基于交通擁堵指數城市高峰小時估計方法研究

黃赟 唐弋清　 鄒嬌 杜瑞源 夏崧洋

摘要：本文以交通擁堵指數作為估計對高峰小時研究的基礎參數，提出了高斯擬合的估計算法，模擬研究表明，高斯擬合相對于傳統切割方法，有較好的實際應用效果。

關鍵詞：高峰小時 切割方法 高斯擬合

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（b）-0199-02

城市交通擁堵問題是政府及交通管理者密切關注的民生問題，城市交通擁堵產生的源頭莫過于交通供需失衡，車輛與道路通行能力不成比例，此問題在特大城市中尤其突顯。從交通運行特征中可知，交通擁堵在一定時間內具有一定的時空特征，國內很多研究機構已經對交通擁堵進行了深入的研究，對擁堵建立了完善的評價指標系統[2]，提出了《城市道路交通擁堵評價指標體系》，但是只是研究如何城市交通擁堵狀況的評價，單純的提出了擁堵指數來評價擁堵程度，與此同時忽略了交通日常管理中極為重要的一個術語——高峰小時。

在傳統的交通工程學中，高峰小時是指某個路段出現交通流量高峰的小時[3]，在后續的演變中，日常經常講的高峰小時主要是指全路網的一天24h交通負荷最大的某一時段，無固定長短。高峰小時其實是由于出行者按照一定的出行習慣或者目的造成的路網交通流量某一時段內，通常所指的是工作日內通勤造成的交通流量過于集中，整個城市路網道路負荷最大。在《城市道路擁堵評價指標體系》中，明確指出早高峰通常是07：00～09：00；晚高峰通常是17：00～19：00[1]，但是由于工作出行特征和實際路網拓撲結構不同等因素，高峰不一定是所謂固定的07：00～09：00和17：00～19：00，周一的早晚高峰和周五的早晚高峰由于出行的特征，必然存在不同，因此實時動態高峰小時提取是有必要。

本文主要是根據實時的交通信息采集的信息計算得到的路網交通擁堵指數做為估計高峰小時的基礎參數，通過對傳統的切割法的估計算法和高斯擬合估計算法分別進行估計分析，分析兩種算法的優缺，提出最優的基于交通擁堵指數的高峰小時估計，提取適合實際交通流運行特性的高峰小時時段，為交通管理者提供可靠的依據。

1 傳統的切割法

交通擁堵指數是描述城市道路擁堵程度的度量標準，可以實時反映城市整個路網負荷情況，也隨著時間有一定的變化規律，和交通參數一樣，具有兩個峰，因此通過合理的算法模型估計工作日由于通勤造成的早晚高峰時段。

傳統的切割法是將預設值畫線對交通擁堵指數24變化曲線圖進行橫向切割，可得到四個點的時刻，即早晚高峰的起止時間點。根據設置的預設值數目，將切割法分為二段法和三段法。

1.1二段切割法

城市交通由于其固定的城市空間布局和出行特征，決定其具有明顯的“潮汐現場”，因此高峰小時二段切割法總體思想是將交通擁堵指數TCI（TrafficCongestionIndex）24h變化曲線圖以12：00為分界線，分為上午和下午兩部分，將上午和下午的交通擁堵指數分為作為獨立的數據源進行分析，分別針對上午和下午實時的數據確定預設值進行切割，得到早高峰和晚高峰的起止時間點，具體如圖1所示。

假設預設值分別為Ta和Tb，其中Ta為上午切割的預設值，Tb為下午切割的預設值，則：

1.2三段切割法

高峰小時三段切割法總體思想是在二段式切割的基礎上進行，主要是對城市交通時間分布進行重新的界定，以動態的早晚高峰峰值點作為臨界值，將交通擁堵指數24h變化曲線分為動態的三個部分，進而進行切割分析。通過對三個時間段收集的的交通數據的最低和最高值求算術平均值，從而得到早高峰和晚高峰的起止時間點，具體如圖2所示。

2 高斯擬合估計法

高峰小時高斯擬合估計的總體思想是根據TCI的離散點，通過高斯擬合方法，擬合出對應的曲線，在給定初值的情況下，求得擬合曲線斜率變化最大的四個點所對應的時間，對時間稍加修改后作為早高峰和晚高峰的起始點。利用高斯差值擬合曲線時，考慮到交通擁堵指數的波動性以及擬合的效率性，采用三次高斯擬合公式：

X為數據所對應的時間段；Y為每個時間段所對應的交通擁堵系數。

（2）通過MATLAB中根據X，Y得到擬合后的曲線fitobj（x）。

（3）通過對擬合后的公式進行二次求導

。

（4）根據得出的二次求導公式，通過給定的每天早晚高峰起止時間點預值來得到在高峰小時起止點。

通過高斯擬合后的效果如圖3所示，其中藍色散點代表了不同時刻的交通擁堵指數，紅色曲線是擬合后的曲線通過高斯擬合，將原本毫無規律的散點擬合成具有明顯高峰的二次曲線，然后通過求該曲線的所有拐點，則拐點對應的時間就是所對應的高峰小時的起止點。

3 實例分析

以北京市2011年5月11日到5月24日期間所有工作日的24h城市路網交通擁堵指數為數據源，通過二段式切割法、三段式切割法和高斯擬合法分別進行高峰小時估計，結果分別見表2、表3和表4并分析其效果。從表2和表3中，明顯可知，采用切割法得到的高峰小時時長的總體偏長，與實際情況不太吻合；從表4中，基于高斯擬合估計的早晚高峰小時時長的總體集中在1.5～2個小時之間，與實際情況較為吻合。

4 結語

通過對北京市2011年5月11日到5月24日期間每日實際高峰小時的起始時間與高峰小時長度的對照，并觀察高斯擬合方法與二段式和三段式切割方法的所得結果可知，高斯擬合相比二段式和三段式切割方法，更加接近實際觀測的高峰小時點段分布以及時間跨度，在實際應用中有更好的效果。

參考文獻

[1] 城市道路交通擁堵評價指標體系[S].北京地方標準.

[2] 郭繼孚，劉夢涵，于雷，等.北京市交通擁堵宏觀評價指標體系開發及其應用[J].

[3] 王煒，過秀成.交通工程學[M].東南大學出版社.