基于模糊数学的交通拥挤评价指标_张毅媚.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 收稿日期 2007209224 作者简介 张毅媚 19762 女 河南南阳人 工程师 博士 研究方向为城市交通 zymhust 163 com 基于模糊数学的交通拥挤评价指标 张毅媚 黄进堂 上海市道路交通研究中心 上海 200031 摘 要 城市交通拥挤与道路设施以及人们对拥挤的可接受程度相关 目前 交通拥挤主要以V C比 时速 密 度或排队长度等指标来界定 这种界定在某种程度上对交通拥挤进行了一定描述 但并没有反映出交通拥挤的 本质 基于这种界定提出的交通拥挤缓解策略并不能真正解决交通拥挤问题 本文对国内外的交通拥挤测定方 法进行了回顾 并指出其中存在的问题 通过分析交通参数与交通拥挤的关系 提出 行驶效率 与 低速行驶 率 的概念 用饱和度 行驶效率 低速行驶率三个参数 通过模糊推理系统得到交通拥挤水平指数 该指数能够 更加全面和客观地衡量交通拥挤 关键词 交通拥挤水平指数 行驶效率 低速行驶率 饱和度 模糊数学 中图分类号 U 491 文献标识码 A 文章编号 167227037 2008 0120065204 交通的目的在于对人和物进行高效 快速 简 便的移动 以往的交通拥挤主要以V C比 时速 密度或车队滞留长度等量来界定 尽管这些量在 某种程度上对交通拥挤现状进行了一定的描述 但是并没有反映出拥挤的本质 无论是V C比 还是时速或密度都不能体现高效 那么基于这种 概念的交通拥挤缓解策略就不能真正解决拥挤问 题 1 目前 对于交通拥挤的定义各国尚无统一标 准 实际上拥挤总是存在的 同时 随着城市规模 拥挤地点 拥挤时段和拥挤人群的不同 拥挤的可 接受程度也不同 2 研究交通拥挤程度的度量指 标 对于理解拥挤的本质并遏制拥挤的增长是十 分必要的 度量指标为工程师和决策者提供了鉴 别拥挤原因 决定缓解措施是否有效的理论依据 因此 衡量交通拥挤的评价方法和指标有待继续 深入探讨 3 4 1 拥挤测定方法回顾 1 1 拥挤测定方法 美国在多方式联运交通技术中 定义了拥挤 的概念 交通系统运行状态由于交通流之间的冲 突达到不可接受的程度 5 交通系统运行的可接 受程度由于交通工具 所处区位和一天中时刻的 不同而不同 拥挤可以被定义为 出行时间或出行 延误超过了在自由流状态下的道路运行状态 这 种定义既可以测度区域 也可以测某一点的运行 状态 6 测定值可以是关于出行者感受到的交通 流状况参数 如出行时间 延误和排队长度等 也 可以是交通流的特征 如交通流饱和度 密度 等 7 拥挤也可以用理想条件与现状运行条件下 的供给和需求的比值来表达 指标的规模可以是 一系列的等级 服务水平 LOS A B C 也 可以是一组连续值 介于0 1的某个值 8 1 2 拥挤指标存在的问题 首先 观察值和测量值都是近似值 这种精确 度问题存在于交通供给测度和交通需求测度两个 方面 在供给参数中 路段交通信号时间和几何设 计参数在研究阶段就不同 因而 仅一个值来代表 交通运行状况容易误导 需求方面的参数也不精 确 出行时间和延误在每种指标中都不同 每种指 标相对于所表达的真实状态都具有不确定性 2 第二 现有的部分交通拥挤评估方法 是比较 某一个交通参数与一个阈值的关系 当参数大于 某一个阈值时 认为发生了交通拥挤 准确地讲 这些方法是判定道路拥挤的发生方法 而并非详 细评估方法 9 第三 可接受的出行条件根据路段的不同以 及出行者的感受和这一区域的家庭特征有关系 速度值设计越高 道路几何线形设计越好 出行者 可接受的速度就越高 相反 道路的几何设计不合 理 可能会让出行者不会有太高的期望值 而且 第25卷第1期 2008年3月 华 中 科 技 大 学 学 报 城市科学版 J of HU ST U rban Science Edition Vol 25 No 1 M ar 2008 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 可接受度这个概念本身就是模糊的 因而 这些都 不能简单的用一个数值来表达 10 第四 运用分段式的指标 比如LOS A B C 有时也可能产生误导 尤其是当运行状态接 近阈值的时候 在对几何特征和交通参数进行重 大改变的时候 这种运行状态的错误评估将会导 致严重后果 实际上 交通情况从通畅无阻到严重 交通堵塞的变化是一个连续的过程 它并不是从 一个通畅状态一下子变成拥挤状态 第五 有很多定义拥挤的指标都是一个数值 主要是出行速度和延误 对交通拥挤的不同定义 说明 交通拥挤现象并非只与某一个参数相关 而 是与很多因素有关系 因此只通过V C比或行驶 时间来描述交通拥挤程度是片面的 这就需要有 合并多种评价的指标 因为拥挤本身是一个模糊 概念 很多因素都可以影响出行者的感受及可接 受程度 第六 度量拥挤的时候 出行者可接受与不可 接受的感受应当合并考虑 因为它们之间的界限 是模糊的 根据个体的不同 出行环境的不同以及 区位的不同而不同 无论哪一种评价 都与城市道 路设施以及人们对于拥挤的可接受程度相关 不 同城市对于交通拥挤的可接受程度不同 设定的 阈值也不同 对于交通拥挤的感受 在不同的城 市 不同道路情况 不同的人群都有不同的感受 现有的评估方法并不能很好地符合人们的感受 总之 拥挤是由很多因素引起的现象 并且可 以从不同角度来感知 因而 在决定拥挤程度的时 候 可以引用模糊数学的方法 10 1 3 拥挤评估方法的目标 通过对国内外交通拥挤指标评估方法的回顾 和总结 归纳出评估交通拥挤的三点目标 即 2 1 交通拥挤度由若干交通参数共同决定 2 交 通拥挤度应能符合人们对于交通拥挤的感受 3 将不同指标合并 建立一个能够连续描述交通拥 挤状况的拥挤评价指标 2 模糊推理拥挤指标 利用模糊数学的原理和工具 建立一个能够 连续描述交通拥挤的指标 这个指标并非只依赖 于唯一的某个交通参数 更重要的是它将更加符 合人们对于交通拥挤的感受 称之为拥挤水平指 数 Congestion Index C I 2 1 确定指标参数隶属度函数 拥挤水平指数包括三个描述拥挤的参数 都 可以通过观测得到 然后用模糊推理将它们合并 为一个指标 也就是拥挤水平指数 根据模糊数学 的模糊集定义 将对输入参数进行正规化处理 使 其化为取值范围在 0 1 的无量纲数值 这三个交 通参数为 平均行驶速度 行驶速度低于10 km h 的时间占整个出行时间的比例 道路路段流量 前 两个参数表达了道路交通运行的状况 并且与出 行者对于拥挤产生的感受联系起来 而流量的加 入使得总指标涵盖了二个交通特性参数 速 度 流量 由于流量 速度和密度三者相互关联 所 以我们只要取其中的两个参量即可决定第三个参 量 密度是交通流量和速度的函数 从而指标涵盖 了交通流特性的三个参数 1 行驶效率 行驶效率表征由于拥挤引起的 速度上的损失 E VF VR VF 式中 E表示行驶效率 VF表示自由流行驶速度 VR表示实际行驶速度 行驶效率的值在0 1之 间 0表示处在最好状态 此时实际行驶速度大于 或等于自由流速度 1表示最差的状态 此时实际 行驶速度为0 2 低速行驶率 低速行驶率表征低速行驶的 时间占总出行时间的比例 R TD TT 式中 R表示低速行驶率 TD表示在较低的速度 状态行驶的时间 TT表示总出行时间 低速行驶 率的值在0 1之间 0表示处在最好状态 不存 在延误 1表示最差的状态 大部分或全部时间处 于低速行驶的延误状态 这里 延误定义为行驶速 度低于10 km h的时间 图1 出行速度和低速行驶率 我们发现行驶效率和低速行驶率并不总是趋 势一致 即行驶效率较低并不意味着低速行驶率 较高 在拥挤状态下 这两种情况见图1 机动车 行驶轨迹用实线表示 虚线表示机动车在自由流 状态下的行驶轨迹 在这里 机动车行驶速度小于 10 km h的速度用Si标注出来 行驶速度较低且 低速行驶率较低 行驶速度较高但低速行驶率较 高 经历了许多停停走走的状态 66 华 中 科 技 大 学 学 报 城市科学版 2008年 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 3 饱和度 饱和度表征道路实际流量与道路 通行能力的比值 S V C 式中 S表示饱和度 V表示服务交通量 C表示 基本通行能力 饱和度的值在0 1之间 0表示 处在最好的状态 道路通畅无阻 1表示最差的状 态 道路上行驶的车量达到了道路容量极限 2 2 模糊子集的划分 将行驶效率划分成六个等级 从非常好 接近 0 到非常差 接近 1 为了便于识别 这六类分别 用A B C D E F代表 A是最好的 F是最差 的 这种划分与HCM 2000中对于城市干道的服 务水平定义保持一致 图2给出了与每一级别相 对的隶属函数 当给定出行速度值时 就可以得出 行驶效率值处在哪一级别 这里 一个值有可能对 应一个以上的级别 图2 行驶效率 将低速行驶率划分为 低 中等 高 三 个等级 这是出行者可以感受到的 低 表示低速 行驶的时间非常少 交通状况理想 图3给出了与 每一级别相对的隶属函数 这里X轴表示低速行 驶率的值 Y轴表示对应于模糊集的隶属度 图3 低速行驶 将饱和度划分为 小 中等 大 三个等 级 小 表示道路的交通状况最好 图4给出了 与每一级别相对的隶属函数 这里X轴表示饱和 度的值 Y轴表示对应于模糊集的隶属度 图4 饱和度 对拥挤水平指数C I 根据拥挤的程度划分四 个子集 通畅 中度拥挤 非常拥挤 以及 堵 塞 图5给出了与每一级别相对的隶属函数 这 里X轴是介于0 100之间的值 0表示交通状况 很好 100表示很差 子集之间的界限非常模糊 图5 拥挤水平指数C I 2 3 拥挤水平指数的计算 1 获得输入参数的方法和步骤 为了评估某 一条道路的拥挤水平指数 我们需要先获取相当 的基础数据 该道路的自由流行驶速度VF 该道 路的道路通行能力C 道路等级 然后 可以通过 如下步骤得到拥挤水平指数的参数 a 观测高峰小时道路N的速度数据 b 观测该时间段内车速低于10 km h的运 行时间与总出行时间的比例 c 计算时间段内车辆的实际平均速度VR 得 出行驶效率E和低速行驶率R d 观测道路N的服务交通量V 计算出TE 时间段内道路N的饱和度S e 将E R和S输入到模糊推理系统中 计算 出拥挤水平指数 2 拥挤水平指数的模糊推理 运用模糊推理 的规则将三个参数转化为拥挤水平指数 准则 如 果行驶效率为X1 低速行驶率为X2 流量比为 X3 则拥挤水平指数为Y 这里 X1 X2 X3代表 模糊子集划分中定义的拥挤水平 是前提条件 Y 代表结果 对于两种极限情况的运算如下 如果行 驶效率为 A 低速行驶率为 低 饱和度为 小 则拥挤水平指数为 通畅 如果行驶效率为 F 低 速行驶率为 高 饱和度为 大 则拥挤水平指数 为 堵塞 还有更多的准则种类介于两种极端情 况中间 表2 4 表2 饱和度为 小 时 隶属范围FEDCBA 低堵塞堵塞非常拥挤 非常拥挤 中度拥挤 中度拥挤 中等堵塞非常拥挤 非常拥挤 中度拥挤 中度拥挤通畅 高非常拥挤 非常拥挤 中度拥挤 中度拥挤通畅通畅 表3 饱和度为 中等 时 隶属范围FEDCBA 低堵塞堵塞堵塞非常拥挤 非常拥挤 中度拥挤 中等堵塞堵塞非常拥挤 非常拥挤 中度拥挤 中度拥挤 高堵塞 非常拥挤 非常拥挤 中度拥挤 中度拥挤通畅 76 第1期张毅媚等 基于模糊数学的交通拥挤评价指标 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 表4 饱和度为 大 时 隶属范围FEDCBA 低堵塞 堵塞堵塞堵塞非常拥挤 非常拥挤 中等堵塞 堵塞堵塞非常拥挤 非常拥挤 中度拥挤 高堵塞 堵塞 非常拥挤 非常拥挤 中度拥挤 中度拥挤 利用这些准则来计算拥挤水平的计算方法 为 行驶效率 低速行驶率和饱和度的值是输入参 数 对于任意输入值 根据模糊子集划分中图5所 示的隶属函数 可以得出各自匹配的隶属度 三个 隶属度值中最小的值作为输出值 这个输出值就 代表拥挤水平 计算结果是一个介于0 100之间 的值 这个值表示拥挤的程度 是连续的 对于不 同的饱和度 行驶效率和低速行驶率的组合 都可 以找到相对应的拥挤水平指数 3 应用举例 这里举一个例子来说明拥挤水平指数的应 用 具体需要搜集的道路特征数据和需要进行交 通调查的数据见表5 通过计算整理 得出每条路 段的饱和度 行驶效率 低速行驶率 将这三个参 数代入拥挤水平指数的计算机模糊推理系统 就 可以得到拥挤水平指数 表5 案例输入和输出数据 高峰小时 路段编号12345678 长度 km0 40 71 51 90 51 61 71 4 自由流车速 km h 14060606060408060 道路等级次主主主主次快主 通行能力 h cpu 16 5606 9206 92010 38010 3806 56014 24010 380 平均出行时间 s98112981684832619687 平均出行速度 km h 114 6922 555 140 7137 517 6731 2257 93 实际流量 h cpu 14 5805 2562 6608 6906 9804 87713 6556 850 低速行驶时间 s60751310301505330 饱和度0 70 760 380 840 670 740 960 66 行驶效率0 630 630 080 320 380 560 610 03 低速行驶率0 610 670 130 6100 460 270 34 拥挤水平指数70 970 929 653 872 467 193 625 9 注 低速行驶时间是指车速低于10 km h的时间 通行能力参照 城市道路设计规范 取值 通过表5计算结果可见 单独利用三个参数 饱和度 行驶效率 低速行驶率中的任何一项 都 不能获得交通拥挤的真实状况 例如 比较路段5 和路段8 虽然饱和度大致相等 但由于行驶效率 和低速行驶率的不同 最后的拥挤水平指数分别 为72 4和25 9 表现出很大的差异 将路段2和 路段5相比较 它们的速度效率大致相同 但由于 饱和度和行驶效率的不同 拥挤水平指数分别为 70 9和93 6 也有较大差异 基于模糊推理准则进行推理的优点是 每一 准则都可以用直观的语言表达 输入值可以是近 似值 因为有时观测值很难做到精确 多种准则的 结论可以合并为一个结论 由此可见 拥挤水平指 数能够更加全面和客观地衡量道路交通拥挤状况 参考文献 1 路 加 交通拥挤的度量方法与基于浮动车的交通 拥挤检测 D 北京 清华大学 2002 2 Lomax T Turner S Shunk G et al NCHRP Re2 port398 Q uantifyingCongestion Volume2 U ser sGuide TRB R W ashington D C N ational Research Council 1997 3 Boarnet M arlon G Ki m Eugene Jae Parkany Em i2 ly M easuring T raffic Congestion J T ransporta2 tion Research Record 1998 1634 93299 4 M ekky A li M easuring Congestion in the Greater TorontoA rea J T rafficEngineeringand Control 2004 45 2 57261 5 L evinson Herbert S Lomax T i mothy J Turner Shawn T raffic Congestion2past2present2future C Proceedings of the Conference on T raffic Conges2 tionandT rafficSafetyinthe21st Century Challenges Innovations andOpportunities 1997 1213 6 Schrank D Turner S M Lomax T Esti mates of U rbanRoadwayCongestion21990 Research Report113125 R TexasT ransportation Institute College Station 1993 7 Lomax T i mothy J L evinson Herbert S Overview ofCongestion M easurementPrinciples C ProceedingsoftheConferenceonT raffic Congestion and T raffic Safety in the 21st Century Challenges Innovations andOpportunities 1997 5492555 下转第81页 86 华 中 科 技 大 学 学 报 城市科学版 2008年 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved Study on the Legislation of Regulatory Deta iled Plan Local Practice of Guangdong Province DU H ui Guangzhou U rban Planning Research Center Guangzhou 510030 China Abstract W ith the establishment ofGuangdong P rovinceM anagem entO rd inance of U rban R egulatory D etailed P lan RD P there is a great boost to enhance the statutory status of RDP and promote the progressofgovernmentadm inistrationbylaw especiallyplanningperm issionsystemand management system under themarket economy This paper expounded the origin content and major focus of the ordinance based on the local practice expected to solve the current RDP problem s in different phases such as plan2making process plan adm inistration and implement It also analyzed the opinions and feedback of RDP implement in Guangdong Province and gave some suggestions Key words regulatory detailed plans statutory institution implement 上接第68页 8 Hwang Doosung Xu Cheng2Zhong ParallelBack2 propagation L earning A lgorithm for U rban T raffic CongestionM easurement J Intelligent EngineeringSystem s Through A rtificial N eural N etworks 1999 9 75280 9 L undberg Barry D Gorman M ichael N N ew Ap2 proach for Programm ing Congestion I mprovements C Proceedings of the Conference on T raffic Congestion and T raffic Safety in the 21st Century Challenges Innovations andOpportunities 1997 41247 10 Hamad Khaled Kikuchi Shinya Developing a M easure of T raffic Congestion Fuzzy Inference Approach J T ransportation Research Record 2002 1802 77285 Evaluation Index for Traff ic Congestion Based on FuzzyMathematics ZH A N G Y i2m ei H UA N G J in2tang Shanghai Road and T raffic Research Center Shanghai 200031 China Abstract T raffic congestion in city is related to the road facilities and the acceptance standard for the congestion from people The classification for traffic congestion is based on the pa