（1）浮动车数据采集。

  研究的第一步是把GPS记录设备安装到探测车上进行数据采集。自2003年3月起至2004年2月，历时约一年，在北京选用10辆出租车进行数据采集。GPS数据每秒钟采集一次，数据结构见图2中的原始GPS数据表。采集的数据覆盖了北京市四环以内99％的路段。在某些环路上经过的次数高达数百次。数据用于观测路段旅行时间的置信水平如表1所示。

（2) GPS数据预处理。

GPS数据预处理用于解决GPS数据漂移，过滤GPS数据采集过程中由于车载设备、信号传输与接收、建筑物遮挡等原因引起的数据误差。在北京市的具体实践中，采用了卡尔曼滤波方法进行误差过滤，同时，算法中采用速度、加速度、卫星数目、前后数据的特性等变量对数据进行过滤。

（3）路网GIS数据库构建。

GIS数据库采用点、直线来表征城市路网，数据结构见图2中路网结点层表和路网线层表。GIS数据库中的点和直线都具有准确的地理位置属性。在路网评价的时候，建立GIS数据库是为了实现GPS数据和城市路网数据的对应，是采用GPS数据评价路网状态的必备基础数据。

 （4）地图匹配。

地图匹配的目的在于把GPS数据点映射到GIS一下中的路段上，每个GPS点转换为路段上的对应的一个点。用于表达经过地图匹配后的数据结构见图2中匹配后的GPS数据表。

（5）生成OD矩阵。

通过匹配出租车乘客的上下车时间和GPS时间，可以确定乘客的OD矩阵，以及路线选择行为。由于出租车计价器时钟和GPS的时钟存在一定的误差，因此，在用计价器记录的乘客上下车时间截取GPS轨迹，获取OD矩阵时需要对两者的时钟进行校准，校准的目标函数为令出租车记录的一次出行的平均速度和GPS记录的平均速度误差最小。经过这个步骤，完全建立OD数据和路段数据的对应关系，形成的数据结构为图2中的路段一出行数据表。

（6）路网的分析与评价。

具备了乘客出行的0自矩阵和路线选择信息就可以实现对路网的动态分析与评价。本文选取以下4个与路网层次划分有关的方面对北京市的路网进行分析：a.出行生成分析；b．各个层次的路网功能分析；c．出行者的路径选择行为；d.一次出行中绕行成因分析。另外，基于上述处理形成的GPS/GIS数据也可以支持其他类型的交通分析，如拥堵区段的选择与分析等，在此不再阐述。

3 北京市路网层次规划分析

3.1不同层次路网出行生成分析

《城市道路交通规划设计规范》（GB 50220-95)中对于路网层次划分有定性的规定：“快速路两侧不应设置公共建筑出入口”，“主干路两侧不宜设置公共建筑出入口”，“次干路两可设置公共建筑物，并可设置机动车和非机动车的停车场、公共交通站点和出租汽车服务站”。另外，《城市道路设计手册》也指出：快速路和主干路“为保证其负担主要交通任务，不能接受所经地区的局部特殊使用要求，不应受局部交通流的影响”。

上面两个规定的基本出发点在于：避免车流未经低层次路网集散直接驶上快速路和主干路，避免局部的交通流影响快速路和主干道输送中长途交通流的功能。高等级道路的两侧用地强度不宜过大，最佳的情况是大量的出行起始并中止于次干路和支路两侧，通过低层次路网汇集和疏散交通流量。

对采集到的数据统计分析发现，北京市的高等级道路两侧的出行生成情况如下：

起终点在快速路附近占全部起终点的14％；起终点在主干道两侧占全部起终点的41.3％。也就是说，起终点在高等级道路两侧的比例为55.3％。

以上数据显示，一半以上的出行直接源于或者终止于高等级道路的两侧，没有经过次干路和支路的集散作用，直接进入快速路系统或者主干路系统。这种出行状况不符合《城市道路交通规划设计规范》和《城市道路设计手册》的主旨思想，交通流直接出入高等级道路，影响了高等级道路交通流的平稳、快速运行。由于出行生成与土地利用直接相关，因止，根治这种现象，应该从土地利用入手，控制高等级道路两侧的土地开发强度，并引导土地的开发利用向支路和次干路转移。

3.2不同层次路网功能分析

《城市道路设计手册》指出：“快速路和主干路构成城市道路网骨架道路，是城市规划布局的骨干，用以区分、联系、沟通城市布局的各组成部分及行政区划，担负保证全市性交通运输通畅的任务，主要是沟通区际、市中心区与卫星镇之间及城市与城市之间的大量交通。”“次干路辅助快速路和主干道构成完整的道路系统，为工业区、仓库区、商业区、文教区等出入的干道。”“支路为联系次干道之间的道路，个别情况亦可以直接沟通主干道与次干道，作为居住区内部的主要道路及居住区外围的道路，亦可以作为街坊外围的道路。”

上面的阐述表明：快速路和主干路主要功能是快速输送中长途客货流，而次干路和支路主要服务于短途出行或者为中长途交通提供集散功能。也就是说，理想情况下，快速路和主干路应该服务于中长途出行，这些出行在快速路和主干路上具有较长的使用距离：次干路和支路应服务于短途出行，或者是为辅助中长途出行的集散，这些出行使用次干路和支路的距离不宜过长（图3)。

图4为北京市的实际情况，横坐标为一次出行的距离，纵坐标为一次出行使用不同层次道路的平均距离。图中曲线表明：

（1）15km以上的出行很好地符合《城市道路设计手册》中的规定，一次出行中使用快速路的里程最长，主干路、次干路、支路依次减少。

（2）出行长度在6-15km的中距离出行，利用快速路的长度低于使用主干路的距离，

（3）６km以下的短距离出行，一次出行使用各个层次路网的长度为主干路＞次干路＞快速路＞支路。不宜利用高等级道路的短途出行占用了快速路和主干路资源，影响两者发挥城市路网的骨干作用，而且，短途出行利用主干道和快速路的平均距离比较短，利用主干路的距离均在２km以下，利用快速路的距离1.5km以下，产生频繁上下快速路和主干路的现象，影响了快速路和主干路的快速运行。

图５从另外一个角度反映了短途出行对主干路和快速路资源的占用。横坐标是一次出行的距离，纵坐标是使用不同层次的路网的长度占一次出行距离的百分比。短途出行很少利用低等级的支路和次干路，一次出行中大部分长度都是行驶在主干路和快速路上。理想的曲线形式如图6所示。

图4和图５的数据揭示了短途出行占用了快速路和主干路的资源。那么，这类出行占全部出行的比重是多少呢？图７给出了相应的数据，图７的横坐标为一次出行中利用快速路和主干路的距离，纵坐标为使用快速路和主干路的距离为某一长度的出行占全部出行的百分比。在利用快速路的出行中，56.8％的出行使用快速路的距离不是２km,在利用主干路的出行中，48.9％的出行使用主干路的距离不足2km。这种现象表明，快速路和主干路承担了大量的短途出行。

综上，北京市当前的路网层次规划能够很好地服务于长距离出行，需要理顺中距离出行利用快速路和主干路的方式，需要改进短途出行利用不同层次路网的方式。另外，一半左右的出行利用快速路和主干路的距离都很短，存在频繁上下快速路和主干路的情况。

路网在服务短途出行时存在功能紊乱的可能原因如下：主干道和快速路附近高强度的用地开发；支路路网不完善，密度不够，成网性差；快速路和主干道由于采取严格的中间侵害而导致对衔接的次干路和支路强制隔断，快速路之间的快速联络线和放射线建设滞后等。

3.3出行者对不同层次路网的选择行为分析

一次出行中，出行者总要选择不同层次的道路，对路网的层次划分有影响的量化指标有两个：一是选择不同层次的路网的概率，二是一次出行中使用不同层次路网的里程。表2是根据采集的数据计算的数值。

以上的数据显示：人们出行中最频繁利用的是主干道，约91.4％的出行会利用主干道，而且，利用主干道的长度占到了平均一次出行距离的近一半，主干道从数量和距离上都是负担最大的层次，最少用到的道路是支路，约60.5%的出行未曾用到支路，一次出行中使用支路的距离也最短。另外采用GPS数据观测到的主干道和支路的速度数据也印证了主干道的负荷较重，支路的负荷较轻，主干道的高峰小时的实际速度与设计速度的比值为50%，而支路的高峰小时的实际速度与设计速度的比值为87.3%。

除了驾驶员的出行心理影响路段的选择外，土地利用是导致当前这种状况的重要原因，主干道两侧土地利用强度过大，而为居民短途出行服务的支路建设滞后。

3.4一次出行中绕行状况分析

(1) 动态非直线系数

在本文的研究中，用出行的实际距离与直线距离的比值称为动态非直线系数来评估绕行的严重程度。当前，北京市动态非直线系数平均为1.56。而北京市是典型的方格路网布局，静态的非直线系数最大不超过1.414。因此，出行时的绕行现象比较严重。

（2）典型的绕行轨迹。

通过对5500个左右的OD轨迹进行分析，得出北京市绕行的典型的四类成因如下：长途出行没有轴向道路；缺乏快速路联络线；交通管理上限制左转、设置中央隔离带等措施以及路网结构不完善（图8）。

4 结论

本文介绍了采用载有GPS设备的浮动车，结合城市的GIS数据库对路网层次划分进行诊断分析的方法。该方法率先在北京市获得实际应用，采集来大量GIS数据。通过数据分析了不同层次的路网的出行生成情况；不同层次路网的功能发挥状况；出行者对不同层次路网的选择状况；出行中的绕行状况等。研究中利用准确的量化数据，诊断出路网中存在的问题：（1）由55.3%的出行直接起源于或者终止于快速路和主干道两侧，没有经过低层次路网的集散；各个层次的路网在服务于短途出行的时候存在着功能混乱的现象，短途出行占用了快速路和主干路资源；（2）绝大多数的出行都要选择主干路，而且有近一半的距离在主干路上完成，却很少利用支路。主干路承担了应该由支路承担的出行；（3）一次出行中绕行的现象比较严重，绕行的成因包括缺乏轴向道路、缺乏快速路联系线和放射线、交通管理措施不完善、缺乏支路等。本研究首先开创了采用GPS/GIS技术进行路网分析与诊断的方法，在国内的其他城市也有良好的推广前景，对于指导城市的交通决策具有重要意义。

（感谢北京市科委对本研究的支持。）

参考文献（References）

1 GB 50220-95，城市道路交通规划设计规范[S]。

2 北京市市政设计院。城市道路设计手册[Z]。北京：中国建筑工业出版社，1985。

3 董敬欣，吴建平。使用浮动车检测OD矩阵的算法及可靠性分析[J]。北京交通大学学报，2005，（3）。

4 中国公路学会。交通工程手册[Z]。北京：人民交通出版社，1995。

5 董敬欣。基于GPS/GIS的浮动车技术在城市路网分析与评价中的相关方法及应用研究[D]。北京交通大学博士学位论文，2005。

6 北京市交通发展研究中心，北京交通大学。北京市路网功能层次划分及功能整合项目报告[C]。2004-11。