城市交通擁堵疏導的計算機輔助決策系統(tǒng)

1、城市交通擁堵疏導輔助決策系統(tǒng)針對城市交通擁堵問題，詳細分析了城市交通擁堵產生的原因，類型和程度，并對擁堵的空間分布形態(tài)及計算機自動識別方法進行了討論同時提出了根據路段流量和排趴信息來檢測、預報交通事故和擁堵的新方法，最后分析了疏導擁堵的各種手段，并根據不同的擁堵原因和擁堵空間分布形態(tài)提出了相應的綜合疏導擁堵方案。隨著城市規(guī)模的擴大，人們社會活動的增多，交通需求量迅速上升，交通擁堵和事故頻繁發(fā)生，越來越嚴重地困擾著各大城市。近年來發(fā)達國家已從主要依靠擴大路網規(guī)模來滿足日益增長的交通需求，轉向利用先進的技術來管理現(xiàn)有的交通體系。目前，越來越多的國內學者對城市交通擁堵疏導問題進行了研究，在基礎理論上

2、，已取得相當?shù)倪M展但在實際的城市交通管理和控制技術上還相對落后。為了提高我國交通管理部門的指揮能力和對擁堵的快速反應能力，特別是處理突發(fā)性交通擁堵的能力，我們開發(fā)了一個交通擁堵疏導的輔助頭策系統(tǒng)，把理論和應用有機結合起來。1.擁堵屬性由于城市交通擁堵現(xiàn)象的復雜性，我們首先必須對城市擁堵的特征進行深入的分析，才能為以后的疏導方案提供全面可靠的決策依據。事實上，城市交通網絡上的擁堵狀況取決于組成城市交通網絡的各個路段的交通狀況和交叉口的交通狀況?？紤]到任何一個交叉口的交通狀況也是由與其相連路段的交通狀況所決定的，因此我們不妨以路段為單位來討論擁堵的屬性，主要包括擁堵發(fā)生的時間、地點、原因、類型、程

3、度五個特征。1)擁堵時間。由于事件或擁堵發(fā)生的時間不同，對道路通行能力產生的影響也是不同的，發(fā)生在高峰期的擁堵隨著交通流量的持續(xù)增大，必然會迅速產生嚴重的擁堵蔓延，因此對不同時段發(fā)生的擁堵，所采用的控制手段也是不同的。一般，根據交通流量的大小，將時段分為高峰期、平峰期、低谷期。2)擁堵的地理位置。發(fā)生在不同地段的事件或擁堵，會對道路通行能力產生不同的影響。發(fā)生在關鍵路段的擁堵，會迅速引起嚴重的擁堵曼延。因此對不同地段的擁堵，要采用不同的控制措施。一般劃分為：鬧市區(qū)路段、重要路段，一般路段及次要路段。3)擁堵原因。一是正常擁堵，由車流量突然增大，超過了道路的容量引起。這種擁堵多發(fā)生在上下班高峰時

4、間段內，屬于周期性的擁擠。二是非正常情況下的擁堵，主要是由于一些特殊事件引起道路容量的減少或是吸引過多的流量而引起的擁擠。而事件又分為可預見的和不可預見的兩種情況。前者指計劃中的道路維護等事件，或者是某地段正進行大型活動等；而后者指的是突然發(fā)生的交通事故或社會治安事件等。4)擁堵類型。一是初始擁堵，由路網中的瓶頸引起的排隊、擁堵；二是后續(xù)擁堵，即初始擁堵引起其他交叉口排隊、擁堵。一般地說我們更關心初始擁堵，因為這是疏導擁堵的核心所在。5)擁堵程度。用車輛等待的信號周期數(shù)或排隊長度，來描述與交叉口相關聯(lián)的進口路段上的不同擁擠程度。擁擠。該路段始終有排隊，單一排隊車輛在兩到三個信號周期內可以通過交

5、叉口。非常擁擠。該路段始終有排隊，且排隊車輛要等待四個到五個信號周期可以通過交叉口。嚴重擁擠。該路段始終有排隊，且排隊車輛要等待五個以上信號周期甚至更多。死鎖。車輛幾乎不能前行。2.交通擁堵與交通事故的實時檢測交通擁堵屬性識別和判斷的自動化以及指揮調度優(yōu)化決策方案的自動化，都需要對路網流量和排隊的實時監(jiān)控。根據具體城市交通流量的變化，一天24h，可分為個交通時段。在每一個時段內，每一個路段都有一個正常的流量范圍Qmin，Qmax，這可以根據歷史的交通數(shù)據統(tǒng)計而得。通過路段流量檢測器與排隊檢測數(shù)據與相應路段的歷史數(shù)據比較，可以判斷流量是否正常。若檢測流量超過正常流量上限，說明有可能會發(fā)生擁堵。若

6、檢測流量低于正常流量下限，則有兩種可能：一是路段上車輛確實少；二是路段上車流密度特別大，且車速很小，流量檢測器已無法檢測到路段上的實際車流密度。對于前者，此時要求操作員檢查上游路口是否發(fā)生了擁堵或事故。若沒有，說明現(xiàn)在車流密度確實比較小。對于后者，則要進行擁堵疏導的相關處理。圖l為路網中路段的事件檢測流程圖，其中：TB。表示連續(xù)流量QQmax的周期數(shù)，TS表示連續(xù)有流量QQmin的周期數(shù)TA1和TB1，分別表示TA和TB，的閾值，這與具體的城市有關。3.擁堵空間分布形態(tài)及其自動識別擁堵一旦發(fā)生，會迅速蔓延，形成多種空問分布形式。根據空間分布形式的不同，所采用的疏導方案也是不同的。一般說來，擁堵

7、的空間分布形式可分為：點、線、面三種。所謂點的形式是指：一個或多個路口堵塞，但獨立；線的形式是指多個路口堵塞，且在一條主干道上；而面的形式是指多個路段擁堵，且相互影響，形成擁堵區(qū)域。如何自動識別擁堵空間分布形式，是快速實施疏導方案的關鍵所在。單個路口的情況較簡單，自動識別也容易。而其交通主干道可以有交通專家預先給出(因為一線性和區(qū)域狀空間分布的識別較難。我們提出采個城市主干道的數(shù)目有限，所以這種枚舉是可行用檢索、匹配的方法。對于一個具體的城市來說 的)，存放于一個數(shù)據庫中，從每條路段流量和排隊檢測器來的數(shù)據，經過處理，對那些發(fā)生擁堵且相關的路段，與預先設置的交通主干道的路段比較。如果這些擁堵路

8、段有很多在已知的主干道上。且僅有少量在次千道上的，則可以判斷為線性；否則可以判斷為區(qū)域。對于這里的多少，可以根據具體城市的實際情況給出一個相應的閥值。至此，我們對擁堵的屬性有了明確識別，下面將對擁堵的疏導情況進行詳細分析。4疏導擁堵的原則和手段41擁堵疏導的一般原則事實上，所有疏導擁堵的策略，都是努力降低現(xiàn)有的交通設施上的車流與容量的比。因此，從這個角度看疏導擁堵策略可以分為兩類：一是降低進入擁堵區(qū)域的車流量；二是提高擁堵區(qū)域內部路網的容量，增加車流流出量。實際上，一個好的處理策略，就是在放流與限流之間做好一個平衡，不但要解決擁堵，還要減少擁堵時間，增加總的通行量。以下介紹的擁堵疏導手段和方案

9、都是基于這個準則的。42擁堵麓導手段擁堵疏導的具體手段主要有三類：交警控制、誘導控制和信號燈控制。交警控制主要有四個功能：在發(fā)生事故時處理事故使得路段盡快恢復交通；在車流量很大及事敏發(fā)生后協(xié)助疏散交通，避免更嚴重的擁堵發(fā)生；對發(fā)生事故或車流很大的路段局部重新分配車道，使有利于雙向車流通行；對慘路、集會等可預見的事件提前作好分流疏導準備。誘導控制主要是利用廣播、信息牌，其有三個主要功能：提供路段信息，告之發(fā)生了事故；提供路段信息，告之前方車流量很大；提供相關路段的路況信息。這三個功能，將提醒駕駛員進行出行路徑的再選擇以免進入擁堵路段，加劇擁堵的程度?？紤]到從現(xiàn)在到策略實施這段時間，擁堵會在相美聯(lián)

10、的路段發(fā)生蔓延因此我們要考慮路段之問的流量相關性，確定堵塞將隨時間在空間和程度上有什么樣的發(fā)展，從而確定控制策略在多大的范圍內實施。所謂路段的流量相關性，是指路段之同的流量變化的關聯(lián)性，一條路段的流量變化將會引起另一條路段流量相應幅度的變化。一般的說，當兩條路段同時處于路網中多條相同的路徑上時，流量的相關性就會很大。流量相關性分析主要用于兩個方面：一是信息牌的設置地點。二是在發(fā)生初始擁堵后，判斷擁堵隨著時間在空間上的發(fā)展趨向。這里路網的相關性分析方法有兩種：統(tǒng)計分析及模糊聚類分析法(由于篇幅限制，作者將另行文論述)和交通專家經驗判定。信號燈控制主要利用信號燈的燈色來控制車流，一般有五個主要調節(jié)

11、手段：增加綠信比，有利于單路口單向放行；減少綠信比，能限制路日單向放行；設置長周期，有利于單個路口車流雙向放行，但對于行人，自行車效果相反；設置短周期，限制單個路口車流雙向放行，但對于行人，自行車有利；強制紅燈，在線控、面控時嚴格限制車流進入擁堵主于道或擁堵區(qū)域。誘導控制和信號燈控制結合，可以實現(xiàn)綠波帶控制，用相位差來實現(xiàn)綠波，誘導信息提供車速，使有利于主干道放流。當主干道下蝣發(fā)生了擁堵，還可以實現(xiàn)紅波帶控制(相對于綠波帶控制而言)，此時，利用相位差，使得每當上游車流達到一個交叉口時，總要等待相當長時間的紅燈期這樣就延緩了車流進入擁堵區(qū)域，緩解了擁堵區(qū)域的擁堵程度。在交通量很大、持續(xù)時間不長時

12、，效果是很好的，這相當于以時間的代價來換取空間?？紤]到我們國家的國情，自行車、行人經常和機動車共用車道，在理論上，針對機動車而言，較長的信號周期有利于放流，這樣可以減少機動車的損失時間。而對于行人、自行車麗言，情況則相反，短的信號周期將有利于放流。因為，短的信號周期將會使交叉路口保持較高飽和度的自行車和行人流量，從而有效利用綠燈放行時間，而且，短的信號周期會減少自行車、行人的等待時間，因為與機動車相比，他們不存在損失時間問題。5擁堵疏導方案當擁堵發(fā)生后，就要綜臺運用以上分析的各種疏導手段來疏導擁堵，這些疏導手段的組合，就形成了擁堵疏導方案。首先，我們考慮路網擁堵原因對擁堵疏導方案的影響。路網擁

13、堵原因：一是突然流量增大；二是不可預見事件主要指交通事故引發(fā)的擁堵；三是可預覓事件，如修路、集會等事件引起的擁堵。對于第三種情況，可預先設定方案，若事件持續(xù)時間較短，由交警現(xiàn)場處理；若事件持續(xù)時間較長，則要考慮重新分配車道；在相關路口設置告示牌；必要時信號燈需重新優(yōu)化配時。所以我們著重考慮由車流量的增大和由交通事故的發(fā)生引起的擁堵問題。由于事故引起的擁堵和正常流量增大引起的擁堵具有相似的擁堵屬性所以在疏導策略上具有共性。但同時也要考慮兩者的差別，對于事故引起的擁堵，要增加對事故本身的處理過程。另外，事故地點的通行能力的下降，導致可采用的疏導方案減少。例如在線拉方案中，綠渡帶方案不能在發(fā)生事故的

14、路段上實施。對于無論是由車流量的增大而引起的擁堵還是由事故的發(fā)生引起的擁堵的疏導方案，可考慮兩者的共性，也需區(qū)別對待它們的差異。圖2是根據不同空間分布形態(tài)給出的般擁堵疏導方案流程圖。一般而畝，每一種擁堵疏導方案都是交警控制，誘導控制和信號燈控銅三類疏導手段的組合運用。點控。首先，如果發(fā)生了事故，派交警去事故發(fā)生地處理事故，以盡快恢復交通；其次，在相關地點的信息脾上提供信息經廣播提供信息，告之事故、擁堵已發(fā)生，以便減少擁堵路口的交通壓力；同時要對上下游路口信號進行優(yōu)化設置。線控首先，如果發(fā)生了事故，派交警去事故發(fā)生地處理事故，以盡快恢復交通；必要時重新分配車道，有利于雙向的車流；處理事故的同時，

15、疏散交通流；其次，在相關地點的信息牌上提供信息，經廣播提供信息，通知擁堵路段外的車輛，事故、擁堵已發(fā)生，并且提供相應的替代路線及通知處理事故的進程及正采用的一些管控手段；再次，在上游限制車流進人擁堵的主干道，包括使用紅波帶控制等疏導手段，對于下游的路段，進行信號優(yōu)化處理，使得有利于節(jié)約其他路段車流的時間。對于已經處于擁堵路段的車輛，通過這些誘導信息使之轉向支路，緩解擁堵主干道的擁堵程度。面控首先，如果發(fā)生了事故，派交警去事故發(fā)生地處理事故，以盡快恢復交通；重新分配車道；處理事故的同時，疏散交通；其次，在相關地點的可變信息牌上發(fā)布信息同時也可通過廣播發(fā)布事故信息；給擁堵區(qū)域外車輛提供相應的替代路線及通知處理事故的進程及正采用的一些管拉手段；對于區(qū)域內部的車流來說：交警疏導，理順交通狀態(tài)，使車流分車道流出擁堵區(qū)域；再次，區(qū)域的外圍的交叉口信號做相應的詞整，減少車流進入擁堵區(qū)域相位的綠燈通行時間，延長車流在擁堵區(qū)域外圍轉向相位的綠燈通行時間。在疏導擁堵的