突發(fā)性社會安全事件下的交通組織方案規(guī)劃

高建杰

（四川警察學(xué)院 四川瀘州 646000）

突發(fā)性社會安全事件下的交通組織方案規(guī)劃

高建杰

（四川警察學(xué)院 四川瀘州 646000）

“突發(fā)性社會安全事件”下的交通組織方案規(guī)劃，要以突發(fā)性社會安全事件影響下的交通特征的變化為出發(fā)點，以“應(yīng)急救援時間最短、交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最優(yōu)”為核心思想，基于標(biāo)號法并考慮交通警察響應(yīng)時間設(shè)計應(yīng)急救援最短路徑算法，基于可變交通需求構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最優(yōu)的疏散路徑模型。

應(yīng)急管理；突發(fā)性社會安全事件；交通組織；疏散路徑；救援路徑

一、引言

目前城市道路交通網(wǎng)絡(luò)十分脆弱，一旦發(fā)生突發(fā)事件，極易引發(fā)大面積交通擁堵甚至癱瘓，應(yīng)急救援工作難以展開，將引發(fā)更為嚴重的社會危害。發(fā)生突發(fā)事件時，如何選取“應(yīng)急救援-疏散”路線，如何實施科學(xué)、快速、有效的交通組織管理方案，是公安交通管理部門關(guān)注的焦點。

面對突發(fā)事件發(fā)生時出行者出行特點的改變，決策者的交通流路徑分配原則也應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整。與之相關(guān)的研究眾多，文獻[1]分析了非常規(guī)突發(fā)事件影響下的交通組織特性，基于元胞傳輸模型（CTM）設(shè)計了疏散目標(biāo)函數(shù)和疏散特性約束，構(gòu)造了非常規(guī)突發(fā)事件影響下限定時間的區(qū)域路網(wǎng)疏散能力評估與交通組織設(shè)計模型；文獻[2]利用專家經(jīng)驗法和模糊優(yōu)先排序法對初擬評價指標(biāo)的相關(guān)性和重要性進行了判斷，構(gòu)建了突發(fā)公共事件交通應(yīng)急響應(yīng)級別的綜合評價指標(biāo)體系；文獻[3]從道路上車輛的走行速度依賴于道路交通負荷這一交通流的重要特征出發(fā)，建立了一個動態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)的疏散路線與出發(fā)時間綜合優(yōu)化模型，其中采用基于加載仿真的非解析式子表示流量傳播約束，通過其反映路段走行時間隨道路負荷變化的實際。文獻[4]在METANET模型的基礎(chǔ)上考慮緊急事件所占用車道數(shù)、進出口匝道及誘導(dǎo)信息對模型的影響，同時針對交通緊急事件的及時有效處理，給出了一種雙向動態(tài)的最短路徑誘導(dǎo)算法。

本文以“應(yīng)急救援時間最短、交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最優(yōu)”為核心思想，基于標(biāo)號法并考慮交通警察響應(yīng)時間來設(shè)計應(yīng)急救援最短路徑，分析突發(fā)性社會安全事件下交通需求特征的基礎(chǔ)上，基于可變交通需求建立系統(tǒng)最優(yōu)的疏散路徑模型。據(jù)此，提出一套突發(fā)性社會安全事件下交通組織方案規(guī)劃方法。

二、突發(fā)性社會安全事件下交通特征分析

（一）交通需求特征。

突發(fā)事件會對交通需求產(chǎn)生很大影響，會使交通需求在網(wǎng)絡(luò)上重新調(diào)整，發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化[5]。主要表現(xiàn)在：

首先，突發(fā)事件發(fā)生后，事件涉及路網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的道路通行能力極有可能受到?jīng)_擊；其次，突發(fā)事件發(fā)生后，往往會引起社會公眾的恐慌心理、從眾心理和非理性狀態(tài)，日常的交通需求會出現(xiàn)銳減，而追求安全保障的交通需求會驟增，某些非危險性的突發(fā)事件甚至?xí)娗巴?/p>

突發(fā)事件發(fā)生后，會引起危險區(qū)域內(nèi)出行需求量劇增，出行者都選擇從危險區(qū)域逃離到安全區(qū)域，即疏散需求。該部分需求量可以根據(jù)危險區(qū)域內(nèi)人口數(shù)量來確定，因此，對于交通管理者來說，疏散需求量是突發(fā)事件發(fā)生后必須要疏散出去的量，是固定不變的。

突發(fā)事件發(fā)生后，路網(wǎng)中非危險區(qū)域內(nèi)出行者的出行選擇需求會受到直接影響。在突發(fā)事件下，出行者選擇是否出行、出行路徑、目的地等的規(guī)律和正常狀態(tài)下是不同的，出行者考慮更多的是出行安全和路網(wǎng)的可靠性。因此，該部分非危險區(qū)域內(nèi)交通需求是隨路網(wǎng)阻抗時間變化的。

（二）交通流特征。

1.時間集中，峰值明顯[6]。突發(fā)性社會安全事件發(fā)生后，人流、車流是短時間內(nèi)聚集，交通量具有輻射效應(yīng)，隨著與事發(fā)地距離的增加交通流量迅速減小。因此，短時間內(nèi)，事發(fā)地局部范圍內(nèi)交通量聚增，峰值明顯，給交通組織與管理帶來極大的困難。

2.方向分布系數(shù)大。突發(fā)事件發(fā)生后，在事發(fā)地周圍路網(wǎng)上形成的交通流量方向分布系數(shù)大，分布不均衡。道路不同方向的流量相差懸殊，主要是由于突發(fā)事件發(fā)生開始時救援車輛的到達和隨后疏散車輛的離開造成的。

3.交通流量處于飽和或超飽和狀態(tài)。由于短時間內(nèi)交通需求聚集，流量大，道路上的交通流基本處于飽和或超飽和狀態(tài)，駕駛?cè)说鸟{駛行為受前車約束明顯，基本處于跟車狀態(tài)。

4.非常規(guī)出行，不適用常規(guī)的用戶平衡特征。常規(guī)的交通流分配中，出行路徑的選擇符合用戶最優(yōu)原理，是以出行者個體出行時間最短為原則的。而突發(fā)事件發(fā)生后，進入非常規(guī)狀態(tài)，管理決策部門起主導(dǎo)作用，因此適用系統(tǒng)最優(yōu)原則，即整個交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總出行時間最短。

三、關(guān)鍵技術(shù)

（一）基于標(biāo)號法的應(yīng)急救援最短路徑。

1.標(biāo)號法的思想。標(biāo)號法是由E.W.Dijkstra提出的，是目前公認的尋找最短路線問題的最優(yōu)方案的一個有效方法，也稱為Dijkstra算法[7]。它不僅能求出從起點V1到終點Vn的最短路，而且還可以得到從起點到任意一點的最短路徑。

標(biāo)號法基本思路為：首先從起點V1開始，給每一個頂點記一個數(shù)，稱之為標(biāo)號，分為T標(biāo)號與P標(biāo)號兩種。P標(biāo)號表示從起點V1到這一點的最短路權(quán)的上界，稱之為臨時標(biāo)號。P標(biāo)號表示從V1到該點的最短路權(quán)，稱之為固定標(biāo)號，已得到P標(biāo)號的點不再改變，凡是沒有標(biāo)上P標(biāo)號的點，標(biāo)上T標(biāo)號。算法的每一步都會把某一點的T標(biāo)號修改為P標(biāo)號。經(jīng)過有限步后，就可給所有的點標(biāo)上P標(biāo)號，即得到從起點到每一點的最短路權(quán)。

2.基于標(biāo)號法設(shè)計應(yīng)急救援最短路徑算法。在標(biāo)號法尋找最短路徑思想的基礎(chǔ)上，針對應(yīng)急救援問題設(shè)計了最短路徑算法。主要考慮路網(wǎng)中所找尋的最短路徑中路段和節(jié)點的總阻抗時間最小，路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖、路段及節(jié)點阻抗時間、交通警察響應(yīng)時間是已知條件，認為若節(jié)點有可遠程操縱的管控設(shè)施或交通警察能夠在救援車輛之前到達節(jié)點，則可施行交通管制，該節(jié)點的阻抗時間忽略不計。基本思路為：先利用標(biāo)號法計算最短路徑，通過排除法得到所有路徑理論通行時間，將所有路徑按理論通行時間進行排序，然后判斷最短路徑是否需加入節(jié)點阻抗時間，得到各路徑實際通行時間，依次進行對比，最后得到應(yīng)急救援的最短路徑，同時可得交通管制方案。

假定救援車輛和交通警察在應(yīng)急中心發(fā)布命令后同時出發(fā)，設(shè)定此時為0時刻，救援隊伍集合、車輛啟動等中間延誤忽略不計。算法的流程如圖1所示，圖中符號定義如下：

i∶路徑編號。

Ti：救援車輛通過第i條路徑理論通行時間。

Ti′：救援車輛通過第i條路徑實際通行時間。

Ti（X）：救援車輛到達第i條路徑中第X個節(jié)點理論時間，X表示節(jié)點名稱。

Ti（X）′：救援車輛到達第i條路徑中第X個節(jié)點實際通行時間。

TP（X）：交通警察到達第X個節(jié)點時間，X表示節(jié)點名稱，為已知條件。

Tk：節(jié)點阻抗時間，為已知條件。

圖1 最短路徑計算流程

（二）基于可變需求的最優(yōu)疏散路徑。

1.模型。突發(fā)事件發(fā)生后，整個區(qū)域交通系統(tǒng)處于非常規(guī)狀態(tài)，所有出行者的路徑選擇行為應(yīng)該聽從交通指揮調(diào)度中心統(tǒng)一協(xié)調(diào)，目的是形成區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)總出行時間最小的網(wǎng)絡(luò)流狀態(tài)，該交通網(wǎng)絡(luò)流狀態(tài)通常稱為系統(tǒng)最優(yōu)。在系統(tǒng)最優(yōu)狀態(tài)下，交通網(wǎng)絡(luò)資源得到最優(yōu)利用，交通網(wǎng)絡(luò)效益得到最大限度發(fā)揮。因此，以“系統(tǒng)最優(yōu)”為目標(biāo)的疏散路徑分配模型假設(shè)條件為所有出行者統(tǒng)一聽從交通指揮調(diào)度中心的協(xié)調(diào)管理，實際情況中也是需要根據(jù)該模型計算結(jié)果，制定交通組織應(yīng)急方案。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)最優(yōu)疏散路徑模型中的交通需求量是固定不變的，本文將交通需求量分為固定需求量與可變需求量。固定需求指的是疏散需求，這部分需求量的大小是不變的；可變需求指的是非危險區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)的交通需求，這部分需求量是隨時間阻抗變化的。所建立模型中的需求函數(shù)由這兩部分組成，非負、連續(xù)、有下限（下限為固定需求量）和上限（上限為該區(qū)域人口規(guī)?；蚱嚤Ｓ辛浚?，且嚴格遞減。交通需求函數(shù)可采用筆者在文獻[8]中建議的形式。

基于可變需求的系統(tǒng)最優(yōu)疏散路徑分配模型為：

模型中所用的變量和參數(shù)：

xa：路段a上的交通流量；ta：路段a的交通阻抗；ta(xa)：路段a以流量為自變量的交通阻抗函數(shù)（阻抗函數(shù)可參考文獻[9]）；Drs表示為出行需求函數(shù)；Drs0表示為固定出行需求量，即突發(fā)事件發(fā)生后需要疏散的交通量；Drs1表示為可變需求量，隨阻抗時間t變化；Frs(·)表示為出行需求函數(shù)的反函數(shù)；Drs：起點r到終點s的總出行量的上限；fkrs：點對（r，s）間第k條路徑的流量；：關(guān)系變量，若路段a在（r,s）間的第k條路徑上，那么，，否則，。

2.算法。用凸組合法（可行下降法）求解該數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，第n次迭代時的下降方向向量是由從當(dāng)前解到目標(biāo)函數(shù)線性逼近表達式解的方向確定[10]。從線性逼近表達式得出的線性規(guī)劃是用一組輔助變量來表示的。模型中的變量是路徑流量及相應(yīng)的路段流量與之對應(yīng)的輔助變量定義為。具體計算步驟如下：

步4、確定步長。求解下面的一維搜索問題：

得到步長?n。

步6、收斂性檢驗。

算法結(jié)束。

四、交通組織規(guī)劃方案的制定與實施

突發(fā)性社會安全事件下的交通組織規(guī)劃方案的制定與實施見圖2所示，該過程分為三個階段：啟動階段、交通組織方案規(guī)劃階段、交通組織方案實施階段。

1.啟動階段。突發(fā)性社會安全事件發(fā)生后，應(yīng)立即進行突發(fā)事件分析和脆弱性分析，分析內(nèi)容包括事件的位置、類型、強度；事件波及人口數(shù)量和影響范圍；影響區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)設(shè)施的抗沖擊能力等。根據(jù)分析結(jié)果對突發(fā)事件進行分類、分級，對其影響程度進行評估，判斷是否需要啟動應(yīng)急管理程序，如果結(jié)論肯定則進入交通組織方案規(guī)劃階段。

2.交通組織方案規(guī)劃階段。突發(fā)性社會安全事件下的交通組織方案規(guī)劃是為了應(yīng)急救援和疏散而對路網(wǎng)進行的重新分配，是保障非常態(tài)條件下的交通組織的重要技術(shù)手段。該階段主要包括交通需求分析和救援-疏散路徑分配。應(yīng)急救援需求分析要根據(jù)事件影響程度配置救援人員、物資和車輛，確定救援OD（救援的起終點及數(shù)量）；疏散需求分析要對疏散區(qū)域進行分析，根據(jù)事件影響確定需要疏散的人數(shù)，選擇避難所，確定疏散OD（疏散的起終點及數(shù)量）。根據(jù)需求分析結(jié)果，利用第三節(jié)中提到的救援-疏散路徑分配計算方法，得到救援路徑、疏散路徑及路網(wǎng)重新分配結(jié)果。

3.交通組織方案實施階段。根據(jù)路網(wǎng)重新分配結(jié)果，對整個路網(wǎng)承載力進行評估，判斷路網(wǎng)是否超載，形成針對路網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)的交通組織方案，結(jié)合保障救援需求的交通組織方案和保障疏散需求的交通組織方案，評價交通組織方案是否可行，評價指標(biāo)主要是人員的安全疏散、救援的及時、路網(wǎng)的承載能力等。若交通組織方案不可行，，決策組織應(yīng)實施交通管制的權(quán)利，再重新調(diào)整規(guī)劃，直至交通組織方案可行。實施交通組織方案時，應(yīng)實時反饋路網(wǎng)信息，保障交通組織方案有序?qū)嵤?/p>

圖2 突發(fā)性社會安全事件下的交通組織規(guī)劃方案的制定與實施

五、結(jié)論

突發(fā)性社會安全事件影響下的交通組織方案規(guī)劃理論與方法，基于標(biāo)號法設(shè)計了應(yīng)急救援最短路徑算法，基于可變需求構(gòu)建了系統(tǒng)最優(yōu)的疏散路徑模型，為突發(fā)性社會安全事件下決策者制定救援疏散路線提供了技術(shù)支撐，為交通管理部門制定交通組織方案提供了依據(jù)。

[參考文獻]：

[1]王永明，周磊山，劉鐵民.非常規(guī)突發(fā)事件中的區(qū)域路網(wǎng)疏散能力評估與交通組織方案設(shè)計[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2011，31（8）：1608-1616.

[2]何雅琴，李 杰.城市突發(fā)公共事件交通應(yīng)急響應(yīng)級別評價指標(biāo)體系[J].公路交通科技，2012，29（6）：116-120.

[3]高明霞，賀國光．動態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)的疏散路線與出發(fā)時間綜合優(yōu)化模型[J].系統(tǒng)工程，2009，27（6）：73-77.

[4]任子暉，王 堅.緊急事件的動態(tài)交通流模型及雙向動態(tài)最短路誘導(dǎo)算法[J].計算機應(yīng)用，2008，28（11）：2955-2957.

[5]王永明.非常態(tài)事件影響下的交通組織規(guī)劃及交通流模擬研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[6]馮佩雨.突發(fā)事件下城市交通緊急疏散的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[7]王 煒，陸 建.道路交通工程系統(tǒng)分析方法[M].北京：人民交通出版社.2011.

[8]公維勇，高建杰，焦海賢.城市交通空間需求與交通網(wǎng)絡(luò)雙均衡研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011,30(3):429-431．

[9]何 南，趙勝川.城市道路阻抗函數(shù)模型研究——以大連市為例[J].公路交通科技，2014,31(2):105-108．

[10]SHEFF Y．U rban Transportation Network:Equilibrium Analysisw ith Mathematical Programm ing Methods[M]. Englewood Cliffs:Prentice-Hall，1985．

Traffic Organization Planning under the Unexpected Security Incident

GAO Jian-jie

Starting from the change of traffic characteristics,a set of traffic organization planning under the emergency incidents of social security was proposed based on rescuing first in the shortest time and traffic network flows;based on A shortest path for traffic labels and traffic police responses;based on the optimal evacuation pathmodel for the variable traffic network demands.

Emergency Management;Emergency Incident of Social Security;Traffic Organization; Evacuation Path;Rescue Path

U491

A

1674-5612（2015）06-0014-07

（責(zé)任編輯：賴方中）

四川省教育廳科研項目《突發(fā)性社會安全事件影響下的交通組織方案規(guī)劃研究》（12ZB278）

2015-04-11

高建杰，（1985-），男，山東棲霞人，碩士，四川警察學(xué)院道路交通管理系講師，研究方向：交通規(guī)劃、交通組織。