（载运工具运用工程专业论文）基于均衡理论的路网堵点识别与容量一体化均衡配置研究.pdf

摘要 随着国民经济的快速发展和城市化进程的明显加快，交通拥堵问题日益成为 社会关注的焦点，也是各大中城市所面临的共同难题之一。尽管从道路建设、交 通管制等方面下了大功夫去解决，但往往解决了旧堵点( 堵线、堵区) ，又出现新 堵点( 堵线、堵区) ，甚为被动，不能适应社会经济和城市发展需求。因此，如何 从系统角度科学有效辨识路网堵点、研究实现路网容量均衡一体化的措施，对于 缓解交通拥挤具有重要的理论和现实意义。 论文基于交通均衡理论，从系统角度分析路网堵点，通过以组团为虚拟节点、 组团间交通通道为虚拟路段的路网简化方法，建立虚拟路网，采用o d 迭代反推 技术与交通均衡配流模型，得到虚拟路网均衡流量；以虚拟路网均衡流量与容量 的比值( v c ) 为匹配参数，与设定的堵点判别标准对比，识别路网堵点( 堵线、 堵区) ，诊断路网系统性缺陷；然后就如何消除路网堵点，实现路网容量均衡一体 化，提出了相应的措施；以重庆市主城区( 内环高速以内) 干道网为例，对该套 方法和体系的可行性、实用性、合理性进行了验证，效果良好。 该套模型和方法主要有三大创新，分别为虚拟化网络分析技术、基于交通均 衡理论的路网堵点识别方法体系和一体化路网容量均衡配置分析的总体构思。 关键词：虚拟路网；交通均衡理论；堵点识别；路网容量均衡一体化 a bs t r a c t a st h e q u i c kd e v e l o p m e n t o fn a t i o n a l e c o n o m ya n d t h ea c c e l e r a t i o no f u r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h et r a f f 矗cc o n g e s t i o ni sn o to n l ya ni s s u ea t t r a c t i n gt h ea t t e n t i o n s a l la r o u n dt h ew o r l d ，b u ta l s oo n eo ft h et o u g hp r o b l e m sc o n f r o n t e db ye a c hb i ga n d m i d d l ec i t y a l t h o u g hp l e n t yo fl a b o r , m a t e r i a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e sf r o mr o a d c o n s t r u c t i o n ，t r a f f i cm a n a g e m e n ta n ds oo nh a v e b e e np u ti ns o l v i n gt h ep r o b l e m ，t h e r e s u l ti st h a to l dc o n g e s t i o nh a sb e e ns o l v e d ，b u tn e wc o n g e s t i o na l s oa p p e a r s ，i tc a n n o t a d a p tt h ed e m a n do f s o c i a le c o n o m ya n dt h eu r b a nd e v e l o p m e n t s oh o wt oi d e n t i f yt h e c o n g e s t i o ne f f e c t i v e l ya n ds c i e n t i f i c a l l yf r o mt h es y s t e m i cp e r s p e c t i v ea n dt h e n t o r e s e a r c ht h em e t h o do ft h ei n t e g r a t e dd i s t r i b u t i o nf o rc a p a c i t yo fr o a dn e t w o r k sb r i n g t h ee s s e n t i a lt h e o r e t i ca n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et or e d u c ec o n g e s t i o n b a s e do nt r a f f i ce q u i l i b r i u mt h e o r y , c o n g e s t i o nh a sb e e na n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y , a n da na b s t r a c ta n ds i m p l i f i e dr o a dn e t w o r km e t h o dw i t ht h eg r o u p sa gv i r t u a lp o i n t s a n dt r a f f i cc h a n n e l sb e t w e e ng r o u p sa sv i r t u a lr o a dl i n e si sp r o p o s e d ；a n db a s e do nt h e a n a l y s i s ，t h et e c h n i q u eo fo db a c ks t e p p i n ga n dt h em o d e lo ft r a f f i ce q u i l i b r i u m a s s i g n m e n tf o rv i r t u a lr o a dn e t w o r k si sa l s op r o p o s e d ；a n db a s e do nt h ep r e v i o u s t e c h n i q u ea n dm o d e l ，v i r t u a lr o a dn e t w o r k se q u i l i b r i u mf l o wc a nb eo b t a i n e d ；a n d c o n t r a s t e dt h ec o r r e s p o n s i v ep a r a m e t e r s ，w h i c hi st h er a d i oo fv i r t u a lr o a dn e t w o r k s e q u i l i b r i u mf l o wa n d i t sc a p a c i t y , w i t ht h es t a n d a r do fc o n g e s t i o ni d e n t i f i c a t i o n ， c o n g e s t i o nc a nb ei d e n t i f i e d ；a n dt h e nm e a s u r e sa b o u th o wt o s m o o t ha w a yt h e c o n g e s t i o na n dr e m e d yt h es y s t e m a t i cd e f e c t so nt h er o a dn e t w o r k s t or e a l i z et h e d i s t r i b u t i o nf o r t h ei n t e g r a t e dd i s t r i b u t i o nf o rc a p a c i t yo fr o a dn e t w o r k si sa l s op r o v i d e d a tl a s t ，t h ek e yc i t yo fc h o n g q i n g t h ep a r t si nt h ei n n e r - r o u n de x p r e s s w a ya st h eo b j e c t o fs t u d yi n t h i s e s s a yp r o v i d e d t h ep r o o ft ot h ea v a i l a b i l i t y , p r a c t i c a b i l i t ya n d r e a s o n a b i l i t yo f t h es y s t e mw h i c hb r i n gar a t h e rg o o de f f e c t t h em o d e lc o n t e n t st h r e ep o i n t so fi n n o v a t i o n , t h e s ea r ev i r t u a ln e t w o r ka n a l y s i s m e t h o d ，t h ec o n g e s t i o ni d e n t i f i e ds y s t e mb a s e do nt h et r a f f i ce q u i l i b r i u mt h e o r ya n dt h e w h o l ec o n c e p t i o nf o ra n a l y s i so ft h ei n t e g r a t e dd i s t r i b u t i o nf o rc a p a c i t yo fr o a d n e t w o r k s k e yw o r d s ：v i r t u a lr o a dn e t w o r k s ；t h et h e o r yo ft r a f f i ce q u i l i b r i u m ；c o n g e s t i o n i d e n t i f i c a t i o n ；t h ei n t e g r a t e dd i s t r i b u t i o nf o rc a p a c i t yo f r o a dn e t w o r k s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 重庆交通大学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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 学位论文作者签名：哆枞 日期：沙g 年 够月日 燧名乡海劈i _ 日期：加萨矽月石日 包帅嘲归 名 签 年 者 曙 储 獬 姘 力 论 ： l 丝 胡，1， 学 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，随着国民经济的快速增长和城市化进程的明显加快，人流、物流、 信息流迅速涌向大城市并向周边辐射。据预测，到2 0 1 0 年，我国超过百万人口的 大城市数量将达到4 2 个，城市化水平将达到5 0 ，必将带动城市交通需求的高速 增长。与此同时，我国许多大城市机动车拥有量继续以高于1 0 的速度增长，交 通需求大幅增加，城市道路负荷日益加重，道路拥挤、交通堵塞、行车混乱等问 题同益严重【1 1 。交通拥堵等问题日益突出，已严重影响居民出行及社会经济发展， 越来越成为城市发展的严重障碍，是全球所有城市特别是大城市面临的共同挑战 之一，与此同时，交通拥堵等问题也日益成为我国和发达国家的一个研究热点。 尽管从道路建设、交通管制等方面下了大功夫去解决，但往往解决了旧堵点 ( 堵线、堵区) ，又出现新堵点( 堵线、堵区) ，甚为被动，不能适应社会经济和 城市发展需求。一旦城市的某个路段或交叉口出现交通拥挤现象，人们就会改善 这一地区的交通设施，试图缓解交通拥挤，但这样做能否达到最终目的呢? 著名的 当斯定律( d o w n sl a w ) 将交通拥挤现象表述为：新建的道路设施会诱发新的交通 量，而交通需求总是倾向于超过交通供给。a u t h o n yd o w n s 对诱发原因进行了进一 步的研究，提出了“三头齐发原则”，即如果在高峰时间特别拥挤的地段交通条件 一旦大有改善，就会导致三种情况，从而使这种改善全被抵消。一是汽车驾驶者 原来走别的路，现在都挤到改善地段；二是汽车驾驶者本来在其他时间行车，现 在集中在同一时间行车：三是汽车驾驶者本来乘坐公共交通，现在驾车通过这一 改善地区。这三种情况将导致新的交通量的产生，有人称之为诱发交通( i n d u c e d t r a f f i e ) 。根据这一原则，交通拥挤与交通设施不断改善之间的矛盾可描述为：交通 拥挤一交通设施改善交通拥挤缓解更多的交通需求交通再拥挤一交通设施再改 善交通拥挤缓解一更多的交通需求一一，这一交替过程最终只能是创造了局部 范围的经济效益，而对交通拥挤的缓解却微乎甚微【2 1 。由此可见，交通基础设施的 不断改善，只能缓解暂时的交通拥挤，但这种改善迟早会被诱发的交通量所抵消， 交通拥挤不是消失了，而是漂移、蔓延扩展到更多更大范围，形成更多的堵点、堵 线和堵区，城市又会陷入拥挤混乱的境地。 因此，要减轻城市交通拥挤必须另寻出路，用新的思想和方法来指导实践。 由人、车、路以及环境组成的交通系统是一个庞大的具有随机性、动态性、模糊 性和自适应性的开放复杂系统，系统只有具备合理的功能等级结构和布局才能正 第一章绪论 常有效发挥其功能。城市交通系统由路网系统、流量系统和交通管理系统构成， 其中，路网系统是城市交通系统的基础，合理的路网系统是交通管理系统是城市 交通系统正常有效运行的根本。因此，宜从系统角度来看待城市的交通拥堵问题。 1 2 研究目的与意义 论文基于均衡理论，从道路交通状况与需求矛盾出发，以系统观点寻求路网 的堵点( 堵线、堵区) ，相对沿用的按表面现象和主观判断的方法解决交通拥挤 问题而言，抓住了问题产生的实质与关键。为解决困扰人们这涉及面广，影响社 会经济发展与现实生活的大问题，拓宽了思路，寻找到了新的途径。具体来说， 本研究具有以下几个方面的意义。 1 ) 本研究基于系统全局观点识别路网堵点、堵线和堵区，改变了传统堵点识 别方法的主观性和表象性，能有效弥补缓解对策“头疼医头，脚疼医脚”的系统 性缺陷。 2 ) 针对系统识别的堵点，结合近期道路规划和建设实际，研究一体化路网容 量均衡配置方法，为减少道路建设盲目性、提高缓堵对策针对性，提供了新的决 策依据和方法。 3 ) 一体化的分析思路和方法为缓解日益严重和复杂的城市交通拥堵问题提供 了新的研究思路与方法。 4 ) 基于交通均衡原理，自主开发了路畅工程交通均衡分析软件，基于该 软件，可以模拟、评估道路建设、交通管理( 如单向交通) 等措施对其他道路及 交通系统的影响，为相关对策及措施的制定与实施提供科学依据。 1 3 主要研究内容 论文基于交通均衡理论，从系统角度分析路网堵点，通过以组团为虚拟节点、 组团间交通通道为虚拟路段的路网简化方法，建立虚拟路网，采用o d 迭代反推 技术与交通均衡配流模型，得到虚拟路网均衡流量：以虚拟路网均衡流量与容量 的比值( v c ) 为匹配参数，与设定的堵点判别标准对比，识别路网堵点( 堵线、 堵区) ，诊断路网系统性缺陷；然后就如何消除路网堵点，实现路网容量均衡一体 化，提出了相应的措施；以重庆市主城区( 内环高速以内) 干道网为例，对该套 方法和体系的可行性、实用性、合理性进行了验证，效果良好。 1 ) 交通拥堵机理、成因分析及对策研究 在对交通拥堵动态生成、漂移、演化、聚集、疏散等过程分析基础上，找到 了造成交通拥堵的三大主要因素。三大主要因素分别为：路网结构和设施布局因 第一章绪论 素，交通管理控制方法因素和交通行为因素。三大因素互相依从、相互作用、三 位一体。其中，路网结构和设施布局不合理是主要和根本原因。针对造成交通拥 堵的主要原因，分析了相关应对策略和措施。 2 ) 路网虚拟简化技术研究 城市路网是一个庞大的有机系统，为更好地从宏观和系统上把握，需对原路 网进行抽象简化，构建更宏观的虚拟路网。在抽象过程中，虚拟路网既要充分反 映交通堵点、堵线和堵区的交通特性，又尽可能不改变原路网宏观交通流特性及 其需求行为。虚拟路网以城市基本组团为虚拟节点，以组团间的交通通道为虚拟 路段，同时结合现状干道路网的结构及其流量、城市的行政区划、土地利用和山 川河流天然屏障等条件综合确定。虚拟路网是后面研究的基础，路网虚拟抽象的 好坏直接关系研究成果的好坏，必须认真谨慎对待。 3 ) 路网堵点( 瓶颈) 识别模型研究 为了得到虚拟路网o d 分布及虚拟路网均衡流量分布情况，本文主要研究了 两个基本模型，虚拟路网o d 反推模型和虚拟路网交通均衡分配模型。在对传统 o d 反推模型和技术研究基础上提出了虚拟路网o d 反推模型，其基本思想是采用 迭代思想。给定初始o d 分布矩阵和收敛条件，通过对初始o d 分布矩阵有限次修 正，使理论分配交通量( 路段交通量) 和实测交通( 路段交通量) 无限接近，认 为此时的o d 分布矩阵所求o d 分布。基于w a r d r o p 第一均衡原理( 用户最优原理) 的分析，提出了虚拟路网交通均衡分配模型，并就该模型的算法也进行了一定的 探讨。基于这两个模型，可以得到虚拟路网的均衡流量分布情况，结合路网容量 系统，分析路网均衡条件下的交通供给与需求的协调匹配情况，从而识别均衡条 件下路网瓶颈点( 线、区域) 所在。 4 ) 路网堵点( 瓶颈) 识别方法与容量一体化均衡配置研究 路网堵点( 瓶颈) 的识别方法是以虚拟路网( 节点及路段) 的交通负荷( v c ) 为特征变量，采用虚拟路网o d 反推技术与交通均衡配流组合模型，得到虚拟路 网均衡流量分布情况，结合虚拟路网容量系统，获得路网供需“均衡容量匹配参 数”，基于该套参数，与设定的堵点判断标准对比，辨识路网的真实瓶颈点( 段、 区域) 、诊断现有路网的系统性缺陷。最后就如何消除路网堵点及弥补路网系统性 缺陷，实现路网容量均衡一体化配置，给出了宏观指导和分析了相关措施。 5 ) 实例验证 论文选取重庆市主城区( 内环高速以内) 作为研究对象，对该套方法和体系 的可行性、实用性、合理性进行验证。 第一章绪论 1 4 研究技术线路 4 一 路网堵点的识别自上而下，从宏观到中观到微观，分层次进行。首先分析路 网交通供给与交通需求在宏观层次的匹配情况，识别路网宏观层次真实瓶颈点、 瓶颈线和瓶颈区域，诊断路网系统性缺陷所在，具体技术线路见图1 1 。在系统宏 观指导下，深入重点拥堵区域实地调研，分析拥堵原因，制定相关近期、中远期 策略，实现路网容量在宏观层次的均衡一体化。在系统均衡流量及交通负荷约束 条件下，研究虚拟节点内部次干路网交通供给与交通需求的适应性情况及虚拟节 点内部支线路网交通供给与交通需求的适应性情况，诊断虚拟节点内部次干路网 与支线路网的系统性缺陷，识别其堵点( 线、区域) ，同时结合道路建设、交通设 施调整及交通管理规划等措施，实现虚拟节点内部路网容量的均衡一体化，从而 缓解交通拥挤、实现交通之通畅。 j j j j j j j j j j j j j j j j f j j j j j j j j j j j j j j j j j j j 一一一1 区亟 恒圣固匝i 图1 1 研究技术线路 第二章交通拥堵分析及路网结构简化技术 第二章交通拥堵分析及路网结构简化技术 2 1 交通拥堵分析及对策研究 2 1 1 交通拥堵概述 1 ) 交通拥堵的定义 交通拥堵是指一定时空内的交通需求及其流量超过其路网能够提供的交通容 量而引起的交通滞留现象【3 】。目前，对于交通拥堵的准确定义各国尚无统一的标准。 日本建设省1 9 9 4 年在制定新交通拥堵对策时，确定一般道路拥堵长1 公里以上或 拥堵时间1 0 分钟以上定义为交通拥堵，首都高速公路拥挤量( 拥挤长度持续时 间) 在1 5 h k m d 以上定义为交通拥堵；美国道路通行能力手册在对城市干线街 道服务水平的等级划分中，将车速为2 2 k m h 以下的不稳定车流称为拥堵车流；我 国公安部则对拥堵路口和拥堵路段分别给出了定义：车辆在无信号灯控制的交叉 路口外车行道上受阻且排队长度超过2 5 0 m ，或车辆在信号灯控制的交叉路口，3 次绿灯显示未通过路口的状态定义为拥堵路口；拥堵路段则定义为车辆在车行道 上受阻且排队长度超过l k m 的状态【4 】。 2 ) 交通拥堵的危害 交通拥挤、堵车现象r 趋严重，是当今世界各大城市的通病。交通拥堵问题 日益严重，其危害是多方面的，主要有： ( 1 ) 路网平均车速大幅下降，客货出行时间延长，增加巨额城市社会经济活 动成本。据不完全统计，我国每年因交通拥堵造成的经济损失约2 0 0 0 亿人民币。 ( 2 ) 机动车低速行使和大面积的停车延误增加了燃油消耗、环境污染和交通 事故，严重影响人居环境。 调查统计表明：在拥堵状态下的能耗是最优状态的2 倍，如果一辆汽车在7 公里小时和8 8 公里4 , 时加减速1 0 0 0 次，那么其燃料消耗比匀速运行时多消耗6 0 升，对于货车则多消耗1 1 4 升。有人用此标准计算得出，广州人为交通堵塞所付 出的经济代价总值为每年耗费1 5 亿小时，减少生产总值1 1 7 亿元，相当于整个生 产总值的7 。据报道，2 0 0 0 年美国因交通碰撞事故，交通拥堵以及噪声污染等造 成的社会成本达到4 0 6 0 亿美元，其中8 4 属于交通事故损失，1 5 属于交通拥堵 损失，l 属于噪声污染损失【5 】【6 】【7 】【8 】。 ( 3 ) 交通堵点、堵线、堵区不断增多，堵时延长，造成社会影响，损害城市 对外形象，影响汽车、旅游等多个产业的发展。 第二章交通拥堵分析及路网结构简化技术 6 一 ( 4 ) 交通点、线、区拥堵模式动态生成、漂移、演化、聚集、疏散或瘫痪造 成交通管理成本增加，难度增大。 2 1 2 交通拥堵成因分析 交通拥堵是指一定时空内的交通需求( 流量) 超过其路网能够提供的容量( 通 行能力) 而引起的交通滞留现象，其成因众多，相互影响错纵复杂。 1 ) 交通拥堵的社会背景 ( 1 ) 社会经济持续高速发展，社会经济活动规模成倍扩大。 ( 2 ) 城市化推动土地形态、布局和功能结构剧烈的变动，交通流向流量发生 大规模调整。 ( 3 ) 社会财富大幅增长，私家车拥有量持续高速增长，机动化规模迅速扩张 ( 近2 5 年民用车增长1 6 倍) 。 2 ) 交通拥堵的成因分析 造成交通拥堵的原因很多，实质原因有：城市土地利用形态和用地结构不合 理、开发强度不均衡：交通管理不善，交通秩序、交通结构失衡，交通资源未充 分或恰当利用；道路网结构不合理、路网容量不足、另外，交通信息化水平低也 是一个重要原因。归纳起来主要有三大原因：其一是路网结构和设施布局不合理； 其二是交通管理控制方法手段不科学；其三是交通行为的文化环境不友好。三大 原因互相依从、相互作用、三位一体。 ( 1 ) 路网结构和设施布局不合理是引起交通拥堵的主要和根本原因，主要在 以下几个方面： 城市、道路规划建设理念和技术落后 城市分区功能定位模糊、重叠、缺乏前瞻性； 交通方式主体及结构不清； 城市规划建设模式单一无个性。“单中心+ 环路一摊大饼”，“中心+ 纵横交错 交通线一一团乱麻”，交通矛盾难以调和； 城市与交通规划各自为政，路网规划长期处于从属和被动地位，二者的矛 盾难以协调； 路网容量不匹配、不均衡 路网布局不合理。主次结构失衡，缺乏系统性；道路面积率低( 北京1 5 ， 上海1 2 ，纽约3 5 ，巴黎2 4 ，伦敦2 3 ) ，道路密度受限。 路网容量与交通需求不匹配，频繁出现动态瓶颈点，瓶颈线，瓶颈面。 路口未渠化或渠化分离不合理，使相关路段和路口成为瓶颈。不顾条件盲 目强制实行单向通行，人为造成拥堵。 第二章交通拥堵分析及路网结构简化技术 7 一 ( 2 ) 交通管理方法和手段落后，交通资源未充分或恰当利用，主要在以下几 个方面： 公共交通方式、规模、线路、枢纽布局规划方法落后，系统性不足。 道路环境差。占道施工、占道经营、占道停车，使行人、非机动车和机动 车不能各行其道。 交通信号配时不够科学，局部性，非区域性，交通管理技术水平制约。 ( 3 ) 和谐的交通氛围尚未形成，交通意识、交通行为尚有待规范与提升 交通出行和路线选择行为不够合理性 交通参与者安全意识不高、守法观念较差 交通法规及执法不健全不严格 2 1 3 交通拥堵缓解对策研究 从上面的分析来看，交通拥堵主要有三大成因，其一是交通路网因素、其二 是交通管理因素、其三是交通参与者的行为因素。三大成因相互依从、相互作用、 三位一体。其中，路网是基础，科学布局规划应先行；管理是核心，方法手段要 更新；行为是环境，交通文化须提升。具体交通缓解对策也应从路网、管理和行 为三个层面来研究。 ( 1 ) 从路网入手，研究开发基于路网容量的路网规划与土地使用规划双向调 整偶合系统分析平台，合理诊断路网系统性缺陷，辩识路网中真实拥堵点、拥堵 线和拥堵区域。依据资金、土地和环境条件对相关瓶颈点、瓶颈线和瓶颈区进行 扩容改造尽可能使其与系统容量匹配。对于线路型拥堵和区域型拥堵，除进行道 路扩建外，必须对相关分区的土地功能及其定位进行大胆调整，特别是对开发强 度高的市中心土地功能调整，对于缓解交通拥堵，具有决定性意义。大手笔前瞻 性地布局、规划和建设包括地铁、轻轨，大容量快速公交和综合性交通枢纽等在 内的系统一体化快速主干网。引导和推动次干网的调整、改造和配套：引导和推 动土地开发密度的合理分布；逐步实现分区土地功能结构及其交通分布与交通网 络结构及其容量趋于协调。 ( 2 ) 管理方面，应当大力提升交通管理水平，深入研究智能交通核心模型， 开发真正的智能交通管理系统，有效挖掘路网潜力。 ( 3 ) 行为方面，使努力营造良好交通氛围，提升交通文化。主要包括：交通 信息大众化，引导民众出行合理和线路选择更科学；健全交通法规制度，加强安 全教育和道路安全管理；加大安全宣传力度，科学合理执法，提升交通参与者的 交通安全意识。 第二章交通拥堵分析及路网结构简化技术 2 1 4 拥堵分析小结 交通拥堵主要是道路交通设施所能提供的交通容量不能满足当前交通需求量 而又得不到及时疏通的结果，主要有三大成因，即路网、管理和行为，三大主要 成因中，路网因素是引起交通拥堵的主要和根本原因。由于路网结构和设施布局 不合理，许多瓶颈点( 线、区域) 隐含于路网之中。当交通需求达到一定程度， 由于其容量不能满足流量的需要，这些瓶颈点( 线、区域) 就首先出现交通拥堵。 随着需求的进一步增大，拥堵程度迅速增加，拥堵也蔓延扩展到更大范围，形成 了更多的堵点( 堵线、堵区) 。而现有缓堵措施多是基于拥堵表象和主观经验， 缺乏宏观协调和系统整体性，正如当斯定律( d o w n sl a w ) 所描述的，交通基础设施 的不断改善，只能缓解暂时的交通拥挤，但这种改善迟早会被诱发的交通量所抵 消，交通拥挤不是消失了，而是漂移、蔓延扩展到更多更大范围，形成更多的堵点、 堵线和堵区，城市又会陷入拥挤混乱的境地。 因此，对于缓解交通拥堵，必须从路网系统全局出发，找出路网真实瓶颈点、 瓶颈线和瓶颈区域，诊断路网系统性缺陷所在。在系统宏观指导下，深入重点拥 堵区域实地调研，分析拥堵原因，制定相关近期、中远期策略，实现路网容量的 均衡一体化。在此基础上，研究相关交通管理方法，协调交通需求与交通供给， 实现交通畅通。 第二章交通拥堵分析及路网结构简化技术 9 2 2 路网虚拟简化技术研究 城市路网是一个庞大的有机系统，为更好地从宏观和系统上把握，需对原路 网进行抽象简化，构建更宏观的虚拟路网。在抽象过程中，虚拟路网既要充分反 映交通堵点、堵线和堵区的交通特性，又尽可能不改变原路网宏观交通流特性及 其需求行为。虚拟路网以城市基本组团为虚拟节点，以组团间的交通通道为虚拟 路段，同时结合现状干道路网的结构及其流量、城市的行政区划、土地利用和山 川河流天然屏障等条件综合确定。 2 2 1 虚拟节点简化技术研究 虚拟节点是在抽象原则基础上对城市基本组团或基本片区的高度抽象，抽象 过程中，虚拟节点应尽可能不改变原节点内的交通流特性及其需求行为。虚拟节 点是一个有流量、容量和阻抗值的节点，虚拟节点的综合流量、综合容量以及综 合阻抗值是对组团内原路网流量、容量和阻抗值综合分析计算的结果。虚拟节点 其实是一个子路网抽象的结果，宏观层分析( 虚拟路网) 时，虚拟节点只是被看 成一个节点，在中微观层次分析时，虚拟节点就是一个子路网，与虚拟节点相连 的路段看成是节剧9 1 。虚拟节点构造示意图见图2 1 。 1 ) 虚拟节点抽象原则 同质性的抽象在一起，虚拟节点内土地使用、城市功能特点、经济、社会 等特性尽量使其一致 尽量以河川、山脉、铁路等天然屏障作为节点的区域界限、尽量不打破行 政区的划分，便于利用行政区政府现成统计资料 考虑路网等级结构及其流量情况及交通堵点( 线、区) 的吸引范围 尽量使节点范围适当、节点面积均等，以接近圆形为好 虚拟节点数量适当、节点内人口适当 臣巫堕口 图2 1 虚拟节点的构造 第二章交通拥堵分析及路网结构简化技术 l o 2 ) 虚拟节点内子路网简化示意图 虚拟节点在宏观层系统( 虚拟路网) 中只是被看成一个节点，但在中微观层 次分析时，虚拟节点就是一个子路网，与虚拟节点相连的路段看成是节点。虚拟 节点内子路网简化示意图见图2 2 。 一一置、 ， ， 、 i 、l 弘 二二怂、 一 国 影 拦迄 产弋 图2 2 虚拟节点内子路网简化示意图 2 2 2 虚拟路段简化技术研究 1 ) 虚拟路段构造原理 在虚拟节点构造基础上，构造虚拟路段。根据虚拟节点之间实际路网等级结 构、实际交通运行现状( 交通流量等) 状况，将任意相临两节点之间的交通通道 抽象为一条虚拟路段。虚拟路段可以是现状路网中的一条路段，也可能是多条路 段的综合。虚拟路段的综合交通量、综合通行能力以及综合阻抗值是对实际路段 交通量、通行能力、阻抗值的加权叠加计算【1 0 】【1 1 】【1 2 l 【1 3 1 。 2 ) 虚拟路段构造示意图 虚拟路段构造示意图如下，取两虚拟节点之间的三条路段为例阐述虚拟路段 简化原理。 实际路段 哆e 一一呻 虚拟路段 图2 3 虚拟路段简化构造示意图 3 ) 虚拟路段综合交通流量、综合通行能力及综合阻抗值计算 还是两虚拟节点间三条路段为例，说明虚拟路段综合交通量、虚拟路段综合 通行能力以及虚拟路段综合阻抗值的计算方法。计算示意图如图2 4 。 第二章交通拥堵分析及路网结构简化技术 实际路段交通参数 量勰 虚拟路段综合交通参数 图2 4 虚拟路段交通参数计算示意图 ( 1 ) 虚拟路段综合交通量计算 设实际路段一交通量为q l ，实际路段二交通量为q 2 ，实际路段三交通量为 q 3 ，虚拟路段综合交通量为q ，则 q = q 1 + q 2 + q 3 ( 2 1 ) ( 2 ) 虚拟路段综合通行能力计算 设实际路段一通行能力为c l ，实际路段二通行能力为c 2 ，实际路段三通行能 力为c 3 ，虚拟路段综合通行能力为c ，则 c = c 1 + c 2 + c 3( 2 2 ) ( 3 ) 虚拟路段综合交通阻抗计算 设实际路段一交通阻抗为t l ，实际路段二交通阻抗为t 2 ，实际路段三交通阻 抗为t 3 ，虚拟路段综合交通阻抗为t ，则 z ： 垡! 璺 水z + 堡! 堡 奎z + 望! 堡 z 1 1 2 q 1 1 6 l + q 2 1 c 2 + ( 1 3 1 c 31 1 。q 1 c l + q 2 _ c 2 + q 3 c 31 2 。o l c l + ( 2 r 2 1 6 - 2 + q r 3 1 c - 3 1 3 ( 2 3 ) 交通阻抗一般去两点之间所耗时间( 有时也用距离或费用) ，每条路段的交通 阻抗值不仅与该路段的长短与通行能力有关，而且与该路段的实际交通运行状态 也直接相关。因此，本文中综合交通阻抗值加权叠加的方法加以处理，权系数取 该路段实际交通负荷( v c ) 与两节点之间所有路段交通负荷( v c ) 和值的比值。 该方法有一定的创新性，可参见参考文献【1 1 ， 1 2 】和 1 3 。 第三章虚拟路网堵点识别模型研究 第三章虚拟路网堵点识别模型研究 1 2 在对现有o d 反推理论及交通均衡分配理论深入分析基础上，提出了虚拟路 网o d 反推与虚拟路网交通均衡分配组合模型。o d 反推主要为了得到虚拟路网 o d 出行分布，采用方法是基于迭代思想，通过对虚拟路网初始o d 矩阵有限次修 正，使理论分配交通量和实测交通量的无限接近，认为此时o d 分布为虚拟路网 的o d 分布；交通均衡分配主要为了得到虚拟路网的均衡流量分布情况，文中首 先对交通均衡理论进行了分析，给出了虚拟路网交通均衡的定义，并研究了虚拟 路网交通均衡数学规划模型，最后对该模型的算法也进行了必要探讨。 3 1 基于虚拟路网的o d 迭代反推技术研究 3 1 1o d 矩阵推算理论与方法研究 o d 矩阵是区域运输规划、城市交通规划、公路可行性研究等工作的基础，o d 矩阵通常可分为点、面、线三类，即交通结点o d 矩阵、交通干线o d 矩阵及交通 区域o d 矩阵。交通区域o d 矩阵指交通区与交通区之间的出行量矩阵，它反映了 出行交通的区域空间分布特征：交通干线o d 矩阵指某一条干线道路上从某一交 叉口驶上干线而在另一交叉口驶离干线的车辆o d 矩阵；交通结点o d 矩阵指交通 结点( 交叉口) 上从某一进口进入而从另一出口驶出的o d 矩阵，亦即交叉口流 向【1 4 1 。 1 ) 交通区域o d 矩阵推算理论与方法 在城市交通规划、区域运输规划及公路可行性研究中，交通区域o d 矩阵是 基础，尤其是远景区域o d 矩阵，通过对现状或远景区域o d 矩阵的交通分配，可 得交通网络中每一路段，每一交叉口现状或远景的交通量，这些交通量是进行网 络规划及道路设计的最直接依据。 目前常用的o d 矩阵推算方法有以下两种： ( 1 ) 极大熵推算模型 极大熵o d 矩阵推算模型将车辆的出行看成随机实验，即车辆从始点出发所 选择的目的地和路径都是随机的，实验总数为t = y z ，出现可能的排列总数为： h = r u ii r , j ( 3 1 ) 式中：z ，_ j 的出行量。 借助信息论中熵的概念，出行分布的熵函数可表达为： w ( t ) = 一( 乃( 乃l n t 。j 一乃) ) ( 3 2 ) 第三章虚拟路网堵点识别模型研究 所谓极大熵模型即认为最有可能出现的分布为熵最大时的分布，因此，极大熵模 型可表达为以下形式的非线性规划问题。 m a xw ( t ) = 一( 乃( 弓l i l 乃一弓) )( 3 3 ) p t ：v f 眨o ) ，f 式中：v _ 路段交通量向量；p _ 出行量分布矩阵。 ( 2 ) s u m t 推算模型 s u m t 推算模型是指以路段实测交通量与理论分析交通量符合程度最佳为目 标，以出行量非负为约束、采用序列无约束极小化技术求解的o d 矩阵推算模型。 s u m t 推算模型可表达为： r、2 m i ns ：= z t z p ( r , s , i , j ) 毗d v ( i , d ( 3 4 ) t “s ) 抽j 、。 。 式中：丁纾，s ) 1 专s 的o d 量； 尸一，s ，f ，_ ，夕珈dt 向s ) 在路段i j 上的分配率，取决与交通分配方法； v 以，夕路段i ：j 上的观测交通量。 上式为一带约束的非线性规划问题，可以用制约函数外点法将其转化为无约 束非线性规划问题，然后通过一系列数学变换，将其转换成如下形式的线性方程 组： a t = b( 3 5 ) 式中：a ，b 只与分配率p ( r ，s ，i , j ) 及观测交通量v ( i j ) 有关的常数矩阵。 s u m t 推算模型同样适用于由部分路段交通量推算o d 矩阵，或部分o d 出行 量及路段交通量推算全部o d 出行量的情形。 2 ) 交通干线o d 矩阵推算理论与方法 ( 1 ) 单向交通干线o d 矩阵推算 设x ( i j ) 为i 进口驶上干线j 出口驶离干线的车辆数( 即干线o d 量) ；y ( i ，j ) 为i 进口驶上干线j 出口前仍留在干线( 即通过j 出口前道路断面) 的车辆数，称 之为留线车辆数；n ( j ) 为j 出口前干线断面总流量。根据流量平衡条件，可得： y ( i ，j ) = y ( i ，j 一1 ) x ( i ，j 一1 ) ( 3 6 a ) n ( j ) = r ( i ，) ( 3 6 b ) 假设由干线上游进口i ( i 1 ，2 置j 1 ) 驶上干线而在出口j 驶离干线的车辆数 x ( i ，j ) 与上游相应进口在j 出口前断面上的留线车辆数y ( i ，j ) 成正比，也就是说， j 出口前断面上的所有留线车辆均有相同概率在j 出口驶离干线。有： x ( i j ) 2 a 0 ) y ( i ，j ) ：y ( 七，歹) = a ( i ) y ( i ，j ) 7 树( j ) ( 3 6 c ) 由式( a ) 、( b ) 、( c ) 可以很方便地计算出干线o d 矩阵中的所有元素，并满 第三章虚拟路网堵点识别模型研究 1 4 足流量平衡条件。 ( 2 ) 双向交通干线o d 矩阵推算 通常交通网络系统中，干线都是双向的。在双向干线上的每一个交叉口，只 有干线左转车流及各支路的直行、左转车流跨越道路中心线，因此可以把一条双 向干线沿中心线分解成两条单向干线，分解时只有干线左转车流及支路左直车流 被分割，并成为相应进出口的进出流量。由于支路直行车流不影响干线断面流量， 故可不列入分解图中而单独进行考虑，分解后两单向干线进出口流量应根据交叉 口车流转向重新确定。 3 ) 交通结点o d 矩阵推算理论与方法 在交通结点o d 矩阵分析中，交叉口进口相当于起点o ，交叉口出口相当于终 点d ，则进口流量相当于发生量，出口流量相当于吸引量。那么，利用交叉口进 出口流量推算结点o d 矩阵的问题就相当于已知交通发生与吸引求交通分布的问 题，即交通分布预测，因此，可以将交通分布预测中的诸模型移植到结点o d 矩 阵推算中。这里就不赘述，相关理论与方法参见相关参考文献。 3 1 2 由路段交通量反推o d 分布矩阵 现状o d 分布矩阵包括：人员出行o d 分布矩阵、货物出行o d 分布矩阵，但 问题最终都归结到车辆( 主要是机动车) 的出行o d 分布矩阵。现状车辆o d 分布 矩阵一般有三种获得方法：一是在人员和货物出行分布矩阵的基础上进行方式划 分；二是直接调查各个分区的车辆出行分布数据，构建分布矩阵；三是从各分区 现状车辆的出行量和吸引量出发，用出行分布模型推求出来。这些方法都少不了 到各个分区去进行人员、货物或车辆的出行调查及统计工作，非常费时和费力。 据有人统计，在实际的交通规划项目中，调查和统计所花费用要占项目全部费用 的1 2 甚至更多【l5 1 。因此探求一种调查量小的现状出行o d 分布矩阵求解方法就显 得十分有意义，于是由路段观测流量反推现状出行o d 分布矩阵的研究引起了不 少人的关注。 1 ) o d 矩阵反推依据 o d 反推的基本依据是o d 分布量与路段上流量之间的基本关系式： 圪= ：( 彤g f ) ( 3 7 ) 式中，r 表示路段的编号； b 7 矿l _ 一路段上的流量； 尸，一分区( f ，力间的出行选择路段a 的比率，称为路段的选择率； g ，_ 一分区间的出行分布量。 此问题的难点在于，作为条件式的被观测路段交通量数一般来说比o d 未知 第三章虚拟路网堵点识别模型研究 量少，各o d 点对的路径选择也是变量，因此，仅从观测路段交通量不能求得一 组唯一o d 交通量，必须追加某些假定或其他信息，如o d 分布结构、路径选择规 则等。 2 ) o d 矩阵反推模型 自1 9 7 0 年以来，国外的数学规划和交通规划界学者就开始了o d 反推问题的 研究，提出了一些反推模型和算法。现介绍如下： ( 1 ) 最大似然法 将分区之间的o d 分布量看作是一个随机变量，其平均值用简单引力模型表 示( 注意，因为这里不涉及预测问题，简单引力模型是完全适用的) ，即 = 删，巧7 + 白 ( 3 8 ) 其中： f 广相覃独立且服从正态分布n ( o ，盯，) ； 西f 驴的方差，其值为c ( k z , a j 巧，) d ； k 、y 、c 、卜待标定的参数；其它符号意义同前。 可以认为实际的o d 分布量是各种可能的分布量中最容易出现的那一组，即 最大似然函数所对应的那一组。似然函数为 肚u 南唧 - 嚣 。9 ) 给似然函数取对数： - n f = 一1 ) 。- _ ：f 。l n ( 2 m ：) + d i n ( 玉z 4 巧7 ，+ ! 搿l ( 3 1 。) 问题归结为下面的数学规划问题( 略去常数项) ： 呀n ：厂2 享； d l n c z 4 月石7 ，+ ! 轰主兰 墨之等 ；：三； s t ( 彤。q f ) = 圪 构造l 嗍e 函数一工：厂+ 眇一丢q ，劈) ( 3 1 2 ) 工= 厂+ 无( 圪一f 劈) r 21 其中， 。是l a g r a n g e 系数。令：a l a q o = o ，和a l l aa , a = 0 ，结合约束条件，经化 简整理可得 q f = 弛