城市交通擁堵的理論分析與應用

摘 要:城市交通系統是一個復雜巨系統，它的一個重要特點是具有時空復雜性，運用交通流模型研究了網絡拓撲結構對交通擁堵的影響，分析了交通傳播動力學特征和傳播規律，有助于提出消除交通擁堵的有效控制策略以及交通規劃的合理方案。

關鍵詞:復雜網絡交通流交通擁堵

中圖分類號:U12文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2010)05(c)-0226-01

眾所周知，交通運輸系統是一切交通活動的載體，是整個交通活動賴以存在和發揮效能的物質基礎。從理論上分析城市交通網絡時空分布復雜性及其上流量演化的動力學行為是研究復雜交通網絡的關鍵所在，同時也是城市交通網絡研究的關鍵性基礎理論問題之一。城市交通網絡是由線與點以及它們之間的關系組成的，線是指交通網絡中的路段，點是指交通網絡中連接路段的節點，包括道路出入口，交叉口等。同時交通網絡又是一個受環境影響的開放系統，交通問題涉及到人、車、路、環境四者之間的關系，又與政策、法規、管理和控制等密切相關，使得城市交通運行規律變得極其復雜。對于城市交通系統來說，研究不同網絡拓撲結構對交通運行的影響就有著非常重要的意義。

1 我國城市交通擁堵的原因

造成城市交通問題的原因在于城市本身。城市由高度密集的城市逐步演變為在更大區域內日益分散和多極化的城市，人口的不斷增長、由經濟引發的出行行為的增長給城市交通帶來越來越大的壓力。我國城市交通擁堵的具體原因表現為如下幾方面。

首先，城市交通設施落后:改革開放30多年來，國民經濟快速發展，機動車的年平均增長率達13%～15%，同時，道路交通量的年平均增長率超過了15%，全國城市道路里程的年平均增長率卻不足5%。這點非常重要的原因導致了城市交通擁堵頻發。

其次，城市規劃和土地利用不合理:在城市建設過程中過分強調土地的價值，缺乏整體觀念，只注重土地開發的經濟效益，忽視周邊的環境、交通等社會成本，造成城市中心商務區土地利用強度過大及城市人口和城市功能過度集中，從而造成城市交通總需求超過了城市的交通容量上限，使得城市交通問題無法解決。

再次，路網規劃不完善:許多城市的干道網尚未規劃形成，使得大量車流只能擁擠在現有的幾條干道上，不能形成合理分流。城市公共客運發展滯后，加劇交通緊張。城市擁有的社會公共停車位應不少于城市機動車擁有量的10%，但許多城市尚遠遠不能達到此標準，于是大量車輛被迫停靠在公共道路上，使原本不足的道路面積更難以滿足車輛流動的需要，降低了道路的通。

2 交通擁堵的動力學模型

用智能交通系統來解決交通堵塞問題已成為交通發展的趨勢，而研究交通系統最有效的手段是對交通狀況進行仿真。對交通模型的研究近年來引起了諸多學者的興趣，從總體上講，交通流理論模型大體上可劃分為概念上不同的兩類或者三類描述方法，即微觀方法和宏觀方法，或者微觀、宏觀、方法。交通仿真動力學模型既能滿足精度的要求又具有較好的實時性，因此迅速的成為智能交通領域研究的熱點。

在交通仿真器中，交通網絡被劃分為連接線、節點和載入點。每條連接線又被劃分為若干條節段，以反映連接線上地形和交通狀況的變化。每條節段包含運動單元和排隊單元。其中，車輛在運動單元內的速度由速度－密度模型確定。該模型的建立基于以下假設:節段的上游部分速度保持恒定，其下游部分包含一個減速區域，區域中車輛的速度隨位置線性變化。

系統容許從路網中的任一點到目的地有多條可通行的路徑，其離線路徑產生算法采用了許多輔助的方法為路徑誘導和行為模型組件產生路徑。這個處理過程中最終產生的路徑叫做“有效路徑”，即網絡中所有的車輛只在這些有效路徑上運動。路徑的產生分兩步:首先，在正常交通狀況下產生一套有效路徑，然后，增加的路徑，即在存在嚴重交通事件情況下車輛可繞行的路徑也添加到該路徑幾何當中。一條路徑的連接線(弧段)序列可采用如下兩個字段遞歸地枚舉出來:當前連接線的下游連接線標識號、從該下游連接線的下游端點離開的路徑標識號。

3 交通擁堵的理論計算

網絡中的密度流量都呈下降趨勢，而速度呈上升趨勢。明顯可以觀察到，規則網絡容易發生交通擁堵。網絡結構的改變可以改變交通擁堵的發生，就復雜網絡而言，概率選取越大網絡越不容易發生擁堵。這很容易理解，當概率選取越大時，連接邊的節點越具有不確定性，當選取到排列較遠的節點時，其節點間的路段變長，這也意味著通行能力得到了提高，從而緩解了交通的發生。（如圖1）

一旦這樣的路段發生突發事件或其他形式的交通擁堵將會對整個網絡造成嚴重的影響，因此可以適當提高這樣路段的通行能力，或實行臨時性的交通誘導以及分流等措施可以緩解交通擁堵。分析網絡結構對城市交通網絡上流量、費用以及阻塞的影響，以便更好的為交通管理部門規劃、設計和管理提供科學的理論指導，進而為緩解交通擁堵、制定阻塞疏導方案，完善交通網絡結構和進行有效地交通控制服務。同時通過這些研究，可以反推交通網絡的演化機理，揭示其時空和行為復雜性，為建立基于網絡的復雜動力學模型提供底層拓撲，從而為交通規劃、控制和管理策略提供決策依據。

4 結語

隨著我國城市的經濟貿易和社會活動日益繁忙，城市交通發生了前所未有的迅速增長，傳統的道路交通設施已經不能適應現代社會的需要。本文研究了不同網絡的拓撲結構對交通擁堵規律的影響，運用改進的交通仿真模型模擬了車輛在網絡中運動，進而分析復雜網絡上的交通動力學特征及傳播規律。研究城市交通網絡的復雜性，不僅要考察城市交通網絡拓撲本身的結構特征，更重要的是通過考慮城市交通所具有的特性。

參考文獻

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