城市快速路交通拥堵特征与实时排队长度确定方法研究

陈光

【摘 要】近年来，城市交通拥堵现象已经成为了我国大中城市普遍面临的一个严峻问题。尽管建设城市快速路最初的目的是为了缓解城市交通拥堵问题，但随着交通需求量的逐渐增大，城市快速路交通拥堵问题日益突出，严重地影响了人们的生活水平。城市快速路交通瓶颈是导致常发性交通拥堵的主要原因。本文以城市快速路常发性交通拥堵问题作为研究对象，深入地分析和研究了城市快速路交通拥堵特征和实时排队长度估计方法。该研究对缓解城市快速路常发性交通拥堵问题具有重要意义。

【关键词】城市快速路；实时排队长度；交通溢流；过饱和

引言

目前交通拥堵问题已经成为一个备受关注的热点问题，尤其是在大、中型城市，交通拥堵导致的交通延误、通行时间不确定、噪音污染以及PM2.5污染恶化等一系列问题越来越突出。另外，交通拥堵中的不稳定交通流还严重危害着交通安全。数据显示，在相同交通需求量水平下，交通拥堵状态下事故发生频率是非拥堵状态下的三倍。一般情况下，交通拥堵产生的直接原因是：在特别的时间段（如，上、下班高峰期）路网中某段道路可用的交通流通行能力不能够满足其交通需求量。交通拥堵发生的诱因包括交通设施物理瓶颈、交通事故、作业区、恶劣天气、不恰当的信号时制、特殊事件以及日常交通波动等。

1、城市快速路交通拥堵特征

城市的正常经济、文化、政治、社会活动都离不开畅通的道路交通，然而，随着城市化进程的迅速推进和社会经济的快速发展，城市居民的汽车拥有量剧增，先前的交通系统规模过小，无法提供充足的交通供给，交通拥堵导致城市发展受限。在加上道路的扩展受限，公共交通承载量有限，私人机动车出行增多且集中，城市交通拥堵越来越严重。交通拥堵导致的严重问题吸引了人们的广泛关注。

从交通网络上看，学者Wright认为道路上存在交通瓶颈是诱发交通拥挤的根源，道路上的交通瓶颈可以分为三类。随机事件引起的交通瓶颈：随机因素导致了大量交通拥堵产生，如突发交通事件、开展有大量交通吸引的活动、道路施工以及异常的天气状况等，这些事件发生没有征兆，如过得不到及时的疏散和引导，容易发生区域性的交通拥堵；道路网本身通行能力低下产生的瓶颈，这往往是因为道路设计不佳或道路存在合流导致通行效率降低。此外，道路标志不明显也是原因之一：道路引导标志的缺乏使得交通流向主要干道上聚集，导致干道上交通量过大，行驶速度缓慢，从而发生拥堵排队。

从对道路交通管理的角度来看，2006年美国为减少愈来愈严重的交通拥堵产生的经济损失，出台了《针对减少美国的交通网络拥塞的国家战略》，该战略中对交通拥堵的成因进行了分析：认为是现今的交通管理措施无法充分利用现有的道路设置，导致了通行能力低下，发生交通拥堵，同时交通事故频发、交通信号灯故障，异常的天气状况、大型活动等都会产生交通拥堵。

从出行者的角度来看，学者安东尼·唐斯认为导致交通拥堵频发的原因有四个：一是人们的出行时间过于集中，早晚高峰明显；二是快速的经济发展提升了人们的购买力，居民更愿意驾驶私家车上下班，而不愿意搭乘公共交通；三是城市人口增长过快，现有的道路和公共交通设施满足不了人们的需求；第四个方面的原因是意外交通事故、异常气候、道路施工等。

可以看出，无论从哪一个角度来看，交通拥堵的发生都离不开道路资源与交通需求的不对等，因此，可以认为经济的迅猛发展导致交通需求和交通供给的不平衡是交通拥堵严重的根本原因。交通事件是导致城市交通拥堵的重要原因，发生交通事件会导致道路通行能力降低、行车速度减慢，可能直接引发交通拥堵。由于交通事件的不可预控性，交通管理者无法采取静态预防方法来控制交通拥堵，因此对动态控制条件下的交通拥堵扩散机理的研究就十分重要。交通事件的严重程度主要表现在事件的持续时间长短和事件导致的通行能力损失大小。

2、城市快速路实时排队长度確定——交叉口溢流预防方法

当排队车辆数达到临界条件时，应立即进行调整疏导，防止溢流发生。经过文献研究可总结，以往的交叉口溢流预防与疏导方法主要是通过信号控制平衡交叉口四个进口道的通行能力与交通需求之间的差异，即根据各个进口道的到达车辆数与滞留排队长度比例来进行各个相位绿信比的优化分配，及相位相序的调整。但是对于出现了过饱和现象的交叉口而言，各个进口道的交通需求所要求的相位绿灯时间不一定存在较大可调整的余地，即处于多个进口道，甚至全部进口道的交通需求大于交通供给的状态。如果仅按照以往的研究方法，根据进口道的交通需求来进行溢流预防，则容易出现没有多少剩余绿信比可以分配至其它相位以达到疏导效果，从而产生的排队溢出现象。

因此，本文提出充分考虑路段剩余容量的溢流预防与疏导方法。路段的剩余容量是指在停车排队的状态下，路段上没有排队车辆占用的长度、车道数与停车间距折合成的可容纳剩余排队车辆数。考虑路段余容量包含两个部分，一个部分是可能溢流路段的剩余容量是作为限制约束考虑，即该路段不能发生溢流；另一个部分是无溢流可能路段的剩余容量进行充分利用。若路段某一方向即将发生溢流，整体的思路是在上游进行流量限制，在下游进行疏导控制，但关键问题是如何找到能够精确计算上游和下游交叉口调节时间的模型和算法。目前在此方面的研究较少，有些算法也只是固定的增加或减少时间值，再来判断是否能够消除溢流。本章提出的模型是在减少过饱和系数为目标的基础上，充分考虑该方向的剩余容量并且充分利用上下游交叉口其他方向的路段剩余容量，精准调整上下游交叉口各个相位的绿信比以避免溢流发生，本节所提出的充分考虑路段剩余容量的交叉口溢流预防与疏导方法有以下优点：

（1）将上游交叉口出口车道剩余容量作为限制约束的交叉口溢流预防与疏导模型，能够直接平衡流入和流出过饱和路段的交通量，在过饱和方向排队较长时避免发生交通溢流，从而引发交通拥堵。

（2）以上下游交叉口的出口道和路段剩余容量为约束，在没有溢流可能的方向进行适当排队，可以充分利用道路资源，避免了在过饱和状态下宝贵的道路资源被浪费，有助于缓和排队过长相位的溢流风险。

（3）交叉口溢流预防与疏导方法充分考虑了对上下游的影响。对上游交叉口的影响考虑在约束条件中，下游交叉口驶出车辆数对下游的影响考虑在应用流程中。下游驶出车辆数增加对更下游交叉口形成压力，在更下游交叉口排队过长时，交叉口溢流预防与疏导模型的控制目标即发生了改变，原下游交叉口的通行能力则成为限制对象。

（4）交叉口溢流预防与疏导模型的解为两交叉口的信号控制绿信比，不改变原信号周期。所以对于信号控制周期不相同的相邻交叉口，该模型同样能输出控制方案。

（5）在进行信号调整时充分考虑交叉口的出口车道和路段剩余容量，对干出现交通需求在进口道或者相位分布不均的交叉口来说，能够将超出通行能力的交通需求通过溢流预防与疏导控制逐渐向上下游交叉口分散，以实现交通流均匀分布的目的。

（7）该方法可以减少高峰期的在交叉口的警力配备，并且避免由于交警各别能力水平不一而无法做到最优指挥。

结束语

城市道路的交通拥堵问题导致了出行者的出行时间增长、出行费用增多，对人们的日常生活产生了负面影响，同时也污染了自然环境，给社会带来了很大负担，城市交通问题的解决迫在眉睫。为了解决交通拥堵问题，给交通管理者提出缓解交通拥堵措施提供理论支持，为城市快速路实时排队长度确定方法的提出奠定基础。

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