交通管理措施对路网宏观基本图的影响分析

许菲菲,何兆成,沙志仁

(中山大学智能交通研究中心广东省智能交通系统重点实验室广州510006)

交通管理措施对路网宏观基本图的影响分析

许菲菲,何兆成*,沙志仁

(中山大学智能交通研究中心广东省智能交通系统重点实验室广州510006)

宏观基本图(MFD)存在于具有交通运行同质性的城市路网中,它可以用于路网的服务水平评估、区域控制和宏观交通建模.不同道路运行条件对MFD的形状存在不同的影响,进行MFD影响因素分析是应用MFD理论研究城市交通运行规律的前提.本文以广州市海珠区为研究区域,运用Paramics交通仿真软件对海珠区的路网进行建模,通过采取不同交通管控措施,分析MFD图形的影响因素.结果表明,MFD不仅是路网本身的性质,也是控制策略效果好坏的直接体现.同时,需求的剧烈变化、公交专用道的设置、车道禁行都会不同程度的影响路网的MFD.另外,制定交通控制策略时要优先考虑路网中的关键路段.

智能交通;宏观基本图影响分析;Paramics交通仿真;城市路网;交通管理

1 引 言

交通拥堵已成为我国各大城市的“顽疾”,它制约了城市的发展,影响了居民的生活,是亟需解决的“城市病”.目前,广州各区域之间的交通可达性面临的压力越来越大,交通延误不断上升.广州市9个主城区主干道路网在2012年9月的日平均速度为33.13 km/h,较6月(33.97 km/h)降低2. 5%,其中晚高峰平均车速分别为29.75 km/h和31.28 km/h.从趋势上看,路网的平均车速处于不断下降的过程.就成本和效益综合考虑,有效解决拥堵的办法是进行动态的交通管理和综合的网络交通管理,充分提高道路的可达性.

在进行综合的网络交通管理之前,要对城市路网交通运行的基本特征进行全时空的掌握,对路网交通运行状态进行定量的分析与评价.Daganzo[1]提出了宏观基本图(MFD,Macroscopic Fundamental Diagram),该理论不仅可以实现对路网的宏观描述,还可以对路网的交通运行状态进行准确预测. MFD是路网的固有属性[2],所以当路网MFD已知时,可以实时监测路网是否处于最优状态.但是路网设计的复杂性和交通条件的可变性,可能会改变MFD的形状和离散性,这将会降低预测的精确度.如果网络的交通状态不能得到准确的反映或预测,那么以路网状态为基础制定的交通控制策略的质量和可靠性也会受到影响.所以,研究MFD的影响因素对最终的控制目标是否能实现具有重要意义.

关于宏观基本图的影响因素问题,研究情况如下.Buisson和 Ladier[3]通过放宽了Daganzo的同质性条件,研究了非同质性对路网MFD的影响.研究表明,不同的道路类型(高速公路、城市道路)、城市路网中检测器距信号灯距离、拥堵的发生和消散会造成MFD曲线的高离散性.姬杨蓓蓓[4]研究了匝道控制、拥堵的出现及消散和交通需求等对MFD形状的影响.Geroliminis[5]研究了城市路网稳定MFD所具有的属性,得出了密度的空间和时间分布是影响 MFD离散性和形状的一个关键因素.

本文针对MFD影响因素作进一步研究,重点探讨交通管理措施对MFD的影响.以广州市海珠区为实验区域,运用Paramics仿真的方法,研究设置公交专用道、道路禁行、交通需求等不同交通管理措施下路网MFD的变化.并确定路网中对MFD有决定性作用的关键路段,为交通管理对象的优先级提供指导.

2 仿真实验的建立

2.1 路网描述和仿真参数设置

本文选取广州市海珠区江南西地区作为研究区域,路网如图1所示.该地区是海珠区的商业文化教育中心,服务配套设施完备.区域交通方面,以江南西路、江南大道、宝岗大道等核心干道为主干路,以轨道交通2号线与8号线为依托,共有50多条公交线路途经此地,是广州市交通最繁华的地区之一.

图1 海珠区实际路网示意图Fig.1 The actual road network diagram of Haizhu district

本文以区域“双十字”路网为研究对象,道路类型包含主干道、次干道和支路,各路段的基本特征如表1所示.路网OD需求也是由实际交通数据推算得到的.Paramics中仿真路网的建立是基于真实的路网状况,车道数、道路长度、车道限速、信号配时等物理特征都是实际路网的真实反映.在Paramics仿真实验中,共8个区域被定义为起点或终点,一次仿真的总时长为6.5 h,数据采集期为6 h,前30 min为仿真缓冲期,防止仿真开始时不稳定造成数据失真.统计间隔为5 min.

在进行仿真实验前,首先要根据实验路网的真实情况对Paramics中影响驾驶员行为的模型参数进行校正.根据广州市海珠区道路的真实交通流数据,校正结果为平均目标车头时距2.3 s,司机平均反应时间2.1 s,速度记录为5,仿真步长为2,速度因子曲线为1.多次仿真实验校准的结果表明,参数值的设定能较好的反应真实的路网.

表1 海珠区路段的基本特征Table 1 The feature of sections in Haizhu core area

2.2 MFD的计算方法

MFD反映了路网内移动的车辆数和网络运行水平之间的关系.即MFD建立了城市大范围区域内的加权流量(qw)与网络总交通量(n)的关系.

用A表示一个区域或路网,它由一些有向路段i(i∈A)组成.根据MFD理论,相关参数的计算公式[6]

式中 kw、ow是路网范围的加权密度和加权时间占有率;i、li分别表示路段i和该路段的长度;qi、ki、oi分别指路段i的流量、密度和时间占有率;s表示车辆的平均车长.

在计算加权流量和路网总车辆数所使用的交通数据来自Paramics仿真模型的输出值,结果包含了各路段每5 min的密度,速度、路段类型等信息.

2.3 实验路网的MFD

研究区域目前真实的交通状况是尚未达到饱和,仿真路网的OD需求设置是基于实际的交通数据推算得到的.仿真时长中,交通需求的变化包括了从平峰升到高峰再稍微下降的全过程,目的是尽可能真实地反映海珠路网的整个运行情况.仿真路网的基准MFD如图2所示.

图2 仿真路网的MFD图形Fig.2 The MFD of simulation road network

从仿真路网MFD的拟合曲线,可计算出路网的临界车辆数为504pcu,最大加权流量为1100pcu/h.当路网车辆数小于504 pcu时,路网处于顺畅状态,加权流量随着车辆数的增加而增加,直到增至最大加权流量1 100 pcu/h时路网达到饱和,随后当车辆数超过临界车辆数504 pcu时,路网会陷入拥堵状态,此时加权流量随着路网车辆数的增加而减少.本文把该图作为海珠区MFD的基准图,用于下文对比交通管理措施是否使MFD发生变化.

3 交通管理措施对路网MFD的影响

本文研究的交通管理措施包括:交通需求的剧烈变化、公交专用道的设置、道路禁行,具体分析如下.

3.1 交通需求的剧变

这个实验的目的是分析交通需求的剧烈变化对MFD的影响.图3是交通需求从平峰急剧增至高峰需求的MFD图,这种需求的突增使得MFD的图形不完整,缺失了路网车辆数慢慢增加的过程(如图3中椭圆形所示),但图形总体的变化趋势相似.图4是从高峰需求骤减至低峰需求的MFD图,在拥堵消散过程中(如图4中椭圆形所示),图形发生了较大的变化,出现了“磁滞现象”,使图形发生了变异.MFD存在的“磁滞现象”是个很复杂的问题,具体的研究见Daganzo的相关论文[7].综上分析,可以得到交通需求的突变是影响MFD形状的一个重要因素.

图3 需求从平峰突增至高峰的MFDFig.3 The MFD of demand suddenly increase

图4 需求从高峰骤减为低峰的MFDFig.4 The MFD of demand suddenly decrease

3.2 公交专用道的设置

仿真实验中,设置了两个场景,即分别在南田路—江南大道和南田路—江湾路设置公交专用道

(PT),来分析公交专用道对路网MFD的影响.结果如图5所示.可得到如下结论.

图5 设置公交专用道的MFDFig.5 The MFD under set of bus lane

(1)设置公交专用道会在一定程度上降低路网的通行能力.相较于基准路网MFD,最大加权流量由1 100 pcu/h分别降为754 pcu/h和697 pcu/h,下降幅度分别为31.5%和36.6%.

(2)不同的PT线路对路网的运行情况影响不同,在路网设定PT时,可以先用仿真的方法对决策方案进行影响的评估.本实验中,在南田路—江南大道设置公交专用道会严重影响整个路网的运行状况,临界车辆数和最大加权流量的降幅分别为31.3%和36.6%.因此,在决策是否在该路段设置PT线路时要慎重.

3.3 道路禁行

实验目的是分析某一路段上车道禁行对MFD的影响.实验结果可分为两大类,一是MFD的总体形状不变,但阈值变化;二是MFD的形状和阈值均发生变化,如图6所示.可以得到以下结论,路段禁行不仅会直接降低路网的服务水平,而且禁行某条路段还会使MFD的形状发生变化,在拥堵消散过程中会出现“磁滞现象”,影响路网的稳定性.

3.4 关键路段

本文的关键路段是指对路网MFD形状影响较大的路段[8].实验目的是找到路网的关键路段,在制定交通管理措施时给予优先权.实验的内容包括两方面:一是任意删除海珠区路网中的一条路段上的交通数据,对比观察MFD的变化,从而确定路网的关键路段;二是对比路网中包含关键路段与否MFD的变化.

(1)关键路段的确定.

图7是任意删除路网中一条路段的交通数据后的MFD图,从图中可以看到,删除这几条路段后,图形的总体趋势没有发生大的变化,但是均降低了两个宏观特征量的阈值,而且影响程度各异.删除BG、GJ路段,路网临界车辆数的降幅分别为5.8%和8.7%,加权流量的降幅分别达7.6%和5.6%,对路网的MFD影响较小,说明这两条路段对整个路网的贡献相对小.但移除路段BD、DJ后,路网的服务水平下降明显,路网的最大加权流量从1 100 pcu/h分别降为了749 pcu/h和972 pcu/h.说明路段BD在该路网的服务水平上起到了决定性的作用.路段BD的特点是路段长度最长,双向6车道.

(2)有无关键路段的MFD图形对比.

从上面的实验中,可以确定路网的关键路段为BD段.从图8中可直观的看出该关键路段对整个路网MFD的影响程度.BD路段严重影响了整个路网的服务水平,临界车辆数由 504 pcu降为385 pcu,加权流量由1 100 pcu/h降为749 pcu/h,下降幅度分别达23.6%和31.9%.所以,这条路段交通数据的完整性和真实性对真实反映整个路网的运行服务水平上显得尤为重要.这为我们的交通控制及管理提供了指导,要重点管理关键路段,对关键路段的设备维护、拥堵管理应给予优先权.

4 研究结论

把MFD应用到网络范围内的交通控制与管理之前,要先研究影响MFD稳定存在的因素.稳定准确的路网MFD图形是掌握路网交通运行状态的关键,也是制定交通政策的一个基础.本文通过Paramics仿真的方法,研究了一些交通管理措施对MFD的影响,得到了以下结论.

图7 任意移除一条路段后的MFDFig.7 The MFD of arbitrarily removing a section

图8 有无关键路段的MFD对比Fig.8 The MFD comparison of network with or without critical sections

(1)交通需求不变或缓慢变化是MFD稳定存在的一个条件,需求的突变会导致MFD的剧烈变化.

(2)道路禁行对路网的MFD的形状或阈值有一定的影响,在措施制订之前可先用仿真的方法对路网的运行性能进行预评价.这个研究不仅能得到交通措施是否影响了MFD,而且,通过路网的MFD图形,可以直观实时的反馈出交通管理措施的效果.

(3)关键路段对一个路网的MFD有着重要意义.由分析可知,一个路网中路段较长的城市道路、拥堵比较明显的道路、车道数较多的路段是该路网关键路段的可能性较大.在制定交通管理措施时,要采用“关键路段”优先的原则.

(4)通过定量对比基准MFD与设置PT和去除关键路段后的MFD,可知公交专用道的设置对路网的影响较大,不仅明显降低两个宏观特征量的阈值,而且 MFD的离散型也比较高,从基准的0.905 2降为了0.523 7.具体结果如表2所示.

表2 两种交通管理措施的影响对比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.

[2]Daganzo C F,Geroliminis N.An analytical approximation for the macroscopic fundamental diagram of urban traffic [J].Transportation Research Part B,2008,42(9): 771-781.

[3]Bussion C,Ladier C.Exploring the impact of homogeneity of traffic measurement on the existence of macroscopic fundamental diagrams[J].Transportation Research Part B,2009:127-136.

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

[5]Geroliminis N,Jie S.Properties of a well-defined macroscopic fundamental diagram for urban traffic[J]. Transportation Research Part B,2011(45):605-617.

[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.

[7]Gayah V V,Daganzo C F.Clockwise hysteresis loops in the macroscopic fundamental diagram:An effect of network instability[J].Transportation Research Part B, 2011(45):643-655.

[8]姬杨蓓蓓,Winnie D.阿姆斯特丹城市道路线圈检测器布设方法研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),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录用日期:2013-01-23

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA110304).

许菲菲(1988-),女,新疆人,硕士生.

*通讯作者:hezhch@mail.sysu.edu.cn

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