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《西南交通大学》 2018年
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基于出入流率匹配的区域交通拥挤测度与控制研究

马亚锋  
【摘要】:随着城市化进程的加快和机动车保有量的快速增长,交通需求与供给之间的矛盾日益突出,道路交通系统面临的压力愈来愈大,交通拥挤在中国各个城市愈演愈烈,并逐渐成为困扰和限制城市可持续发展的主要因素之一。交通拥挤不但会降低交通系统的服务水平,增加出行过程中的交通延误,导致交通事故的频繁发生,而且低效的交通运行还会导致能源浪费和环境污染,降低城市居民的幸福指数。对交通拥挤进行准确地测度和有效地控制,是解决交通拥挤问题的重点和难点。本文在总结了已有的交通拥挤机理分析、拥挤测度和控制相关研究的基础之上,从区段上具有匹配关系的驶入驶出流率的角度出发,对交通拥挤进行了重新定义和机理分析,并对交通拥挤的测度和控制进行了深入的研究。本文的主要内容包括以下几个方面:基于区段上驶入驶出断面上的出入流率及其匹配关系,重新对交通拥挤进行了定义及机理分析。交通拥挤是在一定时间和一定空间范围内,具有匹配关系的驶入和驶出断面之间由于驶入流率大于驶出流率,区段内车辆逐渐积累而导致的车辆被动缓行、走走停停或完全停止的交通现象。依据本文提出的定义,从区段上具有匹配关系的驶入驶出流率的角度,研究了由驶入驶出流率衍生的累积流量的变化与交通拥挤的形成、发展、消散过程之间的关系,依次对基本计算单元、城市道路基本路段、交叉口以及城市交通网络的拥挤机理进行了深入分析。在论证了基于累积流量的交通拥挤测度的可行性的基础上,定义了一种无量纲的拥挤度函数,建立了基于累积流量比的交通拥挤测度模型,实现了交通拥挤的统一度量。然后,基于累积流量比,分别建立了基本计算单元、城市道路基本路段和交叉口的拥挤测度模型。在三相交通流理论的基础上,将同步流和宽移动阻塞流进一步细分,从而将交通状态划分为畅通、基本畅通、轻微拥挤、中度拥挤和严重拥挤及堵塞五种状态。然后,基于粗糙集理论模型,对交通拥挤度进行了区间划分,实现了数字化阈值区间与不同交通状态的一一对应。通过对不同等级道路拥挤度区间的横向对比发现:除支路以外,其他等级的城市道路路段,相同交通状态所对应的累积流量比区间是比较接近和相对固定的,表明累积流量比比速度、流量等参数在城市道路网络拥挤测度方面具有更广泛的适用性。在不同等级道路相同交通状态下的累积流量比区间相对固定的基础上,对城市交通网络上累积流量比的累积里程概率分布进行曲线拟合,建立基于累积流量比的累积里程概率分布模型,提出了用于评价城市交通网络的区域交通状态指数(RTSI)评价模型,并通过实例将其与《城市道路交通运行评价指标体系》中的TPI指数进行了对比分析,验证了RTSI的有效性和适用性。信号优化控制是城市交通管理与控制的重要手段之一,也是缓解城市交通拥挤的有效方法。鉴于传统的干线协调控制方法比较适于中等交通量条件,对干线拥挤条件下的控制成效欠佳。针对城市交通干线局部拥挤条件下的交通控制与疏导问题,提出了绿波带与红波带协调控制策略,意图通过绿波带控制,利用下游交叉口和路段,对瓶颈交叉口的拥堵车流进行快速疏散和卸载;通过红波带控制,运用上游交叉口和路段的空间优势,有效地将到达瓶颈交叉口的车流分别截流在上游的交叉口和路段上,延长其到达瓶颈交叉口的行程时间,以防止瓶颈交叉口的拥堵蔓延和上溯。将交叉口进口道协调相位饱和度和路段累积流量比作为干线交通拥挤程度的评估指标,对干线交通状态进行实时测度,以及时确定红波带与绿波带协调控制策略的关键交叉口。接着研究了协调控制策略的启动时机与结束条件。然后通过交叉口关联度模型分析协调控制的范围,并提出绿波带和红波带的协调控制方案,主要包括下游绿波带的周期、相位差和绿灯修正时间以及上游红波带的周期和相位差的计算方法。针对城市交通网络局部拥挤条件下的交通控制问题,在城市交通网络拓扑结构的基础上,以动态网络交通流运动匹配关系为背景,以网络上车辆运行的总阻抗最小为目标函数,以网络状态方程为约束,建立了基于度相关性的网络交通拥挤牵制控制模型,并给出了对应的求解算法及流程。实验分析表明,不同的控制策略在城市网络交通拥挤有序化方面的效果不同,混合牵制控制策略是最优选择。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U491

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