上海世博会园区交通网络动态建模与仿真

严冠文　毛黎莉

【摘 要】 本文通过构建相应的动态交通网络计算机模型,编制仿真软件。仿真结果表明,该模型具有较强的分析和评价交通状况、提示道路拥堵预警和安全隐患的信息,提供实时交通流动态调控方案的功能,显示出简洁、实用、可行和满意的特点。

【关键词】 上海世博会;交通网络;动态建模;仿真

举世瞩目的2010年世博会将在上海举行。据权威部门测算,无论是客流总量还是高峰客流量都将达历届世博会之最。世博园区道路交通网络的通畅和动态优化调控是规模空前的上海世博会成功举办的一个极其关键的保障因素。因此对上海世博会交通网络进行建模和仿真具有重要的实际意义。

交通网络动态建模与仿真是城市交通系统研究的一个热点课题。其中车流路径优化受到了人们较大的关注。朱文兴等通过定义交通流密度图的概念,采用经典的Dijkstra算法进行研究[1];而徐天泽则是从实时控制城市交通网络流量的角度来实现个体交通最优分配[2]。徐长斌和刘艳梅的工作是将人工神经网络与遗传算法结合在一起来预测动态交通流量[3],这种研究方法比较普遍。还有一种研究思路就是将系统思想融入到城市交通网络动态建模与仿真的研究中去。比如商蕾和陆化普将车辆生产、路网描述、交通规则描述、信号灯描述、车辆行为、路径选择和路口转向等问题综合在一起进行研究,并且实现了三维可视化[4];又如姜克锦和张殿业运用系统科学中的自组织理论研究城市交通系统问题[5],这些研究体现了交通动态网络作为一个复杂系统的研究新趋势。然而这些研究工作较大程度上立足于理论探讨层面,所涉及到的应用例子大多作了较大程度的约简,理论与应用之间的鸿沟明显。此外,目前有关研究工作所运用的知识和技术范围相对比较窄,还有较大的扩展空间。

本文在借鉴现有研究思路和方法的基础上,针对2010年上海世博会园区交通网络的特点,以系统思想为指导,以解决实际问题为宗旨,充分利用现有的知识和工具,建立相应的动态交通网络模型,通过模型的仿真试验,来实时提供相关信息及车流控制预案,供决策部门参考。

一、上海世博会园区交通系统

2010年上海世博会客流量将达世博会有史以来的最大规模。据上海市发展和改革委员会和上海市城市规划管理局的分析和预计上海世博会客流总规模将达7000-8000万人次,日均客流量为40万人次,一般高峰日客流量为60万人次,极端高峰日客流量为80万人次。交通方式方面以陆路交通为主,约占95%。其中除轨道交通以外,50%左右游客是通过公交、旅游巴士、专线与接驳巴士以及私人小汽车等方式进出世博会园区。由此给上海世博会园区的道路交通系统造成了巨大的压力,同时也对车流交通状况的监测和调控提出了很高的要求。

根据规划,上海世博会园区内道路分为次干路和支路两大类。次干路道路宽度为32-45米,支路道路宽度为16-24米,道路总长约19公里,道路网密度为5.9公里/平方公里,道路面积约0.5平方公里,道路面积率约为16%。园区内道路网络由浦西和浦东两个道路子网组成,子网之间用一条隧道连接(西藏南路隧道)。除了隧道之外,道路网络还包含5条次干路和几十条支路,形成103个交叉路口(其中包括一个五叉路口,若干个三叉路口,绝大部分为十字交叉路口),以及200多个路段和7个机动车辆出入口。上海世博会园区道路结构及分布情况见图1,其中标号为2,4,5和29的路口同时作为浦西子网的车辆出入口;标号为10,21和22的路口同时作为浦东子网的车辆出入口。

二、世博会园区交通网络动态建模

将上海世博会园区道路系统定义成一个交通网络,路口定义为结点,路段定义为边,出入口定义为网络的端结点。这样就可以形成一个由103个结点(其中7个结点为端结点),200多条边的规模较庞大的交通网络图。从系统的观点考虑,该交通网络可进一步划分成路段密度子系统、出入口车流子系统和车流过程子系统三大块。所涉及到的指标量有路段长度、路段宽度、路段车辆数、路段车辆密度、车辆速度、车辆行驶时间、车辆所处位置、车辆行驶最短路径等。

1、路段密度子系统

以路段的车辆密度作为路段交通是否通畅的一个主要衡量指标。密度过高意味着路段拥挤,则车辆将减慢速度行使。若密度较低,意味着路段通畅,此时还要观察路段的形状。对于较长且较宽的路段,表明车辆行使条件较好,可以加快一点车速;反之,尽管路段密度不高,但是路段的形状过窄或者过短,则车速应该稍微下降一些。所有的路段处理完以后,每一辆车的行驶速度就可以估计出来了,在此基础上再以车辆的通过时间为权值,用Dijkstra算法为每辆车辆制定最佳行车路线。

2、出入口车流子系统

假设在交通网络的7个出入口车辆的进出满足均匀分布。由计算机生成伪随机数来确定。由于Dijkstra算法所确定的车辆行驶的最优进入路线具有可逆性,即车辆进入世博园区交通网络的最优路线同时也是该车辆离开交通网络的最优路线。所以可以假设离场时车辆沿进入时的路径和出入口返回是最优的,否则其效用就会下降。

3、车流过程子系统

车辆在各个路段的行使过程中,由于路段密度子系统已经将每一辆车的行驶速度计算出来了,再考虑路段的长度就可以计算出车辆驶过路段所需要的时间。在这时间段内的车辆继续向前行驶;到了时间段末的时刻须停留0-15秒时间,用来处理路口交通灯的控制或车辆转弯的需要,停留时间长度服从均匀分布。上海世博会园区道路交通网络动态模型的建模流程如图2所示。

三、仿真实验

本文所构建的上海世博会园区道路交通网络动态模型具有三大功能:

第一,实时分析和评价交通状况;

第二,提出道路拥堵预警和安全隐患的信息;

第三,提供实时交通流动态调控方案。

下面针对这三个功能分别进行仿真实验。

仿真实验1:拥挤路段的分流效应仿真实验

考虑在交通流量控制在有效负荷范围之内的情况下,对某路段发生拥挤时临近路段的分流效应进行仿真实验。把结点1设为目的结点,通向该结点的路段有29→1与31→1两条。我们考察目标路段31→1的车流密度变化情况。比较观察当单位时间内每个出入口有9辆车进入交通网络时相邻路段31→30、32→30、和32→31的车辆密度来对路段31→1分流情况。运用本文所构建的模型进行仿真,所得结果见表1及图3。

由图3可以看出,刚开始时,目标路段较拥堵。到了时刻6,边31→30与边32→30开始分流,目标路段车流密度有下降趋势。直到时刻16,目标路段已不再拥挤,于是边31→30以及边32→30不再需要承担分流作用。很明显,交通网络显示出有效的自我分流调节的功能。

仿真实验2:拥挤路段预警仿真实验

考虑在交通流量超过有效负荷范围的情况。通过改变交通网络各出入口处车辆流量强度变化来观察对路段密度的影响。仍然以路段31→1为目标路段进行观测,取各出入口处车辆流量强度分别为单位时间5,7,9,10和11辆车辆。运用本文的模型进行仿真,所得结果见表2及图4。

由图4可以看出,当各出入口处车辆流量强度为5时,目标路段畅通无阻。当车辆流量强度为7时,目标路段的车辆密度开始有所变化。当车辆流量强度达到9或10时,目标路段的车辆密度变化增大,说明交通网络的分流调节功能在发挥作用。当车辆流量强度增大到11时,目标路段的车辆密度几乎单调增长,说明交通网络已无法通过分流手段来进行自我调节。此时必须发布道路拥堵预警,采取外部手段,比如对流入车辆进行限流或其他相应措施进行干预,以确保交通网络的正常运行。

仿真实验3:路段拥堵时交通流动态调控方案仿真实验

考虑在交通流量超过有效负荷范围时,通过限制部分入口车辆进入来缓解拥堵状况。仍然以路段31→1为目标路段进行观测。取各出入口处车辆流量强度为单位时间11辆车辆,并通过对比不限流、关闭出入口2以及同时关闭出入口2和出入口29时路段31→1车辆密度变化来分析限制部分入口车辆的进入对目标路段车流密度的影响。运用本文的模型进行仿真,所得结果见表3及图5。

由图5可以看出,当各出入口处车辆均无限制时,目标路段的车辆密度几乎单调增长,说明交通网络已无法通过分流手段来进行自我调节。当关闭2号出入口时,由于原来由2号出入口进入的车辆绝大部分都要经过目标路段31→1,所以限制此出入口的车流能非常有效缓解路段31→1的拥堵状况。进一步考虑在关闭2号出入口的同时再关闭29号出入口,此时,由于减少了原来2号出入口的车流量,路段31→1可通过交通网络自我分流来缓解拥堵状况;而29号出入口被关闭,使得路段29→1的车流密度变小,使其拥有了分流能力。所以同时限制2号与29号出入口的车流量时,目标路段31→1的车流密度比只限制出入口2的车流量的情况下要进一步减小。根据仿真结果可提出相应的路段拥堵动态调控预案,供决策部门参考。

四、结论与展望

本文构建了2010年上海世博会园区道路交通网络仿真系统,并进行了相应的实证研究。该系统具有分析和评价世博会园区交通状况、提示道路拥堵预警和安全隐患的信息、以及提供实时交通流动态调控方案等功能,为组织和改进交通网络系统提供定量的决策参考。

本文的研究遵循复杂系统研究的新理念,在系统思想的引领下,以整体性、关联性、动态性和目的性等系统特性为抓手,将路段密度子系统、出入口车流子系统和车流过程子系统进行综合集成,充分利用现有的知识和工具,融合了数理统计、运筹学、动态网络等多种学科的知识以及计算机建模和仿真技术的精华,着力于实际问题的解决。所建立的仿真系统力求做到简洁、实用、可行和满意,并且能够显现出较强的适应能力。

【参考文献】

[1] 朱文兴.贾磊.赵建玉.刘红波.城市交通网络路径优化建模与仿真.系统仿真学报,2005.17(7)1556-1559.

[2] 徐天泽.一种实时确定城市交通网络流量的方法.交通科技,2004.207(6)80-84.

[3] 徐长斌.刘艳梅.结合实时交通信息的动态交通流量预测模型.数字通讯世界,2008.5.60-62.

[4] 商蕾.陆化普.城市微观交通仿真系统及其应用研究.系统仿真学报,2006.18(1)221-224.

[5] 姜克锦.张殿业.城市道路交通系统自组织建模与仿真研究.人类功效学,2008.14(2)37-40.

[6] 2010年上海世博会官方网站:http://www.expo2010china.com/.