建管养运一体化模式下高速公路网适应性指标体系研究.pdf

第 卷，第 期年 月公路工程 ，：收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目（）作者简介姚翔（）男，湖南长沙人，高级工程师，硕士，主要从事交通设计工作。引文格式姚翔，李峰，谭华东，等 建管养运一体化模式下高速公路网适应性指标体系研究 公路工程，（）：，（）：，建管养运一体化模式下高速公路网适应性指标体系研究姚翔，李峰，谭华东，马莹莹（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 ；华南理工大学，广东 广州 ）摘要传统的高速公路网适应性研究主要考虑高速公路网的规模与布局，所用指标多为综合密度、路网连通度和饱和度，对路网的安全性、绿色可持续发展和交通附属服务缺乏系统研究。因此，传统研究得出的结论多为增量规划。当前，中国高速公路网规模已高居世界第一，考虑国土空间规划和耕地政策的更严要求，基于建管养运一体化模式发展要求，重点分析了经济适应性、交通量适应性、基础设施病害性、荷载适应性、养护便捷程度、交通影响程度、监测覆盖度、运营管理规范化、建筑界限适应性、附属设施适应性等“存量优化”适应性指标，借鉴主成分分析法，建立了高速公路网综合指标体系框架，并以湖南省为例，提出了湖南高速公路网优化的几个发展方向。关键词高速公路网、适应性、主成分分析法、指标体系 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，），公路工程 卷 ，；引言随着高速公路网的不断完善与交通量的日益发展，高速公路网所面临的“不适应”问题并不局限于“通行能力不足”。综合考虑高质量发展和可持续发展的相关要求，区域高速公路网的服务品质提升，不仅要求路网容量进一步提高，也要考虑路网对于经济的带动效果、拥堵路段和集散节点与交通流量的适应程度、交通安全与绿色可持续发展等方面的要求。目前，高速公路网的适应性研究主要集中在饱和度、连通度等方面 ，对路网养护、运营与管理等“存量”指标考虑不够，适应性评价因子相对“前期化”，难以适应建管养运一体化发展的需求。因此，在国土空间日益趋紧的情况下，有必要结合新形势“向存量要增量”的交通需求，站在建管养运一体化视角，调整路网规划及适应性评价思路，对高速公路网的适应性指标体系进行深入系统地研究。指标分析方法建管养运全周期下公路网适应性指标较多，各个指标的影响因子差异较大，在筛选出各指标之后，还需对其进行归类分析，本文采用主成分分析法对各指标进行预处理。主成 分 分 析（）是一种分析、简化数据集的技术，是多元统计分析中重要的组成部分。它使多个具有相关性的变量归于一个因子，通过降维技术把多个变量化为少数几个主成分（综合变量），让原本复杂重叠的信息趋于整体和简单化，便于反映各个变量隐含的内在关系，尽可能实现指标简化。主成分分析法的基本原理是设有 个初选的评价指标，个评价等级，为第 个评价指标第 个评价等级的数据样本（，），则指标原始数据矩阵 为：（）每行均值为：（）每行方差为：（）设 是和的协方差，则得到协方差矩阵 ，其中：()()（）求出 的相关系数矩阵 ，其中：槡（）求解行列式 的 个根，即 的特征值，。将特征值从大到小排列，计算累计贡献率，即为：()（）选取累计贡献率在 以上的前几个特征值，对应特征值相应的特征向量为：()()、()()(，)（）并满足：()()()()()()（）则求出主成分 (，)然后进行归类、分析。路网适应性指标体系构成从建管养运这 个阶段分析，路网适应性体系应研究的多个指标 ，概况起来主要包括：建设需求、质量耐久、养护便捷、运营智能、扩改难度。具体构成如表 所示。建设需求指标 路网经济适应性指标。与高速公路网关系紧密的经济相关指标主要包括 ：区域人口、国土面积、国民经济产值和财政收入、机动车保有量、国土供给与环境保护等。针对人口和国土面积，一般用路网综合密度来表征，机动车保有量一般在交通量预测时予以考虑，国土供给和环境保护问题，则在国土空间规划及具体的规划方案论证阶段考虑。参考路网综合密度计算方法，计算路段经济适应性指标第 期姚翔，等：建管养运一体化模式下高速公路网适应性指标体系研究如下：槡（）式中：为路段经济适应性指标；为路段长度；为路段经过所在县级城市人口总和；为路段经过所在县级城市 总和。表 基于建管养运的路网适应性指标体系 ，一级指标二级指标指标描述建设需求路网经济适应性综合路网经济适应程度，一般而言，社会经济越发达、路网流量越大，路网建设需求越大路网交通量适应性质量耐久路网基础设施病害性综合评价路网质量耐久程度，其中路网基础设施病害性侧重于评价路网现状质量情况，荷载适应性用于评价路网未来质量耐久程度路网荷载适应性养护便捷路网养护便捷程度综合评价路网养护便捷程度，其中路网养护便捷程度侧重于分析路网本身养护难度，路网交通影响程度侧重于分析路网养护对交通运营带来影响路网交通影响程度运营智能路网监测覆盖度综合评路网智能化运营程度，其中路网监测覆盖度侧重于分析路网运营基础设施覆盖情况，运营管理规范化主要侧重于运营管理情况运营管理规范化扩改难度路网建筑界限适应性综合评价路网未来改扩建适应程度，一般而言，预留改扩建空间越充分，路网适应性越好路网附属设施适应性 路网交通量适应性指标。公路交通量预测阶段实际上已对经济指标进行了统筹考虑，特别是经济增长率和人口变动情况与交通量增长之间所建立的弹性系数，即是上述变量关联的体现。除此之外，则主要通过路段饱和度和路网负荷度来反应高速公路网对于交通量之间的适应性。公路工程技术标准对不同的饱和度划定了一个范围，并用“服务水平”来表征，从而对应不同的技术标准和车道数采用值。考虑新区影响因子修订后的路段饱和度 （在公式中用 表式）计算公式为：（）式中：为路段平均饱和度；为路段饱和度；为路段里程数；为路段数。为新开发区影响因子，老区取 ，新区大于。为表征新区对交通量的影响，采用运输弹性系数代替影响因子 ，运输弹性系数计算公式为：运输弹性系数 运输指标变化的百分率经济指标变化的百分率（）同时，为与其他指标保持一致性，即数值越高，适应性越强，本文将饱和度取倒数，作为路段交通量适应性评价指标。质量耐久指标 路网基础设施病害性指标。路网基础设施病害有多种表现形式，包括路基沉陷、边坡破坏、土路肩损坏、路面裂缝、桥涵混凝土裂缝、桥涵保护层剥落、桥涵支座病害、隧道检修道破损、沿线设施破坏等。湖南省高速公路运营单位每年 月，组织对所辖高速公路完成年度公路技术状况检测工作（含路况检测、桥梁和隧道定期检查等），并评定高速公路 、等技术状态指标。为简化分析，基础设施病害率指标采用公路技术状况指标 加权代替。路网荷载适应性指标。不同等级的公路及城市道路，有不同的使用年限，采用不同的荷载标准。因行业标准规范对于荷载标准的要求变化，加上早期修建的高速公路有部分由一级公路改造而来，随着车流量的增长，部分高速、部分路段的构造物荷载标准已不适应改扩建后的荷载要求，需要对其进行调整。特别是桥梁荷载标准的不适应，直接影响改扩建方案的选择。随着我国物流业快速发展，等高速物流运输通道重车比例呈现稳步增长趋势，交通运输部、公安部联合 印发相关文件，鼓励各地根据需要对货车推进分车道通行管理，实施重大型货车右侧通行管控措施。路段荷载适应性指标计算如下：()()()（）式中：为路段荷载适应性指标；()为路段建设车道荷载；为现行标准规范公路级荷载；为高速公路扣除桥梁后里程占比；()为路段桥梁结构车道荷载；为现行标准规范桥梁车道荷载；为专用车道折减系数。参考公路工程技术标准（）中横向车道布载系数取值，单向三车道设专用货车道取 ，单向四车道设专用货车道取 ，其余公路工程 卷情况取 。养护便捷指标 路网交通影响程度。在高速公路养护过程中，为将交通影响降至最低，并尽量避免出现交通瘫痪，一般会采用封闭部分车道或提出绕行交通组织方案。比如，沪昆高速潭邵段大修时绕行方案，采用合理的强制分流点，利用临近平行的长芷高速和国道 完成交通转换。因此，近似认为高速路段养护施工对路网交通的影响与路段平行通道替代路径行程时间密切相关。为简化问题，路网交通影响程度评价指标计算如下。()（）式中：为路段养护对交通影响程度；为路段长度；为替代路径长度；为替代路径饱和度。路网养护便捷程度。养护便利性与多种因素有关。一般而言，高速公路路面养护相对比较容易开展，桥梁隧道的养护则相对难以开展。桥梁检测中缺少到达平台、缺少智能化桥梁检测手段、隧道沟检测维修难度大等是限制路段养护边界线的重要约束性指标。从某种角度来说，高速公路基础设施桥隧比越高，养护便利性越差。因此，考虑将路段桥隧比作为重要因素，评价路网养护便捷程度。根据湖南省高速公路路段服务质量年报数据，可得 年度路段养护得分，在此基础上考虑将桥隧比作为影响因子，两者乘积记为路网养护便捷程度指标。运营智能指标 路网监测覆盖率。高速公路监测设施覆盖率是交通部“十四五”公路养护管理发展纲要 中一项表征路网运营的重要指标，具体计算如下：（）式中：为路段检测覆盖度；为路段长度；为监控路段长度总和。运营管理规范化。运营管理规范化是 湖南省高速公路路况服务质量与收费标准挂钩管理暂行办法 考评细则（试行）的一项表征路网运营管理与服务质量的一项重要指标。该指标由高速公路经营者自评、社会评价和省交通运输厅年终行业考核三个部分组成，其中 社 会 评 价 和 交 通 运 输 厅 年 终 行 业 考 核（包括暗访调查）结果作为主要评价结果，每年评价一次。研究采用 年湖南省考核结果打分（百分制）作为运营管理规范化指标。扩改难度指标 路网建筑界限适应性指标。不同等级的公路及城市道路，采用不同建筑限界标准。公路建筑限界取值影响因素较多，与人行道、非机动车道及检修道等综合廊道、车道数量、桥隧结构等密切相关。受经济社会环境等制约，我国高速公路在建设之初，大部分均未预留改扩建廊道。因此，既有公路建筑界限，往往成为制约高速公路改扩建的瓶颈。结合路段服务水平分析结果，考虑高速公路降低到三级服务水平下限时改扩建需求，未预留改扩建条件公路建筑限界适应性评价指标计算如下：（）式中：为建筑界限适应性指标；为建筑界限限制系数；为服务水平等级影响因子系数；为城镇影响因子系数；为地形地貌影响因子系数。一般服务水平越低，改扩建需求越大，适应性越低 ，参 考 公 路 工 程 技 术 标 准（）附录 公路服务水平分级标准，三级及以上服务水平 取值为 ，四级服务水平 取值为 ，五级及以下服务水平 取值为 。同理，城镇影响因子 按城镇段里程占比加权求得 ，城镇段折减系数为 ，非城镇段折减系数为 。平原区地形地貌影响因子系数 取值 ，微丘区 取值 ，山岭重丘区 取值为 。其他的，若该路段已预留改扩建条件，取值为 。建筑界限 系数取值，与改扩建难度成反比，与桥隧、涵洞、通道、天桥等构造物设置数量负相关。建筑界限系数具体计算如下：（）式中：为桥隧改造难度系数；为涵洞、天桥、通道等构造物改造难度系数。一般桥隧占比越高，改造难度越大，系数 取值越小。桥隧占比低于 时，取值为 ；桥隧占比为 时，取值为 ；桥隧占比大于等于 时，取值为 。涵洞、天桥、通道等构造物改造难度系数应结合桥隧比统筹考虑，当桥隧比大于等于 时，取值为 ，不再进行难度系数调整；当桥隧比小于 ，且构造物密度低于 处 时，取值为 ，其余情况 取值为 。第 期姚翔，等：建管养运一体化模式下高速公路网适应性指标体系研究需要说明的是，上述公式中涉及参数、取值，主要参照公路工程技术标准（）相关系数取值方法设定，与实际情况有一定差异，但不改变评价优劣顺序。路网附属设施适应性指标。服务区等附属设施作为服务民生的重要载体，其服务质量是高速公路管理、运营质量的重要体现 ，本文结合交通部服务区相关规范和服务区分类指标 ，将服务区服设施适应性作为高速公路适应性的一个重要指标进行评价，具体计算如下：(，)（）式中：为评价路段服务设施适应性指标；为评价路段服务区个数；为服务区 用地面积；为服务区 用地面积计算函数；为服务区类型；为服务区主线流量；为基准型大型车比例；为基准型车辆驶入率。一般地，服务区用地面积计算如下：服务区用地面积 用地基准值 调整系数调整系数 其中，用地基准值和调整系数通过交通量、大型车比例、车辆驶入率等参数确定，计算见表 表 。表 服务区用地指标基准值 服务区类型主线交通量 每处基准值 主要编制条件参数 ，类 ，类 ，类 ，表 服务区用地指标大型车比例调整系数 服务区类型主要编制条件参数大型车比例 ，类 ，类 ，类 ，表 服务区用地指标车辆驶入率调整系数 服务区类型主要编制条件参数服务区车辆驶入率 ，类 ，类 ，类 ，公路工程 卷 路网适应性评价 路网适应性评价步骤 以经济适应性、交通量适应性、基础设施病害性、荷载适应性、养护便捷程度、交通影响程度、监测覆盖度、运营管理规范化、建筑界限适应性、附属设施适应性等 个指标为评价指标（按顺序编号为 ），以评价路网中编号一致的路段为单元形成评价路段对象集，构建指标原始数据矩阵。将指标数据进行标准归一化处理，构建归一化矩阵。计算归一化矩阵特征值及特征向量。以累计贡献率达 为判断依据，选择若干主成分。以每个主成分的方差贡献率为权重，构建路段适应性函数，计算各编号路段适应性指标。以路段里程占路网总里程比例为权重，采用加权求和法计算路网适应性指标。湖南省高速公路网适应性评价根据上述指标体系，选取湖南省区域 条 段国家高速、条 段省级高速作为分析对象进行具体分析计算，因篇幅所限，本文仅列出部分国家高速公路主成分分析过程，其余路段分析方法相同。湖南 省 部 分 国 高 评 价 指 标 计 算 列 表 如 表 所示。表 湖南省部分国高评价指标计算列表 经济适应性交通量适应性基础设施病害性荷载适应性养护便捷程度交通影响程度监测覆盖度运营管理规范化建筑界限适应性附属设施适应性临长高速 长潭高速 潭耒高速 耒宜高速 长益高速 益常高速 常张高速 醴潭高速 潭邵高速 邵怀高速 怀新高速 垄茶高速 衡炎高速 衡枣高速 在获取高速公路数据原始矩阵后，利用 软件 检 验 采 用 主 成 分 分 析 法 合 理 性，计 算 得 到 值为 ，球形度检验 为 ，通过检验（，），可以进行主成分分析。计算特征值和特征向量，得到各成分特征值及方差贡献率，见表 。表 特征值与方差贡献率 主成分总值 累计贡献率 表 表明，以累计贡献率达 为判断依据，只需选取 个主成分即可达到 的效果，故研究选取 个主成分进行分析。表 中计算得到各主成分 和 系数，可计算出主成分表达式，并得到各主成分权重因子，分别为 、，进而计算出各高速公路适应性指标评分，如表 所示。表 各主成分系数 指标主成分 主成分 第 期姚翔，等：建管养运一体化模式下高速公路网适应性指标体系研究表 高速公路路网适应性指标计算结果 排名行索引综合得分主成分 主成分 表 给出了样本综合得分和排名情况，并输出了因子浓缩结果。以路段里程占路网总里程比例为权重，采用加权求和法计算长株潭区域路网适应性指标。其他区域计算方法相同，计算得到各区域适应性指标。表 表明，考虑建管养运一体化模式下，湘南适应性指标最优为 ，长株潭适应性指标最差为 。因此，未来湖南省高速公路在建设管理运营一体化模式下，宜投射更多目光在长株潭、环洞庭湖区域路网上。表 湖南省各区域高速公路路网适应性指标 长株潭环洞庭湖大湘西湘南全省平均 在 中统计 年度湖南省各区域路网密度指标，计算得到长株潭、环洞庭湖区域各项密度指标最优，区域路网密度指标和上述适应性指标呈现反相关。同时，长株潭面积密度为 ，与全国其他区域相比为较高水平。如表 所示。表 湖南省各区域高速公路路网密度指标 指标长株潭环洞庭湖大湘西湘南面积密度 人口密度 综合密度 注：公 路 网 面 积 密 度、人 口 密 度 和 综 合 密 度 单 位 分 别 为 、万人、（万人）。综上，现阶段长株潭、环洞庭湖区域高速公路路网适应性较差，路网密度指标较优，未来宜更加关注建管养运一体化发展，从高效管理、便捷养护、智慧运营等方面多下功夫，提高区域路网服务质量；大湘西、湘南片区路网适应性较好，路网密度指标稍差，未来宜在经济承受能力允许的条件下，适当加快路网建设，合理提高路网密度，并带动区域经济发展。结论与传统高速公路网规划适应性研究主要考虑路网规模、通道布局与经济社会适应性等因素，轻视路段管理、养护、运营阶段对于路网运行的影响不同，本文站在建管养运一体化模式下，在分析了路段经济、交通量适应性的普适性指标的基础上，还重点分析了经济适应性、交通量适应性、基础设施病害性、荷载适应性、养护便捷程度、交通影响程度、监测覆盖度、运营管理规范化、建筑界限适应性、附属设施适应性等“存量优化”相关适应性指标，并借鉴主成分分析法，建立高速公路网综合指标评价体系。以湖南省为例，计算了不同高速路段的适应性指标，并加权得到湖南省各区域高速公路适应性水平，并提出高速公路网优化方向，可以为湖南省高速公路下一阶段规划布局、发展重点提供支撑。文章提出的高速公路建管养运一体化适应性指标体系，是既有高速公路网评价指标体系研究的完善与延伸，又为高速公路适应性分析提供了新的思路和方法。参考文献 陈明，肖向良，朱全军 基于 的高速公路网空间结构适应性研究 公路工程，（）：刘学军，蒋明锋 高速公路出入口衔接路网适应性分析 公路与汽运，（）：，王振民 基于属性数学理论的河南省高速公路网规划评价 重庆交通大学学报（自然科学版），（）：吕延昌，牛向东 公路网的适应性评价 山东交通学院学报，（）：杨海荣，肖慎，殷兆进 高速公路网评价指标体系及优化方法研究 现代交通技术，（）：王晓路 基于层次分析及多维度评价法的高速公路建管养运一体化对策决策 公路，（）：杨莉 高速公路经济适应性理论分析 经济视野，（）：华蕊，张玉斌 高速公路建设与社会经济发展适应性评价指标体系研究 中国电子商务，（）：王晓飞 弹性系数法在改扩建公路交通量预测中的应用 山西交通科技，（）：苏丽梅，张瑞刚 基于弹性系数法的鱼田堡至石林公路交通（下转第 页）公路工程 卷 受功能、地形条件等因素制约，项目等级并不与交通量完全匹配。而交通事故宏观上是概率事件，跟路段设计速度、交通量、交通组成息息相关，一般交通量越大的路段，事故发生的风险越高。护栏设置与否和防护等级选择，也需要考虑投入产出，考虑经济效益和社会效益 。建议今后规范修编时，将交通量作为一个参数纳入进行综合评价。参考文献 交通运输部公路科学研究院 公路交通安全设施设计规范：北京：人民交通出版社股份有限公司，交通运输部公路科学研究院 公路交通安全设施设计细则：北京：人民交通出版社股份有限公司，王忠仁 路侧安全设施设计 美国加州路侧安全实践的启示 上海公路，（）：王皓 节地型中央分隔带混凝土护栏的研究 公路，（）：中华人民共和国交通运输部 公路工程项目建设用地指标：建标 号 北京：人民交通出版社，邰永刚 基于最大横向动态位移外延值的中央分隔带节地型分设式波形梁护栏研究 公路工程，（）：焦永顺，周同文 交通事故率的概率分布研究 河北工业大学成人教育学院学报，（）：龙科军，邹道兴，何石坚 基于多源数据融合的高速公路交通事故黑点判别 长沙理工大学学报（自然科学版），（）：王阳，施式亮，钟利达，等 年 年危化品罐式车辆公路运输事故时空分布 湖南科技大学学报（自然科学版），（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）施沈越，孙钟良，张言，等 基于凝胶渗透色谱技术的沥青老化研究进展 石油沥青，（）：张勤玲 南方滨海多因素环境沥青混合料水损伤机理研究 杭州：浙江大学，邱贺枰 紫外老化作用下沥青及沥青混合料疲劳自愈性能研究 呼和浩特：内蒙古工业大学，程培峰，李世为，张展铭，等 纳米 复合改性沥青及混合料性能研究 森林工程，（）：袁祖光 广西湿热光耦合环境对橡胶改性沥青及混合料性能影响研究 南宁：广西大学，康卉锦，叶奋，文思源 橡胶沥青紫外线光老化性能研究 上海公路，（）：念腾飞，李萍，林梅 冻融循环下沥青特征官能团含量与流变参数灰熵分析及微观形貌 吉林大学学报（工学版），（）：郭东方，张亮亮，张明飞，等 复合改性沥青高低温流变及疲劳性能研究 森林工程，（）：曾祥鑫 橡胶沥青老化机理及其再生性能研究 南宁：广西大学，庞凌 沥青紫外光老化特性研究 武汉：武汉理工大学，黄旭，姚晓光 沥青老化行为及其机理研究 公路工程，（）：肖鹏，蒋德安，吴美平 橡胶沥青热氧水老化性能的灰关联分析 南京理工大学学报，（）：刘丽 基于热、光耦合条件下 改性沥青老化机理研究 重庆：重庆交通大学，谭芳 纳米黏土改性橡胶沥青性能影响研究 湖南交通科技，（）：，櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）量预测 北方交通，（）：交通运输部办公厅，公安部办公厅 公路安全设施和交通秩序管理精细化提升行动方案 中华人民共和国交通运输部 关于印发 十四五 公路养护管理发展纲要 的通知（交公路发 号）湖南省交通运输厅 关于印发 湖南省高速公路路况服务质量与收费标准挂钩管理暂行办法 考评细则（试行）的通知（湘交路政 号）李峰，陈岭雄，谭华东 基于离差最大法的湖南高速公路扩容时序研究 湖南交通科技，（）：交通运输部公路局 公路工程技术标准：北京：人民交通出版社股份有限公司，王亚力，彭保发，熊建新，等 环洞庭湖区人口城镇化的空间格局及影响因子 地理研究，（）：潘玲 高速公路服务区危化品车辆停放的适应性评价 广东公路交通，（）：谭华东 湖南省高速公路服务区分类及指标体系研究 湖南交通科技，（）：