城市连绵区高速公路交通量建模预测研究

刘 恒 丘建栋 方 杰 罗建科

（1.深圳市城市交通规划设计研究中心有限公司 广东深圳518021；2.深圳高速公路股份有限公司 广东深圳518026）

0 引 言

交通量预测是高速公路建设项目可行性研究和后评价的重要组成部分；是进行交通量现状评价、综合分析建设项目的必要性和可行性的基础，是确定高速公路建设项目的技术等级、工程规模、设计方案、经济评级控制及实施交通管理与控制的主要依据，是政府部门、高速公路管理公司进行高速公路决策的量化支撑［1－3］。因此，高速公路交通量的精确预测具有重要的现实意义。

国内外对于高速公路交通量预测开展了大量研究，取得一系列成果，归纳主要如下：①定基预测，即直接从交通量的本身规律进行预测，包括趋势外推法等对交通量进行各类曲线拟合；②定标预测，即从其他经济指标与交通量的关系入手进行回归分析，通过经济指标的预测间接预测交通量。2种方法都是针对已建成高速公路的交通量预测，且预测精度受到曲线拟合程度的直接影响。考虑到竞争道路影响而产出交通转移或假定新开高速公路诱增交通量比例，Peter Bonsall［4］、王兵等［5］、王维凤等［6］对诱增交通量、转移交通量进行了分类预测。但预测过程中的交通增长率、诱增比例、转移比例等难以准确把握，预测主观性较大，精度不稳定。基于“四阶段”理论的交通量建模预测方法，是1种较为成熟的预测方法。在后续应用过程中，对交通发生、交通分布、方式划分、交通分配4个阶段模型进行改进与修正，实现“四阶段”模型与其他方法组合利用。“四阶段”建模预测方法对于转移交通量、诱增交通量预测效果好，但建模难度高、复杂性大，且需要较为完备的基础数据。

在公路交通量预测过程中对“四阶段”模型进行了适当简化，大幅提高了该方法的实用性。但伴随着国内城市交通发展的新形势，传统的公路交通量建模预测方法表现出明显的局限性与不适应性：①都市圈、城市群等区域一体化发展被广泛提出，区域内部联系日益紧密，另外高速公路辐射范围广，小范围建模难以满足预测需求；②城市范围的扩张，导致原本位于城市外围的高速公路转移至城市连绵区，高速公路出入口密集，且承担相当一部分的短距离城市交通功能，具有不同于传统高速公路的特征，传统方法中大而少的交通小区、简化的出行方式难以实现准确预测的目标；③位于城市连绵区内的高速公路与其他高速公路、一般公路、城市道路的竞争、协作关系更加复杂，而国内城市基础设施高速建设，道路网日新月异，导致高速公路交通量变化敏感，静态、粗放的交通模型预测精度难以保证。

基于城市连绵区高速公路具有开口多且分布密集，同时承担城市交通与对外、过境交通功能，出行的时空分布与城市道路、一般公路存在较大差异，以及与城市道路、公路之间的协作与竞争关系更为复杂等特征。笔者对城市连绵区内高速公路交通量预测进行专项研究，主要在建模思想、区域范围、精细化程度、基础年校核方法、预测方法等方面对传统方法进行了改进。另外，为了提高模型的实用性，基于GISDK语言开发预测模型系统的一键式使用界面。

1 建模方法研究

1.1 城市交通建模方法预测

传统的公路模型预测方法是以车为关注点，小区和路网考虑较为粗放，通常交通小区尺度较大、数量少，考虑的路网也仅涵盖高等级道路，导致最终的预测精度相对较低。对于部分单条高速公路的预测，部分工程可行性研究报告中仅将研究范围设定在高速公路沿线区域，与高速公路先连接的主要道路处设置为外部小区，对高速公路与其他道路的竞争、协作关系考虑不充分。

考虑到随着城市规模的不断扩张，越来越多高速公路的区位由原本的城市外围转变为城市连绵区，高速公路上下匝道密集，承担的交通功能也由长距离、联系区域之间的对外交通转变为对外交通、城市交通的复合功能，道路交通特征与一般高速公路存在较大的差异；且高速公路与城市道路、公路之间存在显著的竞争、协作等相互作用，城市连绵区内出行方式更为多样化，传统的研究方法难以准确预测。因此运用城市交通模型预测的方法，以人为关注点，细化路网和小区，解决复杂的高速公路网与城市道路网路径选择，以及多种交通方式衔接或竞争的问题，见表1。

表1 传统公路预测模型与城市道路预测模型比较Tab.1 The Comparison between traditional highway model and urban traffic model

1.2 打破传统模型边界，构建区域模型

以城市边界为模型研究范围的城市交通模型无法满足高速公路交通量预测的要求，主要有以下两方面原因：一方面，随着城市范围扩张、交通条件的快速发展，多个城市组合形成了城市群、都市圈等关系密切的区域结构，如京津唐、长三角、珠三角地区等；另一方面，高速公路设计时速快、技术等级高、道路条件好，高速公路的区域辐射范围远高于一般公路。尽管城市连绵区内高速公路承担了大量的短距离城市交通功能，但其联系区域间长距离出行功能仍不容忽视。因此，在建模预测过程中必须突破传统城市模型边界，在更大范围内构建区域模型。

在构建区域交通模型过程中，需要考虑不同城市的经济、人口、居民收入等众多因素的差异性，保证模型具有较好的拟合度。按照城市各区域现状经济、人口、居民收入信息、未来规划及城市所处的发展阶段，确定各个小区的出行率、出行方式分担率、居民时间价值等重要参数。另外根据高速公路在不同区域辐射能力的强弱，可对不同区域模型细化程度相应地作适当调整，包括小区范围、模型中涵盖的道路等级等，在不影响模型精度的情况下降低建模难度与减少工作量。

2 精细化建模

2.1 精细化的小区划分

交通小区划分是“四阶段”交通模型预测交通需求的基础与前提，交通小区划分的精细化程度对路段交通量预测结果具有显著影响。对于城市连绵区高速公路交通量预测，需要从以下几个方面考虑交通小区精细化划分。

1）交通边界选择与小区尺寸。以行政区划作为交通小区边界的依据：对于一般小区，以镇、街道作为交通小区的范围；在重点研究区域进一步将交通小区细化至片区级别；对于高速公路辐射较弱的区域，可适当放大交通小区的尺寸，如以区、县的边界作为交通小区的划分依据。

2）小区型心连杆设置。交通小区的型心是模型中小区交通出行集聚的源头，型心连杆是联系交通小区型心与外界的通道，因此必须对高速公路型心连杆精细化设置，保证模型中小区的交通出行在周边路网走向符合实际，例如不跨越山体、水域等。精细化的型心连杆设置包括型心连杆的数量、长度、车速、通行能力、连接周边路网的位置等属性。

2.2 精细化的路网编辑

1）精细化路网与节点编辑。模型路网涵盖高速公路、一般公路、支路及以上级别的城市道路。道路属性中包含道路的类型等级、长度、建成通车时间、车道数、自由流车速、收费情况（主要为高速公路、一般公路对不同车型的收费价格）、道路管理措施（是否限货）等。

另外，模型着重对道路立交、高速公路上下匝道及收费站进行精细化处理。传统预测中，匝道通常被简化、忽视，在高速公路预测过程中，匝道的长度、车道数、自由流车速等属性直接影响到出行过程中的路径选择。相对于高速公路主线各断面流量，收费站之间的OD对于高速公路交通量的拟合具有更显著的影响，见图1。

图1 高速公路立交、匝道及收费站精细化编辑示意图Fig.1 The examples of freeway interchange，ramp and roll station

2）精细化的费率计算。在通常的城市模型中，仅需考虑道路的行程时间，以确定道路的阻抗。对于高速公路交通量预测，道路收费是不可忽视的因素。收费对于选择高速公路作为出行路径有抑制作用：当费率提高时，出行者综合考虑时间成本、道路综合阻抗等，导致其他运输方式、其他道路的竞争力增加，高速公路吸引力下降，道路交通量降低。因此，在建模过程中不仅要精确标定道路的速度参数，也要准确提供道路长度、收费、限行等信息。

3 基础年选择与校核

3.1 控制误差，多个指标校核

对高速公路基础年模型校核，选定断面流量、自然车、折合全程自然车、折合全程标准车、收费5个指标（见图2），涉及到通过高速公路各断面的交通量、以收费站为起讫点的不同车型OD矩阵、各收费站之间的距离以及高速公路收费费率等因素。相对于仅基于断面流量的传统模型校核方法，多指标控制的校核方法可保证基础年模型更高的拟合度。

图2 基础年模型校核指标Fig.2 The verification indexes of base year model

3.2 前移基础年，多个年份检验

在传统的交通预测建模过程中，往往选定现状年为基础年，这样能够通过调查获取所需的基础数据与资料。但交通建模过程中所需的数据量大，导致调查工作量大、成本高，且难以保证数据精确与完整，这些都限制了交通模型在高速公路交通量预测工作中的应用。另外，国内大多数城市都开展了大范围交通调查，积累了第一手交通数据，部分城市还形成了定期稳定的数据更新机制。

因此，在高速公路交通量建模预测过程中，将基础年前移至交通调查开展、规划编制的年份，一方面可充分利用已有的基础数据与研究成果，降低数据调查的成本；另一方面可预测基础年至现状年之间的多个年份（含现状年），对比已经掌握的交通指标，如高速公路路段流量、收费等，以验证模型的准确性，并对模型中不足之处作相应调整。

3.3 基础年滑动校核

传统交通模型中多通过校核单个基础年以预测多个特征年，预测过程中对基础年、特征年外部宏观条件变化考虑不足，特征年与基础年时间跨度较大，可能导致基础年微小误差在特征年过度放大、预测精度不满足要求等问题。

当基础年与特征年时间跨度小时，外部的宏观条件通常相似度较高，可有效降低预测误差。为了实现基础年的滑动前移以缩短基础年与预测年的时间跨度，笔者提出基于高速公路联网收费数据的基础年动态校核方法，主要的校核方法包括OD反推、基于K－Factor的OD矩阵校核以及基于特定路段流量的OD矩阵校核3种方法校核。

4 实时滑动、动态校核的交通量建模预测

考虑到城市连绵区未来可能发展变化迅速，高速公路流量变动较敏感，因此提出基于滑动更新的基础年预测特征年交通量。借鉴时间序列数据的指数平滑、移动平均等预测方法，运用于交通模型预测，提出了基于联网收费数据的实时滑动、动态校核的预测方法：充分利用历史及实时的高速公路收费站运营数据，按年、季、月3个维度对模型进行滑动校核，提升基础年车辆OD与交通小区产生与吸引的拟合，从而进1步提高模型预测的精度。该方法的实质是由单次校核的静态模型预测转变为多次校核的动态模型预测，避免仅做1次模型校核，往后随时间推移误差不断放大的问题。具体流程见图3。

图3 实施滑动、动态校核的预测方法Fig.3 Slip predicting and dynamical verification

基于滑动校核获取的基础年交通小区OD矩阵，结合特征年经济、人口、岗位、机动车保有量等社会经济数据可预测各个交通小区的交通出行产生与吸引量，之后采用增长率法、Fratar法、重力模型等交通分布方法可预测特征年交通小区OD矩阵。

假定基于基础年k预测特征年l的OD矩阵为ODkl，则参考指数平滑法，基于多个基础年预测特征年l的OD矩阵，并修正后得到特征年最终OD矩阵ODl为

式中：λk为各基础年k对于预测特征年l所占的权重取值可参考各基础年经济、人口、岗位等指标确定；t为在预测特征年l时总共选取的基础年数，通常情况下选取t＝1即可，当基础年宏观背景条件发生较大变化时，可考虑选取多个基础年（t＞1），以避免单个基础年的误差导致预测精度较低。

5 开发模型系统的用户使用界面

基于TransCAD交通模型软件，运用GISDK二次开发语言，构建流量预测和年度收益一体化的模型平台软件，把复杂的模型计算过程封装起来，实现对高速公路流量及收益在不同的情景条件下，如改扩建、竞争道路开通、收益费率调整等因素的快速预测，常用功能一键式按钮实现、数据结果标准化报表输出。

图4 模型系统用户使用界面Fig.4 The user interface of model system

基于用户使用界面，高速公路交通模型系统可一键式实现以下4个方面的功能：①查看、路网、小区等参数修改：查看不同年份的场景与新建测试场景；运行模块：②场景管理（修改与删除）、模型参数设置（收费系数、增长系数、新建高速成熟因子）、“四阶段”交通预测、联网数据导入；③查看路段流量：选择高速查看分配结果图、收费站间不同车型分配OD统计与收费、高速各断面流量统计结果查看、不同车型比例查看；④高清图导出，全路网模型、联网数据模型——导出道路场景或各类分配结果的高清图片。

6 结束语

对于城市连绵区高速公路交通量预测，笔者打破一般公路建模预测的常规，采用城市交通建模的方法，突破传统城市模型边界，进行精细化建模；通过多指标校核、多年份验证，提高了基础年模型的拟合程度；依托于精确校核的基础年模型，提出了实时滑动、动态校核的预测方法，大幅提高了高速公路预测年的交通量预测精度；对用于校核的联网书费数据处理系统与高速公路交通量预测系统分别进行封装并模型平台软件，实现模型的一键式操作，提高模型的易用性。

［1］ 万发祥.高速公路交通量预测组合方法及应用研究［D］.长沙：长沙理工大学，2006.

［2］ 刘甜伟.高速公路交通量预测失准分析［J］.交通标准化，2011（3）：10－13.

［3］ 童 玮.基于交通流量预测的高速公路收费道口运营策略研究［J］.交通信息与安全，2012，30（1）：86－89.

［4］ Bonsall P.Can induced traffic be measured by surveys？［J］.Transportation，1996，23（1）：17－34.

［5］ 王 兵，董志宏，曹中杰.诱增交通量理论研究［J］.河北工业大学学报，2002，31（6）：102－106.

［6］ 王维凤，林航飞，陈小鸿.对高速公路流量预测的两个核心问题的探讨［J］.中国公路学报，2001，14（S）：77－80.

［7］ 田智慧，王 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：工业版，2008，29（3）：133－136.