嚴冠文　毛黎莉

【摘 要】 本文通過構(gòu)建相應(yīng)的動態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)計算機模型,編制仿真軟件。仿真結(jié)果表明,該模型具有較強的分析和評價交通狀況、提示道路擁堵預警和安全隱患的信息,提供實時交通流動態(tài)調(diào)控方案的功能,顯示出簡潔、實用、可行和滿意的特點。

【關(guān)鍵詞】 上海世博會;交通網(wǎng)絡(luò);動態(tài)建模;仿真

舉世矚目的2010年世博會將在上海舉行。據(jù)權(quán)威部門測算,無論是客流總量還是高峰客流量都將達歷屆世博會之最。世博園區(qū)道路交通網(wǎng)絡(luò)的通暢和動態(tài)優(yōu)化調(diào)控是規(guī)模空前的上海世博會成功舉辦的一個極其關(guān)鍵的保障因素。因此對上海世博會交通網(wǎng)絡(luò)進行建模和仿真具有重要的實際意義。

交通網(wǎng)絡(luò)動態(tài)建模與仿真是城市交通系統(tǒng)研究的一個熱點課題。其中車流路徑優(yōu)化受到了人們較大的關(guān)注。朱文興等通過定義交通流密度圖的概念,采用經(jīng)典的Dijkstra算法進行研究[1];而徐天澤則是從實時控制城市交通網(wǎng)絡(luò)流量的角度來實現(xiàn)個體交通最優(yōu)分配[2]。徐長斌和劉艷梅的工作是將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法結(jié)合在一起來預測動態(tài)交通流量[3],這種研究方法比較普遍。還有一種研究思路就是將系統(tǒng)思想融入到城市交通網(wǎng)絡(luò)動態(tài)建模與仿真的研究中去。比如商蕾和陸化普將車輛生產(chǎn)、路網(wǎng)描述、交通規(guī)則描述、信號燈描述、車輛行為、路徑選擇和路口轉(zhuǎn)向等問題綜合在一起進行研究,并且實現(xiàn)了三維可視化[4];又如姜克錦和張殿業(yè)運用系統(tǒng)科學中的自組織理論研究城市交通系統(tǒng)問題[5],這些研究體現(xiàn)了交通動態(tài)網(wǎng)絡(luò)作為一個復雜系統(tǒng)的研究新趨勢。然而這些研究工作較大程度上立足于理論探討層面,所涉及到的應(yīng)用例子大多作了較大程度的約簡,理論與應(yīng)用之間的鴻溝明顯。此外,目前有關(guān)研究工作所運用的知識和技術(shù)范圍相對比較窄,還有較大的擴展空間。

本文在借鑒現(xiàn)有研究思路和方法的基礎(chǔ)上,針對2010年上海世博會園區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的特點,以系統(tǒng)思想為指導,以解決實際問題為宗旨,充分利用現(xiàn)有的知識和工具,建立相應(yīng)的動態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)模型,通過模型的仿真試驗,來實時提供相關(guān)信息及車流控制預案,供決策部門參考。

一、上海世博會園區(qū)交通系統(tǒng)

2010年上海世博會客流量將達世博會有史以來的最大規(guī)模。據(jù)上海市發(fā)展和改革委員會和上海市城市規(guī)劃管理局的分析和預計上海世博會客流總規(guī)模將達7000-8000萬人次,日均客流量為40萬人次,一般高峰日客流量為60萬人次,極端高峰日客流量為80萬人次。交通方式方面以陸路交通為主,約占95%。其中除軌道交通以外,50%左右游客是通過公交、旅游巴士、專線與接駁巴士以及私人小汽車等方式進出世博會園區(qū)。由此給上海世博會園區(qū)的道路交通系統(tǒng)造成了巨大的壓力,同時也對車流交通狀況的監(jiān)測和調(diào)控提出了很高的要求。

根據(jù)規(guī)劃,上海世博會園區(qū)內(nèi)道路分為次干路和支路兩大類。次干路道路寬度為32-45米,支路道路寬度為16-24米,道路總長約19公里,道路網(wǎng)密度為5.9公里/平方公里,道路面積約0.5平方公里,道路面積率約為16%。園區(qū)內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)由浦西和浦東兩個道路子網(wǎng)組成,子網(wǎng)之間用一條隧道連接(西藏南路隧道)。除了隧道之外,道路網(wǎng)絡(luò)還包含5條次干路和幾十條支路,形成103個交叉路口(其中包括一個五叉路口,若干個三叉路口,絕大部分為十字交叉路口),以及200多個路段和7個機動車輛出入口。上海世博會園區(qū)道路結(jié)構(gòu)及分布情況見圖1,其中標號為2,4,5和29的路口同時作為浦西子網(wǎng)的車輛出入口;標號為10,21和22的路口同時作為浦東子網(wǎng)的車輛出入口。

二、世博會園區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)動態(tài)建模

將上海世博會園區(qū)道路系統(tǒng)定義成一個交通網(wǎng)絡(luò),路口定義為結(jié)點,路段定義為邊,出入口定義為網(wǎng)絡(luò)的端結(jié)點。這樣就可以形成一個由103個結(jié)點(其中7個結(jié)點為端結(jié)點),200多條邊的規(guī)模較龐大的交通網(wǎng)絡(luò)圖。從系統(tǒng)的觀點考慮,該交通網(wǎng)絡(luò)可進一步劃分成路段密度子系統(tǒng)、出入口車流子系統(tǒng)和車流過程子系統(tǒng)三大塊。所涉及到的指標量有路段長度、路段寬度、路段車輛數(shù)、路段車輛密度、車輛速度、車輛行駛時間、車輛所處位置、車輛行駛最短路徑等。

1、路段密度子系統(tǒng)

以路段的車輛密度作為路段交通是否通暢的一個主要衡量指標。密度過高意味著路段擁擠,則車輛將減慢速度行使。若密度較低,意味著路段通暢,此時還要觀察路段的形狀。對于較長且較寬的路段,表明車輛行使條件較好,可以加快一點車速;反之,盡管路段密度不高,但是路段的形狀過窄或者過短,則車速應(yīng)該稍微下降一些。所有的路段處理完以后,每一輛車的行駛速度就可以估計出來了,在此基礎(chǔ)上再以車輛的通過時間為權(quán)值,用Dijkstra算法為每輛車輛制定最佳行車路線。

2、出入口車流子系統(tǒng)

假設(shè)在交通網(wǎng)絡(luò)的7個出入口車輛的進出滿足均勻分布。由計算機生成偽隨機數(shù)來確定。由于Dijkstra算法所確定的車輛行駛的最優(yōu)進入路線具有可逆性,即車輛進入世博園區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路線同時也是該車輛離開交通網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路線。所以可以假設(shè)離場時車輛沿進入時的路徑和出入口返回是最優(yōu)的,否則其效用就會下降。

3、車流過程子系統(tǒng)

車輛在各個路段的行使過程中,由于路段密度子系統(tǒng)已經(jīng)將每一輛車的行駛速度計算出來了,再考慮路段的長度就可以計算出車輛駛過路段所需要的時間。在這時間段內(nèi)的車輛繼續(xù)向前行駛;到了時間段末的時刻須停留0-15秒時間,用來處理路口交通燈的控制或車輛轉(zhuǎn)彎的需要,停留時間長度服從均勻分布。上海世博會園區(qū)道路交通網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模型的建模流程如圖2所示。

三、仿真實驗

本文所構(gòu)建的上海世博會園區(qū)道路交通網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模型具有三大功能:

第一,實時分析和評價交通狀況;

第二,提出道路擁堵預警和安全隱患的信息;

第三,提供實時交通流動態(tài)調(diào)控方案。

下面針對這三個功能分別進行仿真實驗。

仿真實驗1:擁擠路段的分流效應(yīng)仿真實驗

考慮在交通流量控制在有效負荷范圍之內(nèi)的情況下,對某路段發(fā)生擁擠時臨近路段的分流效應(yīng)進行仿真實驗。把結(jié)點1設(shè)為目的結(jié)點,通向該結(jié)點的路段有29→1與31→1兩條。我們考察目標路段31→1的車流密度變化情況。比較觀察當單位時間內(nèi)每個出入口有9輛車進入交通網(wǎng)絡(luò)時相鄰路段31→30、32→30、和32→31的車輛密度來對路段31→1分流情況。運用本文所構(gòu)建的模型進行仿真,所得結(jié)果見表1及圖3。

由圖3可以看出,剛開始時,目標路段較擁堵。到了時刻6,邊31→30與邊32→30開始分流,目標路段車流密度有下降趨勢。直到時刻16,目標路段已不再擁擠,于是邊31→30以及邊32→30不再需要承擔分流作用。很明顯,交通網(wǎng)絡(luò)顯示出有效的自我分流調(diào)節(jié)的功能。

仿真實驗2:擁擠路段預警仿真實驗

考慮在交通流量超過有效負荷范圍的情況。通過改變交通網(wǎng)絡(luò)各出入口處車輛流量強度變化來觀察對路段密度的影響。仍然以路段31→1為目標路段進行觀測,取各出入口處車輛流量強度分別為單位時間5,7,9,10和11輛車輛。運用本文的模型進行仿真,所得結(jié)果見表2及圖4。

由圖4可以看出,當各出入口處車輛流量強度為5時,目標路段暢通無阻。當車輛流量強度為7時,目標路段的車輛密度開始有所變化。當車輛流量強度達到9或10時,目標路段的車輛密度變化增大,說明交通網(wǎng)絡(luò)的分流調(diào)節(jié)功能在發(fā)揮作用。當車輛流量強度增大到11時,目標路段的車輛密度幾乎單調(diào)增長,說明交通網(wǎng)絡(luò)已無法通過分流手段來進行自我調(diào)節(jié)。此時必須發(fā)布道路擁堵預警,采取外部手段,比如對流入車輛進行限流或其他相應(yīng)措施進行干預,以確保交通網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

仿真實驗3:路段擁堵時交通流動態(tài)調(diào)控方案仿真實驗

考慮在交通流量超過有效負荷范圍時,通過限制部分入口車輛進入來緩解擁堵狀況。仍然以路段31→1為目標路段進行觀測。取各出入口處車輛流量強度為單位時間11輛車輛,并通過對比不限流、關(guān)閉出入口2以及同時關(guān)閉出入口2和出入口29時路段31→1車輛密度變化來分析限制部分入口車輛的進入對目標路段車流密度的影響。運用本文的模型進行仿真,所得結(jié)果見表3及圖5。

由圖5可以看出,當各出入口處車輛均無限制時,目標路段的車輛密度幾乎單調(diào)增長,說明交通網(wǎng)絡(luò)已無法通過分流手段來進行自我調(diào)節(jié)。當關(guān)閉2號出入口時,由于原來由2號出入口進入的車輛絕大部分都要經(jīng)過目標路段31→1,所以限制此出入口的車流能非常有效緩解路段31→1的擁堵狀況。進一步考慮在關(guān)閉2號出入口的同時再關(guān)閉29號出入口,此時,由于減少了原來2號出入口的車流量,路段31→1可通過交通網(wǎng)絡(luò)自我分流來緩解擁堵狀況;而29號出入口被關(guān)閉,使得路段29→1的車流密度變小,使其擁有了分流能力。所以同時限制2號與29號出入口的車流量時,目標路段31→1的車流密度比只限制出入口2的車流量的情況下要進一步減小。根據(jù)仿真結(jié)果可提出相應(yīng)的路段擁堵動態(tài)調(diào)控預案,供決策部門參考。

四、結(jié)論與展望

本文構(gòu)建了2010年上海世博會園區(qū)道路交通網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng),并進行了相應(yīng)的實證研究。該系統(tǒng)具有分析和評價世博會園區(qū)交通狀況、提示道路擁堵預警和安全隱患的信息、以及提供實時交通流動態(tài)調(diào)控方案等功能,為組織和改進交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供定量的決策參考。

本文的研究遵循復雜系統(tǒng)研究的新理念,在系統(tǒng)思想的引領(lǐng)下,以整體性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性和目的性等系統(tǒng)特性為抓手,將路段密度子系統(tǒng)、出入口車流子系統(tǒng)和車流過程子系統(tǒng)進行綜合集成,充分利用現(xiàn)有的知識和工具,融合了數(shù)理統(tǒng)計、運籌學、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)等多種學科的知識以及計算機建模和仿真技術(shù)的精華,著力于實際問題的解決。所建立的仿真系統(tǒng)力求做到簡潔、實用、可行和滿意,并且能夠顯現(xiàn)出較強的適應(yīng)能力。

【參考文獻】

[1] 朱文興.賈磊.趙建玉.劉紅波.城市交通網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化建模與仿真.系統(tǒng)仿真學報,2005.17(7)1556-1559.

[2] 徐天澤.一種實時確定城市交通網(wǎng)絡(luò)流量的方法.交通科技,2004.207(6)80-84.

[3] 徐長斌.劉艷梅.結(jié)合實時交通信息的動態(tài)交通流量預測模型.數(shù)字通訊世界,2008.5.60-62.

[4] 商蕾.陸化普.城市微觀交通仿真系統(tǒng)及其應(yīng)用研究.系統(tǒng)仿真學報,2006.18(1)221-224.

[5] 姜克錦.張殿業(yè).城市道路交通系統(tǒng)自組織建模與仿真研究.人類功效學,2008.14(2)37-40.

[6] 2010年上海世博會官方網(wǎng)站:http://www.expo2010china.com/.