城市交通拥挤理论分析与动态判别方法研究万芳

城市交通拥挤理论分析与动态判别方法研究

在我国大中城市中每天都会发生不同程度的交通拥挤，有时或由于道路交通流量超过道路交通通行能力引起，有时或由于交通事故、突发交通事件等所引起。通常情况下，初始拥挤往往发生在路网的关键交叉口或路段，但若响应和处理不及时，就会影响到路网的其他区域，一些情形下，会出现延续几个小时的大面积严重拥挤现象，甚至是堵塞现象。如果将最初产生交通拥挤的地段点，称之为拥挤核心的话，那么这个核心就应是我们关注的重点，它是解决交通拥挤的瓶颈。一、交通拥挤的属性分析 由于城市交通拥挤现象的复杂性，要求我们首先必须对城市交通拥挤的特征进行深入的分析，事实上，城市交通网络上的拥挤状况取决于组成城市交通网络的各个路段（有向弧）或交叉口处的交通状况。考虑到任何一个交叉口的交通状况也是由与其相连的路段上交通状况所决定的，因此可以以路段为单位来讨论交通拥挤的属性，属性应包括路段上交通拥挤发生的时间、地点、原因、类型、程度和分布形式等多个方面，在城市交通指挥中心中，可通过对与路段交通拥挤相关的数据进行多层次的综合分析处理来快速地确定这些属性。1、交通拥挤发生的时间 交通拥挤产生的时间的不同，对道路通行能力产生的影响也是不同的。发生在白天尤其是白天高峰期的拥挤，往往会产生严重的拥挤蔓延，因些可以根据交通流量的大小，进一步将白天的时段分为高峰期和平峰期，重点加强对高峰期交通拥挤的研究。2、交通拥挤发生的地点 发生在不同路段的交通拥挤，会对路段通行能力产生不同的影响。发生在主干道处的交通拥挤，往往会迅速引起交通拥挤蔓延，因此应重点加强对主干道路上的交通拥挤进行研究。3、交通拥挤发生的原因 产生交通拥挤的原因可以分为正常情况和非正常情况两种类型。 正常情况下的交通拥挤是周期性发生的，主要出现在每天上下班高峰时间段内，比较有规律； 非正常情况下的交通拥挤是由特殊事件引起，主要由于计划中的道路维护或大型活动等所引起；或由于突然发生的交通事故、车辆抛锚或社会治安事件等所引起，往往没有规律可循，且可能持续时间较长，如不及时疏导，可能会引起严重的交通阻塞现象。4、交通拥挤的类型 从交通拥挤形成先后次序，可以判断交通拥挤的类型：·在一个道路瓶颈处首先形成的交通拥挤，称为原始交通拥挤（primary congestion）；·由原始交通拥挤的回流和蔓延而形成的交通拥挤，称谓后续交通拥挤(secondary congestion)。5、交通拥挤的程度 参照公安部《城市交通管理评价指标体系》（2002年），在这里我们用城市主干道上机动车的平均行程速度来描述城市主干道路的交通拥挤程度。·畅通：城市主干道上机动车的平均行程速度不低于30公里/小时。·轻度拥挤：城市主干道上机动车的平均行程速度低于30公里/小时但高于20公里/小时。·拥挤：城市主干道上机动车的平均行程速度低于20公里/小时但高于10公里/小时。·严重拥挤：城市主干道上机动车的平均行程速度低于10公里/小时

二、交通拥挤空间分布及其发展趋势分析1、交通拥挤的空间分布特点 城市交通拥挤的蔓延具有重要的空间特征，通常情况下，拥挤发在在路网的关键部位，或者仅仅是一个交叉口处独立地出现交通堵塞，有时会进行传播蔓延，影响到路网的其他区域。一般而言，严重交通拥挤现象的形成过程可以分成以下几个阶段：一个或几个路段形成排队，队长向后延续，并且影响到上游的若干交叉口,最后会在路网结构中形成饱和循环。这最后一个阶段被称为“交通堵塞”，是尤其必须避免的一种恶化现象。理论上我们将交通拥挤的空间分布特点模糊归纳为三种：·点——指交通拥挤发生在一个独立的交叉口，只对与其相连接的路段产生影响，而未影响到与其相邻的交叉口；·线——指由于交通流量的激增(如流量高峰期)或者由于局部交通堵塞未得到及时解决，而使得拥挤在相互关联的的路段上蔓延，并且主要分布在一条城市主干道道上；·面——指交通拥挤分布于相互关联的路段，并且路段与路段之间的交叉口相互重合，从而构成区域性交通拥挤。一般而言,城市交通拥挤的空间分布由以上所述三种基本类型组成,通过与基础底图的比较匹配，从而可以得到交通拥挤的空间分布形式。2、交通拥挤的空间分布形式从交通拥挤路段的相互关系分，可以有三种形式：·一个或多个路段拥挤，但是相互独立；·多个路段拥挤，且相互影响；·多个路段拥挤相互关联，形成一个环型堵塞。由于拥挤路段之间的相互影响和关联，会导致以下三种空间分布形式：·孤立交叉口的拥挤；·线状主干道为主的拥挤；·形成区域的拥挤或堵塞。3、交通拥挤相关性和模糊聚类分析我们采用相关性分析和模糊聚类分析来研究交通拥挤随时间的推移在空间上的发展趋势。预测交通拥挤在空间的发展趋势，就须考虑路段的交通流量的变化关联性。可通过交通流量的历史数据，用统计学中的相关性分析法来判断。我们着重考虑的是路段交通流量的变化率(而不是绝对值)的相关性。考察两个路段: x 和y，对它们做n次观察，得到数据(x1y1),(x2y2),…..( xnyn)。我们根据这些观察样本，设定一个指标r，来反映x，y之间关系的密切程度。Xi是在一个时段内的所有周期的变化率，是一个向量。r =

这个r称为相关系数。r具有三个性质：·r的绝对值小于等于1，| r |≤1。·当且仅当之间有严格的线形关系，即yi=a+bxi,i=1,2,3,..n。时，才有r |=1,且当b 0时,r=1;b 0时,r=-1。·当x,y之间毫无关系时，r平均说来等于0。注意到一个交通流从一个路段流动到另一个路段存在一个时间差，因此在获取样本的时候,我们就成对地考虑两个路段的样本,比如，Ai,Bi,取t时刻的值At,和t+k时的值Bt+k,相差的k是同一个交通流从A路段到B路段的时间。这样，就能够从相关系数判断交通流量的相关性。计算出路段的相关性后,可再根据模糊的聚类分析理论来对路网的所有的路段进行聚类,以得到路网的交通拥挤评估。考虑到路段的流量之间相关性不是明确的,具有模糊的特征，因此在聚类时,我们利用模糊数学中的相似关系来进行分类。根据上面的统计中的相似系数求法，我们得到了一个矩阵R，这个矩阵可以直接在模糊聚类分析中使用，在模糊数学中称为模糊相似矩阵。此时可以利用乘幂关系对R加以改造，利用平方法求出R的传递闭包t(R)，这个传递闭包就是一个一个模糊等价矩阵，在适当的水平λ上截取，就可以得到聚类图。当然，这仅是理论的结果，还需要与实际的交通路况相结合做进一步的定性分析。

三、交通拥挤动态判别方法研究1、交通拥挤空间分布的判别方法可以通过实时地收集处理交通拥挤地点的信息,将其反映到城市道路网络结构上,继而利用数据库技术对这些原始拥挤数据进行操作处理，动态地生成交通拥挤的空间分布形式。由于交通拥挤事件的地点属性反映的是路段信息,所以关键是判断有交通拥挤事件发生的路段之间的关系,主要包括以下几个方面：·判断交通拥挤路段是否相连。可通过判定路段的起讫点是否有重合来加以判别。如果有节点重合则表明路段相连，如果路段的两个节点均无重合的节点，则表明路段为独立交通拥挤路段。·判断是否形成干道交通拥挤。事先为城市的一些干道建立数据库表，其中包括干道的名称、干道所包含的路段等等。同时通过查询交通拥挤事件表中的地点信息及相应的路段表中的路段信息，然后统计有相同干道字段值的路段总数。一般而言可以定义一个阀值L，当统计得到的数值大于L时，判定该干道发生交通拥挤。就示范工程的试点城市廊坊市来说，考虑到其城市的路网规模，我们取L的值为3,以此判断干道是否发生交通拥挤。·判断交通拥挤相连路段是否形成以十字路口为中心的交通拥挤。可以通过统计交通拥挤路段的节点数，一旦节点出现的次数大于3，则表明至少有三条与该路口相连的路段发生交通拥挤，从而判定该路口发生交通拥挤，否则判为非交通拥挤交叉口。·判断是否形成区域交通拥挤。在已经判定存在一个交叉口为交通拥挤路口的基础上，以该交叉口为中心，搜索与之相邻的其它交叉口，查询其它交叉口是否也成为交通拥挤交叉口，如果存在相邻交叉口都发生交通拥挤情况，那么判定由这些交叉口所形成的区域发生交通拥挤现象，否则为未形成区域交通拥挤。 判断过程的流程图如图1所示。

2、交通拥挤发展趋势的判别方法

交通拥挤的形成与发展是一个随时间及空间而不断发生演变的动态过程，正确判别交通拥挤在空间分布上的蔓延或消散情况，将十分有助于交通管理的指挥控制的正确决策。交通拥挤的发展趋势的动态判别必须完成以下任务：——检测不同路段上交通拥挤发生的起源、时间；——存储初始交通拥挤现象；——作出诊断，从而对不同路段上所发生的交通拥挤分析他们的关联关系；——评估交通拥挤的严重性和发展趋势；为此，我们考虑使用符号式（非数字）起因模型，该模型能对交通拥挤的时空扩展性进行解释，能够基于对路段的定性表述，描述重复和非重复发生的交通拥挤问题的特征。该模型假定在连续的时刻t1,t2,t3,t4，存储交通拥挤事件的属性特征，那么交通拥挤的发展可以用下文的结构来描述。假设一条道路上的交通拥挤由它的发源地、交通拥挤所发展的干道和属于该干道的每一条路段来加以表示。两个不同路段的交通拥挤通过它们之间的关联性加以联系，一条为引发交通拥挤路段，另一条为被影响路段，即：CONGESTION（origin, axis, links）CAUSE（guilty, victim）如下给出一个评估干道上交通拥挤发展趋势的例子。假设R1，R2是一条干道ARC上的两段相邻的路段，在时刻t1，t2（t1 t2）这两条路段均发生交通拥挤，且属于相同的交通拥挤类型，我们可以描述为：CONGESTION（R2, ARC, ARC（R1，R2┅RN））CAUSE（R2, R1）如果交通拥挤仍继续发展，类似地可加以扩展表示。此外，根据交通拥挤起源地所发生的交通拥挤的起因，严重程度等，也可判断出交通拥挤可能的发展趋势。对于此种情况，可以建立相应的模型库，例如：如果交通拥挤的原因是缘于道路施工，那么交通拥挤一旦形成,在短时间内将很难消散,并且可以遇见，相关联区域将发生交通拥挤；如果交通拥挤的程度很严重,显然相关区域将受到影响,因而有发展蔓延的趋势。

来源:袁建华 赵永进 周晶 (1公安部交通管理科学研究所 2南京大学)查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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