区域交通组织优化方法研究

区域交通组织优化方法研究 当今世界城市普遍面临着日益严重的交通拥挤问题。城市交通拥挤主要表现为道路拥 挤，是指道路上的车辆密度（道路上单位距离内的车辆数目）过大使得车辆速度受到影响 的一种现象。为改善交通拥挤状况，各国政府都采取了相应的措施，如增加城市交通基础 设施建设方面的投资；建立立体交通体系；采取行政、经济手段抑制交通需求；发展和完 善公共交通等。我国同样也经受着交通拥挤的压力。 城市交通拥挤，从理论上讲是交通需求超过交通供给能力引起的。在城市的发展过程 中，由于城市聚集效益的原因，人口和物质生产活动向城市大量集聚，城市高强度的土地 开发，以及随着经济发展和人们收入水平的提高所带来的出行机动化的迅猛发展，必然会 使城市交通需求，尤其是对道路的需求持续增长。但是城市交通供给能力的增长却呈现出 跳跃性、阶段性的特征。交通设施一旦建成，短期内便难以改变。并且，交通设施的建成， 往往又会形成新的交通源。因此，交通拥挤现象很容易发生，在某种程度上说，也是难以 避免。 道路交通组织优化是在有限的道路空间上，科学合理地分时、分路、分车种、分流向 使用道路，使道路交通始终处于有序、高效运行状态。 交通组织从研究的范围大小及内容可以分为微观交通组织、区域交通组织、宏观交通 组织三个方面。其中微观交通组织是区域交通组织的基础，而宏观交通组织主要指宏观的 交通政策。 微观交通组织是区域交通组织的基础，它包括交叉口交通组织、路段交通组织和路口 路段一体化交通组织。 当前微观交通组织主要是研究交叉口的交通组织。针对交叉口的交通组织，国内外已 经研究了各个方面，包括路口放行方法、车道渠化、信号控制的优化、设立左转候驶区等 方面。 在对区域交通组织的研究方面，国内外已经研究了区域交通网络的信号优化、路口流 向禁限（主要是禁左交通组织） 、单行交通组织等方面。 1. 区域交通组织优化思路 随着科技发展和社会进步，对于交通组织优化，可以从以下几方面考虑：对于宏观交 通组织，在时间上要削峰填谷，在空间上要控密补稀，体现出矛盾分散时空均分的原则； 对于微观交通组织，信号配时上要分秒必争，在车道渠化上要寸土必争，体现出在冲突分 离基础上充分利用空闲时间和空闲面积。 区域交通组织优化的目的是为了减少区域内的交通拥堵情况。而对于某一区域内的交 通拥堵情况，从理论上按交通拥挤的空间分布特点可以模糊归纳为三种： 点指交通拥挤发生在一个独立的交叉口，只对与其相连接的路段产生影响，而 未影响到与其相邻的交叉口； 线指由于交通流量的激增（如流量高峰期）或者由于局部交通堵塞未得到及时 解决，而使得拥挤在相互关联的路段上蔓延，并且主要分布在一条城市主干道上； 面指交通拥挤分布于相互关联的路段，并且路段与路段之间的交叉口相互重合， 从而构成区域性交通拥挤。 对于上述第三种情况，即区域内的全面交通拥堵，用区域交通组织措施是不能解决的， 必须采取宏观交通组织方法或从更大范围内的区域出发解决。对于两种情况，则可以 首先考虑在区域内采取微观交通组织方法和区域交通组织方法。 微观交通组织是区域交通组织的基础，因此对于交通拥堵，首先应采取微观交通组织 方法，包括路口的放行方法、渠化及信号控制等；如果微观交通组织不能解决交通拥堵， 则应考虑采用区域交通组织的方法，如禁左交通组织、单行交通组织、区域信号组织等； 若区域交通组织仍不能解决，则应该考虑宏观交通组织方法，如机动车保有量增长速度的 控制、公交优先、错峰上下班及经济调控组织等。 要从区域交通组织出发解决交通拥堵，可按以下思路进行： （1）确定合理的交通组织优化评价指标及评价方法。 该评价指标应能反映区域路网的交通拥堵程度，该评价方法应能以对实施交通组织优 化方案后的效果进行正确的评价； （2）建立适合区域交通组织的合理的交通网络模型。 区域交通组织中的每种方法的实施都会引起区域内交通流的重新分配，因此区域交通 组织实际上是交通网络的交通分配。在区域交通信号中必须考虑各个交叉口的路口流向禁 限，而一般的交通规划软件中对交叉口的路口流向禁限措施没有得到很好的支持。因此应 建立新的网络模型，该模型应能计算出采用禁左及单行交通组织后各交叉口每个进口的直 行、左转及右转交通量。 （3）确定区域交通组织方案 根据区域交通网络的实际情况和适用条件，采取合适的路口流向禁限及单行交通组织 等措施，并由交通网络模型进行区域内交通量的重新分配，得到各交叉口的分向流量；并 由此进行各交叉口信号配时优化，并得出优化后的交叉口通行能力及各进口流量。 （4）进行区域交通组织方案评价 计算方案实施前后的评价指标，并进行对比，按评价方法进行判断是否达到目标要求。 若满足目标要求，则可实施该方案；否则应重新确定交通组织方案，并重新进行评价，最 后得到两种结果：区域内有可行的方案满足目标要求；区域内所有可能的区域交通组 织方案均不能达到目的要求。 2区域交通组织优化评价指标 评价是指根据明确的目的来判定对象系统跳属性，并将各种属性变换为客观定量的数 值或主观效用的行为。区域交通组织的评价指标应采用全面反映区域内交通网络的交通拥 堵程度。 2.1 评价指标的选取原则 1）实用性 课题研究的目的是为了应用到实际中去，去指导实践，因此，无论是按照什么方法或 是依据什么原理，都必须具备实用性。在研究的过程中，力求体系做到思路清晰，指标明 确，方法恰当可行、易于掌握，作为一项研究成果，能够在实践中体现其价值。 2）可测性 对于所选取的评价指标，必须能够通过某些直接或是间接的方法得到定量的值。所以 在选择指标时，对于那些不可侧的指标，应该予以摒弃。 3）独立性 城市交通系统是一个复杂的、多层次、多因素的系统。其内部各层次、各因素之间相 互独立、相互影响、相互联系，因此在研究的过程中要全面综合地考虑，避免评价指标的 相互关联和重叠。 4）可比性 可比性原则反映了评价指标的敏感性程度。所选用的评价指标应具有较高的敏感性， 能客观的反映出不同管理方案下所取得的效果的差异，从而为改善城市交通组织水平提供 决策支持。对于敏感性程度较低的评价指标，由于其前后变化以及在不同方案中的变化很 小，对决策支持意义不大，所以在选用时应尽量避免。 2.2 评价指标的筛选确定 在确定评价指标的选取原则后，即可进行评价指标的确定。在确定评标指标时，主要 考虑的方面就评价对象的特点。 本文的评价对象是区交通组织优化方案在解决交通拥堵方面的实施效果。由于交叉口 是交通网络系统中通行能力的“瓶颈” ，因此交通拥堵可以归结为交通拥堵点（对于交通堵 线，可以认为一条线上相互关联的几个交通拥堵点，而对于交通拥堵面，可以归结为平面 内相互联的有限个交通拥堵点） 。 所以，本文选择交叉口能反映交叉口拥堵程度的两个评价指标。 （1）饱和度 饱和度为交叉口实际交通量 V 与通行能力 C 的比值，用以表明交通车流状态繁重程 度，反映了交叉口总体的拥挤程度。 （2）延误 延误是间断交通流的一个关键运行性能指标，是车辆在通过交叉口的过程中所造成的 时间损失，它不仅反映了交叉口通畅情况，也反映了交叉口的服务水平，延误大小是衡量 交叉口交通运行质量的重要指标。 用于评价交叉口服务水平的延误主要有停车延误和控制延误两种。停车延误为车辆由 于某种原因而处于禁止状态所产生的延误，等于车辆停驶时间，包括车辆由停止到车辆再 次启动时驾驶员的反应时间。控制延误在美国通行能力手册（HCM） （1997 版）中被界定为 停车延误与减速一加速延误之和。由于停车延误概念清晰，且易于观测，一般都采用停车 延误作为评价指标。 2.3 评价方法 因本文中区域交通组织优化的目的解决点和线的交通拥堵，而选取的评价指标是区域 路网中每个交叉口的饱和度与延误，因此评价交通组织方案的实施效果可采用以下对比方 法： （1）列出各个交叉口交通组织方案实施前的评价指标； （2）列出各个交叉口交通组织方案实施前的评价指标； （3）对各个交叉口方案实施前后的评价指标进行对比，这里交叉口应两类：交通拥 堵点交叉口；非交通拥堵点交叉口。 （4）评价标准 当方案同时满足以下两个条件时，可认为方案实施效果达到预期目的。 对于交通拥堵点交叉口，方案实施后评价指标均应小于实施前，且均应小于给定的 评价指标； 对于非交通拥堵点交叉口，方案实施后评价指标均应小于给定的评价指标。 否则， 应调整交通组织方案，再重复（1）（4）过程。 3区域交通组织优化网络模型 由前述可知，本文的区域交通组织优化方案的实施实际上分两个阶段：（1）确定禁左 及单行交通组织等区域交通组织方案，该方案的实施效果是对交通网络系统中交通量的重 新分配；（2）由于交通量重新分配后各个交叉口的进出口流量会产生变化，因此应对单点 及区域交通网络的交通信号进行优化。 上述阶段（1）中是区域路网的交通量分配，可参考交通规划中的交通网络模型来建立 交通组织优化网络模型，但该模型与交通规划中模型又有所不同。 3.1 交通小区的划分 考虑到单点及区域交通信号组织中需要得到每一个交叉口的交通量详细数据，如各进 口直行、左转及右转的交通量（因交叉口掉头交通量即使有，一般也比较小，本模型中暂 不予以考虑） ，而一般交通规划中交通分配的结果并不能得到如此详细的数据，其主要原因 是划分的交通小区不适合交通组织。 本模型采用以下交通小区划分方式：对于一般路网，交通小区划分如图 3-1 （1）对研究区域外，以进出研究区域的每条道路进出点各作为一个交通小区； （2）对研究区域内，则以两个交叉口内的路段中点作为一个交通小区。 由于图 1-1 中可以看出，对于图中路网，共划分了 24 个交通小区，其中 1 12 为 区域外划分的交通小区，即一个区域进口道路划分一个小区。对于某一区域，若区域的进 出口道路有 n 条，则划分的区域外交通小区数为 n 。13 24 为区域内的交通小区。 3-1 区域路网交通小区划分图 3.2 交通量生成 交通量生成是指网络中各交通小区（节点）的交通发生和交通吸引量。 出行生成预测是目前国内外交通规划中应用广泛的“四阶段”交通需求预测方法的第 一阶段。由于本文是在现状交通的基础上进行交通组织方案优化，因此并不需要预测远景 交通量，因此考虑的是如何确定现状交通生成量。这可以通过交通调查获得，而在城市交 通中调查 OD 是不现实的。因此本文拟按以下方法确定交通小区的交通生成。 （1）区域外交通小区的交通量生成 由前述区域交通小区的划分原则可知，区域外交通小区的交通发生量为进入区域内的 交通量（准确些应该是到达区域内第一个交叉口的交通量） ，交通吸引量为离开区域的交通 量（准确些应该是离开区域内最后一个交叉口的交通量） 。 （2）区域内交通小区的交通量生成对于区域内交通小区的交通量生成（产生量与吸引 量）按以下考虑，即路段两侧范围内通过以该路段为出入口的交通产生量与吸引量，如图 3-2 所示。由于在城市交通中大规划的 OD 调查是不现实的，可用路段交通量反推的方法 得到 OD 矩阵。 3-2 区域内交通小区交通量生成示意图 3.3 交通量分配模型 国内外已有的交通量分配模型很多，通常可以分为平衡模型和非平衡模型两大类。平 衡分配模型是建立在沃尔乔泊（Wardrop）两个著名原理的基础上的。沃氏第一原理可以表 示为：网络上的交通流以这样一种方式进行分配，就是所有被使用的路线的行程时间与费 用均相等，且都比没有被使用的路线行程时间或费用要小。因此它被称为用户最优平衡原 理（User-Optimized-Equilibrium） 。沃氏第二原理是：车辆在网络上的分配使得网络上所 有车辆的总出行时间最小。因此，被称为系统最优平衡原理（System-Optimized- Equilibrium） 。交通网络平衡意味着交通网络上的交通需求和交通条件（供应）达到某种 稳定状态。这种稳定状态理论上讲是合理的，但要利用数学模型予以确切的表述，尤其是 要予以求解是十分困难的。虽然目前国际上仍有许多对交通问题感兴趣的数学家、系统科 学和运筹学专家致力于这方面的研究，也发表了大量的研究论文和报告，但尚没有找到能 为交通规划师们所接受的实用模型、具体方法。对于使用非优化的启发式解法或其它近似 解法的分配模型被称为非平衡分配模型。 目前在实际交通规划中使用的交通分配模型一般均属于非平衡分配模型模型，主要包 括最短路交通分配法、容量限制交通分配法、多路径概率交通分配法等。 3.3.1 非平衡分配模型 1）最短路交通分配法 最短路交通分配是一种静态的交通分配方法。用该分配方法，取路权（两点间的行驶 时间）为常数，亦即假定车辆的行驶速度按自由交通流时的情形取路段的设计车速。每一 OD 点对的 OD 量被全部分配在连接该 OD 点对最短路径上，其余路径不分配交通量。在所 有 OD 点对的 OD 量全部按上述原则分配到路网上后，可累计得出各路段、各交叉口的交 通量。该法在进行交通分配时，不考虑路段通行能力的限制，或不考虑过多交通量将影响 行车速度而有可能选择其他路径的交通分配现象，因此，称为容量非限制分配法，或全有 全无分配法。 最短路径分配法的优点是计算简单，概念清晰。但是，分配结果不尽合理，交通量在 路网上分配不均匀，与实际情形误差较大。尤其是当路段和交叉口交通饱和度较大时，将 行驶时间作为常数处理明显不符合实际，因为此时车辆行驶速度不可能保持自由流时的速 度。但是最短路径分配法是其它分配法的基础.亦公路网交通分配评价时有着重要的作用。 其主要步骤是： （1）确定路段行驶时间。对现状网络，可用实测的路段长度除实测的行驶车速来确定； 对规划路网，可用规划路段长度除该路段的设计车速来确定。 （2）确定各 OD 之间的最短路径。 （3）按各交通区之间 OD 量全部在路权小的路径上通过，其余为零的原则，将各 OD 对间的 OD 量分配到交通网络上。 （4）累计得出各路段（交叉口）的交通量。 2）容量限制分配法 容量限制分配法也是把交通区之间的交通量分配到交通区之间的最小路权的线路上， 不过，容量限制分配法的路权考虑了行驶速度与交通量的关系，当交通量大到一定的量时， 车辆的行驶速度即会随交通量的增加而减少，路权则会变大。因此，先分配路权最小的线 路，当交通量分配到一定的量时，该路线路权则不再是最小，此时交通量会被分配到其它 路权最小的线路上。 容量限制法的主要步骤是： （1）将路网简化为网络，以“零流量”路段行程时间开始； （2）依次对每个起点分区计算通过路网的最短行程时间的通路； （3）按全有全无分配模型，将起讫点的交通模式加到路网上： （4）计算分配到各条线路上的交通量； （5）在流量与行程时间的关系中，用分配给路段的交通量计算路段行程时间，重新计 算新的最短时间通路； （6）按全有全无分配法再将原来起讫点的交通模式加到由步骤（5）得出的路网的新 的最短时间通路上； （7）返回（4） ，继续分配，直到分配的交通量和行程时间稳定为止 3）多路径概率分配法 由出行者的路径选择特性可知，出行者总是希望选择最合适（最短、最快、最方便等） 的路径出行，称之最短路因素；但由于交通网络的复杂性及交通状况的随机性，出行者在 选择出行线路时由于判断误差而选择的路径不一定是最短，往往带有不确定性，称之为随 机因素。这两种因素存在于出行者的整个出行过程，两个因素所处的主次地位取决于可供 选择的出行路线的路权差（行驶时间差或费用差等） 。因此各出行路线被选用的概率可采用 Logit 型的路径选择模型计算。 -(k)-(i)=1eP(r,sk)ttmi 式中： P (r ,s,k)OD 量 T (r ,s)在第 k 条出行路线上的分配率； t( k)第 k 条出行路线的路权（行驶时间） ； t 各出行路线的平均路权（行驶时间） ； 分配参数； m 有效出行路线条数 一般来说，交通网络都比较复杂，往往含有百余个交通节点，每一 OD 点对之间具有 很多不同的出行路线，尤其是长距离出行。因此，用此模型分配时，首先必须确定每一 OD 点对 (r , s)的有效路段及有效出行路线。本分配方法中，定义有效路段 i , j为路段 终点 j 比路段起点 i 更靠近出行终点 s 的路段，即：沿着该路段前进更能接近出行终点 s 。有效出行路线必须由有效路段组成，每一 OD 点所对应的出行量只在他相应的有效出 行线路上进行分配。 出行者从他的出行起点 r 到达出行终点 s ，需经过一系列的交通节点（交叉口） ，每 到一个交通节点，都必须做出选择，在该节点所邻接的有效路段中选择一条路段作为他们 出行的一部分，继续进行。因此在某交通节点，可供出行者选择的有效出行路线条数等于 该节点所邻接的有效线路的条数。在通常的交通网络中，普通节点邻接的边数为 3-5，而 其邻接的有效路段绝大部分为 2，少数为 3 或 1只有一条有效路段时，不存在选择问题 。 分配模型中， 为无量纲参数，它与可供选择的有效出行线路条数有关，根据出行者 路径选择模拟分析发现，两路径选择时 =3.00-3.50；三路径选择时， =3.00-3.75， 其取值比较稳定。因此，在实际应用时可取 =3.00-3.5。 本分配模型能较好地反映路径选择过程中的最短路因素及随机因素。实际上，若各出 行路线路权相同，则本模型称为随机分配模型，各路线被选用的概率相同。若某一路线的 路权远远小于其它路线，则本模型称为最短路分配模型。 3.3.2 本模型所采用的交通分配模型 因区域交通组织优化网型模型主要是在现在 OD 出行的基础上，采用一些交通组织措 施（主要是路口流量禁限，其中禁左及单行交通组织均可看作是路口的流量禁限）后引起 网络交通量的重新分配问题。而在实际的道路交通管理中，实施路口流量禁限措施后，绝 大部分交通量是选择最短路径的。因此本模型中选择最短路交通分配法。当然，若条件成 熟，则应采用多路径概率分配法。 3.4 流向禁限与路阻函数 在各种区域交通组织方案中，单行交通组织与路口流向禁限措施，均可以在网络模型 中用路阻函数（或路段行驶时间）设置，即将受路口流向禁限影响的两个交通小区之间的 路阻函数设为极限大值（即“此路不通” ） 。 3.5 分层次的区域交通组织优化网络模型 由图 3-1 可以看出，对于区域内 33 的路网，所划分的交通小区已达到 24 个，如 路网路段条数比较大，则交通小区数也将迅速增多。因此在一个城市中整体路网都建立本 模型中的交通小区是不现实的。 但考虑到本模型是以解决区域路网中非全面的交通拥堵问题为出发点的，这个区域随 着不同的交通拥堵情况而有所不同。区域交通组织解决的是区域路网中一块局部范围的 “心肌梗” ，其重点是区通过区域交通负荷的均衡分布来解决交通拥堵问题。上前述交通小 区的划分可知，对区域外，以进出区域内交通流入（流出）作为交通生成量。而在区域内 交通组织方案的优化是在上述交通量确定的情况下进行的。 因此，或在区域内采取可能的交通组织方案均不能解决交通拥堵问题，则应考虑采取 其他措施（如交通规划方法或可以通过更高层次的交通组织等）以调整进入区域的各条道 路上的交通量。图 3-3 显示了区域交通组织与交通规划的关系。图中交通小区 A M 为交 通规划中所定的交通小区，通过交通规划中的四阶段方法可以得出各路段上双向交通量； 图中虚线所围两个区域为交通组织优化的区域示例，区域交通组织的研究区域可根据区域 内的交通拥堵情况确定由一个或多个交通规划中的交通小区构成。 3-3 区域交通组织与交通规划关系图 如果通过调整区域进出口流量后再进行区域交通组织优化方法后仍不能解决区域范围 内的交通拥堵情况，则只能考虑宏观交通组织方法或其它解决交通拥堵的方法来解决该区 域的交通拥挤问题。 4 总结 城市交通的拥堵是世界各国普遍面临的城市问题。随着我国经济的发展以及城市化进 程的加速，交通拥堵问题在我国许多大城市也日益严重，其中交通管理水平低下是主要原 因之一，解决交通拥堵问题，应该从交通供给与交通需求两方面入手。而在路网结构已经 确定的区域，新增或改建道路已不可行，因此采取合适的交通组织方法必然成为解决交通 拥堵的重要措施。 以下是通过本学期学习和研究得到的一些有益的结论。 （1）解决城市交通拥堵问题的方法有很多，在路网结构已经定型的区域，采取合适的 交通组织方法必然成为解决交通拥堵的主要措施之一。