基于帶狀路網的交通擁堵治理方法研究

徐向東 王彬 李志斌

摘要：城市交通路網結構是影響城市發展及城市交通的一個重要因素。近年來，隨著城市化進程的快速發展，城市交通擁堵問題已成為各大城市的頭等難題。因此建立高效、快捷、低成本、低污染的可持續發展的城市交通系統迫在眉睫。本文提出了一種基于帶狀路網的交通擁堵治理方法，通過采集主干道所有交叉口的電子警察過車數據，分析帶狀路網早晚高峰的交通流時空分布規律，利用兩分法生成符合交通流分布規律的路段和適合所有交叉口的精細化時段，采用梯度協調法重置關鍵路口的排隊長度，解決排隊溢出問題，并通過信號機模擬人工管控，最大限度緩解由于車流快速聚集超過路口通行能力引起的短時集中擁擁堵。該方法在舟山市海天大道32個路口開展了實際應用驗證。

Abstract： The structure of urban transportation road network is an important factor affecting urban development and urban transportation. In recent years， with the rapid development of urbanization， the problem of urban traffic congestion has become a first-class problem in major cities. Therefore， the establishment of an efficient， fast， low-cost， low-pollution sustainable urban transportation system is urgent. This paper proposes a traffic congestion management method based on the strip road network. By collecting electronic police passing data at all intersections on the main road， it analyzes the time-space distribution law of traffic flow in the morning and evening peaks of the strip road network， uses the dichotomy method to generate road sections that conform to the distribution law of traffic flow and refinement periods suitable for all intersections. It also simulates manual control through a signal machine to minimize the short-term concentrated congestion caused by the rapid accumulation of traffic that exceeds the traffic capacity of the intersection. The method has been verified in practical applications at 32 intersections of Haitian Avenue in Zhoushan City.

關鍵詞：交通路網結構;交通擁堵;兩分法;梯度協調

Key words： traffic network structure;traffic congestion;dichotomy;gradient coordination

中圖分類號：D631.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）09-0024-04

1? 背景

隨著我國社會經濟和城鎮化的快速發展，一些距離較遠城鎮也都通過城市道路連接起來，便利的交通出行環境為城市發展與市民生活品質帶來了很大提升。然而，交通出行需求的快速增加導致交通擁堵的瓶頸路口越來越多，瓶頸路口的形成不但與交通流密切相關，也是一些特殊城市路網結構限制的必然結果，尤其是車流聚集快消散慢的帶狀交通路網結構，交通擁堵瓶頸現象極為明顯。帶狀交通路網是我國城市在土地利用形態和空間分布結構上的典型結構，如江浙地區沿路經濟重鎮、舟山本島以及兩座群山形成的狹長城市，其交通特征也具有自身獨特之處。本文以舟山市城區主干道為例，通過對帶狀城市交通特征的剖析，提出符合帶狀城市發展的交通模式，制定出對應的解決措施，緩解城市道路交通擁堵的現狀，改善城市道路交通狀態，提高舟山海島旅游交通新品質。同時也為類似路網結構的交通緩堵治理提供參考和借鑒。

2? 帶狀交通特征分析

帶狀城市受自然地形及土地利用的影響，道路網絡的特征表現為縱向干路數量有限，橫向連接道路較多。但帶狀城市土地開發集中在縱向干路兩側，縱向干路交通流集中，有限的縱向交通資源與巨大的交通需求之間存在一定的不匹配。這一點即是帶狀城市的局限，同時又是帶狀城市更好的組織城市交通系統的優勢。另外，由于帶狀城市橫向寬度狹窄，使得城市生活區與自然山川、河流之間的距離更為接近，為帶狀城市更好地發展慢行交通創造了有利的條件。帶狀城市土地利用形態決定了城市交通特征，具體表現為以下三點。

2.1 城市地理條件受限，道路依城而建

帶狀城市橫向狹窄，城市橫向發展空間余地很小，往往又有河流經過，道路布局和走向均受到制約。城市內部交通、過境交通以及貨運交通均在有限的縱向道路上匯聚，交通壓力大。受約束的道路資源與承擔了過境交通功能和大部分城市交通功能的交通需求之間存在不協調，需要借助占用道路資源少、運量大的公共交通方式解決需求與供給不匹配的交通問題。

2.2 絕大多數人上下班通勤的必經之地

帶狀城市土地開發利用的突出特點為：帶狀城市以交通干線作為城市布局的主骨架，城市生活和生產用地，平行地沿著交通干線布置。

2.3 車流聚集快消散慢，擁堵快速形成

由于上下班通勤時間固定，帶狀城市車流聚集速度快消散慢，很容易造成交通擁堵。帶狀城市橫向寬度狹窄，沿縱向走廊集聚的就業崗位、公共設施等均處于慢行適宜范圍之內。橫向適合發展慢行交通，縱向適合發展公共交通，因此，城市客運交通應該以“公交+慢行”的方式加以組織。

3? 帶狀路網交通擁堵治理方法研究

3.1 兩分法

根據帶狀路網功能區分布，結合上下班通勤規律，早晚高峰采用主路綠信比按照主流通勤方向逐步增大的控制策略，通過分路段、分時段確保路口車流的輸入與輸出保持相對平衡。本文研究以兩分法為基礎，采集所有路口的電子警察過車數據，分析潮汐規規律（分路段），智能劃分的交通時段（分時段）。其具體劃分過程可簡述如下：

①以15分鐘為統計時間間隔，將一天24小時劃分為96個統計間隔。分別統計每個時間間隔內交叉口的到達車輛數，得到一個包含96個元素的有序數列。

②根據常見規律，將其劃分為8段，即將有序樣本分為8類。

③定義第i類（包含ni個元素）的直徑為

④不斷調整有序數列中分段點的位置，使得■的值最小，從而得到的宏觀時段劃分。

可用一個1×7的一維數組Z表示宏觀時段劃分點根據早、晚高峰的常見規律，可將Z的初始值設置[20，28，36，48，64，76，88]，即將一天24小時劃分為0：00-5：00、5：00-7：00、7：00-9：00、9：00-12：00、12：00-16：00、16：00-19：00、19：00-22：00、22：00-24：00共8個宏觀時段。

由于基本時間間隔數較多，采用枚舉的方式獲取最優的計算量過大。這里采用隨機迭代的方式，獲取一定迭代次數的最優時段劃分方式。定義宏觀調整迭代次數為M0=1000，每次迭代過程中隨機選擇一個分段點，將其位置前移或后退15分鐘（即3個時間間隔）。調整過程中保證任意一個宏觀時段的跨度不小于1小時（即12個時間間隔）。

3.2 梯度協調法

梯度協調法主要應用于飽和度過高的交叉口，交叉口飽和度過高會導致綠燈結束后車輛排隊積壓。長時間積壓會造成路段排隊長度的不斷增加。為了衡量排隊長度積累的程度大小，可以用如下式子表示：

其中，RL為車輛排隊比，LQ為路段排隊長度的值，LR為路段長度。交叉口未達到過飽和狀態時，RL的值可以為零，隨著車流的不斷增多，RL的最小值一直會上升，當RL的值達到1時，說明排隊長度已經超過路段長度，交叉口擁堵已經通過路段蔓延到了上游交叉口，上游交叉口的車輛通行將會受到嚴重影響。梯度協調法是通過調整各路口綠信比將RL值過高的路口分攤至RL值較低的路口，對排隊進行重置，充分解決交叉口排隊溢出問題。

3.3 信號機模擬人工管控法

主要解決由于車流快速聚集超過路口通行能力引起的短時集中擁堵。信號機模擬人工管控法主要是根據構建城市道路網絡模型，對城市道路交通流量進行監測，獲取交通流監測結果和路口綜合度量值;研判分析擁堵的具體時間段和人工管制規律，并針對性設置信號機模擬人工管制的配時方案，快速解決短時集中交通擁堵問題。

首先構建城市道路網絡模型，一是根據城市道路網絡模型對城市道路交通流量進行監測，獲取交通流監測結果;二是根據城市道路網絡模型對城市道路網絡中路口的重要性進行度量，獲取路口重要性度量結果;三是根據交通流監測結果和路口重要性度量結果對路口和交通流的相關性進行分析，獲取路口相關性因子;四是根據路口相關性因子對交通流進行預測;五是根據預測結果結合歷史流量數據確定需要信號機人工管控的路口以及管控時間。最后計算得出第一度量值和第二度量值對路口的重要性進行綜合度量。計算路口的第一度量值：

MH1（i）表示路口i的第一度量值，n表示道路交通網絡中路口的個數，若路口i和路口j之間存在道路連接，則xij=1，否則xij=0;計算路口的第二度量值：

MH2（i）表示路口i的第二度量值，d（s，t）表示路口s和路口t之間的最短路徑的數目，di（s，t）表示路口s和路口t之間經過路口i的最短路徑的數目;根據第一度量值和第二度量值對路口的重要性進行綜合度量：計算路口的綜合度量值：

MH（i）表示路口i的綜合度量值;路口的綜合度量值越大，表示路口越重要。根據交通流監測結果和路口重要性度量結果對路口和交通流的相關性進行分析，具體為：對道路進行等級劃分，將道路等級依次劃分為主干道、次干道和支路;根據道路等級和路口的綜合度量值計算路口的改進度量值：

RU（i）表示路口i的改進度量值，y表示與道路等級相關的影響因子，道路等級越高的路口，y越大，0≤y≤1;根據路口的改進度量值和交通流監測結果對的路口改進度量值和交通流的相關性進行分析，獲取路口相關系數;通過路口相關系數對交通流進行預測。

具體為：選取相關系數大于設定閾值的路口對交通流進行預測，路口的改進度量值越大，表示路口的交通流越大。對大于設定閾值的路口實行信號機模擬人工管控法，解決路口擁堵問題。

4? 案例分析

本文所述路網為舟山本島區域的海天大道及相交道路。海天大道全長18.7公里（32個燈控路口），貫穿本島定海、新城和普陀三區;道路為雙向六車道，兩邊各有一條公交專用車道（7：00-8：30，16：30-18：30），設有中央與機非隔離綠化帶;相交道路80%為次干道且大部分車輛均匯入海天大道通行，是典型的帶狀交通路網。

4.1 兩分法（分路段、分時段）

統計路段所有交叉口一段時間內全天流量數據，導入流量分析軟件中，繪制流量變化曲線（15分鐘為間隔），同時展現時段劃分情況。利用早高峰從兩端到中間、晚高峰從中間到兩端的潮汐現象，確定海天大道與千島路作為中間節點對沿線32個路口采用兩分法。具體分法如圖2所示。

4.2 梯度協調法（重置排隊長度）

對海天大道所有交叉口的路段長度和高峰期間的排隊長度進行統計，用排隊長度與路段長度的比值RL表示交叉口排隊擁堵程度。當比值RL大于1時，即表示該交叉口排隊溢出，優化前海天大道部分交叉口排隊擁堵程度如表1所示。

采用梯度協調法對上表中RL值大于1的交叉口進行排隊重置，將排隊長度分攤至RL值較小的路口。如表2所示。

4.3 智能管控擁堵路口

通過智能交通管理系統構建舟山市路網絡模型，對海天大道所有路口交通流量進行監測。結合交通流監測結果對路口的重要性進行度量，計算出重要性度量值較大的路口分別為海天大道與新橋路、海天大道與弘生大道。通過分析兩個路口流量變化和集中擁堵時間，對信號機設置模擬人工管控，解決路口擁堵問題。

4.4 效果評價

采用以上方法優化后，海天大道（城北車站至千島路）路段早晚高峰平均停車次數由5次減少到3次，減少了40%，行程時間縮短了2分16秒，早晚高峰結束時間提前了10分鐘;海天大道（東瀛路至金島路）路段早晚高峰平均停車次數由6次減少到3次，減少了50%，行程時間縮短了2分18秒。如圖5所示。

5? 總結

①舟山市本島路網呈帶狀分布，為保障海天大道早晚高峰的通行，在保證行人過街安全基本要求的基礎上，相交支路的通行做出了較大犧牲。②不是所有瓶頸點都能通過信號調優達到緩堵效果，例如，海天大道與臨長路的瓶頸問題，我們是通過新城大橋拓寬改造和高峰禁左來解決的;海天大道與弘生大道通過分時犧牲非關鍵相位綠燈時間，來保障主路通行。③早晚高峰緩堵次序：一是解決排隊溢出問題，二是解決部分路口排隊過長問題，三是解決通行效率提高問題。④社會化宣傳很重要，爭取得到廣大出行者的理解與支持，否則會引起市民的誤解與抵制。⑤城市交通緩堵需要內外兼修。信號優化是一個持續的常態化工作，需要根據道路、車流、季節、特殊情況不斷進行調整，還需要其他交通組織和秩序管理輔助，就像一個得了慢性病的病人，自身修煉與外部治療同樣重要。

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作者簡介：徐向東（1987-），男，浙江舟山人，指揮中心主任，交通監控指揮中級職稱，研究方向為智能交通;王彬（1984-），男，浙江舟山人，警務技術四級主管，中級職稱，研究方向為智能交通;李志斌（1972-），男，浙江舟山人，副支隊長，中級職稱，研究方向為交通管理。