考慮結(jié)構(gòu)差異的城市區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)評(píng)價(jià)

陸百川，王 鑫，楊杰毅

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074;2.重慶山地城市交通系統(tǒng)與安全實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，道路規(guī)模不斷擴(kuò)大，但由于地理位置、歷史文化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素，每個(gè)城市道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)及交通流分布有其獨(dú)特性［1］，使得不同微觀交通單元在路網(wǎng)中的重要程度不同，導(dǎo)致其對(duì)路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)影響也不盡相同。在考慮了路段靜態(tài)屬性、等級(jí)差異的基礎(chǔ)上，綜合路段功能、布局差異、交通流分布不均衡等因素進(jìn)行交通狀態(tài)評(píng)價(jià)，可以得到更加準(zhǔn)確的路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)，從而為交通管控提供有效地決策信息。

對(duì)城市區(qū)域路網(wǎng)進(jìn)行交通狀態(tài)判別，可采用建立狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)以及構(gòu)建交通狀態(tài)判別算法［2］。評(píng)價(jià)指標(biāo)判別區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)方法中，曲昭偉，黃艷國等［3-4］以所獲交通基本參數(shù)為基礎(chǔ)，考慮路段靜態(tài)物理特征建立區(qū)域交通狀態(tài)判別模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路網(wǎng)交通狀態(tài)指數(shù)計(jì)算;陳曦等［5］通過城市交通運(yùn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了小區(qū)域交通狀態(tài)指數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果與北京市出行規(guī)律基本相符;Martin 等［6］和萬蔚等［7］均通過采集浮動(dòng)車數(shù)據(jù)，給出區(qū)域交通狀態(tài)評(píng)價(jià)參數(shù)，并利用實(shí)例驗(yàn)證了模型有效性。在以交通狀態(tài)判別算法判別路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)中，有直接比較法、模式識(shí)別法、人工智能算法，如Qing 等［8］采用CNM 社區(qū)綜合網(wǎng)絡(luò)劃分方法，對(duì)區(qū)域交通狀況進(jìn)行合理劃分，并通過實(shí)例驗(yàn)證了分類方法的可行性;Su等［9］通過FCM 算法將路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)劃分為6 個(gè)等級(jí)，使用改進(jìn)的聚類分析算法明確指數(shù)的模糊范圍，并驗(yàn)證了模型的有效性;Li 等［10］根據(jù)道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及道路運(yùn)行狀況，構(gòu)建了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型，對(duì)受限狀態(tài)下的路網(wǎng)進(jìn)行交通綜合評(píng)價(jià)。

本文在考慮路段靜態(tài)屬性對(duì)路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合道路結(jié)構(gòu)差異性和交通流分布不均衡性，提出了一種基于結(jié)構(gòu)差異的城市區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。首先剖析了影響路網(wǎng)交通狀態(tài)的結(jié)構(gòu)差異因素(功能、等級(jí)、布局);其次選取平均行程速度、實(shí)際交通量、實(shí)際占有率等指標(biāo)［11］建立了微觀單元交通狀態(tài)模型，得到了各路段及交叉口的交通運(yùn)行狀態(tài);然后結(jié)合路網(wǎng)結(jié)構(gòu)差異性及交通流分布不均衡性構(gòu)建了微觀單元的權(quán)重優(yōu)化模型，求解各路段及交叉口的權(quán)重;最后建立了區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)模型，并利用VISSIM 仿真進(jìn)行了案例分析，結(jié)果表明基于結(jié)構(gòu)差異的城市區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)評(píng)價(jià)能準(zhǔn)確判別路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)。

1 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)差異性分析

城市道路網(wǎng)絡(luò)由交叉口與路段組成，路網(wǎng)的宏觀交通態(tài)勢是車輛在各路段以及交叉口微觀交通態(tài)勢的綜合體現(xiàn)，為了判別城市區(qū)域路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)，采用基于有向加權(quán)圖結(jié)構(gòu)的抽象法構(gòu)建城市道路交通網(wǎng)絡(luò)。將道路網(wǎng)絡(luò)抽象為包括路段、交叉口、行駛方向、有向邊權(quán)等要素的集合。在區(qū)域路網(wǎng)G={I，L，W}有向圖中，I={i1，i2，…，in}為交叉口集合，in表示第n 個(gè)交叉口;L={Lij|Lij=＜ii，ij＞;i，j=1，2，…，n，i≠j}為交叉口之間的路段集合，Lij表示交叉口ii到交叉口ij的路段，其長度為lij;路段及交叉口是路網(wǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)的微觀分析對(duì)象，其中＜ii，ij＞、＜ij，ii＞表示兩條具有不同交通狀態(tài)的路段;W={Wij|i≠j}表示路段影響權(quán)重集合，根據(jù)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的差異性進(jìn)行確定。圖1 為基于微觀交通單元和交通流方向特性的典型路網(wǎng)抽象示意圖。

圖1 路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象示意圖

根據(jù)分析角度的不同，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以分為功能結(jié)構(gòu)、等級(jí)結(jié)構(gòu)、布局結(jié)構(gòu)，其差異性是指不同功能、等級(jí)的路段由于布局的差異對(duì)路網(wǎng)重要程度具有差異。

等級(jí)結(jié)構(gòu)指的是不同道路等級(jí)的路段所承擔(dān)的交通需求與運(yùn)輸功能具有明顯的差異，道路等級(jí)越高的路段，其交通狀態(tài)的波動(dòng)對(duì)路網(wǎng)的干擾也就越嚴(yán)重，對(duì)于一個(gè)路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀況影響就越大。功能結(jié)構(gòu)反應(yīng)的是不同等級(jí)道路對(duì)路網(wǎng)交通狀態(tài)的影響程度，體現(xiàn)了該路段疏導(dǎo)交通和運(yùn)載車輛的極限能力，能力越強(qiáng)的路段往往通行能力越大，發(fā)生交通擁堵時(shí)更容易造成整個(gè)路網(wǎng)的交通擁堵，對(duì)路網(wǎng)交通狀態(tài)影響較大。布局結(jié)構(gòu)即是路段空間鄰接關(guān)系，指的是網(wǎng)絡(luò)中路段的鄰接關(guān)系，與周邊道路鄰接越密切，在路網(wǎng)中關(guān)鍵性越高，路段失效對(duì)路網(wǎng)效率和通達(dá)性影響越嚴(yán)重。同時(shí)，交叉口與路段具有直接的物理連接關(guān)系，交叉口各進(jìn)口方向交通狀態(tài)與其鄰接路段交通態(tài)勢密切相關(guān)，因此，本文考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的差異性，利用路段等級(jí)、路段功能、路段的空間鄰接關(guān)系等差異性指數(shù)來衡量每條路段在道路網(wǎng)絡(luò)中的貢獻(xiàn)程度，以確定路段對(duì)路網(wǎng)狀態(tài)的影響權(quán)重，在確定路段對(duì)路網(wǎng)狀態(tài)影響權(quán)重的基礎(chǔ)之上，確定交叉口對(duì)路網(wǎng)狀態(tài)的影響權(quán)重，通過微觀單元的交通狀態(tài)獲得路網(wǎng)整體的交通運(yùn)行情況。

2 區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)模型

節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣A={aij}表示路網(wǎng)中路段物理連接關(guān)系，可通過路網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型G={I，L，W}中交叉口Ii(i=1，2，…，n)構(gòu)成的鄰接矩陣A={aij}來表示，A={aij}為n 階方陣，其元素值按式(1)計(jì)算:

式中，i，j=1，2，…，n。當(dāng)aij=1 時(shí)，表示交叉口ii到交叉口ij之間的路段Lij直接連通;當(dāng)aij=0 時(shí)，表示路段Lij不存在或禁止通行。

2.1 微觀單元交通狀態(tài)模型

交通流量、行車速度和時(shí)間占有率的變化趨勢對(duì)交通狀態(tài)變化均具有較強(qiáng)靈敏性［12］，能夠反映狀態(tài)隨時(shí)間的波動(dòng)情況，且道路等級(jí)、功能、車道限速、通行能力以及路段長度等道路個(gè)性化靜態(tài)特征也會(huì)影響路段交通狀態(tài)。為得到更加貼合實(shí)際的路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)，綜合考慮影響交通狀態(tài)的動(dòng)態(tài)交通參數(shù)與靜態(tài)路段指標(biāo)，建立路段交通狀態(tài)模型為式(2):

路段狀態(tài)判別模型中，平均行程速度越接近限速值、實(shí)際交通流量越小、道路占有率越低時(shí)，交通狀態(tài)值越小，路段交通狀況較好;反之，當(dāng)平均速度越小、交通流量越大、占有率上升時(shí)，交通狀態(tài)值越大，路段交通狀況較差。因此，值能夠兼顧道路的動(dòng)靜特征而有效反映出路段交通狀態(tài)。特別地，當(dāng)vij＞時(shí)，取vij=以增強(qiáng)模型適用性。

交叉口是直行、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)等多股車流的交匯處，區(qū)域路網(wǎng)的交通狀態(tài)很大程度上取決于交叉口處車輛通行情況，因此，為分析路網(wǎng)整體的交通狀態(tài)，應(yīng)對(duì)交叉口處交通狀況進(jìn)行著重考察。由于整個(gè)交叉口的交通狀態(tài)是各進(jìn)口道車道組狀態(tài)的綜合反映，應(yīng)首先分析各進(jìn)口道所有流向的交通通行情況，進(jìn)而得到交叉口的狀態(tài)。車道飽和度能夠體現(xiàn)車道組的交通狀況，根據(jù)最大隸屬度原則選擇某進(jìn)口道中所有流向飽和度的最大值作為該進(jìn)口道的飽和度，并以各進(jìn)口道飽和度計(jì)算整個(gè)交叉口的交通狀態(tài)值，以此作為判別交叉口運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)，從而建立的交叉口狀態(tài)模型為式(3):

交叉口狀態(tài)判別模型中，進(jìn)口道實(shí)際交通流量越小、相位有效綠燈時(shí)間越長，交通狀態(tài)值越小，交叉口處車輛運(yùn)行處于自由行駛狀態(tài)，交通狀態(tài)良好;當(dāng)進(jìn)口道實(shí)際交通流量越大、相位有效綠燈時(shí)間越短時(shí)，交通狀態(tài)值越大，交叉口處車輛趨于飽和，車輛行駛受到較大限制，更加擁堵。

2.2 區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)模型

在采集時(shí)間間隔t 內(nèi)，通過檢測器所得到的時(shí)間段t 內(nèi)交通基本參數(shù)，可以計(jì)算出不同路段以及交叉口的交通狀態(tài)值，根據(jù)微觀單位交通狀態(tài)模型結(jié)合節(jié)點(diǎn)鄰接關(guān)系矩陣，得到路網(wǎng)鄰接交通狀態(tài)矩陣為A(t)={Pij(t)}，交通狀態(tài)矩陣元素值按式(4)計(jì)算:

式中:Pij(t)為采集時(shí)間t 內(nèi)，路網(wǎng)中某微觀單元交通狀態(tài)值，Pij(t)=∞表示路段Lij不存在或禁止通行。

3 基于結(jié)構(gòu)差異的區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)評(píng)價(jià)模型

結(jié)合路網(wǎng)結(jié)構(gòu)差異性，確定不同交通微觀單元相對(duì)于路網(wǎng)的重要程度，建立路網(wǎng)微觀單元權(quán)重優(yōu)化模型，以路網(wǎng)交通狀態(tài)矩陣為基礎(chǔ)，構(gòu)建區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型，并借用交通狀態(tài)系數(shù)劃分路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)。

3.1 權(quán)重優(yōu)化模型

根據(jù)路網(wǎng)中路段的結(jié)構(gòu)性差異，分等級(jí)差異、功能差異、布局差異建立路網(wǎng)中路段結(jié)構(gòu)權(quán)重優(yōu)化模型。

城市道路根據(jù)承載通行能力的大小分為快速路、主干路、次干路、支路，路段等級(jí)是衡量道路交通能力的關(guān)鍵要素，道路等級(jí)越高的路段，其交通運(yùn)行狀態(tài)變化會(huì)對(duì)整個(gè)路網(wǎng)的交通狀態(tài)產(chǎn)生更大的影響［13］。通過路段等級(jí)差異所構(gòu)建的等級(jí)權(quán)重指標(biāo)ηi，1為:

式中:ηg為g 類等級(jí)路段的交通影響權(quán)重。取ω1=0.5，ω2=0.4，ω3=0.1［3］，分別對(duì)應(yīng)于主干路、次干路、支路。

路段通行能力越大，則承擔(dān)的疏導(dǎo)以及運(yùn)載功能也就越大;路段長度越短，受到周邊交通流的干擾以及波動(dòng)就越大，更容易造成交通擁堵，其運(yùn)載功能較低，用單位旅行時(shí)間上路段的交通流量來衡量路段疏導(dǎo)能力，用單位長度路段和單位寬度路段的通行能力來衡量路段運(yùn)載功能。

式中:ωij，1為路段Lij的疏導(dǎo)能力指標(biāo);ωij，2為路段Lij的運(yùn)載能力指標(biāo);Tij(t)為t 時(shí)段內(nèi)，路段Lij的旅行時(shí)間，本文時(shí)段為仿真數(shù)據(jù)收集間隔t=5 min;bij為路段Lij的寬度;k 為調(diào)節(jié)系數(shù)，取值為(0，1)。

聯(lián)立式(6)中運(yùn)載與疏導(dǎo)指標(biāo)并進(jìn)行歸一化處理，得到路段功能差異所構(gòu)建的功能權(quán)重指標(biāo)ηi，2為:

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，拓?fù)渲翟酱蟮穆范卧诼肪W(wǎng)中占重要交通樞紐位置，發(fā)生擁堵往往會(huì)引發(fā)級(jí)聯(lián)故障效應(yīng)，引入路段拓?fù)渲礑p(ij)來衡量路網(wǎng)中路段的布局差異。

式中:M(ij)為路段Lij的連接度和等級(jí)代號(hào)之積;W(ij)為路段Lij的等級(jí)代號(hào);V(ij)為路段Lij的連接度;Vi(ij)、Vj(ij)為連接路段Lij的i，j 交叉口連接度;λd為M(ij)所占的權(quán)重。

根據(jù)路段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差異所構(gòu)建的路段布局權(quán)重指標(biāo)ηi，3為:

式中:Dp(ij)為路段Lij的拓?fù)渲?為路網(wǎng)中所有路段拓?fù)渲档钠骄?為路網(wǎng)中所有路段拓?fù)渲档淖畲笾?為路網(wǎng)中所有路段拓?fù)渲档淖钚≈怠?/p>

綜合區(qū)域路網(wǎng)路段的等級(jí)差異、功能差異、布局差異所構(gòu)成的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)差異，聯(lián)立(5)(7)(9)并進(jìn)行歸一化處理后，得到路段Lij的綜合權(quán)重為:

路段的綜合權(quán)重為結(jié)構(gòu)差異權(quán)重，能區(qū)別不同等級(jí)、功能的路段由于布局的差異，對(duì)路網(wǎng)交通狀態(tài)影響的差異。

城市交叉口是由多條路段相互交錯(cuò)形成的交通節(jié)點(diǎn)，按照相交道路的等級(jí)，區(qū)域路網(wǎng)中交叉口有各類等級(jí)道路相交產(chǎn)生的多種類型。不同類型的交叉口會(huì)以不同的程度影響著整個(gè)路網(wǎng)交通狀態(tài)，所連路段等級(jí)越高產(chǎn)生的影響越大，應(yīng)賦予更大的權(quán)重。從路段等級(jí)權(quán)重出發(fā)，建立的交叉口等級(jí)權(quán)重為:

路網(wǎng)中交叉口直接與路段相連，所連路段上的交通流必定會(huì)通過交叉口，且所連路段的基本物理特征會(huì)對(duì)交叉口處的交通運(yùn)行狀況產(chǎn)生影響。因此，從路段功能權(quán)重出發(fā)，建立的交叉口重要度權(quán)重為:

交叉口連接度是衡量交叉口與所連接路段之間連接強(qiáng)度的指標(biāo)，由與該交叉口直接相連接路段數(shù)決定，在道路網(wǎng)絡(luò)中，交叉口所直接相連的路段越多，在路網(wǎng)中往往越關(guān)鍵。從交叉口連接度出發(fā)，所建立的交叉口連接度權(quán)重為:

綜合區(qū)域路網(wǎng)交叉口等級(jí)、重要度以及連接度的差異性，聯(lián)立式(11)(12)(13)并進(jìn)行歸一化處理后，得到交叉口i 的綜合權(quán)重為:

3.2 區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)評(píng)價(jià)模型

在區(qū)域路網(wǎng)中的路段與交叉口交通狀態(tài)評(píng)價(jià)模型建立之后，考慮路網(wǎng)交通單元的結(jié)構(gòu)差異而轉(zhuǎn)化得到的交通影響權(quán)值，根據(jù)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型、路網(wǎng)鄰接交通狀態(tài)矩陣以及權(quán)重優(yōu)化模型，得到區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)評(píng)價(jià)模型為:

式中:P 為區(qū)域路網(wǎng)的交通狀態(tài)矩陣;PIij為微觀交通單元的交通狀態(tài)值;當(dāng)i≠j 時(shí)，PIij為路段單元交通狀態(tài)值;當(dāng)i=j 時(shí)，PIij為交叉口單元交通狀態(tài)值;當(dāng)PIij=∞時(shí)，表示路段未連通或禁止通行。

由于區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)矩陣P 只能得到路網(wǎng)中微觀交通單元的交通運(yùn)行狀態(tài)，并不能直觀獲取當(dāng)前區(qū)域路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況，需要將微觀交通單元的交通狀態(tài)值整合成區(qū)域路網(wǎng)的綜合交通狀態(tài)指數(shù)，計(jì)算公式為式(16):

式中:PI 為區(qū)域路網(wǎng)的綜合交通狀態(tài)指數(shù)，其值能代表區(qū)域路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況;值越小，表示路網(wǎng)中車流運(yùn)行越通暢。λ 為模型調(diào)節(jié)系數(shù)，取值為［0，1］，其取值大小決定了路段和交叉口對(duì)區(qū)域路網(wǎng)整體交通狀態(tài)的影響程度。若以車流在各路段行駛暢通為目標(biāo)，則路段對(duì)路網(wǎng)的交通狀態(tài)影響權(quán)重應(yīng)更大，則參數(shù)應(yīng)為0.5＜λ≤1;若以減輕交叉口的交通負(fù)荷為目標(biāo)，則交叉口對(duì)路網(wǎng)的交通狀態(tài)影響權(quán)重應(yīng)更大，則參數(shù)應(yīng)為0≤λ＜0.5。

3.3 區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)判別

區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型可以得到采集時(shí)間間隔內(nèi)路網(wǎng)的交通狀態(tài)指數(shù)PI，該值雖能表示區(qū)域路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況，但并不能對(duì)交通狀態(tài)進(jìn)行等級(jí)劃分，判別狀態(tài)直觀性差。在可直觀表征路網(wǎng)狀態(tài)的指標(biāo)中，可借用交通狀態(tài)系數(shù)值，該值是一個(gè)能夠直觀反應(yīng)路段間交通運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)。本文通過VISSIM 仿真試驗(yàn)，采集一定時(shí)間間隔內(nèi)路網(wǎng)狀態(tài)相關(guān)交通動(dòng)態(tài)與靜態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算路網(wǎng)交通狀態(tài)指數(shù)PI 以及路網(wǎng)交通狀態(tài)系數(shù)，建立PI 與交通狀態(tài)系數(shù)基于時(shí)間序列的相互關(guān)系，通過PI 確定該路網(wǎng)的交通狀態(tài)。

為更好的來判別區(qū)域路網(wǎng)的交通狀態(tài)，本文選取一個(gè)區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)系數(shù)［14］，即擁擠度Cd(congestion degree);其計(jì)算式:

一般將交通狀態(tài)分為:順暢、一般擁堵、擁堵、嚴(yán)重?fù)矶拢蓪㈨槙扯x為零擁堵狀態(tài)，因此判別區(qū)域的交通狀態(tài)，就是判別該區(qū)域的擁堵程度。根據(jù)我國城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范，擁擠度評(píng)判交通狀態(tài)的范圍如表1 所示。

表1 擁擠度與交通狀態(tài)對(duì)應(yīng)情況

根據(jù)交通狀態(tài)系數(shù)所劃分的路網(wǎng)交通狀態(tài)等級(jí)如表2 所示。

表2 路網(wǎng)交通狀態(tài)等級(jí)

區(qū)域交通狀態(tài)判別就是通過交通狀態(tài)指數(shù)與交通狀態(tài)系數(shù)的關(guān)系，確定當(dāng)前路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀況，以便于出行者可以提前掌握路網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，規(guī)劃好出行路線，減少出行行程時(shí)間的延誤;管理者可以根據(jù)路網(wǎng)當(dāng)前交通狀態(tài)指數(shù)與交通狀態(tài)系數(shù)，對(duì)交通狀態(tài)系數(shù)較大，交通狀態(tài)指數(shù)較大的交叉口以及路段進(jìn)行管理控制，提高道路的出行效率以及利用率。PI-Cd 關(guān)系建立步驟如下:

1)在采樣時(shí)間間隔內(nèi)，采集仿真實(shí)驗(yàn)路網(wǎng)上浮動(dòng)車的速度信息，并利用所設(shè)置的大量檢測器采集路網(wǎng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)路段和交叉口的交通數(shù)據(jù)，包括流量、速度以及占有率等;

2)以所獲得交通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建的區(qū)域交通狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算出各時(shí)段內(nèi)路網(wǎng)的交通狀態(tài)指數(shù)，并通過當(dāng)前間隔內(nèi)車輛的平均行程速度以及飽和度;計(jì)算出采樣時(shí)間內(nèi)路段值，得到交通狀態(tài)系數(shù)Cd;

3)根據(jù)所得路網(wǎng)交通狀態(tài)系數(shù)與交通狀態(tài)指標(biāo)，建立二者在時(shí)間序列上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合，明確路網(wǎng)交通狀態(tài)值數(shù)所對(duì)應(yīng)的交通狀態(tài)系數(shù)。

通過上述步驟就可以確定出路網(wǎng)交通狀態(tài)指數(shù)與交通狀態(tài)系數(shù)的關(guān)系，然后就可以利用PI 值對(duì)路網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行判別。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真路網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以合肥市蜀山區(qū)中某一區(qū)域路網(wǎng)為研究對(duì)象，其實(shí)際路網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采用VISSIM 進(jìn)行區(qū)域路網(wǎng)構(gòu)建，通過仿真所獲得的交通數(shù)據(jù)來計(jì)算路網(wǎng)中路段和交叉口對(duì)于區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)影響權(quán)重，對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行交通狀態(tài)評(píng)價(jià)。區(qū)域路網(wǎng)中科學(xué)大道和黃山路為主干路;天達(dá)路、天智路及天柱路為次干路;夢(mèng)圓路為支路，且道路連接形式不同，形成了十字型、丁字型以及Y 型交叉口，該實(shí)驗(yàn)路網(wǎng)用于模型驗(yàn)證具有一定的代表性。仿真所采用的交叉口信號(hào)配時(shí)方案及初始流量輸入均來源于實(shí)際路網(wǎng)。仿真實(shí)驗(yàn)路網(wǎng)如圖3 所示。

圖2 實(shí)際路網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)路網(wǎng)示意圖

設(shè)置好仿真路網(wǎng)基本參數(shù)，并在區(qū)域路網(wǎng)每一個(gè)車輛進(jìn)口設(shè)置好初始輸入車輛，取模型參數(shù)α=0.6，β=0.3，為了能夠更好的劃分路網(wǎng)交通狀態(tài)等級(jí)，仿真分為10 個(gè)時(shí)段進(jìn)行，且不同仿真時(shí)段內(nèi)輸入流量不同，單次仿真時(shí)間為600 s，各時(shí)段輸入流量為上一時(shí)段的輸入流量基礎(chǔ)上增加20%，為保證車輛到達(dá)的隨機(jī)性，提高仿真的準(zhǔn)確性，每次仿真設(shè)置不同的隨機(jī)種子。仿真開始前設(shè)置600 s 的暖機(jī)時(shí)間，以保證數(shù)據(jù)的正確性，仿真時(shí)長共計(jì)6 600 s。

4.2 仿真過程及數(shù)據(jù)分析

為得到實(shí)時(shí)的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)以及為了數(shù)據(jù)處理的方便，采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為t=300 s，主要采集數(shù)據(jù)為獲取微觀單元的交通狀態(tài)及其影響權(quán)重。表3、表4 為仿真過程中一次數(shù)據(jù)采集所得路網(wǎng)的路段狀態(tài)指數(shù)、結(jié)構(gòu)差異指標(biāo)、區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)指數(shù)、路網(wǎng)交通狀態(tài)系數(shù)以及路網(wǎng)相關(guān)運(yùn)行指標(biāo)。

表3 路段交通狀態(tài)參數(shù)值

表4 路網(wǎng)交通狀態(tài)參數(shù)指標(biāo)值

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

將10 次仿真所獲得的基本交通參數(shù)進(jìn)行處理，計(jì)算交通狀態(tài)指數(shù)以及交通狀態(tài)系數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出交通狀態(tài)指數(shù)與路網(wǎng)交通狀態(tài)系數(shù)之間基于時(shí)間序列的函數(shù)關(guān)系。隨著仿真路網(wǎng)中車流輸入的逐漸增加，交通狀態(tài)指數(shù)與交通狀態(tài)系數(shù)隨時(shí)間變化如圖4 所示。

圖4 PI-Cd 變化趨勢圖

由圖4 可知:交通狀態(tài)指數(shù)與交通狀態(tài)系數(shù)隨時(shí)間的變化具有一致性，隨著車流量的逐步增大，道路網(wǎng)絡(luò)趨于飽和，路網(wǎng)更加擁堵，交通狀態(tài)指數(shù)與交通狀態(tài)系數(shù)變化明顯，即交通狀態(tài)判別模型是可行的，都能較好的反應(yīng)出路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀況的變化趨勢。將所得各時(shí)段內(nèi)交通狀態(tài)指數(shù)以及交通狀態(tài)系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出明確的函數(shù)相關(guān)關(guān)系，有助于對(duì)路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行直觀分析。其相互關(guān)系如圖5 所示，具體函數(shù)關(guān)系如式(18)所示。

圖5 PI-Cd 相互關(guān)系曲線

參數(shù)標(biāo)定:a0=0.240 7，a1=0.713 3;相關(guān)系數(shù)R2=0.991 3。

明確PI-Cd 關(guān)系，即可通過PI 指數(shù)劃分路網(wǎng)交通狀態(tài)等級(jí)，確定路網(wǎng)狀態(tài)等級(jí)劃分如表5所示。

表5 為路網(wǎng)狀態(tài)等級(jí)劃分情況。由表5 可得:根據(jù)本研究中的評(píng)價(jià)方法，可以有效地判別給定路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀態(tài)，確定當(dāng)前路網(wǎng)的擁堵程度。掌握了路網(wǎng)的交通狀態(tài)指數(shù)，就可以獲取當(dāng)前路網(wǎng)交通運(yùn)行情況;出行者可以提前做好路徑規(guī)劃，管理者可以制定城市管理策略和交通流誘導(dǎo)方案，提高路網(wǎng)中車輛的運(yùn)行效率。

表5 路網(wǎng)狀態(tài)等級(jí)劃分

5 結(jié)論

通過分析路網(wǎng)微觀單元交通特性，以路網(wǎng)結(jié)構(gòu)差異性為基礎(chǔ)，量化了微觀單元對(duì)路網(wǎng)交通狀態(tài)影響程度大小，構(gòu)建了路段及交叉口的權(quán)重優(yōu)化模型，建立了區(qū)域交通狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，得出了交通狀態(tài)指數(shù)PI;結(jié)合交通狀態(tài)系數(shù)Cd 劃分狀態(tài)的直觀性及抑制單指標(biāo)判別狀態(tài)的雙重性，實(shí)現(xiàn)了交通狀態(tài)等級(jí)劃分。以仿真實(shí)驗(yàn)路網(wǎng)為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于結(jié)構(gòu)差異的城市區(qū)域路網(wǎng)交通狀態(tài)評(píng)價(jià)方法能有效地判別區(qū)域路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)。