（交通运输规划与管理专业论文）基于预测与仿真的高速公路运营评价技术研究.pdf

摘要 随着社会经济持续、快速、健康的发展，我国高速公路建设已经进入蓬勃发 展时期，特别是东部沿海地区，已经形成了比较发达的交通网络体系。在社会经 济和地区路网的共同作用下，交通流量进一步增长，以使得某些区域部分前期所 建的高速公路，交通服务水平呈下降的趋势，甚至面临着拓宽改造的压力。因此 如何提高预测水平、优化评价方法已经成为一个比较突出的问题。 高速公路运营评价是高速公路建设项目后评价工作中重要的一部份，论文首 先介绍了高速公路运营评价及经济分析国内外研究现状及其意义，高速公路运营 评价是高速公路基本建设程序的重要组成部分，对全面总结项目前期工作，提高 高速公路建设项目决策、设计、旄工和运营管理水平具有重要的意义，它己经成 为全面、客观衡量项目前期工作，提高项目效益的重要手段：论文研究了高速公 路运营评价的基本内容和评价指标体系，阐述了交通量预测在高速公路运营评价 中的必要性，对常用的交通量预测方法进行了分析总结。 论文的重点是对交通量预测技术的改进，提出了三种交通量预测方法：灰色 和回归组合预测模型、经济与运量关系综合预测模型和高速公路o d 矩阵推测技 术。并借助于v i s s i m 对沪宁高速公路进行运营评价，对沪宁高速公路的运营现 状进行分析，并对沪宁高速公路将来路段拓宽改造与不拓宽的情况进行对比分析 评价。并为沪宁高速公路的后期运营管理提出建议，对于高速公路运营管理的实 践工作具有指导意义。 关键词：交通量预测仿真高速公路运营评价 a b s t r a c t w i t ht h es o c i a le c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t ，w h i c hi sp e r s i s t e n t f a s ta n dh e a l t h y , t h e b u i l d i n g so ff r e e w a y h a v ee n t e r e daf l o u r i s hp e r i o d ，e s p e c i a l l yf o rt h ee a s t - c o a s ta r e a ， i th a sf o r m e dr e l a t i v e l ya d v a n c e dt r a n s p o r t a t i o nn e ts y s t e r n w i t hj n f l u e n c eo fs o c i a l e c o n o m y a n dr e g i o nr o a dn e t ，t h et r a n s p o r t a t i o nv o l l i m eh a si n c r e a s e d ，w h i c hm a k e s t h es e r v i c el e v e ro fp r e - b u i l th i g h w a yi ns o m ea r e at e n d st od e c r e a s e s o m eh i g h w a y m u s tb eb r o a d e n e da n dr e b u i l t s oh o wt oi m p r o v et h ef o r e c a s tl e v e ra n do p t i m i z a t i o n e v a l u a t i o nm e t h o dh a v eb e c o m eas e r i o u sp r o b l e m m a n a g e m e n ta s s e s s m e n to fe x p r e s s w a yi sa ni m p o r t a n tp a r tf o rp o s ta s s e s s m e n t a f t e ri t sc o n s t r u c t i o n ，t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t a t i l so fm a n a g e m e n ta s s e s s m e n t o f e x p r e s s w a y a n de c o n o m i c a l a n a l y s i s a th o m ea n d b r o a d ，h i g h w a yr u n n i n g e v a l u a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to fe x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n ，a n di sm e a n i n g f u lf o rt h e i m p r o v e m e n t o f p r o j e c td e c i s i o n ，d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t a s s e s s m e n t i t h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tm e t h o df o rp r o j e c tb e n e f i ti m p r o v e m e n t t h ek e yp o i n to ft h ep a p e ri st ob e t t e r m e n tt h et r a n s p o r t a t i o nv o l u m ef o r e c a s t t e c h n i q u e ，a n dp u t f o r w a r dt h t e ef o r e c a s t m e t h o d ：g r a y m o d e la n d r e g r e s s c o m b i n a t i o nf o r e c a s t m o d e l ，e c o n o m y a n dv o l u m e r e l a t i o n s h i pc o m p r e h e n s i v e f o r e c a s tm o d e la n dh i g h w a y0 dm a t r i xs p e c u l a t i o nt e c h n i q u e b a s e do nv i s s i m s o f t w a r e ，t h ep a p e r e v a l u a t e s s h a n 班a i n a n j i n gf r e e w a yo p e r a t i o n ，a n a l y z e s t h e n o w a d a y ss t a t u s ， a n d c o m p a r e s t h eb r o a d e n p r o j e c t a n dn o n b r o a d e n p r o i e c t c o n d i t i o n s w ea l s op u tf o r w a r ds u g g e s t i o n sf o rp o s tn m n i n g m a n a g e m e n t w h i c hi s v a l u a b l ef o rh i g h w a yr u n n i n gm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：f o r e c a s to f t r a f f i c , s i m u l a t i o n ，e x p r e s s w a y , m a n a g e m e n t a s s e s s m e n t 第一章绪论 1 ，1 研究背景 高速公路在上个世纪二三十年代出现在德国、意大利、美国等西方发达资本 主义国家，是汽车高速、安全、顺畅运行的现代化公路。高速公路是社会经济发 展到一定历史阶段的必然产物，也是衡量一个国家和地区经济发展水平和现代化 程度的重要标志。第二次世界大战以后，处于战后重建和发展经济的需要，西方 工业发达国家掀起修建高速公路的热潮【i 】。一些发展中国家在实现现代化的过程 中，也把修建高速公路作为一项重要的措施。自八十年代初实行改革开放以来， 我国经济飞速发展，交通需求急剐上升，高速公路所具有的通行能力大、运行速 度快、运输成本低、交通事故少、经济社会效益显著等优点逐步受到重视。为了 适应社会经济发展的需要，投入了大量资金进行公路建设。1 9 9 8 年，国家对公 路建设的投资为2 1 6 8 亿元，到2 0 0 3 年，投资额己增至3 7 1 4 9 亿元。随着投资 额的大幅提高，我国公路建设速度明显加快，公路总里程由1 9 9 8 年底的1 2 7 9 万公里增加到2 0 0 3 年底的1 8 1 万公里。从1 9 8 4 年开始建设高速公路到现在，经 过二十多年的建设，我国高速公路经历了个快速扩张时期，目前总里程已经达 3 2 万公里其中，跃居世界第二位。全国已有3 0 个省市自治区修了高速公路，其 中山东3 0 0 0 多公里，广东、江苏均超过2 0 0 0 公里，辽宁，河北，四川，浙江， 江西，陕西等省己建成通车的高速公路，也都在1 0 0 0 公里以上。 我国高速公路快速发展，特别是东部沿海地区，已经形成了比较发达的交通 网络体系。随着社会经济发展和遍区路网的共同作用，促使交通流量进一步增长， 以使得某些区域部分前期所建的高速公路，尤其是兼具城际快速通道的国道主干 线高速公路已大大超过了设计预期的承载力，交通服务水平呈下降的趋势，甚至 一些公路面临着拓宽改造的压力。这给高速公路建设管理部门和从事交通的学者 和研究人员留下需要认真研究的问题，即：如何提高预测水平、优化评价方法， 为高速公路前期研究做出准确的判断。此外，加强高速公路的运营管理、做好后 评价工作也是一个重要的研究课题。 1 2 国内外研究状况 高速公路运营评价是随着高速公路的快速发展及为了后期更好地进行运营 管理面发展起来的。国内外的专家学者对高速公路运营评价进行了许多研究，下 面分别予以说明。 1 2 1 国内研究状况 我国高速公路于上世纪九十年代进入了大力发展时期，到了2 0 0 0 年左右开 始起步高速公路的运营评价，与西方国家相比，这方面的研究工作开展的比较晚。 交通部于1 9 9 0 年对沪嘉、广佛、西三、沈大四条高速公路进行了公路建设项目 后评价，主要针对高速公路的运营评价和经济分析，在当时对高速公路的运营评 价和经济分析还处于摸索之中【2 1 。近年来，国内不少学者对高速公路运营评价有 所研究。 刘运哲【3 l ，1 9 9 5 年9 月，在长沙交通学院学报的公路建设项目后评价 指标研究中，提出了公路建设项目从前期工作到后期工作中各阶段评价中所需 要用到的评价指标，其中在公路运营评价阶段就用到了实际交通量达标年限、实 际交通量达标年限变化率、实际行车速度变化率等运营评价的指标。 周伟【4 1 ，在2 0 0 3 年5 月的交通运输系统工程与信息上的陕西省干线 公路网发展规划后评价研究中提出了用指标偏差率来对高速公路的运营情况进 行评价，其主要思路来源于前后对比的思想。 解先荣、鲍香台【5 】，在1 9 9 9 年1 2 月的公路交通科技上的公路建设项 目后评价方法的研究中对于高速公路运营评价采用两种方法，一是有无对比法， 二是对蒿速公路今后效益的发展趋势进行测算，同时对高速公路的经济社会影响 评价进行了阐述。 贾元华、董平如、袁振洲 6 1 ，在1 9 9 5 年9 月的北方交通大学学报上的 交通运输建设项目后评价问题探讨中提出应根据中国国情及交通运输行业的 特点，建立适合我国高速公路实际情况的高速公路运营评价及经济评价的理论方 法体系，使之走向规范化，同时也应加强对环境影响的评价。 周志言、鲍香台、李建梅m ，在1 9 9 9 年的公路建设项目后评价中提出项 目后评价除了对项目的实际运营状况进行评价外，还需要根据运营后的实际数据 资料来预测未来发展状况，需要对项目未来发展趋势进行科学的预测。 许晓峰、肖翔1 8 ，在2 0 0 0 年的建设项目后评价中提出项目运营后评价是对 建设项目投产后的实际运营状况和投资效益的再评价，是项目后评价的一项重要 2 内容。 在沪嘉、广佛、西三、沈大、成渝、成绵等高速公路的运营评价中，采用的 都是国内专家提出的三个运营评价指标进行的评价。 1 2 2 国外研究状况 i n 夕- 对于高速公路运营评价研究始于世界银行在上个世纪7 0 年代中期对高 速公路进行的后评价研究，在1 9 9 4 年世界银行出版的评价与发展中就对高 速公路运营评价作了研究。文中提到，运营评价对于公路的运营管理是非常重要 的【”，但是该如何进行此项评价以及用哪些指标来检验运营成果还没有形成理论 方法。因此在世界银行所贷款的高速公路中进行运营评价及经济分析的工作，是 把运营评价及经济分析的研究与工作同时进行，通过理论来指导运营评价及经济 分析的工作，同时通过实际的工作来检验理论研究的情况。在世界银行的带动下， 亚洲银行及各国都开始意识到运营评价对于高速公路后期运营管理的重要性，纷 纷开始对投资较大的高速公路进行运营评价，但所用的方法与评价体系却不尽相 同。世界银行和亚洲银行将评价的重点放在运营时期的经济效益和社会效益上， 主要是高速公路对周边环境的影响( 包括噪音、空气污染、对自然景观的影响等) ， 所采用的方法与可行性研究时的经济评价和社会评价是同样的。但作为高速公路 的管理者，最关心的仍是现状和将来的交通量与可行性研究时的差别以及该如何 解决这样的差别所带来的问题。 w b l f g m l gw h o m b u r g e r 【9 】，提出了高速公路运营评价需要建立一系列定量指 标进行评价，这一系列指标的建立与交通流的三大因素交通量、交通密度、行车 速度密切相关，此外，通行能力与服务水平也是评价的一个重要内容。 a d i b k a n a f a n i 1 0 】，在进行交通量预测时就提出交通量预测除了采用常用的 四阶段预测法之外，还可以采用比较简单的路段交通量预测法，这尤其在高速公 路的运营评价中交通量预测可以采用，但是路段交通量预测由于方法比较简单， 所需的交通量调查工作不大，资料也不详尽，因此预测的准确性还有待进一步考 证。 c sp a p a c o s t a s ，rd p r e v e d o u r e s ，提出由于高速公路建设对于项目在建地 区所产生的社会影响，在进行经济分析的同时，更需要进行社会经济影响分析， 并确定其分析指标及分析方法。 1 3 研究的目的及意义 我国正在大力进行交通基础建设，几乎每个省都处在基础建设的高峰期，公 路建设如火如茶。在实际工作中，公路建设项目可行性研究发挥的作用不够理想， 主要原因是：( 1 ) 人为干预分析评价。有些项目已经决定上马，并开始了工程准备 工作后，才进行分析和评价，为“可行”而研究，使可行性研究完全失去了实际 的意义；( 2 ) 由于我国社会主义市场经济体制还在建设与不断完善中，各个方面的 情况变化较大，使得公路建设项目投资的不确定性因素增多，预测工作的难度增 大，有关参数的不稳定性增加，数据调查工作做得不够到位，加上可行性研究工 作深度不够，从而使得项目实际情况与项目计划情况产生偏差，常导致投资决策 失误和可行性研究结论失真【1 2 l 。 因此，在公路建设和运营中积极开展运营预测和评价工作是十分必要的。通 过建立完善的运营评价内容和指标体系以及深入地开展交通量预测研究工作，可 以减少其他因素干扰前期工作的现象，确保可行性研究的客观性和公正性，及时 纠正决策和运营管理中存在的问题，对于提高项目决策和管理的科学水平，促进 投资活动规范化，改进项目管理和提高投资效益等方面有着重要作用，具体来说， 其意义主要表现在以下几个方面： 1 、总结项目管理的经验教训，提高项目管理水平。运营评价通过对己经完 成项目的实际情况进行分析研究，总结项目管理经验，指导未来项目管理活动， 提高项舀管理水平。 2 、提高项目决策科学化水平。交通量预测是运营评价的基础，改善预测方 法有利于提高项目预测精度，可为运营评价提供可靠的预测数据，为更准确的评 价提供有力的技术支持。通过运营评价和重新预测交通量的反馈信息，及时纠正 项目决策和管理中存在的问题，从而提高未来项目决策和管理的科学水平。 3 、建立完善的高速公路运营评价内容、指标和方法体系，可以增强可行性 研究人员的责任感，促使研究人员努力做好可行性研究工作，提高项目预测的准 确性。 4 、对项目监督和改进，促使项目运营状态正常化。运营评价可以分析和评 价项目投产时和运营期的实际情况，对比实际状况和预测状况之间的偏离，分析 其原因，提出切实可行的建议和措施，使项目运营状态正常化，提高项目的经济 4 效益和社会效益。因此，通过评价，针对项目实际效果所反映出来的从项目决策、 实施到运营各阶段存在的阀题，提出相应的改进措施，使项目尽快实现预期目标， 更好地发挥其效益；并且可以为因决策失误或环境改变致使运营、技术或经济等 方面处于困境的项目找到改进和发展的途径，为主管部门提供再决策的依据；同 时也起到对项目建设监督和检查的作用【”1 。 5 第二章评价指标与存在问题 高速公路运营阶段是指高速公路建成通车并交付使用后，直至不能使用为止 的整个过程。运营阶段评价是在项目运营期间( 或第一次大修周期末) 进行的评价， 包括对运营情况的调查和运营状况的评价，并对项目是否能达到预期目标等情况 进行分析。高速公路运营评价的时机一般选择在高速公路建成通车后2 - 3 年后， 项目的运营积累了一些实际数据，对项目长期的运营影响因素也有比较清楚的认 识。这可以使评价结果更准确，更全面。 2 1 高速公路运营评价指标体系 2 1 1 指标体系建立的原则“” 评价是一些归类的指标按照定的规则与方法，对评判对象从其某一方面或 多方面或全面的综合状况做出优劣评定。高速公路运营评价指标体系是根据高速 公路运营评价的内容而设置的，为了全面反映项目的成功与否，并使指标体系便 于操作运算，建立评价指标体系时应遵循以下原则： 1 、系统性原则。 评价指标体系，一方面要尽可能完整、全面、系统地反映运营评价内容的全 貌；另一方面要力求抓住主要因素，突出重点，不搞面面俱到。应根据项目的特 点及存在的关键问题进行指标设置。 2 、科学性和客观性原则。 指标的选择与指标权重的确定、数据的选取、计算与合成必须以公认的科学 理论为依据；保证评价指标体系的客观公正，保证数据来源的可靠性、准确性 和评估方法的科学性。 3 、完备性和相关性原则。 综合评价指标体系能全面并综合地反映运营评价的各种因素，但指标体系中 应排除指标间的相容性，消除重复设置指标而造成评价结果失真的不合理现象。 不应出现过多的信息包容、涵盖而使指标内涵重叠。但是完全独立的指标不能构 成一个有机的整体，因此指标之间应有逻辑关系。 4 、可评价性和适用性原则。 所选的评价指标应有数据可比性、量化可能性和技术可比性。指标所构建的 体系能对评价项目的总体建设水平给出定性和定量评价。同时，设置的指标是能 够计算或观察感受到的，能够尽可能利用已有的或常规的统计数据和调查方法加 以确定，便于应用操作，具有适用性。 5 、定量指标与定性指标相结合的原则。 公路建设项目指标应尽可能的量化，但由于项目的特点，存在一些难以定量 而只能定性分析的指标，因此应进行定量与定性相结合的分析。 6 、层次性原则。 运营评价综合评价系统是一个较复杂的大系统，它可以分解成若干评价子系 统。因此，应在不同层次上采用不同的指标，即在不同的层次上应用不同的指标 体系，有利于决策者在不同层次上对后评价中的各子系统进行把握。 2 1 2 评价指标体系的构成 运营时期的高速公路包括许多要素，比如人、车、路、及周围的变化的环境， 评价系统的指标多达数十种、非常复杂。对指标进行归类分析整理看出，评价体 系包括技术水平评价、经济水平评价、运营服务水平评价、社会经济效益水平评 价、环境影响程度评价、管理水平评价、交通安全状况评价和目标可持续性评价 等几个方面 1 4 1 。 1 、技术水平指标 技术贯穿于项目周期的全过程，在运营期技术水平指标包括：交通量预测技 术水平、运营服务技术水平。交通量预测技术是综合分析建设项目的必要性和可 行性的前提和基础，是确定公路建设项目的技术等级、工程设施规模以及经济评 价的主要依据；运营服务水平是运营期各种技术措施的综合体现。 2 、经济水平指标 经济水平指标是从国家的宏观角度和业主承包商的微观角度两方面来衡量 建设项目的经济水平，一般采用的指标为：净现值率、内部收益率、总投资年回 收额、效益费用比，其关键是交通量。因此，交通量预测方法、运营服务水平设 计就显得非常重要。 3 、环境影响程度指标 在高速公路的运营过程中会对周围环境产生影响，这些影响包括：对生态环 境和自然环境的影响；生态环境的影响主要包括对野生动植物数量、栖息地和水 土流失的影响：自然环境影响则指运营期车辆对道路沿线水、大气、景观等方面 7 产生的污染和噪声污染。 4 、管理水平指标 运营期管理主要是运营期道路服务水平、道路养护、运营收入以及保证交通 量达到设计标准等方面所进行的管理。运营管理水平指标是指道路服务水平、运 营收入、道路养护、交通量达到设计标准的程度等。这些指标是运营评价的核心 内容。 5 、社会经济效益水平指标 社会经济效益水平指标是衡量项目与人民利益协调程度，考察项目是否最大 限度地发挥了其投资和通道效益，是否真正满足了社会经济发展与人民物质生活 提高的需要。项目对区域的社会、经济等方面产生的影响，除了体现在道路使用 者身上的那一部分微观效益外，主要表现为促进、带动区域内其它相关产业部门 的发展而产生的宏观经济效益。 6 、交通安全水平指标 道路使用者在追求快捷、方便的同时，越来越注重对行车安全的要求，交通 安全状况指标要从人、车、路等因素全面体现道路运营的安全状况，交通安全状 况指标可以采用财产平均损失额和事故率中的亿车公里事故率、亿车公里死亡率 指标，这些指标可综合反映道路状况、交通工具的先进性和交通管理水平。 7 、目标持续性能力指标 公路建设项目在满足社会发展对其提出适应并适度超前要求的基础上，还要 满足公路项目内部和综合运输体系的协调发展，使其与社会、经济、环境、资源 等保持长期动态协调发展，最终保证公路交通持久的发展能力和永续的发展状 态，促进社会全面进步和国民经济发展的需要。因此，目标持续性能力指标包括： 硬件设施、经济效益、环境、资源、管理、技术等的可持续性能力等多方面。 2 1 3 综合评价方法 运营评价综合评价是一个多指标综合评价，多指标综合评价目前通常采用的 方法主要有层次分析法、模糊综合评价法、灰色关联度法以及主成分分析法等。 2 2 问题的提出 2 2 1 运营评价的关键问题 交通量是高速公路运营评价的基础，交通量的大小直接影响运营收入和服务 水平，因此交通量的预测技术研究是运营评价的关键问题。项目的建设和运行需 要一定的技术条件作支持，项目所采用的技术的水平是否先进科学，对于项目能 否达到预期目标，实现项目各相关利益主体的利益起着至关重要的作用。作为技 术中无形技术表现形式的交通量预测技术，是人们知识和经验技能的具体体现， 是可行性研究和运营评价的关键部分。交通量预测水平和质量高低直接影响项目 决策方案的科学性和合理性。加强交通量预测技术的分析研究，不仅必要而且急 需。 2 2 2 目前运营评价中存在的问题 由于高速公路运营评价是在高速公路投入运营后的两至三年后进行的研究 工作，我国高速公路于上世纪九十年代进入了大力发展时期，因为此时建设的大 多数高速公路目前已经进入了运营时期，对于其理论研究仍在不断完善之中。纵 观国内外在高速公路运营评价理论研究，有以下几个问题需要完善： 1 、运营评价应注重运量预测f 1 5 】 在国内的高速公路运营评价没有对高速公路的交通量进行重新预测，但是由 于中国高速公路建设的现状，大多数高速公路运营时期的现状交通量与可行性研 究中预测交通量有较大的差别，因此在运营评价中交通量预测很有必要，它不仅 检验可行性研究的准确性，总结可行性研究的不足，还指导高速公路未来的运营 管理工作。 2 、改进预测方法 交通量预测中预测值与运营期实际值存在误差是正常的，误差原因是多方面 的，如采用的预测方法选择错误，调查数据误差较大，预测模型、参数不统一， 过低或过高估计区域经济发展，路网发展变化考虑不充分，竞争因素考虑不全面， 影响区域边界划分不合理，还有主观因素等。近几年来高速公路实际运营交通量 与前期可行性研究阶段预测交通量相当一部分存在较大误差。从具体后评价实践 看，目前己经过评审的后评价报告显示，所有高速公路的工可研究报告的交通量 预测值与运营期实际数据差别较大。如果误差率基本在2 0 以上，说明前期我们 在交通量预测时预测模型手段存在定的问题【1 4 i 。目前尚没有统一、规范的交通 流量预测方法，后评价中缺少对交通量预测技术水平的分析与评价，另外原始数 据搜集时存在较大出入也是预测不准确的主要原因之一。 目前在交通量数据的搜集过程中遇到的问题主要有： 1 ) 数据调查费用高； 交通量调查及调查数据的整理过程中需要花费大量的人力、物力，还需要相 关部门的配合，交通量调查所花费的费用占工程可研究项目的一大部分。 2 ) 调查数据不准确。 高速公路机动车出行o d 调查的内容包括车辆的种类、起讫地点、行车时间、 距离、载客载货情况等。机动车起讫点调查的主要方法有：发( 收) 表格法、登记 车辆牌照法、明信片调查法等。在调查时往往会有许多司机不配合调查的情况， 填写数据缺乏详实性，调查人员不认真负责等。 3 、目前国内外对于高速公路进行运营评价和经济分析后评价时大多把主要 精力放在经济分析上面，尤其是财务评价方面，没有充分意识到运营评价的重要 性，忽略了交通量与运营情况、服务水平之间的关系。 4 、目前国内外高速公路的运营评价及经济分析中，对于高速公路的社会经 济评价不够重视，应从高速公路及其周围环境整体上进行评价。 5 、高速公路运营评价体系有待完善，评价方法过于简单。 综上所述，运营评价的基础是交通量预测，需要提高预测的精度。由于管理 方面存在一些问题，很多城市或区域间道路交通数据缺乏，这给交通运量的预测 和评价带来不少的困难。本文利用高速公路部分交通流数据，探索高速公路的交 通量预测和运营仿真的方法，结合沪宁高速公路改造对其运营服务水平进行预测 和评价。 2 3 本文研究内容及方法 通常，高速公路运营评价是根据高速公路通车后实际调查的有关资料和高速 公路实际运营情况进行总结比较分析，得出总结经验教训，为进一步提高高速公 路的投资效益提出切实可行的建议。本文研究的内容主要有： ( 1 ) 高速公路运营评价指标的建立； ( 2 ) 交通量预测技术研究； ( 3 ) 通行能力分析及服务水平评价： 本文研究的重点是对交通量预测技术的研究和对项目运营状况评价。通过沪 宁高速公路几年来的各个收费站统计资料采用新的预测手段来重新预测未来发 1 0 展状况，用v i s s i m 对目前的公路运营状况和将来公路拓宽后及不拓宽改造的运 营状况进行仿真，得出公路的延误时间和服务水平，用更直观的方式来评价项目 运营情况，不断完善未来的运营管理计划，对进一步提高项目管理水平提出切实 可行的建议。 第三章交通量预测方法 交通量预测对提高项目决策科学性和合理性，保证项目运作成功具有十分重 要的现实意义。交通量预测主要包括两部分内容，一是某个城市或区域节点的交 通量预测，这种交通量可以用一个时间序列来表示；二是某个区域内各分区间的 交通量预测，随着时间的变化，此类交通量可以用o d 矩阵序列表示；三是交通 量分配预测，将总的交通量合理分配到各条路径上。在本文中，称第一种交通量 预测为节点交通量预测，第二类为区域交通量预测。交通量的增长与许多因素有 关，社会活动和经济因素是晟重要的因素之一。 3 1 社会经济发展预测 社会经济活动对交通运输及其需求有较大的影响，这种影响主要是由人口及 其分布、国内生产总值( g d p ) 年e i t 农业总产值等指标来反映。社会经济发展趋势 预测，就是要研究项目影响区的人口、国内生产总值f g d p ) 与交通运输量的发展 变化关系，研究人口及其分布、国内生产总值( g d p ) 和工农业总产值等指标的发 展变化规律，预测其发展水平。因此，社会经济发展趋势预测方法主要有定性预 测法和定量预测法两大类。其中定性预测法主要有专家个人预测法、专家会议预 测法、德尔菲预测法等，由于定性分析法主观因素较强，广泛采用受到一定限制。 定量预测法主要有： 1 、 弹性系数法( 也称增长率法) 弹性系数分析法用来分析密切相关的两个经济变量之间相互影响的一种简 便而有效的方法。在交通中主要运用在交通方式分担率的研究。而且预测方法计 算简单，原理容易理解，预测结果可信度高。 2 、趋势外推法 社会经济现象的发展主要是渐进型的，其发展相对于时间具有一定的继承 性。因此，当预测对象依时间变化呈现某种上升或下降的趋势，能够找到一条合 适的函数曲线反映这种变化趋势。 3 、回归分析法 预测中常用的回归预测法又可分为线性回归和非线性回归模型。回归分析法 预测是利用两种变量的相关关系外推而得，客观性和可靠性都相对较强。 3 2 交通量预测常用方法研究 3 2 1 节点交通量预测的主要方法 节点交通量预测方法是在对某一固定地点或区域进行交通量预测，通过搜集 的原始交通量数据、交通量增长率数据或者是一些与交通量有关数据，如国内生 产总值、人口、土地面积等，进行分析处理预测的方法。小区交通吸引量和交通 发生量的预测也属于节点交通量预测。 1 、肘问序列法，不从研究对象因果关系分析入手，仅仅利用预测对象过去 发展变化来描述和预测未来的变化特征。省去了变量的筛选，自变量预测，参数 检验等一系列工作，其主要数据处理方法包括： 1 ) 移动平均法，包括简单移动平均和趋势移动平均，都不是很精确，仅适 用于短期预测。 2 ) 指数平滑法【2 7 1 ，对时间数列中各期数值按指数加权的移动平均法。预测 中往往近期的影响比远期数值大，按其重要性给近期数值的权数较远期的大。 3 ) 成长模型，当时间序列具有一定的成长过程特征：从缓慢增长的发生初期， 过渡到迅猛增长的发展期，达到一定水平后转至缓慢增长的成熟期，最终趋于极 限。常见的成长模型有c o m p e r t z 模型和l o g i s t i c 模型。 4 ) 灰色预测模型 灰色预测模型也属于时间序列法中的一种，该理论运用关联度收敛原理，生 成、灰导数等观点建立微分方程。其突出特点就是对数据的依赖性不是很强，即 “少数据建模”，着重研究“外延明确，内涵不明确”的对象。 2 、相关分析法，是对发生( 吸引) 交通量与人口、经济、土地利用指标等进 行相关分析，建立发生吸引交通量模型，预测将来发生吸引量的一种方法。适用 于区域经济结构、布局差别不大、经济与交通参数收集较齐全的地区。 3 、增长率法，根据预测对象的预计增长速度进行预测的方法。 4 、原单位法【1 6 】 原单位法也称为强度指标法，就是采用一些易测指标如用居住人口、就业人 口、社会经济指标或不同种类用地面积等分析基年每单位指标产生的交通量，然 后乘以该指标的将来预测值，从而得到将来发生交通量的一种方法。由于此方法 假定每单位指标发生的交通量现在和将来都是不变的，所以对于将来的突变因素 考虑个足，所以模型也存在一定的缺陷。 通常原单位法分为两种，个人原单位法和面积原单位法。个人原单位法用居 住人口或就业人口每人平均的交通发生( 吸引) 量来推算出行量，面积原单位法以 不同种类用地面积平均发生( 吸引) 的交通量来预测出行量。 只2 驯 ( 3 1 ) 其中， 只：第f 个小区的交通发生( 吸引量) b t ：个人( 或者面积) 发生( 或吸引) 原单位 z p i ：第f 小区的总人口( 或者总面积) 5 、函数模型法【1 6 】 这种方法是分区发生、吸引交通量预测上最常用的方法，其中绝大部分研究 采用的是多元线性回归分析法。作为模型公式，多采用以下三个模型： 只；蠕+ 摹驰 ( 3 2 ) 只吲：i ( 3 3 ) 号2 磊c x p 玎最e ( 3 - 4 ) 其中， 只：第f 个小区的交通发生( 吸引量) ：第，个变量的发生( 吸引) 因子 蜀：第f 个小区，第j 个变量的取值 3 2 2 交通分布预测( 区域交通量预测) 交通分布预测建立在节点交通发生和吸引增长的基础上，也就是进行o d 矩 阵的预测，包括下列几种方法： 1 、趋势型o d 分布预测 趋势型o d 分布预测与分析是指路网结构保持现状不变，只考虑各交通小区 经济量的变化所得出的交通分布量，它主要用以分析路网各路段的趋势型交通量 和路网内部转移交通量，预测方法有平均增长率法、底特律( d e t r o i t ) 法、弗雷特 1 4 ( f r a t o r ) 法、重力模型法和机会模型法等，应用较多为重力模型法。 ( 1 ) 增长率法【1 7 】 该方法假定预测的交通分布形式与现有分布形式相同，在此基础上研究目标 年的o d 表。增长率法操作简单，但是无法考虑城市布局、城市基础设施建设改 变对城市出行o d 的影响，而且现状o d 调查的问题也会带入预测中。 增长率法分为平均增长率法、底特律法、弗雷特法等【2 l l 。 ( 2 ) 重力模型【1 8 】【1 7 】【1 9 】 重力模型分为基本重力模型、单约束重力模型、双约束重力模型、修正重力 模型等，修正重力模型1 4 1 】【4 2 1 中以美国公路局( b r p ) 模型较为完善和成熟，其形式 如下： 基本重力模型 g 4 a ； 驴昏葡 ( 3 5 ) 双约束重力模型 毛= k t k - g a j f ( t q ) k 一【k ，a ，f ( t d 。1 k ，| 【三kg f ，如) 】。 b r p 公式 j qa f 幔矗x 4 驴g 蒜 蒌4 ，( 蜀) 珞 善田g i g 爿j ， ) q q 5 2 q 。f ( 置。j ) 其中， 乃：从交通小区f 到，的交通分布量 只：交通小区f 的交通发生总量 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 ，8 ) 爿，：交通小区j 的交通吸引总量 k 、k j ：平衡系数 ，略) ：阻抗函数 f ( r i j ) ；柳 ( 3 9 ) f ( r o ) = e x p ( 一声月玎) ( 3 1 0 ) f ( r q ) ；r 玎4c x p ( 一卢r 玎) ( 3 1 1 ) 写”2 弓x + p ( 簧) 8 ( 等) 9 。( 孚 7 一- 。，。2 ， e r 、e ，一一诱增型f ，两交通小区的工农业生产潜力； e 。、e ，一一趋势型f ，j 两交通小区的工农业生产潜力； f ”、0 一一分别为有无高速公路时f ，交通小区之间的出行时问； p 一潜在诱增交通实现的潜在系数，其与汽车保有量、交通习惯及交 通范围的限制等有关： o 、芦、y 一模型参数。 2 ) 区内交通 弓”。 限 式中，参数意义同上。 3 、转移交通量分布预测f 2 0 】 转移交通量是指高等级公路建成后，从其它运输方式( 或其它公路) 转移过来 的交通量。转移交通量分布预测目前国内尚无成熟的预测技术，一些项目在预测 时存在一定的随意性。目前公认的方法是转移率法。首先绘制转移曲线，之后标 定转移率，据此得到转移交通量。实际应用时可采用如下两种方法：首先进行 铁路( 水运) 等其它方式客货运规划预测，然后借助历史资料和国外发展中国家有 关资料的分析，对未来各交通运输方式平均运距进行分析预测，并以运距作为不 同方式间运输量转换的重要控制因素，迸行转换量预测，同时考虑费用f 运输成 本) 对货运的影响，乘车舒适性、准时性、灵活性等综合指标对客运的影响。即 对铁路( 水运) 等转移交通量利用铁路( 水运) 相关区段的客货流密度以及客货流运 距分布计算各区段不同运距的客货流量，再根据不同运距客货转移率得到客货流 转移量。其中，不同运距的转移率由公路与铁路( 水运) 的经济运距以及公路、铁 路( 水运) 的运输特点综合确定。采用广义出行费用最小的选择模型，用来提供 一个综合的分担比例来描述各种运输方式的合理结构。模型为： 2 衰i 中 ( 3 1 4 ) 式中， 一一f 区到，区交通方式巩的分担率( 吸引力) ； 一一i 区到，区交通方式m 的交通阻抗： ；一一i 区到，区七种交通方式的交通阻抗。反映的是交通使 用者在选择交通方式时所考虑的各种因素及重要性。定义为： 2 + a o ( 3 1 5 ) 式中，矗一权重系数； y 枷i 区到j 区第m 种交通方式的n 种阻抗因子值； 8 0 一一不可定量因素。 交通方式的阻抗因子指交通方式的特征因素，如经济性、快捷性、舒适性、 方便性、独立性、安全性等，其中费用和时间是最为重要的阻抗因子。确定 后，即可得到转移交通量。 3 2 3 交通分配模型 分配模型分为非均衡分配模型和均衡分配模型。如果分配模型满足w a r d r o p 第一原则，即：在交通网络所有可供选择的路线中，使用者使用的诸路线的交通 阻抗全部相等，而且小于或等于未被利用的路线的交通阻抗。这种分配模型称为 均衡分配模型。均衡分配模型由于是按线性、动态或其它非线性数学规划理论建 模，因而是最优分配模型。如果分配模型不使用上述原理，而使用非优化的启发 式解法或其它解法，则称为非均衡分配模型【2 l 】。合理的交通分配模型可以预测路 段上的交通流量。 非均衡分配模型较常使用，大体可归纳为下列几种方法： 1 】全有全无分配法( 最短路径法) ； 2 ) 转换曲线分配法； 3 1 容量限制分配法； 4 1 多路线概率分配法 均衡分配模型主要有： 1 ) 固定需求用户均衡配流模型； 2 ) 需求变动用户均衡配流模型： 3 ) 运量分布配流w a r & o p i a n 组合模型。 第四章交通量预测模型的改进及应用 为了提高预测模型的精度，降低模型对原始数据的要求，本项研究提出了三 种改进预测模型一一灰色和回归组合预测模型、经济与运量关系综合预测模型 和基于出入口流量的o d 矩阵推算方法。 4 1 灰色和回归组合预测模型乜。 4 1 1 灰色模型1 1 ) 灰色模型建模机理 灰色系统模型建模是利用离散的时间序列数据建立近似( 灰色) 连续的微分 模型，在这一过程中，利用累加生成( a g o ) 手段，其生成函数是灰色建模、 预测的基础 来自所收集的描述过去、现在状况的行个观测值构成原始时间序列石。 ) = 工唧( 1 ) ，z ( 2 ) ，工仰0 ) ，并仰 ) 通过累加生成运算得到生成时间 序列z o 罅) = 并o ( 1 ) ，x o ) ( 2 ) ，z 1 o ) 。生成序列与原始序列相比，明 显的波动和随机性被弱化了，确定性增强了，在生成层上求解得到生成函数，据 此建立被研究对象的模型，通过生成序列的数据g m 模型得到预测值即将 爿 ) 拟合成一阶线性微分方程； dxo(k) d ) + 口x m 体) ：p ， ( 4 1 ) 令矗：k ，“r ，利用最小二乘法并借助于m 棚a b 计算参数向量 d ：k ，“】r ：p 7 矿b 7 y 。 ( 4 2 ) 式中：a 为发展系数；为灰作用量； 日= 一j 1 ( 1 ) + z ( 2 ) ) 1 一= 10 l ( 2 ) + z ( i ( 3 ) ) 1 一丢。一1 ) “1 ) ( n ) ) 1 _ y 。：i xo ) ( 2 ) ，z ( 3 ) ，x 哪o ) r 。 进一步求得时间响应函数 王c 。，。七+ ，： x ( o ( 1 ，一詈 。一。+ 詈 之后作逆生成处理，还原模型为 主t 。+ ，：一。卜母一詈 。一。 或 + 1 ) ：一 + 1 ) 一妒( t ) 2 ) 对g m ( 1 ，1 1 模型进行检验 a 、残差检验： 残差：。( f ) ：z 。o ) 一p ) s ( f ) 相对误差：e o ) ：z 。o ) ， b 、后验差榆验： 耻属咖h ) 2 踟压赢百 ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) c ；，p = p 伊刮 0 9 5 0 8 0 7 4 2 5 3 5 2 沪宁高速运营仿真模型 5 2 1 模型概况 利用德国p t v 公司的仿真软件v i s s i m 3 7 0 建立沪宁高速公路运营的的仿真 模型。 利用沪宁高速2 0 0 0 年至2 0 0 3 年各出入口的车辆数据推算出2 0 0 3 年沪宁等 各城市间在沪宁高速上o d 矩阵。以2 0 0 3 年( 2 0 0 4 年道路拓建) o d 为基准， 利用灰色回归混合模型预测各出入口流量的增长，通过弗雷特法可以预测2 0 1 0 年沪宁高速各出入口的o d 矩阵( 不考虑在该地区新建道路对沪宁流量的影响) 。 2 0 0 3 年沪宁高速模型采用实际的双向四车道；2 0 1 0 年沪宁高速采用双向八 车道。每条车道宽3 7 5 m ，第一车道设有路肩，交织区长度约5 0 0 m 。各出入口 之间道路以折线或直线方式连接，折点处用高次样条弧线连接。 根据花桥至无锡东实测2 0 0 5 年1 月1 0 日的车流量时间分布特性( 如图5 1 ) 分析，沪宁高速出入口车辆随时间有很强的规律性，将此规律应用于沪宁高速各 出入口车辆输入，根据预测o d 得到的a a d t 模拟一天2 4 小时的交通运营情况， 车辆到达规律符合泊松分布，每个小时的到达强度都不相同，符合实测资料的统 计规律。 根据实际情况，仿真车辆分超大、大、中、小四类，相应的平均