城市道路交通擁堵判別、疏導(dǎo)與仿真模擬研究

文/孔令賞

1 前言

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的顯著增加，由于道路資源有限，交通擁堵加劇，降低了眾多居民的出行舒適度和便利性。造成城市地區(qū)道路交通擁堵的原因多種多樣，根據(jù)不同原因，交通擁堵可以分為重復(fù)性擁堵和非重復(fù)性擁堵。城市交通擁堵問(wèn)題已引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，成為影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素。因此高效快速地識(shí)別城市交通擁堵，并且結(jié)合交通仿真技術(shù)，提出交通疏導(dǎo)方法，解決城市道路交通擁堵問(wèn)題，是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2 城市道路交通擁堵的判別方法

及時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)估整個(gè)路網(wǎng)的交通狀態(tài)，根據(jù)評(píng)估結(jié)果識(shí)別擁堵路段，并發(fā)布相關(guān)信息指導(dǎo)車(chē)輛行駛，可以有效緩解交通擁堵。近年來(lái)，許多學(xué)者致力于城市道路交通擁堵判別的研究，主要有以下幾種方式。

2.1 基于傳統(tǒng)指標(biāo)的交通擁堵判別

車(chē)輛行駛速度減小是評(píng)價(jià)交通擁堵程度的重要指標(biāo)。但是對(duì)于衡量交通擁堵程度的標(biāo)準(zhǔn)目前沒(méi)有統(tǒng)一，自20 世紀(jì)五十年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于衡量城市交通擁堵程度標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)研究，提出了衡量城市道路交通擁堵程度的有關(guān)指標(biāo)，主要有以下幾種。

2.1.1 減速指數(shù)（SRI）

減速指數(shù)（SRI）是擁堵和自由行駛條件下相對(duì)速度變化的比值。減速指數(shù)（SRI）乘以10 的數(shù)值范圍應(yīng)當(dāng)保持在0～10。當(dāng)減速指數(shù)（SRI）超過(guò)4 時(shí)，代表道路會(huì)發(fā)生擁堵，當(dāng)數(shù)值小于4 時(shí)表示道路處于非擁擠狀態(tài)。減速指數(shù)（SRI）公式：

式（1）中：SRI 表示減速指數(shù)；vac表示實(shí)際行駛速度；vff表示自由行車(chē)速度[1]。

2.1.2 速度性能指數(shù)（SPI）

速度性能指數(shù)（SPI）用于評(píng)價(jià)城市道路的擁堵情況。SPI 值的范圍在0～100，由平均行駛速度和最大允許速度之間的比值決定。為了利用該指數(shù)衡量道路上的交通狀態(tài)，可以將速度性能指數(shù)（SPI）分為四個(gè)區(qū)間，詳情見(jiàn)表1。速度性能指數(shù)（SPI）公式：

表1 不同速度性能指數(shù)（SPI）對(duì)應(yīng)的交通狀態(tài)

式（2）中：SPI 表示速度性能指數(shù)；vavg表示平均行駛速度；vmax表示最大允許行駛速度。

2.1.3 相對(duì)擁擠指數(shù)（RCI）

相對(duì)擁擠指數(shù)（RCI）是指延遲時(shí)間與自由行車(chē)時(shí)間之比。相對(duì)擁擠指數(shù)（RCI）的值為0 時(shí)，表示該路段的交通擁堵程度很低，當(dāng)其值大于2 時(shí)，表示該路段的交通擁堵現(xiàn)象顯著。相對(duì)擁擠指數(shù)（RCI）公式：

式（3）中：Tac為實(shí)際行車(chē)時(shí)間；Tff為自由行車(chē)時(shí)間。

2.1.4 路段擁堵指數(shù)(Ri)

路段擁堵程度可通過(guò)路段擁堵指數(shù)Ri來(lái)衡量。該指數(shù)值在0～1，且Ri值越小，路段越擁擠。路段擁堵指數(shù)Ri可以通過(guò)公式（4）（5）計(jì)算。

上述式（4）～式（5）中：Ri表示路段擁擠指數(shù)；SPIavg表示速度性能指數(shù)平均值；RNC, tNC分別表示非擁堵?tīng)顟B(tài)的比例和持續(xù)時(shí)間。

2.2 基于支持向量機(jī)的交通擁堵判別

城市道路交通擁堵自動(dòng)識(shí)別是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。相關(guān)研究者已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多識(shí)別方法。在交通擁堵識(shí)別中，支持向量機(jī)被認(rèn)為是最有效的交通擁擠識(shí)別方法之一，但支持向量機(jī)的計(jì)算訓(xùn)練代價(jià)昂貴。

因?yàn)榈缆方煌〒矶伦R(shí)別是一個(gè)非線(xiàn)性問(wèn)題，支持向量機(jī)模型的訓(xùn)練需要很大的計(jì)算量?？紤]到城市道路交通擁堵識(shí)別是一項(xiàng)實(shí)時(shí)的進(jìn)程，普通的支持向量機(jī)很難在實(shí)際交通擁堵識(shí)別中得到應(yīng)用。并行支持向量機(jī)（PSVM）可以顯著提高訓(xùn)練速度，因此將（PSVM）應(yīng)用于實(shí)際城市道路交通擁堵判別是高效可行的。

2.3 基于時(shí)空辨識(shí)模型的交通擁堵判別

在不同的地點(diǎn)和不同的時(shí)間，交通擁堵的原因各不相同。交通擁堵的時(shí)間分布是指擁堵隨時(shí)間的變化。例如，固定起點(diǎn)和終點(diǎn)導(dǎo)致?lián)矶驴偸羌性诠ぷ魅盏脑?、晚高峰時(shí)段。而在休息日，由于沒(méi)有通勤需求會(huì)導(dǎo)致交通擁堵的時(shí)間比較短。交通擁堵的空間分布是指交通擁堵的位置，如獨(dú)立道路擁堵、道路連續(xù)擁堵以及交叉口處的擁堵。根據(jù)城市道路交通擁堵的時(shí)空分布，建立交通擁堵識(shí)別模型，以反映獨(dú)立道路和整個(gè)路網(wǎng)在特定時(shí)空的通行能力和擁堵程度變得十分重要。

利用時(shí)空辨識(shí)模型進(jìn)行交通擁堵判別，可以為城市路網(wǎng)優(yōu)化控制策略提供指導(dǎo)。通過(guò)收集的相關(guān)數(shù)據(jù)還可以使得擁堵情況更加具體，以了解城市道路路網(wǎng)擁堵的規(guī)律性。此外，對(duì)道路交通擁堵的研究區(qū)域界定在城市城區(qū)內(nèi)，未來(lái)的研究區(qū)域可以擴(kuò)展到郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)，從整個(gè)城市的維度上緩解交通擁堵的壓力。

3 城市道路交通擁堵的疏導(dǎo)方法

在城市道路交通運(yùn)輸中，城市交通需求往往大于交通供給。建設(shè)新的道路等基礎(chǔ)設(shè)施可以縮短交通出行時(shí)間或出行距離，能夠快速到達(dá)出行目的地，在一定程度上減少了出行時(shí)間，暫時(shí)緩解了城市道路交通擁堵的情況；但與此同時(shí)，寬敞舒適的道路條件會(huì)引發(fā)新的交通需求，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，道路總會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的擁堵水平?？傮w來(lái)說(shuō)，新建道路等基礎(chǔ)設(shè)施不會(huì)改變?cè)械缆返膿矶鲁潭?，誘導(dǎo)交通量很快就會(huì)占用新的道路基礎(chǔ)設(shè)施，這部分潛在交通量是由于原有道路交通供給不足導(dǎo)致的[2]。

城市道路交通擁堵現(xiàn)象持續(xù)存在，要解決城市道路交通擁堵問(wèn)題，不僅要加大道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，擴(kuò)大路網(wǎng)規(guī)模以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的交通需求，還必須加強(qiáng)交通管理，利用新興的科學(xué)技術(shù)去改造現(xiàn)有的道路運(yùn)輸系統(tǒng)，從而達(dá)到提高路網(wǎng)容量和服務(wù)質(zhì)量的目的。

通過(guò)信息技術(shù)，交通管理部門(mén)能夠獲取大量交通數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)有效傳輸，為城市道路交通擁堵識(shí)別提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的出現(xiàn)，為城市道路交通擁堵識(shí)別奠定了數(shù)據(jù)分析技術(shù)基礎(chǔ)。基于獲取的大量、實(shí)時(shí)的交通數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提取數(shù)據(jù)中更直觀的交通運(yùn)行狀態(tài)信息，對(duì)道路交通進(jìn)行誘導(dǎo)，可以有效緩解城市道路交通擁堵問(wèn)題。

4 城市道路交通的模擬仿真研究

近幾十年來(lái)，城市交通擁堵的仿真模擬研究吸引了越來(lái)越多的學(xué)者，這對(duì)于緩解城市道路交通擁堵、優(yōu)化城市路網(wǎng)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。城市交通需求的持續(xù)增長(zhǎng)需要新的解決方案。大多數(shù)情況下，受到建設(shè)成本、環(huán)境污染、用地緊張等問(wèn)題影響，對(duì)現(xiàn)有道路等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)建是不可行的。因此，通過(guò)道路仿真模擬研究對(duì)現(xiàn)有路網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以發(fā)揮道路的最佳承載能力，引發(fā)了世界各地的有關(guān)部門(mén)的關(guān)注。

4.1 交通仿真技術(shù)

交通仿真是研究復(fù)雜交通問(wèn)題的重要工具。特別是對(duì)于過(guò)于復(fù)雜的交通系統(tǒng)，無(wú)法用一個(gè)簡(jiǎn)單的抽象數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，交通仿真技術(shù)的作用就更加突出。交通仿真技術(shù)可以用來(lái)評(píng)估城市規(guī)劃、交通管理水平。交通仿真技術(shù)的推廣有助于發(fā)現(xiàn)交通建設(shè)與管理中的缺陷，做到未雨綢繆。根據(jù)仿真的詳細(xì)程度的不同，交通仿真模擬可分為三種類(lèi)型：宏觀模擬、中觀模擬和微觀模擬。

4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為交通運(yùn)輸領(lǐng)域的科學(xué)管理和服務(wù)提供了支持。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)虛擬環(huán)境中微觀和宏觀交通操作，在交通設(shè)計(jì)、規(guī)劃、監(jiān)控、管理、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等方面都發(fā)揮了極大的作用。沉浸式交通仿真技術(shù)可以更全面地考慮道路與環(huán)境的協(xié)調(diào)以及對(duì)交通安全、交通擁堵的影響。虛擬駕駛體驗(yàn)也可以直觀地感知城市交通容量和各交通路口的管理與控制，從而更好地針對(duì)城市道路交通擁堵問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，道路交通擁堵現(xiàn)象已從大城市蔓延到中小城市。盡管許多學(xué)者對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，但由于城市道路交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，因此很難確定交通擁堵演變的機(jī)制。因此，城市道路交通擁堵的治理效果并不好。城市路網(wǎng)有限的承載能力與快速增長(zhǎng)的交通需求之間的矛盾日益尖銳，交通擁堵的情況時(shí)有發(fā)生。本文對(duì)城市道路交通擁堵識(shí)別、疏導(dǎo)與相關(guān)仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及適應(yīng)性進(jìn)行了分析，并確定了未來(lái)可以進(jìn)一步探索的研究方向。

隨著通信技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)時(shí)獲取大量的高精度、時(shí)空相關(guān)的車(chē)輛軌跡數(shù)據(jù)和交通數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含了豐富的信息，能夠描述復(fù)雜交通系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，而這些信息為人們判斷交通擁堵的演變，科學(xué)疏導(dǎo)交通擁堵提供了機(jī)會(huì)。將高精度軌跡數(shù)據(jù)和交通數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建新型城市道路交通擁堵判別算法，對(duì)預(yù)測(cè)城市道路擁堵，提高城市道路交通服務(wù)水平具有積極意義。