王磊、李志軒

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

1 智能交通系統(tǒng)與交通擁堵

1.1 智能交通系統(tǒng)的定義和作用

智能交通系統(tǒng)（ITS）是一種先進(jìn)的城市交通管理系統(tǒng)，它利用現(xiàn)代信息技術(shù)和通信技術(shù)，集成各種數(shù)據(jù)源和設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市交通流的全面監(jiān)測(cè)、分析和控制。ITS 的作用不只是提供交通信息，還能夠優(yōu)化交通信號(hào)、路權(quán)分配，提高道路利用率，并支持智能導(dǎo)航系統(tǒng)，幫助駕駛員避免擁堵路段。此外，ITS 還為緊急服務(wù)提供實(shí)時(shí)路況信息，幫助減少事故響應(yīng)時(shí)間，見圖1。

圖1 智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用

1.2 智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及組成要素

智能交通系統(tǒng)的核心構(gòu)成包括感知、傳輸、處理和應(yīng)用，車輛感知技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)以及智能控制技術(shù)是ITS 的關(guān)鍵支撐。車輛感知技術(shù)通過各類傳感器和攝像設(shè)備獲取道路上的實(shí)時(shí)信息，包括車輛密度、車速、道路狀況等，為交通管理提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通信技術(shù)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的信息傳遞和交互，構(gòu)建起城市交通的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，能夠?qū)嫶蟮慕煌〝?shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的識(shí)別與分析，為交通管理者提供科學(xué)決策支持。智能控制技術(shù)則通過智能交通燈、電子路牌等設(shè)備，對(duì)交通流進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，以優(yōu)化道路資源的使用效率。

1.3 智能交通系統(tǒng)在擁堵管理中的角色

智能交通系統(tǒng)（ITS）通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和精密的數(shù)據(jù)分析，能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別交通擁堵的發(fā)生及其擴(kuò)散情況，使交通管理者能夠及時(shí)采取針對(duì)性措施來緩解擁堵狀況。ITS 支持實(shí)時(shí)交通信息系統(tǒng)，通過各類信息傳遞渠道向駕駛員提供最新的路況信息，使他們能夠根據(jù)實(shí)時(shí)情況靈活選擇出行路線，從而有效地避免擁堵區(qū)域，防止交通擁堵的發(fā)生和蔓延。此外，ITS 還能夠通過動(dòng)態(tài)調(diào)整交通信號(hào)燈的時(shí)序、優(yōu)先權(quán)和相位，合理分配道路資源，有效地提升道路通行能力，從而實(shí)現(xiàn)交通流的優(yōu)化與平衡，有效降低交通擁堵水平，提升了整體交通系統(tǒng)的效率和流暢度。

2 交通擁堵對(duì)社會(huì)與環(huán)境的影響

2.1 交通擁堵對(duì)社會(huì)的影響

2.1.1 交通擁堵導(dǎo)致人們?cè)谕ㄇ诤统鲂兄欣速M(fèi)大量時(shí)間。長(zhǎng)時(shí)間的交通延誤不僅令人沮喪，還會(huì)降低生活質(zhì)量。人們可能需要早出晚歸，以應(yīng)對(duì)擁堵，這影響了工作效率、家庭生活和休閑活動(dòng)。此外，時(shí)間浪費(fèi)也對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生不良影響，因?yàn)樗馕吨a(chǎn)力的損失和商業(yè)活動(dòng)的減緩。

2.1.2 長(zhǎng)時(shí)間處于交通擁堵中，駕駛員和乘客可能面臨健康風(fēng)險(xiǎn)。擁堵導(dǎo)致汽車尾氣排放增加，空氣質(zhì)量下降，暴露于有害污染物中的行人可能受到呼吸道問題、心血管疾病和其他健康問題的影響。此外，與焦慮、壓力和不適感相關(guān)的交通擁堵體驗(yàn)也可能對(duì)心理健康產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2 交通擁堵對(duì)環(huán)境的影響

2.2.1 交通擁堵導(dǎo)致車輛長(zhǎng)時(shí)間怠速和行駛緩慢，這會(huì)增加尾氣排放。尤其是在擁堵高峰時(shí)段，汽車尾氣排放的有害物質(zhì)，如二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM2.5）等，會(huì)大幅度增加。這些污染物對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，可能導(dǎo)致城市霧霾、呼吸道疾病和其他健康問題。此外，汽車尾氣排放中的溫室氣體也加劇了氣候變化問題。

2.2.2 交通擁堵帶來了巨大的能源消耗問題。在擁堵情況下，車輛長(zhǎng)時(shí)間處于怠速或者緩慢行駛狀態(tài)，這種停止-啟動(dòng)的頻繁動(dòng)作大大增加了燃料的消耗。此外，低速行駛也導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低，車輛在單位距離內(nèi)耗費(fèi)的燃料增加，這種情況下，整體能源利用效率大打折扣。

3 交通擁堵預(yù)測(cè)方法

3.1 數(shù)據(jù)收集與處理

3.1.1 傳感器技術(shù)

各種類型的傳感器被部署在道路和交叉口等交通熱點(diǎn)區(qū)域，用于監(jiān)測(cè)交通流量、速度和車輛密度等關(guān)鍵信息。這些傳感器包括地磁傳感器、感應(yīng)線圈、聲吶和激光傳感器。例如，地磁傳感器通過測(cè)量地下車輛通行時(shí)的磁場(chǎng)變化，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的到來和離開。感應(yīng)線圈是埋入道路中的線圈，當(dāng)車輛經(jīng)過時(shí)，會(huì)改變線圈的電感，從而被用來識(shí)別車輛的存在和速度。聲吶和激光傳感器則可以測(cè)量車輛之間的距離和速度[1]。

3.1.2 GPS 數(shù)據(jù)

全球定位系統(tǒng)（GPS）用于交通擁堵預(yù)測(cè)。GPS 設(shè)備安裝在車輛上，能夠?qū)崟r(shí)記錄車輛的位置、速度和行駛軌跡。這些數(shù)據(jù)不僅提供了車輛的實(shí)時(shí)位置信息，還可以用于分析車輛的行駛模式和速度變化。通過收集大量車輛的GPS 數(shù)據(jù)，研究人員可以建立車輛行駛模型，預(yù)測(cè)未來交通擁堵的可能發(fā)生地點(diǎn)和時(shí)間段。此外，GPS 數(shù)據(jù)還用于實(shí)時(shí)交通信息系統(tǒng)，為駕駛員提供即時(shí)的路況信息和導(dǎo)航建議，幫助他們避開擁堵路段，從而減少交通擁堵的產(chǎn)生[2]。

3.1.3 交通攝像頭圖像識(shí)別

交通攝像頭圖像識(shí)別技術(shù)利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，對(duì)道路上的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和識(shí)別。這些攝像頭通常安裝在交通路口和關(guān)鍵道路上，能夠捕捉道路上的車輛、行人和交通標(biāo)志等元素。通過圖像識(shí)別算法，系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別車輛數(shù)量、車型、車速，甚至交通事件（如事故、施工等）。這些圖像數(shù)據(jù)不僅用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通狀況，還可以用于交通擁堵的分析和預(yù)測(cè)。例如，當(dāng)攝像頭識(shí)別到車輛密集和減速時(shí)，可以自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)，提醒交通管理者采取措施應(yīng)對(duì)潛在的擁堵情況。

3.2 數(shù)據(jù)分析與模型建立

3.2.1 時(shí)空數(shù)據(jù)分析

時(shí)空數(shù)據(jù)分析涉及對(duì)采集到的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，以了解擁堵的時(shí)空分布規(guī)律。時(shí)空數(shù)據(jù)分析可以幫助識(shí)別擁堵的高發(fā)地點(diǎn)和高峰時(shí)段，以及擁堵的持續(xù)時(shí)間和演化趨勢(shì)。通過時(shí)空數(shù)據(jù)分析，可以檢測(cè)異常交通事件（如事故、施工等），并及時(shí)采取措施來疏導(dǎo)交通。此外，時(shí)空數(shù)據(jù)分析還有助于確定擁堵的根本原因，例如路口設(shè)計(jì)不當(dāng)或者交通信號(hào)設(shè)置問題，從而為改進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施提供決策依據(jù)。

3.2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)模型

機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠從歷史交通數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)交通擁堵的模式和趨勢(shì)，然后用于未來的預(yù)測(cè)。例如，決策樹模型可以根據(jù)不同的特征變量（如時(shí)間、天氣、道路類型等）來預(yù)測(cè)擁堵的可能性。支持向量機(jī)模型可以識(shí)別復(fù)雜的非線性關(guān)系，從而提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。隨機(jī)森林模型則可以處理大量數(shù)據(jù)并減小過擬合的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 深度學(xué)習(xí)模型

深度學(xué)習(xí)模型基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠處理大規(guī)模、高維度的交通數(shù)據(jù)。例如，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）可用于處理交通攝像頭圖像，識(shí)別交通標(biāo)志、車輛和行人，進(jìn)一步分析路況。遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）適用于時(shí)序數(shù)據(jù)的建模，可以捕捉交通流的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。深度學(xué)習(xí)模型還可以進(jìn)行端到端的學(xué)習(xí)，從原始數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)特征，提高了預(yù)測(cè)的精度和自動(dòng)化程度。

3.3 預(yù)測(cè)精度評(píng)估

3.3.1 模型評(píng)估指標(biāo)

評(píng)估交通擁堵預(yù)測(cè)模型性能的關(guān)鍵指標(biāo)包括均方根誤差（RMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）、R 平方（Coefficient of Determination，R-squared）、平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）等。RMSE 和MAE 測(cè)量模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值之間的差異，RMSE 對(duì)大誤差敏感，而MAE 對(duì)異常值的影響較小；R 平方衡量模型解釋觀測(cè)數(shù)據(jù)方差的能力，取值范圍為0～1，越接近1 表示模型性能越好；MAPE 則評(píng)估模型的相對(duì)誤差。

3.3.2 交叉驗(yàn)證方法

為了確保模型的泛化能力和減少過擬合風(fēng)險(xiǎn)，交叉驗(yàn)證方法被廣泛應(yīng)用。其中，k 折交叉驗(yàn)證將數(shù)據(jù)集分為k 個(gè)互斥的子集，依次將每個(gè)子集作為驗(yàn)證集，其余子集作為訓(xùn)練集。重復(fù)k 次，每次使用不同的驗(yàn)證集，最后綜合評(píng)估模型性能。時(shí)間序列交叉驗(yàn)證適用于時(shí)間序列數(shù)據(jù)，通過滑動(dòng)時(shí)間窗口的方式，將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，模擬了實(shí)際應(yīng)用中的情境。

4 交通擁堵緩解策略

4.1 基礎(chǔ)設(shè)施改善

4.1.1 道路擴(kuò)建

道路擴(kuò)建包括擴(kuò)寬現(xiàn)有道路、增設(shè)新車道、改進(jìn)交叉口設(shè)計(jì)等舉措。道路擴(kuò)建能夠提高交通流量和減少擁堵瓶頸，使車輛更流暢地行駛。然而，在實(shí)施時(shí)需要謹(jǐn)慎考慮土地利用規(guī)劃、環(huán)境影響和社區(qū)反饋等因素，以確保可行性和可持續(xù)性。

4.1.2 公共交通發(fā)展

發(fā)展公共交通系統(tǒng)通過提供便捷、高效、可靠的公共交通服務(wù)，鼓勵(lì)市民減少私人汽車使用，降低道路擁堵。這包括擴(kuò)展公交線路網(wǎng)絡(luò)、增加公共交通車輛數(shù)量、提升服務(wù)頻率和質(zhì)量，甚至引入新的公共交通模式，如有軌電車或輕軌系統(tǒng)。同時(shí)，智能公共交通調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用可以提高運(yùn)輸效率，減少等待時(shí)間，增強(qiáng)公共交通的吸引力[3]。

4.2 交通管理和調(diào)度

4.2.1 信號(hào)優(yōu)化

通過現(xiàn)代交通管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通流量和交叉口狀態(tài)，以動(dòng)態(tài)調(diào)整交通信號(hào)燈的時(shí)序。信號(hào)優(yōu)化可以根據(jù)不同時(shí)間段和交通需求來調(diào)整綠燈時(shí)間，以減少交通擁堵和等待時(shí)間。

此外，信號(hào)優(yōu)化還可以協(xié)調(diào)多個(gè)相鄰交叉口的信號(hào)，以形成綠波帶，使車輛能夠更流暢地穿越多個(gè)交叉口，從而減少停車和排隊(duì)現(xiàn)象。

4.2.2 動(dòng)態(tài)路權(quán)管理

采用先進(jìn)的交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)收集路上車輛的信息，包括位置、速度和目的地?；谶@些數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)路權(quán)管理系統(tǒng)可以調(diào)整路口信號(hào)、改變車道分配、設(shè)立臨時(shí)交通限制或改變路線來優(yōu)化交通流。例如，在高峰時(shí)段，系統(tǒng)可以提供高速公交車或緊急服務(wù)車輛獨(dú)占的特殊通行權(quán)，以保障緊急情況下的交通通暢。此外，動(dòng)態(tài)路權(quán)管理還可通過智能交通系統(tǒng)與車輛導(dǎo)航系統(tǒng)集成，為駕駛員提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航建議，以選擇最佳路線，避開擁堵區(qū)域。

4.3 信息傳遞與駕駛員行為引導(dǎo)

4.3.1 實(shí)時(shí)交通信息系統(tǒng)

實(shí)時(shí)交通信息系統(tǒng)通過交通攝像頭、傳感器、GPS數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)源來監(jiān)測(cè)道路情況。這些數(shù)據(jù)被集中處理，并通過電子信息板、智能手機(jī)應(yīng)用程序或車載導(dǎo)航系統(tǒng)向駕駛員傳遞。駕駛員可以在出行前或途中獲取實(shí)時(shí)交通信息，包括擁堵程度、交通事故、道路工程和天氣狀況等。這使他們能夠選擇避開擁堵區(qū)域、調(diào)整出行時(shí)間或?qū)ふ姨娲肪€，從而減少通勤時(shí)間、燃料消耗和交通壓力，同時(shí)提高交通系統(tǒng)的效率[4]。

4.3.2 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)

車輛導(dǎo)航系統(tǒng)使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如GPS）來確定車輛的位置，并通過地圖數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)交通信息來規(guī)劃最佳路線。駕駛員可以在車輛導(dǎo)航設(shè)備或智能手機(jī)應(yīng)用程序上輸入目的地，然后系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出最短、最快或最燃油經(jīng)濟(jì)的路線，并提供語音導(dǎo)航指示。在行駛過程中，車輛導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)交通信息自動(dòng)調(diào)整路線，以避免擁堵區(qū)域，提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航建議，并估計(jì)到達(dá)時(shí)間。這不僅提高了駕駛員的出行效率，還有助于減輕交通擁堵對(duì)環(huán)境和道路安全的不利影響。

4.4 智能交通系統(tǒng)的集成和優(yōu)化

4.4.1 基于大數(shù)據(jù)的決策支持系統(tǒng)

基于大數(shù)據(jù)的決策支持系統(tǒng)匯集了各種數(shù)據(jù)源，包括實(shí)時(shí)交通流量數(shù)據(jù)、路況信息、交通攝像頭圖像、車輛軌跡數(shù)據(jù)和天氣信息等。通過高級(jí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，系統(tǒng)能夠識(shí)別交通擁堵熱點(diǎn)、異常事件和趨勢(shì)，為交通管理者提供深入的見解。這些見解可以用于優(yōu)化信號(hào)燈控制、交通調(diào)度、路線規(guī)劃和公共交通運(yùn)營(yíng)，以提高城市交通系統(tǒng)的整體效率和韌性。此外，大數(shù)據(jù)決策支持系統(tǒng)還能夠制訂應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)交通事故、天氣災(zāi)害和其他突發(fā)事件[5]。

4.4.2 自動(dòng)駕駛技術(shù)

自動(dòng)駕駛技術(shù)有潛力徹底改變城市交通和擁堵問題。自動(dòng)駕駛車輛可以實(shí)時(shí)響應(yīng)交通情況，遵循交通規(guī)則，自動(dòng)進(jìn)行車道保持和跟車行駛，從而減少人為駕駛錯(cuò)誤和交通事故。此外，自動(dòng)駕駛車輛可以在高速公路上實(shí)現(xiàn)自主車隊(duì)行駛，通過協(xié)同操作來減少交通擁堵和提高道路容量。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，將成為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，有望顯著減少城市交通擁堵問題。

5 結(jié)語

在城市交通擁堵問題的研究中，智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用和不斷創(chuàng)新對(duì)于改善交通流暢度、減少時(shí)間浪費(fèi)、降低環(huán)境影響和提升出行體驗(yàn)起著關(guān)鍵作用。通過數(shù)據(jù)采集、模型預(yù)測(cè)、交通管理和信息傳遞等多方面的措施，智能交通系統(tǒng)為城市交通擁堵的預(yù)測(cè)、緩解和優(yōu)化提供了強(qiáng)大的工具和方法。然而，要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的城市交通，需要政府、交通管理者、技術(shù)公司和市民之間的密切合作，以制定綜合的交通政策、推廣可持續(xù)出行方式，并不斷推動(dòng)智能交通技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，以創(chuàng)造更加高效、環(huán)保和宜居的城市交通環(huán)境。