城市快速路交通擁堵特征與實時排隊長度確定方法研究

陳光

【摘 要】近年來，城市交通擁堵現象已經成為了我國大中城市普遍面臨的一個嚴峻問題。盡管建設城市快速路最初的目的是為了緩解城市交通擁堵問題，但隨著交通需求量的逐漸增大，城市快速路交通擁堵問題日益突出，嚴重地影響了人們的生活水平。城市快速路交通瓶頸是導致常發性交通擁堵的主要原因。本文以城市快速路常發性交通擁堵問題作為研究對象，深入地分析和研究了城市快速路交通擁堵特征和實時排隊長度估計方法。該研究對緩解城市快速路常發性交通擁堵問題具有重要意義。

【關鍵詞】城市快速路；實時排隊長度；交通溢流；過飽和

引言

目前交通擁堵問題已經成為一個備受關注的熱點問題，尤其是在大、中型城市，交通擁堵導致的交通延誤、通行時間不確定、噪音污染以及PM2.5污染惡化等一系列問題越來越突出。另外，交通擁堵中的不穩定交通流還嚴重危害著交通安全。數據顯示，在相同交通需求量水平下，交通擁堵狀態下事故發生頻率是非擁堵狀態下的三倍。一般情況下，交通擁堵產生的直接原因是：在特別的時間段（如，上、下班高峰期）路網中某段道路可用的交通流通行能力不能夠滿足其交通需求量。交通擁堵發生的誘因包括交通設施物理瓶頸、交通事故、作業區、惡劣天氣、不恰當的信號時制、特殊事件以及日常交通波動等。

1、城市快速路交通擁堵特征

城市的正常經濟、文化、政治、社會活動都離不開暢通的道路交通，然而，隨著城市化進程的迅速推進和社會經濟的快速發展，城市居民的汽車擁有量劇增，先前的交通系統規模過小，無法提供充足的交通供給，交通擁堵導致城市發展受限。在加上道路的擴展受限，公共交通承載量有限，私人機動車出行增多且集中，城市交通擁堵越來越嚴重。交通擁堵導致的嚴重問題吸引了人們的廣泛關注。

從交通網絡上看，學者Wright認為道路上存在交通瓶頸是誘發交通擁擠的根源，道路上的交通瓶頸可以分為三類。隨機事件引起的交通瓶頸：隨機因素導致了大量交通擁堵產生，如突發交通事件、開展有大量交通吸引的活動、道路施工以及異常的天氣狀況等，這些事件發生沒有征兆，如過得不到及時的疏散和引導，容易發生區域性的交通擁堵；道路網本身通行能力低下產生的瓶頸，這往往是因為道路設計不佳或道路存在合流導致通行效率降低。此外，道路標志不明顯也是原因之一：道路引導標志的缺乏使得交通流向主要干道上聚集，導致干道上交通量過大，行駛速度緩慢，從而發生擁堵排隊。

從對道路交通管理的角度來看，2006年美國為減少愈來愈嚴重的交通擁堵產生的經濟損失，出臺了《針對減少美國的交通網絡擁塞的國家戰略》，該戰略中對交通擁堵的成因進行了分析：認為是現今的交通管理措施無法充分利用現有的道路設置，導致了通行能力低下，發生交通擁堵，同時交通事故頻發、交通信號燈故障，異常的天氣狀況、大型活動等都會產生交通擁堵。

從出行者的角度來看，學者安東尼·唐斯認為導致交通擁堵頻發的原因有四個：一是人們的出行時間過于集中，早晚高峰明顯；二是快速的經濟發展提升了人們的購買力，居民更愿意駕駛私家車上下班，而不愿意搭乘公共交通；三是城市人口增長過快，現有的道路和公共交通設施滿足不了人們的需求；第四個方面的原因是意外交通事故、異常氣候、道路施工等。

可以看出，無論從哪一個角度來看，交通擁堵的發生都離不開道路資源與交通需求的不對等，因此，可以認為經濟的迅猛發展導致交通需求和交通供給的不平衡是交通擁堵嚴重的根本原因。交通事件是導致城市交通擁堵的重要原因，發生交通事件會導致道路通行能力降低、行車速度減慢，可能直接引發交通擁堵。由于交通事件的不可預控性，交通管理者無法采取靜態預防方法來控制交通擁堵，因此對動態控制條件下的交通擁堵擴散機理的研究就十分重要。交通事件的嚴重程度主要表現在事件的持續時間長短和事件導致的通行能力損失大小。

2、城市快速路實時排隊長度確定——交叉口溢流預防方法

當排隊車輛數達到臨界條件時，應立即進行調整疏導，防止溢流發生。經過文獻研究可總結，以往的交叉口溢流預防與疏導方法主要是通過信號控制平衡交叉口四個進口道的通行能力與交通需求之間的差異，即根據各個進口道的到達車輛數與滯留排隊長度比例來進行各個相位綠信比的優化分配，及相位相序的調整。但是對于出現了過飽和現象的交叉口而言，各個進口道的交通需求所要求的相位綠燈時間不一定存在較大可調整的余地，即處于多個進口道，甚至全部進口道的交通需求大于交通供給的狀態。如果僅按照以往的研究方法，根據進口道的交通需求來進行溢流預防，則容易出現沒有多少剩余綠信比可以分配至其它相位以達到疏導效果，從而產生的排隊溢出現象。

因此，本文提出充分考慮路段剩余容量的溢流預防與疏導方法。路段的剩余容量是指在停車排隊的狀態下，路段上沒有排隊車輛占用的長度、車道數與停車間距折合成的可容納剩余排隊車輛數。考慮路段余容量包含兩個部分，一個部分是可能溢流路段的剩余容量是作為限制約束考慮，即該路段不能發生溢流；另一個部分是無溢流可能路段的剩余容量進行充分利用。若路段某一方向即將發生溢流，整體的思路是在上游進行流量限制，在下游進行疏導控制，但關鍵問題是如何找到能夠精確計算上游和下游交叉口調節時間的模型和算法。目前在此方面的研究較少，有些算法也只是固定的增加或減少時間值，再來判斷是否能夠消除溢流。本章提出的模型是在減少過飽和系數為目標的基礎上，充分考慮該方向的剩余容量并且充分利用上下游交叉口其他方向的路段剩余容量，精準調整上下游交叉口各個相位的綠信比以避免溢流發生，本節所提出的充分考慮路段剩余容量的交叉口溢流預防與疏導方法有以下優點：

（1）將上游交叉口出口車道剩余容量作為限制約束的交叉口溢流預防與疏導模型，能夠直接平衡流入和流出過飽和路段的交通量，在過飽和方向排隊較長時避免發生交通溢流，從而引發交通擁堵。

（2）以上下游交叉口的出口道和路段剩余容量為約束，在沒有溢流可能的方向進行適當排隊，可以充分利用道路資源，避免了在過飽和狀態下寶貴的道路資源被浪費，有助于緩和排隊過長相位的溢流風險。

（3）交叉口溢流預防與疏導方法充分考慮了對上下游的影響。對上游交叉口的影響考慮在約束條件中，下游交叉口駛出車輛數對下游的影響考慮在應用流程中。下游駛出車輛數增加對更下游交叉口形成壓力，在更下游交叉口排隊過長時，交叉口溢流預防與疏導模型的控制目標即發生了改變，原下游交叉口的通行能力則成為限制對象。

（4）交叉口溢流預防與疏導模型的解為兩交叉口的信號控制綠信比，不改變原信號周期。所以對于信號控制周期不相同的相鄰交叉口，該模型同樣能輸出控制方案。

（5）在進行信號調整時充分考慮交叉口的出口車道和路段剩余容量，對干出現交通需求在進口道或者相位分布不均的交叉口來說，能夠將超出通行能力的交通需求通過溢流預防與疏導控制逐漸向上下游交叉口分散，以實現交通流均勻分布的目的。

（7）該方法可以減少高峰期的在交叉口的警力配備，并且避免由于交警各別能力水平不一而無法做到最優指揮。

結束語

城市道路的交通擁堵問題導致了出行者的出行時間增長、出行費用增多，對人們的日常生活產生了負面影響，同時也污染了自然環境，給社會帶來了很大負擔，城市交通問題的解決迫在眉睫。為了解決交通擁堵問題，給交通管理者提出緩解交通擁堵措施提供理論支持，為城市快速路實時排隊長度確定方法的提出奠定基礎。

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