（应用数学专业论文）城市公路交通管理数学模型及其应用.pdf

城市公路交通管理数学模型及其应用 学位论文独创性声明 本人承诺：所里交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加 以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的 研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名：二；0 器 日期；乒卅、彳i 多 学位做作者签名：寸研 日飙抄7 、以吟 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权辽宁师范 大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后使用本授权书 学位论文储签名：丁 第3 s 页 指导教师签名： 日期： - f ，翳 城市公路交通管理数学模型芨其应用 城市公路交通管理数学模型及其应用 研究生：于庆年；指导教师：崔利宏 学科专业：应用数学专业 摘要：本文主要对我国城市公路交通管理的现状及存在的相关问题进行了分析和探究，文中 针对国内各个城市规模不断扩大，城市交通需求不断增长的特点，研究了城市交通管理公路 事件信息自动处理技术、公路交通信息数据收集技术的相关内容及方式方法。 在此基础上，我们把一些“交通事件”、“交通流”等问题数量化，对于城市交通管理中 存在的一些突出问题，以矩估计分析、小概率原理、泊松分析等数学方法为手段；以计算机 技术为工具，通过查阅城市公路交通管理的一些相关文献资料，根据作者的一些前期研究结 果，采用定量分析与定性分析相结合，定量分析为主的研究方法，依据城市公路交通的若干 数据及信息，通过量化的指标体系及合理的假设条件，给出了城市公路交通事件统计分析与 监控管理问题的数学模型。同时，以该数学模型为核心。本文也进一步给出了比较科学的公 路交通事件处理方法和解决这些问题的一些具体实施方案。 本文所要达到的目标就是使城市交通管理部门能够实时、准确、科学地监测和调控城市 交通流量；同时预测城市公路交通未来的发展状况。尤其是能够对城市交通突发事件做出提 前预测井提供相应的解决方案，从而为交通管理者的科学决策提供重要的理论依据。这些都 为进一步实现城市公路交通管理的科学化，优化城市交通网络，不断提高城市交通效率和城 市道路交通运输能力起到一定的积极作用。 通过分析和讨论可以发现，文中所得结论可以有效提高和改善交通管理的构造性、清晰 性、预见性，并且在具体实践中具有很强的可操作性。这些都为迸一步提高城市交通管理的 科学性提供了具有较高理论意义和较大实际应用价值的新方法，并且这些结果对城市的道路 交通网络的建设与发展具有较大的理论指导意义。 关键词：交通信息，交通事故，动态监控，交通拥堵，泊松流。 第一章引言 如果你置身于某些大城市，它的交通情况会给你留下深刻的印象。例如，大城市主干道 机动车辆汇成了“不间断”的交通流；公共交通车内拥挤不堪；若你想乘汽车由甲地到乙地， 而此时恰巧遇到交通拥堵，这使你不能及时到达目的地，只能是干着急没有办法。当然这只 是一些个人对某些大城市交通的一种感性认识。从宏观上来看，城市交通问题是本世纪以来， 一些经济发达国家一直为之困扰的问题。进入十九世纪8 0 年代以来，我国城市的经济和社会 活动日益繁忙，城市交通的压力发生了前所未有的迅速增长，传统的道路交通设施及管理手 段已经不能完全适应现代社会发展的需要， 第一节大城市交通需求发展情况 l 、到1 9 9 4 年底，全国百万人口以上大城市已发展到3 2 个，城市人口达到近九千万人， 其中非农业人口达到6 8 2 0 万人。据抽样调查，城市人均出行次数，从8 0 年代初每天2 次多 一点，提高到9 0 年代初的2 7 次。再加上数目庞大的流动人口，城市的生产和生活强度的增 第l 页 城市公路变通管理数学模型及其应用 加，使得城市内部客运、货运交通承受了空前沉重的压力。1 1 1 2 ，大城市已经成为全国经济发展的重心。全国3 2 个百万人口以上大城市以7 6 的城市 人口占有1 4 的国民收入，全国工业产值的1 4 在大城市中，社会商品零售额的1 4 通过大城 市实现，而实现这些人员流动和物资交换的主要载体是城市交通。1 2 1 3 、大城市作为区域交通的枢纽作用日益明显。大城市交通运输量在全国交通中占了很大 比重。大城市负担着大量的客货运输、换乘、换装、中转，集散任务，突出表现为出入口交 通和过境车辆的增加，严重地冲击着城市内部交通运输。全国3 2 个百万人口以上的大城市中， 市区对外客运量占全国总客运量的1 ，7 ，对外货运量占全国的1 5 。1 2 1 4 、大城市的功能不仅在扩大，而且占地面积也在不断的扩大，全国大城市的面积在扩大。 以1 9 4 9 年为参照，很多大城市的占地面积相当于那个时期的4 到5 倍。1 2 1 实践告诉我们，城市交通特别是大城市交通，必须要适应经济社会的大发展。当前，世 界现代城市交通正进入以信息化为目标的新时期，道路建设、客运、货运输体系和交通控制 管理组成的快速、便捷、舒适、高效的城市交通系统，是衡量当前城市现代化水平的重要标 志。提高现代化水平，既是城市交通发展的客观趋势，也是现代化建设的必由之路。那么怎 样才能整治我国的城市交通现状、逐步实现城市的交通现代化呢? 我们首先必须弄清问题， 即我国交通特有的问题产生的原因；然后，制定适合国情的交通管理方法。 第二节当前大城市交通面临的主要问题和原因 l 、道路容量严重不足 长期以来，我国城市人均道路面积一直处于低水平状态，只是近十年来开始有较快发展， 人均面积由2 8 平方米上升到6 6 平方米。尽管增长幅度较快，仍赶不上城市交通量年均2 0 的增长速度。目前全国3 2 个百万人口以上的大城市中，有2 7 个城市的人均道路面积低于全 国平均水平。上海市人均道路面积只有3 5 平方米，致使中心区约有5 0 0 , 6 的车道上高峰小时 饱和度达到9 5 ，全天饱和度超过7 0 。这些路段终日繁忙，十分拥挤，有的路段持续堵塞 6 5 小时以上，中心区平均汽车行程车速每小时降到1 0 公里左右i z ! 为什么在道路建设不断上升的情况下，交通拥挤还如此严重? 其直接原因是道路面积严 重不足。首先，我国目前大城市的人均道路面积尚不及发达国家的1 3 。其次，我国大城市市 区正处在从中心区向郊区化扩散过程中。近几年城市道路建设的增加，主要分布在新开发的 市区和郊区，相对来讲，中心区的道路面积率反而略有下降。再次，城市房地产开发集中于 市中心地区，产生了过量的交通，造成道路超负荷运载。此外，我国城市中占用道路和人行 道问题一直得不到有效解决，城市新增的道路面积，往往很快就被各种摊商、集贸市场和停 车场相继侵占，使本来就严重短缺的道路面积更加紧张。 道路面积不足原本在于道路建设的滞后。这种滞后不仅使城市现有的道路功能变得混乱 而低效，而且造成的时间浪费和行车成本损失巨大。有人测算，其直接经济损失要占国民生 产总值的1 ，有的大城市可能达到所在城市国民生产总值的1 0 左右。 2 汽车增长速度过快 最近几年是大城市机动车增长速度最快的年份，轿车，客车、面包车以至于摩托车增幅 年平均在1 5 以上。广州市近1 0 多年来机动车每年增长速度为1 7 ，其中轿车1 9 ，摩托 车3 5 。汕头市近三年增长速度为3 0 ，仅1 9 9 3 年一年，比上年增长3 9 2 ，摩托车增长 第2 页 城市公路交通管理数学模型度其应甩 9 0 。1 9 9 4 年，全国汽车拥有量达9 4 1 9 5 万辆，城市地区约占其一半，而且大城市增长势头 还在上升。1 3 i 根据我国轿车增长分析，每当轿车拥有量年增长率超过2 0 时，必将引起当年以及随后 几年城市交通恶化。8 0 年代以来，我国第一次超过2 0 的是1 9 8 5 ( 3 3 3 ) 、1 9 8 6 ( 4 2 3 ) 、 1 9 8 7 ( 2 7 0 ) 连续三年，第二次是1 9 9 2 ( 3 1 9 ) 、1 9 9 3 ( 5 5 6 ) 连续两年。这两次轿车增 长也正是大城市交通最紧张的两个时段，远远超过正常年度道路建设的供给可能。我国现有 城市路网一般都是密度低、干道间距过大、支路短缺、功能混乱，属于低速的交通系统，难 以适应现代汽车交通的需要，阻碍着汽车化在城市的实现。 3 ，公共交通日趋萎缩 8 0 年代中期开始，大城市的公共汽车交通( 含无轨电车) 相继萎缩，从运营效率到经营 管理，从服务水平到经济效益，出现了全面的衰退。1 9 7 8 1 9 9 5 年的1 7 年间，全国公交车 辆和线路长度分别增长了2 5 倍和2 8 倍，公交车辆达到0 6 2 辆，千入，但公交车辆的运营速 度由每小时1 2 1 4 公里下降到5 l o 公里，新增的运力被运输效率下降所抵消。9 0 年代初， 公共汽车在居民出行交通结构中，多数大城市从原来3 0 w 降到1 0 以下其原因是优先发 展公共交通”的方针没有真正落实到实处，票价政策问题长期得不到解决。公交企业主要依靠 政府补贴，运营效率不和经济挂钩，服务质量与企业生存无关，因而普遍处于亏损状态，1 9 9 4 年亏损面达7 0 。公共汽车在整个城市交通客运量中的比重越来越缩小。1 4 1 公共汽车交通的萎缩，加速了自行车的极度膨胀，反过来又影响城市交通拥挤的波及范 围。至今，我国大城市公共交通几乎还全靠公共汽车一种方式，只有北京、上海、天津建有 6 7 公里的地铁线路，尚未形成以轨道交通为骨干的综合运输客运体系。出租汽车和小公共汽 车容纳量有限。因此，单一的公共汽车受到冲击，被转移出来的乘客便要寻找出路，最有吸 引力的便是自行车。结果，使原本已经超量的自行车更趋于饱和，例如，天津市8 0 年代公交 与自行车负担客运量的比重为1 9 ：8 1 ，到9 0 年代初降为1 0 ：9 0 ，郑州、石家庄公交出行量已不 足自行车出行量的1 0 。近年来，全国大城市自行车每户拥有量一直保持在2 辆左右，城市 近一半人靠自行车解决出行问题。 4 、交通管理技术水平低下 由于历史和认识方面的原因，我国大城市中交通控制管理和交通安全管理的现代化设施 很少。就北京与东京比较，两市都有一个交通管制中心，但北京交通控制中心控制的交叉口 数只有东京的3 ，人行天桥是东京的4 8 ，地下人行道只是东京的5 ，每公里交通标志只 有东京的1 5 。北京在全国城市中交通管理设施算是最好的，其它城市更可见一斑。由于设 施明显不足，管理疏漏不少，交通事故率居高不下。北京近年来的交通事故死亡人数一直在 每年5 0 0 人左右，万车交通事故死亡率约6 人，而日本东京为1 9 人，美国和澳大利亚为2 6 人，英国为2 7 人( 均为1 9 8 5 年数) 。从停车场看，大城市中特别是中心区严重短缺停车设施， 车辆大都停在道路和人行道上，加剧了拥挤堵塞和事故发生。此外，国际上正在研究并开始 使用的信息化、智能化管理系统，在我国基本上还是起步阶段。i t l 5 、缺乏整体的交通发展战略 城市交通建设是一项系统工程，既要研究交通需求和供应的平衡，还要考虑土地和财力 的可能。是一项决策性很强的工作。当前出现的城市交通问题中，其中一个重要原因是，缺 第3 页 城市公路交通管理数学模型震葬应用 乏科学的整体交通战略和规划，治理工作往往顾此失彼，前后失调，投入不小，而收益不大。 有一些大城市热衷于建设高标准的大型交通工程。出现了许多立交桥、高架路和城市环 路，以为只有高标准的大型交通工程才能一劳永逸地解决交通问题，实际上这种办法只能缓 和暂时矛盾，拥挤问题不但没有解决，甚至诱发聚集更多的交通量，引起结构性的“负效应”， 因为城市交通是一个动态的有机整体。i s l 6 、城市建设缺乏整体考虑，各种建设项目对交通是有较大的影响，因此建设的地点，应 该把影响交通的因素考虑到，我们现在已习惯于环保，消防因素的评估，但没有交通因素评 估参考指标。 以上这些问题，反映了我国当前大城市交通的基本特点，概括起来是车多路少，现有道 路已无多大潜力；车速下降，交通阻塞的趋势在逐渐恶化；公共交通发展步履艰难，汽车和 摩托车增长势头强盛，给城市交通带来新的更高的质量要求。这些交通问题，又集中表现在 大城市过度密集的市中心地区，而其深层原因，则是城市交通发展的目标和方向尚不明确， 其相应的政策措施也不得力。 第三节城市公路交通管理已具备的基础 交通管理经过多年的研究已经具备了良好的基础，主要集中在管理理念和高科技成果的 应用上 1 、交通事件信息界定 交通事件信息是指公路上偶发性事件如交通事故、故障停车、货物散落和常发性拥堵截， 如早晚高峰等引起的交通堵塞。界定交通事件是交通管理的一个重要工作，对提高交通部门 检测和清理交通事故和疏导交通拥堵截有重大帮助，以此减少经济损失。自动事件检测信息 由两个过程组成，即数据收集和数据分析，数据收集主要是通过硬件设施( 检测器) 收集车 辆在道路上运行状态参数；数据分析主要是通过软件和具体的算法对数据进行过滤处理，获 得能够真实反映交通状态的规律。1 6 1 2 、公路交通信息数据收集硬件技术 过去采用环型线圈作为公路前端数据采集工具，出现了各种各样的问题，如安装位置和 数据不精确等。现在由于计算机和通讯技术的发展，出现了各种各样的车辆检测设备。有些 虽然还不够成熟或者比较昂贵。但是将来的公路管理系统将能够集成各种检测器技术，产生 更加稳健的监控的系统。以下是各种检测器的介绍。感应式环型线圈检测器；视频检测处理 系统；磁性检测器；微波雷达车辆检测器；超声波检测器；被除数动声学检测器；红外线检 测器；蜂窝电话技术，通过蜂窝电话报告交通事件。经过评价发现这种方法比较有效率，大 部分主要交通事件是通过电话发现的1 6 l ，如报告交通信号故障、道路碎片垃圾和其它事件引 起的交通异常。作为交通指挥中心的一部分，极大地提高了交通警察的快速反应能力，对及 时处置事故现场、抢救伤员、布控查堵交通肇事逃逸犯及有效缓解交通拥堵发挥了不可缺少 的重要作用。 3 、公路交通信息及信息算法的基本类别 检测率：定义为检测到的交通事件与存在实时数据库中的实际交通件数之比，以百分数 表示。误报率：定义为不正确地检测次数与算法使用的总次数之比。以百分数表示，但也可 以表示为每时间段的误报次数。平均检测时间：定义为根据算法要求检测一个事件所需要的 第4 页 城市套路交通管理数学模型度其应用 平均时间。此外还有交通量，交通高峰等。 这些指标不是独立的，他们之间存在一些关系。算法在追求检测大范围的事件发生时，必 须要具有很高的敏感性，同时也会产生大量的误报次数；类似地，较低敏感度的算法产生较 低的误报率，但是事件检测率也不高。当检测时间变长时，允许算法分析更多的数据，提高 了检测率，降低了误报率，但对交通产生更大的影响。所以检测算法的性能体现在对各指标 的综合评价，没有必要强调一方最优，在具体应用中，事件检测的逻辑机理决定了各个算法 的平衡关系。 目前交通事件检测算法分为六大类，比较法、统计法、时间序列法、交通模型和理论模型 法、低流量事件检测和高级事件检测技术。 4 、我国智能交通系统( i t s ) 的研究与发展现状 智能交通系统在我国的发展已有几十年的历史。综合各种观点，智能交通系统可以定义 为：智能交通系统是人们将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感器技 术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个运输体系，从而建立起的一种在大范围内、全 方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。其目的是使人、车，路密切配合。和 谐统，极大地提高交通及质量评定标准”。 我国学者从2 0 世纪9 0 年代初开始关注国际上i t s 的发展，他们通过各种方式将盯s 介 绍到我国。实际上，我国在交通运输和管理中应用电子信息技术的工作早在2 0 世纪7 0 年代 末就已经开始了，当时称为交通工程。7 0 年代末，交通部公路科学研究所与北京市公安局合 作，首次进行计算机控制交通信号的工程试验。在1 9 8 6 1 9 9 5 年期间，国家在交通管理系统 方面开展了一系列的科学研究和工程实施，在城市交通管理、高速公路监护系统、收费系统、 安全保障系统等方面取得了多项科研成果，并开发生产了车辆检测器、可变情报板、可变限 速标志、紧急电话、分车型检浸i 仪、通信控制器，监控地图板等多种专用设备，制定了一系列 的标准和规范。在此期间，我国自行研制开发的自适应交通信号控制系统在南京投入使用，其 后在广州、天津、沈阳等2 0 多个城市建立了交通信号控制系统。近几年来，相继几十个城市 建成了现代化的交通综合管制系统或交通管理中心。这些工作是我们今天进行i t s 研究和开 发的基础。为促进智能运输系统的发展，。九五”期问，许多专家总结研究国外在体系框架方 面的经验并在不同层次各自纷纷开展智能运输系统体系框架的研究。科技部在充分听取专 家和各方面的意见后，于1 9 9 9 年确定在国家“九五”科技攻关项目中增加这一内容，该项目 由依托在交通部公路科学研究所的国家智能交通系统工程技术研究中心牵头，有些高等院 校、研究院所、企业和各部门的1 0 0 多位专家参加了研究工作，于2 0 0 0 年年底完成。经过征 求各方面的意见并修改最终于2 0 0 1 年9 月通过了国家鉴定和验收。这是我国第一次就一个 应用系统开展跨部门和跨学科的框架研究，在该研究中将分布在不同行业和部门的信息按照 服务功能分类，按照信息共享的原则建立数据流图，使智能运输系统体系框架形成一个整体。 在完成以上工作的同时。充分考虑了中国现行的行政管理体制，使智能运输系统能够在中国 实旅。此外，国家智能交通系统工程技术研究中心和i s o f f c2 0 4 中国秘书处承担了“中国智 能运输系统标准体系的研究”这一项目。该项目的主要研究内容有：与智能运输系统有关的 交通工程技术、通信技术、信息技术，目前均已完成。研究中所提出的标准体系按不同层次 覆盖了信息定义和编码，专用短程通信、数字地图及定位、电子收费、交通管理与紧急事故 第5 页 城市公路交通管理教学模型及其应用 管理、综合运输与运输管理、信息服务、自动公路与车辆辅助驾驶系统等领域，共3 0 0 多项 标准。经过多方努力，自“九五”以来，我国i t s 的发展取得了重大进展，具体体现在：其一， 在高速公路通信、监控和收费系统的建设中大力引入i t s 的有关思想，特别是在收费系统的 建设中。交通部以公路收费为中心，以联网收费为突破口，出台了联网收费暂行技术要求，在 i t s 的服务领域中实现交通与安全管理水平的提高”j 。 在城市交通方面，研究城市交通管理的现代化技术，研究新型的城市交通工具和交通规划 体系建立国家级道路交通研究中心，开展道路交通建设技术，控制技术，管理技术的综合研究和 设备研制建设进行城市交通规划与管理的城市信息数据库 但也应看到智能交通管理的核心是信息处理技术，而信息处理的关键是数学方法，也就 是数学模型。 第四节大城市交通管理发展的目标和方向 现阶段的城市交通问题是社会经济发展的必然结果，交通发展借助于改革开放的动力， 就不能不带有先天性不足的滞后特点。但是，在今后的一段对间内，根据国家九五”计划和 2 0 1 0 年远景目标，我国又将进入社会主义现代化建设持续、稳定和快速发展时期。面对新时 期，大城市的交通滞后，已经不是一个简单的增量配套问题，而是包含了城市布局和整体交 通格局质的变革，并以此反过来促进改革开放和社会经济的健康发展。 问题的核心是要实现城市交通现代化。城市交通现代化包括两个方面的内容：一是设施 装备现代化，即城市交通设施技术水平要不断提高，既要发挥现有的实用技术，又要采用先 进的科学新技术，谋取综合效益；二是交通管理现代化，即政策措施要不断完善，既要合理 调整交通供需与交通方式的协调配合，又要提高城市路网在整个城市活动的运输效率。先进 的设施是硬件前提，科学正确的“软件”是必不可少的，在某种意义上说，优化的智能交通 管理方法更为重要。 总之。大城市需要建设现代化的多层次的综合交通体系。所谓综合交通体系，主要包括： 第一方面，硬件设旋道路。具有与城市规划相结合的网络系统，这个网络系统包括快速干 道，主要干道，次要干道，地方性道路。其面积率( 道路面积与城市总用地之比) 一般达2 0 左右，在这些道路中又设有快、慢道( 指专设人和自行车的专用道路，与机动车分道行驶， 形成两个互相分离、互相结合的道路系统) ，专用的快速汽车干道、商业区内步行道、公交优 先行车道，以及足够的停车场地。还有与之相应的客运、货运枢纽设施，并设置必要的立交 桥、高架路、人行天桥、地铁以及轮渡等作为整个交通系统的组成部分。所有道桥设施都要 和城市环境相协调，与城市设计相融合，并具有良好的工程标准。车辆。具有性能良好的 专门设计的各种专用私人车辆，便捷的公共汽、电车和出租车，以及必要的轨道捷运系统， 各种车辆形成互补的群体，并具备耗能少，废气少、噪音小的性能，有较高舒适度，有专用 的停车站点设施。并有良好的照明、防滑、防治事故发生的安全设施，并具有完备的道路交 通标志以及停车管理设施。第二方面，软件设施，即交通管理。有严谨的交通法规、客货运 输管理规刚、交通设旎管理规范。有先进的智能管理方法，指引、疏导车辆使交通正常运行。 能自动监测车辆、路段状况，及时传输交通信息，经综合处理，在点、线、面上制导车辆行 驶。经常的宣传教育，合理的税费收取办法，以保持交通建设和管理的持续发展。实现大城 市综合交通体系的科学化，促进城市建设的发展。 第6 页 城市公路交通管理数学模型厦其应用 第五节城市公路交通管理滞后的后果 目前，随着市场经济的持续发展。城市的各方面建设也在蓬勃发展，但同时也面临着流 动人口、机动车辆、交通流量快速递增，这一现象加剧了城市道路基础设施与交通需求问的 社会矛盾更加突出，这一矛盾严重的影响和制约经济的发展，也阻碍着城市进程的步伐。在 全国几乎所有的城市都面临着这一社会热点矛盾，特别是在城市化的进一步发展中，它越来 越明显，解决这一矛盾已不在是某一个部门或是某个人的愿望，而是整个社会在建设进程中 的迫切要求。“人、车、路、交通环境”能不能和谐、统一发展已成了衡量城市发展速度的重 要因素。 如果“人、车、路、交通环境”用增加城市道路面积来解决这个问题1 7 1 ，会走进一个“误区”。 这是因为，正常情况下的城市的土地价格居高不下。并且由于土地资源是有限的，不能再生。 因此城市道路面积的扩大只具有相对性。城市道路面积不能无限的增加，这对于道路建设带 来了巨大的障碍。可见通过改善道路条件来提高交通条件是有相对意义的。 人、车、路、交通环境的关系是交通管理问题。这个问题处理不好会产生以下几个方面 的问题。l 、城市规划与交通发展不同步，交通设旌滞后。机动车拥有量随着供求的需要急剧 增加。与相应的公共设施不能同步发展。2 、在城市规划与建设中，公共设施的建设都远远的 不能满足这种增长的需要，会产生城区道路窄，人车混行，便道路超负荷运行，路面被商贩 部分占去，有效路面更加窄小，加上行人购物等，机动车几乎不能行走。3 、交通规划不全， 导致了车位不够，许多车辆乱停乱放，停车随意性非常大。4 、城市建设规划不长远，新建筑 设施必先占用或破坏一部分公路，忽视交通，减少公路使用期限，大大的降低了公路应有的 通行率和使用率。5 、违反交通法规现象非常普遍：由于城市和居民的需求各种因素导致了近 几年车辆迅猛增加，如果不加强对这些驾驶员严格的培训，将会导致驾驶员经常违法、违章。 城市道路如何使用本身也是一个管理问题，如果管理不到位会产生以下的情况。l 、道路 功能不明确；占道放置机建材料、城区道路两侧更是商业、服务业、修理业、商贩、地摊林 立，道路成了既是交通又是重要商业区，这很大程度上降低了祝动车的通行率。大量的公共 交通、货运交通、非机动车交通和行人交通，形成交通类型复杂。交通密度大，交通频繁的 混合交通，相互干扰，交通安全得不到保证，交通事故率高。2 、路面设施不全：城区交通路 面设施差，设备不全。路面标志远远不能满足道路交通的需要，缺少必要的停车场设施，绝 大多数的车辆都是当街停放，无法形成良好的交通秩守，更加重了交通管理工作。道路没有 护栏设施，行人和机动车混杂，埋下了极大的事故的隐患。3 、驾驶员不能较好的被引导使用 何种道路最有效的达到目的地。将会产生相应的塞车等交通事故。 交通管理具有非常大的弹性。可以从低级交通管理向高级交通管理迈进。信息化、智能 化交通管理可以在不增加道路面积的基础上，大大加强道路的利用率。可见交通管理是城市 交通建设中一个非常重要的方面。如果不加强交通管理，必然会产生低水平的交通。低水平 的交通势必会抵消新增加的道路优势。对城市发展会产生无法估量的损失。低水平的交通如 果不能得到有效解决和根本治理，必将对我国经济的持续、快速、健康发展构成严重威胁。 可见，若需要解决交通与经济发展之间的矛盾，只有通过交通管理的现代化发展，这是 实现交通最大化的一个重要途径。城市公路交通管理数学模型及应用是解决交通管理的关键 技术之一，也是交通管理现代化的标致。 第7 页 城市公路交通管理数学模型夏其应用 第二章交通管理信息采集与数据库建立 交通管理的一个重要基础是交通事件信息的收集及交通事件信息的管理和利用。以下分 别从凡个方面介绍交通数据采集方法。交通数据构成。 第一节城市道路交通信息收集硬件系统简介 ( 1 ) 前端系统；前端系统采用地感触发或动态视频检测触发技术，负责完成在规定的要 求下，收集公路交通的各种指标。只有在有车辆通过卡口时才拍摄。监测记录系统包括车辆 自动检测、图像抓拍、辅助照明、计算机控制、电源等设备，这些设备的有机结合构成了监 测记录系统1 7 1 。例如交通流测定，交通密度测定、交通信号检测、闯红灯车辆，并将抓拍的 图片和相关的信息( 时间、地点、车辆信息、车牌图片等) 等送回指挥中心的后端系统服务 器。一般一套监测记录系统负责对2 3 个车道的行驶车辆进行监测记录，当一个路口有多个 车道需要监控时，就需要用多套系统进行组合，来完成对全部路面的监控。 尤其利用动态视频检测触发技术，在规定的设置下，完成对交通流中的车辆各项指标及 闯红灯等违章车辆实旌抓拍和车牌识别，准确地记录并存储违章车辆的违章时间、地点、行 驶方向、红灯时间长度、闯过停车线的红灯时刻、违章车牌图片和全景图片等信息，完成城 市卡口车辆监控识别系统。城市卡口车辆监控识别系统是一套专门用于对公路行驶机动车辆 进行监视识别的电子设备。准确记录车辆通过卡口的时闯、速度。该系统的诞生，从根本上 改变了原来对公路行驶车辆没有监控或完全依赖人工监控的状态。该系统目前主要安装在公 安部门所设立的城市出入口、治安卡口( 或查报站) 处；也可进一步推广到停车场、路口， 企事业单位、部分居住小区，用于对进出这些地方的行驶车辆进行2 4 小时全天候不间断监视 记录。为侦破交通肇事逃逸案、利用机动车作为犯罪工具的刑事案、以及抢劫出租车等恶性 案件提供线索和证据；为处罚打击超速、逆行等严重违章现象提供证据：自动查找被盗、被 抢、以及违章拒罚等通缉车辆；准确统计公路交遥、单位进出车辆流动情况，为合理调配警 力、提高车辆管理水平提供科学依据。车量可设定不同的限速。具有超速、逆行违章报警功 能。具有车牌号码自动识别功能，对被盗抢机动车能自动查找，一旦发现立即报警。具有流 量统计功能，能统计每天2 4 小时车流分布，以及一段时间范围内( 周、月) 的日流量。能够按 时间、速度、行驶方向等条件查找、回放历史记录。多套系统之间通过网络、通信传输线路 连接。 ( 2 ) 通信传输：传输系统由传输网络组成，负责连接前端系统和后端系统，负责采集 数据以及控制命令的传输1 7 l 。主要是光端机和光缆组成。光缆一般选用单模光缆。系统后台 服务器能接收所有路口设备同时上传的数据，留有可扩展的余地。 ( 3 ) 中心控制：后端系统在收到前端系统采集的基本信息之后，根据不同的需求，对这 些信息进行相应的处理1 7 i ，例如：对电子警察前端系统送来的违章车辆图片进行相应的处理 等。总之，后端系统负责对前端系统已经采集并传送到指挥中心的交通数据进行相关的后台 处理。后端服务器综合处理前端系统送回的数据，形成直观、直接可用的资料。 可用资料被送回数据库服务器，与监测记录系统组成局域网。通过通信子系统可接受中 心的布控和向布控的单位报警。总之，前端系统负责交通数据的采集。前端系统主要配置在 路口及易发事故路段。后端服务器从功能上划分为若干子系统， 第8 页 城市公路变通管理数学模型度其应用 ( 4 ) 电子警察数据接收子系统；该子系统接收前端系统送回的交通事件信息等该系统 与违章车辆数据库连接”。能提供对数据接收状态的监控，用户可查看当前所有实时发送回 来的数据，各个抓拍单元的数据发送情况以及定期的数据接收日志报告，便于分析系统运行 状况，及时发现问题。 ( 5 ) 远程维护子系统，该子系统用于查看前端系统各计算机工作状态、查询工作日志、 配置工作参数f i 。在远程维护子系统中可查看前端系统工作状态，设置传输方式，配置工作 参数等。以上三部分构成了城市路口车辆监测系统。利用这个系统，指挥人员就可以实时掌 握前端路口的交通情况，同时可以实施便捷的处置。能进行多任务操作，监控、查询、打印 互不影响。界面简单直观。操作方便。 第二节城市道路交通信息数据库的主要结构 未来几年，交通管理数据库系统无疑将成为城市交通管理系统的重要组成部分。随着相 关设备的不断标准化和规范化以及交通管理数据库系统技术的推陈出新，使得交通管理数据 库系统在功能等方面不断完善，性能上也不断改进。交通管理数据库系统的作用将更加突出， 本文面向城市公路交通的数据库系统字段，如表1 所示 表1交通管理数据库模块。 交通参数公路环 交通事故天气车辆种类 时 路 公 上行线下行线境污染交其 路 交交交交噪公空通驾汽伤经事睛它 上行线下行线 问 名 通通通通音路气违驶 杰 亡 济 故温风雨因 级 客货 其客货其 别 密速 密 速级污污 童证 型人损 类度力雾素 生 空 它 车车它 度度度度别染染号号数失型雪 其它园素是指政治、经济等事件影响城市交通情况。“交通事故类型”的填写主要依据表 2 中的内容。 交通违章主要是指闯红灯、过马路不走人行横道、骑车横穿四条以上机动车道的马路、无 证驾驶、酒后驾车、骑车带人，逆行、违章调头、违章停车等行为上。 表2某个时问段车辆事故类型 涕二责 第在 货车客车 出租车 小公共 自行车步行人其它 一责任 汽车 货车 x k矗：x k耽x , 5x kx 0 客车 彤z ：z ，墨。z ，墨。e ， 出租车 墨 工乞如 墨墨，矗。墨， 其它 眉一：z 。z x k 誓。 x ：， 第9 页 城市公路交通管理数学模型覆其应用 第三节城市道路交通信息数据库的主要输出项目 1 、面向城市交通管理人员的信息输出 面向城市交通管理者的信息输出是数据库信息输出的主要项目。公路监测系统收集大量 的信息储存在数据库中，这些信息经过相应的加工，生成面向交通控制、偶发事件管理、排 放测试与污染缓解、公共运输运营、在途公交信息、紧急事件通报与应急救援系统、电子付 费服务、需求管理、车辆控制和安全系统、道路交叉口等内容的信息，并把这些信息报送给 城市交通管理者。在此基础上，决策者对整个城市交通这个大系统就有了一个较为全面的了 解，并根据这些信息及管理目标做出相应的决策。 2 、面向道路使用者的信息输出 面向机动车驾驶员的信息输出也是数据库信息输出的一个重要项目。驾驶员通过交通管 理部门提供的道路车辆运行情况，选择最佳的运行计划，从而减少运行时间，提高道路的服 务效率。主要输出项目分为以下几个方面。 ( 1 ) 车辆违章查询子系统：该系统提供界面让用户选择查询条件，用户可以按号牌、时 间、地点等多种条件查询车辆，查询结果显示车牌号码、违章地点、通过时间等信息，并显 示相应的车辆图片。 ( 2 ) 车辆违章管理子系统：违章抓拍图像将自动保存在信息数据库中，同时保存数据将 包含：车牌号码，车牌颜色，拍摄时间，拍摄地点，行驶方向。根据需要，还可在保存数据 中包括下列信息( 通过数据库查询得到) ：车主姓名、家庭住址、车辆厂牌型号、车身颜色、 车辆状态等信息所保存数据将作为处罚依据信息保存在工控机硬盘上。该子系统将具有如 下功能：违章管理。可以实现原始违章资料的管理，对原始违章资料进行核对、图片浏览、 确认违章、按条件查询等；打印提供打印功能。可将违章信息打印作为违章处罚依据处罚 依据性更强。报警子系统。该子系统将前端发送回来的车牌数据与黑名单数据进行实时比对， 一旦发现数据相符即进行报警，并且将报警记录保存在数据库中，以便日后翻查。 ( 3 ) 公路交通事故查询子系统： 当月驾驶证员违法查询：获取当月车辆违法次数和具体事件描述，任意年月驾驶员违法查 询：获取其年月的车辆违法次数和具体事件描述，扣分查询：获取一年总扣分，车辆违法逾 期未处理查询：获取未处理的车辆违法次数和具体事件描述，驾驶员车辆违法逾期未处理查 询：获取未处理的驾驶员车辆违法次数和具体事件描述 ( 4 ) 公路交通事故管理予系统 交通事件在公路中发生是随机的，对这些事件进行监控，并对这些事件信息收集。针对 公路应急救援提供依据，为公路和市政道路管理者全面收集和分析信息资料，管理应急救援系 统提供依据。通过模型仿真可评估和优化管理设施，实现信息和决策支持，提高了配备资源， 快速高效处理交通突发事件能力。 ( 5 ) 公路交通运行评价子系统 公路交通运行评价重点是对城市交通运行状态的可靠性、城市道路交通运行状况进行评 价。分析有代表性的交通可靠度、运行时问可靠度、容量可靠度及畅通可靠度的计算方法及 适用范围。并对可靠度指标在交通管理、智能交通管理系统中的应用前景及未来重点进行研 究。例如，评价城市公路交通拥堵和道路环境情况，以及评价政治、经济等因素对城市公路 第l o 页 城市公路交通管理数学模型及箕应用 交通的影响程度。 ( 6 ) 公路交通导航系统 公路交通导航系统提供出行人士实时城市道路拥堵信息，交通事故报道，交通规则变化信 息，公交信息的服务1 7 i 。公路交通导航系统是有效的资源整合系统，它不仅整合了原有的城 市交通设施，使其完整化，一体化，统一化。而且也可以向交通管理部门提供有效的交通分 析，加强交通管理、实施交通排堵，变城市道路被动诱导为主动诱导。 第四节城市道路交通信息数据库内容 城市道路交通信息主要存放在交通管理信息数据库中，以下列出某个时间段某城市道路 交通信息，如表3 所示。 表3数据库信息 交通参数公路环 交通事故 天气车辆种类 公 上行线下行线境污染交其 时间 路名 路 交交交交噪公空 通 驾汽伤 经 事晴 它 上行线下行线 级 通通通通 音路气 违 驶 主 亡 济故温 风雨 因 密速密速级污污 童 证型人损类 度力雾 素 客货 其 客货 其 别 生生 它 生 车 它 度度度度别 染 染 号 号数失型 雪 0 7 0 4 0 1 ) 5 ：0 c1 号立 主 正 交柝 干2 06 0 2 l6 5 群f fff ff ffl晴1 42 4 1 236 ) 5 ：l c 道 常 0 7 0 4 0 1 ) 5 ：1 5l 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