基于節(jié)點交調(diào)數(shù)據(jù)的公路網(wǎng)流量推算仿真

薛紅軍 黃 旭

（1.南通市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南通 226007；2.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

近年來，公路出行安全、便捷、快速的需求日益增長，使公路網(wǎng)監(jiān)測、管理和服務面臨著巨大的壓力，同時也促使我國公路交通信息化進入新的融合發(fā)展階段。以江蘇省為例，《江蘇省普通公路網(wǎng)運行監(jiān)測設施布局規(guī)劃（試行）（2019—2030年）》等多項指導文件內(nèi)容均指出，運用信息化手段提高路網(wǎng)通行能力和效率有利于增強信息感知能力，提高保障公共安全和突發(fā)事件的應急處置能力。準確、可靠、數(shù)量穩(wěn)定的干線流量數(shù)據(jù)將作為“可信、可靠、可控、可用、可視、可溯”的公路信息中的一部分[1]，可進一步帶動公路數(shù)字化、智能化路網(wǎng)管理能力和水平提升。微觀路網(wǎng)交通流參數(shù)的精細化程度是影響仿真結(jié)果準確性的重要因素之一，應能夠簡單、快速、低成本、普遍地獲取路網(wǎng)交通流參數(shù)。利用概率論的方法推導OD矩陣，基于推斷的OD矩陣得到微觀路網(wǎng)各個流量變化點的交通量參數(shù)是主流方法[2]，如Corsim[3]、Mitsim[4]等仿真軟件均支持以OD矩陣的形式輸入或呈現(xiàn)路網(wǎng)交通流狀態(tài)。但OD矩陣法在基于節(jié)點交調(diào)數(shù)據(jù)的微觀路網(wǎng)輸入估計問題上存在不足，多數(shù)方法基于假設研究車輛的進入和離開必須在同一個研究時間段內(nèi)，但假設不適用于更新頻率較高（通常為5 min），且兩個相鄰輸入間距離較長（平均20 km）的路側(cè)交調(diào)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的基于概率的微觀路網(wǎng)交通量估計方法求解復雜，通常應用于交通小區(qū)間的OD交通量估計或?qū)δ硞€流量變化點的轉(zhuǎn)向車流求解，而相鄰交調(diào)設備間距較長，中間路段可能存在多個流量變化點，涉及多個可能的OD對，因此現(xiàn)有方法在大規(guī)模復雜路網(wǎng)的交通流中求解困難。

1 微觀路網(wǎng)交通量推算模型

為在路網(wǎng)管理與應急指揮決策方面充分利用交調(diào)站數(shù)據(jù)，解決其空間覆蓋不足、缺少微觀交通流信息等問題，利用部分交調(diào)路側(cè)檢測設備提供的節(jié)點時空數(shù)據(jù)驅(qū)動路網(wǎng)微觀仿真模型，重建車輛的運動軌跡，推算出與真實道路中原始單節(jié)點交通流數(shù)據(jù)相匹配的二維仿真路網(wǎng)交通流數(shù)據(jù)。將離散數(shù)據(jù)仿真為可靠性高的宏觀連續(xù)性數(shù)據(jù)，包含各個路段區(qū)間的平均車速、行程時間、擁堵排隊長度等有效微觀交通流信息。

1.1 仿真輸入估計模型

交調(diào)數(shù)據(jù)包含數(shù)據(jù)觀測的時間及日期、觀測站標志、車輛行駛方向、小客車、大客車、小貨車、中貨車、大貨車等類型車輛的交通量，數(shù)據(jù)精度好，實時性高，但存在節(jié)點交調(diào)流量數(shù)據(jù)細粒度不足等問題。本文將交調(diào)數(shù)據(jù)結(jié)合各路段幾何特征與車道流量調(diào)整理論，測算流量交換點處進出口道流量，進而推演出各路段的精確交通流量。

根據(jù)路網(wǎng)拓撲結(jié)構、道路幾何特征和路側(cè)檢測數(shù)據(jù)對標準平交口和一般流量交換點的路網(wǎng)，建立仿真輸入估計模型。干線流量變化點只考慮交通流量的輸入輸出，不考慮車輛在流量變化點處的轉(zhuǎn)向、變道等微觀行為。微觀仿真模型及微觀仿真輸入估計模型如圖1所示。

圖1 微觀仿真模型及微觀仿真輸入估計模型

因此，通過標準交叉口和一般流量變化點模型拓展可得一對交調(diào)站之間的路網(wǎng)微觀仿真輸入估計模型。其中，一對交調(diào)數(shù)據(jù)按照道路一側(cè)計算，道路另一側(cè)流量變化數(shù)據(jù)則應當通過另一對交調(diào)數(shù)據(jù)計算。

1.2 流量變換點進出流量推算

基于交調(diào)數(shù)據(jù)的各路段進出流量分3個步驟進行計算。首先，根據(jù)路段內(nèi)各流量交換點的道路幾何特征，計算理想條件下理論車道流量和路段流量變化值。

式中：f nin——第n流量變化點的理論匯入流量；Q0——目標路段的理論流量變化值；f nout——第n流量交換點的理論流出流量；In——第n流量變化點的進口道數(shù)量；On——第n流量交換點的出口道數(shù)量；αn——建模路段內(nèi)第n流量交換點各車道的平均道路服務水平，無數(shù)據(jù)時αn的推薦取值范圍在0.6～0.8之間；Q——目標區(qū)域內(nèi)，各流量變化點出的平均車道設計通行能力；N——路段內(nèi)流量交換點數(shù)目。

根據(jù)理論上該路段的流量變化值與路側(cè)檢測數(shù)據(jù)中該路段的實際流量變化值的差值，計算車道流量調(diào)整量。

式中：V2——路段流出流量；V1——路段進入流量；ΔQ——各流量變換點進出流量調(diào)整值之和。

根據(jù)車道流量調(diào)整理論，對計算所得車道流量進行調(diào)整，得到各流量交換點的流量：

如果ΔQ>0，增大理論變化流量；如果V2-V1>0，則此時進入車道流量調(diào)整為qin=α?Q+Δq，離開車道流量調(diào)整為qout=α?Q-Δq；如果V2-V1<0，則此時進入車道流量調(diào)整為qin=α?Q-Δq，離開車道流量調(diào)整為qout=α?Q+Δq。

如果ΔQ<0，減少理論變化流量；如果V2-V1>0，則此時進入車道流量調(diào)整為qin=α?Q-Δq，離開車道流量調(diào)整為qin=α?Q+Δq；如果V2-V1<0，則此時進入車道流量調(diào)整為qin=α?Q+Δq，離開車道流量調(diào)整為qout=α?Q-Δq。

綜上所述，在進口道和出口道數(shù)量已知的情況下，第n流量交換點的進入流量為f nin=Inqin，流出流量為f nout=Onqout。按照交調(diào)站的位置對公路網(wǎng)進行切片，兩個相鄰交調(diào)站之間的路段為一個研究對象，將各流量交換點按順序編號，根據(jù)流量交換點處進出口道的數(shù)量構建仿真輸入估計模型的框架。

1.3 測算結(jié)果合理性約束

交通流量數(shù)據(jù)是一項基礎而重要的數(shù)據(jù)，其準確性對整個道路交通狀況的感知、仿真以及管控均會受到深遠影響。因此，需要對測算所得數(shù)據(jù)是否符合實際交通狀況進行約束檢驗。

流量非負約束：各流量交換點的進出口流量均大于等于0。

流量守恒約束：路段各流量交換點進口流量的總和與各流量交換點出口流量的總和的差值，恒等于該路段的流量變化值。

微觀交通流合理性約束：路段左右轉(zhuǎn)概率、主線流量、支線流量需要在合理的范圍。根據(jù)經(jīng)驗值，路段左右轉(zhuǎn)概率的范圍為0.1～0.3，主線流量和支線流量小于理論飽和流量，具體的取值根據(jù)路網(wǎng)的實際情況的不同而調(diào)整。

1.4 測算結(jié)果差異性修正

當路段上各流量交換點的交通量間存在顯著差異時，尤其是主線里程較長時，存在輔道、各類小路口、小區(qū)出入口等影響測算結(jié)果的因素，或路段上各流量交換點道路等級不同時，可利用偏移量An對各流量交換點的流量進行修正，偏移量An>0，可以使調(diào)整后的流量交換點進出口流量的平均值接近理論通行能力。當路段上各流量交換點的交通量不存在顯著差異時，不需要修正。

2 案例分析

以南通市某一普通干線公路2021年一對交調(diào)站之間的數(shù)個節(jié)點交調(diào)數(shù)據(jù)為例，仿真輸入估計模型和輸入估計參數(shù)如圖2所示。

圖2 仿真輸入估計模型案例

圖3 案例路網(wǎng)仿真輸入模型結(jié)論

代入式（5），可得理論上該路段的流量變化值為420。

根據(jù)理論上該路段的流量變化值與路側(cè)檢測數(shù)據(jù)中該路段的實際流量變化值的差值，計算車道流量調(diào)整量。實際該路段的流量變化值為24，對車道流量進行調(diào)整，根據(jù)式（1）可得各流量變換點進出流量調(diào)整值之和為-396。

同一路段上流量交換點各進口道的重要程度相近，將總調(diào)整量分配到各車道上即為單車道流量調(diào)整值，代入式（3）可得為56。

由于ΔQ<0，即理論變化流量大于實際變化流量，需要減少理論變化流量。因為V2-V1>0，即實際上在研究時間內(nèi)有更少的車輛進入研究路段，此時進入車道流量調(diào)整為qin=84，離開車道流量調(diào)整為qout=196。

將測算的流量數(shù)據(jù)輸入交通仿真模型，根據(jù)實時性數(shù)據(jù)進行仿真短時預測，判斷未來一段時間內(nèi)的道路交通狀況，及時獲取常發(fā)性交通擁堵位置，因地制宜地制定相應的決策，如通過可變情報板、第三方導航平臺、門戶網(wǎng)站等方式提前發(fā)布引導信息，引導車輛及時分流，均衡路網(wǎng)流量，減少全路網(wǎng)交通壓力，以科學手段優(yōu)化基于交通運轉(zhuǎn)的社會經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

本文以公路管理部門交通調(diào)查站數(shù)據(jù)源為依據(jù)，研究干線公路網(wǎng)交通量推算與仿真方法。傳統(tǒng)交調(diào)數(shù)據(jù)受路側(cè)監(jiān)測設施部署和設備性能的影響，僅能提供道路斷面的節(jié)點流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息較為離散，不足以支撐交調(diào)點所在區(qū)域干線公路及周邊路網(wǎng)的系統(tǒng)性管控決策。本文通過交調(diào)數(shù)據(jù)、路網(wǎng)拓撲和道路幾何特征搭建路網(wǎng)的基礎流量模型，再根據(jù)車道流量調(diào)整理論對車道流量進行調(diào)整和修正，以較低成本實現(xiàn)基于交調(diào)站數(shù)據(jù)的普通公路各路段交通流量參數(shù)細粒度測算，為干線公路網(wǎng)提供足以支撐仿真推演能力的路段基礎流量數(shù)據(jù)，以公路信息數(shù)字化的方式持續(xù)支撐公路網(wǎng)布局、公路技術等級評估、養(yǎng)護運營和社會經(jīng)濟效益穩(wěn)步提升，有效提升公路動態(tài)信息數(shù)字化效能，具備較強的實踐價值。