基于帶狀路網(wǎng)的交通擁堵治理方法研究

徐向東 王彬 李志斌

摘要：城市交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu)是影響城市發(fā)展及城市交通的一個(gè)重要因素。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市交通擁堵問(wèn)題已成為各大城市的頭等難題。因此建立高效、快捷、低成本、低污染的可持續(xù)發(fā)展的城市交通系統(tǒng)迫在眉睫。本文提出了一種基于帶狀路網(wǎng)的交通擁堵治理方法，通過(guò)采集主干道所有交叉口的電子警察過(guò)車(chē)數(shù)據(jù)，分析帶狀路網(wǎng)早晚高峰的交通流時(shí)空分布規(guī)律，利用兩分法生成符合交通流分布規(guī)律的路段和適合所有交叉口的精細(xì)化時(shí)段，采用梯度協(xié)調(diào)法重置關(guān)鍵路口的排隊(duì)長(zhǎng)度，解決排隊(duì)溢出問(wèn)題，并通過(guò)信號(hào)機(jī)模擬人工管控，最大限度緩解由于車(chē)流快速聚集超過(guò)路口通行能力引起的短時(shí)集中擁?yè)矶?。該方法在舟山市海天大?2個(gè)路口開(kāi)展了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。

Abstract： The structure of urban transportation road network is an important factor affecting urban development and urban transportation. In recent years， with the rapid development of urbanization， the problem of urban traffic congestion has become a first-class problem in major cities. Therefore， the establishment of an efficient， fast， low-cost， low-pollution sustainable urban transportation system is urgent. This paper proposes a traffic congestion management method based on the strip road network. By collecting electronic police passing data at all intersections on the main road， it analyzes the time-space distribution law of traffic flow in the morning and evening peaks of the strip road network， uses the dichotomy method to generate road sections that conform to the distribution law of traffic flow and refinement periods suitable for all intersections. It also simulates manual control through a signal machine to minimize the short-term concentrated congestion caused by the rapid accumulation of traffic that exceeds the traffic capacity of the intersection. The method has been verified in practical applications at 32 intersections of Haitian Avenue in Zhoushan City.

關(guān)鍵詞：交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu);交通擁堵;兩分法;梯度協(xié)調(diào)

Key words： traffic network structure;traffic congestion;dichotomy;gradient coordination

中圖分類(lèi)號(hào)：D631.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）09-0024-04

1? 背景

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，一些距離較遠(yuǎn)城鎮(zhèn)也都通過(guò)城市道路連接起來(lái)，便利的交通出行環(huán)境為城市發(fā)展與市民生活品質(zhì)帶來(lái)了很大提升。然而，交通出行需求的快速增加導(dǎo)致交通擁堵的瓶頸路口越來(lái)越多，瓶頸路口的形成不但與交通流密切相關(guān)，也是一些特殊城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制的必然結(jié)果，尤其是車(chē)流聚集快消散慢的帶狀交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，交通擁堵瓶頸現(xiàn)象極為明顯。帶狀交通路網(wǎng)是我國(guó)城市在土地利用形態(tài)和空間分布結(jié)構(gòu)上的典型結(jié)構(gòu)，如江浙地區(qū)沿路經(jīng)濟(jì)重鎮(zhèn)、舟山本島以及兩座群山形成的狹長(zhǎng)城市，其交通特征也具有自身獨(dú)特之處。本文以舟山市城區(qū)主干道為例，通過(guò)對(duì)帶狀城市交通特征的剖析，提出符合帶狀城市發(fā)展的交通模式，制定出對(duì)應(yīng)的解決措施，緩解城市道路交通擁堵的現(xiàn)狀，改善城市道路交通狀態(tài)，提高舟山海島旅游交通新品質(zhì)。同時(shí)也為類(lèi)似路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的交通緩堵治理提供參考和借鑒。

2? 帶狀交通特征分析

帶狀城市受自然地形及土地利用的影響，道路網(wǎng)絡(luò)的特征表現(xiàn)為縱向干路數(shù)量有限，橫向連接道路較多。但帶狀城市土地開(kāi)發(fā)集中在縱向干路兩側(cè)，縱向干路交通流集中，有限的縱向交通資源與巨大的交通需求之間存在一定的不匹配。這一點(diǎn)即是帶狀城市的局限，同時(shí)又是帶狀城市更好的組織城市交通系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。另外，由于帶狀城市橫向?qū)挾泉M窄，使得城市生活區(qū)與自然山川、河流之間的距離更為接近，為帶狀城市更好地發(fā)展慢行交通創(chuàng)造了有利的條件。帶狀城市土地利用形態(tài)決定了城市交通特征，具體表現(xiàn)為以下三點(diǎn)。

2.1 城市地理?xiàng)l件受限，道路依城而建

帶狀城市橫向狹窄，城市橫向發(fā)展空間余地很小，往往又有河流經(jīng)過(guò)，道路布局和走向均受到制約。城市內(nèi)部交通、過(guò)境交通以及貨運(yùn)交通均在有限的縱向道路上匯聚，交通壓力大。受約束的道路資源與承擔(dān)了過(guò)境交通功能和大部分城市交通功能的交通需求之間存在不協(xié)調(diào)，需要借助占用道路資源少、運(yùn)量大的公共交通方式解決需求與供給不匹配的交通問(wèn)題。

2.2 絕大多數(shù)人上下班通勤的必經(jīng)之地

帶狀城市土地開(kāi)發(fā)利用的突出特點(diǎn)為：帶狀城市以交通干線(xiàn)作為城市布局的主骨架，城市生活和生產(chǎn)用地，平行地沿著交通干線(xiàn)布置。

2.3 車(chē)流聚集快消散慢，擁堵快速形成

由于上下班通勤時(shí)間固定，帶狀城市車(chē)流聚集速度快消散慢，很容易造成交通擁堵。帶狀城市橫向?qū)挾泉M窄，沿縱向走廊集聚的就業(yè)崗位、公共設(shè)施等均處于慢行適宜范圍之內(nèi)。橫向適合發(fā)展慢行交通，縱向適合發(fā)展公共交通，因此，城市客運(yùn)交通應(yīng)該以“公交+慢行”的方式加以組織。

3? 帶狀路網(wǎng)交通擁堵治理方法研究

3.1 兩分法

根據(jù)帶狀路網(wǎng)功能區(qū)分布，結(jié)合上下班通勤規(guī)律，早晚高峰采用主路綠信比按照主流通勤方向逐步增大的控制策略，通過(guò)分路段、分時(shí)段確保路口車(chē)流的輸入與輸出保持相對(duì)平衡。本文研究以?xún)煞址榛A(chǔ)，采集所有路口的電子警察過(guò)車(chē)數(shù)據(jù)，分析潮汐規(guī)規(guī)律（分路段），智能劃分的交通時(shí)段（分時(shí)段）。其具體劃分過(guò)程可簡(jiǎn)述如下：

①以15分鐘為統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔，將一天24小時(shí)劃分為96個(gè)統(tǒng)計(jì)間隔。分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)交叉口的到達(dá)車(chē)輛數(shù)，得到一個(gè)包含96個(gè)元素的有序數(shù)列。

②根據(jù)常見(jiàn)規(guī)律，將其劃分為8段，即將有序樣本分為8類(lèi)。

③定義第i類(lèi)（包含ni個(gè)元素）的直徑為

④不斷調(diào)整有序數(shù)列中分段點(diǎn)的位置，使得■的值最小，從而得到的宏觀時(shí)段劃分。

可用一個(gè)1×7的一維數(shù)組Z表示宏觀時(shí)段劃分點(diǎn)根據(jù)早、晚高峰的常見(jiàn)規(guī)律，可將Z的初始值設(shè)置[20，28，36，48，64，76，88]，即將一天24小時(shí)劃分為0：00-5：00、5：00-7：00、7：00-9：00、9：00-12：00、12：00-16：00、16：00-19：00、19：00-22：00、22：00-24：00共8個(gè)宏觀時(shí)段。

由于基本時(shí)間間隔數(shù)較多，采用枚舉的方式獲取最優(yōu)的計(jì)算量過(guò)大。這里采用隨機(jī)迭代的方式，獲取一定迭代次數(shù)的最優(yōu)時(shí)段劃分方式。定義宏觀調(diào)整迭代次數(shù)為M0=1000，每次迭代過(guò)程中隨機(jī)選擇一個(gè)分段點(diǎn)，將其位置前移或后退15分鐘（即3個(gè)時(shí)間間隔）。調(diào)整過(guò)程中保證任意一個(gè)宏觀時(shí)段的跨度不小于1小時(shí)（即12個(gè)時(shí)間間隔）。

3.2 梯度協(xié)調(diào)法

梯度協(xié)調(diào)法主要應(yīng)用于飽和度過(guò)高的交叉口，交叉口飽和度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致綠燈結(jié)束后車(chē)輛排隊(duì)積壓。長(zhǎng)時(shí)間積壓會(huì)造成路段排隊(duì)長(zhǎng)度的不斷增加。為了衡量排隊(duì)長(zhǎng)度積累的程度大小，可以用如下式子表示：

其中，RL為車(chē)輛排隊(duì)比，LQ為路段排隊(duì)長(zhǎng)度的值，LR為路段長(zhǎng)度。交叉口未達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，RL的值可以為零，隨著車(chē)流的不斷增多，RL的最小值一直會(huì)上升，當(dāng)RL的值達(dá)到1時(shí)，說(shuō)明排隊(duì)長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)路段長(zhǎng)度，交叉口擁堵已經(jīng)通過(guò)路段蔓延到了上游交叉口，上游交叉口的車(chē)輛通行將會(huì)受到嚴(yán)重影響。梯度協(xié)調(diào)法是通過(guò)調(diào)整各路口綠信比將RL值過(guò)高的路口分?jǐn)傊罵L值較低的路口，對(duì)排隊(duì)進(jìn)行重置，充分解決交叉口排隊(duì)溢出問(wèn)題。

3.3 信號(hào)機(jī)模擬人工管控法

主要解決由于車(chē)流快速聚集超過(guò)路口通行能力引起的短時(shí)集中擁堵。信號(hào)機(jī)模擬人工管控法主要是根據(jù)構(gòu)建城市道路網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)城市道路交通流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取交通流監(jiān)測(cè)結(jié)果和路口綜合度量值;研判分析擁堵的具體時(shí)間段和人工管制規(guī)律，并針對(duì)性設(shè)置信號(hào)機(jī)模擬人工管制的配時(shí)方案，快速解決短時(shí)集中交通擁堵問(wèn)題。

首先構(gòu)建城市道路網(wǎng)絡(luò)模型，一是根據(jù)城市道路網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)城市道路交通流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取交通流監(jiān)測(cè)結(jié)果;二是根據(jù)城市道路網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)城市道路網(wǎng)絡(luò)中路口的重要性進(jìn)行度量，獲取路口重要性度量結(jié)果;三是根據(jù)交通流監(jiān)測(cè)結(jié)果和路口重要性度量結(jié)果對(duì)路口和交通流的相關(guān)性進(jìn)行分析，獲取路口相關(guān)性因子;四是根據(jù)路口相關(guān)性因子對(duì)交通流進(jìn)行預(yù)測(cè);五是根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果結(jié)合歷史流量數(shù)據(jù)確定需要信號(hào)機(jī)人工管控的路口以及管控時(shí)間。最后計(jì)算得出第一度量值和第二度量值對(duì)路口的重要性進(jìn)行綜合度量。計(jì)算路口的第一度量值：

MH1（i）表示路口i的第一度量值，n表示道路交通網(wǎng)絡(luò)中路口的個(gè)數(shù)，若路口i和路口j之間存在道路連接，則xij=1，否則xij=0;計(jì)算路口的第二度量值：

MH2（i）表示路口i的第二度量值，d（s，t）表示路口s和路口t之間的最短路徑的數(shù)目，di（s，t）表示路口s和路口t之間經(jīng)過(guò)路口i的最短路徑的數(shù)目;根據(jù)第一度量值和第二度量值對(duì)路口的重要性進(jìn)行綜合度量：計(jì)算路口的綜合度量值：

MH（i）表示路口i的綜合度量值;路口的綜合度量值越大，表示路口越重要。根據(jù)交通流監(jiān)測(cè)結(jié)果和路口重要性度量結(jié)果對(duì)路口和交通流的相關(guān)性進(jìn)行分析，具體為：對(duì)道路進(jìn)行等級(jí)劃分，將道路等級(jí)依次劃分為主干道、次干道和支路;根據(jù)道路等級(jí)和路口的綜合度量值計(jì)算路口的改進(jìn)度量值：

RU（i）表示路口i的改進(jìn)度量值，y表示與道路等級(jí)相關(guān)的影響因子，道路等級(jí)越高的路口，y越大，0≤y≤1;根據(jù)路口的改進(jìn)度量值和交通流監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)的路口改進(jìn)度量值和交通流的相關(guān)性進(jìn)行分析，獲取路口相關(guān)系數(shù);通過(guò)路口相關(guān)系數(shù)對(duì)交通流進(jìn)行預(yù)測(cè)。

具體為：選取相關(guān)系數(shù)大于設(shè)定閾值的路口對(duì)交通流進(jìn)行預(yù)測(cè)，路口的改進(jìn)度量值越大，表示路口的交通流越大。對(duì)大于設(shè)定閾值的路口實(shí)行信號(hào)機(jī)模擬人工管控法，解決路口擁堵問(wèn)題。

4? 案例分析

本文所述路網(wǎng)為舟山本島區(qū)域的海天大道及相交道路。海天大道全長(zhǎng)18.7公里（32個(gè)燈控路口），貫穿本島定海、新城和普陀三區(qū);道路為雙向六車(chē)道，兩邊各有一條公交專(zhuān)用車(chē)道（7：00-8：30，16：30-18：30），設(shè)有中央與機(jī)非隔離綠化帶;相交道路80%為次干道且大部分車(chē)輛均匯入海天大道通行，是典型的帶狀交通路網(wǎng)。

4.1 兩分法（分路段、分時(shí)段）

統(tǒng)計(jì)路段所有交叉口一段時(shí)間內(nèi)全天流量數(shù)據(jù)，導(dǎo)入流量分析軟件中，繪制流量變化曲線(xiàn)（15分鐘為間隔），同時(shí)展現(xiàn)時(shí)段劃分情況。利用早高峰從兩端到中間、晚高峰從中間到兩端的潮汐現(xiàn)象，確定海天大道與千島路作為中間節(jié)點(diǎn)對(duì)沿線(xiàn)32個(gè)路口采用兩分法。具體分法如圖2所示。

4.2 梯度協(xié)調(diào)法（重置排隊(duì)長(zhǎng)度）

對(duì)海天大道所有交叉口的路段長(zhǎng)度和高峰期間的排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用排隊(duì)長(zhǎng)度與路段長(zhǎng)度的比值RL表示交叉口排隊(duì)擁堵程度。當(dāng)比值RL大于1時(shí)，即表示該交叉口排隊(duì)溢出，優(yōu)化前海天大道部分交叉口排隊(duì)擁堵程度如表1所示。

采用梯度協(xié)調(diào)法對(duì)上表中RL值大于1的交叉口進(jìn)行排隊(duì)重置，將排隊(duì)長(zhǎng)度分?jǐn)傊罵L值較小的路口。如表2所示。

4.3 智能管控?fù)矶侣房?/p>

通過(guò)智能交通管理系統(tǒng)構(gòu)建舟山市路網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)海天大道所有路口交通流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)合交通流監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)路口的重要性進(jìn)行度量，計(jì)算出重要性度量值較大的路口分別為海天大道與新橋路、海天大道與弘生大道。通過(guò)分析兩個(gè)路口流量變化和集中擁堵時(shí)間，對(duì)信號(hào)機(jī)設(shè)置模擬人工管控，解決路口擁堵問(wèn)題。

4.4 效果評(píng)價(jià)

采用以上方法優(yōu)化后，海天大道（城北車(chē)站至千島路）路段早晚高峰平均停車(chē)次數(shù)由5次減少到3次，減少了40%，行程時(shí)間縮短了2分16秒，早晚高峰結(jié)束時(shí)間提前了10分鐘;海天大道（東瀛路至金島路）路段早晚高峰平均停車(chē)次數(shù)由6次減少到3次，減少了50%，行程時(shí)間縮短了2分18秒。如圖5所示。

5? 總結(jié)

①舟山市本島路網(wǎng)呈帶狀分布，為保障海天大道早晚高峰的通行，在保證行人過(guò)街安全基本要求的基礎(chǔ)上，相交支路的通行做出了較大犧牲。②不是所有瓶頸點(diǎn)都能通過(guò)信號(hào)調(diào)優(yōu)達(dá)到緩堵效果，例如，海天大道與臨長(zhǎng)路的瓶頸問(wèn)題，我們是通過(guò)新城大橋拓寬改造和高峰禁左來(lái)解決的;海天大道與弘生大道通過(guò)分時(shí)犧牲非關(guān)鍵相位綠燈時(shí)間，來(lái)保障主路通行。③早晚高峰緩堵次序：一是解決排隊(duì)溢出問(wèn)題，二是解決部分路口排隊(duì)過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，三是解決通行效率提高問(wèn)題。④社會(huì)化宣傳很重要，爭(zhēng)取得到廣大出行者的理解與支持，否則會(huì)引起市民的誤解與抵制。⑤城市交通緩堵需要內(nèi)外兼修。信號(hào)優(yōu)化是一個(gè)持續(xù)的常態(tài)化工作，需要根據(jù)道路、車(chē)流、季節(jié)、特殊情況不斷進(jìn)行調(diào)整，還需要其他交通組織和秩序管理輔助，就像一個(gè)得了慢性病的病人，自身修煉與外部治療同樣重要。

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作者簡(jiǎn)介：徐向東（1987-），男，浙江舟山人，指揮中心主任，交通監(jiān)控指揮中級(jí)職稱(chēng)，研究方向?yàn)橹悄芙煌?王彬（1984-），男，浙江舟山人，警務(wù)技術(shù)四級(jí)主管，中級(jí)職稱(chēng)，研究方向?yàn)橹悄芙煌?李志斌（1972-），男，浙江舟山人，副支隊(duì)長(zhǎng)，中級(jí)職稱(chēng)，研究方向?yàn)榻煌ü芾怼?/p>