林志紅，蔡曉禹,2，陳永光，張夢歌

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074；2.山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

在多數(shù)城市處于城市化進(jìn)程快速發(fā)展的今天，機(jī)動車保有量成冪次增長，交通擁堵加劇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年底，全國高峰期間超過26%的城市處于擁堵狀態(tài)，55%的城市處于緩行狀態(tài)，2017年因交通擁堵香港成為擁堵成本(達(dá)15 890元)最高的城市。交通擁堵不僅對居民出行造成一定困難，浪費(fèi)時(shí)間的同時(shí)對國家的GDP造成損失，還造成空氣污染、噪聲污染。山地城市內(nèi)部道路結(jié)構(gòu)薄弱，城市干線同時(shí)承擔(dān)出入境及過境交通，故保障其干線暢通至關(guān)重要。采取交通管控是緩解交通擁堵的有效方法之一，優(yōu)質(zhì)管控方案的提出前提是準(zhǔn)確的交通評價(jià)，交通運(yùn)行評價(jià)可為干線交通管控方案選擇提供有效支持。

1 現(xiàn)有城市交通干線運(yùn)行評價(jià)

1.1 評價(jià)指標(biāo)

現(xiàn)有干線交通運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)除早期美國HCM手冊所使用的服務(wù)水平外，還包括交通參數(shù)類指標(biāo)、擁堵類指數(shù)、可靠性指標(biāo)等(見圖1)。

1.1.1 交通參數(shù)類指標(biāo)

城市干線交通評價(jià)上交通參數(shù)類指標(biāo)通常選取行程時(shí)間、排隊(duì)長度、密度、速度、飽和度、占有率、交通量等，如文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]選取平均行程速度作為評價(jià)指標(biāo)，文獻(xiàn)[4]選取道路延誤時(shí)間及飽和度作為評價(jià)指標(biāo)，文獻(xiàn)[5]選取延誤、排隊(duì)長度、服務(wù)水平作為評價(jià)指標(biāo)，文獻(xiàn)[6]選取流量、速度、占有率等作為評價(jià)指標(biāo)，文獻(xiàn)[7]以路段平均時(shí)間為權(quán)重系數(shù)建立評價(jià)指數(shù)。

圖1 現(xiàn)狀城市干線交通運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)

1.1.2 擁堵類評價(jià)指標(biāo)

擁堵類指標(biāo)用于衡量道路擁堵嚴(yán)重程度，體現(xiàn)在擁堵持續(xù)時(shí)間、擁堵度、擁堵路段長度、擁堵里程比、交通擁堵指數(shù)等。文獻(xiàn)[8]選取擁堵路段長度、高峰時(shí)段擁堵持續(xù)時(shí)間作為交通阻塞程度評價(jià)指標(biāo)；文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]選取擁堵持續(xù)時(shí)間作為擁堵判別標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[11]選定日交通擁堵指數(shù)、擁堵里程比、擁堵持續(xù)時(shí)間、常發(fā)擁堵路段數(shù)作為擁堵評價(jià)指標(biāo)；文獻(xiàn)[12]采用交通擁堵指數(shù)、擁堵里程比、擁堵持續(xù)時(shí)間、常發(fā)擁堵路段分布作為擁堵評價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對北京五環(huán)路內(nèi)路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1.1.3 可靠性評價(jià)指標(biāo)

交通領(lǐng)域的可靠性分為連通可靠性、行程時(shí)間可靠性、路網(wǎng)容量可靠性。連通可靠性由文獻(xiàn)[13]提出，它是研究兩地間是否連通的評價(jià)指標(biāo)，適用于極端條件。文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]分別基于出租車智能卡數(shù)據(jù)、浮動車數(shù)據(jù)，選取行程時(shí)間可靠性作為可靠性評價(jià)指標(biāo)；文獻(xiàn)[16]從道路使用者角度提出行程時(shí)間可靠性；文獻(xiàn)[17]建立了路網(wǎng)容量可靠性雙層規(guī)劃模型。為滿足日益復(fù)雜的城市交通，延伸出速度可靠性、暢通可靠性等高層次可靠性指標(biāo)，如文獻(xiàn)[18]計(jì)算了不同速度可靠性對應(yīng)的服務(wù)水平等級，文獻(xiàn)[19]提出了暢通可靠性指標(biāo)。

1.1.4 其他評價(jià)指標(biāo)

除上述評價(jià)指標(biāo)外，還有部分應(yīng)用較少的指標(biāo)，如文獻(xiàn)[20]中的等效通行能力，文獻(xiàn)[21]中的臨界密度比。

1.2 評價(jià)方法

目前，城市干線交通運(yùn)行評價(jià)方法主要有聚類評價(jià)法、綜合評價(jià)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(見圖2)。

圖2 現(xiàn)狀城市干線交通運(yùn)行評價(jià)方法

1.2.1 聚類評價(jià)法

聚類是指對對象進(jìn)行分類，包括灰色聚類、模糊聚類、K-均值聚類等。文獻(xiàn)[22]運(yùn)用灰色聚類評價(jià)法評價(jià)了快速路基本路段的服務(wù)水平；文獻(xiàn)[23]根據(jù)灰色聚類理論計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，使指標(biāo)之間的權(quán)重在評價(jià)過程中自動產(chǎn)生而無需經(jīng)過人為判斷；文獻(xiàn)[24]引入灰色聚類理論分析高速公路基本段的服務(wù)水平。文獻(xiàn)[25]利用模糊聚類理論對道路交通狀態(tài)進(jìn)行分類；文獻(xiàn)[26]、文獻(xiàn)[27]利用傳統(tǒng)模糊C均值判斷速度極值、占有率極值處的交通狀態(tài)；文獻(xiàn)[28]、文獻(xiàn)[29]提出模糊C均值聚類算法及其改進(jìn)算法；文獻(xiàn)[30]將已知模糊聚類模型擴(kuò)展到約束原型；文獻(xiàn)[31]利用模糊C均值聚類法解決指標(biāo)權(quán)重問題；文獻(xiàn)[32]引入K-均值聚類算法實(shí)現(xiàn)對道路擁堵程度的定量分析和等級劃分。

1.2.2 綜合評價(jià)法

綜合評價(jià)法是將多個(gè)評價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成一個(gè)反映綜合情況的評價(jià)指標(biāo)，包括模糊評價(jià)法、主成分分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法等。文獻(xiàn)[33]建立了道路服務(wù)水平的模糊綜合評判模型；文獻(xiàn)[34]基于模糊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對交通流狀態(tài)的劃分；文獻(xiàn)[35]利用層次分析法和模糊綜合評價(jià)法建立了快速路系統(tǒng)服務(wù)水平二級綜合評價(jià)模型；文獻(xiàn)[36]采用模糊綜合評價(jià)法建立了城市道路動態(tài)權(quán)重評價(jià)模型；文獻(xiàn)[37]基于主成分分析法建立了城市快速路基本路段服務(wù)水平綜合評價(jià)模型；文獻(xiàn)[38]提出了主成分分析法和模糊綜合評價(jià)法相結(jié)合的城市區(qū)域交通擁擠定量評價(jià)法；文獻(xiàn)[39]基于DEA法構(gòu)建了城市主干道交通擁堵評價(jià)模型。

1.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是20世紀(jì)40年代后出現(xiàn)的，隨著交通動態(tài)系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法被應(yīng)用于交通行業(yè)。文獻(xiàn)[40]、文獻(xiàn)[41]根據(jù)交通流特性，分別建立了交通狀態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)判別模型；文獻(xiàn)[42]基于車輛視頻識別，建立了快速路交織區(qū)運(yùn)行狀態(tài)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別模型；文獻(xiàn)[43]采用效率、安全性、舒適性指標(biāo)，構(gòu)建了城市交通系統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型；文獻(xiàn)[44]通過廣義徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算各路段擁堵度，使用加權(quán)平均法對整個(gè)路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了評價(jià)。

1.2.4 其他評價(jià)方法

在道路運(yùn)行評價(jià)上，除上述主流評價(jià)方法外，還有其他評價(jià)方法，如文獻(xiàn)[45]中的專家評分實(shí)驗(yàn)法、文獻(xiàn)[46]中基于因式分解的評價(jià)方法、文獻(xiàn)[47]中基于拉格朗日坐標(biāo)的交通流隨機(jī)模型。

1.3 現(xiàn)有研究評述

(1) 較多選取交通參數(shù)作為交通運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)，擁堵指數(shù)僅應(yīng)用于交通擁堵研究，可靠性指標(biāo)僅應(yīng)用于交通可靠性研究，較少將二者應(yīng)用于交通評價(jià)中。擁堵指標(biāo)旨在反映交通擁堵嚴(yán)重性，可靠性指標(biāo)是從交通使用者方面反映交通運(yùn)行效率，交通運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)中可綜合這兩類指標(biāo)。

(2) 對交通運(yùn)行狀態(tài)的評價(jià)一般基于交通流的模糊性，較多使用模糊聚類法、模糊評價(jià)法及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，較少建立簡單可行的多層次評價(jià)模型找出交通擁堵所在層次，且多數(shù)依賴于線圈檢測數(shù)據(jù)、人工檢測數(shù)據(jù)、單一類型數(shù)據(jù)。

(3) 對干線交通運(yùn)行的研究集中在平原城市連續(xù)流及間斷流，較少考慮山地城市，且干線連續(xù)流研究對象集中在基本路段、立交、交織區(qū)，較少考慮匝道對干線的影響并將干線作為一個(gè)整體考慮。

2 研究熱點(diǎn)及挑戰(zhàn)

2.1 研究熱點(diǎn)

(1) 基于大數(shù)據(jù)的干線交通評價(jià)。城市交通設(shè)施的快速發(fā)展，使小樣本、人工調(diào)查、道路固定檢測器數(shù)據(jù)無法滿足當(dāng)前日漸復(fù)雜的交通評價(jià)，基于巨量、多源的車輛軌跡數(shù)據(jù)成為交通運(yùn)行評價(jià)的熱點(diǎn)之一。

(2) 挖掘基于大數(shù)據(jù)的評價(jià)方法。評價(jià)指標(biāo)從交通流參數(shù)類指標(biāo)向全面、多角度轉(zhuǎn)移，評價(jià)方法從模糊綜合評價(jià)法、層次分析法等數(shù)學(xué)模型法向挖掘大數(shù)據(jù)背后交通流規(guī)律的評價(jià)方法轉(zhuǎn)變，挖掘基于大數(shù)據(jù)的干線評價(jià)方法成為必然趨勢。

2.2 干線交通運(yùn)行評價(jià)面臨的挑戰(zhàn)

(1) 大數(shù)據(jù)的處理。如今交通出行量暴增，交通數(shù)據(jù)量成倍增長，大數(shù)據(jù)為交通研究更貼合實(shí)際帶來了可能。但如何處理海量數(shù)據(jù)，如何剔除匹配錯誤的數(shù)據(jù)，如何從大數(shù)據(jù)中計(jì)算各指標(biāo)值成為一大挑戰(zhàn)。

(2) 干線及影響區(qū)的復(fù)雜性。連續(xù)流干線由匝道、交織區(qū)、基本路段組成，干線交通流極其復(fù)雜，不同組成之間的交通流相互影響，且與干線相連接的影響區(qū)與干線交通流之間相互作用。干線及其影響區(qū)的復(fù)雜交通流給準(zhǔn)確的交通運(yùn)行評價(jià)帶來困難，也是未來對干線交通運(yùn)行評價(jià)的極大挑戰(zhàn)。

(3) 準(zhǔn)確、客觀的評價(jià)模型。交通管控的前提是準(zhǔn)確的交通運(yùn)行評價(jià)，而準(zhǔn)確的交通運(yùn)行評價(jià)的前提是客觀、精準(zhǔn)的評價(jià)模型。需選取表征匝道運(yùn)行的微觀評價(jià)指標(biāo)及表征主線運(yùn)行的宏觀評價(jià)指標(biāo)，依次建立包含匝道、立交內(nèi)主線段、立交、基本路段、干線的多層次多指標(biāo)綜合評價(jià)模型。

3 城市交通干線運(yùn)行評價(jià)研究

3.1 軌跡交通數(shù)據(jù)

交通數(shù)據(jù)可通過固定式數(shù)據(jù)采集器及移動式數(shù)據(jù)采集器得到，固定式數(shù)據(jù)包括地磁、傳感器、卡口等不可移動式交通設(shè)施獲取的數(shù)據(jù)，移動式數(shù)據(jù)分為GPS、視頻、圖片、移動通信等移動設(shè)施采集獲得的數(shù)據(jù)。由于固定式采集器具有布設(shè)不密集、設(shè)置于露天環(huán)境、使用通信線路等特性，這類數(shù)據(jù)的獲取無法保證其有效性。GPS等移動信息采集器具有數(shù)據(jù)回傳密集、反映出行者軌跡、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定的特點(diǎn)，能反映交通運(yùn)行規(guī)律。為保證交通運(yùn)行評價(jià)數(shù)據(jù)的可靠性，選取基于GPS的移動數(shù)據(jù)采集器所獲得的交通數(shù)據(jù)如出租車數(shù)據(jù)、駕圖數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)，采集的信息包含車輛經(jīng)緯度、回傳信息時(shí)刻、車輛ID、瞬時(shí)速度等。

3.2 研究思路

3.2.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

選取能表征干線交通運(yùn)行特征的指標(biāo)，如匝道、立交內(nèi)主線排隊(duì)長度、車輛群體通行時(shí)間、停車率等，立交評價(jià)指標(biāo)選取上考慮主線和匝道的重要性及二者的不均衡性構(gòu)建綜合指標(biāo)；基本路段進(jìn)一步提取停車率、通行時(shí)間等交通參數(shù)，升化為交通擁堵指數(shù)、時(shí)間可靠性等指標(biāo)；干線評價(jià)指標(biāo)的選取則綜合考慮立交及主線評價(jià)指標(biāo)，通過權(quán)重系數(shù)融合為干線綜合評價(jià)指標(biāo)(見圖3)。

圖3 城市干線交通運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)

3.2.2 多指標(biāo)綜合模型構(gòu)建

考慮匝道與主線的交通重要性、立交與基本路段的交通重要性，利用客觀權(quán)重系數(shù)確定法確定各綜合指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，同時(shí)考慮同一層次各組成部分的不均衡性(如立交層次內(nèi)匝道與立交主線間的不均衡性)建立面向匝道(立交內(nèi)主線)、立交、干線的多指標(biāo)多層次綜合評價(jià)模型，并劃分交通運(yùn)行評價(jià)等級。

4 結(jié)語

城市干線交通運(yùn)行評價(jià)經(jīng)歷了3個(gè)階段：第一階段是早期的以美國HCM手冊為代表的干線服務(wù)水平評價(jià)，數(shù)據(jù)采集主要依靠人工；第二階段利用平均速度、飽和度、服務(wù)水平等交通流參數(shù)作為指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集通過線圈等固定檢測器及人工獲取，引入綜合評價(jià)等評價(jià)方法；第三階段嘗試基于GPS信息的多源軌跡數(shù)據(jù)采集技術(shù)，選取更貼合實(shí)際交通流特征的評價(jià)指標(biāo)，并采用通過大數(shù)據(jù)挖掘干線運(yùn)行特征的評價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)交通干線運(yùn)行的精準(zhǔn)評價(jià)。近年來，隨著對大數(shù)據(jù)的深入研究及應(yīng)用技術(shù)的逐漸成熟，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析交通運(yùn)行特征、挖掘交通流運(yùn)行的根本規(guī)律及分析交通流存在的問題成為必然趨勢。如何借助GPS浮動車數(shù)據(jù)，結(jié)合交通流特征分析，選取交通干線各組成的運(yùn)行評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建綜合評價(jià)模型及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是未來對交通干線準(zhǔn)確評價(jià)的研究方向。