干线公路运行状态监测制约因素及指标体系设计研究

王欢 朱静

摘要 干线公路网具有较强的经济、政治、文化、国防等重要服务职能，交通运行状态监测是对其进行管理、诱导、控制、指挥与救援，保障其正常运营的基础。文章首先回顾了当前国内外关于干线公路网运行监测的成果，然后从数据基础、指标体系、管理体制以及服务模式四个方面分析了当前制约运行状态监测进一步发展的主要因素，最后结合当前理论研究现状及运营实际情况，构建了面向应用的干线公路网运行状态的指标体系。该文的研究结果可以为后续干线公路网运行状态监测指标体系的构建及运营策略的制定提供参考。

关键词 干线公路网;运行状态;制约因素;指标体系

中图分类号 U491 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0009-03

0 引言

截至2019年，中国公路总里程已达484.65万km、高速公路达14.26万km，居世界第一。我国已成为名副其实的公路大国。但目前我国干线公路网表现出“大而不强”的特征，主要表现在道路交通拥挤问题不断凸显，交通安全事故时有发生，路网负荷程度日益严重，进一步提升我国干线公路网的运营管理水平已经成为推动我国公路高质量发展的必由之路，公路交通管理部门已经认识到：预警潜在风险、缓解及治理拥堵是当前及今后相当长时期的重要任务，而准确掌控交通运行状态是完成上述任务的基础。

随着干线公路里程的快速扩展和网络的不断完善，以及机动车保有量的持续迅猛增长，干线路网负荷日益严重，道路交通拥挤和突发事件及其引发的运输效率、行车安全、能源消耗和环境污染等问题已受到社会各界的广泛关注，公路交通管理部门已经认识到：掌控交通运行状态、预警潜在风险、缓解及治理拥堵是当前及今后相当长时期的重要任务。与国外相比，我国公路网运行状态监测起步较晚，当前我国在干线公路网交通运行管理的手段和技术上较为落后，存在数据资源多而不合、事件响应被动滞后、路网状态判断和预测缺乏科学有效的分析方法等问题，因此，有必要根据我国现状，总结国内外已有的经验，研究交通数据的融合标准、多层次多粒度路网运行特征提取与评估预警、拥堵判别及原因分析等关键技术。

1 国内外研究综述

1.1 国外研究现状

美国、日本非常重视高速公路运行状态的分析和管理，通过完善的监测系统实时采集交通量、占有率与车速等数据，自动生成车辆行驶里程、行程时间和行驶时间等指标，形成庞大的数据库[1]。基于数据库，工作人员通过大数据分析构建数学模型，研判高速公路交通运行状况及其发展趋势。

公路绩效监测系统（HPMS，Highway Performance Monitoring System）是联邦公路管理局（FHWA，Federal Highway Administration）在1978年从联邦层面对美国实现的一项国家计划，是为了支撑交通运输部部长对国家运输的管理决策，同时给美国国会与行政提供并支持足够的公路运输数据与系统绩效信息。HPMS的数据是由各州每年收集并上报，是为了加强各州的交通运输部、地方政府以及大都市规划组织（MPO）之间的合作提供必要的信息。全国性的数据报告是每年由各州州长认证的所有国家公共道路的库存信息，包括各州和大城市化地区的115 000条主干道和支路等国家公路的范围、条件、绩效、使用和运行特征数据组成。国会要求每两年一次上报国家未来公路投资需求的状况和绩效报告，因此HPMS数据用于评估符合美国交通部（U.S.DOT）和联邦公路管理局的战略规划和绩效报告流程的公路系统绩效。

美国得克萨斯州交通研究院以不同等级道路每千米平均日交通量的加权平均值来评价城市交通的相对拥堵水平，并于1994年提出道路拥堵指数[2]。加州35个城市采用拥堵持续指标（LKDIF，Lane kilometer duration index）作为评价周期性交通拥堵严重程度的指标，每个城市区域的拥堵持续指标是每个单独路段上发生交通拥堵的车道长度和持续时间共同作用的结果[2]。美国联邦公路管理局在其公路运行监控系统数据结果分析报告中以每百万车千米出行总的车辆延误时间定义拥堵严重度指数（CSI，Congestion Severity Index）作为量化拥堵的指标[2]。

日本高速公路日本阪神高速公路管理部门对该地区范围内16条线路，总长222 km实行统一管理，实现高速公路交通运行状态的实时科学分析。通过各线路上以500 m间隔设置的车辆检测器获得交通信息主要包括断面交通流量、时间与空间占有率与定点车速，其中交通运行状况基于断面交通流量与时空占有率用来评价，定点车速则用来计算车辆行驶时间[3]。除车辆检测器外，该部门还在线形不良路段加设突发事件检测装置并设置紧急电话设备，以便于发现交通事件时快速采取管理措施。阪神高速公路的运营管理部门为了长期分析和改善高速公路交通运行状况，与京都大学建立了长期的合作研究关系，以通过校企合作的模式不断探索研究方法，以适应高速公路的发展和交通量变化趋势。

国外虽然通过定义不同的指标对交通运行状态进行判别的指标，但其都是通过量化的方式，以具体数值大小来衡量公路运行状态的通畅与否。其指标定义不外乎两种，一种是通过类似道路饱和度的概念从管理者的角度来反映当前道路的负荷程度，另一种则是从车辆延误，从出行者的角度反映拥堵的严重程度。這两种指标都需要实测交通量，可由检测器或者交通调查获取，在适用范围上均可作为区域性交通状态评价，反映宏观交通拥堵程度。

1.2 国内研究现状

目前国内对于运行状态的研究都还集中在城市道路领域，超一线城市北上广深和部分一线城市陆续发布了城市道路交通运行状态指数，一是通过信息发布为出行者提供便利，二是便于相关部门及时掌握城市交通总体情况及变化趋势。各城市发布的交通运行状态指数总体来看可以分为三种，即基于严重拥堵程度路段比例，基于出行时间比例和综合分析评价。

以严重拥堵程度路段比例计算交通拥堵指数的城市主要有北京、南京和广州。北京市发布的路网交通运行状态指数为TPI，先根据路段平均行程速度计算该时段下各等级道路中处于严重拥堵程度的路段长度占该等级道路里程的比例，然后以道路车千米数（VKT）为权重值加权获得路网的严重拥堵程度比例，最后通过转换得到该时段下路网交通状态指数[4]。

深圳、高德则是基于出行时间延误的比例计算交通运行状态指数，深圳市发布的路网交通运行状态指数同样为TPI，然而其是先计算出行实际时间与自由流车速下出行时间的比例，自由流车速一般为当天最高车速的85%，再通过德尔菲法建立出行时间比例与交通状态指数的转换关系[4]。

上海选取速度和饱和度作为评价指标，通过专家打分法和层次分析法分别计算速度和饱和度的权重，然后运用综合分析的方法得到评价指标与交通运行状态指数的转换关系[5]。

相对来说，国外在干线路网运行监测领域做得比较成熟，能够从定量的角度展示公路交通运行状态，但是其量化指标缺乏体系性;国内的干线路网运行状况分析评价研究基础薄弱，评价维度单一，也缺乏系统地分析和综合评价。对干线公路交通运行状况进行系统分析评价，为干线路网网络化形成后实现路网调度指挥提供依据和支持，是干线路网运营管理中的一项重要内容，也是将来干线路网智能化交通监控、管理的必然趋势。

2 干线公路网运行状态制约因素分析

2.1 数据基础制约

主要表现在基础路网数据整理困难且数据感知能力较弱。全国公路网系统庞大、复杂、数据量巨大，将海量的数据汇聚到一起需要耗费相当长的时间和精力。目前我国基础路网数据主要集中在交通运输部路网中心，然而路网完整性不高，对道路的等级、车道数等属性统计精度更为堪忧。高德、百度所积累的路网数据较为完备，仅缺少农村路网，但使用其路网数据的附加费用极为昂贵。数据感知主要存在以下的问题：一是交调站数量少，依据干线公路网里程推算，平均每个交调站监测里程超过50 km[1];二是数据源少，仅基于交调数据难以充分发挥路网运行监测感知的服务能力，还需与监测视频、高速公路ETC/MTC等多源数据融合;三是路侧感知不足，除流量、车速，还应增加对事件、路面健康等的监测感知能力，以适应车路协同等新型应用场景的发展。

2.2 指标体系制约

主要体现在：一是指标提取。从海量的数据源中提取出反映全国区域路网运行状况综合评价的关键指标，需要丰富的经验和判断力。二是实现多重指标的无量纲化，如何将不同维度、异构型数据转化为无量纲化的指标还需要进一步的思考和不断地尝试。三是指标评判阈值的划定。现阶段国内外已有指数的取值范围和评判阈值各有不同，大多停留在对道路拥堵、畅通的分级上，并未考虑路网运行的综合情况，多采用与单一数值比较区分拥堵与畅通，或按照数值区间划分拥堵、畅通等级的。

2.3 管理体制制约

目前我国公路管理采取建、管、养一体化与建、管、养分开两种模式[1]。该种模式造成的其他问题一是数据共享程度不足。由于没有统一行业标准以及条块分割的管理模型，各地区数据采集依靠的前端传感器来自不同的生产企业，这些企业并没有统一的接口标准，这就造成即使同一个城市的不同系统也很难进行衔接和配合。二是监测系统基础设施的稳定性和可靠性难以保障。运行监测系统的整合度和复杂度要求很高，但是由于运维管理分散，其健壮性并没有得到保障。

2.4 服务模式制约

增值服务模式挖掘较难，行业服务动力不足。干线路网运行监测系统建设投资力度较大，但是建成以后盈利模式较模糊。目前国内高德百度利用导航数据进行干线路网的运行监测，其通过发布路网年度运行报告等方式利用导航数据盈利，但是目前掌握数据的公路行业无法用这种模式。其次，干线路网运行监测系统的定位不明确，其服务对象较为模糊，针对大众和政府的指标体系制定完全是两套。

管理体制和服务模式的制约在指标设计和技术层面上是无法解决的，因此该文基于数据基础和指标体系制约因素的分析，基于现有的数据条件进行干线公路网指标体系设计。

3 指标体系设计

干线路网运行状态是一种多角度、多层面、多维度的状态，一个指数是难以全面地描述其真正的含义，因此除拥堵指数外，该研究还建立了速度和延误、饱和度、拥堵分布三个评价指标，从管理者和公众的角度出发，分别提供给他们最需要和最关注的信息。该研究从空间尺度上将干线公路网运行状态分为线层和面层，即路段和路网运行状态。此外，高速公路和普通国省道在服务功能、管理需求以及指标合理值范围内都存在较大的差异，因此也分别进行测算。

拥堵指数是集交通拥堵空间范围、持续时间、严重程度为一体的综合性数值，交通管理者及交通参与者可以通过交通指数，得到全路网或者区域路网的交通状态，以便及时采取有效措施，减少拥堵的发生。

速度和延误是公共出行最关心的信息。定点车速相比，平均行程车速能反映车辆通过特定道路的效率，能够全面反映道路运行状态的具体情况，易于公众感受和理解，是出行选择的重要依据，也是用于交通技术评估分析的最有效指标。平均车速是单位时间车辆行驶的距离，常用km/h表示。

饱和度是反映道路服务水平的重要指标之一。该指标综合考虑了道路交通量及道路通行能力两方面，表征了交通量及道路通行能力之间的匹配关系。饱和度值越高，一方面体现出该路段相比设计阶段重要性存在上升，另一方面该路段也是通行能力改善的重要候选。

拥堵分布是发现路网中长期存在的瓶颈路段和危险路段，以便于管理者进行路网管理，缓解交通拥堵，满足交通需求。拥挤度描述路段交通流的大小，根据路段不同断面时间平均速度的均值和断面交通量数据进行综合分析。

4 结语

在干线公路网日益突出的拥堵和突发事件频发的现状基础上，该文首先论述了干线公路网运行监测国内外现状，然后从数据基础、指标体系设计、管理体制以及服务模式四个方面指出了干线公路网运行状态制约的因素，最终针对数据基础和指标体系的制约问题，重新设计了公路网运行监测指标体系，从点、线、面不同维度为干线公路网的交通运行状态监测提供了理论依据。

參考文献

[1]唐夕茹.国省干线公路交通运行状态评价及异常致因分析[D].北京：北京工业大学，2013.

[2]付静静.基于点、线、面层次的干线公路交通运行状态评价指标分析[D].西安：长安大学，2013.

[3]赵艳阳.区域干线公路网交通态势评估与分析[D].西安：长安大学，2015.

[4]张敖木翰，张平，曹剑东.公路网交通运行状态分析评估与预测技术研究[J].中国科技成果，2015（22）：42-43.

[5]赵静.公路网运行监测分析指标抽取方法研究[D].西安：长安大学，2012.