高速公路乘用车出行空间分布及行程特征研究

时间：2024-07-29

马健，肖润谋，王博慧

(长安大学汽车学院，陕西西安 710064)*

近年来我国高速铁路建设迅速成网、私家车迅速普及以及长途客运持续乏力等，都不同程度的影响到我国综合运输体系的发展，高速公路客运结构也随之产生调整.其中乘用车出行以其随意方便、个性化的特点，普遍应用于公众的商务通勤、娱乐休闲、外出旅游等日常活动中.2017年全国高速公路联网数据总流量达100亿次以上，乘用车出行流量占比大于70%，乘用车出行旅客周转量占高速旅客周转量的65.16%，同比增长2.25%[1-2].可见高速公路乘用车在我国高速公路旅客运输中已经占有相当重要的地位.随着区域间社会经济联系日益紧密、基础设施完善，又将加强乘用车出行的增长趋势，因此乘用车的发展对于区域的影响逐渐成为社会关注的重点问题.

国内外学者对乘用车出行的研究，主要集中在城市区域内出行特征、行驶工况构建等方面：William分析英国、爱尔兰和美国的私人乘用车出行特征, 结果近40%乘用车的出行里程低于20km[6].吴履伟、陈汉等人分别采集了北京、哈尔滨地区私人乘用车出行GPS数据，并构建地区乘用车的典型行驶工况分析乘用车的出行特征[7-9].郭瑞军等人基于电子收费数据研究高速公路交通流特性[10].代倩利用浙江省高速公路收费数据，分析了乘用车在高速公路客运的主力定位，探讨了节假日因素对乘用车出行的影响[11].魏广奇运用K-means++聚类分析高速收费数据，研究了通勤车辆的出行时空分布特征[12].吴中等人提出缓解交通拥挤的多目标优化模型，并给出求解方法从而控制社会和个人成本[13].

从以往的统计与研究来看，对于高速公路乘用车出行分布及特征研究相对较少.因此本文基于高速公路联网数据，分析国家高速路段的乘用车流量分布和出行特征，有助于了解高速公路乘用车出行的运输态势，缓解交通问题，为高速公路服务区充电设施的配置提供参考依据.

1 数据采集及处理方法

1.1 数据采集与预处理

2019年5月，交通运输部发布《收费公路车辆通行费车型分类》(JT/T 489—2019)，新标准将Ⅰ型和Ⅱ型客车分类界限值由7座调整为9座.本文以辽宁省2018年高速公路联网数据为基础，因此仍使用旧的车型划分标准来分析高速公路乘用车的空间分布情况及出行特征.

2018年辽宁高速联网数据总量达2.11亿条，其中客车流量占总流量的75.94%，而客车中Ⅰ型客车(≤7座)占总客车流量达97%以上，其余三类客车总和占比不足3%：Ⅱ型(8-19座)1.09%、Ⅲ型(20-39座)0.70%、Ⅳ型(≥40座)0.98%.根据高速公路收费站的实地调研数据，乘用车出行流量中8-9座的车辆占比不足0.5%，因此本文主要针对高速公路Ⅰ型客车出行进行分析，以此来把握乘用车出行的总体特征.

利用SQL数据处理平台，首先建立辽宁省2018年高速公路数据处理库，定义数据字段的属性，包括车辆通行信息、收费信息、车辆信息等，部分字段信息如表1所示.其次，对原始数据进行清洗.最后运用SQL Server程序对数据进行聚合、查询、更新，按车型分类提取相关信息，新建OD流量、出行时间、出行距离等数据库.

表1 高速公路通行车辆数据字段信息(部分)

1.2 流量路网分配模型

本文采用Trans CAD交通分配软件构建流量路网分配模型，将乘用车的出行流量与高速路网动态结合，研究总体分布及路段流量.

(1)建立高速路网底图.以全省收费站代码字典和高速公路网地图为基础，结合收费站经纬度，利用Arc GIS导出高速路网的点、线以及面层的shp文件，导入Trans CAD软件转换格式后搭建高速公路流量路网分配模型，如图1.

图1 高速路网底图

(2)输入属性信息.收费站信息：站名称、站代码、经纬度等，确保每个收费站有且仅有唯一的站代码编号.检查路段连通性并录入路段信息：路段距离、通行能力、设计速度、路段标号等.

(3)导入数据.提取高速公路乘用车出行的出入口和流量信息，导入分配模型将OD流量转化为matrix矩阵表，用于后期交通分配.

(4)流量分配方法选择.本文采用线路长度作路段阻抗，通过用户平衡法将乘用车OD数据进行交通分配.主要是文中以高速公路收费数据为基础，行程起终点细化到收费站，而且高速公路乘用车行驶速度快，弱化了通行时间的影响，而且选择最短路径更加贴近实际情况[14].

(5)输出分配结果.将matrix矩阵表的站代码与路网模型中收费站的ID进行索引置换，进行交通分配，如图2，实现路段流量数据与路网的结合并导出结果.

图2 辽宁省2018年乘用车出行日均流量分配图

2 流量空间分布特征

2.1 乘用车出行区域分布特征

本文将辽宁省308个高速公路收费站分到14个地市，在SQL数据库中计算各市的乘用车流量，划分为4个等级：高、较高、中等、低，并作乘用车出行流量地区分布图.由图3中可见，辽宁省高速公路乘用车的出行流量在区域上呈现的特点是：两大核心辐射分布.沈阳、大连这两大核心城市的乘用车出行流量处于高水平层次，分别为4324.7万辆次、3 721.4万辆次，占全省流量的27.7%，23.8%.但全省仅沈阳、大连的乘用车出行流量在1 000万辆次以上，其他地市都在1 000万辆次以下，处于中、低水平，说明辽宁省高速公路乘用车出行流量分布集中，核心城市与其他各市之间差距较大.

图3 辽宁各地市乘用车出行流量分布图

对辽宁省14个地级市的高速公路乘用车出口流量与GDP、人口数的具体分布情况进行Pearson相关性分析.如表2所示，辽宁省各市的乘用车流量与各地市GDP、人口数的相关系数都大于0.9，表明辽宁省高速公路乘用车出行流量的总体分布与城市经济发展水平、人口规模分布高度吻合，具有极强的相关性.城市经济发展水平越高、人口规模越大、区域间的联系越紧密，高速公路乘用车出行的需求越高.沈阳、大连，2018年GDP总量占全省的54%，两市的总人口占全省人口的30%以上，乘用车的出行流量占全省的51%以上.

表2 乘用车流量与GDP和人口数的相关性检验

2.2 乘用车出行流量高速路网分布

如图2，从辽宁省乘用车出行在全省高速公路网的分布来看，由G1京哈高速和G15沈海高速形成以沈阳为中心点的Y字型主轴线，贯穿中部发达地区，其他路段连接各区域共同形成主体网络.

将路网模型对乘用车出行OD数据的分配结果导入SQL数据库，将辽宁省高速路网划分为12条路段，计算出各路段的流量，如表3所示.

表3 干线路段双向日均流量表

(1)沈海高速：辽宁省内路段又称沈大高速，是省内的最重要的干线大通道，也是辽宁地区的经济主轴线，该路段乘用车双向日均流量达2.159万辆次，是辽宁省内乘用车出行强度最大的路段;

(2)京哈高速：由京沈高速和沈哈高速两段组成，是连接东北地区与华北地区的交通大动脉，也是辽宁省通往京津冀地区的运输大通道.其中万家至沈阳、沈阳至毛家店路段乘用车双向日均流量分别达1.59万辆次、1.19万辆次，日均流量仅次于沈大高速，是辽宁省乘用车出行的重要运输线路之一;

(3)长深高速：连接吉林西部、内蒙古东部地区，促进辽宁北部地区的交通改善、经济发展.其中三十家子至阜新路段和阜新至康平路段乘用车双向日均流量分别为3 360辆次、3 843辆次;

(4)丹锡高速：连接锡林浩特与丹东，分为黑水至锦州、盘锦至大孤山两段，其中盘锦至大孤山路段乘用车流量较高，双向日均流量为4 551辆次;

(5)鹤大高速：纵贯黑、吉、辽三省，路段距离较长.该路段的乘用车的日均流量为4 899辆;

(6)辽中环线高速：以沈阳为中心，将辽宁中部地区城市连接起来，促进辽中地区城市群的发展.其乘用车的双向日均流量为2 275辆次;

(7)其他路段：沈吉高速的乘用车双向日均流量达7 649辆次.沈丹高速双向日均流量达8270辆次.新鲁高速路段双向日均流量为4 518辆次.

3 节假日流量特性

2018年春节、清明节、劳动节以及国庆节期间高速公路免收Ⅰ型客车通行费，共20天.免费节假日期间通行数据中只含有车辆出口站及出口时间，不记录入口站、入口时间、里程等信息，因此文中仅对节假日期间乘用车出行的交通流量和区域分布进行分析，对缓解节假日高速交通拥堵有实际意义.

3.1 不同节假日乘用车出行流量特性

如表4所示，利用SQL数据库分别统计了四个免费节假日乘用车出行的日均流量，分析免费节假日期间乘用车出行的增长情况；对比免费节假日与正常工作日的差别，以及免费时间相同的国庆节与春节、清明与劳动节的差别.

表4 节假日期间乘用车出行日均流量

节假日期间乘用车出行大幅增长，免费节假日期间日均流量是正常工作日的2.10倍.春节、清明期间的日均流量增幅超过70%，劳动节、国庆节期间收费节假日的流量增加1倍以上，国庆节期间的出行强度最大，相当于正常工作日的2.54倍.说明免费政策对于乘用车出行的激励作用明显，公众对于免费节假日的出行期待较高.对比分析春节、清明节、劳动节以及国庆节的乘用车出行日均流量增长的差异，四个免费节假日的日均流量随时间递增，春节期间乘用车出行日均流量最低主要是气候因素以及春运高峰早于春节免费时间出现的影响导致.

3.2 不同区域节假日乘用车出行流量特性

如表5，对比分析节假日乘用车出行区域分布的变化节假日期间沈阳、大连两核心城市的乘用车出行流量增幅低于全省的平均增幅，并且两市节假日日均流量在全省的占比也出现下降，总和下降4.66%.以流量分布来看，沈阳、大连仍然是省内出行流量最大的区域.但两市占全省乘用车流量的比重下降，其余的地市占比上升，说明沈阳和大连在节假日期间属于乘用车流量的输出地.

表5 各地市工作日与节假日日均流量分布表

节假日期间10个地市的乘用车出行流量在全省的占比增长.丹东市的增长幅度最大，达工作日日均流量的2.80倍，说明节假日期间旅游对于乘用车出行有显著的吸引作用.葫芦岛市节假日乘用车出行增长明显，日均流量达5 000万以上，仅次于沈阳、大连.其中处于省界的京哈高速万家收费站日均流量达24 561辆次，是正常工作日的4.18倍，可知节假日期间乘用车跨省出行的数量大幅增加.

4 高速公路乘用车出行距离特性

高速公路乘用车出行距离的分布是高速公路管理部门关注的重要内容，也是新能源车辆进一步向高速公路推广的关键，对新能源车辆的里程适用性和服务区充电设施配置有着重要的意义.

4.1 乘用车出行距离波动特性

随着乘用车保有量的快速增长，出行频率的提升，乘用车出行距离有所降低.利用2018全年辽宁省乘用车出行的数据计算平均距离，求出各月份的平均出行距离，以年度平均出行距离为基数100%，观察其月度波动情况.

如图4，乘用车的出行距离受节假日、天气等因素影响波动明显.受春节返乡和节后返城等影响，2月出现峰值，达到年度平均距离的116.15%.10月出现峰谷，仅占年度平均出行距离的90.12%.主要是国庆节期间高速公路乘用车的出行流量大幅增长，而节假日期间出行大多为休闲娱乐，出行距离较短，导致平均里程下降.

图4 乘用车平均出行距离月度波动

辽宁省2018年乘用车出行的平均距离为79.84 km，大、中型客车的平均距离分别为94.89km、98.31 km，可见高速公路乘用车的出行距离偏短.据吴履伟、陈汉等人对北京和哈尔滨地区的城市内私人乘用车出行研究，城市内平均出行里程分别为35.4 km、27.36 km[7-9]，乘用车高速公路平均出行距离远大于城市内出行.

4.2 乘用车出行距离分布拟合

从图4可见，乘用车的出行距离受时间、天气等因素波动明显，其中6月份波动幅度较小而且无免费节假日的影响，因此本文选取6月份的全样本量数据分析乘用车出行距离的特征.从12406288条数据中筛出12271867条有效数据，对其出行距离进行聚合、绘制频率直方图，发现分布符合对数正态分布特征[15-16].并对乘用车出行距离拟合对数正态分布，其出行距离密度分布函数可由式(1)～(6)表示.

Y=lnX

(1)

(2)

(3)

对于参数μ，σ2进行极大似然估计:

L(μ，σ2)=L(C1，X2，…，Xn;μ，σ2)

(4)

(5)

(6)

图5 对数正态分布拟合曲线