城市交通拥挤特征及疏导决策分析.docx

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城市交通拥挤特征及疏导决策分析

谈晓洁'，周晶2,盛昭瀚2

（I.东南大学经济管理学院，江苏南京210096;

2.南京大学管理科学与工程研究院.江苏南京210093）

摘要：

从缓解城市交通拥挤的决策需要出发，本文对城市交通拥挤的特征及疏导决策进行了研究•首先归纳出五种拥挤基本属性，研究了拥桥的空间分布特点及其发展趋势，提出了一种实用的空间分布扣别方法：

接着讨论了蔬导城市交通拥挤的基本策略问题，分析了影响疏导技制策俗的主要因素.并对疏导控制策咚进行了分类最后，在此基础上，构建了决策系统的框架。

实际应用表明，论文研究成果具有现实有效性和可操作性，为城市交通拥挤疏导决策支持系统的实际开发提供了基础-

关键词：

交通拥挤；空间分布；疏导策略；决策支持系统

中图分类号：

F502文献标识码：

A文章编号：

1004-6062（2003）01-0056-05

收稿日期：

2001-05-17修回日期：

2001-11-26

基金项目：

国家'九五”重点反关资助项目（95-AI50-O3）:

国家fl然科学基金垸助顶口（7007IW9）

作者简介：

谈晓洁（1974—）、女（回）.江苏镇江人，东南大学经济管理学院管理科学与工程弓业博士研究生，研究方向为决策与决策支持、智能交通管理等

0引言

对城市交通管理决策者而言.有效缓解交通拥挤•有两种基本解决方法；一是实时调节、合理调度交通流•确保城市路网不出现超饱和交通流；二是快速处置突发性事件引起的交通堵塞，迅速恢复正常交通秩序。

为此.国内外学者从各方面进行了广泛研究尤其是80年代中期以后.以欧洲、美国和日本为代表的各发达国家用高新技术来改造现有道路运输体系及其管理方式,建立起智能交通系统ITSc

ITS是将先进的信息技术、导航定位技术、数据通信技术、自动控制技术、图像分析技术以及计算机网络与处理技术等现代高新技术有效地运用于整个交通运输体系，使人、车辆、道路密切配合•和谐地统一,建立起一种在大范围内、金方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合系统，是一种新型交通系统ITS在我国的研究刚刚起步.先进的交通管理系统是ITS的一个重要组成部分：

本文以国家.•九五”攻关项目“城市交通管理计算机辅助决策系统“为应用背景，对城市交通拥挤的特征及疏导决策进行了研究：

1城市交通拥挤的属性

由于城市交通网络上的拥挤状况取决于组成网络的各个路段（有向路段）或交叉口处的交通状况.而旦任何一个交乂口的交通状况也是由与其相连的捋段的交通状态所决定.因此本文拟以路段为单位来讨论拥挤，引入交通拥挤属性的僵念属性包括以下5个方面：

I）拥挤发生的时间事件或拥挤产生的时间不同，甘道路通行能力产生的影响也不同：

发生在出行高峰期的拥挤,随着交通流说的持续增大•必然会迅速产生严重的拥挤受延。

反之则未必。

时间可以根据时间段划分为：

早高峰、晚高峰、平峰等等。

2） 拥挤发生的地点城市交通道路有主次之分•对不同地段发生的拥挤.要采用不同的控制措施°地点分类为：

主要道路、次要道路、重要交叉口、次要交叉口等等C

3） 拥挤发生的原因产生拥挤的原因可以分为正常情况和非正常情况两种类型：

前者主要是由于流量的突然增大，超过了正常的道路容量；这种拥挤最易发生在高峰时间，较有规律,属于周期性拥挤；后者主要是由特殊事件引起道路容量的减少或堵塞，或是某一地段举行活动，吸引过多的流量而引起的拥挤【这种拥挤没有规律，且可能持续时间较长：

4） 拥挤发生的类型从拥挤形成先后次序，可以判断拥挤的类型：

在一个瓶颈处首先形成的拥挤，称为原始拥挤；由原始拥挤的回流和要延而形成的拥挤，称为后续拥挤，

5） 拥挤发生的程度考虑与交叉曰相关联的进口路段上的拥挤程度，因此诃以用车辆等待的信号周期数或排队长度来描述其拥挤程度：

如分为拥挤、非常拥挤、严重拥挤、死锁等：

特别地.由于拥挤程度受到其时间、地点及原因等属性的影响,因此，该属性与其它属性密切相关：

由此,对于拥挤现象可统一描述如下：

CONGESTIONindex（时间、地点、原因、类型、程度）

今后在决策过程中，将针对由各属性组合而成的各类情况.经过推理决策.快速选中处理不同类型拥挤的策略

2城市交通拥挤的空间分布形式

城山交通拥挤不仅反映为以路段为单位所具备的自身独立的属性.而且表现在其间相互影响和关联上，具有重要的时空特征.为此.本文提出空间分布的概念

将道路交叉口及有向路段抽象为组成路网的点和有向线段.按照交叉口与路段之间的衔接关系组成城市路网结构的基本框架.则城市交通拥挤的空间分布主要是指在某一较短的时间段内，拥挤在城市路网中道路和交叉路口之间持续的分布状态.如图1所示的典型城市交通路网中，若粗线表示拥挤路段.阴影节点表示拥挤交叉口.则其空间分布形式一目了然.

为了从全局和系统的角度认识拥挤的状态.本文将拥挤的空间分布归纳为三种；

点——指拥挤发生在一个或多个独立的交叉口，只对与其相连接的路段产生影响.而未影响到与其相邻的交叉口；

线一指由于交通流最的激增（如流量高峰期）或者由于局部堵塞未得到及时解决.使得拥挤在相互关联的路段上紊延.并且主要分布在一条城市干道上；

面一指拥挤分布于相互关联的路段，并且路段与路段之间的交叉口相互重合.从而构成区域性拥挤。

一般而言.城市交通拥挤的空间分布由以上三种基本类型组成：

某一状态下.可能是其中一种，也可能三种同时存在.如图I所示的路网中.假设已知交叉口M为发生拥挤的交叉口.加粗的路段为拥挤路段，那么，交叉口M处表现为点；由拥挤路段R1.R2和R3形成线形分布（或称为干道拥挤）；由R4~R12形成的相互关联的路段之间的拥挤就表现为面（或称为区域拥挤）。

2.2空间分布特点的判别方法

要判别是否形成点、线、面的空间分布，可根据实时接收拥挤发生的地点信息，将其反映到道路网络结构上.继而利用数据底技术对拥挤路段之间的关系进行判断。

具体步骤如下：

Step1从交通信息系统收集拥挤发生的路段信息；

Step2判断拥挤路段是否相连'如果路段的起讫节点有重合则表明路段相连，如果路段的两个节点均无重合的肯点，则表明路段为独立拥挤路段；

Stop3判断是否形成干道拥挤，查询事先建立的城市干道表，统计有相同干道字段值的路段总数，定义一个阈值L,当统什得到的数值大于L时，判定该干道发生拥挤；

Step4判断拥挤相连路段是否形成以十字路口为中心的拥挤.通过统计拥挤路段的节点数，一旦节•点出现的次数大于三，则表明至少有三条与该路口相连的路段发生拥挤，从而判定该路口发生拥挤.否则判为非拥挤交叉口=

Step5判断是否形成区域拥挤。

在已经判定存在一个交叉口为拥挤路口的基础上，以该交叉口为中心，搜索与之相邻的其它交叉口，查询其它交叉口是否也发生拥挤，如果存在相邻交又口都发生拥挤情况,那么判定由这些交叉口所形成的区域发生拥挤现象，否则为未形成区域拥挤。

以上判别方法.需建立在城市交通拥挤疏导决策支持系统中所定义的一系列路网逻辑结构描述数据库的基础h实践表明,本判别方法实用高效。

2.3交通拥挤发展趋势的实时分析

交通拥挤的空间分布对已经发生的交通拥挤现象作了铮态描述,而事实上交通拥挤的形成与发展是一个随时间及空间而不断发生演变的动态过程.因此对拥挤发展趋势.特别是对其在空间分布上的昼延或消散情况,应及时分析处理，以便于管理控制决策的正确形成。

分析和处理拥挤发展趋势的基本步骤如下：

1） 检测不同路段上拥挤发生的起源、时间：

2） 初始拥挤现象记录到决策支持系统中；

3） 然后针对不同路段上所发生的拥挤.分析其相互之间的关联关系.做出诊断，评估拥挤的严重性.分析其发展趋势=

基于以上对交通拥挤空间分布的描述，本文采用符号模型.表示拥挤的时空扩展性。

具体如下：

顺序选取拥挤发生时刻儿€T!

.t=1,2-.其中7•为所考察的一时间段，记录下各时刻拥挤事件的属性特征。

城市道路上的拥挤发展危势由其起源路段、所在干道和属于该干道的一系列路段来描述。

不同路段的拥挤通过其关联性加以联系，即一条为引发拥挤路段，另一条为被影响路段。

表述如下：

CONGESTION（拥挤源，所属干道.干道包括的路段）

CAUSE,,（引发路段.受影响路段）

图2干道拥挤发展趋势

例如图2所示,R1.R2为一干道L（L属于干道集AXIS）上的两段相邻的路段.在时刻tl.»2（tl

CONGESTION（Rl.L.L（Rl.R2--RN））

CAUSEe（RI.R2）

若拥挤继续发展.均可类似加以描述，如此表示，最终可得拥挤发生的源头.从而优先处理源头拥挤；同时根据其波及到的路段数量.可度量其引起的拥挤的严重程度.预测其可能的发展趋势。

3拥挤疏导的基本策略分析

当拥挤已经发生时.根据其时其地的具体情况，应及时采取适当的疏导策略,这些策略具有应急性的特点，是最终形成疏导方案的基础

3.1影响疏导控制策略的因素

无论是正常情况，还是非正常情况下的拥挤，采取的控制策略取决于以下几个方面：

1'，控制的目标：

即衡量控制措施是否有效的性能指标交通控制,或为减少车辆总出行时间•或为极大化诃用容量，或为减少排队时间等不同的目标可导致采取不同的管理控制策略

2） 交通需求成：

当拥挤发生后，管理者必须了解该区域以及整个网络的交通需求状况,以便采取相应措施，避免产生后续拥挤；

3） 拥挤属性：

不同属性的拥挤，需采取的控制策略亦不同首先，拥挤产生的时间和位置的不同，对道路通行能力产生的影响不同：

发生在高峰期和在交通要道姓的事故和拥挤，必然会迅速产生严重的拥挤曼延。

因此对于不同时间、位置的拥挤.所采用的控制手段也不同：

然后，当拥挤发生时,需先确定拥挤产生的原因，判别是正常情况还是非1E常情况，以及相应的拥挤程度,以便采取不同的疏导策略，3.2疏导控制策略的分类

一般说来,当拥挤发生后•所采用的硫导措施主要从两方面来考虑，一是从道路供给能力的角度，尽快恢复或提高道路和交叉口的通行能力；二是从控制流量需求的角度进行疏导.于是可将疏导拥挤的控制策略分为以下三种类型：

J）事件控制：

事件包括引起非正常交通拥挤的可预见的

事件和不可预见的事故°步件控制指尽快处理事件.将其对交通的影响降到最低，它属于面向恢复道路通行能力的策略.目的在于尽快解决初始拥挤。

对可预见事件必须事先发布消息.并预先在有关路段采取有效的车辆分流措施而对不可预见的事故，通过健全交通报警系统，及时准确地获得事故发生的地段和时间.尽快处理事故,恢复道路的通行能力

2） 行为控制（或诱导控制）：

即通过流St需求机制来减少后续拥挤的严重程度〉其关键是及时向出行者提供交通诱导信息，以影响出行者的行为。

这种行为变化包括路径选择的改变、出行时间的改变、甚至是出行方式的改变，诱导控制的方式目前主要是通过电台发布交通信息、路边可变信息牌和车载诱导系统等。

3） 网络控制（或强制控制）：

其目的是要从全局的角度.有效利用网络上的可用道路容最，疏散拥挤°网络控制主要根据拥挤程度的不同，采用调节信号灯、禁止左右转、禁止直行等手段，限制进入拥挤区域的流量。

根据以上分类，可得三种控制策略与拥挤类型之间的对应关系.如图3所示：

拥堵原因 控制策略 拥堵类型

图3控制策略与拥堵属性之间的关系

图4城市交通拥挤疏导决策支持系统框架

当监测到交通拥挤发生时，根据原因和类型属性可以确定所应采取的控制策略c同时结合其它属性和对空间分布的判别.合理使用一种或几种控制策略/例如，由于交通流激增，当城市主要道路发生正常拥挤时.根据其