（道路与铁道工程专业论文）上海高架道路监控系统研究、实现与效果评价.pdf

摘要 摘要 上海第一条城市快速路内环高架道路始建于1 9 9 2 年，随着1 9 9 9 年延中高 架的通车，城市快速路形成“申”字型高架道路网络。高架道路因其交通流连 续、行车无干扰而吸引了大量的交通，承担了中心城交通的3 0 左右，日服务交 通量达1 0 0 万辆次。为此，建立一个可靠、高效的交通监控系统是实现交通流 合理分配、提高交通服务水平的必要手段。 交通监控系统是智能交通系统( i t s ) 的子系统，是以现代交通流理论为核 心，使用信息技术和控制技术对路网交通流进行实时调节的快速互动系统。根 据这一概念结合上海城市快速路规划、具体条件、交通状况和目前的管理状况， 本文提出了“区域控制，广域诱导”的高架道路监控系统控制策略，制定了“申 字形高架道路完整的交通监控规划方案。根据交通监控系统的管理需求和现有 技术水平，提出了“发现问题，确认问题，解决问题，评估效果、改变指令” 的监控管理四步准则。在综合比较国内外已有的算法模型和对大量高架交通状 况实测数据进行分析的基础上，建立了适合于上海高架道路监控系统的算法模 型，并且在延安高架路监控系统中实现了这一构思，取得较好效果。 关键词：高架道路，监控系统，策略，模型 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee l e v a t e de x p r e s s w a yn e t w o r ki nd o w n t o w ns h a n g h a ih a sb e e nb u i l tf r o m 19 9 2 w i t ht h et r a f f i co p e n n e s so fy a n z h o n ge l e v a t e de x p r e s s w a yi n19 9 9 ，a “s h e n s h a p ee x p r e s s w a yn e t w o r kh a sf o r m e d d u et oc o n t i n u o u st r a f f i ca n dn o n d i s t u r b a n c e ， t h i se x p r e s s w a yn e t w o r kh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ei n t r a c i t yt r a f f i c i nr e c e n ty e a r s ， t h et r a f f i cd e m a n do ft h i se l e v a t e de x p r e s s w a yn e t w o r kh a se x c e e d e do n em i l l i o n e a c hd a ya n do c c u p i e d3 0 o ft h et o t a lt r a f f i cv o l u m ei nd o w n t o w ns h a n g h a i t o i m p r o v et r a f f i cs i t u a t i o na n db a l a n c et h ed i s t r i b u t i o no ft r a f f i cf l o w ，r e l i a b l ea n d e f f e c t i v ea t m sh a sb e e nc o n s i d e r e dae s s e n t i a lo p t i o n a t m si sa ni m p o r t a n ts u b s y s t e mo fl t s b a s e do nm o d e mt r a f f i cf l o wt h e o r i e s ， a t m sa d j ut h et r a f f i cd i s t r i b u t i o ni nn e t w o r kw i t hi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d s y s t e mc o n t r o lt e c h n o l o g i e s a c c o r d i n gt os y s t e mc o n c e p t i o n ，t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g ， t r a f f i cs i t u a t i o na n dm a n a g e m e n to fe x p r e s s w a yi ns h a n g h a i ，t h i sp a p e rp r o p o s e da n e wt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g yf o re x p r e s s w a yn e t w o r k ，w h i c hi sd e s c r i b e d a s “c o n t r o l l i n gi ns m a l lr e g i o na n dg u i d i n gi nl a r g er e g i o n ”，a n dap l a n n i n gs c h e m e o fa t m sf o rt h ew h o l en e t w o r ko f “s h e n ”s h a p e e x p r e s s w a yn e t w o r k c o n s i d e r i n g t h et r a f f i cd e m a n da n dt e c h n o l o g yl e v e lo fa t m s ，t h et r a f f i cm a n a g e m e n tp r o c e s so f s h a n g h a ie l e v a t e de x p r e s s w a ya t m si sp r o v i d e d ，w h i c hi sn a m e da s “f o u rs t e p s p r i n c i p l e ”，i n c l u d i n g “f i n d i n gp r o b l e m ，“a f f i r m i n gp r o b l e m ”，“p r o v i d i n gs o l u t i o n a n d e v a l u a t i n ge f f e c t ”b a s e do nc o m p l e xc o m p a r eo fr e a d y m a d et r a f f i cm o d e l s a n da n a l y s i so fr e a l t i m et r a f f i cd a t a ，as e r i e st r a f f i cm o d e l sw e r ed e v e l o p e df o rt h e a p p l i c a t i o no f t h ee x p r e s s w a yn e t w o r ka t m si ns h a n g h a i t h ee v a l u a t i o nr e s u l t so f a t m ss h o w e dt h a tt h et r a f f i cs i t u a t i o no fe l e v a t e d e x p r e s s w a yi si m p r o v e d o b v i o u s l y k e yw o r d s ：e l e v a t e de x p r e s s w a y ；a t m s ；s t r a t e g y ；m o d e l i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e r j 届l l 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：左厂矿 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月日年 月 日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：知舻 年月 日 第l 章绪论 第1 章绪论 交通问题是城市发展的永恒主题。随着经济建设的发展和城市化进程的加 快，城市交通需求急剧增加，使得交通拥挤、阻塞日益严重，交通事故和环境 污染问题也凸显出来。改善交通设施、新增扩建城市路网、增加道路容量，是 解决城市交通问题最基本、有效的办法。但新增扩建路网又在空间上、经济财 力上以及环境问题上遇到许多难以克服的障碍。同时，从长远意义上看，路网 交通状况的改善仍然会诱增新的交通需求，一定时期后还会出现交通设施不能 满足交通出行需求的矛盾。因此，新建道路越来越不可能成为解决交通问题的 较佳选择。 从1 9 世纪开始，人们就开始研究交通信号，用交通控制的方法来提高城市 路网的通行能力【2 2 】。发展到今天，交通控制已成为城市交通系统正常运行的技 术保障。从单点交叉口信号灯控制，到固定配时协调控制系统，再到目前已成 熟运用的自适应协调控制系统，交通控制在疏导交通、保障交通畅通的过程中 发挥了关键作用。近年来，随着信息处理、电子通信等技术的发展，尤其是发 送、接收装置的高性能实用化的进步，使移动通信技术的应用有了更广泛的领 域。将这些先进的通信技术应用到现代化的交通控制系统中来，正是当今世界 上许多发达国家所致力开发研究的智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，i t s ) 的技术基础。i t s 是将先进的卫星定位导航技术、计算机技术、图 形图象处理技术、数据通信技术、传感技术、自动控制技术等高新技术有效地 运用于交通运输服务、控制管理和车辆制造等方面，从而使车辆靠自身的智能 系统在道路上安全行驶，驾驶员通过系统来了解道路的交通情况，管理人员通 过系统实现对交通网络的管理控制。这样就可以保障交通安全，极大地提高交 通运输效率，改善交通环境质量。 目前随着i t s 研究领域的不断深入拓展，逐渐形成了以美国、欧洲和日本 为代表的三大体系。三个体系中的研究内容不尽相同，各有侧重。其中美国的 i t s 研究领域较为广泛，我们以其为例，介绍i t s 所涉及的研究内容。 1 9 9 4 年美国将i t s 划分为六个子系统，即先进的交通管理系统( a d v a n c e d t r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，a t m s ) 、先进的出行者信息系统( a d v a n c e dt r a v e l e r 第1 章绪论 i n f o r m a t i o ns y s t e m ，a t i s ) 、商用车辆运行管理系统( c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o n s y s t e m ，c v o s ) 、先进的车辆控制系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ，a v c s ) 、 先进的公共交通管理系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s i ts y s t e m ，a p t s ) 和先进的郊区 交通管理系统( a d v a n c e dr u r a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，a r t s ) 。目前美国在对其 i t s 的研究集中在7 个领域共2 9 项研究内容上【2 4 1 ，见表1 1 。 表1 - 1 美国i t s 研究内容 公共交通运输 管理系统 ( 1 ) 公共交通管理( 2 ) 途中换乘信息 ( 3 ) 个体的公交运输( 灵活的公交车辆)( 4 ) 公共交通安全 可见，i t s 的研究领域是非常广阔的，本文研究的高架道路监控系统是一种 先进的交通管理系统，正是i t s 系统的较好的切入点。 1 1研究背景 1 1 1lt s 发展历史 i t s 的发展至今已有三十多年的历史。1 9 6 7 年美国成立了e r g s ( e l e c t r o n i c r o u t eg u i d a n c es y s t e m ) 小组开始了对道路交通信息处理的研究。该项目可以说 是世界上最早的r g s 研究，同时也被认为是最早的i t s 研究之一。到了8 0 年代 末，许多国家相继上马了一批r g s 研究项目。具有代表性的有：美国的 a d v a n c e 、t r a v t e k 、欧洲的e u r o s c o u t 、日本的c a c s 等。正是由于交通 2 第1 章绪论 导行系统的研究开发，促进了计算机技术、通信技术在交通运输领域中的应用， 并进一步形成了运输系统智能化的大趋势。以美国为例，随着e r g s 项目研究 范围的不断扩大，于1 9 9 0 年成立了i v h sa m e r i c a ( i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a y s y s t e m so f a m e f i c a ) 研究组织。1 9 9 1 年1 2 月开始了i s t e a ( i n t e r m o d a ls u r f a c e t r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c ya c t ) 研究计划，明确将i t s 发展作为道路运输政策，并 于1 9 9 4 年9 月将i v h sa m e r i c a 正式更名为i t sa m e r i c a ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m so fa m e r i c a ) ，其它各国i t s 的总体框架也基本上由r g s 的研究逐步扩展开来。根据i t s 的发展，可相应地将交通导行系统发展分为三 个阶段，即早期、i v h s 时期和i t s 时期。图1 1 描述了国外导行系统与i t s 发 展历程。 a l t r a b 8 i x h $ a n i m a ll g l e aa d v a n c e c 黼o i m u m a i e r 岱 i c p 删rm e a t d a i 阳册i d e r i t r a v - t e k i 美田 i f a s t t r c us i m o b i l b2 0 0 0 is v s t cna r c h , t e c t t t r e p r o g r a m m “i t m q s c d m n c o & l u a u s c 0j r ) i u l r w o p e i m m t o 蚋s d e i r o m e n 删s 欧洲 d r i v e l e a r o p e i 瑚u v e i i p r o m o t e ) e t i r l t ( a i r e d dm g e i l l 田丑e m 栅岱) ) j s k l ic c s l r虻si u r h 幅v 日玎1 1 日本l a m t i c s l v l c s ) j 舯 o, t r r o n a yu 图1 - 1国外导行系统与i t s 发展历程示意 早期也称前i v h s 时期，是指从6 0 年代开始研究交通导行系统到i v h s 出 现以前的这段时期。美国的e r g s 的目的是向驾驶员提供最优路线，但后来这 二研究中断，未得到推广应用。欧洲最早出现的导行系统项目是德国的a l i ( a u t o f a h r e rl e i t u n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，a l i 由b l a u p u n k t 和v o l k s w a g e n 合作 开发，于1 9 7 9 年至1 9 8 2 年在德国的高速公路上进行了试验。日本1 9 7 1 年1 9 7 9 年研究开发的c a c s ( c o m p r e h e n s i v ea u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m ) ，1 9 8 4 年1 9 9 1 年建设省研究开发的r a c s ( r o a da u t o m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，1 9 8 7 年 1 9 9 1 年警视厅研究开发的a m t i c s ( a d v a n c e dm o b i l et r a m ci n f o r m a t i o na n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，均未能实施瞵。 在i v h s 时期( 1 9 8 9 年i v h s 提出至1 9 9 4 年i t s 取代! v h s ) 和i t s 时期 3 第1 章绪论 ( 1 9 9 4 年以后) ，由于相关技术的发展，交通导行系统得到了较快的发展。9 0 年代后，美国进行了p a t h f i n d e r 、t r a v t e k 、a d v a n c e 等以动态交通导行为主要 内容的现场运营实验。欧洲则在德国的a l t - s c o u t 的基础上开发统一的 e u r o s c o u t ，同时还开发了r d s t m c 广播动态导行系统。以r a c s 和 a m t i c s 为基础，日本警视厅、建设省、邮电省1 9 9 1 年开始联合开发v i c s ( v e h i c l ei n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，1 9 9 3 年完成。翌年开始在东 京试运行，得到成功后于1 9 9 6 年在东京1 都3 县开始运营，并于1 9 9 7 年组织 全国推广。l9 9 3 年日本提出u t m s ( u n i v e r s a lt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 计划 包括6 个分系统，其中之一就是动态交通导行系统d r g s ( d y n a m i cr o u t e g u i d a n c es y s t e m ) 。 早期的交通导行系统是各国独自开发的，而且与其它的交通管理系统如交 通控制系统并无紧密联系，主要的研究重点也放到了有关通信技术的研究上。 从i v h s 时期开始( 欧洲的p r o m e t h e u s 计划要早一些) ，随着i v h s 、i s t e a 、 p r o m e t h e u s 、d r i v e 等交通智能化总体计划的提出，导行系统与其它的管理、 信息等系统均被纳入总体计划中统一研究开发。i t s 时期，各种系统在总体计划 下集成化的趋势已十分明显，如日本的d r g s 集成于u t m s ，欧洲则将导行系 统纳入p r o m o t e 计划中。导行系统已经成为功能全面的i t s 系统中的一个重 要子系统，在研究开发和运营上都与其它系统紧密结合，并统一于总体计划下。 从美国、日本和欧洲导行系统的研究现状看来，美国在研究的系统性方面 领先，其在计算机和通信等技术上的优势为系统的研究开发提供了有利条件。 欧洲比较重视开发基于r d s t m c 广播的动态导行系统。日本在动态导行系统的 开发、部署和应用方面居于领先地位( f r e n c h ，1 9 9 4 ) ，所开发的v i c s 、d r g s 均己投入运营。 v i c s 是由日本丰田公司与警察厅、邮政厅、建设省共同开发的基于全球定 位系统( g p s ) 和道路车辆信息通信系统的导行项目，为日本现存i t s 应用项目 的自然扩展，始于a m t i c s 和r a c s 的集成。其最新的建设动向是集成4 种交 通信息系统：h a r 、v m s 、f m 多路复用广播和基于电子地图的车内交通信息。 v i c s 的行程时间预测模型类似于a l l s c o u t 模型，不同的是v i c s 让驾驶员 自己确定路线选择标准，它给驾驶员提供了较大的选择余地，图1 2 为v i c s 的 信息传输流程。 4 第1 章绪论 图卜2v i c s 的信息传输流程 1 1 2 上海高架道路现状 上海高架道路始建于1 9 9 2 年，内环线建成于1 9 9 4 年，全线2 9 公里，双向 4 车道。随后相继建成南北高架、延西高架、沪闵高架一期、延东高架、延中高 架、逸仙路高架、南北高架北延伸、沪闵高架二期等高架道路，形成城市快速 路网框架( 见图1 3 高架道路示意图) 。全长约7 7 k m ，面积1 7 5 万平方米，占 中心城道路面积4 ，高峰小时交通量5 3 万车公里d , 时，约占整个中心城( 不 包括外环) 交通量的3 8 t 8 2 l 。各段道路基本情况见表1 2 。 5 第1 章绪论 t 1 l 寿 毋 节 图l _ 3 高架道路示意酗 表1 _ 2 高架道路基本情况 第1 章绪论 1 2 研究目的、内容和方法 1 2 1研究目的 高架道路的运行管理是高架道路系统日常管理的核心任务之一，科学、快 速、及时的运行管理是充分发挥高架道路运行效率的关键，而高架监控系统是 运行管理的核心。交通监控系统是指以现代交通流理论为核心，使用信息技术 和控制技术对路网交通流进行实时调节的快速互动系统。根据这一概念结合上 海高架道路具体条件、交通状况和目前的管理状况，上海高架道路交通监控系 统应具有以下功能： l 、具有交通信息的实时自动检测、监视与存储功能，能够对交通信息进行 自动分析，及时发现交通问题。 2 、系统发现问题或潜在的问题后能够及时向相关管理人员报警。 3 、系统能够接受管理人员的各类交通指令和干预并能够及时地做出正确反 应；能够为管理人员提供处理常见交通问题的预设方案和决策建议。 4 、系统应具有在正确的位置发布交通信息的能力，以调节、诱导或控制相 关区域内交通流的变化。 5 、系统应具有与地面交通监控中心进行信息交换或信息共享的功能。 通过建立快速路交通监控系统，实现交通流的合理诱导，能缓解由于高架 道路在规划和设计上的不足所带来的交通压力。对不同时期建设的高架道路进 行监控系统的统一规划，并采用相同的监控策略有助于提高快速路的交通管理 水平。同时，为使交通监控系统能发挥其应有的作用，除需可靠的软硬件设备 作为支撑，还要有一个具有明确管理职责的机构，有专职的人员从事管理，只 有这样系统才能发挥其应有的作用。 交通监控系统的作用不是无限的，它只能充分发挥现有高架道路设施的通 行能力，在现阶段无法从根本上增加道路的通行能力；能够适当弥补或改善交 通设施规划设计的先天不足，无法彻底改变因先天不足所带来的交通问题；能 够适当缓解交通供求矛盾，无法彻底解决严重的供不应求现象。 综上所述，高架道路的交通管理是高架系统运营管理的主体，是城市管理 的重要组成部分；高架道路的监控系统则是现代交通管理的必要辅助管理手段 和决策依据，是提高高架路网通行能力的必要保证。高架系统已经饱和，目前 7 第1 章绪论 的交通管理难以满足复杂的交通需求。要实现交通的高效、有序和动态管理， 研究和实施高架路网的交通监控系统是十分必要的【2 7 1 。 1 2 2 研究内容 由于高架规划和设计上一些对交通流的考虑不周造成高架管理的先天不 足。本文从目前高架现状出发焦点研究以下几项内容： l 、高架道路交通监控策略 由于事先对上海高架道路监控系统缺少统一的规划，加上不同路段的建设、 设计和施工单位不同，缺乏统一的交通监控策略来指导监控系统的规划和建设， 难以保障监控系统的统一运作和作用的发挥。本文从实际出发提出“区域控制， 广域诱导”的监控策略。 2 、高架监控系统的运作模式 好的交通监控策略是监控系统发挥作用的前提，适合的运作模式是监控系 统发挥作用的保证。在目前运行管理人员素质和管理水平条件下，系统的运作 模式至关重要。 3 、信息发布方式与交通模型研究 结合交通监控策略，研究适合的交通信息发布方式。同时对交通状况判别 模型、行程时间预测模型等信息发布需要的模型进行研究。 1 2 3 研究方法 本文从实用性出发，如何构建“上海高架道路监控系统”作为研究的核心 指导思想。在这一核心思想指导下，借鉴国外快速道路监控系统经验，从上海 高架道路交通状况分析入手，提出监控策略，同步研究信息发布方式、监控系 统运作模式及配套交通模型的实现，并应用于延安高架路监控系统示范工程。 8 第2 章快速路网交通管理系统发展综述 第2 章快速路网交通管理系统发展综述 2 1国际大都市快速路网交通管理系统发展 如果从快速道路网结构、功能及其交通管理的角度考察，世界上真正能与 上海类比的主要大城市有东京、巴黎、伦敦、阿姆斯特丹等【2 7 】。这些城市的快 速道路网及交通控制管理有以下特点： 1 、承担覆盖区域内汽车交通的4 0 撕0 ； 2 、使用各种检测器对整个路网上的常发性交通拥挤及偶发性交通事件进行 快速、准确的检测及确认； 3 、在宏观上使用网络控制( 使用可变标志v m s 和交通广播) ，在微观上使 用出入口匝道控制、车道控制和可变速度控制。具体来说，美国使用入口匝道 控制较多，欧洲使用网络控制、车速控制较多，日本使用多种形式的可变标志 及可变情报板进行多方位诱导。 单从上海高架道路所覆盖的范围、路网结构及功能来看，与东京和阿姆斯 特丹的快速道路网以及巴黎的环城路网比较相似，见图2 1 、图2 2 ，其主要交 通控制策略是在进入环线的主要快速干道上设置可变信息标志v m s ，动态 ( 2 m i n ) 显示环线、过江隧道及相关主要道路交通拥挤状况( 排队长度、行程 时间、事故等) ，进行大范围路线诱导，在局部( 部分路段或关键节点) 使用入 口匝道控制、可变限速控制和车道控制等技术，改善安全及效率；如巴黎一段 环城高架道路及相关道路，九十年初曾进行入口匝道控制试点，现已逐步推广。 表2 1 是各种交通控制策略及技术在世界各国的应用。 纵观各大城市的快速道路网交通监控管理系统的发展历程、成功经验及智 能运输系统i t s 的最新进展，今后国际大都市快速道路网的交通管理具有以下 发展趋势： l 、监视、控制、诱导、收费、拥挤收费、信息服务等功能趋向于综合，逐 步形成一个相互协调的交通管理系统和交通信息系统。 9 第2 章快速路网变通管理系统技展综述 图2 一i 阿姆斯特丹主要道路网 图22 巴黎高架道路东段路网圈 ( 入口匝道控制试点区域) 1 0 第2 章快速路网交通管理系统发展综述 表2 - i 各种交通控制策略及技术的应用 北美数量效果欧洲数量效果 皿洲数量效果 洛杉机 伦敦、巴黎、阿 底特律英、法、德、 网络控制美国、加拿大姆斯特丹、柏 日本东京、大阪 芝加哥荷、西等 林、马德里 多伦多等 入口匝道控 已超过5 0 条， 英、法、荷 共计2 0 个点以 大部分收费 制 美国、加拿大效果己普遍肯 等 上，逐步推广阶日本 高速公路通 过收费门控 定段 制 几乎所有流量英、法、德、几乎所有流量 事故自动检 美国、加拿大较高的快速道荷、意、西较高的快速道日本 全部 测a i d 路等路 可变速度控 美国 部分高速公路荷、德、英、大部分快速路， 日本无 制 效果不很明显西等效果非常明显 大部分快速道英、德、法、 大部分快速道 车道控制美国、加拿大 日本很少 路，效果明显荷等路，效果明显 2 、市中心快速干道网、市中心一般道路及交叉口、市郊高速公路网相互影 响更加密切，需要一个局部相对独立、宏观相互协调的多级交通管理系统。 3 、快速道路网的交通管理需要一个分工明确、配合紧密、反应快速的部门 协作集体，表2 2 是各国快速道路网交通管理部门职责及协作关系汇总。 4 、快速道路网交通控制管理系统是整个交通运输系统信息化、网络化、数 字化的基础，是城市现代化管理一个重要组成部分。 表2 - 2 快速道路网交通管理各部门职责及协作关系 部门 国家及地方运输 交警部门职责 协作关系( 交通管理方案的执重要事件的交 国家部门职责 行)通管理 规划、设计、建设、 道路部门为主，交警部门为辅 日本以执法为主交警部门为主 运行及维护( 进驻监控中心) 规划、设计、建设、 美国 以执法为主道路部门为主，交警部门为辅联合 运行及维护 荷兰建设、运行及维护以执法为主道路部门为主，交警部门为辅联合 系统的规划及建 执法，9 8 年后部 英国设，9 8 年后接管 分交通管理功 交警部门为主，道路部门为辅。交警部门为主 能移交道路管 警察的部分职责 理部门 第2 章快速路网交通管理系统发展综述 2 2日本东京快速道路交通控制系统发展 日本的首都东京，不管是其城市形态，还是其快速道路网的布局、结构， 特别是高架道路的建设、发展、演变过程以及管理体制，与上海有诸多相似之 处【5 羽。因此，分析日本快速道路交通控制系统的建设发展过程，对上海高架监 控系统的建设管理有着重要的借鉴作用。 2 2 1交通控制系统结构 东京快速道路网由日本首都高速道路公团建设管理。目前总长度己接近3 0 0 公里，其中8 0 以上是高架道路，每天服务交通量为1 2 0 多万辆。目前整个快 速道路网由三个管理部管理，相应地建立了三个交通控制系统，即：东京第一 管理部( 交通控制系统9 7 ) 、东京第二管理部( 交通控制系统9 2 ) 、神奈川管理 部( 交通控制系统8 9 ) ，其中系统9 7 管理西区，系统9 2 管理东区，系统8 9 管 理南区( 神奈川区) 。同时为了对整个路网交通状况进行综合估计、预测及协调 三个交通控制系统，并与其它部门进行信息交换，还建立了综合信息交换系统 和综合管理系统。 2 2 2日本首都快速道路交通控制系统建设发展过程 1 9 6 1 年 1 9 6 9 年 1 9 6 1 年 1 9 7 3 年 1 9 7 8 年 1 9 8 0 年 开始交通控制基础研究； 开始引入交通控制实验系统，主要是进行数据收集基础实验； 建立第一个用于研究和开发的交通控制系统，基本功能包括交通 信息的自动收集；开始使用可变信息板； 第一个交通控制系统投入运行，并称为交通控制系统4 8 ( 即：昭 和4 8 年建立) ，主要功能包括信息自动收集及交通调节；该系统 由东京第一管理部管理； 在神奈川地区建立交通控制系统，由神奈川管理部管理；主要功 能是：信息自动收集、人工决定可变信息板信息； 随着路网规模的扩大，将东京中心区分成西区和东区，建立了交 通控制系统5 5 ，由东京第二管理部管理；系统使用了新的技术及 方法，使提供的信息更及时更准确，并开始使用图形式可变信息 1 2 第2 章快速路网交通管理系统发展综述 1 9 8 5 年 1 9 8 9 年 1 9 9 1 年 1 9 9 2 年 1 9 9 6 年 1 9 9 7 年 板； 对系统4 8 进行升级； 对1 9 7 8 年建立的神奈川控制系统进行更新升级，由神奈川管理部 管理；新的功能主要是通过与东京西区、东区两个系统进行信息 交换控制各种外场设备； 提供行程时间信息； 对系统5 5 进行更新，引入交通控制系统9 2 ，由东京第二管理部 管理； 安装最新的拥挤警告情报板； 对系统6 0 进行升级，改进功能，引入交通控制系统9 7 ，由东京 第一管理部管理；新的功能包括：紧急情况的快速响应、信息的 统一、通过可变情报板向驾驶员提供通过拥挤区域所需时间等； 2 2 3 东京快速道路网交通控制系统特点 1 系统分期逐步更新、升级，功能不断完善。 目前，东京快速道路交通控制系统不管是其投资规模，还是技术的先进程 度、管理水平，都处在国际大都市的前列。其发展经过了近4 0 年逐步发展而成。 从早期的一个小系统演变成现在的三个大系统，一般每隔5 7 年对系统进行一 次大的更新、升级。 2 先研究、开发、实验，后改进、推广。 在交通控制系统建设、发展过程中，对各种控制策略、新方法、新技术， 采取的是先研究、开发、实验后改进、推广的策略，同时发挥学校、研究所、 公司、管理部门的优势，采用官、产、学、研相结合方式进行联合开发研究。 3 控制系统是有生命的。 日本的交通管理部门及交通管理专家普遍认为交通控制系统是有生命的。 系统的建立只是开始。后期的改进、完善、维护，需要大量的工作，其中包括 两方面的调整。一是控制系统的软件、交通模型算法的各种参数，需要反反复 复调整；二是要根据交通流的重新分布，、交通组织方案的改变( 如：地面道路) 、 外场设备的增加、新技术的出现等调整系统的局部结构、控制方案等。 4 单位长度配备的设备较多。 1 3 第2 章快速路网交通管理系统发展综述 由于日本资源相对有限，道路资源也不例外，以及由于高架道路网特殊重 要性。东京快速道路网单位长度配备的各种交通监控设施远远高于欧美国家大 城市的平均水平，即高于目前快速道路监控设施的一般设置标准。表2 3 是单位 长度( 1 公里) 布设的外场交通监控设施数量。 表2 3 东京快速道路单位长度设施数量 车辆检测器车辆识别装置 c c t v 紧急电话各种情报板( 包括地面) 7 5 组 0 5 组3 4 台 l o 台4 块 2 3 国内大城市监控系统发展 交通监控系统按其监控对象分为城市交通监控系统( 主要是交叉口) 、城市 间高速公路监控系统和城市内快速道路网交通监控系统。对于第一类。我国已 有大约二十个大、中城市建立了相应的控制系统。上海的s c a t 系统是国内最早 的区域控制系统。对于第二类系统，国内已有几十个之多，但由于绝大部分高 速公路交通量较小，监控系统的作用未能充分发挥。第三类系统从原来上来讲 与第二类相似，但所要处理的交通问题相对复杂，而且与城市交通控制系统紧 密关联。国内对第三类系统的研究、开发基本处于起步阶段。 上海不管是在城市交通信号控制系统方面，还是在高速公路交通监控系统 方面，都处于国内领先水平，特别是在城市快速道路监控系统方面。9 4 年就建 立了内环线交通监控系统。目前的上海高架道路网，从交通管理和所遇到的交 通问题来说是目前国内最复杂的。北京、广州目前也在进行市区快速道路网( 或 部分道路网) 交通监控系统方案讨论。因此尽早建立上海高架监控系统不但对 改善高架道路网交通拥挤状况发挥重要作用，而且对国内其它大城市快速道路 监控系统有一定的借鉴和指导作用。 1 4 第3 章上海高架道路交通状况分析 第3 章上海高架道路交通状况分析 3 1 交通量分析 3 1 1交通量空间分布 高架路网上的交通量分布是随着路网的完善、扩展和交通出行的增长而不 断变化的。图3 1 是1 9 9 9 年延中高架未开通前路网交通量的分布图，可以看出 由于东西向高架道路的不连通，东西向的交通负荷转移至内环西段、南段和南 北高架，使这些路段的交通量比其他路段明显要高，特别是在内环与南北的连 接路段，其中沪太路段高达9 5 万辆左右，光新路段和小木桥路段也超过8 万辆； 南北高架北段接近1 2 万辆，南段超过1 0 万辆；同时由于越江大桥实行收费， 内环的两端一杨浦大桥和南浦大桥流量明显要低，使得该时期交通负荷主要集 中于以内环和南北所形成的小环上。 图3 2 是延中高架通车7 个月，越江大桥取消收费前时的流量分布图，可以 看出在延中高架开通后，东西向高架道路连通，大大减轻了内环西段和南段的 交通负荷，也使南北高架的交通压力有所缓解，但同时在延安东路西藏路一延 中立交主线上出现了前所未有的交通压力，流量达到了1 3 万辆，上升近4 5 ； 该时期路网流量的分配很不均衡，交通负荷较集中于以共和新路立交和延中立 交为中心的相连路段，而越江大桥处继续保持较低流量。 图3 3 是2 0 0 2 年7 月的流量分布图，该时期越江大桥已取消收费，大桥流 量猛增，同时把该流量直接引入高架路网；由图可以看出，和2 0 0 0 年相比流量 在高架路网上的分配已比较均衡，大多数路段已趋于和达到饱和；其中内环高 架路段平均日流量( 白天1 2 小时，下同) 接近9 万辆，且各个路段差别不大； 延安高架路段平均日流量达到1 0 万辆，其中沪青平立交的开通导致延西和延中 路段的流量激增，而延东路段受延安路隧道和高架端头的影响，流量略低；南 北高架路段平均日流量更是到达了1 2 万辆，其中北京路断面高达1 2 11 3 7 辆，呈 超饱和状态。 图3 4 是2 0 0 5 年3 月的流量分布图，车流量进一步增长。 1 5 第3 章t 海高架道路交通状况分析 图3 - 11 9 9 9 年高架路网1 2 小时 流量分布图 围332 0 0 2 年高架路网1 2 小时 流量分布图 312 交通量时间分布 图322 0 0 0 年高架路网1 2 小时 流量分布圉 图3 - 42 0 0 5 年高架路网1 2 小时 流量分布图 在高架路网各路段流量都趋于饱和的状态下，流量在时间上的分布又呈现 什么样的状况呢? 为了能在时间上有效的挖潜高架的潜力，下面对流量的时间 分布规律进行分析。路段分别选择内环高架西段的光新路段和南段的小木桥路 段、延安高架东段的福建路段和话段的娄d l 关路段以及南北高架的北京路段和 绦家汇路段。 图3 5 和图3 - 6 是内环离架光新路段和小木桥路段的7 ：0 0 1 9 ：0 0 的交通量 时变图，从两张统计图中可以看出内环高架没有明显的高峰小时特征，_ 甲晚高 i 6 琴 醢 第3 章上海高架道路交通状况分析 峰时段延长，基本无明显的峰谷和峰顶现象；无交通的潮汐现象；交通负荷除 早晚高峰稍高外，全天基本均衡。 图3 - 5 内环高架路( 光新路段) 交通量时变图 图3 - 6 内环高架路( 小木桥路段) 交通量时变图 图3 7 和图3 - 8 是延安高架福建路段和娄山关路段的7 ：0 0 - - 1 9 ：0 0 的交通量 时变图，时段分布规律类似于内环高架，但时段交通量的变化紊乱，显示出运 行的可靠性差；早高峰期间无交通潮汐现象，而晚高峰则有比较明显的潮汐式 交通。 州 图3 - 7 延安高架路( 福建路段) 交通量时变图 图3 8 延安高架路( 娄山关路段) 交通量时变图 图3 - 9 和图3 1 0 是南北高架北京路段和徐家汇路段的7 ：0 0 - - 1 9 ：0 0 的交通量 时变图，时段分布规律与内环高架和延安高架有较大不同；北京路段有明显的 峰顶和峰谷，显示出早晚高峰该路段交通压力巨大，非高峰期交通压力小，双 向流量均衡；徐家汇路段有不太明显的交通潮汐现象，早高峰期间时段变化趋 势相同，晚高峰错位。 1 7 第3 章上海高架道路交通状况分析 图3 9 南北高架路( 北京路段) 交通量时变图 3 2 行程车速分析 图3 - 1 0 南北高架路( 徐家汇路段) 交通量时变图 路段行程车速是反映道路交通状况的一个重要指标，通过行程车速的测算， 可以评价道路服务水平，确定影响车速的瓶颈路段等因素。本次调查选择跟车 测速法，日期选择在典型工作日( 1 1 月1 2 日，星期- - ) ，具体调查时间选择早 高峰上午8 ：o o 1 0 ：0 0 和晚高峰下午1 6 ：0 0 1 8 ：0 0 ，往返两次。 图3 1 1内环高架路外圈车速变化图 图3 1 2内环高架路内圈车速变化图 1 8 第3 章上海高架道路交通状况分析 “善兰 牛均t 7 i i 一一 1 7 ：0 0 + l0 0 ) 晚矗 1 1 6 - i 图3 1 3 延安高架路南侧车速变化图图3 1 4 延安高架路北侧车速变化图 图3 - 1 5 南北高架路东侧车速变化图图3 1 6 南北高架路西侧车速变化图 由以上车速变化图可以看出：( 1 ) 整个高架道路平均行程车速在6 0 k m h 左右， 比较理想；延安高架，最低为5 l k m h ，相差不大；( 2 ) 不同路段差别较大，最高 车速为8 8 k m h ，最低仅为2 2 k m h ，有瓶颈路段存在；( 3 ) 各高架都有低谷区，使 得车辆经过，车速明显放慢；( 4 ) 部分路段早高峰、晚高峰( 如福建延中立交) 差距很大，体现了交通的潮汐现象。 车辆经过虹许路江苏，福建路，鲁班立交“三并二”处，吴中路等路段时， 车速明显放慢，从而使得该区间的行驶车速降低。通过现场的观测统计和数据 分析，认为存在以下几个方面影响车速的主要因素。 1 、流量高。如吴中路流量偏高，饱和度为1 5 ，车辆通行极不稳定，同时 下匝道的排队也影响到高架主线通行，致使车速降低。 2 、车道、匝道设置因素。福建路南侧受延东隧道交通瓶颈的波及和隧道进 出口车流的交织影响，道路实际通行能力低，车辆行驶状况较混乱。鲁班车道 “三并二 处，南北高架大量车辆汇聚n - - 根车道，引起拥堵。 1 9 第3 章上海高架道路交通状况分析 3 、地面分流不畅。如