城市道路交通拥堵判别、疏导与仿真

唐烨

【摘 要】随着我国经济、社会的迅速发展、居民收入的提高、城市化进程的加快，城市交通拥堵日益严重。交通拥堵使居民出行的经济和时间成本增加，不确定因素増多，驾驶体验降低，油气资源大量浪费，局部环境污染问题加剧等等。我认为要对城市格局和用地合理规划，改变居民出行的空间分布；鼓励公共交通、发展大容量公交系统、鼓励自行车发展和步行方式出行，引导居民出行方式转换；新建或改扩建交通基础设施，在不超过城市环境承载力的前提下进一步扩大交通系统容量，提高运输效率。

【关键词】城市道路；拥堵疏导；信号疏导控制；边界信号控制

引言

近年来，随着我国经济的迅速发展、城市化进程的加快W及小汽车逐步进入家庭，各大、中城市的交通拥堵现象日益严重，极大的影响了城市的可持续发展及人民生活水平的提高。交通拥堵使得交通延误增大，行车速度降低，带来时间损失；同时，在交通拥堵状态下低速行驶増加耗油量所带来的资源浪费、环境恶化等问题也给城市居民生活带来诸多困扰。

造成交通拥堵的原因有很多，归根到底，主要有以下几个方面：一是交通供需矛盾突出，城市交通基础设施建设速度远远跟不上交通需求増长速度；二是城市交通管理设施落后，管理水平不高，人们的现代交通意识淡薄，法制观念差，交通法规不健全，交通秩序混乱，使得已有道路交通网络系统无法完全发挥其应有的作用；三是出行方式结构失衡，随着经济的发展和收入水平的提高，小汽车开始进入家庭。由于公共交通发展速度远远落后于私人交通工具，人们的出行方式选择逐步向小汽车出行方式倾斜，较低的客运效率给有限的道路资源带来了更大的压力。

1、城市道路路网交通拥堵判别——路网拥堵动态分区方法

1.1拥堵划分标准

交通状态判别通常以某个交通流参数是否超过阈值作为标准，或者是以流量、速度、密度为基本数据，通过统计分析得到反映交通状态变化的一个或多個表征量，以表征量是否超过特定阈值来判别。目前的交通状态判别模型与方法，主要集中在利用检测器采集到的流量、速度和占有率等参数实现对路网交通拥堵的实时判别。在实际应用中，一般将路网交通状态划分为畅通、轻微拥堵、严重拥堵和堵塞四种状态。为了便于判断路网的交通状态，需要对参数进行定量描述。

1.2拥堵动态分区原则

为了便于在局部区域灵活的实施信号控制方案，根据饱和度将交叉口划分为不同的拥堵等级，考虑交叉口不同饱和度的动态分区需满足以下基本原则：

（1）路段关联度原则

关联度较高的路段取为关联，关联度较低的路段取为非关联，控制子区分界线适宜划在一组关联度较低的路段上。

（2）交通相似度原则

要求交通状态密切相关，若相邻各交叉口饱和度均较高，可考虑将这些交叉口放入同一个子区，从一个较大的范围实施信号协调控制策略缓解拥堵状况；另一方面，若交叉口饱和度相近，即两个交叉口的交通流特性相似，较适宜划入同一个子区进行协调控制。

（3）周期原则

划入同个子区参与协调的交叉口要共用一个信号周期或半周期，故相邻交叉口的信号周期相差不大，适宜划入同一个控制子区。

（4）中心关键-周边疏通原则

饱和度较高的一个或几个相邻交叉口为关键节点，紧邻的周边路口为疏通节点。

（5）最远距离约束原则

若路段间距较远，由于车流的离散性，从上游驶出的车流到达下游已呈随机状态，实施信号协调会降低系统的整体效益，故间距较远的两交叉口不宜划入同个子区。

2、城市交通拥堵疏导方法研究——准饱和状态路网连贯流信号协调控制

多数研究均假定干道各交叉口采用相同的信号周期时长，然而实际线控系统中，干线各交叉口受其交通流量、几何条件、行人过街等因素的影响，各交叉口实际所需信号周期时长往往并不相等。对于该问题，通常采取子区划分将信号周期相近的交叉口划在同一子区进行绿波协调疏导控制，然而不同子区之间仍采取不同信号周期时长，一定程度上割裂了子区间的联系，降低了绿波疏导效果。

针对上述不足，本节提出基于交通波理论提出准饱和状态路网连贯流信号协调控制模型与方法，当路网处于准饱和状态时，利用交通波理论建立信号交叉口间的延误模型，提出准饱和状态信号疏导控制方法，并扩展应用到周期不等的信号交叉口间协调问题中，提出了准饱和状态信号疏导控制方法研究

带宽最大化和延误最小化是两种最常用的相位差优化方法。在未饱和状态下，带宽最大化能够保证尽可能多的车流在绿波带中运行，系统运行效率最高；但当车流量较大时，车辆通过时间大大高于绿波带宽度，带宽最大化最多能服务于绿波带中的车队，对于未能跟上车队的车流可能会遭遇更多的红灯而导致更大的延误。本节根据车流延误模式提出对应的协调控制策略；以车流总延误最小为目标建立准饱和状态路网连贯流信号协调模型，以更适应交通流量较大，交叉口进口道甚至接近饱和的交通流状态。

3、城市道路单交叉口拥堵疏导仿真实验

在本节中，主要考虑饱和度较高的交叉口分布在干线上，仅沿着干线方向同时出现连续2个或多个交叉口饱和度较高，且拥堵的交叉口之间无交叉耦合的关系的情形，针对过饱和干道提出上截下泄的疏导策略。首先划分拥堵区，然后针对拥堵区的上游交叉口群，沿着拥堵车流累积的方向，划分截流区，逐级实施截流措施，优化驶入拥堵区域的绿灯时长；沿着干线拥堵车流行进的方向，划分泄流区，实施信号协调，设置最优相位差，加速车流驶出拥堵区域。如图1所示，东西向干线包含9个信号交叉口，交叉口3和4为西进口饱和度较高的交叉口，定义为拥堵区，拥堵车流行进的方向为由西向东。拥堵区处于最下游的交叉口3和交叉口1、2构成泄流区，拥堵区上游的交叉口5、6、7、8、9构成截流区。

根据上图，本文提出本文上截下泄的车流疏导策略，划定截流区的范围，实施多级截流，将排队均匀分散到截流区域内的路段上，既避免拥堵状态的发生，又避免拥堵向外围扩散。基于流量累积路径的上截下泄的车流疏导策略主要分为三个步骤：

（1）确定拥堵。

沿着干线方向搜索，若存在连续2 个或多个饱和度较高的交叉口，则将这些交叉口以及相邻路段划为拥堵区。

（2）划分 1 级、2 级截流区和泄流区

主要考虑各级截流区最上游交叉口进口道路段的长度、进口道流量比、进口道排队长度等划分截流区和泄流区。

（3）上截下泄控制

通过上游截流，合理控制交通流驶入拥堵区；通过下游泄流，使得车流能迅速驶离拥堵区，降低拥堵区的交通负荷。

结束语

综上所述，交通信号控制主要从时间上改变路网的交通流分配，通过合理优化交叉口的信号配时，缩短车辆通过交叉口的时间，提高交叉口的通行能力。交通诱导则是为了从空间上均衡路网的交通流，避免由于交通流不均衡导致的路网总通行时间增加。在过饱和状态下，仅仅依靠信号控制只能使被控范围内的交叉口的效益最大化，无法充分利用整个路网的空间资源，故有必要将信号控制与路径诱导结合，通过对车流的行驶路径的调整来改变交通控制的过饱和输入问题，实现上游截流、下游卸载以及上游分流等功能，使路网的交通压力能得到最大程度的均分。

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