（道路与铁道工程专业论文）京沪高速公路江苏段交通量、轴载分析及其交通特性.pdf

摘要 摘要 京沪高速公路是中国第一条全线建成高速公路的国道主干线，连接我国政治中, t m g 京和 经济中- f i , 上海，其中淮江段是重要的沿海大动脉，也是江苏省“四纵四横四联”高速公路网的 中轴线。京沪高速公路沂淮江段于2 0 0 0 年1 2 月建成，至今已有8 年多的运营历史，通车以 来，交通量逐年增加，货车比例不断升高；轴载具有重载多，超载、超限运输现象严重，夜 间车辆重载比例高等特点。在交通量、轴载的作用下路面结构和功能相继出现破坏，如坑槽、 横向裂缝、车辙、修补密集等，有些路段甚至出现了严重损坏。因此有必要开展京沪高速公 路沂淮江段的交通量、轴载分布及发展规律的研究，为以后的养护及改扩建提供依据。 本文在查阅大量国内外相关文献及研究成果的基础上，研究了基于联网收费的断面交通 量、断面轴载谱计算方法，并在此基础上系统分析了京沪高速公路的交通量、轴载特性，最 终建立了以历史数据为基础的京沪高速公路的交通量、轴载预测模型。 首先，介绍了联网收费路径识别技术，并在此基础上总结了目前常用路径识别方法的优 缺点，最终结合江苏省苏北高速公路路网现有条件确定了以协商法进行路径识别的技术。 然后，全面收集了苏北路网的称重数据和出入口数据，并在此基础上进行数据处理，根 据协商法计算苏北路网内的行车路径，从而实现对苏北路网交通量、轴载数据的分配，得到 苏北路网内每个断面的交通量、断面轴载谱。通过开展人工交通量调查和对联网中心断面交 通量数据的收集对比验证了本文的断面交通量、断面轴载谱的计算方法。 最后，利用前面的计算方法得到了京沪高速公路自联网收费以来，2 0 0 4 至2 0 0 8 年的断 面交通量、断面轴载谱数据，并以此为基础研究了京沪高速公路的交通量、轴载，随时间( 年、 月、日) 及空间( 路线、方向、车道) 的发展规律，得到了适合京沪高速公路的轴载谱参数； 同时研究了京沪高速公路的超载规律、o d 出行规律及车道分布规律；建立了京沪高速公路 的交通量、轴载的预测模型。 关键字：联网收费、路径识别、轴载谱参数、断面交通量、超载 a b s t r a ( 丁 a b s t r a c t j i n gh ue x p r e s s w a yi sam a j o rh i g h w a yi nc h i n a , c o n n e c t i n gb e i j i n g ，t h ep o l i t i c a lc e n t e ro f c h i n a , a n ds h a n g h a i ，t h ee c o n o m i cc e n t e ro fc h i n a y ih u a ij i a n ge x p r e s s w a yi st h es e c t i o no ft h e j i n gh ue x p r e s s w a yt h a tp a s s e st h r o u g hj i a n g s up r o v i n c e w h i c hi sa ni m p o r t a n tc o a s t a lm a i n a r t e r y ，b u ta l s ot h ea x i so ff o u rv e r t i c a la n df o u rh o r i z o n t a lh i g h w a yn e ti nj i a n g s up r o v i n c e y i h u a ij i a n ge x p r e s s w a yw a so p e n e dt ot r a f f i ci nd e c e m b e r2 0 0 0 i ni t se i g h ty e a r so fs e r v i c e ，t h e v o l u m eo ft r a f f i ci n c r e a s e d e v e r yy e a r w i t ha r i s i n gp e r c e n t a g e o ft r u c kt r a f f i c u n f o r t u n a t e l y ，o v e r l o a d i n go ft r u c k si s n o tu n c o m m o na n dm o s to ft h e t r u c k st r a v e la tt h e n i g h t u n d e rt h ei n c r e a s e dt r a f f i ca n dt h eh i g h e rl o a d s ，t h ep a v e m e n ts t r u c t u r eh a sd e t e r i o r a t e d ， w i t hs o m es e c t i o n ss e v e r e l yd a m a g e d p a v e m e n td i s t r e s s e si n c l u d ep o t h o l e s ，t r a n s v e r s ec r a c k s ， a n dr u t t i n g ，w h i c hh a v ea l ll e a dt op a t c h i n ga n do t h e rs h o r tt e r mf i x e s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o a n a l y z et h et r a f f i cv o l u m ea n da x l el o a dd i s t r i b u t i o no ft h ey ih u a ij i a n ge x p r e s s w a y ，a n d p r o v i d eaf r a m e w o r kf o rh i g h w a ym a i n t e n a n c ea n de x p a n s i o n i nt h i sp a p e r , d o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r ew a ss t u d i e dt or e v i e wp r e v i o u sr e s e a r c hi nt h i s a r e a s p e c i f i c a l l y ，t r a f f i cv o l u m ea n da x l el o a dc a l c u l a t i o nm e t h o d sw e r er e s e a r c h e db a s e do n i n t e r c o n n e c t i o nc h a r g es y s t e mi nc h i n ao nc h i n e s ee x p r e s s w a y s ，a n dt h e na p p l i e dt ot h es p e c i f i c t r a f f i ca n da x l el o a dc h a r a c t e r i s t i c so fj i n gh ue x p r e s s w a y f i n a l l y ，am o d e lp r e d i c t i n gf u t u r e t r a f f i cv o l u m ea n da x l el o a dw a sd e s i g n e d f i r s t l y , o nt h eb a s i so fi n t r o d u c t i o no fp a t hr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ni n t e r c o n n e c t i o n c h a r g es y s t e m ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc u r r e n tp a t hr e c o g n i t i o nm e t h o d sw e r e s u m m a r i z e d c o m b i n a t i o no ft h ee x i s t i n gc o n d i t i o n si nn o r t h e r nj i a n g s ue x p r e s s w a yr o a dn e t w o r k , c o n s u l t a t i o nm e t h o dw a su s e dt oi d e n t i f yt h ep a t h s e c o n d l y ，a f t e rc o l l e c t i n gt r a f f i cd a t af r o mj i n gh ue x p r e s s w a y ，p a t h so ft h ev e h i c l e so nt h e e x p r e s s w a yw e r ec a l c u l a t e d n i sa l l o w e df o rc a l c u l a t i o no ft h ec r o s s - s e c t i o nt r a f f i cv o l u m ea n d t h es p e c t r u mo fa x l el o a d i no r d e rt ov e r i f yt h i sm e t h o do fc a l c u l a t i n gc r o s s - s e c t i o nt r a f f i cv o l u m e a n ds p e c t r u mo fa x l el o a d ，a na r t i f i c i a lt r a f f i c i n v e s t i g a t i o nw a sp e r f o r m e da n dc r o s s s e c t i o n t r a f f i cv o l u m ed a t aw a so b t a i n e df r o mt h en e t w o r k i n gc e n t e ro fj i a n g s up r o v i n c e f i n a l l y ，u s i n gt h ec a l c u l a t e dc r o s s - s e c t i o nt r a f f i cv o l u m ea n ds p e c t r u mo fa x l el o a dd a t af r o m 2 0 0 4t o2 0 0 7 ，t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n ( r o a d ，d i r e c t i o n ，l a n e ) a n dt i m e ( y e a r , m o n t h , d a y ) d i s t r i b u t i o no nj i n gh ue x p r e s s w a yw a ss t u d i e d t h i sa l l o w e dt h ec a l c u l a t i o no fs u i t a b l ea x l ei o a d s p e c t r u mp a r a m e t e r sf o rt h ej i n gh ue x p r e s s w a y a tt h es a m et i m e ，t h eo r i g i n a t i o n d e s t i n a t i o n t r a v e ll a ww a sd e v e l o p e dt h a tt o o ki n t oc o n s i d e r a t i o no v e r l o a d i n g ，a n dam o d u l et h a tp r e d i c t e d f u t u r et r a f f i cv o l u m ea n da x l el o a dw a sb u i l t k e y w o r d s ：i n t e r c o n n e c t i o nc h a r g e s ；p a t hi d e n t i f i c a t i o n ；a x l e l o a ds p e c t r u m p a r a m e t e r s ； c r o s s s e c t i o nt r a f f i cv o l u m e ；o v e r l o a d i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本入 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：主! 出至垦导师签名：建重堕 日期： 东南大学硕士论文 1 1 研究依据和意义 1 1 1 研究背景及依据 第一章绪论 我国于2 0 世纪8 0 年代中期开始高速公路建设，随着我国国民经济的飞速发展，我国公 路建设也得到了快速的发展，特别是高速公路建设更是取得了惊人的成绩，截止2 0 0 8 年底 我国高速公路的总里程达到5 3 万公里，预计在2 0 1 0 年底我国高速公路总里程将达到6 5 万公里。交通量、轴载参数的确定对于整个公路建设方案制定、施工、运营及养护管理都有 很重要的意义，然而由于目前在交通量、轴载调查方法、数据标准及数据分析处理方法等方 面存在很多技术难点，严重影响了数据的真实性和准确性，从而间接影响公路的建设和养护 管理。 交通量是在选定的时间内，通过公路横断面一昼夜的车辆数( 辆日) 。交通量调查是 通过有组织有计划地对公路交通的流量、流向、流速和密度等进行长期观测调查，通过统 计整理和分析，取得交通量统计资料， 从而掌握公路交通量的变化和发展趋势，为公路 交通行业的发展、公路建设的总体布局与规划；评价公路对现有交通车辆的适应程度及交通 运输服务质量水平：公路建设项目的可行性研究提供科学的数字和理论依据。可见交通调查 统计是公路建设与管理的重要工作之一， 它在公路建设中发挥着积极的作用。 京沪高速公路沂淮江段于2 0 0 0 年1 2 月建成通车，至今已有8 年多的运营历史，通车以 来，交通量逐年增加，货车比例不断升高。轴载具有重载多，超载、超限运输现象严重，夜 间车辆重载比例高等特点。路面结构和功能相继出现破坏，如坑槽、横向裂缝、车辙、修补 密集等，有些路段甚至出现了严重损坏。通过京沪高速路面管理系统的开发实践过程发现， 由于京沪高速通车时间长，江苏省收费制度的不断改变等因素的影响，目前京沪高速的交通 轴载信息存在资料不完善、利用不充分的特点。因此有必要对京沪高速公路通车以来的交通 量及轴载特征进行系统的分析，从而为京沪高速公路的养护管理及改扩建提供可靠依据。 目前国内外在该领域的研究中主要是基于交通量调查方法和预测方法的研究。然而路面 直接承受的是车辆对路面的压力，交通量参数的确定虽然可以反映一定的路面承受荷载的情 况，但是随着路面设计方法对交通、轴载参数得要求的提高，交通量参数精度远远不够。高 速公路上行驶的车辆存在着类型复杂、超载、超限严重的现象，因此如果能对车辆轴载分布 特征进行研究将能更好的反映路面结构在车辆荷载作用下的变化规律，并为高速公路养护提 供更为合理的养护建议。美国长期路面性能观测计划( l t p p ) 计划中有一部份就是在美国 的大量公路主线上设置交通量观测站，通过动态称重仪w e i g h i n m o t i o n 简称w i m i l i 设备记 录车辆的轴重、交通信息来研究交通量及轴载的分布及发展规律。在此基础上美国建立了适 合美国车辆轴载特征的车型分类标准并建立起轴载谱参数标准，在此基础上美国各个州根据 自己州内的实际情况通过大量的数据采集对其进行修正建立了适合自己的州际轴载谱1 2 j 。 目前中国庞大的高速公路网都采用收费制度，在高速公路网内设置了大量的互通及收费 站，并在收费站中记录了大量完整的交通量、轴载信息，但是高速公路管理单位主要注重其 在营运和管理上的作用而忽视了该部分数据在交通量、轴载参数研究上的巨大意义和潜力。 收费站纪录的数据都是各个出入口处的交通、轴载信息，而道路养护及营运决策过程中管理 l 东南大学硕士论文 单位关注的是道路各个断面、车道上的实际交通量、轴载的分布状况。江苏省联网中心现在 采用多路径协商分配的方法来分配得到断面交通量，但是没有考虑轴载的分布情况，同时目 前在对于多路径分配关键技术的研究上还存在着一定的缺陷。因此本文将通过基于联网收费 下的断面交通量、断面轴载谱计算方法的研究来研究京沪高速公路的交通量、轴载随时间及 空间的发展规律。 1 1 2 研究的目标与意义 本文的研究目标是在广泛收集国内外有关交通量、轴载研究资料的基础上，了解掌握其 现有的研究成果与实际使用状况。通过路面管理系统的开发，收集京沪高速( 沂淮江段) 的 断面交通量( 江苏省高速公路联网中心拆帐数据和微波交通量观测站数据) 以及苏北路网内 所有收费站的称重数据及出口数据，结合中国高速公路联网收费的特点研究京沪高速公路交 通量、轴载参数的计算方法，利用统计分析的方法结合一定的程序开发研究高速公路断面交 通量及轴载的计算方法以及京沪高速公路交通量、轴载随时间空间的分布规律。 1 2 国内外研究现状 路面结构、路基、桥梁在车辆荷载的作用下使用性能逐渐下降，因此国内外的许多专家 学者都认为交通量、轴载参数是公路建设及营运过程中的一个重要参数，特别是现在各国都 在改进各自的养护及设计规范以及路面管理系统开发普遍得到重视的条件下，国内外开展了 很多关于交通量轴载参数方面的研究。目前这方面的研究主要集中在交通量及轴载观测、交 通量预测以及基于最新的物理力学设计方法的交通参数取值方法的研究。 1 2 1 交通量、轴载观测技术研究 交通量、轴载观测技术长期以来是大家关注的热点，随着电子、计算机等相关科学技术 的不断发展，交通量、轴载观测技术也得到了很大的发展。目前常用的调查技术可以分为人 工调查技术和自动采集技术。 由于人工观测技术存在着样本量小、随机性大不能很好的反映交通量发展规律、安全隐 患大等缺点，近些年来随着数字摄像技术的发展，采用摄像技术并结合软件开发来进行交通 量观测的技术正在蓬勃发展，但是普遍存在精度不够、夜间及恶劣天气识别能力差的缺点。 不过由于其灵活性高、成本低的原因在我国目前还是广泛的被应用于交通规划、交通量预测 等领域。 自动观测技术是目前各国研究的热点，目前常用的交通量自动观测技术有视频法、感应 线圈计数器法、雷达监测器法、光电检测法以及超声波检测法。这些方法都存在各自的优缺 点，例如超声波检测方法在正常气候条件下的精度较高，但是在大雾、强降雨天气条件下的 精度则较低，而且该技术只能对全段上的车流量进行调查，不能区分车辆的车道分布特征。 收集道路的轴载数据一直是个难题，目前国内外通常采用动态称重系统( w i m ) 来连续的 收集车辆的轴载参数，现在w i m 系统的主要类型有三种：压电、弯曲板和用传统应变传感 器构成的秤台，我国大部分联网收费系统采用的是压电式称台。通过w i m 系统可以实现称 重计费的自动化，在自动化记录的过程中可以记录以下与轴载测定相关的参数：1 ) 车辆的 2 东南大学硕士论文 轴和或轮胎数，轮胎大小等；2 ) 车辆的尺寸( 如高度、长度、第一轴上面的车体高度) ；3 ) 重 量( 包括总重或轴重、轮重) 。 另外随着一些新技术的发展，国内外还在不断提出新的交通量观测技术，例如【3 1 航空摄 影技术、基于移动体通信的交通量调查技术、g p s 全球定位技术以及基于网络技术的网络 级交通信息数据收集系统。 1 2 2 交通量预测技术研究 国内外对于交通量预测的研究一直很活跃【4 1 。早期的交通量预测主要是为交通控制系统 服务的，第一代交通控制系统采用历史数据对交通量进行离线预测，第二代交通控制系统应 用实测的数据去修正历史平均数据来预测交通量，第三代交通控制系统只利用实测数据预测 交通量。但是第二代和第三代交通控制系统预测算法都存在着时间延迟问题。同时不少学者 也在积极地探讨各种预测交通量的方法。总的来说，目前交通量的预测方法有基于历史数据 法、回归分析法、因果关系法、神经网络法等等。 在国外，n a n c yl n i h a n 和k i e l lh o l m e s l a n 应用b o x j e n k i n s 技术和一个路段4 年的交通 量数据对该路段的交通量进行预测，预测的精度较高。此方法的缺点是要求的历史数据较多， 且对建模者的知识水平和建模技巧的要求较高。n i c h o l s o n 和s w a r m 利用谱分法进行交通量 预测，结果较为满意，另外还有很多专家相继提出了无参数回归模型预测方法、滤波理论、 神经网络等算法来预测交通量p j - i j 。 在国内，对于交通量预测也有很多研究。杨兆升1 1l 】l 提出了利用k a l m a n 滤波技术预测交 通量的方法。朱中【l2 】等人提出了利用神经网络预测交通量的方法。孙喜梅提出了交通信息 的组合预测方法 1 3 l 。杨新苗，王炜等提出了公交线路客流模糊神经网络预测模型1 1 4 1 。马林 才、陈文华，边浩毅等利用b p 神经网络对浙江省公路运输量进行了预测i l 别。尹宏宾、徐建 闽、黄什进等提出了基于模糊神经网络的信号交叉1 3 交通量预测方法【l6 1 。刘洁、魏连雨、 杨春风等提出了基于遗传神经网络的道路交通量预测模型【1 7 j 。夏冰、董薯、张佐等利用交 通流量的周相似性对交通流的预测进行研列。 1 2 3 物理力学经验设计方法 交通荷载数据是进行路面结构分析和设计的重要输入参数。在传统的道路结构设计方法 中，交通荷载是用累计当量轴载作用次数( e s a l s ) 来描述的。轴载换算是通过室内或者 道路现场的重复作用试验建立荷载量级同达到相同程度损伤的作用次数之间的关系得到轴 载换算得系数【1 9 j 。美国在2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初在渥太华和伊利诺斯州的大规模试验 路成果得到了针对不同路面结构的换算系数，之后世界各国针对各自的实际情况作出了适合 本国的修正。但是这种换算方法只考虑了路面结构的影响，而路面的损坏受路面结构类型、 损坏机制( 刚性路面的断裂和裂缝，柔性路面的裂缝和车辙) 、路面质量条件、材料特征以 及环境因素的综合影响；另外当时的试验路的交通特征已经不适应现在的重载交通条件。 因此最近a a s h t o ( t h ea m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a ya n dt r a n s p o r t a t i o n 0 伍c i a l s ) 联合f h w a ( t h ef e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) ，通过n c h r p 项目( t h en a t i o n a l c o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 研究推出了2 0 0 2m e 设计指南。此设计指南的目的 是为新建和修复的公路工程提供基于力学一经验原理的与实际情况一致的设计工具。设计指 南中需要输入每种车轴的轴载谱数据，这也是2 0 0 2m e 设计指南的一大改进。但是有时并 不能得到足够详细的交通数据来预测未来的交通情况，所以设计指南中采用了等级性的交通 参数输入方法。 3 东南大学硕士论文 水平一：适用于在本地或附近路面可以采集到过去交通量和车重数据的地方。水平一的 交通输入参数使用实际的轴载谱，所以对交通特性有更准确的反映。采用水平一时，需要分 车道和方向的计数和分类每一辆车，测量每辆车的重量，以确定竣工后一年的交通量。 水平二：适用于只有地区性交通量和车重数据可以利用的地方。水平二的交通输入参数 使用地区性轴载谱，对交通特性有一定准确度的反映。采用水平二时，需要采集的交通数据 包括周末和工作日的交通量变化，货车载重的季节性趋势，使用各地区汇总的称重数据。 水平三：适用于有很少的交通量和车重数据可以利用，只能使用缺省值的地方。水平三 的交通输入参数使用全国性轴载谱，对交通特性的反映不够准确。采用水平三时，需要采集 的交通数据包括年平均日交通量，货车比例，地区性的平均轴重分布。 在m e 设计方法推出以前的世界各国的公路设计方法中对交通参数的要求都不是很详 细，一般只需要年平均日交通量、货车年平均日交通量，对于轴载一般是通过将轴载换算为 标准轴载来计算累计当量轴载作用次数来反应轴载的作用，这种换算方法经过实践检验发现 有很大的缺陷，由于不同车辆的胎压、轮胎面积、轴型以及所作用的路面结构都存在很大的 差异，上述的换算方法已经不能适应现在的交通荷载作用特征。现在随着m e 设计方法的提 出，对交通参数要求更加严格，不仅要知道公路的交通量特征，还需要了解轴载谱的分布情 况。因此欧美国家早就开展了轴载谱参数的研究，例如美国加利福尼亚州就对全州1 9 9 1 2 0 0 1 年的9 8 个w i m 站点的数据进行统计分析，得到了适合该州不同地区的轴载谱参数；美国波 特兰水泥协会( t h ep o r t l a n dc e m e n t a s s o c i a t i o n ( p c a ) ) 在研究刚性路面设计时，早在1 9 6 6 年就开展了相应试验路的轴载谱调查工作u 。 同时为了适应物理经验设计方法交通参数的需要，欧美各国还开展了适合各自地区的 车型分类方法、交通量数据观测规程以及车道分布规律的研究。 1 3 主要研究内容、技术路线 1 3 1 主要研究内容 1 国内外有交通量、轴载的研究成果总结 通过大量的文献检索，结合国内外路面管理系统开发的实践，全面了解国内外在这方面 的研究成果及实际应用情况，最终对各种交通量与轴载调查和分析方法进行总结。 2 在联网收费条件下，研究利用收费站交通量数据和称重数据计算断面交通量及断面 轴载谱的方法 目前高速公路的收费站出入口记录了车辆通过的入口、出口、通过时间及其轴重信息， 通过对多路径拆分、车辆识别、交通仿真等技术的研究建立适合当前路网的断面交通量及轴 载的算法并利用计算机编程最终实现。 3 研究京沪高速( 江苏段) 交通量与轴载的变化规律 京沪高速是一条典型的货车比例高、交通量大、超载严重的国家干线公路，通过对京 沪高速交通量规律的研究有很重要的意义，但是目前存在一些数据不完善、不准确的特点。 通过对京沪高速交通量与轴载变化规律的研究有利于预测京沪高速的交通量以及掌握京沪 高速轴载的分布规律。 1 ) 交通量规律主要研究下面几个方面： 4 东南大学硕士论文 幻交通量的增长规律； b )不同方向、不同高速公路交通量的特征； c )交通流的小时系数、月分布系数等相关的交通参数； d )不同路段的各种车型比例关系； e )交通量沿车道分布的规律( 即车道分布系数的确定方法) 2 ) 轴载分布规律研究的主要内容： 结合美国a s h h o 规范现在的轴载参数特点，研究适合江苏省现有收费体系下的车辆分 型基础上的轴载谱分布特征。主要有以下几个方面： a )轴载谱参数主要包括货车轴数系数、不同车型所占比例、轴载谱分布系数几个参数 的确定； b )研究同一高速不同路段、不同方向的轴载谱参数的差异和相似性； c )研究苏北路网内不同高速公路轴载谱参数的差异和相似性； d ) 研究轴载谱参数随时间的变化规律 1 3 2 技术路线 国内外交通量与轴载资料调研 收集整理京沪高速公路及苏 北路嘲的交通量及性能数据 研究利用收费站数据计算断面变通量及轴载 的计算方法 编程实现基于收费数据的断面交通量及轴载 谱数据计算 确定交通。鞋调卉办案获取断 面交通量数据 根据收费站数据计算得到的 断皿交通量数据 京沪高速微波检测的断面交 通量数据 综合上面二种数据矫正断 面交通与轴载计算方法 分析京沪高速交通量的特征包括随 时l i j 和宅n u 的变化规律 研究适合i 留速公路 的交通量预测办法 研究交通髓沿车道分 布舰律 5 分析京沪高速轴载谱分布特征 研究适合高速公路的轴载谱参数确 定方法 东南大学硕士论文 第二章联网收费路径识别技术 2 1 路径识别问题的提出 随着我国高速公路网的逐渐完善，高速公路纵横交错、四通八达，给公路运输提供了 非常多的路径选择，有利于分散交通量，缓解交通压力，但同时也给交通管理带来了很多的 困难，其中最为突出的是路径判别问题。目前为了增强车辆在高速公路上行驶的连续性，我 国大部分省份已经实施联网收费，我国高速公路联网收费一般采用封闭式收费制度。封闭式 收费根据车辆类别和行驶里程数收取通行费，如果车辆行驶路径不能唯一确定，则车辆行驶 里程数就不能确定，通行费也不能确定；同时由于车辆行驶路径不能确定，计算断面交通量 过程中的交通量分配就不准确。因此有必要开展关于路径识别技术的关键技术研究。 2 2 路径识别技术现状 国外大部分高速公路是不收费的，即使有些国家高速公路实行收费，但基本上不存在路 径识别问题，即便有路径识别问题，由于他们在高速公路上选用电子不停车收费技术，路径 识别问题也很容易解决。据调查，尚没有发现国外有与路径识别问题的相关技术文献。早在 2 0 0 0 年，交通部颁布的高速公路联网收费暂行技术要求【2 2 】中明确“路径识别的方法主要 有：最短路径法、抽样调查法和路径标识法。” 目前各省( 区、市) 分别结合自身路网的特点采用不同的解决方案。浙江省路径识别采 用的方法是以出口、入口隔离法为辅助手段，按照最短路径征收通行费，通行费的拆分是在 对历史交通量和未来交通量分析的基础上，与路段( 桥) 业主商讨，取得一致同意的情况下 达成用节点位势法进行通行费的拆分，在合理路径的界定上，采用“环内2 0 ，环外3 0 ” 的相对差标准。江苏省路径识别采用的方式是“以最短路径为主体，路径诱导渠化为辅助， 协商为补充”的路径识别方法解决苏南、苏北路网的路径识别问题，在合理路径的界定上采 用的标准是“绝对误差3 0 公里”。山东省路径识别采用的方式是通过抽样调查或计划协商等 办法，解决业主之间拆分比例的问题，目前在东青、滨新路段探讨运用车牌识别系统解决其 路径识别问题。安徽省路径识别拟采用分期分段解决的技术方案，近期采用“最短路径+ 交 通量调查分析”的方法进行模糊拆分( 概率统计识别的方法) ，远期采用“电子标签+ 标识站” 的方法进行精确拆分，在多义性路段必要的地方设置标识站，标识站通过从每辆车携带的电 子标签中读取的资料确认携带该电子标签的车辆通过了本标识站，并将该信息写入电子标签 或者发送到所有的出口车道，出口车道通过标识信息完成车辆通行费的计算与征收。 跨省市国道主干线京沈高速公路联网收费示范工程通过利用原有的一个收费站改建成 标识站的方法，解决京沈联网收费区域路网中的一个路径识别问题，实现精确的计算与征收、 拆分与结算。 河南省路径识别问题目前采用的方式是基于最短路径收取车辆通行费、交通分配的“概 率( 模糊) 统计识别”拆分的技术方案，为了提高拆分精度，定期进行路段交通量调查、收 费站的车辆行驶路线抽样调查，以确定有效路径和概率，同时河南也在抓紧研究具有可操作 性的精确识别方法，拟定随着路径识别技术方案的发展、成熟和完善，在适当的时机过渡 到精确识别的技术路线上来，即“电子标签标签识别法或者车辆牌照抓拍法”。 6 东南大学硕士论文 据初步统计，关于路径识别问题目前全国有1 6 个省( 区、市) 应用最短路径法，广东、 京沈应用“标识法”；另外有5 个省正在研究精确识别的技术方案、关键技术。由此可以看出， 最短路径法等模糊识别技术仍然占据路径识别解决方案的主导地位，精确识别技术方案、关 键技术正处在积极的研究中，目前尚没有任何突破性的进展。 2 3 常用路径识别技术介绍 2 3 1 精确识别技术 精确识别的核心是联网收费系统能够正确识别路网中每辆车的实际运行轨迹，对路网 中可能出现多义性的车辆，运用一定的技术手段、系统方案对其进行确认，从而准确、真实 地解决路径识别问题。精确识别技术的核心是运用电子、摄像以及人工标识等方法对车辆在 可能发生歧义性路段的位置进行标记，从而确定车辆的行驶路径。随着国内外不停车收费技 术的不断完善，精确识别技术正在不断地发展，下面对目前常用的或者正在研究的精确识别 技术进行总结如下： 1 标识站法 标识站法是在高速公路网中行驶车辆可能产生二义性路段中设置标识站，车辆在通过 该路段时通行券上记录标识站代码信息，车辆经过不同路径时其标识站的代码不同，以此来 确定车辆实际行驶的路径。常用的标识站设置方案有如下两种： 1 ) 在高速公路产生二义性或多义性路段上设置站，通过发射无线电波或者红外线将标 识站信息记录在经过此标识站车辆的接收器上，车辆无需停车，但车辆上必须安装接收器。 2 ) 在高速公路上设置几条带收费岛的车道，前方设标志说明，收费车道上安装两高低 不同的非接触式l c 卡读写设备，高者适合大车，低者适合于小车，驾驶员将i c 卡在读写天 线的距离内划过，自动栏杆开启，车辆通行，记录该标识站信息，标识站还要设置摄像机、 雾灯等安全设施，此方式为驾驶员自助式，无需收费人员配合，但要有人监督。 上述两种方案，方案一不需要建立收费岛和操作人员，车辆不需停车，但需要不停车收 费系统，设备投资大。方案二增加了收费岛建设和设备，需少量人员管理，对主线交通有一 定的影响【2 3 1 。 2 车牌识别法 车牌照识别法是利用车牌识别技术，将一套图像识别系统安装在出入口车道和某一特定 位置上，识别出通过车辆的车牌照，把时间、站点和牌照号等信息诸元素输入联网中心的数 据库中，在出口车道上利用通行券中记载的入口输入的车辆牌照信息；同时在高速公路可能 存在歧义性路段的位置在主线上安装门架式牌照识别系统，使行驶在该路段的车辆，在5 1 4 0 k m h 的速度通过时可以识别出该车的牌照号码，实时传到结算中心数据库。利用出入口时 间段和出口、入口以及歧义性位置的牌照信息进行复合查询，找出在该时间内该车经过得车 牌识别站点即可找出该车辆准确的行驶路径。 车牌识别法具有不影响车流正常行驶，运行维护费用低的优点，但目前图像抓拍和车牌 识别准确率方面还存在不尽人意的地方，一般误差率都在3 - 5 之间。 3 不停车标识技术( r f i d ) 射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 2 4 1 是一种功能强大且实效的技 术，其主要应用于对每类广泛的物体进行识别、跟踪及管理。射频识别技术主要是通过附着 在被跟踪物体上的射频识别标签( t a g ) 和与信息系统相联系的阅读器( r e a d e r ) 来实现的， 7 东南大学硕士论文 每个射频识别标签的芯片中含有一个唯一的识别代码以及用户所指定的信息，它们可以被阅 读器在一定的距离内以非接触的方式读出来。 基于射频识别技术的路径识别技术就是在行驶在高速公路上的车辆上放置射频识别标 签，并在歧义性路段位置设置阅读器，阅读器读出识别标签的相关信息并上传至控制中心从 而实现车辆行驶路径确定的技术。这种技术与一般不停车收费系统不同的是，车辆可以在高 速行驶状态下高精度的识别，试验路上可以对行驶车速达到2 1 0 k m h 的车辆进行准确识别， 从而不影响主线交通。 4 移动定位技术 随着国内通讯事业的不断发展，在高速公路沿线以及附近设置了大量的移动电话通讯基 站，于是有专家就考虑利用现有的移动定位技术实现路径定位【25 1 。在高速公路入口为每一 辆车发放一个类似通行卡的移动定位终端( 在技术成熟的条件下可以将该终端和通行卡整合 在一起) ，移动定位终端于车辆行驶经过的移动电话通讯基站交换数据，通过c e l l i d 移动 定位技术，获取车辆沿途经过的关键路径上的移动电话通讯基站的c e l l 1 d 。在高速公路出 口，利用现有的非接触式i c 卡读卡器，车道计算机获取移动终端中存储的移动电话通讯基 站的c e l l i d 记录，再通过查询c e l l i d 与高速公路路段业主对应表，计算车辆实际行驶路 径，从而实现路径的精确识别功能。 2 3 2 模糊路径识别技术 模糊清分的核心是假设车辆通行费的计算与征收问题已解决( 按照最短路径、出台相 关政策等方法) 为前提，运用交通均衡非均衡理论，建立各种理论模型和算法，分析计算 特定高速公路网络的通行车辆交通分布与分配( 空间分布、时间分布) ，合理的完成车辆通 行费的拆分与结算。因此模糊清分实际上只是解决了路网内由于多路径而产生的车辆通行费 在各相关路段( 桥) 业主之间的如何合理分配的问题，对于路网通行费的损失问题并没有解 决。研究开发模型一定要确保路网通行能力大、社会形象好、经济投入低、业主损失少，以 提高联网收费的综合经济效益和社会效益为最大目标l 驯。 目前常用的方法如下： 1 ) 最短路径法 在无路径识别问题的收费路网，通行费的征收、清算有一个隐含的前提就是按照出口、 入口最短路径收费。在复杂收费路网中从入口、出口存在两条或两条以上的路径，将最短路 径作为车辆选择路径。其基本原理是假定路网中任意两点之间出行交通流量都集中在路网中 最小阻抗( 行程时间路径里程等代替) 路段。 实际上最短路径法只是解决了收费路网中多义性路径的计算和征收( 收费) 问题，即 只是解决了问题的一半，并且解决的不够好。用该方法计算出的收费里程具有唯一性。当多 路径之间最短路径与其他路径里程相差较大( 比如艺o 时) ，该方法比较科学；但当路径 相差较小时，此方法存在很大问题。最短路径通常也是最低收费路径( 最小收费额路径) 。 对于最低收费路径与最短路径不一致的特殊情况，采取按最低收费路径收取通行费，以期最 大程度的保护使用者的利益、减少不必要的纠纷。对于按最低收费( 最短) 路径收取的收费 额，需要进一步清算分配( 拆分与结算) 。清算分配的基本原则是尽量按车辆实际可能行驶 的路径分配通行费，通常可以根据模型计算出车辆行驶不同路径的概率，对在多路径路段收 取的收费按照该概率分配给不同的路径，同一条路径内的各业主再按各自的路段长度、收费 费率分配路费收入。 从目前的情况看，最短路径法在很长的一段时间内将占据主导地位( 简单易行) ，虽 然路网的通行费有一定的损失，但是应该承认在收费路网不太复杂的初期( 关键是多义性路 8 东南大学硕士论文 径通行费比例不大) ，与精确识别法相比有技术经济性价比高的优势，也容易使得参与联网 收费的各路段( 桥) 业主容易接受，因此是基本可行的。但是随着联网收费拓展、里程增多、 密度大、路网日益复杂，最短路径法越来越不合理，特别是多义性环路中的某一路段发生因 施工、突发事件、交通管制事件等。 2 ) 车辆分型统计法 车辆分型统计法是在高速公路多路径路段断面上设立分型统计装置，使通过该路段车 辆在5 1 0 0 公里的速度通过时，识别出该车的车型、通过时间、路段信息等参数，根据车 辆分型统计装置统计的多路径路段总流量和计算机自动统计的多路径路段非多路径流量，可 以计算出多路径路段多路径流量，并以此为基础分配通行费。 车辆分型统计法以分车型统计各个断面的车辆数，在联网收费结算管理中心计算出所 有经过多义性路径或者多义性路径的车辆数( 如未在该路段上下的车辆数、全程经过该多义 性路径或多义性路径的车辆数) ，及各类车型的车辆数，从而可计算出多义性路径应收通行 费，在结算中心将多义性路径或者多义性路径的实际收费额按照计算额比例分配给各个路段 业主单位。车辆分型统计法不影响路网通行能力、设备投入少、比较客观反映车辆的分布特 点，但是分型统计装置的分型标准有可能与收费车型不一致，特别是对许多不合法的改装车 准确率不高，并且统计数据受客观条件限制而影响到通行费的精确清分。 3 ) 协商调查法 多路径问题的实质是相关利益的分配问题，自然利益冲突的解决可以通过相关利益体 之间的协商来解决，对于涉及到歧义性路线的相关公司业主进行协商，确定各业主拆分金额 的方法。此方法有一定的偏差，但涉及到歧义路段的业主双方能达成一定的共识则具有操作 性，但拆分缺乏一定的科学依据，因此需要对达成协议的基础上进行修正，修正可通过人工 抽查的方式，对歧义性路段的车辆进行分类，找出分类比例，从而计算出修正系数。在具体 调查及协商的过程中，需要考虑交通量、里程、收费额、投资比例、路网布局、地区经济水 平等。 随着路网的增大，多路径的增多，需要调查的范围越来越大。因为需要不断的修正路网 的情况，所以这是一种动态的解决方法。实施过程中，管理协调难度比较大，要求系统可适 应性强。 协商法比较适用于路网结构简单的情况( 如多义性路径少多为三角形# 字形竞争性差 别大并且少) ，对各个路段容易达成一致的多路径问题比较适用。但是由于影响高速公路 入出口交通流变化的因素相当多，很难达到一个全面量化的模型，因此协商调查的基本依据 是路段交通流、地方经济发展水平等因素确定的经验值。 4 ) 应用概率统计法 应用概率统计方法时