深圳关内外交通拥堵评价及优化

1深圳关内外交通拥堵评价及优化摘要本文针对深圳市特有的关内外区域划分情况，建立相应的交通模型。问题一中，首先对题目所给的数据进行处理，做出各个关口交通流量的区域分布图、日变图、周变图，求出交通流量的日变系数和高峰小时流量比，并结合深圳市道路状况和实际发展方向，得出：高峰期主要交通流量发生在关内行政、商业中心与关外住宅服务区之间；高峰期主要发生在周中上下班期间；拥堵发生地点均在关口检查站、公交车站附近。所以造成交通拥堵的深层原因主要有：①城市功能分区不合理。②关口区域道路网的功能架构不合理。③交通管控措施不合理。本文利用“模糊综合评价方法”，根据《城市交通管理评价体系》中对于交通通行能力的评价指标，选择六个主要的评价指标，建立交通拥堵的二层评价体系，依据《城市交通管理评价体系》中评价指标的参考标准对各个关口的拥堵情况做出量化评价，给出基于客观观测数据评价的交通拥堵指数和基于驾驶员主观评价的交通拥堵指数。并依据给出的模型参数给出今后进一步研究关口广场拥堵问题所需交通数据：交叉口的交通量、交叉口车辆的滞留数量、交叉口车辆的速度等交叉口数据和路段交通量、车辆平均速度等路段数据。以及驾驶员主观评判交通拥堵程度的统计数据。问题二中，首先查找资料，明确深圳市区域划分的具体规划和各分区的功能定位，在城市发展状况分析的基础上，建立“单约束重力模型”作为功能区域间交通分布预测模型，并引进区内交通依赖度，对交通流量进行调整，再依据第一问对拥堵原因的分析，从减小对外交通依赖度和交通阻抗两方面提出调整区域功能、改变关口功能架构和实施交通管控的具体交通优化方案。问题三中，在高峰时期数据基础上，根据问题二中建立的单约束重力模型，给出增加某通道后关内道路阻抗的改变量，并据此得出关口流量的重新分布，然后以增加道路前后通过关口节约总时间为优化目标建立“优化模型”。根据前两问结论给出计算方法，利用MATLAB软件的向量化求解功能计算出单位时内的节约时间量，并且以南山区为例分析了优化结果。关键字：交通模型拥堵指数模糊综合评价单约束重力模型优化模型2一、问题重述问题背景交通拥堵是目前中国各大城市面临的共同难题，但拥堵的成因各不相同，因而需要在摸清规律的基础上有针对性地提出解决方案。由于历史的原因，深圳由关内关外两个区域组成。关外由宝安、龙岗两个行政区和光明新区、龙华新区、坪山新区、大鹏新区四个功能区组成；关内含罗湖、福田、南山、盐田四个行政区。关外与关内由自然山丘隔开。由于有相当的一部分人口在关外居住，在关内上班，导致在上下班高峰期各关口进出通道经常成为交通最拥堵的地方，尤其以布吉关、梅林关等处为甚，在高峰期发生道路交通事故更会严重影响到广大市民的工作和生活。所以探究深圳关内外交通拥堵的深层原因并提出相应的治理方案已成为一个重要课题。目标任务根据交警部门记录的各主要关口进出通道瓶颈断面代表时段的交通流量、对应车速数据和行车道数并依据深圳市功能分区划分和实际的城市发展方面解决以下问题：1)分析造成各关口拥堵的深层原因。以梅林关为例，考虑信息不完备的影响因素构建关口交通模型，分析造成关口广场区域高峰期拥堵的直接原因，定出关口广场各连接道路拥堵指数；根据模型参数，给出今后进一步研究关口广场拥堵问题所需交通数据的采集侧重内容建议。2)在不增加关内外通道数量的情况下，通过调整城市分区功能、改变关口区域功能架构以及改善交通管控措施等来缓解梅林、布吉等关口的交通拥堵；3)选择合理的位置，增加关内通道，缓解关口的交通拥堵。二、问题分析问题一中，首先利用MATLAB软件对数据进行分类处理，做出各个关口交通流量随时间的变化图，求出交通流量的日变系数和高峰小时流量比。做出各不同功能区之间的交通流量图。分析造成交通拥堵的深层原因。根据《城市交通管理评价体系》中对于交通通行能力的评价指标，选择六个主要的评价指标，建立交通拥堵的二层评价体系，并依据《城市交通管理评价体系》中评价指标的参考标准对各个关口的拥堵情况做出量化评价。问题二中，首先查找资料，明确深圳市区域划分的具体规划和各分区的功能定位。通过研究各分区之间的交通流量和道路阻抗等影响交通流量等因素，并参考组团城市的交通分布的历史模型，建立交通流量的单约束重力分布模型，依据模型主要参数：交通发生量、交通吸引量和道路阻抗并结合道路实际情况提出缓解交通拥堵的措施。问题三中：连接某关内道路，道路阻抗发生改变，可以得到流量的重新分布，根据重新分布的流量计算各个关口拥堵指数，用一个评价函数作为优化目标函数，最后定量给出优化总体评价函数。但是由于数据种类不齐全，所以不能进行定量求解，但根据第一问及第二问的函数进行简化后可以对建设关内道路的方案进行简单分析。3三、基本假设1.忽略天气因素对交通的影响；2.短时间内未进行大规模的交通建设；3.沟通关内外道路不会发生特别重大的自然灾害或交通事故；四、符号说明符号意义单位L路段长度kmv车辆行驶速度km/h𝑣0路段设计速度km/hdVCGiAi连续车流的车头间距道路的实际车流量道路的通行能力小区i的交通产生量小区i的交通吸引量小区j到小区i的交通量mpcu/hpcu/hpcu/hpcu/hpcu/h其余符号均会在首次出现时做出说明。五、模型建立与求解5.1问题一从题目要求出发，并建立交通拥堵的评价体系定出拥堵指数,并结合深圳市具体发展情况，分析拥堵的原因。5.1.1交通拥堵评价模型的建立(一)城市交通拥堵的分类和等级划分[1][2]根据交通流的分布特性并参考《美国道路通行能力手册HCM2000》和《城市交通管理评价体系》将城市交通网络拥堵划分为五个等级。表1交通拥堵等级划分交通拥堵等级交通状况指数堵塞车辆速度极低几乎不能前行，基本饱和或超饱和9拥堵车辆速度较低，延误较大，饱和度较高7较拥堵车辆速度较低，有一定延误，车流不稳定5较畅通车辆受外界制约较小，车流较稳定3畅通车辆自由行使，无排队现象1(二)评价指标体系的建立通过分析研究选取饱和度、延误等六个指标建立深圳市交通拥堵的二层评价指标体系。见下图：41.交叉口拥堵指标根据交叉口的交通特性和城市道路交叉口的作用，城市交叉路拥堵评价指标包括：饱和度U11、信号二次排队率U12、效率指数U13。饱和度U11：交叉口实际交通量与通行能力的比值。饱和度U11=V/C信号二次排队率U12：一个周期内停车二次或二次以上的车辆数与该周期时间内驶离车辆数之比。K=E+F−MU12=K/M式中：E：上一周期滞留车辆数；F：本周期红灯时间来车数；M：本周期驶离车辆数；效率指数U13：通过交叉口的机动车行驶速度与相应路段上行驶速度的比重。U13=μ/φ式中：μ：通过交叉口的车辆行驶速度；φ：相应路段上车辆行驶速度；2.路段拥堵指标路段拥堵指标包括饱和度U21、平均速度U22、单位行程延误U23。饱和度U21：路段实际交通量与通行能力的比值。U21=V/C平均速度U22：车辆在路段上平均行驶速度。U22=𝐿𝑡𝐿60单位行程延误U23：在单位路程上由于拥堵延误的时间。U23=𝐿𝑣−𝐿𝑣0𝐿=1𝑣−1𝑣0城市交通拥堵度交叉口拥堵度路段拥堵度效率指数二次排队率饱和度平均速度单位行程延误饱和度5式中𝑣0为该路段的设计限速。对于特大型城市深圳快速路𝑣0=80km/h，城市干道𝑣0=60km/h。3.评价模型中道路与交叉口通行能力的计算[3]路段上一条车道的通行能力可按车头距计算：𝐶0=1000𝑣/𝑑其中连续车流车头间距d，可采用下式计算：d=𝑑0+𝑑1+𝑑2+𝑖∙𝑣2式中：𝑑0：停车时的安全距离，m；𝑑1：车辆本身长度，m；𝑑2：驾驶员在反应时间内车辆行驶距离，m,𝑑2=𝑣𝑇，T=1.2s𝑖：与车重、路面阻力系数、粘着系数、坡度有关；在通常的市区道路设计范围内（坡度≤|4%|），𝑖取0.054，𝑑0取2m，𝑑1取5m，则一条车道的理论通行能力（pcu/h）如表2所示。表2按车头间距计算的一条车道的理论通行能力V(km/h)203035405060d/m14.3219.0821.8224.7831.3138.67𝐶0（pcu/h）140615721604161415971552根据我国对车道的通行能力的研究，采用CJJ37-1990《城市道路设计规范》的建议值如表5所示表3CJJ37-1990《城市道路设计规范》建议的一条车道的理论通行能力V(km/h)2030405060𝐶0（pcu/h）13801550164016901730对于多车道的通行能力，考虑到多车道的横向干扰可按下式计算：C=ω∙𝐶0式中：ω为修正系数，在横向干扰不大的情况下计算方法如下：ω=0.9+(n−2)∙0.8+0.7其中n为车道数。表4多车道的理论通行能力vn2030405060113801550164016901730222082480262427042768333123720393640564152444164960524854085536555206200656067606920交叉口中仅考虑十字交叉口。十字交叉口的通行能力可按下式计算。C=μ∑𝐶𝑖6式中𝐶𝑖为各个进口的通行能力，μ为干扰系数。4.评价指标的量化参照《美国道路通行能力手册HCM2000》和《城市交通管理评价体系》中相关指标的量化模型，给出各个评价指标的量化方法。表5评价指标的量化方法交通拥堵等级交叉口拥堵指标指数饱和度U11信号二次排队率U12效率指数U13堵塞≥0.9≥0.80.29拥堵[0.75,0.9)[0.6,0.8）[0.2,0.47较拥堵[0.6,0.75)[0.4,0.6）[0.4,0.6)5较畅通[0.4,0.6)[0.2,0.4）[0.6,0.83畅通0.40.2≥0.81交通拥堵等级路段拥堵指标指数饱和度U21平均速度U22单位行程延误U23堵塞≥0.916809拥堵[0.75,0.9)[16,19)(70,80]7较拥堵[0.6,0.75)[19,22)(60,70]5较畅通[0.4,0.6)[22,25)(60,70]3畅通0.4≥25501(三)模糊综合评价模型[4]的建立以上各个评价因素是从各个不同角度对交通拥堵情况作出定量评价，下面利用多层次模糊综合评价的方法对各个有关因素进行综合评判。1.确定因素集将路网交通拥堵的评价指标划分为两个子集U={𝑈1,𝑈2}，其中𝑈1、𝑈2分别为交叉口拥堵度和路段拥堵度。由于交叉口拥堵度和路段拥堵度可分别用不同的指标来衡量，因此子集𝑈1、𝑈2又可划分为下一子集𝑈𝑖={𝑈𝑖1,𝑈𝑖2,…,𝑈𝑖𝑗}分别代表交叉口拥堵度和路段拥堵度相对应的二级因素指标，即饱和度、二次排队率等。2.建立评判集将城市的交通拥堵评判指标分为五级：V={𝑉1,…,𝑉𝑚}={堵塞，拥堵，较拥堵，较畅通，畅通}={9,7,5,3,1}3.确定权重集查阅相关资料，得到:A={0.2,0.8}𝐴1={13,13,13}𝐴2={13,13,13}4.基于观测数据的客观评价方法根据所测数据和各级影响因素所确定的相应权重，可以得到该区域的交通拥堵指数设𝑓𝑖𝑗为二级影响因素的量化函数（见表7）则7交叉口的拥堵指数𝐷1=𝐴1∙(𝑓11(𝑈11),𝑓12(𝑈12),𝑓13(𝑈13))𝑇；路段的拥堵指数𝐷2=𝐴2∙(𝑓21(𝑈21),𝑓22(𝑈22),𝑓23(𝑈23))𝑇；所以该区域的交通拥堵指数D=A∙(𝐷1,𝐷2)𝑇5.基于驾驶员评判的主观评价方法实际中，通常由专家组根据评判集进行评判，在交通拥堵评判中可以对在该路段行驶的驾驶员进行抽样调查，依据驾驶员的评判结果构造出每个因素的评判个模糊矩阵。例如：记第j个二级因素的评判为（𝑟𝑗1,𝑟𝑗2,𝑟𝑗3,𝑟𝑗4,𝑟𝑗5）(j=1,2,3),则相应的一级因素的模糊评判矩阵为𝑹𝑖=[𝑟11𝑟12…𝑟15𝑟21𝑟22…𝑟25𝑟31𝑟32…𝑟35]其中𝑟ij=评其为