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，而且會增加駕駛員的精神負荷、心理疲勞和應(yīng)激水平[1]，產(chǎn)生交通外部成本，增加社會平均經(jīng)濟損失[2]。

Tay等[3]認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)場作業(yè)活動的影響[4]。同時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]認為占道施工作業(yè)期間通過道路指示標(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。

道路通行能力手冊依據(jù)施工作業(yè)占據(jù)車道時間，將占道施工區(qū)劃分為短期占道施工區(qū)和長期占道施工區(qū)，并指出車道寬度對占道施工區(qū)通行能力有重要影響[8]。邵長橋等[9]認為改擴建道路中間帶開口長度對道路運行速度和通行能力有較大影響。于玲等[10]認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理，構(gòu)建了基于尖點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北京快速路實測數(shù)據(jù)進行了擬合，得到了適應(yīng)于我國快速路交通流特性的結(jié)論。Weng等[14]提出通過占道施工區(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)險與交通流狀態(tài)的變化關(guān)系，構(gòu)建了基于支持向量機的危險交通流狀態(tài)識別模型。戴學(xué)臻等[16]以連續(xù)通過道路斷面的車流量作為劃分時間間隔依據(jù)，提出了基于集對分析理論的交通運行狀態(tài)評價方法。Yuan等[17]根據(jù)交通運行狀況的實時性和動態(tài)性，建立了城市道路服務(wù)水平綜合評價指標(biāo)體系，構(gòu)建了交通運行狀況綜合計算模型。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)間平均車速為評價指標(biāo)，制定施工期間交通組織優(yōu)化方案。

國內(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)濟成本為指標(biāo)，構(gòu)建交通組織疏解方案的評價模型。

1 研究對象與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究對象

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，原有交通運行環(huán)境改變，交通運行狀態(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)交通負荷為目標(biāo)，通過合理的組織誘導(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)為研究對象，施工建設(shè)為期3個月，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)計規(guī)范》(CJJ 37—2012)中規(guī)定的道路設(shè)計通行能力及設(shè)計車速作為最大閾值，以每5 min擴充后的交通流量和車速為判斷依據(jù)，通過閾值法對原始調(diào)查數(shù)據(jù)進行異常診斷剔除，剔除后的數(shù)據(jù)采用基于時間序列的方法恢復(fù)。閾值法判斷異常數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)見表1。

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

時間序列數(shù)據(jù)恢復(fù)方法公式為：

(1)

采用閾值法及時間序列方法從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148條。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是指通過交通流量和車速定量反映路網(wǎng)交通運行狀態(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，均衡交通負荷，確保交通參與者從道路運行狀況、交通與管制條件、道路運行環(huán)境等交通狀態(tài)所能得到的服務(wù)水平最高。服務(wù)水平評價是指以飽和度和車速為衡量指標(biāo)，通過道路通行能力、交通流量和車速計算劃分交通運行狀況等級的評價方法。

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)頻率散點見圖2和圖3，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果見表2。

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

圖3 路段速度頻率散點圖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)的評價結(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)水平評價方法適用于非飽和流交通運行狀態(tài)評價，現(xiàn)狀和施工期高峰交通流量均處于飽和流狀態(tài)，故評價結(jié)果基本一致。施工期以車速為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平等級占比結(jié)果較現(xiàn)狀：C，F(xiàn)分別增長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，道路負荷增加，交通流處于過飽和狀態(tài)，車速降低。以飽和度為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平評價側(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)水平評價側(cè)重于道路設(shè)計速度和車輛實際行駛速度，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，兩者的評價結(jié)果相差較大。現(xiàn)狀和施工期交通服務(wù)水平見圖4。

表2 不同時期交通調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析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，從占道施工實際需求出發(fā)，疏解預(yù)測施工期間區(qū)域道路路段交通流量和行程車速，并計算綜合服務(wù)水平，可均衡交通負荷，降低因施工期間交通路網(wǎng)擁堵瓶頸出現(xiàn)的風(fēng)險，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)合實際初步計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)計算疏解后的區(qū)域道路車速；

(6)判斷是否符合評價標(biāo)準(zhǔn)，符合，則計算結(jié)束；不符合，則回到步驟(4)重新計算。

疏解預(yù)測模型流程見圖5。

圖5 施工期交通疏解預(yù)測流程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)測模型擬合散點見圖6(a)，模型擬合曲線見圖6(b)，擬合模型摘要及參數(shù)估算值見表3。

圖6 速度-流量單車道二次擬合散點及曲線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%，較施工期實際調(diào)查數(shù)據(jù)增加3.8%。占道施工期間疏解預(yù)測交通數(shù)據(jù)頻率散點見圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表4。

圖7 施工期間疏解預(yù)測交通數(shù)據(jù)頻率散點圖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)水平等級占比結(jié)果較現(xiàn)狀：D，E分別增長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)水平等級占比結(jié)果較現(xiàn)狀：C，F(xiàn)分別增長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)水平等級占比結(jié)果較施工期間實際調(diào)查數(shù)據(jù)：B，D分別增長3.8%，12.2%，A降低13.5%；以車速為衡量指標(biāo)的服務(wù)水平等級占比結(jié)果較施工期間實際調(diào)查數(shù)據(jù)：C增長13.3%，D，E，F(xiàn)分別降低2.8%，3.1%，7.4%。

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

3 模型驗證

3.1 方法思路

模型驗證以區(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)水平評價體系，以服務(wù)水平等級占比為參數(shù)，通過信息熵法確定權(quán)重，構(gòu)建道路綜合服務(wù)水平評價模型，探析占道施工期間疏解預(yù)測與實際交通運行狀況的相符性。

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)水平評價模型的因素集U為：

U={飽和度，車速}。

(3)

道路綜合服務(wù)水平評價是為明確施工期間道路交通運行的綜合服務(wù)等級，對比分析交通組織疏解前后效果，故評價集V為：

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

(4)

式中,A,B,C,D,E,F分別為評價集對應(yīng)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。

以交通運行參數(shù)為計算依據(jù)，結(jié)合評價集所占比例，構(gòu)建單因素評判集ri為：

ri=(ri1,ri2,…,rin),

(5)

式中，ri1,ri2,rin分別為第1,2,n個因素。

道路綜合服務(wù)水平評判矩陣為：

(6)

式中，rij為第i個因素集在第j個評價集上的頻率分布；m為因素集的個數(shù)；n為評價集的個數(shù)。

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

(7)

式中，Wi為第i個影響因子的權(quán)重；Di為第i個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)水平評價模型B1為：

B1=A*R，

(9)

式中，R為因素集到評價集的模糊關(guān)系。

計算得到的評判指標(biāo)歸一化即為評價指標(biāo)的等級占比。

3.2 效果驗證

3.2.1 道路實際綜合服務(wù)水平

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

(10)

路段交通流量和車速無量綱化后的權(quán)重均值為：

A=(0.4，0.6)。

(11)

道路實際綜合服務(wù)水平評價結(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)域道路實際綜合服務(wù)水平A級、B級、C級、D級、E級、F級占比分別為12.5%，16.3%，8.9%，10.4%,16.0%，35.9%。

3.2.2 道路疏解預(yù)測綜合服務(wù)水平

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

(15)

道路疏解預(yù)測交通流量和車速的權(quán)重取值與實際數(shù)據(jù)權(quán)重一致，占道施工期間道路疏解預(yù)測綜合服務(wù)水平評價結(jié)果為：

B2=(0.4，0.6)

(16)

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

(17)

評判指標(biāo)歸一化處理后，道路疏解預(yù)測綜合服務(wù)水平為：

(18)

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

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

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

表7 配對樣本檢驗Tab.7 Test of paired sample

由表7可知，道路實際與疏解預(yù)測綜合服務(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)測模型計算結(jié)果與實際交通運行服務(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。

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)，通過構(gòu)建速度-流量交通疏解預(yù)測模型和道路綜合服務(wù)水平評價模型，主要得到以下結(jié)論：

(1)在交通運行狀況相同的條件下，以飽和度為評價指標(biāo)的道路服務(wù)水平高于以行程車速為評價指標(biāo)的道路服務(wù)水平，主要是由于高峰時期交通流趨于飽和狀態(tài)，出行時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，公交站點轉(zhuǎn)移等因素采用非機動車等其他交通出行方式，造成施工期交通流量變化等因素。