基于四阶段法的鹦鹉洲长江大桥交通量预测

何 波

（武汉天兴洲道桥投资开发有限公司 武汉 430011）

0 引 言

武汉是一个典型的滨江城市，三镇鼎立、两岸均衡发展的格局导致长期以来过江交通一直是城市交通的首要问题，也是制约武汉市发展的一个重要因素.新一轮《武汉市城市总体规划（2006～2020年）》提出，在武汉都市发展区范围内构建“四环十八射”快速路骨架系统，形成“环网结合、轴向放射”的城市快速路体系，强化长江两岸沿江快速通道建设.为缓解中心城区过江交通压力，建设鹦鹉洲过江通道迫在眉睫.

本文以拟建武汉鹦鹉洲长江大桥为对象，采用国际通用的“四阶段”预测模型，使用国际先进的交通规划软件EMME／3，对其未来交通流量进行预测分析，为桥梁建设项目评价、桥梁技术经济评价和桥梁两岸疏解方案提供依据.

1 工程概况

目前，武汉市主城区长江上现有5条通道，分别为武汉长江大桥、武汉长江二桥、白沙洲长江大桥、青岛路长江隧道和天兴洲大桥，共有过江车道26条.近年来，过江交通总量逐年上升，且分布极不均衡，过江交通矛盾主要集中在中心城区，过长江流量由2003年的22万辆／d，增加至2008年的30.3万辆／d，其中2008年有较大幅度增长，较2007年增长8.2%.中心区的2座过江桥梁长江大桥和长江二桥长期超负荷运行，长江大桥由于采取了单双号通行的限制措施，交通量长期保持在8.5万～9.5万辆之间，平均每车道承担交通量2.3万辆.长江二桥流量增长迅速，从2000年的每日不到6万辆迅速增长到2008年的13万辆以上，最高峰时达到了14万辆，平均每车道承担交通量2.3万辆.通过对长江二桥持续的流量观测，长江二桥全天和全周都不存在明显的波峰和波谷特征，通行的全时段都是高位超负荷运行.2座中心区桥梁交通量已经远远超出设计通行能力，处于严重的超负荷运行状态，急需新的过江通道来分担过江交通压力.

鹦鹉洲长江大桥是新一轮城市总体规划中新增的一条过江通道，是城市二环线的重要组成部分，其距长江大桥约2.0km，距规划的杨泗港过江通道约3.2km，距白沙洲长江大桥约6.3km，距轨道交通4号线过江段约0.5km，设计车速60km／h，双向8车道.两岸接线工程采用全程主线高架加地面道路形式，汉阳岸设交江堤立交、墨水湖立交与墨水湖北路相接；武昌岸在津水路附近设梅家山立交（三期）与雄楚大道相接，工程主线全长9 181m.

2 交通流量预测方法

交通量预测是进行交通状况评价、综合分析建设项目必要性和可行性的前提和基础，也是确定公路建设项目的技术等级、工程规模以及经济评价的主要依据和决定公路项目效益的核心内容之一.其根据历史的、现状的、未来的经济发展水平和交通状况与特征，预测未来的交通流量，预测的水平和质量将直接影响到项目决策方案的科学性和合理性［1－4］.

国内外一般采用的以集合分析思想为指导，包含各类预测方法和模型在内的四阶段预测法来进行交通需求预测.四阶段法以1962年美国芝加哥市发表的《Chicago Area Transportation Study》为标志，之后逐渐演变成了交通发生、交通分布、交通方式划分和交通分配4个步骤，将现状的地区社会经济资料，现状的地区交通出行资料，按照地区经济的增长趋势及目标，利用预测方法推导出未来的地区出行需求，再将未来各个交通区的交通发生与吸引总量进行地区间的空间分布预测，求得区与区之间的出行，再通过交通方式选择模型，求得各种交通方式的分担量，最后将所有的出行需求分配到路网上，并以此配合道路网规划，检验现有道路网的负荷，为区域道路网的规划提供科学的依据［5－8］，其武汉市交通预测模型结构及功能见图1.

图1 武汉市交通预测模型结构及功能

2.1 交通预测模型

武汉市的模型由客流模型和车辆模型组成，即模型是在人员出行调查和车辆出行调查的基础上分别建立的，车辆模型与客流模型之间的相互联系紧密，由人员出行方式划分所得的客车（泛指客车、出租车、摩托车等）方式总量，决定车辆生成总量.

根据交通预测“四步骤”理论，预测模型包括出行生成模型、出行分布模型、方式划分模型和交通分配模型四部分.由于人和货物的移动主要通过车辆来进行，机动车是道路的主要使用者，其出行情况与城市经济发展和土地利用息息相关，因此客车的生成总量受人员方式划分中客车方式总量制约，车辆出行分布规律可依照车辆模型而来.这样，机动车出行模型分为机动车生成模型、机动车分布模型、机动车分配模型3大块.

2.1.1 机动车生成模型 该预测模型是在1998年综合交通调查数据基础上，基于EMME／3软件平台建立的，之后经过多次小样本调查和出租车、自行车和武汉市对外交通集散点客流抽样问询调查，将主城划分为429个交通小区，外围组团划分为282个交通小区，按照武汉三镇、7个片区、4类用地采用交叉分类方法生成交通量.

在除日粮外的养殖系统、饲养条件等外界条件均相同的情况下，设置对照组和各试验组。正式试验开始前将虾苗暂养在3 m3圆形钢化玻璃缸中，并投喂基础饲料进行驯化饲养，待虾苗长到2.5 cm左右，选择体格健壮，无病无害，生长状况良好的虾苗随机分为4组，每组设置3个重复，每个重复30尾虾。试验开始时平均初始体重为(0.193±0.002)g，每箱的总重是(5.82±0.05)g。分箱后再用基础饲料暂养3 d，试验虾达到摄食的稳定状态后开始饲养试验。试验日粮按照虾总重的5%～8%投喂(日投饲量按照虾的摄食情况和水温具体制定)。

2.1.2 机动车分布模型 出行分布是指交通分区之间的出行交换，任意2个交通分区之间的出行分布量与这2个分区各自的出行生成量和区间出行阻抗有关.分布预测即对各交通区之间及各交通区内部的出行量进行预测，常用的出行分布模型有增长系数模型、重力模型和机会模型等.根据武汉市实际情况，对武汉市内车辆选用了重力模型，出入口采用了增长系数法.假定交通区i到交通区j的交通分布量与交通区i的交通产生量、交通区j的交通吸引量成正比，与交通区i和j之间的交通阻抗参数，如2区间交通的距离、时间或费用等成反比.

重力模型的基本形式：

式中：Tij为i区到j区出行量；Pi为i区发生量；Aj为j区的吸引量；tij为i区到j区的出行阻抗；F（tij）为摩阻函数，用Γ函数表示.

模型校核：与居民客流分布模型相比，本次机动车分布模型校核主要看计算OD值与调查OD值频率分布和平均出行长度，平均出行时间校核结果、计算OD值与调查OD值拟合的拟合曲线见表1和图2.从图2中可见，机动车分布模型符合要求.

表1 平均出行时间校核结果

2.1.3 机动车分配模型

图2 机动车拟合曲线图

1）机动车分配算法 在已知全部的出行的起点和终点的情况下，便可利用机动车分配模型在路网上得出各路段和路口的交通流量，同时还可以得到行程车速和交通延误的数值，并计算得出道路的V／C.这些成果往往是人们进行交通预测所需要的最后成果，是进行交通分析和方案评价所需要的指标，因此交通分配模型是交通预测模型中最关键的一部分.本次交通分配模型建立在EMME／3上，采用平衡分配法.

式中：TC为综合阻抗；Tt为行程时间；TD为行程距离阻抗；Tp为费用阻抗；L为行程距离；F为通行收费；MD为时间／距离换算系数.

3）机动车分配过程 在确定了分配算法、延误函数、基本路网和车辆分布OD矩阵以后，就可以进行交通分配，通过以下几个步骤完成：（1）非机动车的交通分配.考虑到非机动车在道路上行驶具有很强的灵活性，且对机动车有一定的影响，因此先分配非机动车的流量.先在路段属性中将非机动车延误函数代码提取出来，并将延误函数集调入，再调用车辆OD矩阵，然后根据系统提供的平衡分配方法进行分配；（2）公交车的交通流量计算.由于公交车是定线行驶，在道路上的行驶不受最短路径的影响，只与发车间隔有关，因此可通过计算来确定公交车在道路上的流量；（3）机动车的交通分配.主要通过多车种同时分配及单车种分配方式完成.多车种同时分配方式为设定所有车种在道路上的通行权相同，各车种同时分到路网上.单车种分配方式，是将车辆OD逐一分配道路网上，先分配的车种优先通行，后分配的车种通行权越来越小.武汉市采取的是先分客车、后分货车的方法.分配过程与非机动车的分配过程类似；（4）分配模型校核.将现状机动车OD矩阵模拟分配到现状路网上，并用现状道路交通流量观测值进行校核，以各条校核线总量来校核OD矩阵，以具体道路断面的流量来校核分配程序，特别是检验路段延误函数设置的正确与否.

2.2 预测前提

对于交通流量预测，假设前提条件不同，会导致车流预测结果不同.按照武汉市委十一届五次全会和《中共武汉市委武汉市人民政府关于围绕“两型社会”建设、完善城市管理体制的若干意见》，通过对武汉市经济发展水平、道路网络、人口岗位规模与分布、过江通道的规划与管理、公共交通、机动车拥有量、交通政策等方面的研究，得出鹦鹉洲长江大桥交通流量预测假设前提总指标如表2所列.

3 预测结果

3.1 鹦鹉洲大桥车道数分析

结合交通预测模型，在2015年主城区建成长江大桥、长江二桥、鹦鹉洲长江大桥、二七路长江大桥、青岛路过江隧道、天兴洲长江大桥和白沙洲长江大桥，2020年前建成杨泗港过江通道，2035年建成黄家湖过江通道的前提下，对鹦鹉洲长江大桥6车道和8车道及武汉市其他过江通道2015年、2020年及2035年的交通流量进行预测，预测的结果如表3所列.

对比2015年、2020年和2035年3个年份流量预测分析结果，若鹦鹉洲长江大桥按照双向6车道的标准进行建设，2015年日交通量将达到7.4万辆，2020年达到7.7万辆，2035年达到9.8万辆.若鹦鹉洲长江大桥按照双向8车道的标准进行建设，2020年日交通量达到9万辆，2020年达到9.5万辆，2035年达到11.4万辆，相比于6车道方案，8车道方案中的所有其余过江通道的交通压力均有所缓解，能够更有效的缓解中心城区过江交通压力，同时对均衡各条过江通道的交通压力作用更加有效.

表2 鹦鹉洲长江大桥交通流量预测前提

因此，鹦鹉洲长江大桥采取6车道或8车道均能有效缓解中心城区过江交通压力，但设置8车道比设置6车道更能缓解中心城区的过江交通压力.

3.2 各年鹦鹉洲通道过江流量

结合特征年鹦鹉洲长江大桥交通流量预测和流量增长规律，按照鹦鹉洲长江大桥8车道设置、杨泗港过江通道于2020年前建成通车进行分年度预测，得出2014～2035年鹦鹉洲长江大桥各年交通流量，结果如表4所列.

表3 鹦鹉洲长江大桥6、8车道交通预测表 万辆／d

表4 鹦鹉洲长江大桥交通预测流量表

3.3 鹦鹉洲通道过江通道交通特征分析

为了准确把握鹦鹉洲长江大桥引发交通流量的特征，本文对了鹦鹉洲长江大桥交通吸引范围进行了预测分析，得出2020年鹦鹉洲长江大桥交通吸引范围图，见图3.

图3 2020年鹦鹉洲长江大桥交通吸引范围图

从预测的结果来看，鹦鹉洲长江大桥在汉阳岸主要通过一环线上的梅子路立交、墨水湖北路、鹦鹉大道和拦江堤路进行疏散，武昌岸则主要通过二环线上的梅家山立交、雄楚大街、复兴路以及武咸公路进行疏散.从鹦鹉洲长江大桥引发流量的主流向分析来看，主流向通过二环线上的墨水湖北路、梅子路立交、月湖桥、梅家山立交进行疏散；这切合了鹦鹉洲长江大桥作为二环线上一座重要过江通道的功能定位.

3.4 鹦鹉洲大桥车种构成比例预测分析

根据交通分配的结果，假定鹦鹉洲长江大桥不限制任何车种的通行，统计得到2020年鹦鹉洲长江大桥车辆交通车种构成如表5所列.从车种的构成看出，鹦鹉洲长江大桥的车种以客运为主、货运为辅，客运交通占总流量的60%以上.（由于城市道路交通车种的构成与交通政策、交通管理措施等因素紧密相关，因此，本车种预测的结果仅供参考）.

表5 鹦鹉洲长江大桥车辆的车种构成 %

4 结 论

1）鹦鹉洲长江大桥具有落实城市总体规划用地，带动武汉新区和武昌旧城改造，满足机动化发展需求，缓解中心城区过江交通压力，完善道路网络系统等功能，其建设势在必行.

2）鹦鹉洲长江大桥采取6车道或8车道建设方案均具备符合其交通功能定位、满足交通需求、对中心城区桥梁的分流作用明显，无论采取6车道建设标准或8车道建设标准，均可满足交通的需要.

3）由于过江通道资源有限，考虑到日益增长的机动化需求，同时6车道过江桥梁和8车道过江桥梁在造价上差别不明显等因素，建议鹦鹉洲长江大桥采取8车道建设标准为宜.

［1］盖春英，裴玉龙.基于公路网的路段交通量预测方法研究［J］.公路交通科技，2002，19（1）：76－79.

［2］交通部公路规划设计院.公路建设项目可行性研究指南［M］.长春：吉林科学技术出版社，1991.

［3］GAO Yuanliu.Traffic forecast and economic evaluation in feasibility study［J］.Hunan Communication Science and Technology，1998（3）：68－70.

［4］刘运哲，何显慈.公路运输项目可行性研究［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［5］Transportation research board.Highway capacity manual［R］.Transportation Research Board Special Report 209，Washington，D C，Revised，1994.

［6］MA Shoufeng，HE Guoguang，WANG Shitong.A traffic flow forecast supported system based multiagent［J］.Intelligent Transportation Systems，2001.Proceedings，2001IEEE：620－624.

［7］黎 伟，陈义华.基于四阶段法的交通需求预测组合模型［J］.重庆工学院学报：自然科学版，2007，21（3）：93－95.

［8］田智慧，王世杰.基于四阶段预测理论的公路交通量预测研究［J］.郑州大学学报：工学版，2008，29（3）：133－136.