智能建模解决交通拥堵

文北京市朝阳外国语学校 谭硕

一、交通拥堵问题分析

导致交通堵塞的原因有很多，大体可分为固定原因和突发原因。固定原因主要包括道路容量不足、人均汽车保有量逐年增加、交通管理水平低下、缺乏整体的交通发展战略、道路使用者的不文明行为等。

二、交通拥堵分析建模

我以太平庄中街与立水桥东一路的交叉口为例。此路段东西方向与南北方向的道路均为双向四车道（虽然太平庄中街东路为双向双车道，但为了研究方便且其影响较小，我将它视为双向四车道）。红绿灯亮灯时间均为1min（黄灯时间约为4s，暂且忽略）。

车流量较小时，绿灯亮灯30s后便几乎无车辆通过。车流量增加时，绿灯亮完后依旧有很多车辆未通过路口，并且有大量等待车辆增加，导致道路拥堵。

1.模型假设条件

（1）所有车辆长度相同，一定时间内的车流密度相同。

（2）所有司机按交通规则行驶，路口不发生交通事故。

（3）信号灯转变为绿灯时，车辆发动时间为定值。

（4）忽略人行道与非机动车辆对车流量的影响。

（5）天气变化对车速及车内人员的视线影响不大，可以忽略。

（6）将黄灯时间看作绿灯时间，假定司机可准确判断何时停止，即绿灯结束、红灯亮起时所有车辆均已驶出路口。

（7）左转和直行同时出发时，忽略左转等待直行通过的等待时间。

2.模型的建立与求解

由于某些因素具有突发性，量化困难，为研究方便，本文不考虑红绿灯出现故障、行人违章行为、道路施工、交通事故的影响，并将黄灯所亮时间算作绿灯所亮时间。

设路口绿灯时间为t（s），通过路口的车流量为 y（辆 /min），车速为 V（km/h），车距为a（m），车密度为 ρ（辆 /km2），车道数为 b（个），车身长为 c（m），路口宽度为 d（m）。建立以下车流量与影响因素的关系公式y（t）=f（v，a，ρ，b，c，d）。

为方便研究，考虑单一因素对车流量y的影响时，其他因素保持不变。经过推算得出，一辆车通过路口的时间为（d+c）/V，一次绿灯通行时间内，理论上一个车道最多可通辆车（即一段道路内的车辆在绿灯亮的时间内恰好通过路口）。

使用收集的某个路口的数据，得出路口车流量与速度成正比，与绿灯时间成正比，与车距成反比。

三、交通拥堵的解决措施

影响车流量的主要因素为车速、车距和路口的绿灯时间。控制红绿灯亮灯时间是一项解决拥堵的简单而有效的方案。针对该问题，我提出了关于红绿灯时间调控的解决方案。

因为现实中无法每时每刻对车辆进行统计或对绿灯时间进行调整，因此应对亮灯时间进行分段智能调控。

1.当等待车辆小于此时绿灯所亮时间内的最大通行量时，绿灯按照预先设定的时间运行。

2.当等待车辆略大于此时绿灯所亮时间内的最大通行量，但超过部分在总体中所占比重很小时，绿灯仍可按照预先设定的时间运行。

3.当等待车辆超出此时绿灯所亮时间内的最大通行量的部分占总体的比重超过一个数值后，应将绿灯时间提高一档，使其可以让车辆完全通过。若提高一档后仍不能使车辆完全通过，可再进行调整。

4.当等待车辆较多，导致所需绿灯亮灯时间很长时，应根据另一方向的车流情况调整合理的时间峰顶以及时间分段。