城市快速路交通擁堵特征與實(shí)時(shí)排隊(duì)長度確定方法研究

陳光

【摘 要】近年來，城市交通擁堵現(xiàn)象已經(jīng)成為了我國大中城市普遍面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問題。盡管建設(shè)城市快速路最初的目的是為了緩解城市交通擁堵問題，但隨著交通需求量的逐漸增大，城市快速路交通擁堵問題日益突出，嚴(yán)重地影響了人們的生活水平。城市快速路交通瓶頸是導(dǎo)致常發(fā)性交通擁堵的主要原因。本文以城市快速路常發(fā)性交通擁堵問題作為研究對象，深入地分析和研究了城市快速路交通擁堵特征和實(shí)時(shí)排隊(duì)長度估計(jì)方法。該研究對緩解城市快速路常發(fā)性交通擁堵問題具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】城市快速路；實(shí)時(shí)排隊(duì)長度；交通溢流；過飽和

引言

目前交通擁堵問題已經(jīng)成為一個(gè)備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題，尤其是在大、中型城市，交通擁堵導(dǎo)致的交通延誤、通行時(shí)間不確定、噪音污染以及PM2.5污染惡化等一系列問題越來越突出。另外，交通擁堵中的不穩(wěn)定交通流還嚴(yán)重危害著交通安全。數(shù)據(jù)顯示，在相同交通需求量水平下，交通擁堵狀態(tài)下事故發(fā)生頻率是非擁堵狀態(tài)下的三倍。一般情況下，交通擁堵產(chǎn)生的直接原因是：在特別的時(shí)間段（如，上、下班高峰期）路網(wǎng)中某段道路可用的交通流通行能力不能夠滿足其交通需求量。交通擁堵發(fā)生的誘因包括交通設(shè)施物理瓶頸、交通事故、作業(yè)區(qū)、惡劣天氣、不恰當(dāng)?shù)男盘枙r(shí)制、特殊事件以及日常交通波動等。

1、城市快速路交通擁堵特征

城市的正常經(jīng)濟(jì)、文化、政治、社會活動都離不開暢通的道路交通，然而，隨著城市化進(jìn)程的迅速推進(jìn)和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市居民的汽車擁有量劇增，先前的交通系統(tǒng)規(guī)模過小，無法提供充足的交通供給，交通擁堵導(dǎo)致城市發(fā)展受限。在加上道路的擴(kuò)展受限，公共交通承載量有限，私人機(jī)動車出行增多且集中，城市交通擁堵越來越嚴(yán)重。交通擁堵導(dǎo)致的嚴(yán)重問題吸引了人們的廣泛關(guān)注。

從交通網(wǎng)絡(luò)上看，學(xué)者Wright認(rèn)為道路上存在交通瓶頸是誘發(fā)交通擁擠的根源，道路上的交通瓶頸可以分為三類。隨機(jī)事件引起的交通瓶頸：隨機(jī)因素導(dǎo)致了大量交通擁堵產(chǎn)生，如突發(fā)交通事件、開展有大量交通吸引的活動、道路施工以及異常的天氣狀況等，這些事件發(fā)生沒有征兆，如過得不到及時(shí)的疏散和引導(dǎo)，容易發(fā)生區(qū)域性的交通擁堵；道路網(wǎng)本身通行能力低下產(chǎn)生的瓶頸，這往往是因?yàn)榈缆吩O(shè)計(jì)不佳或道路存在合流導(dǎo)致通行效率降低。此外，道路標(biāo)志不明顯也是原因之一：道路引導(dǎo)標(biāo)志的缺乏使得交通流向主要干道上聚集，導(dǎo)致干道上交通量過大，行駛速度緩慢，從而發(fā)生擁堵排隊(duì)。

從對道路交通管理的角度來看，2006年美國為減少愈來愈嚴(yán)重的交通擁堵產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，出臺了《針對減少美國的交通網(wǎng)絡(luò)擁塞的國家戰(zhàn)略》，該戰(zhàn)略中對交通擁堵的成因進(jìn)行了分析：認(rèn)為是現(xiàn)今的交通管理措施無法充分利用現(xiàn)有的道路設(shè)置，導(dǎo)致了通行能力低下，發(fā)生交通擁堵，同時(shí)交通事故頻發(fā)、交通信號燈故障，異常的天氣狀況、大型活動等都會產(chǎn)生交通擁堵。

從出行者的角度來看，學(xué)者安東尼·唐斯認(rèn)為導(dǎo)致交通擁堵頻發(fā)的原因有四個(gè)：一是人們的出行時(shí)間過于集中，早晚高峰明顯；二是快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提升了人們的購買力，居民更愿意駕駛私家車上下班，而不愿意搭乘公共交通；三是城市人口增長過快，現(xiàn)有的道路和公共交通設(shè)施滿足不了人們的需求；第四個(gè)方面的原因是意外交通事故、異常氣候、道路施工等。

可以看出，無論從哪一個(gè)角度來看，交通擁堵的發(fā)生都離不開道路資源與交通需求的不對等，因此，可以認(rèn)為經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致交通需求和交通供給的不平衡是交通擁堵嚴(yán)重的根本原因。交通事件是導(dǎo)致城市交通擁堵的重要原因，發(fā)生交通事件會導(dǎo)致道路通行能力降低、行車速度減慢，可能直接引發(fā)交通擁堵。由于交通事件的不可預(yù)控性，交通管理者無法采取靜態(tài)預(yù)防方法來控制交通擁堵，因此對動態(tài)控制條件下的交通擁堵擴(kuò)散機(jī)理的研究就十分重要。交通事件的嚴(yán)重程度主要表現(xiàn)在事件的持續(xù)時(shí)間長短和事件導(dǎo)致的通行能力損失大小。

2、城市快速路實(shí)時(shí)排隊(duì)長度確定——交叉口溢流預(yù)防方法

當(dāng)排隊(duì)車輛數(shù)達(dá)到臨界條件時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行調(diào)整疏導(dǎo)，防止溢流發(fā)生。經(jīng)過文獻(xiàn)研究可總結(jié)，以往的交叉口溢流預(yù)防與疏導(dǎo)方法主要是通過信號控制平衡交叉口四個(gè)進(jìn)口道的通行能力與交通需求之間的差異，即根據(jù)各個(gè)進(jìn)口道的到達(dá)車輛數(shù)與滯留排隊(duì)長度比例來進(jìn)行各個(gè)相位綠信比的優(yōu)化分配，及相位相序的調(diào)整。但是對于出現(xiàn)了過飽和現(xiàn)象的交叉口而言，各個(gè)進(jìn)口道的交通需求所要求的相位綠燈時(shí)間不一定存在較大可調(diào)整的余地，即處于多個(gè)進(jìn)口道，甚至全部進(jìn)口道的交通需求大于交通供給的狀態(tài)。如果僅按照以往的研究方法，根據(jù)進(jìn)口道的交通需求來進(jìn)行溢流預(yù)防，則容易出現(xiàn)沒有多少剩余綠信比可以分配至其它相位以達(dá)到疏導(dǎo)效果，從而產(chǎn)生的排隊(duì)溢出現(xiàn)象。

因此，本文提出充分考慮路段剩余容量的溢流預(yù)防與疏導(dǎo)方法。路段的剩余容量是指在停車排隊(duì)的狀態(tài)下，路段上沒有排隊(duì)車輛占用的長度、車道數(shù)與停車間距折合成的可容納剩余排隊(duì)車輛數(shù)。考慮路段余容量包含兩個(gè)部分，一個(gè)部分是可能溢流路段的剩余容量是作為限制約束考慮，即該路段不能發(fā)生溢流；另一個(gè)部分是無溢流可能路段的剩余容量進(jìn)行充分利用。若路段某一方向即將發(fā)生溢流，整體的思路是在上游進(jìn)行流量限制，在下游進(jìn)行疏導(dǎo)控制，但關(guān)鍵問題是如何找到能夠精確計(jì)算上游和下游交叉口調(diào)節(jié)時(shí)間的模型和算法。目前在此方面的研究較少，有些算法也只是固定的增加或減少時(shí)間值，再來判斷是否能夠消除溢流。本章提出的模型是在減少過飽和系數(shù)為目標(biāo)的基礎(chǔ)上，充分考慮該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，精準(zhǔn)調(diào)整上下游交叉口各個(gè)相位的綠信比以避免溢流發(fā)生，本節(jié)所提出的充分考慮路段剩余容量的交叉口溢流預(yù)防與疏導(dǎo)方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）將上游交叉口出口車道剩余容量作為限制約束的交叉口溢流預(yù)防與疏導(dǎo)模型，能夠直接平衡流入和流出過飽和路段的交通量，在過飽和方向排隊(duì)較長時(shí)避免發(fā)生交通溢流，從而引發(fā)交通擁堵。

（2）以上下游交叉口的出口道和路段剩余容量為約束，在沒有溢流可能的方向進(jìn)行適當(dāng)排隊(duì)，可以充分利用道路資源，避免了在過飽和狀態(tài)下寶貴的道路資源被浪費(fèi)，有助于緩和排隊(duì)過長相位的溢流風(fēng)險(xiǎn)。

（3）交叉口溢流預(yù)防與疏導(dǎo)方法充分考慮了對上下游的影響。對上游交叉口的影響考慮在約束條件中，下游交叉口駛出車輛數(shù)對下游的影響考慮在應(yīng)用流程中。下游駛出車輛數(shù)增加對更下游交叉口形成壓力，在更下游交叉口排隊(duì)過長時(shí)，交叉口溢流預(yù)防與疏導(dǎo)模型的控制目標(biāo)即發(fā)生了改變，原下游交叉口的通行能力則成為限制對象。

（4）交叉口溢流預(yù)防與疏導(dǎo)模型的解為兩交叉口的信號控制綠信比，不改變原信號周期。所以對于信號控制周期不相同的相鄰交叉口，該模型同樣能輸出控制方案。

（5）在進(jìn)行信號調(diào)整時(shí)充分考慮交叉口的出口車道和路段剩余容量，對干出現(xiàn)交通需求在進(jìn)口道或者相位分布不均的交叉口來說，能夠?qū)⒊鐾ㄐ心芰Φ慕煌ㄐ枨笸ㄟ^溢流預(yù)防與疏導(dǎo)控制逐漸向上下游交叉口分散，以實(shí)現(xiàn)交通流均勻分布的目的。

（7）該方法可以減少高峰期的在交叉口的警力配備，并且避免由于交警各別能力水平不一而無法做到最優(yōu)指揮。

結(jié)束語

城市道路的交通擁堵問題導(dǎo)致了出行者的出行時(shí)間增長、出行費(fèi)用增多，對人們的日常生活產(chǎn)生了負(fù)面影響，同時(shí)也污染了自然環(huán)境，給社會帶來了很大負(fù)擔(dān)，城市交通問題的解決迫在眉睫。為了解決交通擁堵問題，給交通管理者提出緩解交通擁堵措施提供理論支持，為城市快速路實(shí)時(shí)排隊(duì)長度確定方法的提出奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋清波，何兆成，鄭喜雙，等.考慮多因素的城市道路交通擁堵指數(shù)預(yù)測研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2017，17（1）：74-81.

[2]鮑曉俊.城市道路交通擁堵綜合治理措施的探討[J].城市建筑，2017（9）：285-285.

[3]周南金，吳有奇，卿焱景.城市道路路段交通擁堵評價(jià)指標(biāo)體系研究[J].建材與裝飾，2017（49）：244-246.