基于聚类分析的交通荷载分布特征研究

2020-08-05王春红

安徽建筑 2020年7期

王春红

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司、公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽合肥 230011）

1 引言

交通荷载状况对确定路面结构至关重要，直接影响路面使用寿命。由于地理位置、自然资源分布以及政治经济条件的差异，不同地域的道路交通条件有所不同。《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）[1]将设计交通荷载等级分为轻、中等、重、特重和极重共5类。而在实际进行路面结构设计时，考虑到建设施工的方便性，除了按照规范要求划分交通等级外，设计人员通常综合考虑车流总量和货车比重等因素，从广义上将一个项目的交通压力分为轻、中、重3个水平，进而来拟定与其水平相适应的路面结构。因此，对路面设计人员而言，有必要总结一定区域内的交通荷载分布特征，从而帮助设计人员在路面结构设计之前，快速掌握项目所在地交通荷载状况，从而提高路面结构设计的准确性和工作效率。

本文采用聚类分析的方法，对华中地区某省域的道路交通分布进行分析，将该省高速公路的交通压力水平进行划片分级，并研究各级交通荷载水平和相关规范要求的关联对等性，为设计人员进行类似的交通荷载分布研究提供技术参考。

2 数据获取

收集2017年7月份某省约20条高速公路的交通量数据，累计交通断面660个。该数据基本覆盖了省内绝大部分的高速公路，能较好代表该省整体交通压力分布。对各断面的交通量数据进行汇总，统计得出月交通总量、月货车交通量和货车比例三项指标，如表1所示。

各高速公路不同断面交通量统计结果（换算成小客车）表1

从表1可以看出，各断面的车辆总数和货车比例等数据相差较大，尤其是货车比例，最大相差4.5倍。因此，不同高速或断面的交通压力各有不同，路面结构设计时应区别对待，实行差异化、针对性设计。

3 基于MATLAB软件的交通量数据聚类分析

聚类分析在道路工程的很多领域都有应用，是一种将数据集按照某种指导思想划分为很多群组或者簇的过程。划分的思想原则就是相同簇内的数据对象差距尽量的小，不同簇中的处理对象差距尽量的大，从而满足聚类的结果。例如在针对交通拥堵、路网交通状态等问题，通过将聚类分析方法与交通工程相结合，可以实现交通拥堵路段的识别、预测、拥堵程度分类[2]。

本文综合考虑车辆总数、货车总数与货车比例三个影响因素，采用聚类分析软件MATLAB软件对表1中的汇总数据进行聚类分析运算，在MATLAB中建立三维分析矩阵。经过计算机聚类分析，将统计的660个断面划分成了3类，初步拟定为轻、中、重3个交通荷载水平，分别用绿色、黄色与红色表示，划分结果如图1所示。设计人员将各断面的分析结果按照不同颜色标注于高速公路网布局图中，可以一目了然地掌握不同区域的交通压力水平。

图1 MATLAB聚类分析图

分类后，各交通荷载水平下的交通量有明显差异。重交通水平的交通量分别是轻交通水平的9倍、中交通水平的2倍。如图2所示。

图2 不同交通水平的交通量对比

交通量是影响沥青路面使用状况发展的重要外在因素。重载车会加速路面损伤，导致路面早期破坏提前出现。因此，路面结构设计应紧密结合交通量总体水平和重载车比重。对于交通总量和重载压力不大的路段，可以适当降低沥青层厚度，建议沥青层厚度为15～16cm，以提高路面工程的经济性，节省工程造价。而对于交通压力大，重载车较多的路段，应适当提高沥青层厚度至20cm以上，并且采用高温稳定性好的材料，以改善路面结构的疲劳寿命，保证路面在使用期间良好的路用性能。对于中等交通量的路段，可以采用传统的18cm的沥青层。