基于改进“四阶段法”的高速公路交通量预测研究

丁志坤，朱梦炼，宋义勇

(1.深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 518060；2.施伟拔咨询(深圳)有限公司，广东 深圳 518060)

基于改进“四阶段法”的高速公路交通量预测研究

丁志坤1，朱梦炼1，宋义勇2

(1.深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 518060；2.施伟拔咨询(深圳)有限公司，广东 深圳 518060)

以“四阶段法”为基础，通过加入经济-交通组合模型进行改进，提出了一种更为合理的交通量预测方法。并应用该方法预测了杭州绕城高速公路2015年—2029年年平均日交通量(annual average daily traffic, AADT)，并对交通量构成及来源进行分析。结果表明：该预测方法提高了高速公路交通量预测的准确性，减少了预测结果的误差，具有理论与实践应用价值。

道路工程；高速公路；四阶段法；OD调查；弹性系数

交通量是高速公路建成后评价其规划和管理的重要基础数据，是确定公路水平、服务等级的重要参数[1]。对交通量进行预测是确定项目建设规模和标准的依据，是制定项目建设实施计划、进行项目经济评价及财务评价的基础[2]，也是运营管理公司评估经济营收、提高管理水平的一项重要工作，其预测地准确性具有重要的现实意义。

由于我国在交通预测方面的工作起步较晚，在交通量预测上呈现出一些技术上的和由于人们思想认识不一致、做法不统一而造成的人为上问题[3]。目前我国普遍采用的交通量预测方法是“四阶段法”。“四阶段法”包含交通生成(generation)、交通分布(distribution)、交通方式划分(mode split)、交通分配(assignment)4个阶段[4]。“四阶段法”存在精度不够，误差较大，预测不够准确等问题。

笔者针对传统的“四阶段法”的不足进行了改进。以杭州绕城高速公路为例，在原方法的基础上融入了经济-交通组合模型，预测出高速沿线不同区域的经济增长系数；并结合交通时间弹性系数，预测出未来的交通增长系数；通过交通模型直接预测未来年平均日交通量(AADT)，最终基于回归方法得出预测结果，使预测的未来AADT更加精确合理。

1 交通调查及分析

杭州绕城高速公路从1994年4月动工到2003年底全线贯通，公路全长123.5 km，设计速度为每小时100～120 km。

1.1 路网现状

杭州绕城高速公路是国家高速公路网G25长深高速的重要组成部分，编号为G2501。笔者研究的杭州绕城高速包括西线的19 km和北、东、南三线的85.4 km，不包含杭金衢共用段的17 km。

1.2 OD调查

笔者采用机动车起讫点调查法(简称OD调查)与出入口交通量观测法相结合的方式进行。为详尽了解道路沿线的交通状况，笔者在杭州绕城高速公路的13个收费站布置了24 h的OD调查点。并将调查询问得到的地点整合成23个大区。23个大区的划分主要考虑所研究公路的距离，同时兼顾地区经济发展水平。为保障调查的准确性，对车辆进行分类，按车型分类标准将客车分为1～4类客车；将货车分为1～7类货车。然后通过24 h人工计数方式，按照不同车型、不同流向对交通量实施调查。最后整理分析所得的交通量基础数据，为预测未来交通量奠定基础。

2 交通量预测

2.1 预测概述

“四阶段法”是目前交通行业内最为常用的预测方法，主要是以出行调查为基础，由交通生成、交通分布、交通方式划分和交通分配等4个阶段组成。目前所使用的“四阶段法”存在着一些不足而导致预测的交通量与实测交通量存在着较大差异。归结原因主要有：①对转移、诱增交通量的预测不够准确；②经济分析的角度不完整和分析的内容还不够完善；③精度不够，误差较大等。

因此，笔者在研究传统的交通量预测方法的基础上，改进了传统的“四阶段法”，提出了适用于高速公路交通量预测的新思路，并应用到杭州绕城高速公路交通量预测研究中。

2.2 模型技术路线

笔者在交通调查的基础上，按照周边区域社会经济发展水平，假定未来年的经济增长率，以近年来机动车增长率为基础，确定出未来年的交通增长率。在交通模型的基础上，对设定小区内的交通生成和交通分布做出整理，同时确定出未来年各种类型车辆比例及交通流量特征。在道路最大断面通行能力限制的条件下，将趋势交通量与诱增转移的交通量结合，得出最终预测结果。

为对杭州绕城高速公路未来交通量的增长进行准确预测，笔者建立了的社会经济-交通组合模型，该模型可以分成两个互相联系的子模型，分别为：

1)经济分析模型：分析经济发展趋势，用于确定未来交通增长率；

2)交通预测模型：用于校核及分配交通流量，分析分流及诱增情况。

2.3 经济模型

2.3.1 经济指标

经济指标需要对每个交通小区进行分析。笔者将研究区域划分成731个交通小区(traffic analysis zone，TAZ)，建立TAZ交通产生量与经济指标的回归模型，并将这些TAZ归编成了23个大区，分析得出这23个大区的经济指标增长值。同时，笔者收集了杭州绕城高速公路以及附近的各高速公路的历史交通量，将这些交通产生量与研究公路关系最密切区域的经济指标建立关系模型，即经济-交通模型。最后把经济增长值带入模型中，得到每个TAZ未来年分车型的交通出行增长。考虑各个区域指标获得的难易程度，最后确定GDP作为与客、货车增长相关的经济指标，然后分别进行回归分析。

Yn=a×X1+c

(1)

式中：Yn为出入口交通量的增长率；X1为直接影响区域(杭州市)历史社会经济指标GDP的增长率；a和c分别为弹性系数。

经过线性回归分析的方法，确定出了经济-交通增长模型中的各系数。

客车：a=0.813；c=0.001；

货车：a=0.902；c=-0.01。

笔者主要依据“十二五”经济发展目标来预计未来的经济发展趋势，以未来5年的GDP增长率作为未来趋势的控制点。通过趋势曲线，回归分析各经济分析区历史数据，建立时间序列模型，并基于该模型预测23个大区的未来经济指标(GDP)增长情况。如表1截取了10个地区的数据。

表1 未来年各经济分析区GDP年增长率

(续表 1)

地区时 段2014—2015年2016—2020年2021—2025年2026—2030年2031—2035年淳安县7.57543临安市7.57543湖州市76.5543嘉兴市7.56543宁波市7.57543全 国76543

2.3.2 时间弹性系数假设

弹性系数是交通增长率与国民经济发展增长率之间的比例关系[5]，国内外经验表明：经济与交通的时间弹性系数在一定时期内(3～5年)是相对稳定的。当经济处于较低水平时，运输需求较大，经济对运输的依赖程度高，则时间弹性系数较大；当经济发展到一定程度，运输时间弹性系数呈下降趋势。通过对国内多个省市高速公路的研究，采集多组交通量增长率和经济增长率的数据，笔者分析发现时间弹性系数基本上保持在0.70～0.95之间。表2为时间弹性系数取值范围。

2.4 交通模型建立

2.4.1 路 网

笔者采用浙江省高速公路与规划网图作为基本参照依据，建立基年交通模型路网，运用EMME/3建立交通供给模型，并在模型中输入浙江省及周围省份的路网。

表2 客货车时间弹性系数取值范围

2.4.2 流量延误函数(volume delay functions, VDF)

车速决定行车时间的长短，而车速又与道路拥挤程度密不可分。但随着交通量的不断增加，在估计车速时，通过容量约束交通分配是很有必要的。通行力阻碍函数如式(2)：

PVDF=L×[60/vSf+A×(V/C-R1)+B×(V/C-R2)]

(2)

式中：PVDF为通行力阻碍函数；L为距离；vSf为自由流车速；V/C为饱和度；R1，R2为参数应用的饱和度范围；A，B为模型参数。

2.4.3 未来年路网假设

为分析未来周边高速路网变化对研究道路的诱增或分流影响，笔者收集了未来年周边高速公路建设规划，总结出未来路网，如表3。

表3 周边高速公路网规划建设情况

2.4.4 通行能力

对高速公路的通行能力构成影响的因素主要有设计标准(设计车速)、车型构成、交通量时间分布(高峰小时系数)、各种修正系数等。所研究公路的设计车速为100～120 km/h，由于绕城高速公路主要服务于杭州市的集散交通，现状交通流量较为拥堵，其服务水平应为三级服务水平。根据国家公路规范标准，三级服务水平断面的通行能力为1 800(pcu/车道)/h。通过整理计算调查数据，所研究公路的高峰小时系数PHF=7.65%。

因此，实际条件下的通行能力如式(3)：

C=C0×fw×fHV×fp

(3)

式中：C为实际条件下的通行能力；C0为一条道设计车速的基本通行能力；fw为受限车道宽度和侧向净空影响修正系数；fHV为大中型车辆修正系数；fp为驾驶员总体特征影响修正系数(通常取fp=1.00)。

通过整理收集数据得出：公路的受限车道宽度和侧向净空影响修正系数fw=1；驾驶员总体特征影响修正系数fp=1。计算得出大中型车的修正系数fHV=0.83；4车道的C=78 118辆/d；6车道C=117 176辆/天；8车道C=156 235辆/天。

2.4.5 岀行分配过程

笔者采用的交通分配方法，主要是以成本作为衡量标准，如行车距离、行车时间和行车成本(包括通行费用和运营成本)，这些影响道路车辆路径的选择。同时考虑了与所研究道路竞争的线路上的交通状况，主要是考虑行车速度与拥堵程度。

某一路段的综合成本可以用式(4)表示：

Gij=Tij+[Cij+Mij]/WVOT

(4)

式中：Gij为出行的综合费；Tij为由交通区i到j所需的出行时间；Cij为由交通区i到j所需的出行成本；Mij是由交通区i到j所需的路费；WVOT为不同车辆类型的时间价值(value of time)。

2.4.6 诱增及分流交通量

诱增交通量是高速公路开通后，由于改善了路网结构，从而影响了区域经济和产业布局，使道路两侧的土地使用性质发生变化而引发的新交通量[6]，诱增交通量和诱增型经济增长量是相适应的[7]。在确定诱增交通增长与出行便利之间的弹性系数上，笔者根据经验并结合平行国省道上车牌调查所得大致的地域分布情况进行确定。

诱增交通出行可由式(5)表示：

Di=di×[1+ci×f]

(5)

式中：Di为诱增OD出行量；di为诱增前OD出行量；ci为新道路开通后减少的出行成本比例；f为诱增弹性系数(由于杭州区域经济发展已经趋于稳定，因此杭州绕城高速段的诱增系数f=0.2～0.3)。

3 交通量预测结果

表4截取了2014—2021年分车型的年平均日交通量预测结果。从表4预测结果对比分析来看：不同车型的年平均日交通量的变化是不一样的。其中2017年的增长率最高达到5.70%，2019年的增长率最低达到-0.70%。

表5截取了2014—2021年从张家昄枢纽到勾庄断面的分断面，年平均日交通量的预测结果。从表5预测结果对比分析来看：不同断面下年平均日交通量的变化是不一样的，如：在截取的预测结果中张家昄枢纽-杭州南枢纽、五常-三墩年平均日交通量在逐年增长，其他断面的年平均日交通量有增有减。

表4 研究路分车型年平均日交通量预测

表5 研究路分断面年平均日交通量预测

4 结 语

随着经济的快速发展和科学技术水平的不断提高，准确合理的路网规划和公路建设应建立在掌握公路需求和车流发展趋势的基础上。对高速公路车流量的未来发展趋势做出合理准确的预测是我国进行交通建设、发展交通科技的重要条件。

笔者在已有的研究成果中，对传统的高速公路 “四阶段法”进行了改进。通过建立社会-经济模型和EMME/3路网交通模型，使用回归法得出预测结果，提高了交通量预测的精度。

笔者提出的“四阶段法”仍存在如下方面的问题需要进一步研究和完善：①高速公路交通量影响结果众多，影响因素无法明确阐述；②对建立的经济模型多数是经验性的，对其合理性与否并未做深入研究；③影响交通量预测的各个参数与未来年实际结果可能存在一定的误差需要进一步的探索总结，使预测结果更加科学。

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(责任编辑：刘 韬)

Traffic Forecast of Highway Based on Improved “Four-Stage Method”

DING Zhikun1, ZHU Menglian1, SONG Yiyong2

(1.College of Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong, P.R.China;2.WB Group International Limited, Shenzhen 518060, Guangdong, P.R.China)

Based on the “four-stage method”, a better traffic volume forecast method was proposed by adding the improved economic-traffic combination model. The proposed method was applied to predict annual average daily traffic (AADT) of Hangzhou highway from 2015 to 2029, and the composition and sources of traffic volume were also analyzed. The results indicate that the proposed forecast method has theoretical and practical value, which can improve the prediction accuracy of traffic volume and reduce the error of prediction results.

road engineering; highway; four-stage method; OD (origin destination) survey; elastic coefficient

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.15

2015-12-24；

2016-03-24

国家自然科学基金项目(71202101)；深圳大学人文社会科学青年教师扶持项目(17QNFC34)

丁志坤(1978—)，男，山东莱州人，副教授，博士，主要从事管理科学与工程方面的研究。E-mail: ddzk@szu.edu.cn。

朱梦炼(1992—)，女，贵州遵义人，硕士研究生，主要从事管理科学与工程方面的研究。E-mail：13728809775@163.com。

U491

A

1674-0696(2017)05-086-05