城市交通擁堵的理論分析與應(yīng)用

摘 要:城市交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，它的一個(gè)重要特點(diǎn)是具有時(shí)空復(fù)雜性，運(yùn)用交通流模型研究了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)交通擁堵的影響，分析了交通傳播動(dòng)力學(xué)特征和傳播規(guī)律，有助于提出消除交通擁堵的有效控制策略以及交通規(guī)劃的合理方案。

關(guān)鍵詞:復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)交通流交通擁堵

中圖分類(lèi)號(hào):U12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3791(2010)05(c)-0226-01

眾所周知，交通運(yùn)輸系統(tǒng)是一切交通活動(dòng)的載體，是整個(gè)交通活動(dòng)賴(lài)以存在和發(fā)揮效能的物質(zhì)基礎(chǔ)。從理論上分析城市交通網(wǎng)絡(luò)時(shí)空分布復(fù)雜性及其上流量演化的動(dòng)力學(xué)行為是研究復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵所在，同時(shí)也是城市交通網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵性基礎(chǔ)理論問(wèn)題之一。城市交通網(wǎng)絡(luò)是由線(xiàn)與點(diǎn)以及它們之間的關(guān)系組成的，線(xiàn)是指交通網(wǎng)絡(luò)中的路段，點(diǎn)是指交通網(wǎng)絡(luò)中連接路段的節(jié)點(diǎn)，包括道路出入口，交叉口等。同時(shí)交通網(wǎng)絡(luò)又是一個(gè)受環(huán)境影響的開(kāi)放系統(tǒng)，交通問(wèn)題涉及到人、車(chē)、路、環(huán)境四者之間的關(guān)系，又與政策、法規(guī)、管理和控制等密切相關(guān)，使得城市交通運(yùn)行規(guī)律變得極其復(fù)雜。對(duì)于城市交通系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，研究不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)交通運(yùn)行的影響就有著非常重要的意義。

1 我國(guó)城市交通擁堵的原因

造成城市交通問(wèn)題的原因在于城市本身。城市由高度密集的城市逐步演變?yōu)樵诟髤^(qū)域內(nèi)日益分散和多極化的城市，人口的不斷增長(zhǎng)、由經(jīng)濟(jì)引發(fā)的出行行為的增長(zhǎng)給城市交通帶來(lái)越來(lái)越大的壓力。我國(guó)城市交通擁堵的具體原因表現(xiàn)為如下幾方面。

首先，城市交通設(shè)施落后:改革開(kāi)放30多年來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)的年平均增長(zhǎng)率達(dá)13%～15%，同時(shí)，道路交通量的年平均增長(zhǎng)率超過(guò)了15%，全國(guó)城市道路里程的年平均增長(zhǎng)率卻不足5%。這點(diǎn)非常重要的原因?qū)е铝顺鞘薪煌〒矶骂l發(fā)。

其次，城市規(guī)劃和土地利用不合理:在城市建設(shè)過(guò)程中過(guò)分強(qiáng)調(diào)土地的價(jià)值，缺乏整體觀念，只注重土地開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，忽視周邊的環(huán)境、交通等社會(huì)成本，造成城市中心商務(wù)區(qū)土地利用強(qiáng)度過(guò)大及城市人口和城市功能過(guò)度集中，從而造成城市交通總需求超過(guò)了城市的交通容量上限，使得城市交通問(wèn)題無(wú)法解決。

再次，路網(wǎng)規(guī)劃不完善:許多城市的干道網(wǎng)尚未規(guī)劃形成，使得大量車(chē)流只能擁擠在現(xiàn)有的幾條干道上，不能形成合理分流。城市公共客運(yùn)發(fā)展滯后，加劇交通緊張。城市擁有的社會(huì)公共停車(chē)位應(yīng)不少于城市機(jī)動(dòng)車(chē)擁有量的10%，但許多城市尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，于是大量車(chē)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(mǎn)足車(chē)輛流動(dòng)的需要，降低了道路的通。

2 交通擁堵的動(dòng)力學(xué)模型

用智能交通系統(tǒng)來(lái)解決交通堵塞問(wèn)題已成為交通發(fā)展的趨勢(shì)，而研究交通系統(tǒng)最有效的手段是對(duì)交通狀況進(jìn)行仿真。對(duì)交通模型的研究近年來(lái)引起了諸多學(xué)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(lèi)或者三類(lèi)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(dòng)力學(xué)模型既能滿(mǎn)足精度的要求又具有較好的實(shí)時(shí)性，因此迅速的成為智能交通領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

在交通仿真器中，交通網(wǎng)絡(luò)被劃分為連接線(xiàn)、節(jié)點(diǎn)和載入點(diǎn)。每條連接線(xiàn)又被劃分為若干條節(jié)段，以反映連接線(xiàn)上地形和交通狀況的變化。每條節(jié)段包含運(yùn)動(dòng)單元和排隊(duì)單元。其中，車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)單元內(nèi)的速度由速度－密度模型確定。該模型的建立基于以下假設(shè):節(jié)段的上游部分速度保持恒定，其下游部分包含一個(gè)減速區(qū)域，區(qū)域中車(chē)輛的速度隨位置線(xiàn)性變化。

系統(tǒng)容許從路網(wǎng)中的任一點(diǎn)到目的地有多條可通行的路徑，其離線(xiàn)路徑產(chǎn)生算法采用了許多輔助的方法為路徑誘導(dǎo)和行為模型組件產(chǎn)生路徑。這個(gè)處理過(guò)程中最終產(chǎn)生的路徑叫做“有效路徑”，即網(wǎng)絡(luò)中所有的車(chē)輛只在這些有效路徑上運(yùn)動(dòng)。路徑的產(chǎn)生分兩步:首先，在正常交通狀況下產(chǎn)生一套有效路徑，然后，增加的路徑，即在存在嚴(yán)重交通事件情況下車(chē)輛可繞行的路徑也添加到該路徑幾何當(dāng)中。一條路徑的連接線(xiàn)(弧段)序列可采用如下兩個(gè)字段遞歸地枚舉出來(lái):當(dāng)前連接線(xiàn)的下游連接線(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)、從該下游連接線(xiàn)的下游端點(diǎn)離開(kāi)的路徑標(biāo)識(shí)號(hào)。

3 交通擁堵的理論計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)中的密度流量都呈下降趨勢(shì)，而速度呈上升趨勢(shì)。明顯可以觀察到，規(guī)則網(wǎng)絡(luò)容易發(fā)生交通擁堵。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變可以改變交通擁堵的發(fā)生，就復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)而言，概率選取越大網(wǎng)絡(luò)越不容易發(fā)生擁堵。這很容易理解，當(dāng)概率選取越大時(shí)，連接邊的節(jié)點(diǎn)越具有不確定性，當(dāng)選取到排列較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，其節(jié)點(diǎn)間的路段變長(zhǎng)，這也意味著通行能力得到了提高，從而緩解了交通的發(fā)生。（如圖1）

一旦這樣的路段發(fā)生突發(fā)事件或其他形式的交通擁堵將會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重的影響，因此可以適當(dāng)提高這樣路段的通行能力，或?qū)嵭信R時(shí)性的交通誘導(dǎo)以及分流等措施可以緩解交通擁堵。分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)城市交通網(wǎng)絡(luò)上流量、費(fèi)用以及阻塞的影響，以便更好的為交通管理部門(mén)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理提供科學(xué)的理論指導(dǎo)，進(jìn)而為緩解交通擁堵、制定阻塞疏導(dǎo)方案，完善交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和進(jìn)行有效地交通控制服務(wù)。同時(shí)通過(guò)這些研究，可以反推交通網(wǎng)絡(luò)的演化機(jī)理，揭示其時(shí)空和行為復(fù)雜性，為建立基于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型提供底層拓?fù)洌瑥亩鵀榻煌ㄒ?guī)劃、控制和管理策略提供決策依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易和社會(huì)活動(dòng)日益繁忙，城市交通發(fā)生了前所未有的迅速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的道路交通設(shè)施已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的需要。本文研究了不同網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)交通擁堵規(guī)律的影響，運(yùn)用改進(jìn)的交通仿真模型模擬了車(chē)輛在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的交通動(dòng)力學(xué)特征及傳播規(guī)律。研究城市交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，不僅要考察城市交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔旧淼慕Y(jié)構(gòu)特征，更重要的是通過(guò)考慮城市交通所具有的特性。

參考文獻(xiàn)

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