基于城市道路交通擁塞的交通韌性研究

楊 斌,丁 昊,張 偉,張鳳軍

（1.濟南市交通運輸事業(yè)發(fā)展中心,山東 濟南 250014; 2.山東方云軟件技術(shù)有限公司,山東 濟南 250000）

0 引言

伴隨著城市化進程的發(fā)展，城市道路交通系統(tǒng)與有限的土地和道路資源之間的矛盾日益凸顯，道路交通擁塞成為困擾城市發(fā)展進步的主要問題之一。為了解決道路交通擁塞、道路交通事故、道路交通基礎(chǔ)設(shè)施缺乏等一系列問題，道路交通韌性這一概念應(yīng)運而生。城市道路的道路交通韌性是城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。由于道路交通韌性不足而產(chǎn)生的道路交通擁塞，會嚴(yán)重影響到城市的正常運行。而道路交通擁塞則是城市道路韌性失效的一種體現(xiàn)。隨著城市路網(wǎng)的日益復(fù)雜，道路交通擁塞問題日益突出，必須通過采取有效的道路交通控制手段來控制，以減輕擁塞，增強城市道路交通韌性，推動城市道路交通的可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 道路交通擁塞和韌性的相關(guān)概述

1.1 城市道路交通擁塞的定義

道路交通擁塞是世界各地主要城市面臨的一個問題。道路交通擁塞經(jīng)常出現(xiàn)在特定的時間點，例如上下班時和假期。在城市路網(wǎng)中，一旦出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，將會對周圍地區(qū)的其他道路造成一定影響，特別是對進入擁塞地區(qū)的道路交通。交通擁塞一般可分為兩類，一類是指車輛的流量超出了設(shè)備的承載能力而引起的常發(fā)性擁塞，通常在道路交通的瓶頸部位出現(xiàn)，速度、流量、道路占有率等參數(shù)隨著擁塞呈現(xiàn)出有規(guī)律的下降；另一類是指因交通事故、惡劣天氣等原因?qū)е陆煌髁拷档投l(fā)的偶發(fā)性擁塞，交通流參數(shù)也會隨之發(fā)生快速改變。城市道路交通擁塞的形成原因有三方面：第一，道路結(jié)構(gòu)不合理。由于我國目前處于快速工業(yè)化、城市化兩個快速高增長的新階段，我國經(jīng)濟增長率和勞動人口數(shù)量逐年增加，汽車擁有率必然會相應(yīng)地上升。在現(xiàn)有路網(wǎng)中，機動車的增長率遠遠超過道路承載能力，原有的道路規(guī)模和路況已不能滿足需求，成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和城市發(fā)展的瓶頸。第二，車輛保有量與路網(wǎng)容量不匹配。部分城市路段的道路交通流量較大，容易出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，而其他路段通行能力尚有較大空間。除此之外，還存在停車泊位不夠完善、車位分布不合理等原因?qū)е铝塑囕v通行率低。第三，交叉口車輛混合。目前，我國部分平面交叉路口存在著機動車與非機動車混行現(xiàn)象，使交叉口的通行能力下降，特別是當(dāng)交叉口間距不大時，會嚴(yán)重影響交叉口的通行能力。

1.2 道路交通韌性的定義

“韌性”起源于風(fēng)險管理，是指在遇到突發(fā)事件或偶然情況時，能夠完全或部分地恢復(fù)系統(tǒng)性能的功能。與此類似，“道路交通韌性”這一概念也在運輸系統(tǒng)的需求管理中得到體現(xiàn)。類似于風(fēng)險管理中的韌性，道路交通韌性是指當(dāng)一種或多種干擾因素影響道路交通正常工作時，道路交通系統(tǒng)能夠持續(xù)地運送旅客和貨物。這些干擾包括極端的天氣狀況、道路交通堵塞、道路交通事故、道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏或者失效等[2]。

在實際生活中，人們對道路交通韌性的界定是多方面的：首先，就出行者層次而言，道路交通韌性是指在乘客的道路交通工具受損無法繼續(xù)出行的情況下，其他乘客仍可以繼續(xù)出行。其次，從社區(qū)的角度來看，這意味著對于大多數(shù)的社區(qū)來說，居民可以選擇多種出行方式（公共的、私人的、地面的和地下的）。以小區(qū)為起點的道路交通流量可以在突發(fā)事故、緊急事故、季節(jié)性施工或其他突發(fā)事件中保持不變。再者，從經(jīng)濟角度看，這是指各種道路交通方式在不考慮出行費用的前提下，在某些情況下發(fā)生變動后仍然能夠持續(xù)運作，如車輛和航空器使用的燃油漲價。最后，從政策層面看，這意味著道路交通韌性系統(tǒng)能夠根據(jù)新的運輸政策迅速地轉(zhuǎn)變和更新，以適應(yīng)新的道路交通工具，以及對未來不確定因素的改變。

城市道路交通韌性是指車輛在道路上行駛時，其穩(wěn)定性和安全性。它主要包括道路彈性系數(shù)、車轍程度和防滑性。道路越長其承載能力越強，而影響汽車能耗的因素則很多，其中最重要的就是道路本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇，其次是對車輛行駛速度影響最大的道路交通系統(tǒng)供給能力。

2 道路交通韌性的特點和制約因素

2.1 道路交通韌性的特點

由于道路交通是每個人最基本的需要，因此，道路交通是社會和個人最為關(guān)心的問題。一個具有良好韌性的道路交通系統(tǒng)對于社會、經(jīng)濟和道路交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。良好的道路交通韌性一般具有下列特點，見表1。

表1 道路交通韌性的特點

2.2 道路交通韌性的制約因素

道路交通韌性受多種因素的制約，如道路交通發(fā)展、經(jīng)濟條件、道路交通環(huán)境等。

2.2.1 道路交通發(fā)展

道路交通發(fā)展是人類社會經(jīng)濟活動在一定區(qū)域內(nèi)不斷向前推進和成長的重要因素，而影響其發(fā)展的重要因素之一就是道路。截至2022年末，全國公路總長度已達約3 520 000 km，擁有36條高速公路，約176 000 km，組成了全世界最大的交通運輸網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，到了2035年底，全國高速公路的總里程將達到467 000 km，平均每年增速達到15%以上，這表明我國道路交通正處于快速發(fā)展時期。

2.2.2 經(jīng)濟條件

經(jīng)濟是影響道路交通韌性的主要因素，而且在一定程度上也表明經(jīng)濟狀況是影響道路交通韌性的最直接因素。在經(jīng)濟發(fā)展較快的城市，道路交通韌性較以前有了很大程度的提高，但是由于汽車保有量增加而導(dǎo)致道路承受的壓力加大。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和機動車數(shù)量的不斷增長，城市的道路交通韌性也在不斷增強。

2.2.3 道路交通環(huán)境

道路交通環(huán)境發(fā)生變化會影響道路條件也發(fā)生變化，如溫度、車輛性能、道路交通量及速度、天氣等[3]。

（1）溫度。溫度過高，瀝青路面會出現(xiàn)軟油現(xiàn)象，路面承載能力差、易變形，在這種情況下，會嚴(yán)重影響駕駛舒適性，容易導(dǎo)致司機無意變道，大大增加了道路交通事故的可能性，低溫時，瀝青路面會破裂，導(dǎo)致不連續(xù)、濕滑，減少道路和輪胎的附著力，造成道路交通事故。

（2）車輛性能。汽車行駛時受到周圍環(huán)境影響而引起疲勞損傷，在路面情況較差或較窄的路段上行駛時會產(chǎn)生不適應(yīng)性，以及路面濕滑、顛簸造成的道路交通事故頻發(fā)。

（3）道路交通量及速度。車流特性與駕駛習(xí)慣之間有很大關(guān)系，由于駕駛員自身素質(zhì)差，對車速和距離等方面沒有明確的認(rèn)識、在行駛中不遵守道路交通規(guī)則，導(dǎo)致道路交通事故頻發(fā)，影響了車輛的通行時間和車速。

（4）天氣。氣候因素對汽車性能有很大的干擾。在大雪、低溫、持續(xù)降雨等惡劣天氣下，駕駛員反應(yīng)速度慢，制動距離較長，難以控制。能見度低、空氣濕度高等都影響車輛的安全和正常運行。

3 城市交通擁塞治理與提高城市交通韌性的對策

3.1 基于動態(tài)交通流量的交通擁塞控制方法

動態(tài)交通流的形成是城市道路交通擁塞治理過程中最重要、最有效的研究內(nèi)容。其控制模型是根據(jù)交通擁塞情況，預(yù)測道路車輛的行駛速度，然后利用該模型來實現(xiàn)。

（1）確定道路交通流量和總車位數(shù)之間存在線性關(guān)系。在對道路交通流量和出行需求進行預(yù)測時，可以使用靜態(tài)交通流量模型。根據(jù)該模型計算出相應(yīng)時間段內(nèi)道路交通流量和總車位數(shù)之間存在線性關(guān)系。如果在不考慮其他因素影響下確定最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值的話，就會導(dǎo)致延誤甚至錯亂。

（2）當(dāng)交通量和總車輛數(shù)量確定時，動態(tài)交通流量的變化會導(dǎo)致車輛行駛速度的隨機性，此時可以使用靜態(tài)道路交通流量模型。該方法需要對道路數(shù)據(jù)進行采集和處理，因此只能作為一種工具來控制路面情況從而達到目的。同時，由于其計算復(fù)雜且耗時長并且結(jié)果不穩(wěn)定，所以一般用于實時控制路面環(huán)境狀況，而不能預(yù)測未來路段下路況惡化程度和交通擁塞狀態(tài)變化規(guī)律，因此這種方法在實際應(yīng)用中并不適用。

（3）通過實時監(jiān)測信號燈、車速等信息，并結(jié)合當(dāng)前路段上所有車道的通行狀況及擁塞狀態(tài)來判斷是否出現(xiàn)擁擠或堵塞現(xiàn)象。在實際應(yīng)用中，主要有兩種方法可供選擇：動態(tài)交通流量控制算法與傳統(tǒng)的PID控制器相比，動態(tài)交通流量控制算法的優(yōu)點是計算簡單，但其缺點也很明顯，如需要設(shè)置不同車道之間的PID控制器。因此，該模型存在一定的局限性。

3.2 加強路網(wǎng)擁塞控制

在路網(wǎng)擁塞問題日益嚴(yán)重的背景下，交通治理需要考慮到整體性，而城市道路系統(tǒng)是一個復(fù)雜的問題，因此要想解決好“瓶頸”問題就必須從整體上進行統(tǒng)籌規(guī)劃。首先，要建立一套科學(xué)、有效的評價指標(biāo)體系。通過對道路交通流量的綜合分析，得出結(jié)論：如果交通需求之間存在差異，應(yīng)采取優(yōu)先級，優(yōu)化車道，緩解擁塞。其次，可以通過分配交通量來減少交通擁塞。同時，應(yīng)加強路網(wǎng)的規(guī)劃和管理，研究交通擁塞問題。交通擁塞也會影響到城市的發(fā)展。交通管理部門應(yīng)根據(jù)城市的總體發(fā)展方向，合理設(shè)計路網(wǎng)規(guī)模和道路結(jié)構(gòu)[4]。

3.3 建立健全交通管理制度

交通管理是一項專業(yè)性很強的工作，需要我們建立健全相關(guān)制度，提高人們對這個行業(yè)和它所具有的功能的認(rèn)識。

首先，加強安全意識。由于道路條件有限，公路部門應(yīng)加大力度進行路況檢查、維護以及改造工程建設(shè)等，同時也要注意道路環(huán)境安全問題及路面施工質(zhì)量問題。例如，對于一些容易被破壞和易引發(fā)交通擁塞的路段，應(yīng)該及時加固或者更換新的設(shè)施。其次，要加強對道路交通的管理。完善的公路交通管理體系是保證交通安全、減少事故發(fā)生、減少人員傷亡和財產(chǎn)損失的重要手段。再次，要提升駕駛員的駕駛習(xí)慣。通過對駕駛員進行宣傳和教育，提高他們對交通安全的認(rèn)識，強化他們的安全意識。同時，也要在日常工作中注意養(yǎng)成良好習(xí)慣和行為規(guī)范，避免交通事故發(fā)生時不能及時處理，而導(dǎo)致事故擴大化以及人員傷亡和財產(chǎn)損失問題的現(xiàn)象發(fā)生。最后，要建立健全相關(guān)規(guī)章制度，并嚴(yán)格執(zhí)行。

3.4 建立交通管理服務(wù)平臺

交通管理服務(wù)平臺是一個綜合性較強的體系，要求具有較強的專業(yè)性、技術(shù)能力和運營能力。交通管理服務(wù)平臺主要包括道路信息發(fā)布與處理、交通事故預(yù)防和車輛救援、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（對事故地點進行實時監(jiān)測）、道路交通安全應(yīng)急反應(yīng)體系（GPS定位車流量檢測器），為駕駛員提供最及時有效的幫助和預(yù)警措施。

在建立交通管理機構(gòu)時需要考慮實際情況，對交通管理服務(wù)平臺不斷地完善，能夠滿足不同層次用戶的需求，在功能上和技術(shù)上都更加成熟。規(guī)范化交通管理服務(wù)平臺的建立，首先需要專業(yè)技術(shù)人才，如果一個系統(tǒng)沒有專業(yè)人才，那么這個系統(tǒng)也是不成熟、不科學(xué)、不規(guī)范的。所以，在建設(shè)交通管理服務(wù)平臺時，必須要有專門的人員來開發(fā)和完善，這就要求我們必須要對其體系的構(gòu)造與功能有所認(rèn)識。其次，需要有硬件設(shè)施，比如交通信息采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等；最后，是技術(shù)方面的軟件支持，如車載影像監(jiān)控系統(tǒng)、GPS、汽車檢測設(shè)備、司機駕駛體驗記錄儀等[5]。

4 結(jié)語

該文分析了城市交通擁塞的基本原理和交通擁塞對城市道路交通的影響，闡述了城市交通擁塞的定義、形成、類型以及影響，并對韌性的定義、概念、分類、特征及制約因素進行了論述，最后對城市交通擁塞的治理與提高交通韌性提出相應(yīng)的對策。增強交通韌性不僅是一個城市的發(fā)展問題，也關(guān)系到社會發(fā)展和國家利益，因此在研究過程中還應(yīng)考慮交通系統(tǒng)整體水平與各組成部分之間的協(xié)調(diào)性、安全性等。城市交通擁塞問題解決的好壞程度，直接影響著交通系統(tǒng)韌性，間接影響著居民出行效率和社會經(jīng)濟效益，因此該文在研究過程中也考慮到各方面因素對緩解道路交通擁塞的影響。