北京市交通拥堵宏观评价指标体系开发及其应用_郭继孚

北京市交通拥堵宏观评价指标体系开发及其应用
郭继孚1，刘梦涵2，于雷2,3 ，关积珍4，郭淑霞2，张雪莲2
（1.北京交通发展研究中心中国北京 10055； 2.北京交通大学交通运输学院中国北京100044；3. 德克萨斯南方大学，美国休斯敦 77004； 4.北京四通智能交通系统集成有限公司中国北京100081）
摘要：交通拥堵宏观评价用于总体描述全市路网或者特定区域的交通拥堵现象及其潜在规律。

现有的研究方法能够从不同侧面反映交通拥堵现象，但不能从整体上多角度反映路网的拥堵状态，也不能够对整个路网实时运行状态进行动态跟踪。

本论文通过分析北京市道路网交通拥堵所呈现出的多样化特征，设计和开发了一套符合北京市特点的宏观交通拥堵评价指标体系，全面、系统、科学地量化北京市总体交通拥堵程度及时空演变规律。

通过采集持续2006年3月份持续一周的浮动车数据，对北京市五环内实际的道路网拥堵指标进行计算和分析，初步得到了北京市道路网交通拥堵的潜在规律，该研究结论为把握现阶段的拥堵水平，后续跟踪拥堵的发展态势奠定了良好的基础。

关键词：交通拥堵；宏观评价；时空分布
Development and Applications of Macroscopic Measurement of Traffic
Congestion in Beijing
Jifu Guo1, Menghan Liu 2，Lei Yu 2,3 , Jizhen Guan4, Shuxia Guo2,Xuelian Zhang2
(1. Beijing Transportation Research Center, Beijing 100055, China; 2. School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3. Texas Southern University, Houston, TX 77004，U.S.A.; 4. Beijing Stone Intelligent Transportation System Ingegration Co.,LTD, Beijing 100081, China)
Abstract: The macroscopic measurement of traffic congestion is used to describe the phenomena and potential rules of congestion for the entire network or specific areas. The existing methods can measure traffic congestion from several single aspects. However, they can not demonstrate the full-spectrum congestion condition of the entire network, and also can not capture the dynamic traffic characteristics. This paper is intended to develop the macroscopic evaluation indices for traffic congestion based on analyzing the diverse characteristics of traffic congestion in Beijing. The proposed method can measure the extent and spatial-temporal distribution of congestion for Beijing comprehensively. In the case study, traffic congestion indices within the Fifth Ring-Road are evaluated using the floating car data collected in one week of March, 2006 in Beijing. This study investigates preliminarily the potential rules of traffic congestion in Beijing, which will contribute to grasp the current situation and also the future trend of congestion.
Key words: Traffic Congestion; Macroscopic Measurement; Spatio-temporal Distribution
1引言
交通拥堵源于交通需求水平大于交通供给能力而引起的车辆聚集现象。

伴随城市经济水平和机动化水平的提高，特大城市的交通拥堵问题日益严重，逐步从单一性的路段或者交叉口的拥挤演化成为区域性的网络拥堵，如何对道路网的交通拥堵进行宏观的评价和分析，并制定相应的拥堵治理措施，在过去的几十年中，交通人员在此方面做出了巨大的努力。

1.1研究综述
近年来，国外交通管理部门和研究机构开展了大量的交通拥堵评价相关研究，美国较早开展了系统的交通拥堵评价的研究与实践，建立了比较完善的拥堵评价指标体系，另外部分国家也提出了
作者简介：郭继孚（1966－），男，北京交通发展研究中心副主任，教授级高工，主要从事城市交通规划等研究。

一些有特色的评价指标。

国外拥堵评价指标，从不同角度和应用需求评价了交通拥堵，并给出了拥堵的判断和量化标准。

可以将国外交通拥堵评价指标大体分为以下几类：拥堵定义指标、出行影响指标、交通流参数指标、服务水平指标和其它指标。

这些主要包括：美国德克萨斯州交通研究院于1994年提出道路拥堵指数，用来评价城市交通的相对拥堵水平。

道路拥堵指数定义为不同等级道路（包括高速公路和主干路）每公里平均日交通量的加权平均值[1]。

美国加州35个城市采用LKDIF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LKDIF值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[3]。

日本在道路交通形势调查中使用拥堵度作为交通畅通性的评价指标。

拥堵度定义为某路段实际交通量与一天24小时或白日12小时的评价基准量之比[4]。

美国联邦公路管理局在其公路运行监控系统（Highway Performance Monitoring System, HPMS）数据结果分析报告中应用拥堵严重度指标作为量化拥堵的指标，拥堵严重度指标被定义为每百万车公里出行总的车辆延误时间[5]。

道路服务水平是一个评价道路运行状况的指标，反映所有驾驶员对他/她所在交通流中的平均感觉。

道路服务水平根据高速公路的（车流）密度、交叉口的平均停车延误和主干路的平均速度来定义，最早由美国1985年道路通行能力手册（HCM）提出[6]。

通过对上述指标开展研究，发现现有指标能够单独从不同侧面反映交通拥堵现象，体现拥堵的某一特征，但缺乏从整体上多角度全面反映路网的拥堵状态，不能够对整个路网实时运行状态进行动态跟踪，细致地描绘交通运行短时间内的变化，因此，本研究希望通过建立针对北京的交通拥堵宏观评价指标体系，来全面地反映交通拥堵的潜在规律。

1.2研究目标
本研究的目标在于通过分析北京市道路网交通拥堵所呈现出的多样化特征，设计和开发一套符合北京市特点的宏观交通拥堵评价指标体系，全面、系统、科学地量化北京市总体交通拥堵程度及时空演变规律，通过对实际的道路网交通流数据进行计算，初步探讨北京市道路网交通拥堵的潜在规律。

2交通拥堵评价的宏观指标体系
交通拥堵宏观评价用于总体描述全市路网或者特定区域的交通拥堵程度、范围和趋势。

便于社会宏观把握年度交通系统的总体运转状况，明确全市或者区域交通拥堵的变化趋势和拥堵时空演化规律，了解道路网运行的薄弱环节，为政府部门制定长期的拥堵治理措施提供所需的基础信息评价指标选取原则。

因此，道路网交通拥堵宏观评价需要反映如下内容：道路网交通拥堵的程度、交通拥堵的时间、交通拥堵的空间，以及瓶颈点段的数量和分布。

根据上述范围，本研究设计的评价指标及其定义包括[7]：
总体拥堵程度——道路网交通拥堵指数：评价北京市道路网在特定区域特定时刻的交通整体相对拥堵水平。

拥堵影响范围——道路网各拥堵级别里程比例：从空间的角度整体上定量描述道路网运行状况的空间范围变化。

拥堵时间分布——分时段道路网拥堵级别：一天中道路网在不同时段所处的交通拥堵状态等级以及路网在各拥堵状态下的持续时间。

交通瓶颈点段——重点拥堵点段数量和分布：一定区域范围超过一定频率的常发性拥堵路段的数量及其在城市路网中的空间分布情况。

本研究各项指标的研究思路和计算方法如2.1所示。

2.1 道路网交通拥堵指数
考虑交通拥堵的传播方式是以“点—线—面”的方式蔓延。

项目拟从研究拥堵瓶颈出发，定义路网中严重拥堵的路段作为拥堵指数的核心，在此基础上，综合考虑人们对于拥堵定义和拥堵等级的理解和感受，采用数理统计和模糊评价的方法，构建二者的函数对应关系，最后提出拥堵指数的计算公式和评价标准。

具体研究思路：
首先，开展调查获取人们对按速度划分的拥堵等级标准，项目组开展了以速度为主的拥堵问卷调查，调研对象为经验丰富的出租车司机，调查内容为对各拥堵等级所对应速度范围的主观判断，本次调研收集有效调研问卷80份，经过对数据的整理分析，得到了路网和各等级道路各拥堵程度评判的速度标准。

其次，利用速度的等级确定严重拥堵里程比例的等级，采用统计分析的方法研究道路网（以及各等级道路）的严重拥堵里程比例与道路网（以及各等级道路）平均速度的映射关系，确认二者的高度负相关性，采用回归的方法给出二者的函数关系式，然后根据速度的阈值推算严重拥堵里程比例的阈值。

最后，确定交通拥堵指数的计算公式和评价标准，定义交通拥堵指数的取值范围为0-10，值越大约拥堵，采用分段线性函数建立其和严重拥堵里程比例的函数关系式；并给出交通拥堵指数的评价标准，包括道路网交通拥堵指数、道路网严重拥堵里程比例和道路网整体平均速度的对应关系。

计算公式：
第一步，根据路段平均行程速度，识别出严重拥堵路段：
定义快速路上平均行程速度低于20公里/小时的路段则为快速路上的严重拥堵路段，判别主干路、次干路和支路上严重拥堵路段的阈值分别为：15公里/小时，10公里/小时。

第二步，分别统计各等级道路严重拥堵路段所占的里程比例：
100%
×该等级道路严重拥堵路段里程总和
某等级道路严重拥堵路段里程比例＝
评价范围内该等级道路里程和 (1)
第三步，综合计算道路网严重拥堵里程比例：
将各等级道路的严重拥堵里程比例综合成道路网严重拥堵里程比例，其中各等级道路的综合权
重为VMT （车辆行驶总里程）[7]。

1VMT n
i i i =×∑道路网严重拥堵里程比例＝第等级道路的权重第等级道路严重拥堵路段里程比例
(2)
式中：n ——代表了道路等级的数量，按照北京市现有的主要道路网的构成，n 等于4。

第四步，计算道路网交通拥堵指数：
综合考虑道路网严重拥堵里程比例和道路网交通拥堵指数的正相关关系，建立二者的线性函数关系式，将道路网严重拥堵里程比例转化为道路网交通拥堵指数。

假设道路网严重拥堵里程比例为a%，则道路网交通拥堵指数为：
(04)22(48)4(811)6(1114)8(1424)510(24)a
a a a a a a ⎧≤≤⎪⎪
⎪+<≤⎪⎪
×⎪+
<≤⎪⎨⎪×+
<≤⎪⎪
⎪+<<⎪⎪
≥⎪⎩
a-42(a-8)2道路网交通拥堵指数＝3
(a-11)2
3a-14
(3)
因为该指标是面向公众发布的，因此必须便于公众的理解，确定了拥堵指数的范围0-10，以及五个拥堵级别，分别是：即非常畅通、畅通、轻度拥堵、中度拥堵和严重拥堵，道路网交通拥堵指数和道路网严重拥堵里程比例在各个等级的阈值如下表1所示：
表1 道路网交通拥堵指数评价等级参考标准表
严重拥堵
拥堵级别 非常畅通 畅通 轻度拥堵 中度拥堵 一级
二级
三级
道路网交通拥堵指数 [0,2] （2,4] （4,6] （6,8] (8,9) [9,10) 10 道路网整体平均速度（公里/小时） >37 （30,37] （25,30] （23,25] （19,23]
（15,19]
≤15 道路网严重拥堵里程
比例（%）
[0,4]
（4,8]
（8,11]
（11,14]
（14,19） [19,24）
≥24
2.2 道路网各拥堵级别里程比例
北京近年来的交通拥堵的空间蔓延趋势日益明显，拥堵从单个路段逐渐扩散到相邻的路段，例如：严重拥堵的路段导致周围路段的中度拥堵或者轻度拥堵，发生空间连续性的交通拥堵，拥堵影响的路段范围逐渐扩大。

拥堵路段的扩散需要通过道路网各拥堵级别里程比例来评价，通过统计各个拥堵等级的影响范围，评价拥堵在空间上的覆盖范围。

具体研究思路：
该指标需要分析的内容包括：各等级道路处于不同拥堵级别的里程比例，即（早高峰、晚高峰各等级道路的拥堵里程比例，各种拥堵等级包括：轻度拥堵、中度拥堵和严重拥堵影响的比例，对比不同道路之间的运行效率），路网处于不同拥堵级别的里程比例，即（早高峰、晚高峰、平峰道路网的拥堵里程比例，比较不同时段的道路网运行效率），以及拥堵在空间上的覆盖范围的变化（通过对比不同时期的历史数据，评价高峰时段路网处于不同交通拥堵状态的里程比例的变化规律，拥堵覆盖里程的蔓延、缓解或者转化，以及总体拥堵里程的长度变化特征）。

计算公式：
第一步，以15分钟为计算周期，确定不同等级道路上的各路段的平均行程速度。

1
n
i n
i =×∑该路段的长度车辆通过该路段的行程时间
某路段的平均速度＝
(4)
式中：n ——通过该路段交通量。

第二步，根据各等级路段状态判别速度参考标准[7]
，确定各路段所属交通拥堵状态的等级。

第三步，分别统计各等级道路的路段在各交通拥堵状态下所占的里程比例：采用路段长度作为计算比例的基础。

计算公式如下：
该等级道路处于某等级运行状态的路段总长度
某等级道路处于某等级运行状态的比例＝
该等级道路的路段总长度
(5)
第四步，计算路网各拥堵级别里程比例。

采用VMT 对各等级道路进行加权，分别计算路网处于各拥堵级别的里程比例。

严重拥堵里程比例计算公式如下：
1VMT m
j j j =×∑
第等级道路的权重第等级道路道路网处于某等级运行状态的比例＝ 处于某等级运行状态的比例
(6)
式中：m ——代表了道路等级的数量，按照北京市现有的主要路网的构成，m 等于4，分别为
快速路和联络线、主干道、次干道、支路。

2.3 分时段道路网拥堵级别
北京近年来的交通拥堵开始出现拥堵时间延长、拥堵开始时刻提前和结束时刻滞后等现象，该指标着重就这些显著特征拟定研究思路，根据道路网交通拥堵指数的研究成果，采用定量的评价方法，将其在时间轴上延长，计算全天24小时（每15分钟作为统计间隔）分别所处的拥堵状态，从时间的角度客观地判别各个时刻的拥堵状态。

具体研究思路：
该指标需要分析的内容包括：拥堵发生时刻、结束时刻以及持续时间（早高峰、晚高峰的起止时间，非高峰时刻的拥堵时间，工作日和周末整个白天6：00-22:00的拥堵时间）；统计时期内各种拥堵级别所占时间比例（全天24小时的拥堵特征，各种拥堵等级的影响范围和持续时间特征）；对比不同时期拥堵时间分布的变化特征（重点识别规律性交通拥堵的时间特征，例如：拥堵开始时刻的提前、拥堵结束时刻的滞后、特定时刻拥堵等级的变化，以及总体拥堵时间的长度变化特征）。

计算公式：
第一步，该指标基于道路网交通拥堵指数，将15分钟作为一个时段。

计算道路网交通拥堵指数的结果。

第二步，然后根据道路网交通拥堵指数的结果在表1中的阈值，确定各时段道路网所属交通拥堵状态的等级。

2.4 重点拥堵点段数量和分布
重点拥堵点段数量是指一定区域范围内，常发性严重交通拥堵点段的数量及其在区域中的空间分布状态。

其中，对于“严重交通拥堵”的定义是根据各等级路段状态判别速度参考标准表[7]中对于严重拥堵等级的定义。

对于“常发性”的定义借鉴目前北京交通管理部门广泛采用的经验标准。

具体研究思路：
路网中交通瓶颈的数量和分布（统计一定时期内早晚高峰时段拥堵点段，分析制约路网运行畅通的点段的空间分布，反映路网运行的空间不均衡性）；对比不同时期的重点拥堵点段（获取瓶颈路段在路网中的空间演变过程，反映拥堵在空间上的蔓延、消失或者转化的规律，建议采用GIS 图的形式展示拥堵路段的分布）。

计算公式：
该指标基于机动车平均行程速度作为评价基础，来识别重点拥堵点段，计算方法如下所示： 第一步，以15分钟为计算时段，计算各个时段中各等级道路的路段平均行程车速。

将车辆实
际行程速度与严重拥堵状态的阈值[7]
作对比，识别出处于严重拥堵状态的路段；并根据确定路段发
生严重拥堵次数的频率[7]
，确定重点拥堵路段。

1
n
i i =×∑该路段的长度该路段的交通量
车辆通过该路段的行程时间
某路段的平均速度＝
(7)
式中：n ——通过该路段交通量。

第二步，通过已经挑出的重点拥堵路段，再对相邻交叉口进行人工识别。

分析该路段的拥堵原因是否由相邻交叉口造成，若是由于相邻交叉口拥堵而导致拥堵延伸到路段上，则定义该交叉口为重点拥堵点。

本研究中重点拥堵点段判断标准的制定参考了北京市交管局122报警系统对重点拥堵点段的定义标准。

当每日高峰时段拥堵次数超过4次的交叉口和路段被定义为日重点拥堵点段。

一周内工作
日超过4天或周末2天被定为日重点拥堵点段时，该交叉口和路段被定义为周重点拥堵点段。

同理，
可以判断出月重点拥堵点段和年重点拥堵点段。

3实例应用
通过采集北京市2006年3月14日-2006年3月20日持续一周的浮动车数据，根据研究设计的
指标体系，计算和分析了北京市五环及其范围内的交通拥堵水平。

计算结果如下表2和图1-图3所
示。

分别为四个指标的计算结果。

表2 工作日和周道路网交通拥堵指数
道路网交通拥堵
指数
时间周一周二周三周四周五
8.05 6.89
5.45
5.33
7.34
7:00-9:00 严重拥堵
(一级) 中度
拥堵
轻度
拥堵
轻度
拥堵
中度
拥堵
8.15 8.25
7.59
7.28
8.56 工作日指数
17:00-19:00 严重拥堵
(一级) 严重拥堵
(一级)
中度
拥堵
中度
拥堵
严重拥堵
(一级)
周指数7.53(中度拥堵)
通过计算工作日和周的道路网交通拥堵指数，如表2所示，工作日北京市五环内道路网交通拥堵指数为7.53，路网平均速度为22.76公里/小时，路网处于“中度拥堵”状态，这与一般出行者的感受基本相符。

工作日早高峰（7:00-9:00），北京市道路网交通拥堵指数为6.63，路网处于“中度拥堵”状态。

5个工作日比较而言，周一早高峰比其他天拥堵要严重，道路网交通拥堵指数为8.05，处于“严重拥堵（一级）”状态。

工作日晚高峰（17:00-19:00），5个工作日中有3个工作日处于“严重拥堵”状态，北京市道路网交通拥堵指数为8.13，路网处于“严重拥堵（一级）”状态。

周五晚高峰成为一周中拥堵最为严重的时刻，交通拥堵指数高达8.56。

图1 工作日分时段道路网（分AM和PM）
通过计算工作日全天分时段（按15分钟划分）的道路网拥堵级别，如图1所示，图中不同颜色代表不同的拥堵状态，从红色到绿色依次表示“严重拥堵”到“畅通”，左侧和右侧别为0点-12点和12点-24点的拥堵程度示意表。

从图1中可以看出，工作日上午7:45-8:45，下午17:15-18:45道路网处于“严重拥堵”状态，白天大部分时间位于“轻度拥堵”以上的拥堵等级；周末无“严重拥堵”状态，周末上午10:00-11:30，下午14:15-18:30道路网处于“轻度拥堵”状态。

图2 工作日和周末道路网各拥堵级别里程比例（工作日分为早、晚高峰）
通过计算工作日（分早、晚高峰）和周末的路网各拥堵级别里程比例，分别如图2左侧和右侧所示，总体评价拥堵影响范围，工作日早高峰时段路网受拥堵影响的路段约59%，其中“严重拥堵”路段约13%，晚高峰时段受拥堵影响的路段约63%，其中“严重拥堵”路段约15%，说明晚高峰时段拥堵情况较早高峰严重，拥堵影响范围较早高峰严重约4%，“严重拥堵”范围严重约2%。

周末的拥堵情况较轻。

图3 周重点拥堵点段数量和分布（分为早、晚高峰）
通过计算工作日早、晚高峰北京市路网一周的严重拥堵点段的分布情况，分别如图3左侧和右侧所示所示。

工作日早高峰（7:00-9:00）干道交通流的向心性非常明显，晚高峰（17:00-19:00）时离心性非常明显。

工作日早高峰共有“严重拥堵”路段277条，严重拥堵总里程共计64.90公里，占评价路网内总长度的 1.10%。

晚高峰拥堵情况比早高峰严重，工作日晚高峰共有“严重拥堵”路段428条，严重拥堵总里程共计102.63公里，占评价路网内总长度的1.73%。

北部城区的“严重拥堵”路段的分布范围最广，已经扩大到四环以外；东、西部城区多集中在四环以内，南部城区多集中在三环以内。

4 结论
在上述研究的基础上，本文可以得到如下主要结论： （1） 本文通过开发北京市交通拥堵宏观评价指标体系，全面、系统、科学地量化了北京市整体交通拥堵特征，包括：交通拥堵的程度、交通拥堵时空演变规律，以及交通瓶颈的分布特征。

（2） 通过指标计算和结果分析，展现了北京市交通拥堵特征，初步判断了北京市不同时段、不同区域交通拥堵的现状，客观、生动地刻画了北京市的交通拥堵的水平，为跟踪下阶段交通拥堵的演变态势奠定了良好的基础。

（3） 在后续研究中，希望能够测试更多的交通流数据来验证指标计算方法的合理性，同时，希望能够尽可能地征求交通专家和学者的意见，进一步完善指标体系，使评价工作更加科学合理，早日应用于实际工作。

参考文献
[1]Schrank, D., and T. Lomax. The 2005 Urban Mobility Report[R]. Texas: Texas Transportation Institute,
2005.
[2]Hudson, J. G. Congestion Management System Practices[R]. Texas: Texas Transportation Institute, 2002
[3]Ishimaru J.M., M.E. Hallenbeck, and J. Nee. Interim Report: Weekend Freeway Performance and the Use of
HOV Lanes On Weekends[R]. Washington State Transportation Center (TRAC), 2000.
[4]饭田恭敬编著. 邵春福等译. 《交通工程学》[M]. 北京: 人民交通出版社, 1994.
[5]Cambridge Systematics, Inc., Texas Transportation Institute. Final Report: Traffic Congestion and Reliability:
Linking Solutions to Problems[R]. Prepared for: Federal Highway Administration. July 19, 2004.
[6]Transportation Research Board. Highway Capacity Manual[M]. Washington, D.C.: TRB, National Research
Council, 2000.
[7]北京交通发展研究中心、北京四通智能交通系统集成有限公司、北京交通大学. 交通拥堵评价[R]. 北京,
2007.。