本科论文模糊数学在交通拥堵状态评价中的应用

摘要交通拥堵已成为困扰当前城市开展的难题，目前国内外很多城市交通拥堵状况仍旧比拟严重，我国的机动车拥有量及道路交通流量急剧增加，日益增长的交通需求与城市道路根底设施建设之间的矛盾已成为目前城市交通的主要矛盾，由此导致交通拥挤和堵塞现象频频发生。交通拥堵严重地影响了人们的日常出行活动，制约着城市经济的开展。本文通过调查和分析，建立了交通拥堵模糊评价模型。综合行程速度、行程延误、停车次数、停车时间以及负荷度五种评价指标，对江门市区路网实际调研的数据进行回归拟合分析，确定每种指标的评价参考标准，最终形成科学的交通拥堵模糊评价模型，根据交通拥堵指数的概念评价城市路网的拥堵严重程度。利用本文的模型，可以通过采集到的交通数据，实现对城市路网的定性和定量分析，得出相应路网的交通拥堵系数的大小，确定每个路网的拥堵严重程度，为交通管理部门提供科学合理的依据。关键词交通拥堵；状态评价；模糊；评价指标；交通拥堵指数AbstractTrafficcongestionhasbecomeaproblemofthecurrentsituationofcitydevelopment,trafficcongestioninmanycityathomeandabroadisstillrelativelyserious,vehicleourcapacityandtrafficflowincreasesrapidly,thecontradictionbetweentheincreasingtrafficdemandandcityroadinfrastructureconstructionhasbecomethemaincontradictionofthecitytraffic,causingtrafficcongestionandblockingphenomenonoccurredfrequently.Trafficcongestionhasseriouslyaffectedpeople'sdailytrips,restrictsthedevelopmentofcityeconomy.Throughtheinvestigationandanalysis,establishedthefuzzyevaluationmodeloftrafficcongestion.ThensettheevaluationindexsuchasTravelspeed,Traveldelay,thefrequencyofparking,parkingtimeandthedegreesofthesections.RegressionanalysisonthedataofpracticalresearchofJiangmen’surbanarea,determinetheevaluationofeachindexreferencestandard,eventuallyformingthefuzzyevaluationmodeloftrafficcongestion,andputsforwardtheconceptoftrafficcongestionindex,toevaluatetheevaluationoftrafficcongestionstatemodel.Usingthismodel,thetrafficdatacanbecollected,realizethequalitativeandquantitativeanalysisofcityroadnetwork,drawthecorrespondingroadnetworktrafficcongestionindexsize,determineseachnetworkcongestionseverity,providescientificandrationalbasisforthetrafficmanagementdepartment.Keywordstrafficcongestion;evaluation;fuzzy;evaluationindex;trafficcongestionindex目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题背景11.2研究的目的和意义11.3交通拥堵评价研究现状21.4本文研究的主要内容21.5本文章节安排3第2章交通拥堵42.1交通拥堵定义及分类42.1.1交通拥堵定义42.1.2交通拥堵分类42.2交通拥堵评价方法52.3交通拥堵原因62.4本章小结6第3章模糊数学理论73.1模糊数学理论概述73.2模糊关系73.3模糊集合73.4隶属度及隶属度函数83.5模糊判别矩阵93.6模糊关系合成运算93.7模糊数学评价体系93.8本章小结10第4章交通拥堵状态评价指标的选取114.1交通拥堵状态评价指标的选取依据114.2交通拥堵状态评价指标114.3交通拥堵状态评价指标的参考标准134.4本章小结14第5章交通拥堵模糊评价模型155.1交通拥堵评价指标体系结构图155.2模糊数学评价体系的应用155.2.1确定因素集及评价集155.2.2计算模糊判别矩阵155.2.3指标权重确实定165.2.4交通拥堵指数165.3本章小结17第6章仿真分析186.1VISSIM软件概述186.2仿真环境设置186.2.1微观交通流特性参数186.2.2宏观交通流特性参数216.3车辆行驶规那么216.4信号灯设置226.5仿真数据236.6江门市交通拥堵评价236.6.1江门市交通数据及仿真数据236.6.2MATLAB分析246.6.3实验结果分析256.7本章小结26结论27参考文献28致谢29附录30第1章绪论1.1课题背景交通拥堵问题是一个世界性的难题，通常一出现在各大市区以及连接市区间的高速公路，汽车占有率及使用率好的城市也容易发生交通拥堵问题。开国以来我国国民经济不断快速增长，城市化进程加快，但令人担忧的是我国同几十年前的西方国家一样，发生了人口增长过快、交通拥堵、环境污染、住宅空间贫乏等问题，而且问题越来越严重，尤其是在我国的一二线城市。交通拥堵的危害主要表现在给人们的出行带来极大的不方便，我国很多城市出现了交通拥堵问题，浪费了大量的社会资源，目前我国正处在高速开展时期，这对我国社会的开展是及其不利的。目前国内外的专家学者研究了一些评价方法，如北京市采用的122报堵方法，该方法通过居民主动打报堵，交通管理部门从而可以确定拥堵路段的具体位置，该方法取得了一定的成效，但缺点就是存在一定的主观性；另外常采用的方法就是划分速度区域，该方法根据速度的变化显示出不同的交通拥堵级别，以此来评价路段的交通状态，此方法也存在一定的主观性，因为速度的大小可以人为干扰控制，对交通拥堵状态的评价也有一些不合理。也就是说，目前国内的交通拥堵状态评价体系还有待完善，要不同领域的专家学者共同研究，从而解决我国的交通拥堵问题。1.2研究的目的和意义在我国城市交通拥堵正成为一个普遍的社会现象，主要原因是由于经济的高速开展，城市的机动车保有量不断增长，在大城市交通拥堵问题越来越明显，交通拥堵问题己经影响到城市机能的正常运作以及城市的可持续开展。交通拥堵会影响到到社会的功能，会给我国经济开展带来负面影响，严重时还可能阻碍城市的开展，进而导致城市的生存环境不断恶化。交通拥挤最根本的影响是增加了居民的出行时间和出行本钱。出行本钱会阻碍居民的日常活动，影响居民的工作和生活效率，进而影响人们的生活质量，造成不必要的损失。交通拥挤也会引发交通事故，反过来交通事故的增多又会增加交通拥堵的程度，这样的恶性循环会增加城市交通系统的负荷。城市环境的不断恶化很大程度上源自交通领域，而交通拥堵首当其冲。在机动车迅猛增长的背景下，环境也在不断恶化。

从伦敦20世纪90年代的检测报告可以看出，汽车尾气排放的氮氧化物占据74%。交通拥挤导致车辆只能在低速状态行驶，低俗行驶又会引发频繁的停车和启动，这样不仅增加了能源消耗，同时也引发了噪声污染，更重要的是造成空气污染。分析英国SYSTRA公司对兴旺国家大城市交通状况可知，交通拥堵造成的经济损失约占国民生产总值的2%，同时交通拥堵引发的噪声、大气污染等又会造成额外的损失，可见，解决交通拥堵问题刻不容缓。要解决交通拥堵问题，不能单纯地增加道路根底设施建设、扩大路网规模来满足不断增长的交通需求量，必须加强交通拥挤管理。城市交通拥挤管理的目的是引导交通流在路网上合理均匀分布，及时预测和判别交通状态，在发生拥挤的情况下进行有效快速的疏导。在过去的数十年间，不同领域的国内外专家学者针对交通拥挤管理问题做了大量有益的探索，在分析交通拥挤形成的机理和寻找解决交通拥挤问题的途径上进行大量的研究，但是国内外针对交通拥堵的研究根本都是针对单因素评价模型，本文借鉴国内外专家学者的研究成果，确定五种交通拥堵评价指标，建立交通拥堵评价体系。本文借鉴前人的研究结果，首先定义了交通拥堵状态，然后定义了城市路网的交通拥堵级别，最后根据模糊数学理论着手建立交通拥堵模糊评价模型，本文定义的交通拥堵指数可为交通有关部门判断交通拥堵程度提供一个科学合理的依据，为相关部门提供决策支持，从而确定采取什么措施去缓解交通拥堵问题。本文总结了目前交通拥堵问题研究的缺陷与缺乏，吸收了专家学者的研究成果，建立起一套合理有效的城市路网交通拥堵模糊评价体系，对城市路网规划以及居民出行都有非常重要的指导意义。1.3交通拥堵评价研究现状世界各国都在着手研究城市交通拥堵问题，本文对国内外研究成果进行了的分析说明，为交通拥堵模糊评价模型的建立做理论根底。国外的研究对我国交通拥堵问题的缓解有现实指导意义，国外的交通管理部门和研究机构研究交通问题比拟早，尤其是美国、日本、欧洲等国家，美国最早开展交通拥堵状态评价研究，建立了相当完善的交通拥堵评价体系，欧洲和日本起步也较早，一些研究成功也得到世界范围内的借鉴与引用，此外其他国家也有一些值得学习的评价标准，对我国交通问题的研究具有深刻的指导意义，尤其是美国的畅通性研究报告交通拥堵评价等系统。国外在交通拥堵问题上的研究本文做了以下说明：道路拥堵指数1994年德州交通运输协会定义了道路交通拥堵指数这个概念来评价城市道路拥堵水平。道路拥堵指数定义为：每公里平均每日交通量的加权平均数〔包括主干路，快速路和高速公路〕。已广泛应用于美国各大城市。(2)出行时间指标2006年美国华盛顿州交通运输部发布的交通拥堵报告中，第一次用平均顶峰出行时间作为交通拥堵评价指标，出行顶峰时间是一个非常重要的指标，居民在日常出行时会参考此指标，平均顶峰出行时间为在顶峰期间的平均出行时间。1.4本文研究的主要内容 本文通过调查和分析，根据城市路网的交通拥堵特征，确定交通拥堵状态评价指标，从行程速度、停车次数、停车时间、行程延误以及负荷度五种评价指标着手，对江门市区路段实际调研的数据进行回归拟合分析，同时根据相关数据确定每种指标的评价参考标准，得到每种指标的隶属度函数，然后得到模糊判别矩阵，最终科学合理的建立了交通拥堵模糊评价模型，并提出并定义了交通拥堵指数的概念，用来评价路段的交通拥堵严重程度。1.5本文章节安排 本文共分成五章。第一章综述了城市路网交通拥堵问题的研究背景和意义；第二章介绍了交通拥堵的定义、分类、以及评价方法；第三章介绍了模糊数学的理论根底以及模糊数学评价体系；第四章介绍了交通拥堵状态评价指标的选取过程；第五章介绍了交通拥堵模糊评价模型的评价步骤。第六章进行VISSIM仿真研究及实例研究，评价仿真生成的数据及江门市实时数据。第2章交通拥堵2.1交通拥堵定义及分类交通拥堵定义交通拥堵的定义有很多种，由于其具有主观性，不同国家或地区对其的定义不一样，目前交通拥堵的定义尚无统一的国际标准，各个国家的研究进展也不一。交通拥堵也常成堵车、塞车等，通常在上下班、节假日等顶峰期间出现，本文参考国内外相关研究成果，定义了交通拥堵：交通拥堵是一种交通流停滞在路段上的现象，其根本原因是单位时间内通过某路段的车辆总数超过该路段的设计交通容量。交通拥堵分类目前，国内外对交通拥堵的分类还没有形成统一的标准，不同的国家和地区采用的划分方式都有不同，下面介绍以下几类分类情况：(1)平均速度作为划分依据，这种依据得到普遍的应用，要依平均速度来评价道路的交通拥堵程度，分为畅通、拥挤、堵塞和严重堵塞四种程度，另外不同规模的城市和地区，划分的标准也有所不同，我国很多城市也采用平均速度进行划分，由于交通拥堵程度具有主观性，不同的人有不同的感觉，最后评价出来的等级可能不一样，我国在综合国外的研究成果，将平均车速20km/h作为畅通与拥挤的分界线，以平均车速10km/h作为拥挤与堵塞的分界线。(2)等待红绿灯数为划分依据，对于交叉口拥堵程度的判定，我国规定在城市交通信号灯控制的交叉路口，3次绿灯显示车辆未能通过路口的为阻塞，5次绿灯显示车辆未能通过路口的为严重阻塞。(3)排队长度和速度为划分依据。《2006年快速路与主干路交通状况调查报告》报告中对交通拥堵的标准作了说明，如表2-1所示。表2-1《2006年快速路与主干路交通状况调查报告》中路段相关标准路段排队长度km速度km/h拥堵0.5≤排队长度＜1.015＜速度≤20中度拥堵1.0≤排队长度＜4.05＜速度≤15严重拥堵4.0≤排队长度速度≤5本文根据深圳市交通运输委员会〔深圳市港务管理局〕定义的道路交通运行指数，交通指数范围为0～5，将交通拥堵状态分为五个等级：畅通〔0～1〕、根本畅通〔1～2〕、缓行〔2～3〕、轻度拥堵〔3～4〕、拥堵〔4～5〕。各种交通拥堵状态下对应的路况和出行情况如表2-2。表2-2交通拥堵状态下路况和出行情况表交通拥堵程度对应路况出行耗时畅通根本没有道路拥堵可以按道路限速标准行驶根本畅通有少量道路拥堵比畅通时多耗时0.2至0.5倍缓行局部环路和主干路拥堵比畅通时多耗时0.5至0.8倍轻度拥堵大量环路和主干路拥堵比畅通时多耗时0.8至1.1倍拥堵全市大局部道路拥堵比畅通时多耗时1.1倍以上2.2交通拥堵评价方法我国交通拥堵评价方法的研究起步比拟晚，目前还处在不断摸索阶段，现有的很多评价方法都比拟简单，存在一定的局限性。很多只是考虑了单个交通拥堵评价指标的影响，也就是说只考虑了单因素的作用，缺乏全面性和统筹性，不可以从多方面反映道路的交通拥堵程度，借鉴国外的研究成果，从我国的实际出发，本文做了一些简单的研究。交通拥堵评价方法是指通过定性或定量的评价指标对某路段或区域内的交通拥堵状况进行评价，其主要作用是比照分析时空范围内的拥堵水平，从而确定拥堵治理政策和措施的可行性和有效性，为进一步治理拥堵提供重要的参考依据。交通拥堵评价方法是定性或定量的评价道路或区域内的交通拥堵状况，主要功能是比拟时间和空间的拥挤程度，确定拥塞控制的政策和措施，比拟分析的范围内的可行性和有效性，从而为更进一步的堵塞控制提供了一个重要的参考标准。(1)交通流理论交通流理论是通过收集大量的历史数据，建立数学模型来确定流量与速度之间的关系，然后将实际测得的各道路上的交通量转换为在理想条件下的平均峰值速度，然后通过速度的大小来确定的交通拥堵的水平。交通流的方法需要较长的研究时间，但理论也相对完善成熟，得到各个领域的专家学者的认可，但这种方法要拟合速度-流量曲线，各国各城市都有自身的独特性，因此工作量较大，比方要对江门市的交通情况进行评价时，就要拟和适用于江门市的速度-流量曲线图。(2)综合评价法综合评价法主要运用不同等级道路进行加权针，确定了不同等级道路的车辆行驶里程，车辆行驶里程，对该指标用车辆行驶里程进行加权平均。虽然在严格意义上所得到的结果不属于交通拥堵程度，但可以通过比拟获取时间范围内的交通拥堵程度以及变化趋势。这种方法的原理和运作都相对简单作，目前在国外得到广泛地应用。(3)模糊数学理论主要是通过模糊数学理论，通过专家介绍和用户选择来创立城市道路网交通拥堵评价体系，根据交通拥堵信息、问卷调查和模糊数学理论知识建立模糊关系函数，此方法的基于人的感官意识，根据道路交通拥堵情况完全符合人类感官意识这个道理，是模糊数学在交通拥堵评价中的重要应用。(4)计算机仿真计算机仿真在交通运输领域的应用，仿真原理是通过模拟交通环境，预测或者评价采取未知的策略后的各种交通参数，主要步骤如下：第一步：选择适宜的仿真软件，如VISSIM等，并根据实际确定计算公式和相关理论原理。第二步：根据相应的算法和原那么来确定输入参数，并通过实地调研和人为定义等方式获得这些参数。第三步：通过计算机仿真，仿真输出参数，并与预期值或标准值进行比拟分析，以确定措施的可行性。计算机仿真系统的逻辑非常严密，节省了大量的财力和物力，但该方法是不全面的，因为要考虑的因素不能完全反映真实的情况，而且可仿真的参数也有一些限制，在交通拥堵评价问题上。计算机仿真只是一个很有意义的参考依据，对决策提供支持但并不是说具有决定性。2.3交通拥堵原因从2000年到现在，我国每年用在公共交通的投资金额不断增加，累计超过2万亿人民币，但是交通拥堵问题任然没有得到根本改善，相反，交通拥堵问题逐步开展到我国的局部中小城市。交通拥堵的主要原因通常认可的有三种，其一是经济增长背景下汽车保有量和使用率的增加，其二是机动车驾驶员以及居民不遵守交通规那么，造成非常不必要的拥堵，其三是道路的规划与设计存在缺陷，不能满足日益开展的交通量需求，造成道路容量缺乏，路段负荷度加大。我国目前正处在高速开展时期，城市化进程不断加快。到2020年将会有50%的人口居住于城市。目前我国的大城市交通拥堵问题十分严重，城市化进程会加快城市的交通机动化，从而造成交通受限，进而造成交通拥堵，其原因主要是城市化和机动化的双重作用。随着人们生活水平的提高，汽车的出行需求越来越高，导致道路交通供需矛盾进一步激化，城市交通拥堵成为一种常态，尤其是在城市中心城区。2.4本章小结交通拥堵的定义具有主观性，本章借鉴参考国内外相关研究成果，定义了交通拥堵，并根据深圳市交通运输委员会〔深圳市港务管理局〕定义的道路交通运行指数将交通拥堵状态分为五个等级：畅通、根本畅通、缓行、轻度拥堵和拥堵。然后介绍交通拥堵评价方法，最后介绍了交通拥堵形成的原因。第3章模糊数学理论3.1模糊数学理论概述模糊数学是以不确定性的事物为研究对象的一门科学，模糊集合的理论将具有模糊性的对象加以确切化，从而使研究确定性对象的数学与不确定性对象的数学沟通起来。在模糊数学中，目前己有模糊拓扑学、模糊群论、模糊图论、模糊概率、模糊语言学、模糊逻辑学等分支，显示了强大的生命力和渗透力，使数学的应用范围大大扩展。模糊集是模糊数学的根底，模糊数学是研究和处理模糊性现象的数学方法，是研究现实世界中许多界限不清楚甚至是很模糊的问题的数学工具。在模式识别、人工智能等方面有广泛的应用。模糊数学从诞生至今已经四十多年了，早在1978年，国际上第一本以模糊数学为主题的学术刊物《FuzzySetsandSystems》在欧洲创刊。模糊数学自1976年传入我国后得到了迅速开展：1980年成立了中国模糊数学与模糊系统学会，1981年创办了《模糊数学》(武汉，华中工学院)杂志，1987年创办了《模糊系统与数学》(长沙，国防科技大学)杂志。我国已经成为模糊数学研究的四大中心(美国、西欧、日本、中国)之一。北京师范大学汪培庄、四川大学刘应明等教授对模糊数学的研究取得了显著成绩[1][2]。3.2模糊关系模糊关系的定义从普通集合A到普通集合B的一个模糊关系R是指：以笛卡尔积A×B={(a,b)|a∈A，b∈B}为论域的一个模糊子集R记作R：AB，或R∈〔A×B〕，其隶属函数为R(a,b)，称为(a,b)具有模糊关系R的程度，表示如下。〔3-1〕假设A=B，称，为A上的模糊关系。对一普通关系来说，两事物间要么有这种关系，要么没有这种关系，径渭清楚，然而在实际问题中，事物之间的许多关系很难用“有”或“无”来答复，如冶炼过程中，原料、炉温、出钢时间等因家对钢的质量都有一定的影响，但有时某因素的改变却又不影响钢的合格，其原因在于因素对钢质量的影响也有程度上的差异，我们把具有程度上差异的关系叫做模糊关系。普通关系定义为直积U×V的普通子集，很自然地把模糊关系定义为U×V的模糊子集。记为U→V。3.3模糊集合在现实生活中，模棱两可的概念很多，因此需研究模糊集合，模糊集合是用来表达模糊性的集合，又称模糊集或模糊子集。我们通常所说的集合是康托创立的，是指具有某种属性的对象的全体。每个对象对于集合的隶属关系是明确的，不属于这个集合就属于那个集合。人们的思维中还有着许多模糊的概念，如饥饿、极大、寒冷、早晨等，这些概念所描述的对象属性不能简单地用“是”或“否”来答复，模糊集合就是指具有某个模糊概念所描述的属性的对象的全体。由于概念本身界限有些不清楚，存在一定的主观性，因而对象对集合的隶属关系也不是很明确。当模糊集合中的元素有限时，模糊集合可表示为：论域U={u(1),u(2),,u(n)}。3.4隶属度及隶属度函数假设对论域〔研究的范围〕U中的任一元素x，都有一个数A〔x〕∈0，1与之对应，那么称A为U上的模糊集，A〔x〕称为x对A的隶属度。当x在U中变动时，A〔x〕就是一个函数，称为A的隶属度函数。隶属度A〔x〕越接近于1，表示x属于A的程度越高，A〔x〕越接近于0表示x属于A的程度越低。用取值于区间[0,1]的隶属函数A〔x〕表征x属于A的程度上下。隶属度属于模糊数学评价体系里的概念。隶属度函数是研究模糊控制的理论根底，常见的隶属度函数有三角形、菱形等，构造科学合理的隶属度函数是研究模糊控制的前提，否那么模糊控制精度不高，达不到设计要求。隶属度函数确实定过程带有一定的客观性，不同的人研究不同问题可能选取不同的隶属度函数，但不同的人对模糊理论的理解可能千差万别，因此隶属度函数也存在一定的主观性。隶属度函数确实立还没有形成一套科学实用的体系，隶属度函数确实定往往建立在数据的根底之上，因此需要相关的经验以及不断的实验探究。同一个模糊概念不同的人会也会建立不完全相同的隶属度函数，但是只要可以反映出相同的模糊概念，有自己的实用领域，就到达了目的。下面介绍几种常用的方法。〔1〕模糊统计分析法：模糊统计分析法的是对论域U上的一个确定元素V是否属于论域上的一个可变动的清晰集合A3作出清晰的判断。对于不同的试验者，清晰集合A3可以有不同的边界，但它们都对应于同一个模糊集A。模糊统计法的计算步骤是：每次统计V是固定的，A3的值是可变的，作n次试验，其模糊统计可按下式进行计算：V对A的隶属度=v0∈A的次数/试验总次数n〔3-2〕随着n的增大，隶属频率也会趋向稳定，这个稳定值就是V对A的隶属度值。这种方法较直观地反映了模糊概念中的隶属程度，但缺点是计算量相当大。〔2〕专家经验法：专家经验法是根据专家的实际经验给出模糊信息的处理算式或相应权系数值来确定隶属函数的一种方法。在许多情况下，经常是初步确定粗略的隶属函数，然后再通过学习和实践检验逐步修改和完善，而实际效果正是检验和调整隶属函数的依据。〔3〕二元比照排序法：二元比照排序法是一种较实用确实定隶属度函数的方法。它通过对多个事物之间的两两比照来确定某种特征下的顺序，由此来决定这些事物对该特征的隶属函数的大体形状。二元比照排序法根据比照测度不同,可分为相比照拟法、比照平均法、优先关系定序法和相似优先比照法等。3.5模糊判别矩阵 模糊关系可以用模糊矩阵、模糊图和模糊集表示法等三种形式来表示。目前广泛用模糊判别矩阵来表示二元模糊关系。 模糊矩阵的定义： 当是有限集合时，那么X×Y的模糊关系R可以用以下m×n阶矩阵来表示：〔3-3〕其中。R矩阵称为模糊判别矩阵。3.6模糊关系合成运算 在日常生活中，两个单纯关系的组合可以构成一种新的合成关系。例如，有u,v,w三个人，假设u是v的妹妹，而u又是w的丈夫，那么v与w就是一种新的关系，即姑嫂关系，用关系表示额话，可以写作：姑嫂=兄妹°夫妻。 模糊集合中的并、交、补等运算可以这样定义。 并：并A∪B隶属函数分别对所有被逐点定义为取大运算，即〔3-4〕 式中，符号“”为取极大值运算。 交：交的隶属函数对所有被逐点定义为小运算，即〔3-5〕式中，符号“”为取极小值运算。 补：模糊集合A的补隶属函数对所有被逐点定义为合成运算建立在根本运算的根底之上，就是先取小后取大的运算。3.7模糊数学评价体系在模糊评判中，利用模糊数学相关原理，对评价因素评价时，先制定各个评价因素以及各评价因素指标分级标准，对单因素进行评价后在此根底上进行综合评价，由于很多的评价因素在优劣之间是渐变的，具有模糊性，因此采用模糊数学的方法进行评价，可以获得科学的评价结果，模糊数学评价模型的建立主要归纳为以下几个步骤[3][4]。〔1〕确定评价对象的因素集；〔2〕给出对象评价集；〔3〕确定模糊判别矩阵；〔4〕给出因素集上权重分配；〔5〕判别结果由B=W°R模糊合成算出；3.8本章小结 本章介绍了模糊数学的根本原理，最主要是介绍模糊合成运算、隶属度与隶属度函数以及模糊判别矩阵，构建完整的模糊数学评价体系，为下文建立交通拥堵状态评价模型做根底。第4章交通拥堵状态评价指标的选取4.1交通拥堵状态评价指标的选取依据要道路交通拥堵状态评价，首要的任务是建立交通拥堵状态评价指标。指标是评价交通拥堵状态的根底，是研究交通拥堵问题的先决条件。指标包括名称和数字。应用统计学相关分析统计方法，选取一些指标对城市相关路段的相关测试参数进行测量和评估，通过对评价体系的分析，评价其交通拥堵程度，从而可以为相关部门及机构提供理论支持。4.2交通拥堵状态评价指标依据路段评价的根本原那么，在对现有拥堵指标的学习和借鉴的根底上，本文选取以下五个指标：行程速度、行程延误、停车次数、停车时间以及负荷度。〔1〕行程速度通常所说的车速包括地点车速、行驶车速、区间车速和设计车速。地点车速指车辆驶过道路断面的瞬时速度；行驶车速指车辆驶过某路段的长度与行驶时间之比。在公共交通业务中，又叫技术速度；区间车速指车辆驶过某段路程的长度与所用的总时间〔包括中途停车损失在内，但不包括客货运车辆在起点和终点的掉头时间〕之比。它与行驶速度一起，是评价道路行车通畅程度与估计行车延误的重要资料；设计车速是指在道路、交通、气候条件良好的情况下仅受道路设计特点控制时所保持的最大平安车速，是设计道路线形元素最小尺寸的依据[5]。本文的行程速度指时间平均行程速度，即车辆通过某道路断面时，观测时间内地点车速观测值的算术平均值。平均速度v〔km/h〕的计算方法如下，其中表示第i辆车的地点车速。〔4-1〕〔2〕停车次数停车次数是路段上平均每辆机动车在运行过程中单位长度内发生的停车次数。路段停车次数是评价路段上车辆在交通最为拥挤情况下的车辆反复启动和停车的运行情况的参数，反映了车辆受交通拥堵影响时的运行情况。从车辆运行过程中，利用停车频率的大小来评价路段拥堵情况的轻重，从另外一个角度分析了路段的拥堵情况。该指标值越大，说明路段运行状况越差,路段越拥堵；反之，指标值越小或为零，说明路段越畅通。计算公式：〔4-2〕表示经过评价路段第i辆车在路段上的停车次数。〔3〕停车时间单位里程平均停车时间指在评价路段上，平均每辆机动车在运行过程中单位里程内的停车时间单位里程平均停车时间指标值大小可以反映车辆受交通拥堵影响时的运行情况。该指标值越大，说明道路运行状况越差，效劳水平越低，道路越拥堵；反之，指标值越小，说明道路越畅通。计算公式：〔4-3〕表示评价路段单位里程平均每辆车的停车时间。表示路段上第i辆车第j次停车的停车时间。表示路段上第i辆车总共停车数量k。〔4〕行程延误 延误时间是指车辆在评价路段行驶过程中，由于受到驾驶员无法控制的情况〔主要来自其它车辆的干扰或交通控制设施等阻碍〕，所损失的时间。单位里程平均延误时间为在评价路段上,通过单位长度路段平均每辆机动车的延误时间。行程延误延误是评价路段交通性能及交通管理的效率和水平的参数，常用来评价路段通畅情况及排队情况。该指标值越大，说明道路运行状况越差，道路越拥堵；反之，该指标值越小，说明评价路段越畅通。〔4-4〕式中：表示路段单位里程平均延误时间，指上文提到的行程速度，评价路段的自由流速度。〔5〕负荷度负荷度是指路段实际交通量与路段通行能力的比值。负荷度是交通需求与交通供给关系的表达，是评价道路横断面交通承载情况的参数，反映评价路段供给能力适应需求的程度。其值的大小代表了不同的交通流运行状态和效劳水平，其值越大，交通使用者提供的效劳水平越差，反之，效劳水平越好。计算公式：〔4-5〕表示待评价路段的设计通行能力。4.3交通拥堵状态评价指标的参考标准对于评价路段是否拥堵以及拥堵程度确实定，根据现有的研究现状，需要确定每个评价指标的取值范围，确定不同的阂值，从而对不同指标进行单因素评价。参考已有的评价标准，并进行调整，本文根据深圳市交通运输委员会〔深圳市港务管理局〕定义的道路交通运行指数将交通拥堵状态分为五个等级：畅通、根本畅通、缓行、轻度拥堵、拥堵。本文主要针对江门市主干路的数据进行分析处理，提出五个交通拥堵评价指标在主干路上的评价参考标准，为最终建立交通拥堵评价模型奠定根底。交通拥堵状态评价指标的参考标准如表4-1至4-5所示：表4-1行程速度评价参考表行程速度评价等级[0,15]拥堵(15,25]轻度拥堵(25,35]缓行(35,45]根本畅通(45,85)畅通表4-2停车次数评价参考表停车次数评价等级[0,0.2]畅通(0.2,0.8]根本畅通(0.8,1.6]缓行(1.6,2.9]轻度拥堵(2.9,7.1)拥堵表4-3停车时间评价参考表停车时间评价等级[0,5]畅通(5,28]根本畅通(28,60]缓行(60,115]轻度拥堵(115,200)拥堵表4-4行程延误评价参考表行程延误评价等级0畅通(0,23]根本畅通(23,64]缓行(64,160]轻度拥堵(160,200)拥堵表4-5负荷度评价参考表负荷度评价等级[0,0.4]畅通(0.4,0.6]根本畅通(0.6,0.7]缓行(0.7,0.8]轻度拥堵(0.8,4)拥堵根据交通拥堵状态评价指标的参考标准，取每个指标参考标准的中值，得到如下表：表4-6交通拥堵状态评价参考表行程速度停车次数停车时间行程延误负荷度评价等级650.12.500.2畅通400.516.511.50.5根本畅通301.24443.50.65缓行202.2587.51120.75轻度拥堵7.55157.51802.4拥堵4.4本章小结 本章主要介绍了交通拥堵状态评价指标的选取依据，同时对选取的五个指标做出了定义以及根本的计算方法，最后根据对江门市主干路数据的分析处理给出了评价指标的参考标准，为后续的研究做根底。第5章交通拥堵模糊评价模型5.1交通拥堵评价指标体系结构图交通拥堵评价指标体系的结构关系，如图5-1所示，五个交通拥堵评价指标分为速度相关因素、时间相关因素以及负荷度相关因素。道路交通拥堵状态道路交通拥堵状态Y行程速度负荷度相关因素时间相关因素速度相关因素负荷度行程延误停车时间停车次数图5-1交通拥堵状态评价结构图5.2模糊数学评价体系的应用 本文第3章介绍了模糊数学理论，根据模糊数学评价体系的实现步骤，本文建立了交通拥堵模糊评价模型。确定因素集及评价集对象的因素集X={x1,x2,x3,x4,x5}分别对应于行程速度、停车次数、行程时间、行程延误、负荷度。同时，确定对象评价集Y={y1,y2,y3,y4,y5}，分别对应为畅通、根本畅通、缓行、轻度拥堵、拥堵。计算模糊判别矩阵根据第4章引入的五个指标的评价参考表可计算五个指标的隶属度函数，其中行程速度为正向指标，其他四项指标为逆向指标。隶属度函数采用偏小型梯形分布隶属函数，五个指标的隶属度函数如下：〔5-1〕〔5-2〕〔5-3〕〔5-4〕〔5-5〕其中，m={1,2,3,4,5}，v、c、T、t、M分别代表行程速度、行程延误、停车次数、停车时间以及负荷度，其中a1～a5为常数。交通拥堵状态评价指标的参考矩阵可由表4-6得出，当a1～a5分别取参考矩阵内的对应值时，可确定五个指标单独作用时所属的交通拥堵状态级别[6]，因此得出五个指标分别隶属的等级，因此可得到模糊判别矩阵。交通拥堵状态评价指标的参考矩阵如下：〔5-6〕5.2.3指标权重确实定由于人为的主观原因势必存在一定的误差，为了尽量缩小误差，本文采用大量样本进行分析和统计汇总的方法来确定五个指标的权重，将五个因素定位10分制，对各种机动车驾驶员〔出租车司机、公交司机、私家车个体、摩托车司机等〕进行抽样调查，将统计结果与专家意见想结合，并做归一化处理，最后确定权重如下表5-1所示。表5-1评价指标权重向量表指标行程速度停车次数行程时间行程延误负荷度权重0．2230.2080.1950.1910.183可得到权重向量W={0.223,0.208,0.195,0.191,0.183}。交通拥堵指数由于确定了模糊判别矩阵R以及权重向量W，根据第二章介绍的模糊数学理论，可将W和R进行模糊合成，即B=W°R，得到B={b1,b2,b3,b4,b5}，令b=max{b1,b2,b3,b4,b5}，b就是对交通拥堵程度的综合评价结果，这里定义b为交通拥堵指数，通过模糊数学评价体系判断了待评价路段的交通拥堵严重程度，b值取值为[0,1]，b值越大，道路越畅通；反之道路越拥堵。如表5-2所示：表5-2交通拥堵指数表b交通拥堵状态0-0.2拥堵轻度拥堵缓行根本畅通0.8-1畅通5.3本章小结 本章为本文的核心局部，根据模糊数学评价体系建立了交通拥堵模糊评价模型，对于各种参数的计算及来源都做了说明，最后定义了交通拥堵指数，用来描述交通拥堵的严重程度。第6章仿真分析6.1VISSIM软件概述VISSIM是由德国PTV公司开发的微观交通流仿真软件系统，用于仿真各种交通系统，从而进行分析研究。该软件系统能分析在车道类型、交通组成、交通信号控制、停让控制等众多条件下的交通运行情况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效仿真工具。VISSIM由交通仿真器和信号状态产生器两局部组成，它们之间通过接口交换检测器数据和信号状态信息。VISSIM既可以在线生成可视化的交通运行状况，也可以离线输出各种统计数据。VISSIM采用的模型是生理-心理模型，该模型中驾驶员觉得与前车的距离小于平安距离时后，驾驶员开始减速，但是后车无法判断前车的车速，后车车速在一定时间内是低于前车车速的，一直到前后车的距离到达一个平安距离时，后车驾驶员开始逐渐地加速，由此形成一个加减速的循环过程。VISSIM进入中国已经有10多年的时间了，在教学实验和工程应用过程中逐步获得了业内同行的认可与好评，VISSIM是世界范围内应用最广泛的微观交通仿真系统。VISSIM已经成为模拟软件的标准，其强大的功能保证了VISSIM在同类软件中的优势地位。6.2仿真环境设置微观交通流特性参数微观交通流特性参数包括各种车辆的期望车速、车辆的加减速特性、车辆的几何尺寸、驾驶员行为参数设置等[7][8]。〔1〕车辆的期望车速车型的期望车速对话框如图6-1所示。实际仿真过程中，先要确定输入流量的类型，也就是要确定车辆的种类，进而定义不同种种类车辆的期望车速，同时也要定义期望车速分布曲线。图6-1期望车速对话框〔2〕车辆的加减速特性车辆的加减速特性的定义建立在定义了车辆的类型的根底之上，其一共有四个参数，期望加速度、期望减速度、最大加速度和最大减速度。各种车型的加减速参数VISSIM中的定义如图6-2及图6-3，通常采用默认值即可。图6-2车辆的加减速特性对话框图6-3车辆的加减速特性分布曲线〔3〕车辆的几何尺寸车辆的车长直接影响车辆的跟车行为和超车行为，对车辆变换车道也有一定的作用。VISSIM的2D模型中对车辆的几何尺寸的描述主要包括长度、宽度以及前后轴距等。VISSIM的2D模型中没有对车辆高度进行描述，3D模型那么有相关描述，根据实际考虑是否选取3D模型，图6-4为车辆几何尺寸设置对话框。图6-4车辆几何尺寸设置对话框〔4〕驾驶员行为参数设置驾驶员行为参数的设置一般按照默认参数即可，如图6-5，相关参数的修改要参观有关资料。图6-5驾驶员行为参数设置对话框宏观交通流特性参数宏观交通流特性参数主要包括车型分类、交通量组成的流量输入和路径选择。〔1〕车型分类VISSIM的分级体系为车辆分级-车辆类别-车辆类型，通过分级体系可以定义车型的分类，用户可以根据需要对车辆类别进行修改，可以灵活的增加新的类别也可以删除已存在的类别。〔2〕交通组成在微观仿真系统中，交通组成主要是反映车流中车型的特性。交通组成用于确定路网输入流量的各种车型和每种车型的流量比例及期望车速。期望车速已经设置。输入流量，进入流量对话框后，选择输入流量的车种组成、流量和时间间隔。交通组成说明了交通流中的车型的相关性质，通常用来确定路段输入交通流量的各类车型以及车型的流量比例及期望车速，期望车速分布在前面已做设置。〔3〕路径选择左键点击目标路段，然后点击右键可观察到路段上会出现条绿色和黄色的线，这些线指示出路线的方向，弹出的对话框如图6-6所示：图6-6路径选择对话框6.3车辆行驶规那么〔1〕速度控制规那么区段限速设置适用于在某些特殊的路段和特殊的时间内对车辆进行速度限制，如匝道合流点。〔2〕优先规那么现实中当某一交叉口的两个方向的车流会聚时，如果缺少相关的信号控制，在集合时会产生交织问题，从而产生平安隐患。为了保障居民行车平安，路段主要方向的车流具有优先通过的权利，次要的车流应停车让行，同时要在车头间距和时距得到保障时才汇入车流。如图6-7。图6-7优先权设置对话框及示意图6.4信号灯设置 VISSIM软件可对车道进行信号控制，其中最主要的是信号灯的设置，如图6-8所示。图6-8信号灯设置6.5仿真数据 设置完参数，选择菜单“Simulation→Parameter”，弹出“SimulationParameter”界面，然后进行仿真。6.6江门市交通拥堵评价江门市交通数据及仿真数据根据交通管理部门观测的实际路况的交通数据，本文选取江门市蓬江区西区工业园、西环路、龙湾路及环市二路为待评价路段，如图6-9，其交通数据如表6-1所示：图6-9江门市蓬江区待评估路段表6-1江门市观测数据路段VCM交通拥堵状态西区工业园→西环路31.80.57.3470.5轻度拥堵西环路→龙湾路38.71.516.8190.7缓行龙湾路→环市二路24.63.357.51500.7畅通环市二路→西区工业园21.70.66.7670.6轻度拥堵根据VISSIM仿真软件得到仿真数据表如表6-2.表6-2VISSIM仿真数据VCM交通拥堵状态39.81.85.343.30.4畅通11.72.57.834.90.6拥堵24.60.847.51401.5缓行41.71.656.7870.5轻度拥堵MATLAB分析本文使用MALAB软件计算最终的交通拥堵指数，首先编写好五个交通拥堵评价状态指标的隶属度函数，保存为m1.m、m2.m、m3.m、m4.m、m5.m文件，然后编写matrix.m文件，其作用是计算出模糊判别矩阵，最后编写模糊合成运算的M文件mohu.m[9]。计算情况如下：例举西区工业园→西环路交通拥堵状态评价过程，输入西区工业园→西环路的交通数据，即R=matrix(31.8,0.5,7.3,47,0.5)，程序运行结果如图6-10。图6-10模糊判别矩阵MATLAB运行程序图 输入权重向量W={0.223,0.208,0.195,0.191,0.183}，进行模糊合成运算，如图6-11.图6-11模糊合成运算根据隶属度最大化原那么，交通拥堵指数b=max{0.2525,0.2208,0.2163,0.0579,0.2525}=0.2525，对应缓行状态。由此得到全部路段的评价结果如下表所示：表6-3江门市路段评价结果表路段b拥堵状态西区工业园→西环路0.2525轻度拥堵西环路→龙湾路0.3562轻度拥堵龙湾路→环市二路0.2627轻度拥堵环市二路→西区工业园0.2153轻度拥堵表6-4VISSIM数据评价结果表数据b拥堵状态探测车10.2110轻度拥堵探测车20.2456轻度拥堵探测车30.2118轻度拥堵探测车40.4650缓行实验结果分析 通过建立的交通拥堵评价模型，评价了VISSIM仿真数据以及江门市蓬江区西区工业园、西环路、龙湾路及环市二路相关路段的交通状态，与路段实际的交通状态比照，即比照表6-1到表6-4的相关内容，可看出本文的评价结果大致令人满意，对仿真数据的评价反映了其真实的交通拥堵状态，对西区工业园→西环路及环市二路→西区工业园的评价结果完全准确，对龙湾路→环市二路及西环路→龙湾路的评价结果存在一定的误差，但是在一定程度上也反映了路段的交通拥堵特性，可为交通管理部门提供决策支持，具有一定的科学研究价值。6.7本章小结本章进行了VISSIM仿真实验，设置好相关参数得到仿真数据，同时选取江门市蓬江区西区工业园、西环路、龙湾路及环市二路为待评价路段，对实时采集的数据进行了评价，对评价结果的分析说明本文建立的交通拥堵状态评价模型科学合理，可为交通管理等相关部门作参考。结论交通拥堵问题是国内外很多城市都要面对的难题，如何有效地解决交通拥堵问题的前提是如何科学合理地定义交通拥堵状态研究相关的评价方法，国内外的专家学者一直在不断的探索研究相关的评价方法。本文对经典的模糊数学理论进行了细致的分析，在模糊数学评价体系的根底上建立交通拥堵模糊评价模型。结合VISSIM仿真软件生成的数据以及江门市实时数据，用交通拥堵模糊评价模型进行了交通拥堵状态评价，结果说明，本文建立的交通拥堵状态评价模型科学合理，较为准确地评价了交通拥堵状态，有较强的实用价值，可为交通管理等相关部门提供参考。由于模糊理论本身的局限性以及交通问题的复杂性，在交通拥堵状态评价问题上，本文还存在很多缺乏之处和值得改良的地方，主要表达在以下方面：1、模糊理论建立的交通拥堵模糊评价模型精度有待提高，可考虑直觉模糊理论以及FFCM理论[10]，建立更加科学实用的交通拥堵模糊评价模型。2、交通拥堵评价指标的选取有待进一步研究，从而提高交通拥堵状态评价的科学合理性。 3、完善数据采集的相关流程。参考文献1 谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用[M].武汉华中科技大学出版社，2006:1-32 楼世博.模糊数学[M].科学出版社，1983:13-573 周高平，周直，陈远祥.根底设施工程投资风险模糊综合评价模型[J].重庆交通学院学报，2005,36(12).107-1104 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