán)外，這也說明佛山一環(huán)內(nèi)包含佛山市的中心城區(qū)，涵蓋居民通勤、進(jìn)出城區(qū)的出行需求大，交通活動較為頻繁。

圖9 佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外全市及外地車單路段小時流量Fig.9 Hourly traffic flow of the city and non-local vehicles on single-line inside and outside the Foshan First Ring Road

2.4.2 分車型、技術(shù)特征小時流量分布 結(jié)合2.4.1，分析不同區(qū)域內(nèi)不同歸屬地的外地車小時流量變化。由圖10a可知，一環(huán)內(nèi)的省內(nèi)外外地車的小時流量均高于一環(huán)外，按車型分布的小時流量基本呈現(xiàn)“M”形，各車型的早高峰時段為09：00～11：00，晚高峰時段為15：00～18：00，且早晚流量差異較明顯。對于省內(nèi)外地車，輕型和重型車在白天的總流量是夜間的3 倍、2.5 倍左右，其中輕型車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的小時流量在總車流量的變化范圍為67.58%～91.51%、63.18%～88.15%；而重型車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外全天的小時流量變化較小。對于省外外地車，輕型和重型車在白天的總流量分別是夜間的3倍、2倍左右，其中輕型車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的小時流量變化范圍為76.09%～94.33%、51.65%～82.05%，且一環(huán)內(nèi)的高峰車流量是一環(huán)外的2倍多，而重型車的現(xiàn)象與省內(nèi)的相同。

圖10b為省內(nèi)外地車分排放標(biāo)準(zhǔn)單路段小時流量。可知，一環(huán)內(nèi)各排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛小時流量均高于一環(huán)外，且國Ⅳ車的小時流量在總車流量的占比最高（44.74%～50.82%）。佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外各排放標(biāo)準(zhǔn)的高峰時間段小時流量差異較小，但晝夜小時流量相差較大（除國Ⅲ前車和國Ⅲ車），佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外外地車中國Ⅳ車和國Ⅴ車的白天總車流量分別是夜間的3～3.5、2.6～2.9倍。

圖10 佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外外地車分車隊結(jié)構(gòu)的單路段小時流量Fig.10 Hourly traffic flow of single-line by non-local vehicle fleet structure inside and outside the Foshan First Ring Road

2.4.3 在不同道路類型下的小時流量分布 由圖11 可知，外地車按道路類型的單路段小時流量分布特征相近，早高峰時段為08：00～10：00，晚高峰時段為15：00～17：00，而省內(nèi)省外外地車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的小時流量有明顯差異。

對于省內(nèi)外地車，根據(jù)佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外按道路類型的各小時流量中的比例發(fā)現(xiàn)，快速路（25.86%～34.31%、29.84%～64.00%）占比最高，其次為國省道（21.75%～32.75%、20.83%～52.22%），且一環(huán)內(nèi)的快速路和國省道上的小時流量高于一環(huán)外，而其他兩種道路類型的現(xiàn)象與之相反。各道路類型的晝夜流量值有明顯的差異，表現(xiàn)為快速路在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的白天流量分別是夜間的3.9倍和2.6 倍，國省道在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的白天流量分別是夜間的3 倍和4.5 倍，其他道路類型在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的白天流量是夜間的3 倍左右；同時高峰時間段的流量差異在快速路上較為明顯，表現(xiàn)為一環(huán)外小時流量是一環(huán)內(nèi)的2.7 倍左右（圖11a）。

圖11 佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外外地車分道路類型的單路段小時流量Fig.11 Hourly traffic flow of single-line under different road types of non-local vehicles inside and outside the Foshan First Ring Road

對于省外外地車，佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外按道路類型的各小時流量的比例與省內(nèi)外地車呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象， 表現(xiàn)為國省道（42.72%～60.48%、26.44%～44.78%）占 比 最 高， 快 速 路（14.53%～23.69%、10.59%～15.60%）次之（圖11b）。從整體看，一環(huán)內(nèi)各道路類型的小時流量高于一環(huán)外（除其他道路類型），盡管白天小時流量值無明顯變化，但各道路類型的白天總流量均是夜間的3倍左右，同時各道路類型的一環(huán)內(nèi)高峰流量是一環(huán)外的2 倍多。

3 結(jié) 論

1） 佛山市外地車日均出行量占全市的24.11%，與大型省會城市中外地車的占比相近。其中佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外輕型車的比例遠(yuǎn)高于重型車，而各車型流量在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外存在明顯差異。外地車中，省內(nèi)外地車占主導(dǎo)地位，在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外的流量明顯高于省外車。外地車在重點路段的交通流主要在廣佛連接通道上，表現(xiàn)為省內(nèi)外地車超過15 000輛/d，省外外地車超過5 000輛/d。

2）從省內(nèi)外地車輛特征來看，貨車的占比不容忽視（產(chǎn)生較高污染物NOx和PM10），排放標(biāo)準(zhǔn)主要為國IV 和國Ⅲ，燃料類型主要為柴油。按道路類型來看，外地車主要集中在國省道和快速路，且不同車型在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外不同道路、不同時間上的分布也有明顯的差異。

3）外地車在一環(huán)內(nèi)的小時流量高于一環(huán)外，且全天小時流量變化范圍存在明顯差異，分別為15.71%～34.84%和22.77%～54.01%；且晝夜相差較大，白天的車流量是夜間的3倍左右。

4）從不同車型來看，外地的輕型車和重型車的白天總流量分別約是夜間的3 倍、2 倍，其中輕型車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外全天的小時流量在總車流量的變化范圍都在20%左右；而重型車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外全天的小流量變化較小；從省內(nèi)外地車的排放標(biāo)準(zhǔn)來看，國Ⅳ的小時流量占比最高，且晝夜小時流量相差較大（3 倍左右）；從不同道路類型來看，各小時流量都以快速路和國省道為主，省內(nèi)外地車在佛山一環(huán)內(nèi)和一環(huán)外快速路和國省道的晝夜流量存在明顯差異（3倍以上），而省外外地車在各道路類型的晝夜流量差異為3倍左右。