深圳关内外交通拥堵探究与治理论文1

2013 高教社杯全国大学生数学建模竞赛承 诺 书我们仔细阅读了全国大学生数学建模竞赛章程和全国大学生数学建模竞赛参赛规则 （以下简称为“竞赛章程和参赛规则” ，可从全国大学生数学建模竞赛网站下载） 。我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛章程和参赛规则的，如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料） ，必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守竞赛章程和参赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛章程和参赛规则的行为，我们将受到严肃处理。我们授权全国大学生数学建模竞赛组委会，可将我们的论文以任何形式进行公开展示（包括进行网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等） 。我们参赛选择的题号是（从 A/B/C/D 中选择一项填写）： 我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）： 所属学校（请填写完整的全名）： 参赛队员 (打印并签名) ：1. 2. 3. 指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)： （论文纸质版与电子版中的以上信息必须一致，只是电子版中无需签名。以上内容请仔细核对，提交后将不再允许做任何修改。如填写错误，论文可能被取消评奖资格。）日期： 年 月 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：2013 高教社杯全国大学生数学建模竞赛编 号 专 用 页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：评阅人评分备注全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）深圳关内外交通拥堵探究与治理摘要本文通过探究深圳关内外交通拥堵情况来找出深圳交通拥堵的原因，从而为改善深圳交通状况和治理深圳交通堵塞提供帮助。对于问题一，我们通过对附件中的数据进行处理，画出深圳各路段车流量与时间变化的关系图来确定一天中各路段拥堵最严重的时间段。从而根据我们定义的交通拥堵指数来判断这一天中高峰期交通拥堵等级，以确定各路段出入关口的拥堵情况来分析各关口拥堵的深层原因。对于梅林关的拥堵原因，我们通过分析其地理位置和进出关口的车流量与时间关系，从而确定梅林关拥堵的直接原因是梅林关入口多于出口，造成早晚上下班时交通堵塞。对于问题二，在对城市交通环境系统解析的基础上，明确城市交通环境分区的必要性，探讨基于聚类的城市交通环境分区方法基本思路。完善的城市综合运输体系，能提供足够的交通供给水平来适应不断提高的社会需求，推动社会经济的持续发展，实现交通经济效益的优化。通过地区互补的方式，不仅能够缓解交通压力还可以促进经济发展。交通管控方面可通过车辆限行的方式适当缓解交通拥堵的现状。对于问题三，通过前面两个问题的分析，得到了关口拥堵的原因：车流量超过关口所能承受的容量，以及城市分区构架的不合理导致了车辆的分布不均匀，从而导致有些关口道路存在不同程度的拥堵，所以本文利用分流疏通的方法。而鉴于只能在关内增加通道的限制，通过建设关内新通道以达到将拥堵路段的车流引到畅通路段的目的。增加通道的选址，将考虑到进出关关内外人口，城市的分区，关口拥堵分布等。通过对关内各个路口车流量的分析，本文提出了新修建条道路的方案来缓解交通压。关键词：交通拥堵指数 空间聚类算法 城市区域分布一、 问题重述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。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。因此，使用数学方法对不完整的交通信息进行建模分析，就成为定量分析关口交通特性及构成要素的重要手段。如果能在不断修正、调整的基础上取得较可靠的分析结果，将对制定有效、合理的交通管控及事故应对方案提供有益的帮助。本题给出了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，对拥堵严重的梅林关还以样本抽取方法给出了部分与关口广场连接道路对应时段的相关参考数据。请根据这些数据以及你收集到的深圳城市功能分区规划、以及实际城市发展等方面的相关资料分析讨论以下问题：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，对关口广场各连接道路进行分类或定出拥堵指数；根据你的模型参数，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，能否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、如果可以增加关内通道，试问应选在哪些地方（不考虑建设成本） 。二、模型假设与符号说明2.1 模型的假设 1 假设关口没有车辆发生故障和交通事故；2 假设行车途中没有红绿灯和检查站；3 假设附件中的车流量不受任何外界影响；2.2 符号说明 Q单位小时内的车流量v车速n车道数L车辆平均长度，此处取为 5 米三、问题分析交通堵塞 ，又称交通挤塞、交通拥挤、交通拥堵、塞车或堵车，是指一1种车多拥挤且车速缓慢的现象，通常在假日或上下班尖峰时刻等时刻出现。交通拥堵是现代城市，尤其是大城市，是不可避免的交通问题。对路网进行交通拥堵状态的评价是改善其运行质量的前提和依据。3.1.1 造成各关口拥堵的深层原因：（1）关口道路建设失衡。道路网主要包括快速路，主干路，次干路，支路和交叉路。从附件中可以得到各个路断的车流量和车速，从这些车流量和车速可以看出，不同的道路车流量的大小和车速有较大差异，导致一个关口不同路段的拥挤程度不同，所以，道路建设的不同的影响了交通的畅通性，也造成了不同程度的交通拥挤。（2）关口道路网的布局形式存在缺陷。在道路网方面，车道数和车道宽度的设置以及车道功能的划分等都可能严重影响到交通的畅通程度。（3）各关口所在区域的人口数量和密度也有可能影响到交通的畅通程度。3.1.2 造成关口拥堵的直接原因（以梅林关为例）：（1）经济的发展带到车辆的增加，但道路的建设跟不上车辆增加速度，促使交通压力增大。（2）由于深圳历史的原因，关口分为关内关外，也会造成交通拥堵。（3）现行以功能分区为主的城市规划理念为拥堵埋下隐患。四、模型的建立与求解4.1 模型的建立及求解分析造成各关口拥堵的深层原因，根据附件一所给出的数据，从题目中我们可以直观的看出，关口交通拥堵与车速、车流量。 首先我们可以通过车流量与时间的变化关系，找出他们之间的联系，如图一: 图 1 七天内各路段车流量与时间的关系由上图可以看出，无论是工作日还是休息日，各路段的每日车流量都接近，呈周期性变化。因此，可以取其中一天为例，分析一天中各路段车流量最高峰所对应的时刻。 上图中其中一天二十四小时内的车流量变化如图二：图 2 一天内各路段车流量与时间的关系由上图可以看出，车流量变化趋势大致呈现“ M ”型，交通拥堵主要集中在早 8 点及晚 18 点左右。该时间段是人们上下班的高峰期，各关口交通拥堵问题也主要集中在这个时间段。而在每天的 7-9 点和 18-20 点车流量比较多，其余时间少。而 7-9 和 18-20 正是早高峰和晚高峰。由此可知造成高峰期关口拥堵的直接原因有：关外人员上下班给道路带来了较大的车流量，超过了道路的负荷极限。根据上面两幅图的分析可以得出只要分析各关口 8 点和 18 点这两个车流量最高峰时刻的拥堵指数就可以判断该关口是否处于拥堵状态。同时也可以看出在同一时间不同道路上的车流量不同，其拥堵程度也不同。所以原因还有：城市布局、功能分区造成城市交通时间上、空间上的不均衡。我们根据单位时间每千米内单一车道上运行的车辆数， （假定每辆车的平均长度为五米）来描述交通拥堵指数 TCIlink(Traffic Congestion Index)：（1） 10QvnTCIlikL其中：单位小时内的车流量；Q车速；v车道数；n车辆平均长度，此处取为 5 米L交通拥堵指数是一个连续变量，定义其取值范围是 。指标值的大小01:代表了不同的交通运行状态和拥堵强度，值越大则评价时段内的道路运行状态越差，拥堵强度越大；反之，道路的运行状态越好，拥堵强度越轻。本文中将出行者对交通拥堵强度的感受划分为 5 个等级，分别为：拥堵、轻度拥堵、缓行、基本畅通、畅通，表示如下： 畅 通 0.7以 下基 本 畅 通 6以 下缓 行 .-1基 本 拥 堵 3拥 堵 0.以 上TCIlink根据附件一的各路段线路通过百度地图 找到各路段的经纬度并在地图上2标出各路段的具体位置，从而确定各路段所属的关口以及判断是出关还是入关路段。如图三：图 3 附件一中各路段的具体位置A: 107 国道(广深公路）南头检查站B: 深南大道南头检查站C: G4(广深高速)(2260km+969m)D: 广深高速同乐检查站E: 梅观公路南坪立交桥F: 梅观公路普滨加油站G: 沙河西路白芒关检查站H: 松白路白芒检查站I: 清坪快速清水河联检站J: 清坪快速清水河联检站K: 保洁路清水河检查站L: 西环路清水河检查站M: 丹沙路沙湾检查站N: 沙湾路沙湾检查站由上图可看出，A 和 B、C 和 D、E 和 F、I 和 J、M 和 N 各两个关口检查站的地理位置非常接近，可以看成是同一个关口，K、N 可以单独看成两个关口，则从图三中可以看到总共 7 各关口。通过下表一的数据和上面所定义的公式算出各出入关口路段的早晚高峰车流量的拥堵指数。表一如下：表 1 深圳各路段一天中高峰期交通状况通过上面定义的交通拥堵指数把表一的数据进行 matlab 编程，并判断道路序号断面 出入 道 车道早高峰车流量（辆/h）车速(km/h)晚高峰车流量（辆/h）车速(km/h)a梅观公路南行-市区方向 1 入 4 3931 7.5 4104 49b梅观公路南坪立交桥下北行-南-战略 1 出 5 3370 63 4034 48C南坪快速路 1.3 公里东行-西-战略 2 入 4 3671 46 4094 54d南坪快速路 1.3 公里西行-东-战略 2 出 4 4825 43 3987 55e 布吉关（出、北行） 3 出 4 3147 40 4286 18f 布吉关（入、南行） 3 入 5 3868 8 3286 23g福龙路隧道北行(香环立交) 4 出 4 4326 39 5551 18h福龙路隧道南行(香环立交) 4 入 4 4161 72 4220 65i保洁路清水河站出-南战略 5 入 2 646 40.81 1463 30.17j西环路清水河检查站入-北战略 5 出 2 463 27.01 395 19.83k丹沙路沙湾检查站入-北战略 6 出 2 844 23.53 1046 34.84l丹沙路沙湾检查站出-南战略 6 入 2 362 1.1 409 1.81是否拥堵如表二：表 2：各路段进出关口的拥堵状况道路 a b c d e f g h i j k l入出通过深圳年鉴查询，2012 年末深圳各区常住人口数如下表：表 3：2012 年末深圳各区常住人口数地区 福田 区 罗湖区 盐田区 南山区 宝安区 光明新 区 龙岗区 坪山新 区人口（万人）132.52 93.10 21.10 109.99 406.14 48.69 203.91 31.28因此，由表一、表二、表三和图三可以看出，各关口拥堵的深层原因是：1、交通设置失衡，快慢车道分布不均，对于某些车流量大的关口，快车道相对来说不满足需求，从而造成交通拥堵。2、各区人口密度不均，尤其是宝安区和龙岗区人口密度大，由于这两个区在关外，很多人都要进关上班，从而给交通带来很大的压力，造成交通拥堵。3、各区人口上下班集中在同一时间段，这给交通带来了很大的压力，易造成交通拥堵。4、关口交通网的布局存在缺陷，车道数设置不合理。对于分析梅林关拥堵的直接原因，通过百度地图查找梅林关的地理位置如图四：图 4 深圳梅林关由上图可以清晰地看出，梅林关拥堵的直接原因是由于梅林关的地理位置特殊，只有一条道路连接关内关外，入口较多与出口导致关内总车辆数增加，从而造成了车流量大。因此，来往车辆必然要经过这条道路，在早晚上下班高峰期时，容易造成交通堵塞，给人民工作生活带来极大不便。下面两个图是根据梅林关进出关口的车流量与时间的关系分别绘制。图 5 梅林关进关的车流量与时间关系图图 6 梅林关出关车流量与时间关系图 从上两个图表可以看出，梅关路在早晚高峰时期出现严重拥堵，非高峰期路段行驶畅通。而造成梅林关拥堵的直接原因是：大量的车辆汇聚于梅林关，超过了关口所承受的最大容量，从而造成了梅林关的高速利用不充分造成了严重的交通拥堵。根据模型参数，我们希望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如下：1、能够增加高峰期内更短时间间隔内（例如每 10 分钟）的车辆通行量及平均车速的内容。2、能够给出各路段红绿灯个数和平均等待时间。3、统计繁华路段的车流量以及周边路口。 4、统计周末以及节假日的车流量。 5、了解该路段是否存在道路维修以及道路建设，城市建设造成影响。 6、采集瞬时速度。4.2 模型的建立和求解1、调整城市分区功能我们认为在不增加关内外通道数量的情况下，是可以通过调整城市分区功能，我们依照下表进行城市交通环境网格系统进行分区。 图7环境导向的城市交通环境分区研究技术路线综合考虑城市交通环境系统的交通功能、社会经济功能、环境功能，对相关空间和属性数据进行收集，城市交通功能区划分为均匀的网格，选取指标对网格进行指标计算，根据网格指标分布和结构特征选择合适的聚类方法将城市网格体系划分为空间位置相近属性特征相似的集合，每个网格集合作为交通环境调控的一个区域进行分区管理和调控。（1）交通数据：交通量和速度是描述交通流特征的两个重要参数，在城市交通环境中分别代表交通的服务能力和运行畅通性。道路能够容纳的最大流量和最大行驶速度，受到来自交通基础设施、交通组织、交通控制等方面众多因素的影响和制约，是衡量城市交通建设好坏的重要体现。提高路网道路通行能力和交通运行速度是大多数城市交通建设的重要目标。（2）图形数据如图8： 图 8表 4 深圳人口分布地区别 常住人口（人） 人口密度（人/平方公里）深圳市 10357938 5201罗湖市 923423 11726福田区 1318055 16756南山区 1087936 5877宝安区 4017807 7059龙岗区 2011225 2945光明新区 481420 3097坪山新区 309211 1852盐田区 300000 2798龙华新区 1379800 8174上图为深圳原来的行政区划图，其中关外由宝安、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。我们可以通过原来的行政区划进行功能调整，减少交通拥堵。我们建立空间聚类算法，基于城市交通建立自适应多克隆聚类算法。由于交通环境分区指标较多，且指标数值的分布特征差异性较大，既有连续性较强又有高度离散的数据，同时受到数据收集误差的影响，限制一些聚类方法的使用。1，改变关口区域功能架构图9图中可知，南山区附近关口分布较为密集，交通更为便利。切周边临近关外的宝安行政区，龙华新区。关外居民居住条件便利。而相对的，关内的罗湖，福田，盐田三区主干快速交通设施较为落后，且距离关外生活区较远，居民居住不够便利。故深圳市今后发展规划时，可以着重将此南山区建设为城市中心工作区，间接促进宝安新区、龙华新区发展，成为市民居住的主要部分。福田区是深圳市的中心区域，其车流量大也在情理之中，应该尽量减少该地区繁华路段的改造与重建，因为现在市中心拥堵的主要原因之一就是因为道路建设而导致堵车，而南山区本身旅游资源丰富，同时可以适当的将该市一些大型产所往南山区建，南山区面积相对较大，例如体育场，学校以及一些高新产业项目，从而帮助福田区吸引一定的人流量从而使福田区的交通得到缓解，这样也可以促进南山区的经济建设。从分体现经济开发区以经济建设为中心的原则。罗湖区与盐田区进行互补，盐田区的人口量较其他三个区也就少的多，而罗湖区的可建设面积有相对较少，大部分区域是深圳水源保护区和梧桐山森林保护区，而盐田区本来就是一个交通枢纽所以可以加强盐田区的房地产业以及其他娱乐产业来吸引人口聚集，来缓解相邻区罗湖区的交通压力。从而能整体提高深圳市的GDP.我们以布吉关为例分析关口。位于布吉关口的清水河是深圳市最大的物流中心，其中的清水河国际汽车物流产业园是深圳市最大的汽车物流中心，因此，清水河物流中心每天都会有大量的车辆出入，从而导致布吉关口因有大量车辆通行并造成高峰期的拥堵。于是，可以把清水河的物流产业适当的移到东部的盐田区和西部的南山区，利用东部快捷的交通以及西部南山区发达的工业，可以减少物流的成本，并可以有效的缓解布吉关口的布吉路、清水河联检站的交通压力。2，改善交通管控措施首先，政府可以适当提高梅林关和布吉关的通关收费并减少其它关口的收费，利用价格调控作用，让一部分本来可以从梅林、布吉关出入关的车辆，绕道从其它收费低的关口入关。其次，位于布吉关口的清水河每天都有大量的车辆出入，因此交警部门通过建立一些规定等，限制或减少清水河物流公司的车辆在早晚高峰时禁止出行。并且，要建立和健全交通监控设施。通过监控各个关口每个车道的通行状态，并通过路边摄像头等监控措施来监控道路上的交通违规事件，及时将各个路段的拥堵信息发布在公众平台上，可以减少因违规行驶造成的拥堵，并还可以让在行驶中的车辆能及时寻找合适的道路出入关口。对特别拥堵的路段可以将信息通过GPS等移动通讯方式发给行驶中的出租车、大货车和私家车主。另外，还应该提高城市道路突发状况的快速处理能力，当城市的某条道路上遇到车祸等一些突发事件，如果交通警察能够及时、快速地到达现场进行处理，将事故拖延的时间降到最低，进而就可以减少交通拥堵的时间。最后，还应该在关口道路的易发拥堵路段以及十字路口等处，设立交通亭和布设更多的交警和交通协管员等，通过交警和协管员的指挥作用，来更好地指挥、管理和引导交通流。基于最短路径及深圳市交通设置实际状况，对梅林关出的交通拥堵提出以下方案： （1）G94( 梅观高速) 华为跨线桥北行 -南- 战略处进关的车辆应尽量直接到达梅观公路南行-市区方向，并且部分人员应该采用地铁进入关内。 （2）南坪快速路1.3公里东行-西-战略处的车辆应错时进关，并且部分车辆应该提前分流，避免该处造成拥堵。 （3）G94( 梅观高速) 华为跨线桥北行 -南- 战略处应该减少从梅龙、民治路-南行入梅观公路口进入关内的车辆并梅龙、民治路-南行入梅观公路口的车辆进行错时行车，以减缓梅观公路普滨加油站南行-北-战略处交通拥堵。4.3 模型的建立和求解由于关内地形成狭长状，而只允许关内增加道路，所以将区域分为东、中、西三部分1、对于关内外人口分布：由第一问结果的高峰区进出关拥堵情况可知，为解决高峰区拥堵可将早晚高峰拥堵道路分给早晚高峰不拥堵道路。早晚高峰拥堵近出关都拥堵道路：（1）梅关公路南坪立交桥、普滨加油站： 通过分析该处拥堵相当严重。由于梅关公路连接这龙华新区与福田区、罗湖区。福田区作为深圳市的经济政治中心，吸引了大量的通勤人员，早晚高峰期成为了拥堵期；此外，通过南坪快速向东可到达布吉镇的工业区，该区亦需要大量的劳动力；通过南坪快速向西可到达福田区的西部以及南山区的东部。 2、对于城市区域分布道路解决：由于城市功能区，地理环境关外到关内必须要通过梅林关和布吉关等关口才能入关，车道拥堵的原因是由于拥堵关口是多个车道的汇合点，从而导致车流量超过关口所能承受的容量。为了缓解梅林关和布吉关的交通压力3、对于流量不同来分流的道路解决：表 5 西部出入关统计车道 高峰期平均车流量107 国道(广深公路）南头检查站 4822入关 G4(广深高速) 2454松白路白芒检查站 1102总计 8378深南大道南头检查站 4074出关 广深高速同乐检查站 2074沙河西路白芒关检查站 1085总计 7206表 6 中部出入关统计表 7 东部出入关统计表车道 高峰期平均车流量清坪快速清水河联检站南行 1227入关 西环路清水河检查站入 422布吉关口 4604总计 6252车道 高峰期平均车流量梅观公路普滨加油站南行 5227入关 梅林关口 10014总计 15241梅观公路南坪立交桥下北行 2698出关 梅林关口 11177总计 13875清坪快速清水河联检站北行 1097保洁路清水河检查站出 642布吉关口 4148总计 5887从表 9、10、11 中可以看出东、中、西三个地区的车流量之间存在巨大差别，造成这种现象的主要原因就是关内车道连通率不高，位于中部的车流只能通过梅林和布吉等关口出入关，通过对第二题的分析我们提出在关内的可以修建两条路，这两条路的位置如图：一条路修建在北环路和南坪快速路之间，西起 107 国道，向东依次连接广深高速、福龙隧道、梅观路、209 省道、清水河检查站和布吉关。原因：由于北环路非常靠近深圳市中心，只能疏导位于福田区和罗湖区的部分车流。原来从梅林关入关后只能走梅观路到市区后，只能走北环路到南山区和罗湖区。这样就大大增加了梅林关口、梅观路和北