交通擁擠管理的智能體系與實施應用

劉瀾 馬亞峰 高士麟

導讀：為提升城市交通擁擠管理的技術水平，智能化是必然的發展趨勢。根據現有理論，城市交通擁擠管理歸納為時間、對象和技術三個維度，具體實施三大管理，即：高峰期交通管理、交通安全性管理和網絡交通管理。交通擁擠管理的智能化，就是應用ITS技術，從上述三個維度，實現三大管理的系統化、聯動化、智能化，包括：配建路網智能交通設施、開發先進的出行者信息系統、建立智能交通指揮中心、實現公共交通服務系統智能化、應用先進的城市交通信號控制系統及智能車輛的開發和應用。

引言

交通擁擠和阻塞是城市化、現代化、機動化進程中不可避免的現象，從社會發展趨勢看，發展經濟一般都會導致車路發展矛盾、出行需求與管理服務矛盾的激化，這種矛盾突出地表現在大中型城市對私家車運用的管控上。綜合我國公安部網站消息和有關分析[1]，到2011年6月末我國私家車數量約有4000萬，而全國機動車總保有量更是高達2.17億輛，其中汽車9846萬輛，摩托車1.02億輛。并且，這些數量還在快速增長，1998年我國每90人擁有1輛私人汽車，相當于美國1910年前后的水平，到2000年我國的這一比例已達到每70人擁有一輛私人車輛[2]。這樣的交通需求態勢給道路交通、尤其是城市交通形成巨大的壓力。

要解決交通擁擠，往往牽一發而動全身。從上世紀五、六十年代開始，以英、美、日等發達國家為代表的大量國家和地區，對城市交通擁擠管理進行了積極有益的探索，從主要依靠多修道路和擴大路網規模來滿足不斷增長的交通需求，轉變到用高新技術改造現有交通運輸系統及管理體系，從而大幅度提高路網通行能力和服務質量[3]，直至形成當今以ITS（Intelligent Transportation System，智能交通系統）為主流的交通擁擠管理技術。

ITS較之于傳統交通系統的區別，在于以先進的信息技術重新構建了人、車、路（包括軌道交通基礎設施）以及環境之間的相互關系和各自作用，已成為解決當前城市交通擁擠等諸多問題的最有效途徑，是交通運輸系統發展的主要模式和方向。表面上看，交通擁擠是因為車多路少，管理者和出行者更容易直觀地歸咎于私家車的增長和無序的交通行為。研究表明，城市交通擁擠的發生致因作用復雜，涉及宏觀和微觀、軟件和硬件等多種因素及其相互作用[4]，交通擁擠的對策，必然是物理-事理-人理[5]綜合作用和時間-空間博弈轉化的復雜系統問題，而且作為一個工程應用問題，擁擠管理就是在對道路交通狀態進行準確判斷和預測的基礎上選擇合理的管理策略，是一種決策行為，它包括監視、檢測、診斷、評價和對策等一套系統性的方法[6]。在過程控制中，可以通過道路上信標和車載信息設備，給駕駛員提供更多關于他們正在使用的道路和交通狀態條件信息，進行事故預警和網絡流量的重新分配。這一系列過程處理及決策的形成，本質上是對多樣化、多形式、多層次信息的有效處理，進而做出交通擁擠管理決策。因此，信息要素在交通運輸系統中的突出作用和信息技術對處理大規模復雜和動態系統的能力質的飛躍，使得研究和應用基于ITS的交通擁擠管理對策成為必然。

一、城市交通擁擠特征及對策綜述

當交通擁擠發生時，主要表現在路段行車速度的降低，路口延誤的增加，交通事故率的上升以及污染物排放的大量增加。由于城市交通系統是一個具有層次性、模糊性、隨機性和未確知性的非線性的復雜系統[7]，交通擁擠也表現出相應的特性：

一是系統性。擁擠的發生與系統的不同層次都會發生聯系，從而表現出一定的層次性和相關性。

二是模糊性。多種性質的交通系統要素以及交通狀態監測、控制和管理中存在許多半結構化或非結構化的概念及方法、例如對擁擠的定義和量化，使得交通擁擠及其對策帶有必然的模糊性。

三是隨機性。大量的偶發性交通擁擠表現為時變的隨機過程，主要體現的是系統的隨機動態變化特性。

四是偶發性。它既不屬于模糊現象，也不是隨機過程，而是由于不確定性因素、例如人為主觀作用等引發，這種交通擁擠不具有重復性、再現性，易使相應的對策產生偏差。

上述基本性質使現實中的交通擁擠集中反映出在幾個特征，即：影響的群體更多；影響的時間更長；出行過程的額外損失增加；偶發性擁擠對形成大范圍擁擠的影響更加巨大，交通系統的運營在累積更大的不確定性。

長期以來，無論是針對交通擁擠的普遍規律還是專門現象，也無論是理論研究還是工程應用，從交通流特性、擁擠致因、出行行為特性、系統建模、算法設計、土建工程、信息技術開發等方面涌現了大量成果。僅直接以“交通擁擠/traffic congestion”為題，CNKI期刊全文數據庫檢索文獻有2544篇，碩、博士論文數據庫檢索文獻有1583篇，在Taylor & Francis期刊數據庫中達8952篇，在Elsevier期刊數據庫中更是達19594篇。此外，這一主題下還有大量圖書、會議論文、以及專利等特種文獻，例如，在ASCE(美國土木工程師學會)全文數據庫中，該主題檢索文獻達91257篇。

上述研究與實踐以解決交通擁擠問題為目標，見仁見智，皆有可借鑒及效法之處。從交通擁擠對策角度分析，這些成果可歸納到時間（作業過程）、對象（系統層次）和方法（理論技術）三個維度上，如圖1所示，將三個維度的內容統為一體的是交通運輸系統的供需平衡關系[8]。

二、ITS技術體系及其應用分析

經過近30年的發展，ITS已由早期所謂七大功能系統的劃分，演進為圖2所示的結構體系[9]。典型應用一般由兩部分組成，即智能基礎設施和智能車輛[10]，具體框架如圖3所示。

（一）ITS技術的三大主要功能

應用ITS技術，主要實現以下三個方面功能[11]：

1.高峰期交通管理。主要管理在高峰小時或者計劃的大型活動或事件期間的交通擁擠，以及不可預期的事件如交通事故下的擁擠管理。

2.交通安全性管理。在城市交通管理中，減少事故數量，減輕事故嚴重程度，尋找造成事故的原因并通過有效設計避免事故的再次發生。

3.網絡交通管理。應用城市交通管理控制系統(Urban Traffic Management & Control，UTMC)確保在城市交通網絡環境下對擁擠的有效管理。

（二）ITS技術的三大技術方案

在實際交通擁擠管理中，主要ITS技術及其功能如表1所示，從中可見部分ITS技術可以滿足多個目的。

1.高峰期交通管理的ITS技術方案

如表1中所示，城市交通管理的ITS技術方案有可變信息標志(VMS)、實時交通信息系統、高占有率車輛(HOV)優先車道控制、城市交通管理控制系統(UTMC)、主動式交通管理(ATM)、潮汐交通、動態車道管理、車載引導技術、事件檢測和信號控制等。實時交通信息系統可以及時采集路網中的交通流參數，為城市交通管理控制系統提供數據支持和決策依據，同時通過可變信息板和車載引導設施實時發布網絡上的交通狀態，并為駕駛員提供相應的道路條件信息和可選路徑，為駕駛員決策和路線選擇提供依據。在常發性交通擁擠區域，實施高占有率車道管理，可以有效降低路網上的車流量，從而緩解交通擁擠。對于具有明顯潮汐性的區域和道路，可以采用動態車道管理，應用變向交通保證交通流的集散，如臥城與主城區之間的早晚上下班時段的潮汐交通的變向車道管理。

2.交通安全性管理的ITS技術方案

ITS的安全輔助，主要是對駕駛員和其他道路使用人員進行預警，實時提醒其注意道路交通條件的變化，包括前后的車輛、交叉口上出入的車輛和行人、信號控制設施、標志標線等，以減少和避免交通運行中的沖突，從而降低事故率和事故的嚴重程度。應用到的ITS技術方案有可變信息標志(VMS)、盲點檢測、沖突預警、城市交通管理控制系統(UTMC)、速度監控、自動巡航控制、連續式交通流設計、事件檢測和信號控制等。通過可變信息標志可以讓駕駛員實時獲取前方道路的交通狀態，盲點檢測可以保證視覺盲點的安全，沖突預警、速度監控以及自動巡航控制都可以保證前后車輛速度之間的協同，連續式交通流設計技術可以保證駕駛過程的漸變和適應性，保證交通的平穩運行。

3.網絡交通管理的ITS技術方案

對網絡交通流的管理，主要是對于網絡運行交通流的合理分布和優化調整，保證路網上車輛和行人的暢通與安全。城市道路網絡作為交通系統的骨架和基礎支撐，為交通流的運行提供了必要的條件，其主要應用的ITS技術方案有可變信息標志(VMS)、連續式交通流設計、速度監控、城市交通管理控制系統(UTMC)、事件檢測和信號控制、智能基礎設施和交通誘導系統等。

三、城市交通擁擠管理的ITS對策

以上分析表明，ITS技術方案可以有效管理城市交通和道路網絡，提高城市交通的暢通性和安全性。但是我國現階段的城市交通擁擠管理，主要采取的還是基礎設施建設，擴大道路容量以滿足交通需求的措施，這固然是彌補城市建設“欠賬”的必須之舉，可以解決交通擁擠的燃眉之急，但是根據亞當斯定律和世界其他國家的發展經歷，單純依靠新增基礎設施是不能解決交通擁擠的，有效的途徑是通過交通需求管理，運用先進的ITS技術，及時疏散交通擁擠并將其控制在一定范圍內，使城市交通健康有序發展。為達到這一效果，可以采取以下ITS對策。

（一）配建路網智能交通設施

主要設置完善路網上的信息采集和發布設施，如檢測器、視頻監控、動態交通標志、導引信息板等，及時獲取路網上的交通流信息，進行交通狀態判別[12]、產生相應決策[13,14]，并通過信息發布設施發布，為駕駛員提供相應的指導和建議，促使交通流在路網上的合理分布。

（二）開發先進的出行者信息系統

建立基于GIS和GPS的交通信息服務系統，為出行者提供目的地、道路、公交和其他與出行相關的信息，以幫助其選擇出行方式、出行線路和出發時間，同時引導和控制車輛的運行，以減輕交通擁擠，提高出行效率，保證交通安全。

（三）建立智能交通指揮中心

通過指揮控制中心，綜合集成交通信號控制子系統、電視監視子系統、交通誘導子系統、GPS警車定位子系統、接處警子系統、動態顯示子系統，以及公共交通、停車管理等其他專門系統，實現信息資源共享，以充分發揮城市綜合交通系統的整體效益，建立具有數據采集、處理、決策、組織協調能力以及指揮能力的科學、高效的公安交通指揮運行機制。

（四）實現公共交通服務系統智能化

現狀的公共交通管理比較粗放，常常不能保證按時發車、精準到站，行程時間也不確定，不能很好地滿足居民的出行需求。通過集成交通信號控制(公交優先控制)、GPS定位、交通信息檢測統計系統等，保證公共交通車輛的路權和行駛速度，提高公共交通的服務水平和出行分擔率，緩解城市交通擁擠。

（五）應用先進的城市交通信號控制系統

在城市交通信號控制中，開發適合我國交通特性的交通信號控制方案和算法，利用信息采集設施實時收集的數據，進行控制方案的優化，開展干道和區域信號協調控制，以提高城市交通系統的通行效率，緩解擁擠。

（六）智能車輛的開發和應用

智能車輛本身可以作為路網中的浮動車[15]，實時采集和反應其運行的道路交通狀態，與網絡上的信息設備進行數據交換，為交通決策提供技術支持和數據來源；智能車輛之間的信息交換可以對突發狀況進行預警，給駕駛員提供足夠的反應時間采取措施，降低事故發生率和嚴重程度，提高道路的安全性；還可以進行自動巡航控制，實現車隊式運行，減少車輛間距同時提高行駛速度，降低人工控制的不確定性，提高擁擠區域的通行能力。

四、ITS對策的關鍵技術

交通擁擠管理的ITS對策基礎是有關信息及其處理，這一信息基礎具有多源性，它不僅有形式多樣的多傳感器實時交通狀態信息，還包括出行者和交通管理者的經驗、感受、知識等認知信息。同時，這些交通信息具有異質性，即在形式、理解性、描述性等方面具有不同特質，如不同感覺器官接收的信息、圖形信息與文字信息、定性信息與定量信息，等等。

（一）ITS對策關鍵技術的三大重點突破

運用信息融合技術，利用多源交通信息（實時傳感器數據、歷史數據、經驗、知識、直覺判斷等）對路網交通狀況做出客觀的判斷和預測，將交通狀態的判別結果作為決策依據，結合交通管理者的知識經驗，通過智能決策模型生成相應的交通擁擠管理方案，是ITS對策的理論和技術關鍵。為此，需要重點突破：

1.基于多源信息的擁擠量化和擁擠特征及屬性分析

綜合考慮傳感器產生的機器信息和交通參與者的主觀認知信息，建立基于多源信息基礎的交通擁擠定義和計算模型，對交通擁擠進行定量分析，解決關聯流量確定和網絡計算覆蓋的問題，界定擁擠的狀態、預測擁擠的發生和發展。

2.基于網絡交通多源異質信息融合方法

多源傳感器信息融合具有明顯的層次結構，高層信息可以看作是從多個低層次信息中抽象而來。交通信息融合是一個復雜的多層次的信息處理過程，目前已有的大量融合算法都存在各自的優缺點，而交通擁擠管理涉及多層次、多屬性的多源異質信息處理，需要構建有效合理的功能模型和融合結構將這些算法組織在一起，創建更加有效的融合方法，并重點研究不確定性融合推理方法，開發容錯能力強、實時性好的高效融合算法，解決動態與未知環境下的交通融合問題。

3.決策生成模型設計

在判斷交通擁擠狀態的基礎上，設計融合交通管理者的經驗和知識的交通擁擠管理決策生成模型，實現科學有效擁擠管理。

（二）ITS對策關鍵技術的三大重點實現

需要注意到是，同樣重要的另一關鍵是確保交通擁擠管理的ITS對策的實效性。這要求實施ITS對策的各類智能交通管理和調度指揮系統，在運用中不應僅限于替代體力勞動和解決效率問題，必須體現在智能化信息處理及智能方案的實現上，即：檢測復雜多變的交通環境，準確解析擁堵成因及其作用特征，判斷擁堵類型，生成擁堵疏解的技術方案。在實際中重點實現：

1．公安交通指揮系統與公交調度系統、出租汽車調度服務系統、停車誘導系統、公眾服務信息發布系統等相關業務系統的有效整合，提高信息共享效率，支持區域交通組織決策。

2．出行信息服務，包括動態數據采集與信息提取、交通態勢研判與決策、群體信息誘導、個體路徑誘導、多式協同的出行路徑規劃等。

3．交通管理業務和智能技術的集成化，促進傳統設施和技術擴能提效。包括：信號控制與信息誘導的高度統一，單行、禁左、渠化方案、信號方案、警力方案的高度統一，靜態交通組織與動態交通組織的高度統一，信號優化技術、信息誘導技術、車速調控技術等與生態目標的高度統一。

五、ITS技術體系的應用實例

ITS作為城市交通擁擠管理的對策系統，以主動式交通管理(Active Traffic Management, ATM)[16]的集成理念與形式，在歐美國家得到廣泛應用和研究。ATM是指基于普遍的交通擁擠現象，對常發性和偶發性交通擁擠進行動態管理的能力。它集中在出行可靠性的保障和改進上，是一整套完整的策略及新技術集成系統，其應用涵蓋了規劃、設計、運行決策及反饋等環節的硬件和軟件，是以信息技術為核心對交通擁擠施以主動性的疏導和響應。

美國早在2005-2006年就對此進行了系統考察，它在推動ATM的過程中，除了將ATM對策滲入基礎設施優化、系統規劃、作業設計、投融資過程中外，也在具體方法和技術上有所突出，這就是側重于運營操作、出行者意向、出行可靠性、車道管制、信息協同，并強調了收費只能是用作整個擁擠管理方法的要素之一。

英國在M42 J3A-7號公路上的一個具體應用見圖4[11]。與之前相比，運用ATM具有比較明顯的效果，延誤時間有較大的減少，高峰時段的出行時間縮短了26%，通行能力增加了7%～10%，平均燃料消耗減少了4%，同時事故率下降了13%，說明主動式交通管理對交通擁擠的改善具有良好的效果。

結論

城市交通擁擠管理的研究與實踐表明，智能交通系統（ITS）是實施交通擁擠管理對策的主流技術及發展趨勢。針對交通擁擠的系統性、模糊性、隨機性和偶發性，有關對策可歸納到時間（作業過程）、對象（系統層次）和方法（理論技術）三個維度上，并由交通運輸系統的供需平衡關系將各維度的內容統為一體。運用ITS技術進行城市交通擁擠管理，應從配建路網智能交通設施，開發先進的出行者信息系統，建立智能交通指揮中心、實現公共交通服務系統智能化、應用先進的城市交通信號控制系統、智能車輛開發與應用幾個方面入手，綜合集成有關ITS設施設備和軟件系統，突破基于網絡交通多源異質信息的擁擠量化、信息融合和決策生成這幾項技術關鍵，并注重對策運行的實效性保障工作。顯然，主動式交通管理(ATM)的設計與應用為此提供了有效的示范。

說明：本文系基金項目——中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（SWJTU09ZT18），四川省重點實驗室開放研究基金（SZJJ2011-031）。

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責任編輯：張煒