城道路交通狀態(tài)評價指標(biāo)體系

1、第一章緒論1.1 研究背景1.1.1 問題的提由改革開放以來，隨著我國現(xiàn)代化、城市化進(jìn)程的加速，交通擁擠問題也逐漸產(chǎn)生并日益嚴(yán)重。近20年，內(nèi)地民用汽車年平均增長率為13.3%,私人汽車年平均增長率高達(dá)23.7%。其中，北京作為人口超過2000萬人、機(jī)動車500萬輛的特大城市，交通擁堵已成為制約城市發(fā)展的主要問題，2010年10月的美國外交政策一書更是將北京列為世界五大擁堵城市之首。城市交通擁擠已嚴(yán)重阻礙中國城市經(jīng)濟(jì)及空間布局結(jié)構(gòu)的良性發(fā)展，在社會各個方面造成負(fù)面效應(yīng)，具體表征為時間延誤、能源浪費(fèi)、大氣污染及情緒影響等。這些負(fù)面效應(yīng)使得社會外部成本增高，危害了人類的經(jīng)濟(jì)利益和健康安全，更不符合

2、建設(shè)和諧交通的目的。因此，從科學(xué)的角度對城市道路擁擠的根本原因進(jìn)行深入分析顯得格外重要。這不是單純地統(tǒng)一增加道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、擴(kuò)大路網(wǎng)規(guī)模來滿足不斷增長的交通需求量，而是通過擁擠識別確定城市不同道路的擁擠度來實(shí)施不同的解決措施。建立完善的、符合我國國情的交通擁擠識別體系并合理運(yùn)用成為當(dāng)務(wù)之急。1.1.2 研究意義我國是一個人口眾多的發(fā)展中國家。自1991年以來，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度持續(xù)超過10%而持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長使得人民對交通的需求擴(kuò)大。汽車產(chǎn)量增大，人民的購買力上升，人民的配車率提高，私人小汽車的數(shù)量快速增長，城市的交通需求與交通供給出現(xiàn)了不平衡狀況，導(dǎo)致了城市尤其是大城市嚴(yán)峻的交通擁擠問題。因

3、此，此次研究的目的就是通過分析交通指揮中心的固定檢測器采集和實(shí)地考察的交通數(shù)據(jù)，在交通擁擠識別體系下，計算出有效的道路實(shí)時動態(tài)交通信息，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息實(shí)時、準(zhǔn)確地為管理者制定合理有效的交通擁擠疏導(dǎo)策略。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 擁擠識別研究現(xiàn)狀到目前為止，國內(nèi)外對很多學(xué)者研究開發(fā)了許多的ACI算法。加利福尼亞算法。通過比較鄰近檢測站之間的交通參數(shù)數(shù)據(jù)，對可能存在的突發(fā)交通事件進(jìn)行判別，由此確定交通擁擠的發(fā)生。此算法于1965-1970年間，由加利福尼亞洲運(yùn)輸部開發(fā)。McMaster算法。該算法由Persaudetal(1990)根據(jù)突變理論開發(fā)出來。它使用大量的擁擠和非擁擠交通狀態(tài)

4、下的流量-占有率歷史數(shù)據(jù)，開發(fā)一個流量-占有率分布關(guān)系模板，通過將觀測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系與模板進(jìn)行兩次比較，判斷是否發(fā)生了交通擁擠以及發(fā)生的是偶發(fā)性擁擠還是常發(fā)性擁擠。1974年Cook開發(fā)了一種雙指數(shù)平滑算法。這種方法通過將原有交通數(shù)據(jù)去除短期的交通干擾(如隨機(jī)波動、交通脈沖和壓縮波)后的處理數(shù)據(jù)與預(yù)定的閩值進(jìn)行比較，判斷是否有擁擠發(fā)生。1982年Ahmadfficook提出了一種基于占有率時間序列分析方法的交通擁擠識別算法。在這種算法中，利用一個時間序列模型對一個檢測站點(diǎn)過去幾個時間間隔中占有率的變化趨勢進(jìn)行擬合，并通過此模型預(yù)測出下一個時間間隔占有率的范圍，如果實(shí)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的偏差或者偏離

5、預(yù)測平均值程度太大，此算法就會判定發(fā)生交通擁擠。1.2.2 解決擁擠措施成功案例(1)國內(nèi)成功案例1998年廣州市進(jìn)行了廣州市城市交通需求管理的研究。同時，也介紹了需求管理策略，這一策略的核心是利用需要與價格之間的敏感關(guān)系進(jìn)行的調(diào)整擁擠程度的策略。自20世紀(jì)70年代以來，香港出臺了一系列措施，如車輛駕駛員發(fā)照制度、大幅度提高小汽車稅率、建立比較完善的交通影響評估制度以及1997年開始的電子道路收費(fèi)系統(tǒng)，最終使香港成為世界上用地緊張但交通最暢通的城市之科技部在“十五'期間確定的10個示范城市，包括北京、上海、杭州等，在示范工程建設(shè)過程中，幾乎都將交通綜合信息平臺的研究開發(fā)作為示范工程的重

6、要組成部分。目前各個城市都取得了一定的進(jìn)展，部分城市開始進(jìn)入實(shí)施階段，也先后提出了ITMS的發(fā)展規(guī)劃，并進(jìn)行了不同程度的開發(fā)和研究。(2)國外解決交通擁擠的措施新加坡的擁車證和收費(fèi)制度在新加坡買車之前，須向政府投標(biāo)買一張“擁車證”，沒有擁車證不準(zhǔn)注冊登記領(lǐng)取牌照，政府通過控制擁車證的數(shù)量和價格來控制車輛的數(shù)量。早在1975年，新加坡政府就對中央商務(wù)區(qū)實(shí)施使用收費(fèi)制度，凡在7:3018:30之間駛?cè)朐搮^(qū)的汽車都要購買執(zhí)照證，以減少中央商務(wù)區(qū)的交通流量，緩解交通壓力。美國的綜合交通需求管理政策通過車輛配額限制、車輛許可制度、車輛標(biāo)準(zhǔn)限制、經(jīng)濟(jì)調(diào)控限制等方法來控制車輛總需求量；通過交通管理限制、車輛

7、行駛限制、車輛停車限制、經(jīng)濟(jì)調(diào)控限制等方法來控制交通流量。荷蘭政府的ABC政策目的是通過合理的土地利用，促進(jìn)出行者利用大運(yùn)量公共交通工具，從而避免小汽車交通量的增加。日本的單向通行政策日本政府為了解決城市交通擁擠，早在20世紀(jì)60年代就引入了單向通行政策，并根據(jù)早晚高峰來變動道路中央分隔線，滿足交通量大的方向的通行。(3)存在的問題國內(nèi)對交通擁擠自動識別的研究比較晚，相關(guān)理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展緩慢，多是借鑒國外的經(jīng)驗。合理的交通擁擠解決方法必然是基于本國的社會、經(jīng)濟(jì)和地域背景而得出的，國外的政策不能直接應(yīng)用到我國的實(shí)際建設(shè)之中，所以我們需要研究、分析它們的合理性，綜合借鑒自身國情，提出

8、比較完善的有實(shí)際意義的措施。1.2.3 論文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容(1)綜合數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)動力學(xué)等學(xué)科知識，通過問卷調(diào)查、實(shí)地了解等調(diào)查方式，了解南京市主要路段交通擁擠基本情況，認(rèn)真學(xué)習(xí)交通擁擠識別系統(tǒng)對于緩解交通擁擠的作用；(2)深入探索各種交通擁擠識別模型，闡述擁擠發(fā)生時，交通流的基本特性以及在擁擠發(fā)生前識別系統(tǒng)對其的預(yù)測作用；(3)參考國內(nèi)外先進(jìn)的交通擁擠識別研究，結(jié)合南京市具體情況，對南京市城區(qū)主要道路的城市交通網(wǎng)絡(luò)提出交通擁擠分類識別的理論方法；(4)城市交通流控制與誘導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可適應(yīng)主要路段實(shí)時多變的交通狀況，而實(shí)時、準(zhǔn)確的交通流量預(yù)測正是這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提及關(guān)鍵；(5)運(yùn)

9、用Pipes-Munjal方法判定主要路段的擁擠度，結(jié)合路段實(shí)際情況，探索該方法的實(shí)際效用。第二章城市道路交通狀態(tài)評價指標(biāo)體系2.1 城市道路狀態(tài)指標(biāo)基本分析交通擁擠之所以稱為全世界大中城市所而臨的共同問題，其本質(zhì)是因為在道路系統(tǒng)中存在著低通行能力的道路組成部分，即交通瓶頸。當(dāng)瓶頸上游的交通量大于瓶頸處的通行能力時，擁擠不可避免。同時交通量在時間_1幾和空問上分布又存在著不均勻性，交通事故也是時常發(fā)生，這些都造成了城市道路頻繁的發(fā)生交通擁擠，根據(jù)宏觀交通流和微觀交通流發(fā)生運(yùn)行故障的本質(zhì)不同，可以將交通擁擠分為常發(fā)性交通擁擠和偶發(fā)性交通擁擠。2.1.1 交通擁擠的含義及分類交通擁擠是指交通需求超

10、過道路的交通容量時，超過部分的交通量滯留在道路上的交通現(xiàn)象。它是某一時空交通供給難以滿足交通需求所產(chǎn)生的交通滯留現(xiàn)象，是基于出行者主觀感受做出的描述和判斷，與出行個體基于不同出行目的的心理承受能力相關(guān)。交通擁擠通常分為兩種類型，由于過大的交通需求造成道路設(shè)施超載所引起的交通擁擠，例如上下班高峰時刻所發(fā)生的擁擠現(xiàn)象。另一種是由于道路上的隨機(jī)事件所引起的延誤和危險構(gòu)成的交通擁擠，如交通事故、車輛停駐、惡劣的天氣。止匕外，根據(jù)擁擠形成的先后次序，可以將交通擁擠分為初始交通擁擠和后續(xù)交通擁擠。初始交通擁擠是指在一個道路瓶頸處首先產(chǎn)生的交通擁擠。后續(xù)交通擁擠是指由初始交通擁擠的回流和蔓延而形成的交通擁擠

11、。2.1.2 交通流特性及交通擁擠判別的基本參數(shù)交通流特性可用交通量、車速和交通密度三個參數(shù)予以描述。速度和密度反應(yīng)交通流從路上獲得的服務(wù)質(zhì)量，交通量可量度車流的數(shù)量和對交通工程設(shè)施的需要情況。三參數(shù)之間的關(guān)系式可表示為：f=kv這一關(guān)系式可視為一個三維空間中的一條空間曲線，稱為交通流模型曲線圖，圖31。為了研究方便，通常以圖32所示的二維正交投影來表示它們兩兩之間的關(guān)系。Q=kv交通流參數(shù)f-k、v-k、f-v正交投影圖交通流是整體的、宏觀的概念，通過對大獄觀測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)交通流具有一定的特征性傾向，為此提出了交通流特性的概念。交通流特性是用來描述和反映交通流特性的物理量，稱為交通流參數(shù)

12、，是交通流運(yùn)行狀態(tài)的定性、定量特征。交通流參數(shù)分為宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)，宏觀參數(shù)用于描述交通流作為一個整體表現(xiàn)出來的運(yùn)行狀態(tài)特性，主要包括交通量、速度、交通密度、占有率、排隊長度；微觀參數(shù)用于描述交通流中彼此相關(guān)的車輛之問的運(yùn)行狀態(tài)特性，包括車頭時距和車頭間距。2.1.2.1 交通量交通量又稱流量，是指單位時間內(nèi)，通過道路指定地點(diǎn)或斷面的車輛數(shù)。交通量不是一個靜止不變的量，具有隨時間和空間變化而變化的特征。度量城市交通特性的一種方法是在道路系統(tǒng)內(nèi)一系列的位置上觀察交通量在時間和空間上的變化規(guī)律，并繪出交通流等值圖。當(dāng)交通量超過某一水平時，就認(rèn)為發(fā)生擁擠。然而，這種判斷存在的問題是同一流量水平可以

13、對應(yīng)兩種截然不同的交通狀態(tài)，因此這種參數(shù)應(yīng)該與其它方法相結(jié)合，而不是單獨(dú)使用2.1.2.2 速度速度是描述交通流狀態(tài)的第二個基本參數(shù)，其含義是車輛在單位時間內(nèi)通過的距離。從微觀上看，每個車輛都有瞬時速度和在特定時間段內(nèi)的平均行駛速度和平均行程速度。從宏觀來看，交通流的平均速度有在特定地點(diǎn)的時間平均速度（平均地點(diǎn)速度）和在特定路段上的區(qū)間平均速度（平均行程速度）之分。前者體現(xiàn)了交通流在特定觀測地點(diǎn)處的運(yùn)行狀況，后者體現(xiàn)了交通流在特定路段空間上的運(yùn)行狀況，當(dāng)這兩種速度值明顯低于正常值時，表明觀測地或觀測路段的交通處于擁擠狀態(tài)。2.1.2.3 交通流密度交通流密度是指在某一瞬間，單位道路長度上存在的

14、車輛數(shù)，即K=N/L式中:K為交通密度件fi/km車道），N為車輛數(shù)（輛），L為觀測路段長度（km）。在通常情況下，交通流量大，交通密度也大。但當(dāng)?shù)缆方煌ㄊ謸頂D、車流處于停滯狀態(tài)時，交通流量近似等于零，而此時的交通密度卻接近于最大值。因此，單純使用交通流量指標(biāo)難以表示交通流的實(shí)際狀態(tài)，而采用交通密度指標(biāo)能夠做出較好的評價。盡管交通密度能夠直觀地表明交通狀態(tài)的性質(zhì)，但由于數(shù)據(jù)的采集難度大，這個參數(shù)的實(shí)際應(yīng)用是很有限的2.1.2.4 占有率車道占有率包括時間占有率和空間占有率兩種。在道路的一定路段上，車輛總長度與路段總長度之比稱為空間占有率，通常以百分?jǐn)?shù)表示?？臻g占有率直接反映了交通密度的高低，

15、但更能表明道路被實(shí)際占用的情況。與交通密度相似，由于這個交通參數(shù)數(shù)據(jù)的改接獲取存在較大的難度，因此實(shí)際上一般不被采用。時間占有率是指在一定的觀測時間T內(nèi)，交通檢測器被車輛占用的時間總和與觀測時間長度的比值，計算公式為：Occupy=ti/T式中:occopy為時問l片有率，Ati為第i輛車占用檢測器的時間(s),T為觀測時間段的長度(S)o時間占有率的大小能夠體現(xiàn)交通運(yùn)行的狀態(tài)。在交通流量較小的情況下，單位時間內(nèi)通過檢測器的車輛數(shù)較小，而且由于車速較高，導(dǎo)致時間占有率比較低。隨著交通量的增加，單位時間內(nèi)通過檢測器的車輛數(shù)增加，而且車速有所降低，因此檢測器被車輛占用的時間增加，時間占有率顯著增加

16、。當(dāng)出現(xiàn)交通擁擠時，通過檢測器的交通量雖然可能會有所降低，但由于車速明顯下降而使得時間占有率仍然處于較高的水平。2.1.3 基于交通流參數(shù)的交通擁擠關(guān)系分析交通檢測裝置可以方便的得到流量、速度、占有率這些表征宏觀交通狀態(tài)的物理參數(shù)。描述這三者之間的關(guān)系的模型有多種，其中最典型的是格林希爾茨根據(jù)觀測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果所提出的v-K線性關(guān)系模型V=a-bk,并推導(dǎo)出了如下關(guān)系式：v=v(i-k/kj)仁kj(v-vv)f=vi(k-k2/kj)其中：K為車流密度，V為行車速度，f為交通流量，為暢行速度，憶為堵塞密度。格林希爾茨給出的速度和流量之間的關(guān)系符合拋物線模型，如圖，其中，uo表示是車輛在相應(yīng)道

17、路中能夠行駛的最快速度。fm為臨界流量，是道路能夠承載的最大交通流量?！笔桥R界速度，是臨界Uc流量對應(yīng)的行駛速度。當(dāng)車輛速度大于臨界速度時，隨著交通流量的增加，車輛行駛速度降低，意味著交通趨于擁擠。交通狀況繼續(xù)惡化。當(dāng)達(dá)到臨界流量的時候，即使車輛越積越多，道路通行能力有限車輛也難以通過路段，會滯留在其中，導(dǎo)致車輛通過道路的時間將增加。由于流量的定義為單位時間通過巡路的車輛數(shù)目，所以交通流不再提高反而會降低，此時車輛速度也會繼續(xù)降低，直到速度降低至零。交通流量為零的情況發(fā)生在兩種情況，或者道路非常通暢，沒有車輛行駛，或者交通嚴(yán)重?fù)頂D，車輛根本無法行進(jìn)，無法產(chǎn)生交通流量。2.2 城市道路交通狀態(tài)分

18、析要對城市道路的擁擠狀態(tài)進(jìn)行識別，首先要了解城市道路的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，然后分析城市道路擁擠產(chǎn)生的原因，明確擁擠的分類。造成城市道路通行能力下降及交通擁擠的因索除了道路原因、交通事件等之外，駕駛員山于技術(shù)水平，性格特征以及對道路的熟悉程度存在差異，亦會形成不同的駕駛行為，造成交通分布不均。道路收費(fèi)、車速、載重限制等因素有時會學(xué)致道路通行能力及行駛偏好有差異。2.2.1 城市道路的分類城一市路網(wǎng)主要包括快速路、主干路、次干路、支路和交又口?？焖俾肥且粚檐囁俑摺⑿谐涕L的汽車交通連續(xù)通行設(shè)置的重要交通干路，設(shè)計行車速度要求達(dá)到6080km/h?？焖俾肪哂懈咚俟返慕煌ㄌ卣鳎槎v行駛速度較高，封閉性強(qiáng)。主干路是城市道路網(wǎng)的骨架，是連接.城市各主要分區(qū)的交通十路，以交通功能為主，它與快速路共同分