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基于仿真技术的交通瓶颈研究 摘要 交通瓶颈是交通系统的薄弱环节，瓶颈通行能力的提高能有效改善交通系统 的整体运行状况。本文基于交通仿真技术对瓶颈展开系统的研究。主要研究内容 包括三个方面：路网中交通瓶颈的定位与排序，交通瓶颈分析方法，基于仿真的 瓶颈形成原因分析与改善方法研究。 从路网中定位交通瓶颈并对瓶颈的影响大小进行排序是提出改善措施的前 提。文章首先提出了基于约束理论( t o c ) 的瓶颈定位与排序方法，然后针对具 体的指标提出了通行能力法、延误法、速度法、调查车法、车辆排队长度法、密 度法等六种方法。在此基础之上提出了综合服务水平分析法，该方法采用统一的 指标和一致的步骤进行服务水平评价，基于模糊综合评价方法进行路网服务水平 评价，并给出了应用示例。 为了对定位出来的交通瓶颈展开详细研究，本文在总结车辆到达曲线法以及 交通波理论两种方法的特点和应用范围的基础上，提出了交通仿真分析法，该方 法克服了前面两种方法的缺陷，具有较强的实用性。 交通瓶颈的形成是由许多因素导致的，分析其形成原因并提出交通改善方法 是个系统工程，对此，本文以三个仿真应用示例的形式深入研究了相关问题。第 一个示例主要讨论了城市道路交叉口改造的重要性，并结合具体路网将交叉口改 造的效果与主干道拓宽进行了对比研究。第二个示例主要针对信号控制交叉口， 认为在交通量较小的情况下，应该停用信号灯以节省出行时间。当交通瓶颈较为 严重时，应该考虑采用交通分流方法改善交通情况，示例三结合交通仿真在这方 面进行了探讨。 本文以瓶颈为研究对象，以仿真为研究工具。交通仿真是条红线，贯穿文章 始终。实践证明，将交通仿真技术应用于交通瓶颈研究能提高分析效率，与常规 分析方法相比，具有明显的优势。 关键词：交通瓶颈；交通仿真；通行能力；路网；交通改善；t s l s 硕士学位论文 a b s t r a c t t r a f f i cb o t t l e n e c ki st h ek e yp o i n to ft r a f f i cs y s t e m e n h a n c e m e n to ft h ec a p a c i t y i nb o t t l e n e c ka r e aw i l li m p r o v et h ei n t e g r a t eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft r a f f i cn e t w o r k e f f e c t i v e l y b a s e do nt r a f f i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t h i st h e s i sc a r r i e do u tas e r i e so f s t u d i e so nb o t t l e n e c k m a i n l yt h r e ep a r t sa r ei n c l u d e di nt h ep a p e r ，w h i c ha r el o c a t i n g a n dr a n k i n go fb o t t l e n e c ki nr o a dn e t w o r k ，a n a l y z i n go fb o t t l e n e c ka n di m p r o v i n go f b o t t l e n e c kr e s p e c t i v e l y l o c a t i n gt h eb o t t l e n e c k sa n dr a n k i n gt h e ma c c o r d i n gt ot h e i ri m p a c td e g r e ea r ea p r e r e q u i s i t e t o f i g u r i n g o u ti m p r o v i n gm e a s u r e s f i r s t ，al o c a t i n ga n dr a n k i n g a l g o r i t h m ，b a s e do nt h e o r yo fc o n s t r a i n t s ( t o c ) ，i sp u tf o r w a r d t h e n ，o t h e rm e t h o d s a i m e da td i f f e r e n tt r a f f i cm e a s u r e so fe f f e c t i v e n e s sa r er e s p e c t i v e l ya d v a n c e d ，w h i c h a r et h ec a p a c i t ym e t h o d ，d e l a ym e t h o d ，s p e e dm e t h o d ，i n v e s t i g a t i o nv e h i c l em e t h o d ， q u e u el e n g t hm e t h o da n dd e n s i t ym e t h o dr e s p e c t i v e l y f o l l o w i n gt h a t ，t h eu n i f i e d l e v e lo fs e r v i c ea n a l y s i sm e t h o d ( u l o s a m ) i sp u tf o r w a r d ，i nw h i c hu n i f o r m m e a s u r e sa n dp r o c e d u r ea r ea d o p t e di nt h ee v a l u a t i o no fl e v e lo fs e r v i c e ( l o s ) o f n e t w o r k b a s e do nf u z z ys y n t h e t i ce v l u a t i o n ( f s e ) ，an e t w o r kl o se v a l u a t i o n m e t h o di sa d v a n c e da n da ni l l u s t r a t i o ne x a m p l ei sg i v e n i no r d e rt oa n a l y z et h eb o t t l e n e c ki nd e t a i l ，c u m u l a t i v ec u r v e so fv e h i c l ec o u n t ( c c v c ) a n dt r a f f i cw a v et h e o r y ( t w t ) a r es u m m a r i z e d ，w i t ht h ec h a r a c t e ra n d a p p l i c a t i o ns c o p ea n a l y z e d o n t h eb a s i so ft h e s e ，t r a f f i cs i m u l a t i o nm e t h o di s p r e s e n t e d ，w h i c ho v e r c o m e st h ed e f e c t so fb o t hm e t h o d sm e n t i o n e da b o v ea n di s t h e r e f o r eu s e f u l t h ef o r m a t i o no fb o t t l e n e c ki sc a u s e db yav a r i e t yo ff a c t o r s ，a n di ti sas y s t e m p r o j e c tt oa n a l y z et h er e a s o n sa n dt op u tf o r w a r di m p r o v i n gm e a s u r e s t a k i n gt h i s i n t oa c c o u n t ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e ss p e c i f i cp r o b l e m si nt h ef o r mo fa p p l i c a t i o n e x a m p l eb y m e a n so ft s i s t h ef i r s te x a m p l ef o c u s e so nt h ei m p o r t a n c eo f i n t e r s e c t i o ne n h a n c e m e n t ac o m p a r a t i v es t u d yi sc a r r i e do u tb e t w e e nt h ee f f e c t so f i n t e r s e c t i o ne n h a n c e m e n ta n da r t e r i a lw i d e n i n go nag i v e nr o a dn e t w o r k t h es e c o n d e x a m p l ei sm a i n l ya b o u ts i g n a lc o n t r o l l e di n t e r s e c t i o n ，w h i c hf i n d so u tt h a tt h es i g a l m a c h i n es h a l lb et u r n e do f fw h e nt r a f i l ev o l u m ei ss m a l li no r d e rt os a v et r a v e lt i m e w h e nb o t t l e n e c kc a u s e ss e r i o u st r a f f i cp r o b l e m s ，t r a f f i cd i v e r s i o ns h a l lb ec o n s i d e r e d t h et h i r de x a m p l ei n q u i r e si n t ot h i sm a t t e rw i t ht r a f f i cs i m u l a t i o na sat 0 0 1 i i i 基于仿真技术的交通瓶颈研究 b o t t l e n c ki st h er e s e a r c ho h j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o na n ds i m u l a t i o nt h et 0 0 1 t r a f f i cs i m u l a t i o ni ss o u lo ft h ed i s s e r t a t i o na n di su s e df r o mb e g i n n i n gt oe n d p r a c t i c ep r o v e st h a ta n a l y s i so fb o t t l e n e c ki sm o r ee f f i c i e n tb yt h ea p p l i c a t i o no f t r a f f i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hs h o w so b v i o u sa d v a n t a g eo v e rn o r m a lm e t h o d s k e yw o r d s ：t r a f f i cb o t t l e n e c k ；t r a f f i cs i m u l a t i o n ；c a p a c i t y ；n e t w o r k ；t r a f f i c i m p r o v e m e n t ；t s i s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：旅寞嗡日期：踟，z 年厂月：、日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：钟易年f 月 y 日 醐：游r 月一日 黟办鬣太岁 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 交通瓶颈是交通网络的薄弱环节。当道路网某个路段或者交叉口的交通流量 超过其通行能力时，行经此处的车辆速度降低，拥挤度增加，此路段或交叉口即 是一处交通瓶颈。交通瓶颈还可以表述为：因为交通事件或者通行能力限制导致 道路服务水平下降的位置。 根据产生的原因，可以将瓶颈分为四类。 1 i 型瓶颈：由驾驶员因素导致 驾驶员行为对交通流有很大影响。在流量大，车速高的交通状况下，单个驾 驶员的操作行为可能导致交通瓶颈的产生。如下因素可能引起上述驾驶行为： ( 1 ) 路侧吸引，道路边上的特殊景观或事件吸引驾驶员注意力。 ( 2 ) 净空受限，路侧障碍物距行车道太近或者路肩上停有车辆时，驾驶员常 常会减速行驶。 ( 3 ) 事件吸引，出于好奇，大部分驾驶员都会被周围的交通事件吸引，从而 降低车速。 2 i i 型瓶颈：线形突变 在急转弯的平曲线或大纵坡的竖曲线处，驾驶员出于安全考虑或者车辆本身 问题使车速降低。 i 型和i i 型瓶颈一般历时不久，对交通流造成的影响相对有限。 3 1 型瓶颈：交通管理措施 对交通流进行管理形成的瓶颈，如交通信号，匝道限流，收费站等。 4 i v 型瓶颈：车辆汇流 由于道路设施的限制或者车道封闭，原来在较多车道上行驶的车辆现在必须 汇流行驶，因而出现交通瓶颈。型瓶颈对交通流的影响程度取决于汇流的车流 量大小，时问长短和汇流路段的长度。此类型的瓶颈对交通流产生的影响最严重， 在以下情形处较容易发生： ( 1 ) 车道减少处，如桥位、施工段等； ( 2 ) 交通事件导致交通封闭： ( 3 ) 交织区域： ( 4 ) 高速公路入口； ( 5 ) 交叉口。 在交通系统中，阻塞一般发生在瓶颈位置。对瓶颈展开研究可以找出系统的 症结，从而改善整个交通系统的性能，提高路网的通行能力和路网的服务水平。 目前国内外专门针对瓶颈展开的研究还不多，研究方法和技术还不成熟。本文试 图在这个方向进行深入的探讨，旨在建立交通瓶颈分析的系统方法。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 交通瓶颈研究 瓶颈是交通网络的薄弱环节，如交叉口、交织段、分流合流点均是交通瓶颈 的常发位置。自从汽车的发明，道路的建设以来，国内外交通工作者对交叉口、 交织段、分流合流点等已进行过相当多的研究，如，针对交叉口就进行过下面的 研究： ( 1 ) 交通渠化以及增设左转、右转车道等 ( 2 ) 从无控制交叉口到信号控制交叉口、感应式信号交叉口等 ( 3 ) 信号交叉口的线控、面控等 ( 3 ) 环型交叉口的研究 ( 4 ) 立体交叉口的研究 ( 5 ) 交叉口的通行能力研究 ( 6 ) 交叉口延误等的研究 ( 7 ) 其它研究 以上所述的研究均是针对单个交叉口等局部位置进行的，系统而整体地对路 网中的交通瓶颈进行的研究还不多。 1 国外研究概况 1 9 9 9 年，美国公路使用者联盟( a m e r i c a n h i g h w a y u s e r s a l l i a n c e ) 发布了题 为疏通美国的大动脉：良性公路方略的研究报告，此报告分析了美国最严重 的交通瓶颈，认为这些瓶颈是导致交通阻塞的重要原因 1 l 。报告将这些瓶颈按总 延误时间进行了排序，并且分析了如果不进行交通改善，这些瓶颈将会导致的严 重后果，还预测了采用相应措施将会带来的效益，如减少事故，保护环境，节约 时间等。此报告为同类研究的首创。报告指出，在2 0 年的期限内，对1 6 7 处严重 交通瓶颈的改善将避免2 8 7 2 0 0 起交通事故( 其中1 1 5 0 死，1 4 1 0 0 0 伤) ，使c 0 2 排放量减少7 l ，有机烟尘减少4 4 ，c o 减少4 5 ，高峰小时延误减少7 1 ， 每天为每位出行者节约4 0 分钟的时间。2 0 0 4 年，美国公路使用者联盟又发布了 题为疏通美国的大动脉：公路瓶颈的有效减轻的研究报告，它是1 9 9 9 研究报 告的跟踪研究【2 】。报告分析了五年内交通情况的变化，认为整体而言阻塞更加严 重了，但改善是行之有效的。报告指出，每年交通延误时间在7 0 万小时以上的瓶 硕士学位论文 颈由1 9 9 9 年的1 6 7 处增加到了2 0 0 4 年的2 3 3 处，增长了4 0 。通过对最严重交 通瓶颈的排序发现，五年前1 8 处最严重的交通瓶颈中的7 处由于采取了交通改善 措施，其排名已落到了最严重交通瓶颈队列之外。 近十余年来，国外对高速公路瓶颈处的交通行为研究比较广泛，研究方法有 一些的共同点，如普遍应用累积车辆到达曲线，采用交通波理论等。在众多的研 究中，又以美国加州大学伯克力分校土木及环境工程学院所进行的研究最为突出。 1 9 9 0 年到1 9 9 1 年，b a n k s ，j h 等研究了高速公路瓶颈处的通行能力特征，并 将部分理论作为匝道限流的理论依据【3 5 1 。1 9 9 2 年，v a u g h a n ，r 及v f h u r d l e 研 究了拥挤情况下主干道的交通流特征【6 】，同年，日本人k o s h i ，m 、k u w a h a r a 与 m ，a k a h a n e ，h 等对日本一处公路隧道的交通特征进行了研究1 7 j 。n e w e l l ，g f 于 1 9 9 3 年将简化的波动理论引入公路瓶颈的研究中，并对其可行性进行了论证【8 】。 自1 9 9 5 年以来，c a s s i d y , m j 及d a g a n z o ，c f 等一直致力于高速公路公路瓶颈的 研究，取得了一系列成果。1 9 9 5 年，c a s s i d y , m j 与j r w i n d o v e r 研究了高速公 路动态交通的评估方法【9 】。其后，1 9 9 7 年，d a g a n z o ，c 等运用车辆到达曲线进行 瓶颈上游车辆排队长度及位置的研究，为后续研究提供了良好的基础，车辆到达 曲线也从此被广泛作为瓶颈研究的工具【1 0 q3 1 。1 9 9 8 年，p e r s a u d ，b n 、y a g a r , s 及r b r o w n l e e 探讨了高速公路交通拥塞现象出现的原因和出现过程【l 。同年， e r e r a ，b l l a w s o n ，t w 与d a g a n z o ，c f 重新归纳总结了用车辆到达曲线进行瓶 颈上游车辆排队情况研究的方法，认为该方法简单，计算准确，具有很好的实用 性 1 5 1 。c a s s i d y , m 探讨了公路上车辆行驶几乎停止的情况下交通参数之间的关系 “。1 9 9 9 年，c a s s i d y ，m j 与b e r t i n i ，r l 通过对多伦多市两处高速公路瓶颈的观 察和分析得出以下结论：瓶颈处交通流的排队消散流量比瓶颈形成流量小l o 左 右，并且排队消散流量相对比较稳定，与平均值的偏差在5 0 辆以内【1 7 1 8 l 。k e r n e r , b s 于2 0 0 0 年总结了公路瓶颈的阻塞理论i l ，2 0 0 1 年，p e r s a u d ，b 、 y a g a r ，s 与t s u i ，d 等进行了匝道限流情况下，高速公路瓶颈通行能力的研究【2 0 】。同年， c a s s i d y ，m j 与m a u e h ，m 等人进行了高速公路较长排队长度处交通瓶颈的研究 1 2 “。2 0 0 2 年，m a u c h ，m 在他的博士毕业论文中对高速公路阻塞情况下车辆走走 停停的现象进行了集中研究，其研究认为，在阻塞情况下，排队前进的车辆内部 存在交通波动，当排队交通量为8 5 0 2 0 0 0 辆h 车道的情况时，交通波的传播速 度是相对恒定的，为2 0 4 0 k m h ，此速度与所处的位置和交通流量无关 22 1 。2 0 0 2 年，一些专家学者还对高速公路不同位置处瓶颈的交通特征进行了针对性的研究， 如c a s s i d y ，m 、a n a n i ，s 与h a i g w o o d ，j 研究了高速公路出口处，m u f i o z ，j c 与 d a g a n z o ，c f 研究了高速公路分叉处，b e r t i n i ，r l 及m j c a s s i d y 研究了高速公路 合流的下游路段 2 3 - 2 5 1 。s h a n t a n ud a s 与d a v i dl e v i n s o n 在2 0 0 4 年进行了高速公 路瓶颈的排队论和统计分析研究，他们把瓶颈分成两类，即“活瓶颈”与由下游 基于仿真技术的交通瓶颈研究 瓶颈导致的瓶颈路段，这两类瓶颈具有不同的性质，其研究得到了一套区分这两 类瓶颈的方法，并在应用中证明了其实用性【2 “。2 0 0 5 年，r o b e r tl b e r t i n i 与 m o n i c at l e a l 进行了高速公路车道减少处的交通特征经验研究，探讨了排队消 散流量与排队形成流量之间的关系，计算了交通波的传播速度，并且与以前的研 究进行了对比，分析了交通瓶颈的开始和延续时间 2 7 1 。 2 国内研究概况 国内关于交通瓶颈的研究相对较少，而且研究多集中在高等院校。对城市道 路瓶颈研究较多，而对高速公路瓶颈研究较少，这是由我国交通与道路发展情况 决定的。 1 9 9 4 年，东南大学邓卫、李峻利根据高速公路交通突变理论提出了确认交通 拥挤出现的同时，判别交通拥挤类型的算法，并用实例论证了判别算法的过程【28 1 。 1 9 9 7 年，邵春福研究了高速公路阻塞的变化规律，并提出了预测交通阻塞量的神 经网络模型，用实测数据进行了验证和预测分析1 2 。1 9 9 7 年到2 0 0 0 年，陆化普、 毕仁忠、吕立生等人对城市交通的拥挤现象进行了分析，并提出了部分缓解对策 3 0 3 2 1 。2 0 0 2 年，北方交通大学达庆东、张国伍对交通拥挤定量分析方法进行了研 究，其研究通过引入几个表示流量和占有率之间关系的方法来指示交通状态随时 间的变化，并得出结论，高峰小时流量和占有率之间关系与其他时段显著不刚圳。 2 0 0 2 年石崧、张大庆、王学堂等学者对城市交通瓶颈以及城市交通问题和对策进 行了具体的研究1 3 4 4 “。吴正于2 0 0 3 年通过把交通瓶颈问题与高速空气动力学中 的激波问题作比较，建立了交通堵塞过程的交通流模型，包括部分堵塞和完全堵 塞情况下不同的模型，研究还得到了堵塞波与上游流量之间的定量变化规律【3 ”。 2 0 0 4 年，王纪武、龙宏以郑州市为例分析了城市交通瓶颈问题，并提出了若干对 策【3 8 】。吴世江、史其信分析了在大城市中心区实施道路收费来缓解交通拥挤的方 法，建立了大城市中心区道路收费的双层规划模型，分析了模型的求解过程，还 提出了大城市中心区道路收费必须深入研究的内容【39 1 。2 0 0 5 年，吴毅洲指出，城 市交通供给与需求之间的矛盾是引发城市交通拥挤和堵塞的重要问题，并从交通 需求管理的角度出发，提出了解决城市交通拥挤的对策【4 们。同年，湖南大学李硕 选用f r e e 临界车速和b r e a ki 临界车速成功地对高速公路上车辆排队情况进行 了实时判定与跟踪，提出的交通流区段类型判定算法和车辆排队类型判定算法采 用模式化程序计算，另外，模型还用现场录像资料及车辆到达曲线法进行了标定， 证明了计算的准确性【4 “。 综上所述，虽然国内外专家学者意识到了对瓶颈研究的重要性，也在部分具 体的研究上取得了一定的成果。为了更好地应对高速公路和城市道路日益严重的 交通堵塞，针对交通瓶颈展开系统的研究具有重要意义。 硕士学位论文 1 2 2 交通仿真概述 1 交通仿真的概念及分类 交通仿真是随着计算技术的进步而发展起来的一门涉及多学科的综合技术， 它采用计算机数字模型来反映复杂的交通现象，对交通运动随时间和空间的变化 进行跟踪描述和分析，属于计算机数字仿真范畴。交通仿真是计算机仿真技术在 交通工程领域的一个重要应用h 2 。简而言之，交通仿真就是在计算机上进行交通 模拟和实验的方法。 根据交通仿真模型对交通系统描述细节程度的不同，交通仿真可分为微观仿 真、中观仿真和宏观仿真。微观交通仿真模型是用描述交通运行微观规律的参数 来设计模型进行仿真的，它通过考察单个驾驶员和车辆及其相互作用特征来描述 系统的状态，对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高。宏观交通仿真模型 是用描述交通运行宏观规律的参数来设计模型进行仿真，它通过考察交通流特征， 即车队的“平均”行为来描述系统的状态。中观交通仿真模型在宏观交通网络的 基础上，将个体车辆放入到宏观交通流中进行分析，它根据模拟的需要，对特定 车辆的速度、位置及其它属性进行标识，或对个体车辆分组，从而对每组车辆的 速度、位置及其它属性进行标识，其对交通系统的要素及行为的细节描述程度较 高【4 3 45 1 。 2 交通仿真的发展历程 交通仿真研究大体经历了三个发展阶段：2 0 世纪4 0 年代末至6 0 年代初的诞 生期、6 0 年代初至8 0 年代初的发展期以及8 0 年代初至现在的成熟期 4 “。诞生期 的工作主要涉及如何进行交通流仿真，直到1 9 6 0 年前后，用仿真技术研究交通流 状态的可能性和可行性才得到普遍承认，并开始开发一些交通系统仿真软件。发 展期内交通仿真技术得到了迅速的发展，这一期间，发表了大量的论文和专著。 成熟期内世界各国都展开了以i t s 为应用背景的交通仿真软件的研究，并达到了 交通仿真研究前所未有的高潮，出现了许多比较成熟的仿真软件系统。 3 本文选用的交通仿真软件 本项目采用微观仿真软件t s i s 进行交通仿真。t s i s 是由美国联邦公路局开 发的，源于上世纪七十年代，经过三十多年的完善，己发展成为典型的、成熟的、 完整的微观交通仿真系统，全名为t r a f f i cs o f t w a r ei n t e g r a t e ds y s t e m 。t s i s 包括 c o r s i m 、t s h e l l 、t r a f v u 和t r a f e d 四个主要模块。它不仅具有友好的用户 界面和强大的技术支持，而且其建模技术日益成熟。软件向用户开放众多的参数， 用户通过对参数的标定和校核，能准确地复现所研究的交通环境和状况。t s i s 功 能强大，国内外许多研究人员和交通工作者以之为基础做过许多的研究，取得了 良好的效果1 4 7 5 1 1 。 基于仿真技术的交通瓶颈研究 与传统方法相比，用t s i s 分析交通瓶颈具有许多优势： ( 1 ) 不需要真实系统的参与，因此具有经济方便的特点，特别适用于对尚不 存在的瓶颈进行研究，如规划中交通系统的瓶颈。 ( 2 ) t s i s 的时间标尺可以与实际系统的时间标尺不同，因此既可以进行实 时仿真，也可以进行欠时仿真或超时仿真，便于观察交通瓶颈的特征。 ( 3 ) 能重复提供同样的道路交通条件，从而可以对不同的瓶颈改善方案进行 客观的比选。 ( 4 ) 能不断改变系统运行条件，从而可以预测道路交通系统在各种情况下的 交通瓶颈行为。 ( 5 ) 能够随时间和空间改变交通需求，从而对道路交通瓶颈作出预报。 ( 6 ) 能够处理相互影响、相互作用的车辆排队过程。 ( 7 ) t s i s 研究问题的系统性便于从整体的观点发现瓶颈，在全局的视角下 分析瓶颈，改善瓶颈。 ( 8 ) t s i s 交通动画演示形象，直观，便于瓶颈的分析。 1 3 论文研究的目的和意义 1 9 8 4 年，美国学者g o l d r a t t 等提出了约束理论( t h e o r y o f c o n s t r a i n t s t o c ) 的思想，随后，约束理论在制造管理 中得到了广泛的应用。t o c 的思想源于“局部最优的全体 不是全局最优”和“优化是个不断改进的过程”的系统观， 将系统的资源分为瓶颈资源和非瓶颈资源，对其特性进行 研究，探讨达成系统效益最优的方法【5 2 5 3 1 。简而言之，t o c 的基本思想可以简单地用“木桶原理”阐释：一个木桶由 许多块木板做成，这些木板长短不一，木桶到底能盛多少 水，不是由木板的平均长度决定，更不是由最长一块木板图1 1 木桶原理 的长度决定，而是由最短的一块板决定的。提高木桶容量 的最好方法是发现最短的那块板，想办法将其补长。 若将交通系统比作这么个木桶，那么交通瓶颈就是短板，而过长的板则是处 于资源闲置状态的交通设施。交通系统的容量有多大，能为多少车辆服务，交通 瓶颈这块短板影响很大，所以研究交通瓶颈具有十分重要的现实意义。然而，交 通系统绝非图1 1 所示的木桶那般简单，现实中的短板交通瓶颈也不会那么 一目了然，交通瓶颈的研究有其复杂性。 仍将交通系统比作木桶，那么本文的研究目的可以作如下表述： ( 1 ) 探讨寻找短板的方法：路网中交通瓶颈的定位与排序； ( 2 ) 分析板短的原因：交通瓶颈形成原因分析； 硕士学位论文 ( 3 ) 研究短板补长的方法：交通瓶颈改善策略。 交通瓶颈是导致交通拥挤的主要原因，交通瓶颈的研究及其成果的推广应用 具有以下意义： ( 1 ) 交通瓶颈的改善可以有效减轻交通压力，提高交通系统服务水平。 ( 2 ) 减少交通事故：瓶颈路段往往是交通事故的高发路段，瓶颈的研究和改 善则可以降低交通事故数量，减少人员伤亡和财产损失。 ( 3 ) 改善环境：瓶颈路段上车辆走走停停，速度变化大，由于不断的加减速 排放的尾气也多。瓶颈的交通改善可以提高车速，减少尾气排放。 ( 4 ) 节省油耗：车辆在瓶颈处延误时间越长，所消耗的汽油就越多。 ( 5 ) 节省时间：交通瓶颈严重时，出行时间很大一部分是在瓶颈处消耗的， 瓶颈的改善不仅可以减少时间浪费，而且让出行者保持精力，有良好的心情投入 工作中，提高工作效率。 1 4 论文的主要内容 本文针对交通瓶颈展开系统的研究。遵循发现问题，分析问题，解决问题的 思路，文章首先分析在路网中找出瓶颈以及将瓶颈按严重程度排序的方法，其次 对找出的瓶颈进行系统的研究，探讨对瓶颈进行定性和定量分析的方法，最后分 析产生交通瓶颈的原因，讨论改善交通瓶颈的方法。本文还力图将交通仿真技术 引入瓶颈研究中，目的在于使交通瓶颈分析简单化，形象化，定量化。主要研究 内容包括： ( 1 ) 交通瓶颈的定位和排序方法。提出了基于约束理论( t o c ) 的交通瓶 颈定位与排序方法。针对不同交通指标提出了通行能力法、延误法、速度法、调 查车法、车辆排队长度法、密度法。提出了综合服务水平分析方法，并给出了应 用示例。探讨了交通仿真技术在瓶颈定位与排序中的应用。 ( 2 ) 交通瓶颈的分析方法。分析了累积车辆到达曲线法、交通波理论以及交 通仿真分析法，采用这些方法定量地研究瓶颈的通行能力、瓶颈造成的影响，确 定瓶颈形成的开始时间和延续时间等。 ( 3 ) 瓶颈形成原因分析和改善方法研究。主要结合交通仿真技术通过三个示 例进行探讨，第一个示例讨论城市道路交叉口改造的效果，并结合具体路网与主 干道拓宽的效果进行了对比研究。第二个示例研究交通量较小的情况下，停用信 号灯带来的整体效益。第三个示例探讨当交通瓶颈较为严重时，采用交通分流方 案进行改善的方法。 基于仿真技术的交通瓶颈研究 2 1 概述 第2 章路网中交通瓶颈的定位与排序 路网中有些路段车流量小，车辆行驶速度快，而有些路段车流量大，交通拥 挤，这在城市道路中尤其明显。路网中哪些位置交通拥挤比较严重，出行者可以 根据经验确定，但这种衡量具有不准确性和随机性。将这些交通拥挤的位置瓶 颈找出来，并进行定量分析和拥堵严重程度排序是研究单个瓶颈并获得交通改善 方案的前提。本文力图对交通瓶颈及其导致的交通拥挤进行定量的描述，研究成 果既可作为交通管理部门进行交通管制的依据，又可作为交通规划和设计部门规 划设计的参考，还可以成为a t i s ( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f r o m a t i o ns y s t e m s ) 的一 部分，为出行者提供路况信息，使其自主选择快捷的出行路径。 交通瓶颈的相关定义： ( 1 ) 路网瓶颈：研究对象为考虑范围内的整个路网，在进行瓶颈定位时，路 网内全部可能的瓶颈位置均应加以考察和计算，在进行瓶颈排序时，所有瓶颈按 统的指标进行比较和排队。 ( 2 ) 路线瓶颈：研究对象为某条出行线路，在进行瓶颈定位时，只对线路内 可能的瓶颈位置加以考察和计算，在进行瓶颈排序时，只对线路内的瓶颈按统一 的指标进行比较和排队。 ( 3 ) 设施瓶颈：指由于设计原因，同一线路上有些路段通行能力大，有些路 段通行能力小，通行能力小的路段就是设施瓶颈。研究设施瓶颈的一个特点是： 考虑的是路段通行能力，而不是服务交通量。有可能在现状交通条件下，设施瓶 颈处车辆行驶速度很快，服务水平很高，所以设旋瓶颈可能是潜在的交通瓶颈。 本章先从理论上探讨交通瓶颈的定位和排序方法，然后针对不同交通指标提 出了一些易于操作的方法，最后对综合服务水平分析法以及交通仿真的应用进行 研究。 2 2 基于t o c 的交通瓶颈定位与排序方法 整个交通系统由许多路段( 交叉口视为路段的一部分) 予系统组成，各路段 子系统的通行能力是有限的，根据约束理论( t o c ) ，交通系统整体最优化的实现 取决于瓶颈路段的交通运行状况。通过发现、分析这些瓶颈路段，并设法降低其 约束作用，能以最小的代价明显提高交通系统的整体效益。 交通系统中瓶颈的定位按如下思路进行，首先搜索潜在的交通瓶颈位置，按 硕士学位论文 一定步长提高各瓶颈的通行能力，计算交通系统的整体改善情况并进行对比，以 较小成本较大程度改善整体交通效益的位置即为交通瓶颈位置。交通瓶颈的定位 可以归结为如下的线性约束非线性规划模型p 似，b ，n ，州： m a x ，( x ) ( 2 1 ) s t x s ( a ，6 ) s ( a ，6 ) = ：k r ”i a x s b b = ( b 。屯) 7 k = ( 6 l 一6 。一) 1 式中：x 出行路线交通量向量，x = ( x l x n ) 7 r ”： n 总出行路线数； m 路段总数； 6 路段初始通行能力向量，b = ( 6 l k ) 7 r ”； 6 一路段极限通行能力向量，6 。= ( 岛一6 。一) 7 r ”； 4 路段出行比例矩阵，a = ( a 。d 。) 7 r ，a 为i 路段的出行比 例向量； s ( a ，6 ) 满足条件的x 向量组成的集合； 厂( x ) 整体效益函数，例如，厂( 功= a 。，其中鸬为第i 条路线的 i = l 权重，综合考虑出行时间、距离和重要性等因素确定。 为进行后面的推算和论证，先作如下约定： ( 1 ) b = ( 6 l k ) 7 r ”，6 一= ( 6 l 一b m 。) 7 r ” b 6 一( b o 使得对无论怎样小 的艿 0 ，总可以找到。，( 艿) 满足0 ( o ) + 矗= f ( x ) + h ，构造 单调减趋于0 的正数序列鼢 ：。c 【o ，0 。】，对于4 ，存在占，( f ) 满足s ，u ) 西，且 一( s ，( f ) ) ( o ) + = f ( x 。) + h ， v i l ( 2 1 9 ) g ( j ，s ，( f ) ) c g ( j ，4 ) c c g ( j ，4 ) ，v i 1 ( 2 2 0 ) 由v b s 6 一，s ( 一，6 ) 为有界集的假设条件jg o ，占，( ，) ) c r ”为有界集，又因为 g ( j ，占( f ) ) 闭jg ( j ，占( f ) ) 为紧集，因为f ( x ) 是连续函数j ( s ，( f ) ) 可在 x 。g ( j ，占，( f ) ) 上取得，即有 一( s ，( f ) ) = f ( x f ( x + ) + ， v i l ( 2 2 1 ) 且x g ( j ，s ，( f ) ) c g ( j ，4 ) v i 1 ( 2 2 2 ) 由式( 2 2 2 ) 警x i ) 拄，c g ( j ，西) 为有界集j 存在聚点y 和收敛子序列 & 长。c 备拄。使得x 专y ( 七一。) 。由题设西j o ( f 斗。) j o 以) 斗o ( 七。o 。) ， 由 g ( j ，s ，( 丘) ) 呻g ( j ，0 ) ( | 斗呦 j_ ) f jj ，o ( j ，o ) ( 七斗) ，又因为 ( g ) ) = f ( x ) - - f ( y ) f ( x ) + 厂( z + ) ( 七- o o ) ，这与式( 2 1 8 ) 矛盾，故( 0 ) 在0 点连续，同理可证( ) 在【o ，f ，。】上任一点连续，命题得证。 基于仿真技术的交通瓶颈研究 ( 2 ) 这是基本性质( 1 ) 和式( 2 1 3 ) 的直接推论，证明略。 在b b 。，o m s 。的假设条件下，称 s e b i ( x ( b ) ) = ：# fi ( 6 ) ，茸 o ，一满足式( 2 1 6 ) ( 2 2 3 ) 为p 似，b ，胛，叫在出行路线交通量向量为x ( b ) 时基于通行能力弹性向量的 顺序弹性瓶颈路段集，简称顺序弹性瓶颈路段集。 “弹性”的含义是： v i s e b i ( x ( b ) ) ，在有效可调通行能力区间【o ，s 1 内，通行能力6 ，的任何有效增加 都会带来系统整体效益的有效增加。瓶颈路段的交通影响严重程度可按f 值大小 进行排序，z 越大，则此路段对交通系统的影响越大。 2 并行法 设b b 。，仇s 。，并行法的计算步骤如下： 刀p ) = 万( s i ，一，g ) 瓮( n h ( 1 ，b j + t ) ) n ( n 日。( ，屯” ( 2 2 4 ) 伊( f ) = 妒( 毛，一，占) = ：m a 】( 扩( x ) l x 7 ( 占l ，占) s = ( q ，s 。) 7 【q 。，s 。】- ：p 1 0 m 。s 占一 仍( 占1 ) = ：妒( 毛，s 2 眦“，e t n b 。缸) ， s l o ，s l m 啦】 s ? = ：m i n a r g m a x 卿( 蜀) i l o ，占i 。】 b ? = 6 i + 群 l p j ( g ，) _ = 妒( f 1 4 ，一1 8 ，t ，+ l m 缸，一，s 一) s ? = ：m i n a r g m a x 谚( t ) l q 【o ，t 一】) ) 域= b ? + s ：i = 2 , 3 ，m b = ：妒( s