连萌 唐易

深圳高速公路股份 深圳市城市交通规划设计研究中心股份

摘 要：为解决高度城市化地区高速公路的交通量预测方法准确不足的问题，以深圳市机荷高速公路改扩建工程为实际案例，分析了高度城市化地区高速公路沿线区域城市发展特，以及高速公路交通量、交通构成等运行特征，结合工程建设过程交通量预测工作挖掘了交通量预测产生误差的原因，最后有针对地提出了交通量预测准确提升策略，对于高度城市化地区高速公路建设项目的交通量预测工作具有一定参考借鉴意义。

关键词：高度城市化地区;高速公路;交通量预测;准确;策略;

随着我国城市化进程的持续发展，中心城区用地开发强度不断提高，城市空间逐渐向外部拓展延伸，城市边缘地带逐步演变为了高度城市化地区[1]。在此趋势背景下，我国许多高速公路都面临着穿越高度城市化发展地区，所带来的交通发展特变化、交通量预测准确不足的问题[2]。对于高速公路建设项目，交通量预测是非常重要的内容，预测结果的准确，直接关系到项目建设是否顺利、运营管理是否高效[3]。因此，如何针对高度城市化地区高速公路的特，提升其交通量预测准确，支撑工程建设的科学、合理决策，成为亟待解决的问题。

深圳市机荷高速公路是一条典型的高度城市化地区高速公路，随着粤港澳大湾区战略上升为国家战略，机荷高速公路两侧用地高度城市化，交通出行需求迅速增长，日均交通量已达13.6万pcu/d, 呈现常态化拥堵特征。基于前期大量专家开展实地调研、分析、研究，确定采用“高速公路立体复合扩容”的建设理念，对机荷高速公路实施改扩建，以此缓解交通常态化拥堵难题[4]。

本文以机荷高速公路为案例，深入研究高度城市化地区高速公路交通量预测方法。首先基于城市发展资料及高速公路运营数据，识别分析高度城市化地区高速公路特，挖掘城市发展对高速公路的重要影响；然后结合工程建设过程的交通量预测示例，分析交通量预测准确不足的原因；最后针对基于四阶段法的交通量预测模型，提出模型预测准确度提升的策略。

1 高度城市化地区高速公路特

1.1沿线区域城市发展

1.1.1区域位置

机荷高速公路作为深圳市第二圈层唯一东西走向的高速公路，承担了中短距离及城市组团内部交通；同时机荷高速公路属于国高网G15沈海高速公路的重要组成部分，承担了长距离及过境交通。机荷高速公路西起深圳宝安鹤洲立交，西接深中通道，东至深圳龙岗荷坳立交，与惠盐高速相接，途经宝安中心组团、西部高新组团、中部综合组团、中部物流组团和龙岗中心组团，五大组团集中了深圳市工业、高科技和物流产业等产业，作为一圈层核心区发展的后备地区，是未来深圳市发展建设的重要圈层。随着城市空间的填充式发展，机荷高速公路沿线将得到进一步发展，在为石岩、大浪、龙华等组团的串联提供通道保证的同时，也在深圳北部形成一条以航空城-龙华-坂田为节点的东西产业发展轴。

1.1.2沿线土地发展

机荷高速公路建成初期，周边开发强度普遍较低，沿线建设用地占比仅15%,人口密度约3 000人/km2。随着机荷高速公路的建成通车，极大地加强了深圳中、东部地区的交通联系，同时提升了深圳对珠三角地区的辐射带动作用。近年来机荷高速公路两侧城市化进程加速演变，两侧用地从最初单一的工业区、自建房，逐渐演变成住宅、产业、商业综合化的城市功能区域。目前机荷高速公路沿线建设用地占比已达到60%,产业基础扎实，工业企业集聚度较高，拥有富士康、华为等一大批著名企业，沿线还分布钟屋工业园、鑫湖工业园、华润三九工业园等重点产业园区。同时，沿线各街道办人口密度接近8 000人/km2,相比建成初期提升了167%,交通出行需求也随之激增。

1.2现状交通运行特征

1.2.1断面交通量

基于机荷高速公路断面流量监测数据，分析机荷高速公路的断面交通量特征。建成初期机荷高速公路全线平均断面交通量为0.9万pcu/d, 现状平均断面交通量约13.6万pcu/d, 最大断面交通量达到16.8万pcu/d, 高峰时段服务水平达到五级至六级，全天拥堵时长约为10 h。

1.2.2交通构成

结合广东省全省高速公路收费流水数据，推算机荷高速公路全线的出行OD,分析机荷高速公路的交通构成特征。交通构成包括过境交通、对外及市内长距离交通(>25 km)、中短距离交通(<25 km)三种。现状机荷高速公路交通流中，过境交通为3 132 pcu/d, 占比2.3%;对外及市内长距离交通为5.5万pcu/d, 占比40.5%;中短距离交通7.7万pcu/d, 占比57.2%。由此可以看出，过境、对外及市内等长距离交通出行占比已十分接近中短距离交通。

1.2.3节点交通构成

结合广东省全省高速公路收费流水数据，分析机荷高速公路全线互通立交节点的转向交通构成特征。沿线的14个立交节点中，相交高速公路的节点，包括龙大高速、梅观高速、盐排高速等，在上述节点的转向交通流中，通过及长距离跨组团到发交通占比分别为51%、40%、44%,与中短距离到发交通占比接近。其他相交快速路或主干路的一般立交节点，其转向交通流中，通过及长距离跨组团到发交通占比不足20%,中短距离到发交通占比超80%。见表1。

表1 机荷高速公路重要节点高峰小时转向交通构成分析 导出到EXCEL

1.3小结

(1)交通量巨大，交通拥堵较严重。

随着城市化进程的不断发展，城市空间不断向外延伸，高度城市化地区高速公路的沿线区域产业、人口、岗位积聚，交通需求增幅增速均远高于城市边缘地区。机荷高速公路现状交通流较建成年交通流增长10余倍之多，已经呈现常态化交通拥堵，未来交通量还将进一步增长，远超设计通行能力，改扩建将成为必经之路。

(2)区别于规范定义的高速公路交通流特征，交通结构复杂，城市特征明显。

高度城市化地区高速公路承担的交通功能混杂，长距离及过境交通与中短距离交通比例接近1∶1,沿线互通节点转向交通构成差异明显，部分节点以长距离转换交通为主，部分节点以中短距离转换交通为主，需要借助“立体复合扩容”的改扩建理念，剥离混杂的交通需求，提升通道与节点的通行效率。

(3)高速公路沿线限制因素众多，可扩容空间严重受限。

高度城市化地区高速公路沿线土地开发强度高、城市规划组团密集，穿越基本农田、一级水源、铁路及道路、长距离管线等众多敏感区域，同时改扩建工程需考虑与周边城市景观和谐的要求，因此工程建设条件严重受限，无法满足平面扩建的要求。

2 交通量预测准确问题及原因分析

2.1机荷高速公路交通量预测准确问题

在机荷高速公路改扩建实施前期，开展了《机荷高速公路改扩建工程交通详细规划研究》(以下简称“详规方案”)项目，通过构建广东省域+深圳市域的宏观交通模型，预测细化机荷高速公路未来远景年交通需求特征，分析机荷高速公路通道、互通立交、被交道路的交通量及服务水平等指标，并在此基础上，研究了机荷高速公路总体规划方案、选线方案、节点设计方案、沿线被交道路交通影响分析及改善方案。

通过对比分析，机荷高速公路交通量预测结果不够理想，多个路段存在误差。机荷高速公路西段南光高速-松白路区间预测的交通量与实际运行结果偏差最低，预测偏差率为16.5%;机荷高速公路东段的水官高速-荷坳段预测的交通量与实际运行结果偏差最高，预测偏差率超过100%。交通量预测准确不足的问题将极大影响工程建设时期的品质设计与科学决策，从而无法保证机荷高速公路建成通车后的运行效率和运行安全。

高速公路交通量预测方法众多，包括直接法、四阶段法、回归分析法、组合模型法、专家预测法等[5]。其中四阶段法技术思路成熟、推算预测逻辑严谨，模型参数能够较好描述城市与交通发展规律，是交通量预测研究中应用最为广泛的方法之一[6]。对于沿线区域经济基础较好且产业结构相对稳定的高速公路，应用四阶段法进行交通量预测可以取得相对准确的结果[7]。但是面对高度城市化地区高速公路，沿线区域产业结构历经调整变革，区域经济发展极为迅速，出行需求特征随之改变，应用四阶段法进行交通量预测，将容易出现较大的误差。

2.2机荷高速公路交通量预测准确不足原因

(1)高度城市化地区高速公路交通影响因素复杂多样，模型本地化参数精度不足。

综合上文分析可知，高度城市化地区高速公路具备交通量巨大、交通结构功能复杂、沿线用地开发强度高等诸多特，与常规高速公路差异明显。如果采用传统交通模型的预测方法，借助综合交通调查的方法对交通模型的参数进行标定，模型参数的精度远远不能满足本地化的要求，无法应用于极具特殊的高度城市化地区高速公路交通量预测。

机荷高速公路改扩建详细规划方案研究交通量预测包含了交通生成、交通分布、方式划分、交通分配四个阶段。在交通生成阶段，机荷高速公路沿线人口、岗位分布密集，出行次数、高频次出行占比均会高于交通调查结果；在交通分布阶段，机荷高速公路出行的交通结构复杂多样，调查数据无法分析不同出行人群的出行矩阵；在方式划分阶段，机荷高速公路中短距离出行量与长距离过境交通量接近，与常规高速公路长距离出行交通为主的特不同，基于交通调查数据分析的交通方式选择比例准确会大大降低；在交通分配阶段，通过交通调查难以准确标定流量延误函数，最后影响交通分配的结果。

(2)高度城市化地区高速公路交通量受到抑制，潜在交通需求考虑不足。

高度城市化地区高速公路沿线用地开发强度高，交通需求大，高峰时段交通需求大于道路通行能力，呈现常态化交通拥堵状态，饱和度超过1。但是由于受到通道断面规模限制，交通需求无法完全释放到道路上，释放的交通流量可以被断面流量检测设备识别，会远低于实际交通需求。随着机荷高速公路立体改扩建工程的建设完成，机荷高速公路将由目前的双向6车道规模提升至双向16车道的规模(立体层双向8车道、地面层双向8车道),原本具备的出行生成条件(沿线人口、岗位、经济水平、机动车拥有率等)会释放出正常的交通量，即由于通道的通行能力提高改善而诱发了高速公路沿线原有潜在的交通需求。潜在交通需求量在路网结构发生变化后立即一次地显现出来。

在机荷高速公路改扩建详细规划方案研究交通量预测工作中，基于现状年交通模型进行交通量分配，将道路交通分配结果与道路实际检测流量进行对比，以此来校核模型的准确。但是对于高度城市化地区高速公路，高峰时段道路呈现常态化交通拥堵状态，车辆运行速度缓慢，交通需求无法得到完全释放，实际检测流量远低于实际交通需求。如图1所示，道路的实际交通需求为2 800 pcu/h, 但实际检测的交通流量仅1 350 pcu/h, 不足实际交通需求的一半，类似这种忽略考虑潜在交通量因素，显然是不合理的，交通量预测结果明显偏低。

图1 道路实际流量与潜在交通需求关系 下载原图

(3)交通模型预测年限跨度长远，无法保证规划背景条件时效。

高速公路从立项到建设再到通车，通常需要耗时4～5年时间，交通量预测的年限更是长达20年之久，在这期间，城市与交通的快速发展将会带来诸多不确定因素，影响未来规划年既定的交通前景条件。规划年的交通前景条件，是影响交通量预测的关键因素，包括城市及相关行政区机动车保有量的发展情况、道路网络规划、重大通道建设、轨道网络规划等，都会诱增或转移高速公路交通量。2016年的详细规划研究中的交通前景条件主要参考《深圳市综合交通“十三五”规划》,2021年正式发布《深圳市综合交通“十四五”规划》公众咨询稿，与上版规划文件相比存在一定的差异，如表2所示。

表3 相关高快速路建设项目 导出到EXCEL

以外环高速公路为例，外环高速公路作为机荷高速公路的重要平行通道，将分担转移大量的交通需求。《深圳市综合交通“十三五”规划》提及，外环高速公路全线建设周期为2014年～2019年，预计2020年正式运营通车。《深圳市综合交通“十四五”规划》公众咨询稿中，外环高速公路分为三期建设，一期与二期建设周期为2014年～2022年，三期建设周期为2020年～2025年，外环高速公路2026年才能实现全线运营通车。相差6年的建设时序，错误估计了外环高速公路的开通时间以及相应从机荷高速公路转移的交通需求，从而导致了交通量预测的不准确。

3 交通量预测准确提升策略

(1)依托多源交通大数据，支撑精细可靠交通量预测。

数据挖掘分析技术不断发展，为精细可靠的交通量预测分析提供了全新的技术手段。通过汇聚高速公路视频监测、微波雷达、收费流水等运营管理数据、城市道路车识别、公交地铁运营数据、车辆GPS数据以及互联网导航、手机信令等互联网数据，挖掘城市及高速公路交通出行规律，精细化标定交通预测模型参数，支撑可靠的交通量预测。结合交通量预测的四阶段，具体分析多源数据在交通模型中的应用。

交通生成阶段，基于手机信令数据细分居民的出行目的，包括基于家的通勤出行(HBW)、基于家的弹出行(HBO)、非基于家的出行(NHB)等，并以此为分类标准进一步精细化标定特定出行目的的出行发生与吸引率，如式(1)与式(2)所示。

∑kSkipHBWk=PHBWi         (1)∑kSkipkΗBW=ΡiΗBW         (1)

∑kSkiaHBWk=AHBWi         (2)∑kSkiakΗBW=AiΗBW         (2)

式中：Ski为交通小区i中第k类用地的建筑面积；pHBWkkΗBW为基于家的通勤出行发生率；aHBWkkΗBW为基于家的通勤出行吸引率；PHBWiiΗBW为基于家的通勤出行发生总量；AHBWiiΗBW为基于家的通勤出行吸引总量。

交通分布阶段，交通模型对出行人群进行特征分类，例如通勤人群、无业人群、生活购物人群以及流动人群，在此基础上预测分析不同人群的交通出行分布矩阵。借助手机信令数据，同样可以分析上述不同人群的出行分布矩阵，并与交通模型分析的矩阵进行校核对比，进一步识别人群出行的时空分布活动规律，校核通勤、非通勤等不同出行目的的出行特征指标。

方式划分阶段，综合考虑全部交通方式选择与出行距离的关系。首先，基于公交及地铁运营数据，把握居民选择公共交通方式出行的分担总量及比例；第二，基于出租车运营数据及互联网导航数据，把握总体出租车及网约车的出行选择特征；第三，融合多种交通数据，精细化标定影响出行方式选择的模型参数。针对方式划分模型效益函数的标定，基于车辆GPS数据分析时间阻抗数据，基于公交刷卡数据分析换乘时间、换乘次数等数据，通过分析出租车及互联网导航数据，掌握各行政区人群乘坐出租车及网约车的出行偏好和便捷程度等。

交通分配阶段，结合交通流量检测数据，分析不同道路等级流量变化的时空特征，标定道路的实际通行能力，并根据道路运行状况标定不同道路的流量延误函数。通常采用美国公路局BRP函数作为流量延误函数，如式(3)所示。

t=tf[1+α×(vc)β]         (3)t=tf[1+α×(vc)β]         (3)

式中：t为拥挤路段的出行时间；tf为路段自由流出行时间；v为路段流量；c为路段通行能力；α、β为待标定参数，默认值一般取α=0.15、β=4.0。

同时，交通流量检测数据可以帮助准确掌握高速公路重要断面以及沿线区域重大通道的实际流量，可以用于校核交通分配结果，模型校核结果更为客观、可信，直接反映交通模型预测精度的可靠。

(2)推算道路潜在交通需求，优化交通模型校准方法。

对于常态化交通拥堵的高度城市化地区高速公路，道路表现的实际交通流量与道路交通需求并不相等，且相差较大。若采用传统的交通模型校准方法，即对比模型预测流量与实际检测流量，将无法考虑到高速公路潜在的交通需求，大大降低交通量预测的准确。因此，传统交通模型校准方法无法应用于高度城市化地区高速公路的交通量预测中，需要对传统校准方法进行优化，即模型预测结果应该以无限接近靠拢道路交通需求为目标。

首先，针对道路交通流处于稳定状态的路段(饱和度<1),道路的交通需求不会被抑制，可以完全释放到道路上，此情况下采用实际检测交通流量作为交通需求；针对道路交通流处于拥挤状态的路段(饱和度≥1),道路部分的交通需求被抑制，无法完全释放到道路上，此情况下不可采用实际检测交通流量作为交通需求，应该根据高速公路路网交通需求守恒原则，根据道路的上下游稳定状态的道路交通需求进行推算得到。如图2所示，上游主线路段B与上游匝道路段C均为稳定流状态，下游主线路段A为拥挤流状态，路段B的交通需求可通过断面检测设备统计流量获得，路段C的交通需求可通过收费站流水数据统计获得，但路段A不能依靠断面检测设备直接获取。根据路网上下游交通需求守恒原则，路段A的交通需求等于路段B与路段C的叠加，由此可推算路段A的交通需求。

图2 基于路网交通需求守恒原则推算道路交通需求 下载原图

优化后的交通模型校准方法，对比模型预测结果与高速路网交通需求的误差，若误差小于15%,认为模型精度达到预期目标；否则，重新调整标定模型参数，直至模型预测结果满足精度要求。具体的模型校准方法如图3所示。

(3)形成交通模型滑动校核机制，保障模型评估的时效。

高速公路项目建设是一个长期漫长的过程，但城市与交通的发展规划却在不断更新、完善，势必会导致交通模型构建前提条件与实际有所差别，极大影响交通量预测的准确。因此，必须制定科学合理的模型更新维护机制，保证交通量预测的时效。交通模型更新维护工作主要包括基础数据更新与模型参数校核两部分。

图3 交通模型预测校准方法流程 下载原图

基础数据更新是针对城市交通主要变化，补充开展专项调查，收集部门企业资料，进行数据分析，并在模型中纳入最新的数据。交通模型的基础数据涵盖交通需求、交通供给、交通运行三大项十余小项，数据的全面更新需要耗费大量的人力、物力，结合国内外先进城市的经验，通常5年左右开展一次大规模的交通调查与模型更新，5年之间开展年度小样本调查及模型维护。考虑到高速公路建设周期紧张，适当压缩数据更新周期，采用“小样本调查+大数据分析”相结合的方法，每1～2年对发展变化较快的社会经济、交通运行等数据进行更新，每3～5年对居民出行及流动人口等数据进行更新。交通模型基础数据更新方案具体如表3所示。

表3 交通模型基础数据滑动校核方案 导出到EXCEL

在根据新的基础数据评估模型的精度后，模型还应根据情况对出行生成、出行分布、方式划分、交通分配中的需要更新的参数进行重新标定校核。交通生成主要包含交通产生率和交通吸引率，两者在一定的时间内都较为稳定，建议校核频率为3～5年。交通分布主要包含阻抗函数和K系数，其中阻抗函数为反映城市出行分布特点，其标定校核需要翔实可靠的交通分布调查成果，在一定时间内相对稳定，建议更新周期为3～5年；K系数为反映地带间差异化交通需求的参数，建议以1～2年为周期。方式划分主要包含效用函数及时间价值，涉及经济发展、交通运行诸多因素，建议更新周期为1～2年。交通分配主要包含流量延误参数和公共交通阻抗参数，是校核交通模型准确的重要参数，建议更新周期为1～2年。交通模型参数校核方案具体如表4所示。

4 结语

交通量预测是高度城市化地区高速公路建设项目极为重要的工作。本文以深圳市机荷高速公路为实际案例，分析研究了高度城市化地区高速公路的用地特和交通运行特征，发现挖掘了在工程建设过程中交通量预测准确不足的现象及原因，主要包括交通模型参数本地化标定精度不足、高速公路潜在交通需求考虑不足、预测年限规划条件失效等3个层面的原因，最后针对上述原因分别提出了相应的交通量预测准确提升策略，可以为同类高速公路建设工程提供参考和借鉴。

表4 交通模型参数滑动校核方案 导出到EXCEL

参考文献

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