城市交通拥堵疏导计算机辅助决策系统

城市交通拥堵疏导辅助决策系统

针对城市交通拥堵问题，详细分析了城市交通拥堵产生的原因，类型和程度，并对拥堵的空间分布形态及计算机自动识别方法进行了讨论．同时提出了根据路段流量和排趴信息来检测、预报交通事故和拥堵的新方法，最后分析了疏导拥堵的各种手段，并根据不同的拥堵原因和拥堵空间分布形态．提出了相应的综合疏导拥堵方案。随着城市规模的扩大，人们社会活动的增多，交通需求量迅速上升，交通拥堵和事故频繁发生，越来越严重地困扰着各大城市。近年来．发达国家 已从主要依靠扩大路网规模来满足日益增长的交通需求，转向利用先进的技术来管理现有的交通体系。目前，越来越多的国内学者对城市交通拥堵疏导问题进行了研究，在基础理论上，已取得相当的进展．但在实际的城市交通管理和控制技术上还相对落后。为了提高我国交通管理部门的指挥能力和对拥堵的快速反应能力，特别是处理突发性交通拥堵的能力，我们开发了一个交通拥堵疏导的辅助头策系统，把理论和应用有机结合起来。

1.拥堵属性

由于城市交通拥堵现象的复杂性，我们首先必须对城市拥堵的特征进行深入的分析，才能为以后的疏导方案提供全面可靠的决策依据。事实上，城市交通网络上的拥堵状况取决于组成城市交通网络的各个路段的交通状况和交叉口的交通状况。考虑到任何一个交叉口的交通状况也是由与其相连路段的交通状况所决定的，因此我们不妨以路段为单位来讨论拥堵的属性，主要包括拥堵发生的时间、地点、原因、类

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型、程度五个特征。

1)拥堵时间。由于事件或拥堵发生的时间不同，对道路通行能力产生的影响也是不同的，发生在高峰期的拥堵．随着交通流量的持续增大，必然会迅速产生严重的拥堵蔓延，因此对不同时段发生的拥堵，所采用的控制手段也是不同的。一般，根据交通流量的大小，将时段分为高峰期、平峰期、低谷期。

2)拥堵的地理位置。发生在不同地段的事件

或拥堵，会对道路通行能力产生不同的影响。发生在关键路段的拥堵，会迅速引起严重的拥堵曼延。因此对不同地段的拥堵，要采用不同的控制措施。一般划分为：闹市区路段、重要路段，一般路段及次要路段。

3)拥堵原因。一是正常拥堵，由车流量突然增大，超过了道路的容量引起。这种拥堵多发生在上下班高峰时间段内，属于周期性的拥挤。二是非正常情况下的拥堵，主要是由于一些特殊事件引起道路容量的减少或是吸引过多的流量而引起的拥挤。而事件又分为可预见的和不可预见的两种情况。前者指计划中的道路维护等事件，或者是某地 段正进行大型活动等；而后者指的是突然发生的交通事故或社会治安事件等。

4)拥堵类型。一是初始拥堵，由路网中的瓶颈引起的排队、拥堵；二是后续拥堵，即初始拥堵引起其他交叉口排队、拥堵。一般地说．我们更关心初始拥堵，因为这是疏导拥堵的核心所在。

5)拥堵程度。用车辆等待的信号周期数或排队长度，来描述与交叉口

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相关联的进口路段上的不同拥挤程度。拥挤。该路段始终有排队，单一排队车辆在两到三个信号周期内可以通过交叉口。非常拥挤。该路段始终有排队，且排队车辆要等待四个到五个信号周期可以通过交叉口。严重拥挤。该路段始终有排队，且排队车辆要等待五个以上信号周期甚至更多。死锁。车辆几乎不能前行。

2.交通拥堵与交通事故的实时检测

交通拥堵属性识别和判断的自动化以及指挥调度优化决策方案的自动化，都需要对路网流量和排队的实时监控。根据具体城市交通流量的变化，一天24h，可分为Ⅳ个交通时段。在每一个时段内，每一个路段都有一个正常的流量范围[Qmin，Qmax]，这可以根据历史的交通数据统计而得。通过路段流量检测器与排队检测数据与相应路段的历史数据比较，可以判断流量是否正常。若检测流量超过正常流量上限，说明有可能会发生拥堵。若检测流量低于正常流量下限，则有两种可 能：一是路段上车辆确实少；二是路段上车流密度特别大，且车速很小，流量检测器已无法检测到路段上的实际车流密度。对于前者，此时要求操作员检查上游路口是否发生了拥堵或事故。若没有，说明现在车流密度确实比较小。对于后者，则要进行拥堵疏导的相关处理。 图l为路网中路段的事件检测流程图，其中： TB。表示连续流量Q>Qmax的周期数，TS表示连续 有流量Q1

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TB，的阈值，这与具体的城市有关。

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3.拥堵空间分布形态及其自动识别

拥堵一旦发生，会迅速蔓延，形成多种空问分布形式。根据空间分布形式的不同，所采用的疏导方案也是不同的。一般说来，拥堵的空间分布形式可分为：点、线、面三种。所谓点的形式是指：一个或多个路口堵塞，但独立；线的形式是指多个路口堵塞，且在一条主干道上；而面的形式是指多个路段拥堵，且相互影响，形成拥堵区域。如何自动识别拥堵空间分布形式，是快速实施疏导方案的关键所在。 单个路口的情况较简单，自动识别也容易。而其交通主干道可以有交通专家预先给出(因为一线性和区域状空间分布的识别较难。我们提出采个城市主干道的数目有限，所以这种枚举是可行用检索、匹配的方法。对于一个具体的城市来说． 的)，存放于一个数据库中，从每条路段流量和排队检测器来的数据，经过处理，对那些发生拥堵且 相关的路段，与预先设置的交通主干道的路段比较。如果这些拥堵路段有很多在已知的主干道上。且仅有少量在次千道上的，则可以判断为线性；否则可以判断为区域。对于这里的多少，可以根据具体城市的实际情况给出一个相应的阀值。至此，我们对拥堵的属性有了明确

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识别，下面将对拥堵的疏导情况进行详细分析。 4．疏导拥堵的原则和手段 4．1拥堵疏导的一般原则

事实上，所有疏导拥堵的策略，都是努力降低现有的交通设施上的车流与容量的比。因此，从这个角度看．疏导拥堵策略可以分为两类：一是降低进入拥堵区域的车流量；二是提高拥堵区域内部路网的容量，增加车流流出量。实际上，一个好的处理策略，就是在放流与限流之间做好一个平衡，不但要解决拥堵，还要减少拥堵时间，增加总的通行量。以下介绍的拥堵疏导手段和方案都是基于这个准则的。 4．2拥堵麓导手段

拥堵疏导的具体手段主要有三类：交警控制、诱导控制和信号灯控制。 交警控制主要有四个功能：①在发生事故时．处理事故使得路段尽快恢复交通；②在车流量很大及事敏发生后协助疏散交通，避免更严重的拥堵发生；③对发生事故或车流很大的路段局部重新分配车道，使有利于双向车流通行；④对惨路、集会等可预见的事件提前作好分流疏导准备。诱导控制主要是利用广播、信息牌，其有三个主要功能：①提供路段信息，告之发生了事故；②提供路段信息，告之前方车流量很大；③提供相关路段的路况信息。这三个功能，将提醒驾驶员进行出行路径的再选择．以免进入拥堵路段，加剧拥堵的程度。考虑到从现在到策略实施这～段时间，拥堵会在相美联的路段发生蔓延．因此我们要考虑路段之问的流量相关性，确定堵塞将随时间在空间和程度上有什么样的发展，从而确定控制策略在多大的范围内实施。所谓

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路段的流量相关性，是指路段之同的流量变化的关联性，一条路段的流量变化将会引起另一条路段流量相应幅度的变化。一般的说，当两条路段同时处于路网中多条相同的路径上时，流量的相关性就会很大。流量相关性分析主要用于两个方面：一是信息牌的设置地点。 二是在发生初始拥堵后，判断拥堵随着时间在空间上的发展趋向。这里路网的相关性分析方法有两种：统计分析及模糊聚类分析法(由于篇幅限制，作者将另行文论述)和交通专家经验判定。信号灯控制主要利用信号灯的灯色来控制车流，一般有五个主要调节手段：①增加绿信比，有利于单路口单向放行；②减少绿信比，能限制路日单向放行；⑧设置长周期，有利于单个路口车流双向放行，但对于行人，自行车效果相反；④设置短周期，限制单个路口车流双向放行，但对于行人，自行车有利；⑤强制红灯，在线控、面控时．严格限制车流进入拥堵主于道或拥堵区域。诱导控制和信号灯控制结合，可以实现绿波带控制，用相位差来实现绿波，诱导信息提供车速，使有利于主干道放流。当主干道下蝣发生了拥堵，还可以实现红波带控制(相对于绿波带控制而言)，此时，利用相位差，使得每当上游车流达到一个交叉口时，总要等待相当长时间的红灯期．这样就延缓了车流进入拥堵区域，缓解了拥堵区域的拥堵程度。在交通量很大、持续时间不长时，效果是很好的，这相当于以时间的代价来换取空间。考虑到我们国家的国情，自行车、行人经常和机动车共用车道，在理论上，针对机动车而言，较长的信号周期有利于放流，这样可以减少机动车的损失时间。而对于行人、自行车丽言，情况则相反，短的信号周期将有

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利于放流。因为，短的信号周期将会使交叉路口保持较高饱和度的自行车和行人流量，从而有效利用绿灯放行时间，而且，短的信号周期会减少自行车、行人的等待时间，因为与机动车相比，他们不存在损失时间问题。 5．拥堵疏导方案

当拥堵发生后，就要综台运用以上分析的各种疏导手段来疏导拥堵，这些疏导手段的组合，就形成了拥堵疏导方案。首先，我们考虑路网拥堵原因对拥堵疏导方案的影响。路网拥堵原因：一是突然流量增大；二是不可预见事件．主要指交通事故引发的拥堵；三是可预觅事件，如修路、集会等事件引起的拥堵。对于第三种情况，可预先设定方案，若事件持续时间较短，由交警现场处理；若事件持续时间较长，则要考虑重新分配车道；在相关路口设置告示牌；必要时信号灯需重新优化配时。所以我们着重考虑由车流量的增大和由交通事故的发生引起的拥堵问题。由于事故引起的拥堵和正常流量增大引起的拥堵具有相似的拥堵属性．所以在疏导策略上具有共性。但同时也要考虑两者的差别，对于事故引起的拥堵，要增加对事故本身的处理过程。另外，事故地点的通行能力的下降，导致可采用的疏导方案减少。例如在线拉方案中，绿渡带方案不能在发生事故的路段上实施。对于无论是由车流量的增大而引起的拥堵还是由事故的发生引起的拥堵的疏导方案，可考虑两者的共性，也需区别对待它们的差异。图2是根据不同 空间分布形态给出的～般拥堵疏导方案流程图。

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一般而亩，每一种拥

堵疏导方案都是交警控制，诱导控制和信号灯控铜三类疏导手段的组合运用。点控。首先，如果发生了事故，派交警去事故发生地处理事故，以尽快恢复交通；其次，在相关地点的信息脾上提供信息．经广播提供信息，告之事故、拥堵已发生，以便减少拥堵路口的交通压力； 同时要对上下游路口信号进行优化设置。线控首先，如果发生了事故，派交警去事故发生地处理事故，以尽快恢复交通；必要时重新分 配车道，有利于双向的车流；处理事故的同时，疏散交通流；其次，在相关地点的信息牌上提供信息，经广播提供信息，通知拥堵路段外的车辆，事故、拥堵已发生，并且提供相应的替代路线及通知处理事故的进程及正采用的一些管控手段；再次，在上游限制车流进人拥堵的主干道，包括使用红波带控制等疏导手段，对于下游的路段，进行信号优化处理，使得有利于节约其他路段车流的时间。对于已经处于拥堵路段的车辆，通过这些诱导信息使之转向支路，缓解拥堵主干道的拥堵程度。面控首先，如果发生了事故，派交警去事故发生地处理事故，以尽快恢复交通；重新分配车道；处理事故的同时，疏散交通；

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其次，在相关地点的可变信息牌上发布信息．同时也可通过广播发 布事故信息；给拥堵区域外车辆提供相应的替代路线及通知处理事故的进程及正采用的一些管拉手段；对于区域内部的车流来说：交警疏导，理顺交通状态，使车流分车道流出拥堵区域；再次，区域的外围的交叉口信号做相应的词整，减少车流进入拥堵区域相位的绿灯通行时间，延长车流在拥堵区域外围转向相位的绿灯通行时间。在疏导拥堵的过程中，值得注意的问题是：对于由流量增大引起的初始摁堵的地点，称之为拥堵核心，这个核心是解决拥堵的关键。在解决拥堵的时候，会发生这样的问题，即一个拥堵核心消散了，另外的拥堵核心又产生了，我们称之为拥堵核心的漂移。对于这个问题，一方面流量相关性分析和直观的实时电子地图对控制中心会有帮助，控制中心在采取策略时，要避免发生拥堵核心的漂移。另一方面，如果知道oD量，那么转移流量策略将更有目的性，可以在合适的路口．对具有不同目的地的车辆，给出各自相应的的建议路线。图3给出了交通拥堵疏导流程图。

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