許菲菲,何兆成,沙志仁

(中山大學(xué)智能交通研究中心廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣州510006)

交通管理措施對路網(wǎng)宏觀基本圖的影響分析

許菲菲,何兆成*,沙志仁

(中山大學(xué)智能交通研究中心廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣州510006)

宏觀基本圖(MFD)存在于具有交通運(yùn)行同質(zhì)性的城市路網(wǎng)中,它可以用于路網(wǎng)的服務(wù)水平評估、區(qū)域控制和宏觀交通建模.不同道路運(yùn)行條件對MFD的形狀存在不同的影響,進(jìn)行MFD影響因素分析是應(yīng)用MFD理論研究城市交通運(yùn)行規(guī)律的前提.本文以廣州市海珠區(qū)為研究區(qū)域,運(yùn)用Paramics交通仿真軟件對海珠區(qū)的路網(wǎng)進(jìn)行建模,通過采取不同交通管控措施,分析MFD圖形的影響因素.結(jié)果表明,MFD不僅是路網(wǎng)本身的性質(zhì),也是控制策略效果好壞的直接體現(xiàn).同時,需求的劇烈變化、公交專用道的設(shè)置、車道禁行都會不同程度的影響路網(wǎng)的MFD.另外,制定交通控制策略時要優(yōu)先考慮路網(wǎng)中的關(guān)鍵路段.

智能交通;宏觀基本圖影響分析;Paramics交通仿真;城市路網(wǎng);交通管理

1 引 言

交通擁堵已成為我國各大城市的“頑疾”,它制約了城市的發(fā)展,影響了居民的生活,是亟需解決的“城市病”.目前,廣州各區(qū)域之間的交通可達(dá)性面臨的壓力越來越大,交通延誤不斷上升.廣州市9個主城區(qū)主干道路網(wǎng)在2012年9月的日平均速度為33.13 km/h,較6月(33.97 km/h)降低2. 5%,其中晚高峰平均車速分別為29.75 km/h和31.28 km/h.從趨勢上看,路網(wǎng)的平均車速處于不斷下降的過程.就成本和效益綜合考慮,有效解決擁堵的辦法是進(jìn)行動態(tài)的交通管理和綜合的網(wǎng)絡(luò)交通管理,充分提高道路的可達(dá)性.

在進(jìn)行綜合的網(wǎng)絡(luò)交通管理之前,要對城市路網(wǎng)交通運(yùn)行的基本特征進(jìn)行全時空的掌握,對路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定量的分析與評價.Daganzo[1]提出了宏觀基本圖(MFD,Macroscopic Fundamental Diagram),該理論不僅可以實(shí)現(xiàn)對路網(wǎng)的宏觀描述,還可以對路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測. MFD是路網(wǎng)的固有屬性[2],所以當(dāng)路網(wǎng)MFD已知時,可以實(shí)時監(jiān)測路網(wǎng)是否處于最優(yōu)狀態(tài).但是路網(wǎng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和交通條件的可變性,可能會改變MFD的形狀和離散性,這將會降低預(yù)測的精確度.如果網(wǎng)絡(luò)的交通狀態(tài)不能得到準(zhǔn)確的反映或預(yù)測,那么以路網(wǎng)狀態(tài)為基礎(chǔ)制定的交通控制策略的質(zhì)量和可靠性也會受到影響.所以,研究MFD的影響因素對最終的控制目標(biāo)是否能實(shí)現(xiàn)具有重要意義.

關(guān)于宏觀基本圖的影響因素問題,研究情況如下.Buisson和 Ladier[3]通過放寬了Daganzo的同質(zhì)性條件,研究了非同質(zhì)性對路網(wǎng)MFD的影響.研究表明,不同的道路類型(高速公路、城市道路)、城市路網(wǎng)中檢測器距信號燈距離、擁堵的發(fā)生和消散會造成MFD曲線的高離散性.姬楊蓓蓓[4]研究了匝道控制、擁堵的出現(xiàn)及消散和交通需求等對MFD形狀的影響.Geroliminis[5]研究了城市路網(wǎng)穩(wěn)定MFD所具有的屬性,得出了密度的空間和時間分布是影響 MFD離散性和形狀的一個關(guān)鍵因素.

本文針對MFD影響因素作進(jìn)一步研究,重點(diǎn)探討交通管理措施對MFD的影響.以廣州市海珠區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)域,運(yùn)用Paramics仿真的方法,研究設(shè)置公交專用道、道路禁行、交通需求等不同交通管理措施下路網(wǎng)MFD的變化.并確定路網(wǎng)中對MFD有決定性作用的關(guān)鍵路段,為交通管理對象的優(yōu)先級提供指導(dǎo).

2 仿真實(shí)驗(yàn)的建立

2.1 路網(wǎng)描述和仿真參數(shù)設(shè)置

本文選取廣州市海珠區(qū)江南西地區(qū)作為研究區(qū)域,路網(wǎng)如圖1所示.該地區(qū)是海珠區(qū)的商業(yè)文化教育中心,服務(wù)配套設(shè)施完備.區(qū)域交通方面,以江南西路、江南大道、寶崗大道等核心干道為主干路,以軌道交通2號線與8號線為依托,共有50多條公交線路途經(jīng)此地,是廣州市交通最繁華的地區(qū)之一.

圖1 海珠區(qū)實(shí)際路網(wǎng)示意圖Fig.1 The actual road network diagram of Haizhu district

本文以區(qū)域“雙十字”路網(wǎng)為研究對象,道路類型包含主干道、次干道和支路,各路段的基本特征如表1所示.路網(wǎng)OD需求也是由實(shí)際交通數(shù)據(jù)推算得到的.Paramics中仿真路網(wǎng)的建立是基于真實(shí)的路網(wǎng)狀況,車道數(shù)、道路長度、車道限速、信號配時等物理特征都是實(shí)際路網(wǎng)的真實(shí)反映.在Paramics仿真實(shí)驗(yàn)中,共8個區(qū)域被定義為起點(diǎn)或終點(diǎn),一次仿真的總時長為6.5 h,數(shù)據(jù)采集期為6 h,前30 min為仿真緩沖期,防止仿真開始時不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)失真.統(tǒng)計(jì)間隔為5 min.

在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)前,首先要根據(jù)實(shí)驗(yàn)路網(wǎng)的真實(shí)情況對Paramics中影響駕駛員行為的模型參數(shù)進(jìn)行校正.根據(jù)廣州市海珠區(qū)道路的真實(shí)交通流數(shù)據(jù),校正結(jié)果為平均目標(biāo)車頭時距2.3 s,司機(jī)平均反應(yīng)時間2.1 s,速度記錄為5,仿真步長為2,速度因子曲線為1.多次仿真實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)的結(jié)果表明,參數(shù)值的設(shè)定能較好的反應(yīng)真實(shí)的路網(wǎng).

表1 海珠區(qū)路段的基本特征Table 1 The feature of sections in Haizhu core area

2.2 MFD的計(jì)算方法

MFD反映了路網(wǎng)內(nèi)移動的車輛數(shù)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行水平之間的關(guān)系.即MFD建立了城市大范圍區(qū)域內(nèi)的加權(quán)流量(qw)與網(wǎng)絡(luò)總交通量(n)的關(guān)系.

用A表示一個區(qū)域或路網(wǎng),它由一些有向路段i(i∈A)組成.根據(jù)MFD理論,相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式[6]

式中 kw、ow是路網(wǎng)范圍的加權(quán)密度和加權(quán)時間占有率;i、li分別表示路段i和該路段的長度;qi、ki、oi分別指路段i的流量、密度和時間占有率;s表示車輛的平均車長.

在計(jì)算加權(quán)流量和路網(wǎng)總車輛數(shù)所使用的交通數(shù)據(jù)來自Paramics仿真模型的輸出值,結(jié)果包含了各路段每5 min的密度,速度、路段類型等信息.

2.3 實(shí)驗(yàn)路網(wǎng)的MFD

研究區(qū)域目前真實(shí)的交通狀況是尚未達(dá)到飽和,仿真路網(wǎng)的OD需求設(shè)置是基于實(shí)際的交通數(shù)據(jù)推算得到的.仿真時長中,交通需求的變化包括了從平峰升到高峰再稍微下降的全過程,目的是盡可能真實(shí)地反映海珠路網(wǎng)的整個運(yùn)行情況.仿真路網(wǎng)的基準(zhǔn)MFD如圖2所示.

圖2 仿真路網(wǎng)的MFD圖形Fig.2 The MFD of simulation road network

從仿真路網(wǎng)MFD的擬合曲線,可計(jì)算出路網(wǎng)的臨界車輛數(shù)為504pcu,最大加權(quán)流量為1100pcu/h.當(dāng)路網(wǎng)車輛數(shù)小于504 pcu時,路網(wǎng)處于順暢狀態(tài),加權(quán)流量隨著車輛數(shù)的增加而增加,直到增至最大加權(quán)流量1 100 pcu/h時路網(wǎng)達(dá)到飽和,隨后當(dāng)車輛數(shù)超過臨界車輛數(shù)504 pcu時,路網(wǎng)會陷入擁堵狀態(tài),此時加權(quán)流量隨著路網(wǎng)車輛數(shù)的增加而減少.本文把該圖作為海珠區(qū)MFD的基準(zhǔn)圖,用于下文對比交通管理措施是否使MFD發(fā)生變化.

3 交通管理措施對路網(wǎng)MFD的影響

本文研究的交通管理措施包括:交通需求的劇烈變化、公交專用道的設(shè)置、道路禁行,具體分析如下.

3.1 交通需求的劇變

這個實(shí)驗(yàn)的目的是分析交通需求的劇烈變化對MFD的影響.圖3是交通需求從平峰急劇增至高峰需求的MFD圖,這種需求的突增使得MFD的圖形不完整,缺失了路網(wǎng)車輛數(shù)慢慢增加的過程(如圖3中橢圓形所示),但圖形總體的變化趨勢相似.圖4是從高峰需求驟減至低峰需求的MFD圖,在擁堵消散過程中(如圖4中橢圓形所示),圖形發(fā)生了較大的變化,出現(xiàn)了“磁滯現(xiàn)象”,使圖形發(fā)生了變異.MFD存在的“磁滯現(xiàn)象”是個很復(fù)雜的問題,具體的研究見Daganzo的相關(guān)論文[7].綜上分析,可以得到交通需求的突變是影響MFD形狀的一個重要因素.

圖3 需求從平峰突增至高峰的MFDFig.3 The MFD of demand suddenly increase

圖4 需求從高峰驟減為低峰的MFDFig.4 The MFD of demand suddenly decrease

3.2 公交專用道的設(shè)置

仿真實(shí)驗(yàn)中,設(shè)置了兩個場景,即分別在南田路—江南大道和南田路—江灣路設(shè)置公交專用道

(PT),來分析公交專用道對路網(wǎng)MFD的影響.結(jié)果如圖5所示.可得到如下結(jié)論.

圖5 設(shè)置公交專用道的MFDFig.5 The MFD under set of bus lane

(1)設(shè)置公交專用道會在一定程度上降低路網(wǎng)的通行能力.相較于基準(zhǔn)路網(wǎng)MFD,最大加權(quán)流量由1 100 pcu/h分別降為754 pcu/h和697 pcu/h,下降幅度分別為31.5%和36.6%.

(2)不同的PT線路對路網(wǎng)的運(yùn)行情況影響不同,在路網(wǎng)設(shè)定PT時,可以先用仿真的方法對決策方案進(jìn)行影響的評估.本實(shí)驗(yàn)中,在南田路—江南大道設(shè)置公交專用道會嚴(yán)重影響整個路網(wǎng)的運(yùn)行狀況,臨界車輛數(shù)和最大加權(quán)流量的降幅分別為31.3%和36.6%.因此,在決策是否在該路段設(shè)置PT線路時要慎重.

3.3 道路禁行

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖欠治瞿骋宦范紊宪嚨澜袑FD的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果可分為兩大類,一是MFD的總體形狀不變,但閾值變化;二是MFD的形狀和閾值均發(fā)生變化,如圖6所示.可以得到以下結(jié)論,路段禁行不僅會直接降低路網(wǎng)的服務(wù)水平,而且禁行某條路段還會使MFD的形狀發(fā)生變化,在擁堵消散過程中會出現(xiàn)“磁滯現(xiàn)象”,影響路網(wǎng)的穩(wěn)定性.

3.4 關(guān)鍵路段

本文的關(guān)鍵路段是指對路網(wǎng)MFD形狀影響較大的路段[8].實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦业铰肪W(wǎng)的關(guān)鍵路段,在制定交通管理措施時給予優(yōu)先權(quán).實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括兩方面:一是任意刪除海珠區(qū)路網(wǎng)中的一條路段上的交通數(shù)據(jù),對比觀察MFD的變化,從而確定路網(wǎng)的關(guān)鍵路段;二是對比路網(wǎng)中包含關(guān)鍵路段與否MFD的變化.

(1)關(guān)鍵路段的確定.

圖7是任意刪除路網(wǎng)中一條路段的交通數(shù)據(jù)后的MFD圖,從圖中可以看到,刪除這幾條路段后,圖形的總體趨勢沒有發(fā)生大的變化,但是均降低了兩個宏觀特征量的閾值,而且影響程度各異.刪除BG、GJ路段,路網(wǎng)臨界車輛數(shù)的降幅分別為5.8%和8.7%,加權(quán)流量的降幅分別達(dá)7.6%和5.6%,對路網(wǎng)的MFD影響較小,說明這兩條路段對整個路網(wǎng)的貢獻(xiàn)相對小.但移除路段BD、DJ后,路網(wǎng)的服務(wù)水平下降明顯,路網(wǎng)的最大加權(quán)流量從1 100 pcu/h分別降為了749 pcu/h和972 pcu/h.說明路段BD在該路網(wǎng)的服務(wù)水平上起到了決定性的作用.路段BD的特點(diǎn)是路段長度最長,雙向6車道.

(2)有無關(guān)鍵路段的MFD圖形對比.

從上面的實(shí)驗(yàn)中,可以確定路網(wǎng)的關(guān)鍵路段為BD段.從圖8中可直觀的看出該關(guān)鍵路段對整個路網(wǎng)MFD的影響程度.BD路段嚴(yán)重影響了整個路網(wǎng)的服務(wù)水平,臨界車輛數(shù)由 504 pcu降為385 pcu,加權(quán)流量由1 100 pcu/h降為749 pcu/h,下降幅度分別達(dá)23.6%和31.9%.所以,這條路段交通數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性對真實(shí)反映整個路網(wǎng)的運(yùn)行服務(wù)水平上顯得尤為重要.這為我們的交通控制及管理提供了指導(dǎo),要重點(diǎn)管理關(guān)鍵路段,對關(guān)鍵路段的設(shè)備維護(hù)、擁堵管理應(yīng)給予優(yōu)先權(quán).

4 研究結(jié)論

把MFD應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的交通控制與管理之前,要先研究影響MFD穩(wěn)定存在的因素.穩(wěn)定準(zhǔn)確的路網(wǎng)MFD圖形是掌握路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵,也是制定交通政策的一個基礎(chǔ).本文通過Paramics仿真的方法,研究了一些交通管理措施對MFD的影響,得到了以下結(jié)論.

圖7 任意移除一條路段后的MFDFig.7 The MFD of arbitrarily removing a section

圖8 有無關(guān)鍵路段的MFD對比Fig.8 The MFD comparison of network with or without critical sections

(1)交通需求不變或緩慢變化是MFD穩(wěn)定存在的一個條件,需求的突變會導(dǎo)致MFD的劇烈變化.

(2)道路禁行對路網(wǎng)的MFD的形狀或閾值有一定的影響,在措施制訂之前可先用仿真的方法對路網(wǎng)的運(yùn)行性能進(jìn)行預(yù)評價.這個研究不僅能得到交通措施是否影響了MFD,而且,通過路網(wǎng)的MFD圖形,可以直觀實(shí)時的反饋出交通管理措施的效果.

(3)關(guān)鍵路段對一個路網(wǎng)的MFD有著重要意義.由分析可知,一個路網(wǎng)中路段較長的城市道路、擁堵比較明顯的道路、車道數(shù)較多的路段是該路網(wǎng)關(guān)鍵路段的可能性較大.在制定交通管理措施時,要采用“關(guān)鍵路段”優(yōu)先的原則.

(4)通過定量對比基準(zhǔn)MFD與設(shè)置PT和去除關(guān)鍵路段后的MFD,可知公交專用道的設(shè)置對路網(wǎng)的影響較大,不僅明顯降低兩個宏觀特征量的閾值,而且 MFD的離散型也比較高,從基準(zhǔn)的0.905 2降為了0.523 7.具體結(jié)果如表2所示.

表2 兩種交通管理措施的影響對比Table 2 Comparison of effect of two management measures

[1]Daganzo C F.Improving city mobility through gridlock control:An approach and some ideas[R].Berkeley CA 94720,California,USA:Berkeley Center of Excellence on Future Urban Transport Working Paper,2005.

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[4]Jiyang Bei-bei,Winnie D,Serge H.Macroscopic fundamental diagram: Investigatingitsshapeusing simulation data[C]//Transportation Research Board, 2010:40-48.

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[6]Geroliminis N,Daganzo C F.Existence of urban-scale macroscopic fundamental diagrams:Some experimental findings[J].Transportation Research Part B,2008,42 (9):759-770.

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[8]姬楊蓓蓓,Winnie D.阿姆斯特丹城市道路線圈檢測器布設(shè)方法研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,29(5):754-757.[JIYANG B B,Winnie D.Loop detector location research on urban road in Amsterdam[J]. Journal of Chongqin Jiaotong University:Nature Science,2010,29(5):754-757.]

Impacts of Traffic Management Measures
on Urban Network Microscopic Fundamental Diagram

XU Fei-fei,HE Zhao-cheng,SHA Zhi-ren
(Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Transportation System,Research Center of Intelligent Transportation System,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510006,China)

The macroscopic fundamental diagram(MFD)exists in large urban networks where traffic conditions are homogenous.It can be used to estimate the level of service on road networks,conduct perimeter control,and model macroscopic traffic.Different network conditions exert different effects on the shape of the MFD.The factors that influence the MFD shape should be identified,which is the premise of understanding the urban traffic laws based on the MFD.The paper takes Haizhu District network of Guangzhou,China for the analysis using Paramics.A microscopic simulation is conducted to derive MFDs under different management conditions.Results indicate that the MFD shape is a property not only of the network itself but also of the applied traffic control measures,which is able to reflect the police effects. Meanwhile,the dramatic changes in traffic demand,the setting of bus lane,and the lane forbidden all have certain impacts on the MFD shape.Additionally,the critical sections should be given priority when developing the traffic control strategy.

U491.1

A

U491.1

A

1009-6744(2013)02-0185-06

2012-12-05

2013-01-15錄用日期:2013-01-23

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2011AA110304).

許菲菲(1988-),女,新疆人,碩士生.

*通訊作者:hezhch@mail.sysu.edu.cn

Key words:intelligent transportation;MFD impacts analysis;Paramics simulation model;urban network; traffic management