趙麗萍

（中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510320）

0 前言

高速公路發(fā)展過(guò)程中，流量預(yù)測(cè)至關(guān)重要。在項(xiàng)目建設(shè)前期或者改擴(kuò)建期，需根據(jù)流量預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理確定；在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期，需根據(jù)流量預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行運(yùn)營(yíng)、管理等方面的評(píng)價(jià)和分析；在項(xiàng)目轉(zhuǎn)讓期，需根據(jù)流量預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行資產(chǎn)評(píng)估。對(duì)項(xiàng)目背景進(jìn)行準(zhǔn)確分析，并全面收集與項(xiàng)目有關(guān)的基礎(chǔ)資料，是高速公路流量預(yù)測(cè)的理想前提。但是，不同前提下，高速公路的背景、基礎(chǔ)資料收集等情況也各不相同，這些都會(huì)影響對(duì)流量預(yù)測(cè)方法的選擇。為此，該文提出根據(jù)項(xiàng)目背景以及基礎(chǔ)資料的獲取情況，采用適宜的方法對(duì)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合山東省A高速實(shí)例進(jìn)行流量預(yù)測(cè)研究，對(duì)探索預(yù)測(cè)方法的實(shí)踐應(yīng)用具有一定借鑒意義。

1 高速公路項(xiàng)目背景分析

A高速位于山東省，是連通東北三省、京津冀、山東半島及環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的重要高速通道，其建成通車對(duì)提高山東省南北向的運(yùn)輸流通能力、強(qiáng)化山東省與京津冀區(qū)域的聯(lián)系、推動(dòng)黃河三角洲產(chǎn)業(yè)共融和互聯(lián)互通等都具有重要意義。A高速分二期建設(shè)，該研究啟動(dòng)時(shí)，一期已通車，二期在建。A高速所在區(qū)域當(dāng)前主要有榮烏高速、京滬高速、G228、G339等高速和國(guó)道干線，具備不錯(cuò)的交通基礎(chǔ)環(huán)境。A高速及其所在高速通道的建成通車，主要是分擔(dān)現(xiàn)有高速和國(guó)道的交通壓力，進(jìn)一步改善腹地及周邊區(qū)域的交通環(huán)境。

2 預(yù)測(cè)思路

各國(guó)學(xué)者對(duì)高速公路流量預(yù)測(cè)的大量研究也形成了許多預(yù)測(cè)方法[1]，其中以“四階段法”[2]和“增長(zhǎng)率法”[3]較為常用。但實(shí)踐中，要提升高速公路流量預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性，需要結(jié)合實(shí)際情況選擇合理的預(yù)測(cè)方法，尤其是要綜合考慮背景及收集的基礎(chǔ)資料來(lái)選擇合適的預(yù)測(cè)方法。

在對(duì)A高速進(jìn)行研究時(shí)，獲取的基礎(chǔ)資料包括：工可中的OD調(diào)查數(shù)據(jù)，A高速一期流量數(shù)據(jù)，榮烏高速、京滬高速、G228、G339等相關(guān)道路連續(xù)式觀測(cè)站歷史年交調(diào)數(shù)據(jù)，影響區(qū)域宏觀經(jīng)濟(jì)與交通的歷史及規(guī)劃資料。

由于A高速尚未全線通車，未形成連接京津冀與山東的南北交通通道，現(xiàn)狀流量較小，以沿線直接腹地流量為主。現(xiàn)狀流量完全不能體現(xiàn)其連通京津冀、山東半島的環(huán)渤海交通大動(dòng)脈功能，趨勢(shì)交通流量的基數(shù)不易確定。A高速全線通車后，將承擔(dān)榮烏高速、G228、G339等周邊道路的轉(zhuǎn)移交通流量，以及直接腹地交通環(huán)境改善后的誘增交通流量。由于缺乏詳盡的各道路交通流量OD數(shù)據(jù)，很難對(duì)潛在的轉(zhuǎn)移交通流量的基數(shù)進(jìn)行量化，因此增長(zhǎng)率法較難實(shí)施。

同時(shí)，雖然大規(guī)模的出行調(diào)查不便開展，無(wú)法直接獲得現(xiàn)狀OD，但A高速在早期工可階段進(jìn)行過(guò)OD調(diào)查，且已全面掌握項(xiàng)目影響范圍內(nèi)高速、國(guó)省道的交通調(diào)查數(shù)據(jù)，因此，可通過(guò)路段交通流量來(lái)反推基年的現(xiàn)狀OD，進(jìn)而利用“四階段法”預(yù)測(cè)。具體預(yù)測(cè)步驟分為以下四步。

（1）獲取基年OD：在全面掌握項(xiàng)目影響范圍內(nèi)高速、國(guó)省道交調(diào)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用工可階段OD數(shù)據(jù)作為種子矩陣，反推基年OD[4]。

（2）交通生成預(yù)測(cè)：采用傳統(tǒng)的彈性因子法進(jìn)行預(yù)測(cè)[5]。

（3）交通分布預(yù)測(cè)：采用弗雷特法[6]進(jìn)行趨勢(shì)交通流量的交通分布預(yù)測(cè)，采用重力模型進(jìn)行誘增交通流量的交通分布預(yù)測(cè)。

（4）交通分配預(yù)測(cè)：建立模型，結(jié)合項(xiàng)目影響區(qū)域路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，采用多路徑概率分配法進(jìn)行流量分配，得到預(yù)測(cè)結(jié)果。

3 預(yù)測(cè)方法

3.1 獲取基年OD

3.1.1 基本思路

基于項(xiàng)目實(shí)際，基年OD獲取的思路是采用OD反推方法，獲得各區(qū)域的交通產(chǎn)生及吸引量。調(diào)查路段則是進(jìn)行OD反推的特征路段，其選取應(yīng)遵循OD覆蓋、最大流量、最大截流及獨(dú)立原則。

3.1.2 種子矩陣

初始種子矩陣表示了小區(qū)之間的流量分配，其與實(shí)際情況越相近，OD反推的結(jié)果越理想。因此，在全面掌握項(xiàng)目影響范圍內(nèi)高速、國(guó)省道交調(diào)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用工可階段OD數(shù)據(jù)作為種子矩陣，反推基年OD，數(shù)據(jù)充分，精度可靠。

3.1.3 OD反推方法

OD反推，是一種在未進(jìn)行大規(guī)模的交通調(diào)查時(shí)，利用現(xiàn)有道路上的一些路段的流量，根據(jù)初始的種子矩陣對(duì)其進(jìn)行多次分配，并通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，使道路網(wǎng)上所分配的交通量盡可能地與實(shí)測(cè)交通量保持一致，其得到的結(jié)果就是基年OD。

該研究采用多路徑OD矩陣反推方法，以及隨機(jī)用戶平衡分配方法。反推過(guò)程中，在每個(gè)OD對(duì)間，分配流量將與觀測(cè)流量作對(duì)比，并進(jìn)行相應(yīng)的校正。

式中，T(E)ija——i到j(luò)路段a上的期望交通流量；τ——路段交通路徑選擇集；pijr——i到j(luò)間選擇使用路徑r的概率；n——迭代次數(shù)。

OD反推矩陣質(zhì)量如何，取決于所觀測(cè)交通量的準(zhǔn)確性及覆蓋程度。因此在反推前需要有充分的交通量收集過(guò)程。依據(jù)反推后的數(shù)據(jù)表，計(jì)算調(diào)查與模型分配流量之間的誤差，便可分析反推結(jié)果的準(zhǔn)確度。公式為：

式中，V2——流量數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)；V1——調(diào)查的流量數(shù)據(jù)。

3.2 交通生成預(yù)測(cè)

利用傳統(tǒng)的彈性因子法對(duì)交通發(fā)生和吸引量進(jìn)行預(yù)測(cè)。該方法的計(jì)算公式如下：

式中，Ai——特征年i區(qū)交通發(fā)生或吸引總量；A0i——基年i區(qū)交通發(fā)生或吸引總量；Ei——i區(qū)GDP增長(zhǎng)率；Ri——i區(qū)彈性系數(shù)；n——預(yù)測(cè)年限。

通過(guò)對(duì)宏觀交通數(shù)據(jù)（包括客貨汽車保有量、客貨運(yùn)輸量等）與GDP進(jìn)行回歸分析，分析發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而確定未來(lái)彈性系數(shù)。彈性系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，Ei——i區(qū)交通運(yùn)輸彈性系數(shù)；rxi——i區(qū)運(yùn)輸指標(biāo)增長(zhǎng)率；rGDPi——i區(qū)GDP增長(zhǎng)率。

3.3 交通分布預(yù)測(cè)

3.3.1 趨勢(shì)交通流量

增長(zhǎng)系數(shù)法和重力模型法是交通分布預(yù)測(cè)的主要方法，高速公路的流量預(yù)測(cè)涉及行政區(qū)域較多，且在已有現(xiàn)狀交通分布時(shí)，易采用增長(zhǎng)系數(shù)法。該研究采用增長(zhǎng)系數(shù)法中的弗雷特法進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到未來(lái)各區(qū)之間的交通流量分布，即趨勢(shì)OD表。具體模型如下：

式中，Qi'j(1)——第一次分布i區(qū)與j區(qū)的交通量；Qij——基年i區(qū)與j區(qū)的交通量；pi——i區(qū)基年發(fā)生交通量；aj——j區(qū)基年吸引交通量；Pi——特征年i區(qū)發(fā)生交通量；Aj——特征年j區(qū)吸引交通量。

3.3.2 誘增交通流量

出行阻抗是公路的誘增交通流量主要考慮的因素之一，大部分是以日常出行時(shí)間作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。該研究利用重力模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。模型如下：

式中，Gi——小區(qū)i的發(fā)生交通量；Aj——小區(qū)j的吸引交通量；Dij——i，j之間的出行阻抗；α、β、γ、k——均為模型系數(shù)。

利用模型（10），按照“有無(wú)比較法”原則，根據(jù)模型（11）計(jì)算誘增交通流量：

式 中，Q'kij——i至j區(qū)k型 車 的 誘 增 交 通 量；Qkij——i至j區(qū)k型車的趨勢(shì)交通量；D'ij——有此項(xiàng)目時(shí)，i至j區(qū)的出行時(shí)間；Dij——無(wú)此項(xiàng)目時(shí)，i至j區(qū)的出行時(shí)間；γk——k型車的重力模型參數(shù)。

通過(guò)上述公式計(jì)算得到各特征年的誘增OD分布表。誘增OD分布表與趨勢(shì)OD分布表一起構(gòu)成項(xiàng)目影響區(qū)各特征年的出行OD表。

3.4 交通分配預(yù)測(cè)

交通流量分配則基于路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，采用多路徑概率分配法進(jìn)行，多路徑概率分配模型如下：

式中，pk——第k條路徑的交通流量分配率；θ——分配參數(shù)；tk——第k條路徑的阻抗；ti——第i條路徑的阻抗；m——可供選擇的路徑數(shù)。

上述模型中的路徑阻抗為廣義阻抗，綜合考慮車輛在路線上的行駛時(shí)間、運(yùn)營(yíng)成本、時(shí)間價(jià)值、通行費(fèi)用等因素。

4 實(shí)例分析

4.1 獲取基年OD

基于OD反推，利用TransCAD軟件計(jì)算得到現(xiàn)狀基年OD。根據(jù)基年客貨車OD表，可得到各小區(qū)日均交通發(fā)生吸引量（見表1）。

表1 各交通小區(qū)發(fā)生吸引量 /（pcu/d）

為驗(yàn)證基年OD的精度，將經(jīng)過(guò)推算得到的基年OD在現(xiàn)狀路網(wǎng)上進(jìn)行分配，利用公式（4）對(duì)分配得到的流量與現(xiàn)狀調(diào)查的流量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖1所示：

圖1 基年OD分配路網(wǎng)高峰小時(shí)流量分布圖

通過(guò)路段調(diào)查交通量與交通分配所得的分配流量的比值可以看出，絕大部分路段流量觀測(cè)值與分配值之間的誤差都保持在15%以內(nèi)，基年OD基本滿足模型精度要求。

4.2 交通生成預(yù)測(cè)

4.2.1 國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)

依據(jù)對(duì)歷史年份經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)分析，并參考各地區(qū)“十四五”發(fā)展規(guī)劃，采用定量方法，進(jìn)而考慮GDP基本呈現(xiàn)增速減緩的趨勢(shì)，對(duì)項(xiàng)目影響區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)（詳見表2）。

表2 影響區(qū)GDP增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)值

4.2.2 彈性系數(shù)預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)歷年的汽車保有量、客貨運(yùn)輸量與GDP進(jìn)行回歸分析，得到歷史年份的客貨彈性系數(shù)。據(jù)此研究彈性系數(shù)的發(fā)展規(guī)律，并預(yù)測(cè)未來(lái)年各影響區(qū)的彈性系數(shù)，詳見表3。

表3 影響區(qū)客貨車彈性系數(shù)

綜合表1~3及公式（5），計(jì)算得到各特征年發(fā)生吸引量。

4.3 交通分布預(yù)測(cè)

基于交通生成預(yù)測(cè)結(jié)果，分別采取弗雷特法和重力模型計(jì)算出特征年的客貨OD分布表及誘增OD分布表，兩者一起構(gòu)成了項(xiàng)目影響區(qū)未來(lái)特征年客貨車出行OD表。其中特征年2022年和2047年的OD總表見表4和表5。

表4 2022年客貨車OD /（pcu/d）

表5 2047年客貨車OD /（pcu/d）

4.4 交通分配預(yù)測(cè)

根據(jù)預(yù)測(cè)得到的未來(lái)年客貨車出行OD表，結(jié)合特征年路網(wǎng)，采用TransCAD軟件，選擇多路徑概率分配法進(jìn)行交通流量分配，得到A高速的流量預(yù)測(cè)結(jié)果，見表6。

表6 特征年流量預(yù)測(cè)結(jié)果表/（pcu/d）

5 結(jié)語(yǔ)

該文基于大量高速公路流量預(yù)測(cè)的實(shí)踐提出其預(yù)測(cè)方法的選擇不宜一概而論，而應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際背景，選擇合適的預(yù)測(cè)方法。該文以A高速作為實(shí)例，對(duì)其背景資料進(jìn)行分析并選擇合適的預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)得到特征年的流量預(yù)測(cè)結(jié)果，可以為同等背景下的高速公路流量預(yù)測(cè)路徑提供參考，具有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。