2013年深圳B题关内外交通拥堵探究与治理

承 诺 书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料） ，必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。我们授权全国大学生数学建模竞赛组委会，可将我们的论文以任何形式进行公开展示（包括进行网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等） 。我们参赛选择的题号是（从 A/B/C/D 中选择一项填写）： B 我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）： 所属学校（请填写完整的全名）： 第八组 参赛队员 (打印并签名) ：1. 杨光明 2. 霍雷涛 3. 陈春明 指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)： 日期： 年 月 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：编 号 专 用 页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：评阅人评分备注全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：深圳关内外交通拥堵探究与治理摘要本文通过查询深圳市各个关口位置，主要交通道路路线，及各功能区的不同情况，得到了交通拥堵指数模型，道路交通情况，为交通协调工作做了参考。针对问题一，首先利用谷歌地图将深圳市十三个关口的位置标注出来，标注关内关外的大致轮廓线，再将附件一中的各个测量断面的位置标注出来，通过对比可知各个关口大致交通流量情况。初步得出关口拥堵的原因。观察深圳的功能区分布与道路连接情况，可得到关口拥堵的深层原因，通向关口处的交通网络错综复杂，功能区分布不合理引起的上下班高峰人车流量过大。再对梅林广场特别分析，可画出梅林关口的主要道路图线，结合附件二数据和交通拥堵指数模型，对有数据的线路定出交通拥堵指数。并根据模型，向交警部门说明进一步研究关口广场拥堵问题所需交通数据的采集侧重内容。针对问题二，在不增加关内外通道数量的情况下，为了缓解梅林、布吉等关口的交通拥堵的情况，我们了解到的措施有：1、通过调整城市分区功能；2、改变关口区域功能架构；3、改善交通管控措施；但针对每个措施的可行性我们还不确定，因此我们利用题中给出的数据以及通过网上查找的资料在此进行详细的分析，最后得出措施的实际可行性。针对问题三，该问题是设置增加关内通道的问题，我们从以下两方面来考虑，并在最后设置增加的通道时综合两方面的情况来设置；首先，从第 2 题中的各个关口拥堵情况来考虑；其次，从关内关外的各个区的人口数量来考虑；最后综合以上两方面，有必要增加三个关口：第一类关口处，梅林关口附近，布吉关口附近。第一类中应在A,B 关口之间增加一个关口，即翻身路靠近湖滨中路的地点，并增修一条关内南山区与其连接的道路；第二类在梅林关附近；第三类在布吉关附近。关键词： 交通指数拥堵模型 车辆分流 一、问题重述交通拥堵是目前中国各大城市面临的共同难题，但拥堵的成因各不相同，因而需要在摸清规律的基础上有针对性地提出解决方案。由于历史的原因，深圳由关内关外两个区域组成。关外由宝安、龙岗两个行政区和光明新区、龙华新区、坪山新区、大鹏新区四个功能区组成；关内含罗湖、福田、南山、盐田四个行政区。关外与关内由自然山丘隔开，沟通关内外的主要通道有宝安大道/新安（22.548005,113.902194） 、107 国道南头（22.552058,113.910531） 、同安路荔山（22.558983,113.916094） 、广深高速同乐（22.569654,113.923931） 、南光高速（22.599412,113.932321） 、沙河西路白芒（22.625915,113.938683） 、福龙路（22.595767,114.016038） 、梅观路（22.595717,114.050027） 、清水河（22.618864,114.094852） 、布吉关（22.585331,114.115838） 、沙湾（22.605763,114.163884） 、北山道盐田坳（22.604894,114.218802） 、盐坝高速背仔角（22.601422,114.344448）等检查站，括号内为 Google 地图经纬度坐标。由于有相当的一部分人口在关外居住，在关内上班，导致在上下班高峰期各关口进出通道经常成为交通最拥堵的地方，尤其以布吉关、梅林关等处为甚，在高峰期发生道路交通事故更会严重影响到广大市民的工作和生活。为了解决这一长期困扰深圳发展的问题，政府在道路建设上投入了大量的资源。目前，主要关口道路的互联互通程度越来越高，直接增加了关口交通管控工作的复杂度。与此同时，大规模的基础设施建设也对交通信息采集设备的完好性和可靠性造成了不良影响，从而使关口交通管控和事故应急处理决策愈加困难。因此，使用数学方法对不完整的交通信息进行建模分析，就成为定量分析关口交通特性及构成要素的重要手段。如果能在不断修正、调整的基础上取得较可靠的分析结果，将对制定有效、合理的交通管控及事故应对方案提供有益的帮助。本题附件给出了交警部门记录的各主要关口进出通道瓶颈断面代表时段的交通流量、对应车速数据和行车道数，对拥堵严重的梅林关还以样本抽取方法给出了部分与关口广场连接道路对应时段的相关参考数据。请根据这些数据以及你收集到的深圳城市功能分区规划、以及实际城市发展等方面的相关资料分析讨论以下问题：1、分析造成各关口拥堵的深层原因。以梅林关为例，考虑信息不完备的影响因素构建关口交通模型，分析造成关口广场区域高峰期拥堵的直接原因，对关口广场各连接道路进行分类或定出拥堵指数；根据你的模型参数，给出今后进一步研究关口广场拥堵问题所需交通数据的采集侧重内容建议。2、在不增加关内外通道数量的情况下，能否通过调整城市分区功能、改变关口区域功能架构以及改善交通管控措施等来缓解梅林、布吉等关口的交通拥堵；3、如果可以增加关内通道，试问应选在哪些地方（不考虑建设成本） 。二、模型假设1，遇到交通事故时，交通拥堵指数不可估算。2，每条道路上的车辆数目短时间不会发生巨大变化。3，三、符号说明符号 符号含义 符号 符号含义R拥堵指数 iV第 条路的限速iijv第 条路 时刻的平均速度j四、问题一的分析与求解4.1 关口拥堵的原因城市的发展，必然伴随着大量外来人员的流入。深圳作为改革开放的前沿阵地，人口总量一直居高不下，而随之而来的交通拥堵问题也日益突出。地铁施工占道路，主要道路进行修补等大规模的基础设施建设，私家车数量剧增，城市发展带来的人口激增导致多个片区规划建设满足不了实际需求，交通管控措施等多种因素综合作用，致使深圳交通面临拥堵困境。通过对谷歌地图中各个关口的位置和附近交通路线的观察，我们发现，附件一中所给的每两个道路断面分别对应一个关口。 （见表一） （13、14 断面对关口的确定无用）对附件二中所给的交通流量用 excel 进行统计处理，以日期时间为横坐标，车流量为纵坐标，建立二维图。(图一)断面序号1-2 3-4 5-6 7-8 9-10 11-12 13-14 15-16 17-18对应关口1 4 5 7 8 9 无 10 11表一:各个断面对应的关口0100020003000400050006000700080000 20 40 60 80 100 120 140 160 180107国 道 (广 深 公 路 ）南 头 检 查 站 南 行 -北 -战 略深 南 大 道 南 头 检 查 站 出-南 -战 略G4(广 深 高速 )(2260km+969m)南行 -北 -战 略广 深 高 速 同 乐 检 查 站 出-东 -战 略沙 河 西 路 白 芒 关 检 查 站出 -南 -战 略松 白 路 白 芒 检 查 站 入 -北 -战 略梅 观 公 路 南 坪 立 交 桥 下北 行 -南 -战 略梅 观 公 路 普 滨 加 油 站 南行 -北 -战 略清 坪 快 速 清 水 河 联 检 站出 口 北 行 -南 -战 略清 坪 快 速 清 水 河 联 检 站入 口 南 行 -北 -战 略西 环 路 清 水 河 检 查 站 入-北 -战 略丹 沙 路 沙 湾 检 查 站 入 -北 -战 略沙 湾 路 沙 湾 检 查 站 出 -南 -战 略图一：各个断面对应的车流量随时间变化图由上图可知，各个关口的车流量成周期性变化，车流量最高峰在每天的 7-9,18-20时出现，即上下班时间， ，所以我们认为，造成交通拥堵的原因之一是上下班期间车流量太大，而道路的运行流量有限，一旦超过限度，便产生拥堵，使交通进入瘫痪。车流量太大的原因就是有相当的一部分人口在关外居住，在关内上班，导致在上下班高峰期各关口进出通道经常成为交通最拥堵的地方。再进行纵向比较，知不同的关口车流量数量也有明显区别，其中尤其以 1-2，3-4,9-10 处的车流量高，对比关口发现，其分别对应宝安大道/新安检查站（22.548005,113.902194） ，广深高速同乐检查站（22.569654,113.923931） ，梅观路检查（22.595717,114.050027） 。所以关口设置不合理及主要关口道路的行车流量有很大变化，直接增加了关口交通管控工作的复杂度，也有一部分原因。4.2 梅林关拥堵的原因对于梅林关：梅观路穿关而过，在梅林关口两侧形成“关口广场” ，关内、外广场的关口通道数为：进关通道 11 条，其中 3 条公交专用道（含 2 条进站车道） ，出关通道 6 条，其中1 条公交专用道；关内广场与南坪快速（以立交桥连接） 、彩田、皇岗路连接；关外广场与梅观高速、梅板大道、梅龙、民治路等连接。梅林关口的交通分布（图二）观察上图易知，造成梅林关拥堵的主要原因就是从关外到关内的道路数目太多，行车在此关口汇集，高速路与公路相交，而入口道路单一，只有一条梅观路，梅观路自身狭窄等因素导致梅观路拥挤。4.2.1 交通拥堵指数模型关内关外关内交通指数计算公式： 1iijjVRv其中， 为拥堵指数， 为第 条路的限速， 为第 条路 时刻的平均速度 Ri ijj表一 ：交通拥堵指数表 （表二）交通指数 对应路况 出行耗时0 至 2 基本没有道路拥堵 可以按道路限速标准行驶2 至 4 有少量道路拥堵 比畅通时多耗时 0.2 至 0.5 倍4 至 6 部分环路、主干路拥堵 比畅通时多耗时 0.5 至 0.8 倍6 至 8 大量环路、主干路拥堵 比畅通时多耗时 0.8 至 1.1 倍8 至 10 全市大部分道路拥堵 比畅通时多耗时 1.1 倍以上交通指数计算最小时间单位是 15 分钟， （由于数据有限，我们此题以一小时为计时单位）指数值可以实时动态地反映全路网的运行状态，通过定义早、晚高峰或者节假日高峰等不同统计周期，可以得到工作日高峰平均交通指数、日交通指数最大值等反映一天典型交通特征的指数。各公路限速表（表三）公路名称 梅观公路 南坪快速 梅观高速 新区大道限速（km/h） 70 80 100 80根据交警部门记录的各主要关口进出通道瓶颈断面代表时段的交通流量、对应车速数据 ，及此路段限制速度 ，求出 ijviVijR用 对比表二（交通拥堵指数表） ，可得到不同路段不同时刻的交通指数。ijR将附件二中梅林关的各个路口的速度 带入模型，可得各个路段的拥堵指数。梅ijv观路早高峰时期附近路况及拥堵指数在下面给出。梅林关早高峰梅观公路普滨加油站南行-北-战略 R=70/8-1=7.75 交通拥堵指数 10梅观公路南行-市区方向 R=70/7.5-1=8.33 交通拥堵指数 10梅观公路南坪立交桥下北行-南-战略 R=70/63-1=0.11 交通拥堵指数 1快速路 1.3 公里东行-西-战略 R=80/46-1=0.739 交通拥堵指数 5南坪快速路 1.3 公里西行-东-战略 R=80/43-1=0.86 交通拥堵指数 6梅林关晚高峰梅观公路普滨加油站南行-北-战略 R=70/12-1=4.8 交通拥堵指数 9梅龙、民治路-南行入梅观公路口 R=70/7.6-1=8.2 交通拥堵指数 10梅观公路南行-市区方向 R=70/49-1=0.43 交通拥堵指数 3梅观公路南坪立交桥下北行-南-战略 R=70/48-1=0.46 交通拥堵指数 3南坪快速路 1.3 公里东行-西-战略 R=80/54-1=0.48 交通拥堵指数 3南坪快速路 1.3 公里西行-东-战略 R=80/55-10.45 交通拥堵指数 3其余各路段各时刻的拥堵指数均可以此方法算出。梅观路的各个路段交通拥堵指数在图二中标注出来。 （标注的都是有数据的，而有的路段数据信息不完善，故不再标注）4.3 问题一的结论通过对问题一的分析计算，我们认为：功能区设置不合理，有相当的一部分人口在关外居住，在关内上班，导致在上下班高峰期各关口进出通道经常成为交通最拥堵的地方，交通关口设置不合理，入口道路太多，关口车流量太大，而出口往往很少，并且高速路与公路相交于各个关口，更导致了车辆分流有很大影响。主要关口道路的互联互通程度越来越高，直接增加了关口交通管控工作的复杂度。根据我们的模型参数，我们认为今后进一步研究关口广场拥堵问题所需交通数据的采集侧重内容应侧重在汇集到关口各个支路的车流量与车速的测量记录，从而掌握各个路段交通的准确情况，分析出关口广场的交通拥堵指数，最好每十五分钟记录一次数据，会更准确。同时通过记录关口广场的新区大道，梅龙路，梅坂大道，明治路，彩田路，皇岗路等路段的交通情况，可更好地知晓关口广场与各个功能区的交通通连状况，为进一步管理交通提供便利。五、问题二的分析与求解在不增加关内外通道数量的情况下，为了缓解梅林、布吉等关口的交通拥堵的情况，我们了解到的措施有：1、通过调整城市分区功能；2、改变关口区域功能架构；3、改善交通管控措施；但针对每个措施的可行性我们还不确定，因此我们利用题中给出的数据以及通过网上查找的资料在此进行详细的分析：措施 1：调整城市分区功能深圳的一道边防管理线，将深圳“一分为二” 。边防管理线设立的 13 个检查站，被称为“关口” 。于是，深圳形成了“关内” 、 “关外”之分， “关内”是特区区域、 “关外”是普通区域。 由于关内与关外经济发展不平衡，关内经济发达，同时有相当的一部分人口在关外居住，在关内上班，导致在上下班高峰期各关口进出通道经常成为交通最拥堵的地方。我们了解到经国务院批准，2010 年 7 月 1 日起，深圳经济特区的范围将扩大到深圳全市，深圳不再划为“关内” 、 “关外” 。所以可以通过调整城市功能区来控制人口流动压力，可以适当在关外的宝安区，龙岗区部分区内增设产业，把部分经济产业转移到关内，吸引本区内人口就业，从而减少关内关外流动人数，缓解关口压力。所以此措施可行。措施 2：该措施可行理由如下；首先，我们先通过 Google 地球搜索到 13 个关口的具体位置如下图:图三：各个关口位置然后，我们有利用第一问中已经处理过的数据以及 Google 地图中显示的各个关口的重点时段的拥堵情况得出下表：关口时间1 2 3 4 5 6 7 8梅林关9 10布吉关11 12 138：0012：0019:00表示由关内到关外不拥堵 表示由关内到关外拥堵表示由关外到关内不拥堵 表示由关外到关内拥堵1-13 号关口分别对应 A-M 关口1-4、5-6、7-8、9-12、13 为同一地区的关口因此化为同一类型，共有五类，内部之间的拥堵情况可以通过改变关口区域功能架构来解决。第一类：关口 1 和关口 2 的由关内到关外的拥堵情况可以适当调整其公路的架构到关口 3 来缓解，或者适当调整关口的收费站检查站的位置；第二类:关口 5 处的拥堵车辆可适当从关口 6 处通过。第三类：对于梅林关，由于梅林关处地理位置特殊，大致处于龙岗，龙华，罗湖，福田四区交汇处，交通网络错综复杂，梅林关周围都是自然山丘，并且是龙华坂田片区到关内必经之路，龙华坂田片区人口数量庞大，导致 梅林关非常拥堵。解决办法有：1、实施梅林关口改造。一是清理和迁移与联检站职能无关的展场、堆场等设施，渠化分流公交、社会客货运车流；二是在联检站两侧设置公交接驳场站及公交、的士上落客区，设置公交专用道、公交停靠站等；三是增设地面人行过街设施及人行天桥，完善相应标志标线等交通诱导设施。2、优化调整关外公交停靠站，分设、增加公交停靠站。迁移梅观路两侧公交停靠站点，解决了因公交车辆进出站所导致的梅观路交通堵塞问题。3、将梅林关口的交通车辆适当引流到 7 号关口。第四类：对于布吉关口，由于布吉关处地理位置特殊，大致处于龙岗，罗湖，盐田三区交汇处，交通网络错综复杂。1、东西干道。布吉街道的主干道之一。目前由于布龙立交桥改造中，道路中间无隔离绿化，车辆随意掉头，摩托车屡禁不止，行人随意穿梭马路中间，使这条道路成为经常性塞车和事故频发地。解决办法：建议在路中加设隔离高栏，在路边两侧加设隔离扶栏，红绿灯监控设施完善，增设一座人行天桥。2、吉华路。布吉街道的主干道之一。目前是正在改善之中，路中有加设隔离高栏，在路边两侧加设隔离扶栏，作为布吉一条主要的市政干道，这条路经常性塞车，如新一佳路段，布吉医院路段，布吉中学路段等。布吉街道应该重点整治这条干道，使之成为布吉街道的样板路。解决办法：建议将路两侧的人行道加以改造，加设部份路段的绿化带；对沿街的商铺加强管理，严禁占道经营；加强路面交通管理，对路面违规乱停乱放的机动车加大处罚。在人流量多的地方增设多座人行天桥。3、 深惠路。布吉街道的主干道之一。目前正在拓宽改造之中，布吉海关到荣超花园路段成为习惯性塞车的路段，深惠路的拓宽改造相信对龙岗区的意义重大，既然把它作为一条连接罗湖区和龙岗区的标志性大道，就应该着眼将来，由于深圳市的外环尚在规划和建设中，这条道路在相当长的时间肩负客运和部分货运的功能，所以对它的改造要能满足预计的车流量。解决办法：建议在海关路段多车道变线少车道的路口，加设红绿灯管理，引导车辆依次按车道行驶；对荣超花园路口的车站进行改造，往后迁移；加强对公交车的乱停乱靠的管理，最好办法是增设部分路段的电子监控设备。4、将布吉关口和 9 号关口的交通车辆适当引流到 11 号关口以减轻各自的拥堵压力，使各自交通更畅通。第五类：考虑到 13 号关口无拥堵情况暂不需解决方案。措施 3：改善交通管控措施。1、强化公交服务。例如：利用梅林关口公交场站设施条件，增加关外始发性线路9 条，关内 10 条；增加途经梅林关公交大巴线路 6 条 110 辆运力指标；11 条公交线路高峰时段开行区间车 43 辆。2、加强交通组织。一是按目的地出行完善交通安全设施，增加道路指示标志和隔离护栏，明晰划分车道，规范行车秩序，加强交通管理，最大限度发挥道路通行能力；二是从均衡交通流着手，在交通流量调查基础上，通过完善交通安全设施，增设 3 级交通标志牌、施划指路文字标线和车道指示标线，设置电子监控系统，严格区分不同车型、各股交通流的行驶车道和路线。六、问题三的分析与求解该问题是设置增加关内通道的问题，可以从以下两方面来考虑，并在最后设置增加的通道时综合两方面的情况来设置。1、从第 2 题的各个关口拥堵情况来考虑；有第 2 题的分析可知拥堵的关口有：关口 1、关口 2、关口 4、关口 5、关口 8、关口 9、关口 10、关口 12，而关口 1、关口 2、关口 4 属于同一类关口因此可以考虑在第一类关口处增加关内通道；对于关口 5，关口 6 与其属于同一类，考虑到可以通过调节措施减轻其拥堵压力，不需要增加关口；对于梅林关和布吉关，考虑到实际情况及有关数据，无法通过调节措施来有效的解决其拥堵问题，因此很有必要通过增加关内通道的方法来解决现存的拥堵问题。因此，有必要增加关内通道的位置有：第一类关口处，第三类关口处，第四类关口处。2、从关内关外的各个区的人口数量来考虑：常住人口的地区分布如下：地区别 常住人口（人） 人口密度（人/平方公里）深圳市罗湖区福田区南山区宝安区光明新区龙岗区坪山新区盐田区10357938923423131805510879364017807481420201122530921120886152011172616756587770593097294518522798表四：数据来源于 2010 年全国第六次人口大普查由于深圳人口总量较大，而且上班人群主要在关内上班，关外居住，造成交通拥堵的直接原因就是上下班高峰期车流量太大，故可根据关外各区的人口分布情况来确定新的关口位置。由于关外宝安区人口最多，此处多与南山区毗邻，可在毗邻处增加一个关口。梅林关位于四区交汇处，交通线路复杂，车流量最大，可在其附近处新增一个关口。考虑到布吉关和梅林关情况类似，所以也有必要增加一个关口。综合以上两方面一，有必要增加三个关口，第一类关口处，梅林关口附近，布吉关口附近。第一类中应在下图中的 A,B 关口之间增加一个关口，即翻身路靠近湖滨中路的地点，并增修一条关内南山区与其连接的道路。第二类在梅林关，考虑梅林关的地形，在下图中的南坪立交与增设一关口，并且在南坪立交与北环立交之间新建一条伴银通道，连接关内外。图摘自深圳交通运输委员会。第三类在布吉关附近，考虑到关内到关外道路单一，可在布龙路与布心路处增设一主干路，并在布心路增设关口 Y。五、模型评价与推广5.1 模型的优点1、问题一，我们采用了较为简单的算法求拥堵指数，花复杂为简单，避免