基于武汉市ETC系统的交通运行分析色谱图

（武汉市交通发展战略研究院，湖北武汉430017）

0 引言

随着社会经济水平和机动化水平的迅速提高以及交通需求的快速增长，中国大城市道路交通拥堵现象日益严重，武汉市也面临同样的交通问题。为了缓解城市交通拥堵，提高交通运行效率，辅助政府决策与交通规划，北京、上海、广州、深圳、杭州等城市建立了不同功能的交通信息系统，广泛应用于城市交通规划建设与管理，并取得了显著效果。交通信息系统为解决交通问题提供了新思路和新手段，通过多方位数据融合分析，为制定有针对性的交通改善措施和实施方案、最大限度地提高交通系统的运行效率提供强大的技术支持。

武汉市于2010年开始交通信息系统的前期研究工作，2011年完成以浮动车系统、拥堵评价系统为核心的一期工程，并于2012年正式启动以ETC流量分析子系统(以下简称“ETC系统”)、调查流量分析子系统、模型分析子系统和决策支持平台为核心的二期工程。武汉市已成为中国首个全面安装车辆电子标签(Radio Frequency Indentification,RFID)的城市。目前，交通信息系统全面接入武汉市“七桥一隧”ETC过江实时流量数据。

1 ETC流量分析子系统

1.1 背景

武汉市自2011年7月1日开始对通过长江公路桥、长江隧道、白沙洲大桥、天兴洲长江大桥、睛川桥、月湖桥、长丰桥的车辆按ETC方式征收通行费，同时停止使用原通行年费征收方式。2012年12月二七长江大桥也开始实施ETC收费。ETC系统能够实现不停车电子收费功能，ETC电子标签识别率达99%以上，车牌抓拍系统对未安装电子标签车辆的整体识别率达90%以上。

图1 速度-流量曲线模型Fig.1 Speed-flow diagram

表1 速度等级划分Tab.1 Speed categorization

表2 路段服务水平划分Tab.2 Classification of roadway level of service

武汉市ETC系统的建立，为基于ETC数据的交通通道流量、运行速度、OD分布分析提供了条件。并且，较高的车辆电子标签覆盖率为未来分析武汉市全网的交通运行情况及出行时空分布带来了契机，只需在足够的点断面(理论上覆盖干路，具体视城市面积而定)安装微波专用短程通信设备就可获取大范围流量、运行速度及OD分布等核心交通数据，因此，武汉市基于ETC系统的交通信息数据分析工作前景广阔。

1.2 建设计划

由于该系统需要在主要道路上布设ETC路侧单元以实时监测道路流量信息，而路侧单元的布设是一项大型的系统工程，因此，武汉市ETC流量分析子系统应分两个阶段进行建设：

1）先期接入现有“七桥一隧”过江流量数据，构建ETC分析系统框架；

2）分批次布设路侧单元，进行全市主干路网的交通运行监测和OD推算。

2012年底，武汉市ETC流量分析子系统的建设已完成第一阶段内容，目前正在进行第二阶段路侧单元的选址与论证，本文主要针对ETC流量分析子系统中交通运行分析色谱图的构建进行分析，根据实时流量推导动态OD这一过程(第二阶段)暂不作讨论。

2 交通运行分析色谱图

2.1 构建原因

ETC流量分析子系统能够实时监测道路(目前仅为过江通道)流量信息，但不能反映通道的交通运行状态。由于目前只有8个断面的过江流量和车辆电子标签数据，只能进行过江通道的OD分布推算，ETC流量分析子系统的功能难以充分发挥。因此，需要在第一阶段从实时监测上寻找突破口，同时为判断武汉市浮动车系统对于道路运行状况监测的准确程度提供帮助。

常用的速度-流量模型为格林希尔治模型(Greenshields)[1]、Van Aerde四参数单一结构模型等，文献[2]及文献[3]等也对速度-流量关系进行了研究，表明不同模型的适用性以及城市道路与高速公路在畅行速度和车道通行能力上的区别等。

速度-流量模型主要反映道路畅通-饱和-拥堵-停滞的过程(见图1)，但模型只大致划分了拥挤区和非拥挤区，虽然有些学者也对交通状态的运行区域进行了讨论及划分，但缺少定量的描述。同时，大多数情况下运用服务水平单一指标对道路运行状况进行衡量不够准确和全面，因此，本文通过流量、速度双指标对道路运行状况进行判断，构建交通运行分析色谱图。

2.2 数据来源

对过江通道进行交通运行判断需要结合速度、流量两项指标，因此，绘制速度-流量图的主要数据源为：

1）道路运行实时车速。

主要来源于浮动车系统的道路实时车速数据。2011年，借助武汉市1.4万台出租汽车GPS数据，研发道路匹配算法，将运营出租汽车的车速转换为城市道路运行的平均车速。同时，搜集约2万份驾驶人拥堵感受调查数据，建立车速与拥堵指数之间的关系，以0～10的数值对拥堵指数进行量化：＜2为畅通，2～＜4为基本畅通，4～＜6为轻度拥堵，6～＜8为中度拥堵，8～10为严重拥堵。

2）ETC过江实时流量。

建立速度-流量关系需要有与道路实时平均车速相对应的流量。武汉市已收集“七桥一隧”的实时流量，本文主要通过接入ETC过江通道的实时流量数据，与浮动车系统得到的实时车速进行整合分析。

2.3 构建流程

1）构建速度-流量散点图。

以实时车速为纵坐标，实时流量为横坐标，15 min为时间间隔，构建约一个月时间的速度-流量散点图。其中车速为断面平均车速，流量为单车道平均流量，分析可能适用的模型(Greenshields或Van Aerde四参数单一结构模型)。

2）标定阻塞密度(Kj)和畅行速度(Vf)。

对原模型进行公式变换，得到车流阻塞密度(Kj)和畅行速度(Vf)值。

3）调整曲线。

由于样本数据质量会直接影响参数的标定，因此标定完成后，需要对曲线参数进行校核，对畅行速度和单车道实际通行能力进行定性判断和微调；

4）确定等级划分标准。

建立速度-流量曲线后，需划分色谱图的区域，以确定道路运行状况的分级标准并量化。

①速度等级划分。

武汉市浮动车系统已制定完善了拥堵评价标准[5]，速度等级划分沿用浮动车系统的分级标准，分为畅通、基本畅通、轻度拥堵、中度拥堵和严重拥堵五级，见表1。

由于速度与交通拥堵指数线性相关，因此需要根据指数的划分标准确定不同运行状况下速度的划分标准。图2为分段构建的线性相关模型，R为线性相关水平，图中分段点均同时满足两端公式。

②流量等级划分。

对速度进行等级划分后，需要确定流量分级标准。通过流量与设计通行能力的比值即饱和度，划分流量等级。本文采用常用的服务水平分级标准，见表2。

5）构建交通运行分析色谱图。

通过速度和流量的等级划分，可构建交通运行状况方格网，并通过交叉分类进行定性判断及微调，最终得到交通运行分析色谱图，见图3。

由横坐标的流量和纵坐标的速度分级，得到基于速度-流量双指标的网格色块图，根据某通道的散点位于的色块，可综合判断该通道的交通运行状态。该方法很大程度上避免了采用单一流量指标可能出现的对道路运行状况的错误判断，同时，根据散点图的拟合情况，可得到具体通道的重要交通流参数(如畅行速度、实际最大流量等)。

2.4 主要应用

结合道路交通运行双指标，对曲线图进行详细的区域色块划分，定量描述相应道路在任意时刻的交通运行状态。构建交通运行分析色谱图的作用为：

1）实时监测道路交通运行状态；

图3 交通运行分析色谱图Fig.3 Traffic operations analysis chromatogram

图4 武汉市主要ETC过江通道交通运行分析色谱图Fig.4 Traffic operations analysis chromatogram on main crossing river tunnels in Wuhan

2） 通过交通运行分析色谱图，实时对道路交通量过大、交通事故、极端天气等交通异常情况(点落在不同颜色色块，代表不同的道路服务水平)进行分析；

3）定量分析道路实际通行能力，为通道与道路规划、运行评价提供依据；

4）分析道路或通道畅行速度，为道路限行车速的制定提供依据。

3 案例分析

通过可用的实时流量数据，针对武汉市主要ETC过江通道构建交通运行分析色谱图(见图4)。根据武汉市“七桥一隧”数据分析结果，可以得出以下结论：

1）在速度-流量模型的拟合过程中，对于已达到饱和状态的道路，Greenshields模型具有较好的适用性；而对于全天运行畅通的路段或通道，可采用Van Aerde四参数单一结构模型。

2）在现有的通道方式(高架、地面或隧道)、横断面型式(4车道、6车道、8车道或有无非机动车道)、两端衔接方式(立体交叉或平面交叉相衔接)条件下，长江公路桥、长江隧道、月湖桥已经处于饱和状态(高峰流量无增长空间，并非某一时刻的状态)；其他通道的通行能力尚未达到饱和状态。

3）相同横断面型式的道路，平均单车道的实际通行能力也存在较大差异，其实际通行能力不仅与车道数有关，还与纵向坡度、通道方式、两端衔接方式有很大关系。

4）通过构建交通运行分析色谱图，不仅可以采用真实的数据拟合得到畅行速度和实际通行能力，而且可以实时掌握道路运行状况并监测突发事件，对于道路交通规划、设计和管理具有重大意义。

4 结语

本文综合考虑流量和速度两项指标，首次提出道路交通运行分析色谱图，并以此为基础建立ETC流量分析子系统。该系统对于完善道路交通规划、指导城市道路设计、实时监测道路交通运行状况和突发事件，具有一定实用价值。本文仅提出并简要分析了基于交通运行分析色谱图的ETC流量分析子系统，今后的研究将在以下几个方面予以完善：1)对已有ETC通道中全天运行畅通的通道，进一步研究Van Aerde四参数单一结构模型的适用性；2)在对速度与流量进行等级划分后，对于方格网中运行状态的标定仍需要采取定性判断，下一步将研究定量化的评价方法；3)分阶段在主干路网上加设路侧单元，获取车辆出行OD信息，并以此为基础进行车辆动态OD的推算。

∶

[1]Greenshields B D.A Study of Traffic Capacity[C]//NationalResearch Council.Highway Research Board Proceedings.Washington DC∶Highway Research Board,1935∶448-477.

[2]郭继孚，全永燊，郑猛.北京城市快速路速度流量研究[J].城市规划，2000，11(3)：42-44.Guo Jifu,Quan Yongshen,Zheng Meng.Study on the Traffic Flow of the Expressway System in Beijing[J].City Planning Review,2000,11(3)∶42-44.

[3]高超，张勇.城市干道路段交通流速度－流量关系模型研究[J].道路交通与安全，2007，7(2)：18-20．

[4]刘金，李建忠.武汉市交通影响评价技术指标体系研究[R].武汉：武汉市交通发展战略研究院，2008.

[5]李建忠，佘世英，朱丽云.武汉市交通信息系统(一期)系统详细设计报告[R].武汉：武汉市交通发展战略研究院，北京交通发展研究中心，2011.