城市潮汐交通流與多路徑協(xié)調(diào)控制方法研究

王彬，徐向東，李志斌

（舟山市公安局交通警察支隊(duì)，浙江 舟山 316021）

0 引言

機(jī)動(dòng)車保有量的快速增長(zhǎng)，以浙江省舟山市為例，2015 年至2017 年3 年期間，舟山市小型汽車保有量增長(zhǎng)33.8%，小型汽車覆蓋率由4.3 人/輛上升至3.2人/輛。機(jī)動(dòng)車的普及雖然極大便利了市民出行，但有限的道路交通資源逐漸難以支撐日益增長(zhǎng)的交通需求；加之我國(guó)老舊城市改造進(jìn)程缺乏頂層設(shè)計(jì)，導(dǎo)致很多城市功能區(qū)設(shè)計(jì)分布不合理，存在明顯交通潮汐現(xiàn)象，道路資源與交通需求出現(xiàn)嚴(yán)重不匹配情況。同時(shí)，跨區(qū)交通通行效率也受到了極大的限制與降低。近年來，各地交通管理部門持續(xù)加大交通緩堵力度，通過增加道路密度、增設(shè)潮汐車道、加強(qiáng)科技強(qiáng)警手段等方法，均取得了良好效果。但是由于城區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制和交警部門治理手段單一等問題，高峰交通擁堵問題很難得到有效治理[1-2]。因此，根據(jù)不同城市的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和交通流特征制定適合的交通緩堵治理策略具有重要的社會(huì)和推廣意義。

本文針對(duì)城市交通存在的問題進(jìn)行了研究，立足實(shí)際、放眼全局、盤活有限道路資源，提出了適用于中小城市子城區(qū)多路徑區(qū)域協(xié)調(diào)控制策略和跨區(qū)潮汐交通流控制方法，并對(duì)該控制策略與方法進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用實(shí)踐，通過優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，該策略方法能夠有效緩解高峰交通擁堵，市民交通安全暢通出行得到了很大提升。

1 控制策略與方法研究

本文主要針對(duì)具備以下特點(diǎn)的中小型城市：機(jī)動(dòng)車保有量高、城區(qū)路網(wǎng)密集、信號(hào)控制交叉口覆蓋率高、各子城區(qū)之間潮汐車流現(xiàn)象較明顯[3-4]。具體為：（1）高峰時(shí)期擁堵嚴(yán)重，潮汐現(xiàn)象對(duì)應(yīng)高峰時(shí)期部分關(guān)鍵道路車流量激增，潮汐方向車道排隊(duì)長(zhǎng)，非潮汐方向車輛較少。（2）平峰出行成本高，密集的城市路網(wǎng)伴隨著較高的信號(hào)控制覆蓋率，若無良好的區(qū)域性信號(hào)協(xié)調(diào)，易造成車輛通達(dá)性差、停車次數(shù)多、行程時(shí)間長(zhǎng)、出行成本高。

精細(xì)化潮汐車流控制策略：潮汐車流現(xiàn)象依據(jù)城市車流的時(shí)空分布特點(diǎn)分解為宏觀潮汐與微觀潮汐。宏觀潮汐現(xiàn)象指，城市主干道雙向車流在早高峰與晚高峰時(shí)期發(fā)生完全相反的不均衡分布現(xiàn)象。微觀潮汐現(xiàn)象主要指，車流在高峰時(shí)期（早高峰或晚高峰）進(jìn)出某一具體區(qū)域或交叉口的車流，隨時(shí)間的變化而發(fā)生的車流不均衡分布現(xiàn)象[5-6]。

本文依據(jù)車輛方向分布系數(shù)判定潮汐交通流：

根據(jù)潮汐車流變化可采用“精細(xì)化時(shí)段劃分+潮汐化干線協(xié)調(diào)”控制策略，將高峰劃分為多個(gè)時(shí)段，并在不同時(shí)段按照潮汐車流的變化，設(shè)置不通流向的綠波協(xié)調(diào)控制策略，緩解高峰時(shí)期交叉口擁堵。

多路徑交通分配與區(qū)域協(xié)調(diào)結(jié)合：在道路密集的路網(wǎng)，出行者傾向于選擇最合適（成本最低、體驗(yàn)最佳）的道路通行，稱之為最短路因素，但由于交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性與交通狀況的隨機(jī)性，出行者在選擇出行路線時(shí)往往帶有不確定性，稱之為隨機(jī)因素。兩種因素影響著出行者的路徑?jīng)Q策，兩種因素所處的主次地位取決于可供選擇的出行路線的路權(quán)差（行駛時(shí)間或費(fèi)用差）。各出行線路被選用的概率可采用Logit 型的路徑選擇模型計(jì)算。

式中，P(r，s，k)——OD 量T(r，s)在第k條出行路線上的分配概率；t(k)——第k條出行路線的平均路權(quán)（行程時(shí)間）——各出行路線的平均路權(quán)（行駛時(shí)間）；θ——分配參數(shù)，一般取3.00 ～3.50；m——有效出行線路條數(shù)。

本方法根據(jù)路Logit 模型計(jì)算路網(wǎng)道路使用概率，依據(jù)概率大小對(duì)道路進(jìn)行權(quán)重劃分，進(jìn)而依據(jù)權(quán)重設(shè)置區(qū)域綠波協(xié)調(diào)控制策略和方案[7-8]。

2 案例應(yīng)用分析

2.1 案例背景

舟山市為浙江省東部地級(jí)市，常住人口116 萬，機(jī)動(dòng)車保有量較高（3.2 人/輛）。交通流出行主要集中于定海區(qū)、普陀區(qū)、行政區(qū)及本島北部白泉等地。本案例主要是針對(duì)舟山行政區(qū)域內(nèi)部及行政區(qū)與其他區(qū)域間交通流，采用所述控制策略與方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用解決擁堵問題。

2.1.1 潮汐特性分析

（1）宏觀潮汐現(xiàn)象分析。行政區(qū)內(nèi)有多個(gè)交通出發(fā)點(diǎn)與交通吸引點(diǎn)，高峰時(shí)段作為出行起點(diǎn)，車流自區(qū)內(nèi)各居民小區(qū)出發(fā)經(jīng)過行政區(qū)內(nèi)部道路，再由G329 國(guó)道（快速路）、海天大道（跨區(qū)主干道）等道路，向定海區(qū)、普陀區(qū)及舟山北等區(qū)域分散；同時(shí)，行政區(qū)作為交通吸引點(diǎn)，吸引著來其他區(qū)域車輛經(jīng)上述道路進(jìn)入行政區(qū)。

（2）微觀潮汐現(xiàn)象分析。行政區(qū)早晚高峰駛?cè)肱c駛出車輛達(dá)到區(qū)內(nèi)主要交叉口存在一定時(shí)空差異。千島路尤為突出，千島路與翁山路早高峰7:00 ～7:50主要交通流為周圍小區(qū)出行車輛，交通流主要集中在東西直行；7:50 ～8:50 東西直行車輛消散，來自定海、舟山北、普陀等區(qū)域車輛經(jīng)G329 國(guó)道南下至千島路，交通流主要集中改為北口左轉(zhuǎn)與北口直行。

2.1.2 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

行政區(qū)整體呈網(wǎng)格狀，早晚高峰道路交通飽和度較高?？v向道路由西向東道路依次為高云路、臨長(zhǎng)路、金島路、千島路、體育路、怡島路、港島路、紅茅山路、綠島路等；橫向道路由南向北依次為海宇道、定沈路、翁山路、桃灣路、新城大道等。

2.1.3 主要存在問題

（1）區(qū)內(nèi)交通信號(hào)控制精細(xì)優(yōu)化程度低，交通高峰時(shí)段時(shí)空潮汐車流導(dǎo)致高峰時(shí)期路段車輛擁堵與通行資源浪費(fèi)。

（2）平峰時(shí)期信號(hào)配時(shí)未能結(jié)合路網(wǎng)特征與出行需求，制定設(shè)計(jì)區(qū)域協(xié)調(diào)控制策略，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)停車次數(shù)多、行程時(shí)間長(zhǎng)，出行體驗(yàn)感差。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 精細(xì)化潮汐交通流控制

通過采用交通流分布系數(shù)方法對(duì)主要路口的潮汐現(xiàn)象進(jìn)行分析研判，自動(dòng)劃分交通信號(hào)控制交通時(shí)段，提出潮汐車流整體協(xié)調(diào)控制策略。

表1 行政區(qū)重點(diǎn)路口潮汐交通流分析表

通過計(jì)算千島路與（定沈路、翁山路、新城大道）、新城大道與（臨長(zhǎng)路、港島路）、翁山路與體育路等主要交叉口的高峰時(shí)段車流分布系數(shù)KD，KD值均大于0.7。因此，上述路口均存在潮汐現(xiàn)象，需要根據(jù)交通流分布情況重新進(jìn)行時(shí)段精確劃分與微觀控制方案調(diào)整。

2.2.2 多路徑交通分配與區(qū)域協(xié)調(diào)結(jié)合

（1）多路徑權(quán)重判斷。依據(jù)Logit 模型計(jì)算上述道路使用概率和道路權(quán)重，并根據(jù)權(quán)重設(shè)置區(qū)域綠波協(xié)調(diào)控制策略。

（2）區(qū)域協(xié)調(diào)控制。由計(jì)算結(jié)果可知，權(quán)重較高的道路為千島路、海天大道、G329 國(guó)道、新城大道、定沈路。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)權(quán)重超過3.5 的道路劃分為主要道路，并對(duì)道路實(shí)施綠波協(xié)調(diào)控制，保證主要道路的暢通。共設(shè)計(jì)“四橫一縱”5 條綠波道路，提升區(qū)域整體出行效率，減少出行成本。

表2 行政區(qū)主要路口道路權(quán)重分析表

2.2.3 優(yōu)化效果分析

（1）高峰擁堵改善。將“精細(xì)化時(shí)段劃分+潮汐化干線協(xié)調(diào)”方案應(yīng)用于舟山市行政區(qū)及周邊道路后，該區(qū)高峰時(shí)期瓶頸路口排隊(duì)長(zhǎng)度與擁堵程度有了較大改善。

（2）平峰通行效率提升。區(qū)域主要道路協(xié)調(diào)控制方案下發(fā)后，主要道路行程時(shí)間與停車次數(shù)大幅降低，區(qū)內(nèi)通行效率有較大提升，節(jié)省了居民出行時(shí)間。

3 結(jié)語

本文針對(duì)我國(guó)中小城市的跨區(qū)交通高峰擁堵，平峰子城區(qū)通行效率低、出行成本高等問題，提出了精細(xì)化潮汐交通流配時(shí)與多路徑區(qū)域協(xié)調(diào)控制方法，并將該方法應(yīng)用于舟山市行政區(qū)及其周邊道路，并取得了良好的應(yīng)用效果。