城市道路交通擁堵判別、疏導與仿真

唐燁

【摘 要】隨著我國經濟、社會的迅速發展、居民收入的提高、城市化進程的加快，城市交通擁堵日益嚴重。交通擁堵使居民出行的經濟和時間成本增加，不確定因素増多，駕駛體驗降低，油氣資源大量浪費，局部環境污染問題加劇等等。我認為要對城市格局和用地合理規劃，改變居民出行的空間分布；鼓勵公共交通、發展大容量公交系統、鼓勵自行車發展和步行方式出行，引導居民出行方式轉換；新建或改擴建交通基礎設施，在不超過城市環境承載力的前提下進一步擴大交通系統容量，提高運輸效率。

【關鍵詞】城市道路；擁堵疏導；信號疏導控制；邊界信號控制

引言

近年來，隨著我國經濟的迅速發展、城市化進程的加快W及小汽車逐步進入家庭，各大、中城市的交通擁堵現象日益嚴重，極大的影響了城市的可持續發展及人民生活水平的提高。交通擁堵使得交通延誤增大，行車速度降低，帶來時間損失；同時，在交通擁堵狀態下低速行駛増加耗油量所帶來的資源浪費、環境惡化等問題也給城市居民生活帶來諸多困擾。

造成交通擁堵的原因有很多，歸根到底，主要有以下幾個方面：一是交通供需矛盾突出，城市交通基礎設施建設速度遠遠跟不上交通需求増長速度；二是城市交通管理設施落后，管理水平不高，人們的現代交通意識淡薄，法制觀念差，交通法規不健全，交通秩序混亂，使得已有道路交通網絡系統無法完全發揮其應有的作用；三是出行方式結構失衡，隨著經濟的發展和收入水平的提高，小汽車開始進入家庭。由于公共交通發展速度遠遠落后于私人交通工具，人們的出行方式選擇逐步向小汽車出行方式傾斜，較低的客運效率給有限的道路資源帶來了更大的壓力。

1、城市道路路網交通擁堵判別——路網擁堵動態分區方法

1.1擁堵劃分標準

交通狀態判別通常以某個交通流參數是否超過閾值作為標準，或者是以流量、速度、密度為基本數據，通過統計分析得到反映交通狀態變化的一個或多個表征量，以表征量是否超過特定閾值來判別。目前的交通狀態判別模型與方法，主要集中在利用檢測器采集到的流量、速度和占有率等參數實現對路網交通擁堵的實時判別。在實際應用中，一般將路網交通狀態劃分為暢通、輕微擁堵、嚴重擁堵和堵塞四種狀態。為了便于判斷路網的交通狀態，需要對參數進行定量描述。

1.2擁堵動態分區原則

為了便于在局部區域靈活的實施信號控制方案，根據飽和度將交叉口劃分為不同的擁堵等級，考慮交叉口不同飽和度的動態分區需滿足以下基本原則：

（1）路段關聯度原則

關聯度較高的路段取為關聯，關聯度較低的路段取為非關聯，控制子區分界線適宜劃在一組關聯度較低的路段上。

（2）交通相似度原則

要求交通狀態密切相關，若相鄰各交叉口飽和度均較高，可考慮將這些交叉口放入同一個子區，從一個較大的范圍實施信號協調控制策略緩解擁堵狀況；另一方面，若交叉口飽和度相近，即兩個交叉口的交通流特性相似，較適宜劃入同一個子區進行協調控制。

（3）周期原則

劃入同個子區參與協調的交叉口要共用一個信號周期或半周期，故相鄰交叉口的信號周期相差不大，適宜劃入同一個控制子區。

（4）中心關鍵-周邊疏通原則

飽和度較高的一個或幾個相鄰交叉口為關鍵節點，緊鄰的周邊路口為疏通節點。

（5）最遠距離約束原則

若路段間距較遠，由于車流的離散性，從上游駛出的車流到達下游已呈隨機狀態，實施信號協調會降低系統的整體效益，故間距較遠的兩交叉口不宜劃入同個子區。

2、城市交通擁堵疏導方法研究——準飽和狀態路網連貫流信號協調控制

多數研究均假定干道各交叉口采用相同的信號周期時長，然而實際線控系統中，干線各交叉口受其交通流量、幾何條件、行人過街等因素的影響，各交叉口實際所需信號周期時長往往并不相等。對于該問題，通常采取子區劃分將信號周期相近的交叉口劃在同一子區進行綠波協調疏導控制，然而不同子區之間仍采取不同信號周期時長，一定程度上割裂了子區間的聯系，降低了綠波疏導效果。

針對上述不足，本節提出基于交通波理論提出準飽和狀態路網連貫流信號協調控制模型與方法，當路網處于準飽和狀態時，利用交通波理論建立信號交叉口間的延誤模型，提出準飽和狀態信號疏導控制方法，并擴展應用到周期不等的信號交叉口間協調問題中，提出了準飽和狀態信號疏導控制方法研究

帶寬最大化和延誤最小化是兩種最常用的相位差優化方法。在未飽和狀態下，帶寬最大化能夠保證盡可能多的車流在綠波帶中運行，系統運行效率最高；但當車流量較大時，車輛通過時間大大高于綠波帶寬度，帶寬最大化最多能服務于綠波帶中的車隊，對于未能跟上車隊的車流可能會遭遇更多的紅燈而導致更大的延誤。本節根據車流延誤模式提出對應的協調控制策略；以車流總延誤最小為目標建立準飽和狀態路網連貫流信號協調模型，以更適應交通流量較大，交叉口進口道甚至接近飽和的交通流狀態。

3、城市道路單交叉口擁堵疏導仿真實驗

在本節中，主要考慮飽和度較高的交叉口分布在干線上，僅沿著干線方向同時出現連續2個或多個交叉口飽和度較高，且擁堵的交叉口之間無交叉耦合的關系的情形，針對過飽和干道提出上截下泄的疏導策略。首先劃分擁堵區，然后針對擁堵區的上游交叉口群，沿著擁堵車流累積的方向，劃分截流區，逐級實施截流措施，優化駛入擁堵區域的綠燈時長；沿著干線擁堵車流行進的方向，劃分泄流區，實施信號協調，設置最優相位差，加速車流駛出擁堵區域。如圖1所示，東西向干線包含9個信號交叉口，交叉口3和4為西進口飽和度較高的交叉口，定義為擁堵區，擁堵車流行進的方向為由西向東。擁堵區處于最下游的交叉口3和交叉口1、2構成泄流區，擁堵區上游的交叉口5、6、7、8、9構成截流區。

根據上圖，本文提出本文上截下泄的車流疏導策略，劃定截流區的范圍，實施多級截流，將排隊均勻分散到截流區域內的路段上，既避免擁堵狀態的發生，又避免擁堵向外圍擴散。基于流量累積路徑的上截下泄的車流疏導策略主要分為三個步驟：

（1）確定擁堵。

沿著干線方向搜索，若存在連續2 個或多個飽和度較高的交叉口，則將這些交叉口以及相鄰路段劃為擁堵區。

（2）劃分 1 級、2 級截流區和泄流區

主要考慮各級截流區最上游交叉口進口道路段的長度、進口道流量比、進口道排隊長度等劃分截流區和泄流區。

（3）上截下泄控制

通過上游截流，合理控制交通流駛入擁堵區；通過下游泄流，使得車流能迅速駛離擁堵區，降低擁堵區的交通負荷。

結束語

綜上所述，交通信號控制主要從時間上改變路網的交通流分配，通過合理優化交叉口的信號配時，縮短車輛通過交叉口的時間，提高交叉口的通行能力。交通誘導則是為了從空間上均衡路網的交通流，避免由于交通流不均衡導致的路網總通行時間增加。在過飽和狀態下，僅僅依靠信號控制只能使被控范圍內的交叉口的效益最大化，無法充分利用整個路網的空間資源，故有必要將信號控制與路徑誘導結合，通過對車流的行駛路徑的調整來改變交通控制的過飽和輸入問題，實現上游截流、下游卸載以及上游分流等功能，使路網的交通壓力能得到最大程度的均分。

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