基于带状路网的交通拥堵治理方法研究

徐向东 王彬 李志斌

摘要：城市交通路网结构是影响城市发展及城市交通的一个重要因素。近年来，随着城市化进程的快速发展，城市交通拥堵问题已成为各大城市的头等难题。因此建立高效、快捷、低成本、低污染的可持续发展的城市交通系统迫在眉睫。本文提出了一种基于带状路网的交通拥堵治理方法，通过采集主干道所有交叉口的电子警察过车数据，分析带状路网早晚高峰的交通流时空分布规律，利用两分法生成符合交通流分布规律的路段和适合所有交叉口的精细化时段，采用梯度协调法重置关键路口的排队长度，解决排队溢出问题，并通过信号机模拟人工管控，最大限度缓解由于车流快速聚集超过路口通行能力引起的短时集中拥拥堵。该方法在舟山市海天大道32个路口开展了实际应用验证。

Abstract： The structure of urban transportation road network is an important factor affecting urban development and urban transportation. In recent years， with the rapid development of urbanization， the problem of urban traffic congestion has become a first-class problem in major cities. Therefore， the establishment of an efficient， fast， low-cost， low-pollution sustainable urban transportation system is urgent. This paper proposes a traffic congestion management method based on the strip road network. By collecting electronic police passing data at all intersections on the main road， it analyzes the time-space distribution law of traffic flow in the morning and evening peaks of the strip road network， uses the dichotomy method to generate road sections that conform to the distribution law of traffic flow and refinement periods suitable for all intersections. It also simulates manual control through a signal machine to minimize the short-term concentrated congestion caused by the rapid accumulation of traffic that exceeds the traffic capacity of the intersection. The method has been verified in practical applications at 32 intersections of Haitian Avenue in Zhoushan City.

关键词：交通路网结构;交通拥堵;两分法;梯度协调

Key words： traffic network structure;traffic congestion;dichotomy;gradient coordination

中图分类号：D631.5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0024-04

1  背景

随着我国社会经济和城镇化的快速发展，一些距离较远城镇也都通过城市道路连接起来，便利的交通出行环境为城市发展与市民生活品质带来了很大提升。然而，交通出行需求的快速增加导致交通拥堵的瓶颈路口越来越多，瓶颈路口的形成不但与交通流密切相关，也是一些特殊城市路网结构限制的必然结果，尤其是车流聚集快消散慢的带状交通路网结构，交通拥堵瓶颈现象极为明显。带状交通路网是我国城市在土地利用形态和空间分布结构上的典型结构，如江浙地区沿路经济重镇、舟山本岛以及两座群山形成的狭长城市，其交通特征也具有自身独特之处。本文以舟山市城区主干道为例，通过对带状城市交通特征的剖析，提出符合带状城市发展的交通模式，制定出对应的解决措施，缓解城市道路交通拥堵的现状，改善城市道路交通状态，提高舟山海島旅游交通新品质。同时也为类似路网结构的交通缓堵治理提供参考和借鉴。

2  带状交通特征分析

带状城市受自然地形及土地利用的影响，道路网络的特征表现为纵向干路数量有限，横向连接道路较多。但带状城市土地开发集中在纵向干路两侧，纵向干路交通流集中，有限的纵向交通资源与巨大的交通需求之间存在一定的不匹配。这一点即是带状城市的局限，同时又是带状城市更好的组织城市交通系统的优势。另外，由于带状城市横向宽度狭窄，使得城市生活区与自然山川、河流之间的距离更为接近，为带状城市更好地发展慢行交通创造了有利的条件。带状城市土地利用形态决定了城市交通特征，具体表现为以下三点。

2.1 城市地理条件受限，道路依城而建

带状城市横向狭窄，城市横向发展空间余地很小，往往又有河流经过，道路布局和走向均受到制约。城市内部交通、过境交通以及货运交通均在有限的纵向道路上汇聚，交通压力大。受约束的道路资源与承担了过境交通功能和大部分城市交通功能的交通需求之间存在不协调，需要借助占用道路资源少、运量大的公共交通方式解决需求与供给不匹配的交通问题。

2.2 绝大多数人上下班通勤的必经之地

带状城市土地开发利用的突出特点为：带状城市以交通干线作为城市布局的主骨架，城市生活和生产用地，平行地沿着交通干线布置。

2.3 车流聚集快消散慢，拥堵快速形成

由于上下班通勤时间固定，带状城市车流聚集速度快消散慢，很容易造成交通拥堵。带状城市横向宽度狭窄，沿纵向走廊集聚的就业岗位、公共设施等均处于慢行适宜范围之内。横向适合发展慢行交通，纵向适合发展公共交通，因此，城市客运交通应该以“公交+慢行”的方式加以组织。

3  带状路网交通拥堵治理方法研究

3.1 两分法

根据带状路网功能区分布，结合上下班通勤规律，早晚高峰采用主路绿信比按照主流通勤方向逐步增大的控制策略，通过分路段、分时段确保路口车流的输入与输出保持相对平衡。本文研究以两分法为基础，采集所有路口的电子警察过车数据，分析潮汐规规律（分路段），智能划分的交通时段（分时段）。其具体划分过程可简述如下：

①以15分钟为统计时间间隔，将一天24小时划分为96个统计间隔。分别统计每个时间间隔内交叉口的到达车辆数，得到一个包含96个元素的有序数列。

②根据常见规律，将其划分为8段，即将有序样本分为8类。

③定义第i类（包含ni个元素）的直径为

④不断调整有序数列中分段点的位置，使得■的值最小，从而得到的宏观时段划分。

可用一个1×7的一维数组Z表示宏观时段划分点根据早、晚高峰的常见规律，可将Z的初始值设置[20，28，36，48，64，76，88]，即将一天24小时划分为0：00-5：00、5：00-7：00、7：00-9：00、9：00-12：00、12：00-16：00、16：00-19：00、19：00-22：00、22：00-24：00共8个宏观时段。

由于基本时间间隔数较多，采用枚举的方式获取最优的计算量过大。这里采用随机迭代的方式，获取一定迭代次数的最优时段划分方式。定义宏观调整迭代次数为M0=1000，每次迭代过程中随机选择一个分段点，将其位置前移或后退15分钟（即3个时间间隔）。调整过程中保证任意一个宏观时段的跨度不小于1小时（即12个时间间隔）。

3.2 梯度协调法

梯度协调法主要应用于饱和度过高的交叉口，交叉口饱和度过高会导致绿灯结束后车辆排队积压。长时间积压会造成路段排队长度的不断增加。为了衡量排队长度积累的程度大小，可以用如下式子表示：

其中，RL为车辆排队比，LQ为路段排队长度的值，LR为路段长度。交叉口未达到过饱和状态时，RL的值可以为零，随着车流的不断增多，RL的最小值一直会上升，当RL的值达到1时，说明排队长度已经超过路段长度，交叉口拥堵已经通过路段蔓延到了上游交叉口，上游交叉口的车辆通行将会受到严重影响。梯度协调法是通过调整各路口绿信比将RL值过高的路口分摊至RL值较低的路口，对排队进行重置，充分解决交叉口排队溢出问题。

3.3 信号机模拟人工管控法

主要解决由于车流快速聚集超过路口通行能力引起的短时集中拥堵。信号机模拟人工管控法主要是根据构建城市道路网络模型，对城市道路交通流量进行监测，获取交通流监测结果和路口综合度量值;研判分析拥堵的具体时间段和人工管制规律，并针对性设置信号机模拟人工管制的配时方案，快速解决短时集中交通拥堵问题。

首先构建城市道路网络模型，一是根据城市道路网絡模型对城市道路交通流量进行监测，获取交通流监测结果;二是根据城市道路网络模型对城市道路网络中路口的重要性进行度量，获取路口重要性度量结果;三是根据交通流监测结果和路口重要性度量结果对路口和交通流的相关性进行分析，获取路口相关性因子;四是根据路口相关性因子对交通流进行预测;五是根据预测结果结合历史流量数据确定需要信号机人工管控的路口以及管控时间。最后计算得出第一度量值和第二度量值对路口的重要性进行综合度量。计算路口的第一度量值：

MH1（i）表示路口i的第一度量值，n表示道路交通网络中路口的个数，若路口i和路口j之间存在道路连接，则xij=1，否则xij=0;计算路口的第二度量值：

MH2（i）表示路口i的第二度量值，d（s，t）表示路口s和路口t之间的最短路径的数目，di（s，t）表示路口s和路口t之间经过路口i的最短路径的数目;根据第一度量值和第二度量值对路口的重要性进行综合度量：计算路口的综合度量值：

MH（i）表示路口i的综合度量值;路口的综合度量值越大，表示路口越重要。根据交通流监测结果和路口重要性度量结果对路口和交通流的相关性进行分析，具体为：对道路进行等级划分，将道路等级依次划分为主干道、次干道和支路;根据道路等级和路口的综合度量值计算路口的改进度量值：

RU（i）表示路口i的改进度量值，y表示与道路等级相关的影响因子，道路等级越高的路口，y越大，0≤y≤1;根据路口的改进度量值和交通流监测结果对的路口改进度量值和交通流的相关性进行分析，获取路口相关系数;通过路口相关系数对交通流进行预测。

具体为：选取相关系数大于设定阈值的路口对交通流进行预测，路口的改进度量值越大，表示路口的交通流越大。对大于设定阈值的路口实行信号机模拟人工管控法，解决路口拥堵问题。

4  案例分析

本文所述路网为舟山本岛区域的海天大道及相交道路。海天大道全长18.7公里（32个灯控路口），贯穿本岛定海、新城和普陀三区;道路为双向六车道，两边各有一条公交专用车道（7：00-8：30，16：30-18：30），设有中央与机非隔离绿化带;相交道路80%为次干道且大部分车辆均汇入海天大道通行，是典型的带状交通路网。

4.1 两分法（分路段、分时段）

统计路段所有交叉口一段时间内全天流量数据，导入流量分析软件中，绘制流量变化曲线（15分钟为间隔），同时展现时段划分情况。利用早高峰从两端到中间、晚高峰从中间到两端的潮汐现象，确定海天大道与千岛路作为中间节点对沿线32个路口采用两分法。具体分法如图2所示。

4.2 梯度协调法（重置排队长度）

对海天大道所有交叉口的路段长度和高峰期间的排队长度进行统计，用排队长度与路段长度的比值RL表示交叉口排队拥堵程度。当比值RL大于1时，即表示该交叉口排队溢出，优化前海天大道部分交叉口排队拥堵程度如表1所示。

采用梯度协调法对上表中RL值大于1的交叉口进行排队重置，将排队长度分摊至RL值较小的路口。如表2所示。

4.3 智能管控拥堵路口

通过智能交通管理系统构建舟山市路网络模型，对海天大道所有路口交通流量进行监测。结合交通流监测结果对路口的重要性进行度量，计算出重要性度量值较大的路口分别为海天大道与新桥路、海天大道与弘生大道。通过分析两个路口流量变化和集中拥堵时间，对信号机设置模拟人工管控，解决路口拥堵问题。

4.4 效果评价

采用以上方法优化后，海天大道（城北车站至千岛路）路段早晚高峰平均停车次数由5次减少到3次，减少了40%，行程时间缩短了2分16秒，早晚高峰结束时间提前了10分钟;海天大道（东瀛路至金岛路）路段早晚高峰平均停车次数由6次减少到3次，减少了50%，行程时间缩短了2分18秒。如图5所示。

5  总结

①舟山市本岛路网呈带状分布，为保障海天大道早晚高峰的通行，在保证行人过街安全基本要求的基础上，相交支路的通行做出了较大牺牲。②不是所有瓶颈点都能通过信号调优达到缓堵效果，例如，海天大道与临长路的瓶颈问题，我们是通过新城大桥拓宽改造和高峰禁左来解决的;海天大道与弘生大道通过分时牺牲非关键相位绿灯时间，来保障主路通行。③早晚高峰缓堵次序：一是解决排队溢出问题，二是解决部分路口排队过长问题，三是解决通行效率提高问题。④社会化宣传很重要，争取得到广大出行者的理解与支持，否则会引起市民的误解与抵制。⑤城市交通缓堵需要内外兼修。信号优化是一个持续的常态化工作，需要根据道路、车流、季节、特殊情况不断进行调整，还需要其他交通组织和秩序管理辅助，就像一个得了慢性病的病人，自身修炼与外部治疗同样重要。

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作者简介：徐向东（1987-），男，浙江舟山人，指挥中心主任，交通监控指挥中级职称，研究方向为智能交通;王彬（1984-），男，浙江舟山人，警务技术四级主管，中级职称，研究方向为智能交通;李志斌（1972-），男，浙江舟山人，副支队长，中级职称，研究方向为交通管理。