信號(hào)控制交叉口交通擁堵演化分析

謝武鋒

摘要：本文嘗試從微觀的單交叉口的擁堵角度，立足于司機(jī)、乘客、路人等出行者對(duì)擁堵的感官認(rèn)識(shí)，選取了平均速度、飽和度、停車率等5個(gè)指標(biāo)來量化交通擁堵，用層次分析法建立擁堵綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。文中仿真設(shè)計(jì)了多種流量出入模式，包括漸進(jìn)增大流量輸入、長短脈沖流量輸入、連續(xù)脈沖流量等模式的交通擁堵，對(duì)一般交叉口常態(tài)擁堵進(jìn)行分析，窺探常規(guī)擁堵從形成到變化再到消散的演化規(guī)律，最后探討不同交叉口的擁堵規(guī)律。

關(guān)鍵詞：信號(hào)控制交叉口擁堵;微觀擁堵評(píng)價(jià);擁堵演化分析

1、 基于交叉口擁堵感官認(rèn)識(shí)的問卷

1.1問卷的設(shè)計(jì)

不同人對(duì)擁堵評(píng)價(jià)的主觀感受與判斷不同。不同時(shí)間段不同地方對(duì)擁堵的認(rèn)識(shí)也不同。本次調(diào)查立足于廣州市區(qū)出行高峰期，主要從訪問者的主觀感受出發(fā)，結(jié)合交通工程理論從各個(gè)角度上重新界定擁堵的定義。根據(jù)100份問卷的統(tǒng)計(jì)，各個(gè)調(diào)查對(duì)象對(duì)交通擁堵的主觀感受主要集中在以下方面：延誤時(shí)間、停車次數(shù)、行車速度、飽和度、排隊(duì)長度。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在這些關(guān)注因子中，不同的調(diào)查對(duì)象對(duì)擁堵有著不同的認(rèn)識(shí)。

2、 信號(hào)控制交叉口擁堵的定義探討

2.1現(xiàn)有定義的不足

擁堵評(píng)價(jià)就像天氣預(yù)報(bào)一樣，給人們的出行帶來指導(dǎo)的意義。但時(shí)常有人覺得不夠準(zhǔn)確，由于交通流復(fù)雜，現(xiàn)應(yīng)用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為宏觀性空間指標(biāo)，主要擁堵于路網(wǎng)、路段擁堵評(píng)價(jià)。，現(xiàn)擁堵評(píng)價(jià)系統(tǒng)的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)單一。

2.2定義的思路初探

擁堵的根本原因是交通需求大于交通供給。以上擁堵的定義值得參考與借鑒，基于擁堵的訪問和問卷調(diào)查的統(tǒng)計(jì)與分析，現(xiàn)提出擁堵的定義思路：

定義擁堵前提：對(duì)于某城市市區(qū)特定等級(jí)道路的交叉口。

擁堵定義指標(biāo)：延誤時(shí)間、速度、排隊(duì)長度、飽和度、二次停車率等。

關(guān)鍵改進(jìn)點(diǎn)：根據(jù)人感官用模糊數(shù)學(xué)建立個(gè)擁堵因子的隸屬度，然后討論個(gè)因子之間的與非關(guān)系、評(píng)價(jià)體系方法，最終建立立擁堵綜合總評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.3單擁堵因子的隸屬度函數(shù)

結(jié)合調(diào)查出行者感受，將廣州的城市路網(wǎng)交通擁堵評(píng)判指標(biāo)分為五級(jí)：C={Cl，C2，C3，C4，C5}={嚴(yán)重?fù)矶拢瑩矶拢卸葥矶?，輕度擁堵，一般、通暢}={0.85，0.7，0.55、0.4、0.25}。[14]下面將對(duì)擁堵5因子不同值對(duì)應(yīng)的不同擁堵程度進(jìn)行歸納。

綜上各個(gè)因子對(duì)應(yīng)的擁堵程度隨這擁堵因子變化的變化曲線各有特點(diǎn)，有的為先增長后平緩，有的為反S型等。下面用比較法分析，將各曲線的自變量變形，取各自的比例值（命名為各交通程度比值）。將上述隸屬度曲線按因變量比例法縮減法變形，繪制在同一坐標(biāo)軸上為：

3、 信控單交叉口擁堵的評(píng)價(jià)體系的確定

3.1擁堵評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

本次擁堵指標(biāo)選取使用前面的出行者交通問卷調(diào)查法，各因子之間的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重采用用專家評(píng)價(jià)法。最后計(jì)算得到?jīng)Q策矩陣為

W1=（0.08203013 0.388670012 0.312268534 0.217031324）T

W2=（0.046607215 0.109627536 0.127678654 0.27537192 0.440714675）T

交叉口綜合擁堵的評(píng)價(jià)為：

C=0.3478T+0.26087N+0.1739V+0.1304L+ 0.0870（V/C）

4、 基于vissim仿真的擁堵模型構(gòu)建

4.1 vissim建?；驹O(shè)計(jì)：

（1）車道數(shù)及車道功能設(shè)計(jì)

以十字交叉口為基礎(chǔ)研究模型，為雙向8車道相交，每個(gè)進(jìn)口道布局一樣。

4.2十字信控交叉擁堵演化規(guī)律

（1）線性增大輸入：

正常情況下，高峰時(shí)期出現(xiàn)流量過載的情況，此時(shí)流量是連續(xù)漸進(jìn)增長，達(dá)到高峰后又漸進(jìn)衰退的。故本文首先探討正常高峰期間，漸進(jìn)峰值流量輸入情況。由于vissim輸入的限制，只能以300s間隔作鋸齒型輸入

根據(jù)第三節(jié)中C=0.3478 T+0.26087N+0.1739V+0.1304L+ 0.0870（V/C），得出準(zhǔn)線性增長消散型超載輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)的延誤總評(píng)價(jià)曲線如下：

小結(jié)：

（1）初期擁堵低潮。流量在750pcu/h之前，擁堵指數(shù)變化比較緩慢此時(shí)處于不擁堵狀態(tài)。當(dāng)流量輸入在750pcu/h--900pcu/h時(shí)，此時(shí)輸入擁堵綜合指數(shù)開始急劇上升。

（2）進(jìn)入擁堵高峰。當(dāng)流量到達(dá)最高輸入1350pcu/h時(shí)，擁堵指數(shù)為0.8，進(jìn)入嚴(yán)重?fù)矶码A段。此時(shí)輸入流量為飽和流量的1.35倍。

（3）高峰持續(xù)時(shí)間。擁堵高峰持續(xù)時(shí)間為1500s，與流量輸入高峰時(shí)間相同。

（4） 兩高峰時(shí)間差。擁堵高峰延遲于流量輸入的高峰輸入最高峰，輸入高峰從流量到達(dá)1000pcu/h、第2100s開始，而擁堵高峰從第3000s開始，量高峰大約延遲900s。

（5）消散速度快。從擁堵開始到擁堵的消散整個(gè)過程中，擁堵的消散速度快于形成速度。當(dāng)流量較低時(shí)，擁堵消散瞬速，時(shí)間為300s。

（2）脈沖輸入

流量脈沖輸入模式分6種，分別為30s短脈沖輸入，1min脈沖輸入，5min脈沖輸入，10min脈沖輸入，15min脈沖輸入與20min脈沖。單車道的脈沖的低峰值為500pcu/h，高峰值為1250pcu/h（飽和流量的1.35倍）。

無論脈沖時(shí)間長短，擁堵的形成速度是一致的，只是擁堵程度的峰值不同。

擁堵的高峰在時(shí)間上都滯后于輸入高峰值，滯后時(shí)間大約為脈沖時(shí)間的一倍。說明交叉口對(duì)高峰流量疏散的時(shí)間滯后性。擁堵程度最高峰前后，擁堵的消散時(shí)間較擁堵的形成時(shí)間快。當(dāng)擁堵程度都達(dá)到1時(shí)，擁堵的消散速率一致的。

（3）擴(kuò)寬叉口口擁堵特性

為探討拓寬對(duì)擁堵的影響，采取控制變量法，以漸進(jìn)型流量輸入等基本條件一致為前提，本次將會(huì)比較交叉口拓寬與否的情況下的擁堵指標(biāo)的演化規(guī)律。并評(píng)價(jià)擴(kuò)寬與否的重要性。

小結(jié)：在1.5倍的飽和流量漸進(jìn)輸入的情況下，無拓寬情況下將產(chǎn)生比較嚴(yán)重的交通擁堵，而且擁堵的時(shí)間持續(xù)比較長。而當(dāng)交叉口進(jìn)口道各拓寬了一個(gè)車道是，擁堵等級(jí)勉強(qiáng)算是輕度擁堵。這說明交叉口的擴(kuò)寬是非常有必要性的。

（4）禁左控制下?lián)矶绿匦?/p>

由于禁左涉及到繞行比例與繞行延誤的情況，左轉(zhuǎn)車的延誤時(shí)間復(fù)雜本次暫時(shí)沒進(jìn)行試驗(yàn)。本次方案分兩種，一種是東西禁左，另一種是全禁左。

小結(jié)：相對(duì)比與全流向的十字交叉口，雖然禁左會(huì)產(chǎn)生不必要的繞行，表面上回增加出行時(shí)間，但是，禁左能較好地緩解交叉口的交通擁堵，減少交叉口的整體擁堵，使交叉口更流暢。而且禁左的流向越多，擁堵緩解情況就越明顯。

5、 實(shí)例分析：天河北路交叉口擁堵分析

天河北路位于廣州市天河區(qū)市區(qū)中心的一條東西走向的干道。以天河?xùn)|路為界，其西段接廣州大道中，為雙向8車道，定位為主干道。而東連五山路，雙向六車道，定位為次干道。仿真之后，對(duì)生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出五個(gè)交叉口的擁堵評(píng)價(jià)曲線如下：

分析，由上述擁堵指數(shù)可得，五個(gè)交叉口中，擁堵壓力最大的為天壽路，其次，可以知道在五個(gè)交叉口中，最先交通壓力大的并不是流量最大的天壽路，而是體育西路與林和西路。擁堵趨勢(shì)從兩段向中間靠攏。

6、結(jié)論與展望 ：

結(jié)論：本文在調(diào)查分析出行者對(duì)擁堵的判斷的基礎(chǔ)上，建立交叉口微觀交通擁堵的定義，討論國各種交通設(shè)計(jì)與控制下的擁堵演化規(guī)律，以下為主要結(jié)論：

一、交叉口微觀擁堵評(píng)價(jià)是多因子的影響的共同作用的。

二、各個(gè)擁堵因子對(duì)擁堵的貢獻(xiàn)程度不是完全等價(jià)的，他們的重要性也是有差別的。

三、交叉口具有自我調(diào)整車流輸入的能力，但其處理擁堵車流具有滯后性。

四、進(jìn)口道擴(kuò)寬與禁左措施能夠很好的提高交叉口的抗擁堵能力。

展望 ：本文嘗試建立微觀擁堵評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)多種擁堵進(jìn)行探討，現(xiàn)提出以下幾點(diǎn)展望：對(duì)單交叉口擁堵的研究沒夠全面透切，可以展開細(xì)分專題研究。比如脈沖流量輸入擁堵專題探討。交叉口微觀擁堵指標(biāo)是對(duì)整個(gè)交叉口研究，可以繼續(xù)探討不同進(jìn)口道，不同車道的擁堵評(píng)價(jià)，這樣更能表現(xiàn)微觀，反映現(xiàn)實(shí)情況。可以進(jìn)一步研究相鄰交叉口之間的擁堵關(guān)聯(lián)性，繼而研究多交叉或者小區(qū)域擁堵特性。最后，擁堵是復(fù)雜的過程，期望未來人們能將擁堵的認(rèn)識(shí)，落實(shí)到針對(duì)性的治堵方案上來。