羅小東,徐昕遠

(長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院,湖南長沙 410004)

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信息環(huán)境下城市快速路交通瓶頸識別技術(shù)?

羅小東,徐昕遠

(長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院,湖南長沙 410004)

摘要:在交通系統(tǒng)中,交通擁堵最易發(fā)生的位置即為交通瓶頸,識別交通瓶頸是解決交通擁堵問題的關(guān)鍵。隨著交通信息化技術(shù)的發(fā)展,高等級道路上布置了大量檢測線圈,用于識別道路交通狀態(tài)、道路擁堵或暢通路段及道路擁堵起始路段。文中利用檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)交通瓶頸的自動識別,設(shè)計以檢測數(shù)據(jù)為輸入、交通瓶頸的擁擠持續(xù)時長和擁堵蔓延范圍為輸出的識別算法,通過編程實現(xiàn)上述算法,并應(yīng)用于實際交通管理中。

關(guān)鍵詞:城市交通;快速路;檢測數(shù)據(jù);交通瓶頸;自動識別

交通瓶頸系統(tǒng)識別的主要目的有兩個:一是實現(xiàn)交通瓶頸定位,掌握瓶頸擁擠開始時間與結(jié)束時間;二是實現(xiàn)交通瓶頸蔓延范圍識別,得到隨時間變化的擁擠影響范圍。根據(jù)交通瓶頸識別時間和交通瓶頸擁擠發(fā)生時間的前后關(guān)系,交通瓶頸系統(tǒng)識別方法可劃分為擁擠發(fā)生前實時判別和擁擠發(fā)生后系統(tǒng)辨識兩種。擁擠發(fā)生前的實時判別主要用于擁擠預(yù)報和預(yù)測,擁擠發(fā)生后的系統(tǒng)辨識主要用于交通運行性能評價。

國內(nèi)外學(xué)者對于道路網(wǎng)絡(luò)交通瓶頸識別方面的研究很多。在國外,Zhang和Levinson在流速的基礎(chǔ)上引入容量方法,認為控制匝道可減緩瓶頸激活并促進車流流速。Chao Chen、Alexander Skabardonis等用瓶頸復(fù)發(fā)頻率和影響延遲幅度來評價瓶頸擁堵等級,應(yīng)用每5 min循環(huán)一次的檢測器的檢測數(shù)據(jù),使用速度差作為瓶頸暢通度的指標。在國內(nèi),方志耕等通過路網(wǎng)可靠性實現(xiàn)對交通瓶頸的識別,采用模糊聚類分析法、故障樹方法的邏輯思想與圖論的割集理論,研究了在一定時間范圍內(nèi)路段模糊流量條件可靠性評價,并進行了實證分析;戢曉峰確定了路網(wǎng)瓶頸路段識別的主要影響因子,提出了基于粗糙集的路網(wǎng)瓶頸路段識別方法,通過規(guī)則提取識別路網(wǎng)瓶頸路段;姜桂艷等以SCOOT系統(tǒng)感應(yīng)線圈檢測器采集的交通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),設(shè)計了一種基于模糊聚類的城市道路交通狀態(tài)實時判別算法及其評價方法,并提出了交通狀態(tài)判別時間間隔的確定方法。整體上來看,國內(nèi)外學(xué)者對于交通瓶頸識別的方法有很多,主要是結(jié)合相關(guān)經(jīng)典學(xué)說或經(jīng)典分析模型進行研究。

該文主要研究交通瓶頸的自動識別方法,以感應(yīng)線圈檢測得到的流量、密度、速度等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將流量標準化處理后,應(yīng)用SPSS軟件對3項數(shù)據(jù)進行聚類分析,得到交通斷面狀態(tài)分類;然后相鄰斷面構(gòu)成路段,通過上下游兩斷面交通狀態(tài)判斷該路段的交通狀態(tài),基于路段交通狀態(tài)和交通瓶頸特征設(shè)計交通瓶頸判別方法;最后編程實現(xiàn)交通瓶頸的自動識別。

1 路段交通狀態(tài)判別

將感應(yīng)線圈檢測器獲取的交通流量、占有率、速度3項交通數(shù)據(jù),采用交通擁堵閾值法、聚類分析法進行對比分類,將10個檢測器代表的交通斷面的交通狀態(tài)分為擁堵、暢通兩類。所用數(shù)據(jù)來源于10個每5 min循環(huán)一次的感應(yīng)線圈檢測器所測13 h(早上6:00—下午18:55)路段交通數(shù)據(jù),路段斷面檢測器標號及對應(yīng)距離如圖1所示。

1.1 交通閾值法

交通閾值法是目前國內(nèi)外用于判斷交通狀態(tài)的方法,國際上通常把車流速度作為閾值。國內(nèi)對交通狀態(tài)臨界速度的定義如下:1)暢通。城市主干路上機動車的平均行程速度不低于30 km/h。2)輕度擁擠。城市主干路上機動車的平均行程速度低于30 km/h,但高于20 km/h。3)擁擠。城市主干路上機動車的平均行程速度低于20 km/h,但高于10km/h。4)嚴重擁擠。城市主干路上機動車的平均行程速度低于10 km/h。

圖1 路段感應(yīng)線圈分布(單位:m)

利用交通閾值法,采用交通車流量和速度數(shù)據(jù)進行二次線性擬合,計算得到適合所選道路的交通臨界速度。再將每個交通斷面的車速與計算所得交通臨界速度進行對比,如果斷面速度小于臨界速度,則該斷面處于擁堵狀態(tài);如果斷面速度大于臨界速度,則該斷面處于暢通狀態(tài)。

1.2 聚類分析法

采用SPSS中的K均值聚類分析進行交通斷面狀態(tài)分析。該方法以各個聚類子集內(nèi)的所有數(shù)據(jù)樣本的均值作為該聚類的代表點,通過迭代把數(shù)據(jù)集劃分為不同類別,使評價聚類性能的準則函數(shù)達到最優(yōu)。這一算法不適合處理離散型屬性,但對于連續(xù)型屬性具有較好的聚類效果。算法步驟如下:

(1)從n個數(shù)據(jù)對象中任意選擇k個對象作為初始聚類中心。

(2)根據(jù)每個聚類對象的均值,計算每個對象與這些中心對象的距離,并根據(jù)最小距離重新對相應(yīng)對象進行劃分。

(3)重新計算每個有變化聚類的均值。

(4)循環(huán)第2～3步,直到每個聚類不再發(fā)生變化為止。

采用流量、速度、占有率3項數(shù)據(jù)作為K均值聚類分析法的對象。在進行聚類分析之前,采用最小-最大標準化方法對流量進行標準化處理,使流量值在所選區(qū)間有較好的分布。公式如下:

由于速度和占有率的取值范圍較小,不需對速度和占有率作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

交通斷面狀態(tài)聚類分析就是根據(jù)交通流數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度將其自動分成2個交通流數(shù)據(jù)群組,在這個過程中,聚類使得同一群組內(nèi)的數(shù)據(jù)具有相似交通狀態(tài)特性,而屬于不同群組的數(shù)據(jù)相異。

1.3 路段交通特性定性判別

交通瓶頸可分為突發(fā)瓶頸和固定瓶頸。突發(fā)瓶頸多源于交通突發(fā)事故導(dǎo)致的交通擁堵;固定瓶頸則是固定存在于道路某一段,它會在某一特定的時間段處于激活狀態(tài)。通過之前獲得的各斷面交通狀態(tài)判別交通路段狀態(tài),將交通路段狀態(tài)分為4類:1)如果上、下游斷面的交通狀態(tài)都為暢通,則認為該路段處于第一類交通狀態(tài),Excel數(shù)據(jù)表格中用“1”代表該狀態(tài);2)如果上、下游斷面的交通狀態(tài)都為擁堵,則認為該路段處于第二類交通狀態(tài),Excel數(shù)據(jù)表格中用“2”代表該狀態(tài);3)如果上游斷面的交通狀態(tài)為擁堵,下游斷面的交通狀態(tài)為暢通,則認為該路段處于第三類交通狀態(tài),Excel數(shù)據(jù)表格中用“3”代表該狀態(tài);4)如果上游斷面的交通狀態(tài)為暢通,下游斷面的交通狀態(tài)為擁堵,則認為該路段處于第四類交通狀態(tài),Excel數(shù)據(jù)表格中用“4”代表該狀態(tài)(如圖2所示)。

圖2 四類交通狀態(tài)示意圖

綜上所述,采用交通擁堵閾值法和K均值聚類分析法判別交通斷面的擁堵狀態(tài),分別得到兩種交通斷面狀態(tài)分類。經(jīng)分析,K均值判別狀態(tài)比臨界速度判別狀態(tài)更接近于實際交通狀態(tài),所得結(jié)果如表1所示。

2 交通瓶頸識別

2.1 交通瓶頸的識別特征

瓶頸擁擠特征表現(xiàn)為:1)當某次瓶頸擁擠開始時,下游路段處于暢通狀態(tài),上游路段處于排隊擁堵狀態(tài);2)瓶頸擁擠的結(jié)束標志為擁堵排隊結(jié)束或更下游的排隊蔓延到瓶頸擁擠發(fā)生位置。

表1 最終交通斷面狀態(tài)

結(jié)合上文對路段交通狀態(tài)的劃分,當下游某路段(假設(shè)為A路段)處于第三類交通狀態(tài),并且同時刻該路段上游某路段(假設(shè)為B路段)處于第四類交通狀態(tài)時,可認為A路段為瓶頸擁擠開始位置、B路段為瓶頸擁擠結(jié)束位置,AB之間的長度即為排隊長度;從A路段擁堵開始到結(jié)束的時間即為此次瓶頸擁擠的持續(xù)時間,最大的AB路段長度即為此次瓶頸擁擠的蔓延范圍。

2.2 交通瓶頸算法

該文的研究重點是根據(jù)已有交通路段狀態(tài)數(shù)據(jù),通過編程實現(xiàn)交通瓶頸的自動識別。采用Excel內(nèi)置的VBA語言進行宏編程,用于處理路段交通狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2.1 算法說明

交通狀態(tài)在數(shù)據(jù)表中是一個矩陣,該矩陣的橫坐標對應(yīng)時間,縱坐標對應(yīng)距離。假設(shè)從下游向上游線圈編號依次減小。

條件1(必須滿足):從最下游開始向上游尋找,若路段交通定性狀態(tài)矩陣中值等于“3”,且“3”的個數(shù)不少于2個,則找到了瓶頸的起始位置,系統(tǒng)自動為該瓶頸編號r。

需要輸出:1)自動為所尋瓶頸編號r;2)“3”行中第一個“3”和最后一個“3”所對應(yīng)橫坐標相對時間,持續(xù)時間=“3”的個數(shù)×5 min。如表2所示,瓶頸r的起始時間為7:45,結(jié)束時間為8:00,持續(xù)時間為20 min;起始位置為DX08—DX09路段。

表2 瓶頸對應(yīng)矩陣示例

條件2:1)如果“3”對應(yīng)行以下的行中“3”所對應(yīng)列中都有“4”,則說明所檢測到的瓶頸的影響范圍沒有超出數(shù)據(jù)表,這里可得出瓶頸的影響范圍;找出“3”與“4”之間距離最長的一對,分別記錄下這一對“3”與“4”對應(yīng)的縱坐標號,所尋縱坐標號即對應(yīng)瓶頸的起始位置和結(jié)束位置,兩位置對應(yīng)的距離之差即為瓶頸的影響范圍。需輸出:瓶頸r的起始位置為DX08-DX09路段,結(jié)束位置為DX04-DX05路段;影響范圍為3 407-1 724=1 683 m。2)如果“3”所對應(yīng)列下中有一列或多列沒有“4”,則說明瓶頸的影響范圍超出已有數(shù)據(jù),這里無法檢測到瓶頸的結(jié)束位置,因為無法檢測到瓶頸的影響范圍。這種情況需要輸出:“3”對應(yīng)的縱坐標號,即瓶頸的起始位置。如表3所示,需要輸出:瓶頸r的起始位置為DX05—DX06路段。

表3 不可測影響范圍的瓶頸對應(yīng)的起始位置

最后所有輸出的數(shù)據(jù)將按瓶頸編號r、起始時間、結(jié)束時間、持續(xù)時間、起始位置、結(jié)束位置、影響范圍的順序輸出到另一張新表上。

2.2.2 算法設(shè)計

(1)讀取Excel數(shù)據(jù),得到交通路段狀態(tài)數(shù)據(jù),確定數(shù)據(jù)所在范圍maxrow、maxcolumn;令i、j分別對應(yīng)表格單元格的橫縱值,r為瓶頸編號,p、q分別為交通瓶頸的開始、結(jié)束時間,x、y分別為瓶頸的起點和終點位置。初始化,令i=3、j=2、r=0、p =0、q=0、x=0、y=0。

(2)以i=i+1進行循環(huán),在j=2行中找到value(i,j)=3且value(i+1,j)=3的單元格(i,j),令p=i、r=1;如果直至j=2行的尾端始終沒有找到要求的單元格(i,j),則令j=j+1,在j+1行中尋找所求單元格;如果歷遍所有單元格都找不到所求單元格,則輸出“沒有瓶頸”。

(3)找到所求單元格(i,j)后進行如下處理:1)令m=i,以value(m,j)=3作為條件,以m=m+1作循環(huán)。當value(m,j)不為3時停止,令q=m-1。輸出:瓶頸r的起始時間value(p,1)、結(jié)束時間value(q,1)、持續(xù)時間(q-p)×5 min。2)步驟a: 令x=j、o=i、n=j,以n=n+1進行循環(huán),找到value(o,n)=4,如果直至數(shù)據(jù)最后一行都沒有滿足的數(shù)據(jù),則結(jié)束該步;如果value(o,n)=4,令y= n,結(jié)束n循環(huán)。輸出:瓶頸r的起始位置(1,x)。步驟b:令o=o+1、n=j,繼續(xù)以n=n+1作循環(huán),如果直至數(shù)據(jù)最后一行都沒有滿足的數(shù)據(jù),則結(jié)束該步;如果value(o,n)=4,當n＞y時,令y=n,同時結(jié)束n循環(huán);否則,結(jié)束n循環(huán)。步驟c:重復(fù)步驟b直至i=q。輸出:瓶頸r的結(jié)束位置(1,y),瓶頸影響范圍value(2,y)-value(2,x)。

(4)重復(fù)第2、3步,直至程序歷遍所有數(shù)據(jù)。最后,所有輸出數(shù)據(jù)按瓶頸編號r、起始時間、結(jié)束時間、持續(xù)時間、起始位置、結(jié)束位置、影響范圍的順序輸出到另一張新表上。

3 實例分析

3.1 瓶頸分析

利用Excel宏程序?qū)δ车爻鞘锌焖俾飞?0個感應(yīng)線圈檢測器所測13 h(早上6:00—下午18:55)5 min交通數(shù)據(jù)進行自動分析判別,所得交通瓶頸如表4所示。

表4 所測交通瓶頸

續(xù)表4

由表4可知:

(1)DX01—DX10路段(0～3 892 m)的瓶頸多激發(fā)于中午12點之前,集中于7:30—10:30,多數(shù)瓶頸持續(xù)時間較長、影響范圍較大,由此判斷該路段的瓶頸多源于上班高峰期交通流量過大而引起不同范圍的交通擁堵。

(2)DX08—DX09段(2 996～3 407 m)所誘發(fā)瓶頸較多。從早晨7:45—下午16:10,產(chǎn)生了8個持續(xù)時間、影響范圍都不相同的交通瓶頸。下午17:00之前,該路段幾乎每小時都有瓶頸激活,其中9:25所激發(fā)的瓶頸持續(xù)時間最長、影響范圍最大。由于瓶頸誘發(fā)時間段分布較廣,判斷該處是一個固定的瓶頸路段。該路段可能存在道路設(shè)計問題或涉及到車道數(shù)變化,導(dǎo)致交通流量過大時平均車速在這里快速下降而引起車輛排隊,誘發(fā)瓶頸激活。與道路實際情況對比,發(fā)現(xiàn)DX08—DX09段只有兩車道,而其上游路段有四車道,有研究表明車道變換行為發(fā)生率較高時將導(dǎo)致行車速度較小,這無疑將導(dǎo)致車輛排隊、誘發(fā)瓶頸激活。

(3)DX07—DX08段(2 591～2 996 m)、DX06—DX07段(2 149～2 591 m)和DX05—DX06 段(1 724～2 149 m)有少量持續(xù)時間不等、影響范圍較大的瓶頸激活,其激發(fā)時間大多分布于早上8:00—11:00。該瓶頸的誘因來源于DX08—DX09段的瓶頸,受下游路段排隊影響該段出現(xiàn)瓶頸。由于該段道路為四車道,DX08—DX09段擁堵引發(fā)的排隊在DX06—DX08(2 149～2 996 m)段很快就消散了,所以該段瓶頸持續(xù)時間較短。盡管持續(xù)時間較短,但其影響范圍還是延伸到了上游路段。

(4)DX04—DX05(1 290～1 724 m)段沒有瓶頸激活,根據(jù)道路實際情況,該段雖然有車道數(shù)變換,但車道數(shù)是增加的,所以對車速影響不大,沒有引起排隊。路段交通狀態(tài)表顯示該段仍然受下游路段瓶頸排隊影響。

(5)DX03—DX04(844～1 290 m)段也沒有瓶頸激活,路段交通狀態(tài)表顯示該段主要受下游路段瓶頸排隊影響。

(6)DX02—DX03段(422～844 m)誘發(fā)了4次瓶頸,誘發(fā)時間多分布于早上7:00—9:00,且該段時間內(nèi)誘發(fā)的瓶頸持續(xù)時間較長、影響范圍較大。同樣可以判斷該處是一個固定的瓶頸路段。該路段涉及到車道數(shù)變化,導(dǎo)致交通流量過大時平均車速在這里快速下降,從而引起車輛排隊,誘發(fā)瓶頸激活。另外,由于該段的車道數(shù)比DX08—DX09多,該段瓶頸持續(xù)時間和影響范圍比DX08—DX09段小。由此可以推斷DX01斷面上游有一個車道變換的路段,且該路段的車道數(shù)是減少的。

3.2 瓶頸排序

根據(jù)表4,按瓶頸影響范圍進行排序,結(jié)果如表5所示。

由表5可知:1)影響范圍最廣的瓶頸(DX08—DX09路段～DX01—DX02路段)影響范圍為2 985 m,激活次數(shù)1次,持續(xù)時間達到20 min,其激活時間在14:00前后,可以判斷該瓶頸主要源于下午上班高峰造成的大范圍車輛排隊。2)激活次數(shù)最多的瓶頸(DX08—DX09路段～DX04—DX05路段)在一天內(nèi)激活3次,其影響范圍達到1 683 m,平均持續(xù)時間為18.33 min。其激活時間分布在早上,但不僅局限于上班高峰期。DX04—DX05路段～DX08—DX09路段車道數(shù)由四車道變?yōu)槎嚨?該瓶頸的誘發(fā)原因主要源于車道數(shù)的減少所導(dǎo)致的車速下降。3)平均持續(xù)時間最長的瓶頸(DX07—DX08路段～DX01—DX02路段)持續(xù)時間為35 min,其影響范圍為2 574 m。瓶頸激活時間在8:45前后,可以判斷該瓶頸主要源于上午上班高峰造成的大范圍車輛排隊。

表5 瓶頸排序

綜上所述,所測道路(DX10—DX01路段)所誘發(fā)的瓶頸持續(xù)時間較長、影響范圍較廣,其誘因主要是上班高峰期交通流量過大所引起的車輛排隊。DX08—DX09路段車道數(shù)減少,所測瓶頸起始位置多在此處。因此,要改善交通擁堵狀況,需在車流量過大的高峰期利用其他道路為該快速路分擔(dān)車流量或在該快速路上制定限制車牌尾號等相關(guān)措施。

4 結(jié)論

該文首先通過擁堵閾值法和聚類分析法根據(jù)已有檢測數(shù)據(jù)進行交通狀態(tài)分類,并選用聚類分析法將交通狀態(tài)分為4種模式;然后根據(jù)斷面交通狀態(tài)判斷路段交通狀態(tài),根據(jù)路段交通狀態(tài)數(shù)據(jù)設(shè)計自動識別瓶頸算法,通過Excel內(nèi)置的VBA語言進行宏編程實現(xiàn)算法,用于處理交通路段狀態(tài)數(shù)據(jù);最后運用該算法分析了某城市快速路上10個感應(yīng)線圈檢測器所測13 h路段5 min交通數(shù)據(jù),得出DX01斷面上游有一個車道變換的路段,且該路段的車道數(shù)是減少的,同時得出影響范圍最廣的瓶頸是DX08—DX09路段～DX01—DX02路段、激活次數(shù)最多的瓶頸是DX08—DX09路段～DX04—DX05路段、平均持續(xù)時間最長的瓶頸是DX07—DX08路段～DX01—DX02路段。

后續(xù)可進一步研究能自動通過基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù)分析交通瓶頸各項指標來進行交通瓶頸識別的程序,該程序可與環(huán)形感應(yīng)線圈配套使用,當線圈測得交通數(shù)據(jù)后,自動識別交通瓶頸的程序即可分析得出結(jié)果,從而真正實現(xiàn)交通瓶頸的實時自動識別。這樣不僅節(jié)省人力、物力,且有利于交通管理部門及時解決交通擁堵問題。

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收稿日期:2015-10-17

基金項目:?江西省交通運輸廳科技項目(2013C0008)

中圖分類號:U491.2

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0050-06