沪宁高速公路运行状态评价及通行能力提升策略

杨 阳

(江苏中路工程技术研究院有限公司 南京市 211008)

0 引言

目前，高速公路运行状态分析方法主要有HCM2016、基本图理论和三相交通流理论，在双向四车道及多车道高速公路中均可采用。HCM2016将上游到达率、交通瓶颈和下游交通状态作为主要因素进行高速公路交通流状态的划分。基本图是根据交通流流量、速度与密度三参数之间的相互关系确定交通流状态。Duret[1]通过对高速公路交通流量数据分析表明，三车道高速公路上的自由流交通特性服从特定的车道流量分布，每条车道上总交通流量的比例相对于总交通流量有明显的线性变化趋势。Roncoli[2]提出了一种新的方法，用于分析基于功能数据分析的日交通流量曲线。这为有关道路扩容、控制和其他长期决策的战略决策提供了理想的信息。多车道高速公路中各车道表现出不同的交通运行状态特征，学者们从交通状态和安全特性等方面展开了研究。Ishak[3]等对美国多条实施了限速、客货车分车型分车道管理策略的多车道高速公路进行了数据采集与分析，并分析了其交通运行状态。

通过构建评价指标体系，应用该评价指标体系对沪宁高速公路的运行状态进行评估，并由此提出部分提升高速公路通行能力的策略。

1 高速公路运行状态评价方法

1.1 评价指标体系构建

(1)基础指标体系

高速公路的运行状况评价指标体系根据高速公路的交通流基本特性以及常用的交通系统评价指标体系从包括道路利用状况、运行效率等四个方面列出了13个基础评价指标。具体表示为通行能力、流量、饱和度、占有率、平均车速、平均行程时间、交通密度、平均行程延误、事故率、速度标准差、换道率、交通污染物排放量、交通噪声。

(2)评价指标筛选原则

在指标体系的构建中，指标如何选择具有一定的原则。一方面，若选取的指标数量单一时，其评价结果不能真实反映高速公路的交通运行状态；另一方面，若选取的指标数量过多时，不能避免其中某些指标的效果具有重复性，造成评价结果相互干扰，也不能真实反映高速公路的交通运行状态。因此，需要选择具有代表性的指标，构建真实、敏感的指标体系，客观反映出高速公路的交通运行状态。

(3)运行评价指标体系

根据上述表述的评价指标筛选需要遵守的原则，对以上13个基础评价指标进行筛选。根据筛选结果，本次研究选取了以下4个指标作为高速公路路段交通运行状况的评价指标。

①饱和度(pcu/h/ln)：饱和度是指高速公路的V/C，即是路段交通流量与该路段的通行能力的比值。

②平均车速(km/h)

平均车速是在某一特定时刻，某一特定长度的道路上正在行驶的所有车辆的地点车速分布的平均值。当选定的道路长度一定时，平均车速的数值即为地点车速观测值的调和平均值。

③时间占有率

在选定的的观测时间T内车辆占用车辆检测器的时间，与选定的观测时间之间的比值表示时间占有率。

④路段平均行程延误

车辆在该路段的行驶时间与畅行速度下的畅行行驶时间之间的时间差，除以该路段长度即可得到平均行程延误。考虑到当路况较好，车流量小时可能会出现延误为负的情况，在计算时取值为0。

1.2 交通运行状态评价

1.2.1路段交通运行状态评价

(1)指标处理

综合评价的评价指标数量较多，并且每个评价指标的量纲也都各不相同，所以需要对评价指标进行标准化处理，达到统一的量纲。

①逆指标的处理

在多指标评价中，正指标表示该指标数值越大越好，反之逆指标表示指标数值越小越好。在评指标价计算前需要对指标进行标准化处理，将逆指标转化为正指标，具体采用的方法是取逆指标的倒数形式，这样转化后的指标数值越大越好。

②指标值的无量纲化

考虑各指标的量纲不一致，采用极小值评价法对指标进行处理，处理后所有的指标区间都表示为[0,1]。

(2)指标权重确定

①构造判断矩阵

针对运行状态评价指标体系，构建判断矩阵，将评价指标两两进行比较，建立成对比较矩阵，矩阵的元素aij用Saaty标度法进行确定。

②层次排序及一致性检验

对于判断矩阵，需要计算的是该判断矩阵的特征值及与特征值相对应的归一化特征向量，即同一层次中各因素对于上一层各目标的权重。计算各指标权重采用的方法是方根法，具体的计算步骤表示如下：

计算各行的几何平均值：

(1)

(2)

最大特征值λmax：

(3)

矩阵一致性比率CR判定公式为：

(4)

式中，RI为平均随机一致性指标，其取值如表1所示。

表1 RI取值表

一般情况下，当CR<0.1时，满足一致性要求。当CR≥0.1时，则意味着不能满足一致性要求，则需要对判断矩阵进行调整。

综合的多指标评价的运行状态评价指标权重根据以上分析，最终计算结果如表2。

表2 交通运行状态评价指标权重表

(3)评价指标等级划分

为保证各指标评价的关联性，将路段交通运行状态评价指标分为6个评价等级，对各评价指标进行划分，见表3。

表3 高速公路交通运行状态各指标分级标准

结合各指标权重，分析可得路段交通运行状态指数为：

(5)

(4)路段运行状态指数划分

根据上述构建的指标体系和评价等级划分标准，分段选取沪宁高速公路2019年1月至11月全时段微波检测器数据，对采集数据进行数据补全、数据清洗和平滑处理，作为状态评估输入参数，最终得到路段运行状态指数分级表，见表4。

表4 沪宁高速公路路段运行状态指数划分级表

1.2.2道路交通运行状态评价

Theodore[6]的研究表明，基于时间即车小时(VHT)的拥堵评价方法与基于里程即车公里(VMT)的拥堵评价方法相对比，前者对于道路的拥堵程度评价更具有准确性。这是因为交通参与者对时间的敏感性高于对空间的敏感性。因此，选取车小时(VHT)作为权重值来表示交通拥堵程度，具体计算表达式如下：

(6)

式中，VHTLi表示的是第i路段在选定时间内的车辆行驶时间；ni表示第i路段的车道数；TPILi表示第i路段在选定时间内的交通运行状态指数；m表示组成这条道路的路段总数量。

其中：

(7)

式中，qi表示的是第i路段的流量，即在选定时间段内行驶经过的车辆数量；Li表示第i路段的长度，即选取的特定路段的长度；vi表示选定时间段内第i路段的所有行驶车辆的平均速度。

由于TPILi并不是在区间[1，6]内的连续变量，因此对TPIR的取值区间进行处理。处理方法是“四舍五入”。处理后的计算结果相较处理前更能真实地反映道路的交通运行状态。根据以上处理方法，处理后的道路交通运行状态指数变化为：

(8)

处理后的交通运行状态指数同取值对应的道路交通运行状态的对应关系如表5表示。

表5 取值与道路交通运行状态对应关系表

2 沪宁高速公路交通状态评估

2.1 沪宁高速公路分路段交通状态评估

根据沪宁高速公路全段交通流量、速度、时间占有率和延误等交通运行状况，综合考虑路段道路特征、沿线出入口分布情况等因素，分别从沪宁高速公路宁镇段、常州段、无锡段和苏州段选取镇江—河阳、常州—横山、硕放—东桥和陆家—花桥进行断面的交通状态评估，分析四个路段代表断面的工作日、节假日全天的交通运行状况。

(1)镇江—河阳

工作日期间，镇江—河阳段交通运行状态良好，流量1300～9100pcu/h，速度基本在100km/h以上，平峰TPIL值小于0.2，处于一、二服务水平，车辆能以自由速度行驶，互相干扰微小；高峰时段(8∶00—17∶00)TPIL值在0.2和0.3之间，即工作日镇江—河阳路段交通处于二级服务水平。国庆、中秋等节假日，镇江—河阳流量6000～13000pcu/h，速度70～100km/h，TPIL值在0.2～0.5之间，即节假日镇江—河阳路段交通处于三级服务水平。

(2)常州—横山

工作日期间，横山—硕放段流量在1000～7000pcu/h，白天(7∶00—18∶00)间流量较大，5000～7000pcu/h，夜间(0∶00—5∶00)流量基本在1000～2000pcu/h；全天速度基本在100km/h以上，车辆行驶自由度高，速度差较小，TPIL值小于0.3，即处于一、二级服务水平。节假日期间，小时流量增加，白天(7∶00—18∶00)流量在7000～13000pcu/h，速度值处于80～90km/h，TPIL值在0.4左右，处于三级服务水平，其余时间流量基本在6000～7000pcu/h，TPIL值在0.3左右，即二级服务水平。

(3)硕放—东桥

工作日期间，硕放—东桥段流量在1500～13000pcu/h，白天和夜间相比流量波动较大，速度在70～100km/h，能保持正常运行，平峰时段TPIL值在0.4～0.5，处于三、四级服务水平；高峰时段(7∶00—18∶00)TPIL值在0.5～0.8，处于四、五级服务水平。节假日期间，流量在6000～13500pcu/h之间，夜间流量较工作日增加，高峰时间TPIL值为0.6～0.95，即大部分时段处于四、五级服务水平，存在部分短时段(<15min)流率大于通行能力，即位于六级服务水平，但随时间逐步疏散。

(4)陆家—花桥

工作日期间，陆家—花桥段流量在1500～10000pcu/h，TPIL值小于0.5，速度大于80km/h，基本处于三级及三级服务水平以下，交通运行状态良好。节假日期间，流量增加明显，为4000～12000pcu/h，高峰时段(8∶00—17∶00)流量基本在10000～12000pcu/h，TPIL值在0.6～0.8，处于四、五级服务水平，平峰时段在7000pcu/h左右，TPIL值为0.5左右，处于三级服务水平。

2.2 沪宁高速公路交通状态评估

表6 沪宁高速公路各段交通运行状态指数表

宁镇段和常州段的交通运行状态良好，工作日和节假日的服务水平均在三级以下，车辆运行顺畅，互相干扰较小。无锡段的交通运行状态一般，工作日高峰时段达到五级服务水平，节假日位于四、五级服务水平，车辆跟驰行驶，互相干扰较大，较小的扰动可能会引发拥堵，通行效率有待提升。苏州段交通运行状态介于其之间，工作日基本处于三级服务水平，节假日在三级和五级服务水平之间，交通运行状态不稳定。

3 沪宁高速公路通行能力提升策略

经过上述分析可知，沪宁高速部分路段可能会引发拥堵，通行效率不高，交通运行状态不稳定，本节提出了部分关于沪宁高速公路通行能力的提升策略。

根据路段大流量成因，选取高速公路诱导分流控制、应急车道开放管理、货车错峰出行等交通组织方式，实现高速公路的“智慧扩容”。对由于出入口匝道过多、交织区影响密集而造成的大交通量区段，如无锡段，应及时采取高速公路主线控制策略，对车辆进行调节、诱导、指挥和协调。

对沪宁高速公路事故多发段，如无锡段双向和苏州段宁沪方向集中采取出入口段和交织区的交通事故采取预防整治措施，达到减少出入口匝道处事故多发和事故发生后快速处理的目的。

4 总结

根据构建的针对路段和道路的高速公路运行状态评价的指标体系，提出了高速公路运行状态的评估方法，并将评估结果与现行标准的六级服务水平对应，为后续交通运行状态评价奠定基础。通过分析现状运行数据，得到了沪宁高速公路宁镇段、常州段、无锡段和苏州段分别在工作日、节假日平、高峰的服务水平状况。根据沪宁高速公路的交通运行状况，提出了部分通行能力的提升策略，如出台合理的交通组织方案、整治重点事故路段等。