（管理科学与工程专业论文）城市交通流合理诱导研究.pdf

摘要 城市交通流诱导是智能运输系统实施的重要组成部分。虽然交通流诱 导的实施极大地改善了城市道路网络的交通环境，提高了网络的使用效 率。然而，交通流诱导后，如果不能有效地对分流交通量进行预测和控制， 两种不合理的交通现象“交通积聚”和“拥挤转移”可能产生。这两种交 通现象的产生，势必影响路线的服务水平，降低城市道路网络的使用效 率。因此，研究城市交通流的合理诱导阃题非常重要。 为了解决城市交通流的不合理诱导问题，本报告提出了城市交通流合 理诱导的概念、原理和实现方法，共包括九章内容。主要研究内容包括： 交通流合理诱导的基本原理研究、反映交通拥挤程度的指标预测研究、分 流交通量对替换路线服务水平的影响研究、分流交通量的预测和控制研 究、拥挤路线交通量的控制研究和i t s 条件下的城市运输规划方法研究 等。 在合理诱导原理设计中，考虑了出行者的出行行为对网络交通流分配 的影响，并指出交通流的诱导与控制同时进行是实现合理诱导的关键。在 实现方法上，本部分提出了模糊推理技术和模糊控制原理在交通流合理诱 导中的应用，并给出了合理诱导的具体实现过程。 交通拥挤程度的实时预测，是智能运输系统在城市道路网络中实施的 一个重要理论问题。本部分在确定性排队曲线模型的基础上通过建立车辆 到达率与道路通行能力的相互关系模型，设计了种交通拥挤延误时间预 测的简化分析方法。这种方法能够实时预测驾驶员出行所需的个体交通拥 挤信息，从而更好地引导驾驶员的路线选择。 当城市交通网络发生拥挤时，实时交通拥挤信息的发布使得部分交通 量分流到可替换路线上，分流交通量的大小对替换路线的服务水平产生影 上海交通大学博士后科研工作报告 ! i i m l l i e 宙置曾皇曼曼暑詈鼍曼! 皇量鼻詈曼鲁皇皇田皇置量詈皇喜鲁舅皇 响。本部分根据上海市的实际交通状况建立了一个简单的模拟网络，对在 道路发生突发性事件的情况下，驾驶员的拥挤转向行为与可替换路线服务 水平之间的相互关系进行了定量和定性研究。研究表明不同比例的分流交 通量对替换路线的服务水平产生不同的影响，同时也表明要想维持替换路 线的期望服务水平，必须对拥挤分流的交通量进行预测和控制。 对分流交通量的预测，本部分通过对拥挤条件下驾驶员的路线选择行 为的分析，采用模糊推理技术对分流交通量进行估计，并进行了模拟实 验。在分流交通量控制研究中，主要研究了网络发生突发性交通拥挤时， 由于诱导信息的提供，使得部分交通量分流到替换路线时，如何对进入替 换路线的交通量进行控制，以维持替换路线的期望服务水平。在这部分研 究里，提出了一个拥挤测量模型用于估计替换路线的拥挤程度，并利用模 糊控制原理设计了替换路线进口信号灯配时方案调整的模糊控制算法。通 过在检测替换路线交通量的同时，控制进入替换路线的交通量，达到分流 交通量控制的目的。 当道路发生突发性事件引起交通拥挤时，一方面需要引导驾驶员转向 到可替换路线，另一方面也要对进入拥挤路线的交通量进行控制。本文通 过对反映路线拥挤程度的延误时间信息和排队长度信息进行预测，设计了 在事件持续时间内，以车辆到达率不超过事件发生地点通行能力为拥挤路 线控制目标的模糊推理算法，并进行了实际案例分析。分析结果表明，这 种模糊推理算法能在一定程度上取代交通工程师们对拥挤的管理，从而提 高了拥挤管理的效率。 交通流诱导在城市道路网络中的引入，改变了人们以往的出行行为， 常规的出行需求预测模型在智能运输系统条件下，需要进行合理改进。本 部分提出了将传统的出行产生模型与动态交通模拟模型集成，进行交通流 诱导条件下的城市运输规划研究的一种方法性框架。 关键词：智能运输系统；交通流诱导；交通积聚；拥挤转移；模糊推理； 模糊控制原理；道路服务水平；交通控制 a b s t r a c t u r b a nt r a f f i cf l o wg u i d a n c ei st h ei m p o r t a n tp a r to fi t si m p l e m e n tt h e t r a f f i cc o n d i t i o n sc a nb eg r e a t l yi m p r o v e da n dt h ee f f i c i e n c yo f r o a dn e t w o r kc a l l b ei n c r e a s e db ya p p l y i n gt r a f f i cf l o wg u i d a n c e h o w e v e lt w ol 【i n d so ft r a f f i c c o n g e s t i o np h e n o m e n a ( t r a f f i cc o n v e r g e n c e a n d “c o n g e s t i o nd i v e r s i o n ”) ，m a y b ep r o d u c e dd u et ot h ei n e f f e c t i v ep r e d i c t i o na n dc o n t r o lo ft r a f f i cv o l u m e s d i v e r t e d ，m u s ti n f l u e n c et h el e v e lo fs e r v i c eo nr o u t ea n dr e d u c et h eu s i n g e f f i c i e n c yo f r o a dn e t w o r k h e n c e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os o l v et h ep r o b l e mo f t h ei r r a t i o n a lg u i d a n c ef o ru r b a nt r a f f i cf l o w a i ma tr e s o l v i n gt h i si r r a t i o n a lg u i d a n c eo fu r b a nt r a f f i cf l o w , t h ec o n c e p t ， p r i n c i p l ea n dr e a l i z i n g m e t h o do ft h er a t i o n a l g u i d a n c eo ft r a f f i c f l o wa r e p r o p o s e d i nt h i sr e p o r t t h i s r e p o r tc o n s i s t so f n i n ec h a p t e r s t h em a i nc o n t e n t s a r e ：s t u d yo n t h eb a s i cp r i n c i p l eo f t h er a t i o n a lg u i d a n c ef o ru r b a nt r a f f i cf l o w , s t u d yo nt h ep r e d i c t i o no fo b j e c t i v e sr e f l e c t i n gt r a f f i cc o n g e s t i o nd e g r e e ，s t u d y o nt h ei n f l u e n c e & t r a f f i cv o l u m e sd i v e r t e do nt h el e v e lo f s e r v i c eo nt h e r e p l a c e r o u t e ，s t u d yo nt h ep r e d i c t i o na n dc o n t r o lo f t r a f f i cv o l u m e sd i v e r t e d ，s t u d yo n t h ec o n t r o lo f t r a f f i cv o l u m e so nt h ec o n g e s t e dr o u t ea n ds t u d yo nt h em e t h o d s f o ru r b a n t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g u n d e rt r a f f i cf l o w g u i d a n c e i nt h es t u d yo nt h ep r i n c i p l ef o rt h er a t i o n a lg u i d a n c eo f u r b a nt r a f f i cf l o w , i n f l u e n c eo f t r a v e l e r st r a v e lb e h a v i o ro nt h ed i s t r i b u t i o no fn e t w o r kt r a f f i cf l o w i sc o n s i d e r e di nt h e d e s i g n o ft h e p r i n c i p l e o fr a t i o n a lg u i d a n c e ，a n dt h e v i e w p o i n t t h a tt h es i m u l t a n e i t yo f g u i d a n c ea n dc o n t r o lo f t r a f f i cf l o wi st h ek e y t or e a l i z et h er a t i o n a l g u i d a n c ei sg i v e n t h em e t h o do fu s i n gf u z z yl o g i c r e a s o n i n gt h e o r yi sp r o p o s e dt op r e d i c tt h ei n d u c e dt r a f f i cv o l u m e sa n dd e s i g n t h es i g n a lt i m i n gi nt h ei n t e r s e c t i o ni nt h i ss e c t i o n o n ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a l p r o b l e mi n t h ei n t r o d u c t i o no ft r a f f i cf l o w g u i d a n c ei n t ot h eu r b a nr o a dn e t w o r ki st h ep r e d i c t i o na n ds u p p l yo ft r a f f i c 上海变通大学博士后科研工作报告 c o n g e s t i o n i n f o r m a t i o ni nt i m e t h es i m p l e a n a l y s i s m e t h o di s p r o p o s e d t o f o r e c a s tr e a l - t i m et r a f f i cc o n g e s t i o nd e g r e eb ye s t a b l i s h i n gt h em o d e lo fv e h i c l e a r r i v a lr a t ea n dr o u t ec a p a c i t yb a s e do nt h ed e t e r m i n i s t i cq u e u i n gd i a g r a mt k s m e t h o dc a np r e d i c t t i m e l y d r i v e r s d e l a yt i m ea n dg u i d e t r a v e l e r s r o u t i n g c h o i c e t h es u p p l yo fr e a l t i m et r a f f i cc o n g e s t i o ni n f o r m a t i o nm a k e ss o m et r a f f i c v o l u m e sd i v e r t e dt ot h er e p l a c er o u t ew h e nt r a f f i cc o n g e s t i o nh a p p e n si nt h e n e t w o r k t h ed i v e r t e dv o l u m e sm u s tj n f l u e n c et h el e v e lo f s e r v i c eo f t h er e p l a c e r o u t e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a f f l cd i v e r s i o na n dt h el e v e lo fs e r v i c eo ft h e r e p l a c er o u t eu n d e rt h en o n r e c u r r i n gi n c i d e n t si s s t u d i e dq u a n t i t a t i v e l ya n d q u a l i t a t i v e l yb ye s t a b l i s h i n g as i m p l et r a f f i cn e t w o r ka c c o r d i n gt ot h ea c t u a l t r a f f i cs i t u a t i o ni ns h a h g h a ic i t yo f c h i n ai nt h i ss e c t i o n t h es t u d yi n d i c a t e st h a t t h ed i f f e r e n tp e r c e n t a g eo fd i v e r t e dt r a 伍cv o l u m e sh a v et h ed i f f e r e n ti n f l u e n c e o nt h el e v e lo fs e r v i c eo ft h er e p l a c er o u t e ，a n di ts u g g e s t e dt h a tt h ed i v e r t e d t r a f f i cv o l u m e sm u s tb ep r e d i c t e da n dc o n t r o l l e di no r d e rt om a i n t a i nt h e e x p e c t e d l e v e lo f s e r v i c eo f t h e r e p l a c er o u t e f u z z yr e a s o n i n gt e c h n i q u ei su s e dt oe s t i m a t et h ed i v e r t e dt r a f f i cv o l u m e s b ya n a l y z i n gd r i v e r sr o u t ec h o i c eb e h a v i o ru n d e rt r a f f i cf l o wg u i d a n c e ，a n da s i m u l a t i o nt e s ti su s e df o ra n a l y s i so ft h er e s e a r c hr e s u l t s af u z z yc o n t r o l f r a m e w o r k ，i nw h i c ht h e m e a s u r e m e n tm o d e lo fc o n g e s t i o ni s a p p l i e d t o e v a l u a t et h e c o n g e s t i o nd e g r e e o ft h er e p l a c er o u t ea n dt h ef u z z yc o n t r o l a l g o r i t h m i sa p p l i e dt od e s i g nt h ei n t e r s e c t i o ns i g n a ls e t t i n go f t h er e p l a c er o u t e f o rk e e p i n gt h ee x p e c t e dt r a f f i cl e v e lo fs e r v i c e , i sd e v e l o p e dt os t u d yn e t w o r k p e r f o r m a n c ew h e n t h en o n r e c u r r e n tt r a f f i cc o n g e s t i o nh a p p e n si nt h en e t w o r k i nt h ep r e s e n c eo fi n f o r m a t i o nt h ef r a m e w o r ki si l l u s 打a t e db yd e t e c t i n gt h e t r a f f cv o l u m e si nt h er e p l a c er o u t ea n dc o n t r o l l i n gt h et r a f f i cv o l u m e sa tt h e s a m et i m e i ti sr e q u i r e dt 0g u i d ed r i v e r st od i v e r tt ot h ea l t e r n a t i v er o u t ew h e nn o n 摘要 鬯皇篁鼍鼍鼎皇e 曼寰! 鼍i i u l , i , i , i u , ii , , , , , i i 糕! ! ， r e c u r r i n gc o n g e s t i o nh a p p e n si nt h en e t w o r k a sw e l la sc o n t r o l l i n gt h et r a f f i c v o l u m e si n t ot h ec o n g e s t e dr o u t e t h ea r r i v a lr a t eo fv e h i c l e sd e c i d e st h e m a g n i t u d e o ft r a f f i cv o l u m e sc o n t r o l l e d ，s ot h ec o n t r o lo b j e c t i v ei s d e s i g n e da s t h ea r r i v a lr a t eo f v e h i c l e sl e s st h a nt h er o u t ec a p a c i t yw h e ni n c i d e n th a p p e n s a f u z z yl o g i cr e a s o n i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h et r a f f i cv o l u m e so f c o n g e s t e dr o u t e ，a n d as i m u l a t i o n a n a l y s i s i sa l s og i v e ni nt h i s p a p e r t h e a n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sf u z z yr e a s o n i n ga l g o r i t h m ，t os o m ee x t e n t ，c a n t a k ep l a c eo ft r a f f i ce n g i n e e r s m a n a g e m e n tw o r k sa n dr a i s et h ee f f i c i e n c yo f c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t t h ei n t r o d u c t i o no ft r a f f i cf l o wg u i d a n c ei n t ot h er o a dn e t w o r kc h a n g e s p e o p l e st r a v e l i n gb e h a v i o r i nt h ep a s t t h ec o n v e n t i o n a lt r a v e ld e m a n dm o d e l s n e e dt ob ei m p r o v e d an e w m e t h o d o l o g i c a lf r a m e w o r k o f t h e i n t e g r a t i o no f t h e c o n v e n t i o n a lt r a v e lg e n e r a t i o nm o d e la n dt h e d y n a m i c t r a f f i cs i m u l a t i o nm o d e li s p r o p o s e di n t h i ss e c t i o nt o s t u d yu r b a nt r a n s p o r t a t i o np l a n n i n gu n d e ru r b a n t r a f f i cf l o wg u i d a n c e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ；t r a f f i cf l o wg u i d a n c e ；t r a f f i c c o n v e r g e n c e ；c o n g e s t i o nd i v e r s i o n ；f u z z yr e a s o n i n g ；f u z z yc o n t r o lt h e o r y ； r o a dl e v e lo f s e r v i c e ；t r a f f i cc o n t r o l i l l 第章绪论 墨, r o 旨l l 皇毫_ 墨詈量詈皇皇皇鲁等量鲁皇鼍阜曼曼曼曼曼曼皇曼! ! 曼 第一章绪论 本章简要地介绍了国内外城市智能交通系统的发展和实施应用情况， 以及中国未来的i t s 主要研究领域。针对i t s 实施可能产生的“交通积聚” 和“拥挤转移”这两个不合理的交通现象，提出了城市交通流合理诱导的 基本思想和研究的意义，并提出了本文的主要研究工作。 1 1 城市智能交通系统的发展和实施概述 随着全球科学技术的飞速发展，计算机技术、网络技术和通讯技术已 逐步渗入到城市交通管理中。利用现代化科学技术管理城市交通，合理地 和科学地引导和控制交通流，有效地提高现有交通网络的运行效率，这是 城市交通管理发展的必然。智能运输系统正是在这种情况下提出来的。 “智能运输系统”是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控 制技术以及计算机处理技术等综合运用于整个地面运输管理体系，建立起 一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时的、准确的和高效的公路运输 综合管理系统。这令系统将汽车、驾驶员、道路及其相关的服务部门相互 连接起来，并使汽车与道路的运行功能智能化。具体地说，该系统将采集 到的各种道路交通及服务信息经交通管理中心集中处理后，传输到公路运 输系统的各个用户( 驾驶员、居民、警察局、停车场、运输公司、医院和 救护排障等部门) ，使得用户能够根据信息进行管理和决策。 利用i t s ，出行者可进行实时出行时间和出行路线的选择；交通管理 部门可自动进行合理的交通流诱导、控制、事故的提前预报和处理；运输 部门可随时掌握车辆的运行情况，进行合理的调度。从而使路网上的交通 流处于最佳的运行状态，最大限度地提高路网的通行能力。目前i t s 的部 分研究成果己在一些国家中得到了应用和发展。 国外发达国家的i t s 领域中交通管理系统的主体是以视频信号采集和 激光、微波传感器为主的交通信息采集系统，以大型可交情报板、交通广 播和车载信息系统为特色的信息发布系统，以大型背投式显示系统为核心 的交通监控中心以及以光缆为主体配以专用短程通信的信息传输系统和 上海变通大学博士后研究工作报告 带有人工智能特色的软件系统 1 。目前，我国已经建立并开始使用的智 能交通系统包括以下方面：1 ) 交通控制系统；2 ) 交通监视系统；3 ) 交 通管理系统；4 ) 交通信息动态显示系统；5 ) 交通疏导系统；6 ) 交通运 输安全报警系统；7 ) 闯红灯违章监测系统：8 ) 驾驶员考试系统；9 ) 交 通事故快速勘查系统；l o ) 电子收费系统 2 。总之，i t s 已是世界各国城 市交通发展的主流，是城市交通发展不可缺少的管理手段。 美国 进入2 0 世纪8 0 年代后期，公路交通进入了新的发展阶段，以i t s 的 研究开发为标志，现代公路交通开始步入智能化时代。美国自1 9 9 1 年开 始构思i t s 。1 9 9 4 年1 0 月份以前美国称“智能车辆公路系统( i n t e l l i g e n t v e h i c l eh i g h w a ys y s t e m s ，i v h s ) ”，1 9 9 4 年1 0 月份以后改为i t s 。目 前，美国国家i t s 体系结构包括7 个基本系统2 9 项用户服务功能以及6 0 个市场包，它们共同构筑了未来美国i t s 的研究领域。基本系统包括：1 ) 出行和运输管理系统；2 ) 出行需求管理系统；3 ) 公共交通运营系统；4 ) 商 用车辆运营系统；5 ) 电子收费系统；6 ) 紧急事件管理系统；7 ) 先进的车辆 控制和安全系统。 从1 9 9 1 1 9 9 7 年美国共投入6 6 亿美元研究开发i t s 项目。根据i t s a m e r i c a 发布的消息，开始于1 9 9 8 年1 2 月的美国国家i t s 发展战略计划 目前已经完成，下一步研究计划的主题是“运用智能交通系统挽救生命、 节省时间和金钱”。在最近公布的美国公路运输发展新走向一美国运输部 发展规划中，提到以继续提高公路运输系统的机动能力为发展前提，把降 低公路交通拥挤和推进i t s 及其技术的加速应用作为研究的重点。 欧洲 欧洲早在1 9 8 6 年就开始了大规模的i t s 研究，如著名的d r i v e ( d e d i c a t e dr o a di n f r a s t r u c t u r ef o rv e h i c l es a f e t yi ne u r o p e ) j 十 划和t e n t 计划。t e n t 是1 9 9 5 年一1 9 9 9 年欧盟委员会推进的以实现多方 式信息服务为目的的横贯欧洲交通信息服务网络，t e n t 覆盖了交通运输 的各个方面，包括高质量的公路、铁路、港口、机场和内陆航运，这是欧 第一章绪论 洲i t s 持续发展的关键所在。 日本 日本在八十年代后期开始了i t s 方面的研究，未来日本智能交通系统 的研究领域将主要包括9 个方面。这9 个方面为：1 ) 先进的导航系统：2 ) 电子自动收费系统；3 ) 安全驾驶支援系统；4 ) 交通管理最优化；5 ) 道路高 效管理系统；6 ) 公交支援系统；7 ) 车辆运营管理系统；8 ) 行人诱导系统； 9 ) 紧急车辆支援。 中国 为推动中国i t s 的发展，2 0 0 0 年2 月2 9 日，科技部会同国家计委、经 贸委、公安部、交通部、铁道部、建设部、信息产业部等部委相关部门的 充分协商和酝酿的基础上，建立了发展中国i t s 的政府协商领导机构一全 国智能运输系统i t s 协调指导小组及办公室，并成立了i t s 专家咨询委员 会。科学技术部文件( 国科发计字 2 0 0 2 1 8 7 号) 指出，建立健全畅通、安 全、便捷的现代综合运输体系，加快智能型交通的发展是我国社会经济发 展的需求，也是我国”十五”交通建设的发展方向。针对中国实际，开展智 能交通系统( i t s ) 的关键技术、关键产品开发和应用示范，对提高我国 交通管理水平和运输效率、办好2 0 0 8 北京奥运会以及培育新的国民经济 增长点都将有着积极的意义。目前，“十五”国家科技攻关计划“智能交 通系统关键技术开发和示范工程”项目已经实施。这些攻关项目包括： 1 ) 智能交通系统项目评价方法的研究 2 ) 快速路系统通行能力研究 3 ) 基础交通信息采集与融合技术研究 4 ) 城市公共交通系统优化技术研究 5 ) 智能交通系统数据管理技术研究 6 ) 智能交通系统应用试点示范工程 7 ) 北京”科技奥运”智能交通系统技术开发与应用 上簿变通大学博士后碍f 究工作报告 8 ) 跨省市和国道主干线电子( 收费) 支付研究与应用 9 ) 具有我国自主知识产权的面向i t s 领域的应用软件开发 1 0 ) 汽车安全辅助装置开发 1 1 ) 车载信息装置开发 1 2 ) 专用短程通信设备开发 1 3 ) 交通信息采集设备开发 1 4 ) 发展战略和标准规范研究 1 5 ) 智能交通系统体系框架支持系统开发和技术跟踪 1 6 ) 智能交通系统社会环境体系的建设 目前，科技部已确立了上海、北京、青岛、广州等1 1 个城市为i t s 试点城市。因此，i t s 关键理论和实施技术在我国条件下的应用研究，必 将是未来我国交通运输领域学者的主攻方向，而且城市交通流合理诱导问 题的解决也将标志着i t s 有关项目的成功实施。 1 2 交通流合理诱导问题的提出及意义 运输是个城市社会经济发展和提高人民生活水平的推动力。城市人 民现代化的生活，需要运输提供出行所必须的机动性、舒适性和安全性。 然而，我国的城市交通仍存在着许多问题，严重制约了中国城市的发展， 这些交通问题更是亟待解决。目前，我国大中城市面临的交通问题主要是： 1 ) 私有轿车拥有量不断增加。据统计，从1 9 9 8 年到1 9 9 9 年，上海市的 私人轿车拥有量增加了1 1 8 ，北京增加了1 3 9 。不仅如此，随着中 国加入w t o ，轿车进口关税的降低，更刺激了中国的轿车市场，私人轿车 拥有量正飞速增长：2 ) 交通拥挤频繁发生。我国国内百万人以上的大城 市每年由交通拥挤造成的直接和间接经济损失约计1 6 0 0 亿元；3 ) 运输系 统利用率不高。以上海市为例，运输系统利用率不到l 2 。这些问题产生 的后果是：出行者出行时问不能保证、行驶安全性和机动性降低、燃料浪 第一苹绪论 费和环境污染等。从国外发达国家的交通运输发展历程来看，只有开发智 能运输系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 才能从根本 上解决城市交通问题。城市交通流诱导是i t s 实施的关键理论和技术之一。 i t s 的实施为我们这个通信和信息社会提供了从根本上解决城市交通 问题的途径。i t s 是一个应用信息、通信和控制技术以改善运输网络实施 的系统。i t s 实施具有三个最基本的特性：信息、通信和各种系统的集成。 这三个特性能够使运输系统实施者和出行者作出更好的和相互协调的决 策，从而提高运输系统的使用效率。在目前i t s 提供的各种系统中，先进 的出行者信息系统a t i s ( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f e r m a t i o ns y s t e m s ) 以其 能够交通流诱导，即通过为出行者提供实时交通信息，引导出行者出行时 间选择、出行路线选择、出行方式选择、拥挤改道和停车场选择等，极大 地提高了城市道路网络的使用效率，而得到各国政府的高度重视。 从我国未来的城市交通管理发展来看，i t s 的实施是必然的，诱导出 行必将是我国城市交通管理的重要手段。目前，中国政府高度重视i t s 在解决中国城市交通问题中的应用。最近国家计委和科技部共同发布了 当前优先发展的高技术产业化重点领域指南( 2 0 0 1 年度) ，确定了当前 应优先发展的十个产业的1 4 1 个高技术产业化重点领域，其中智能运输 系统确定为现代交通领域优先发展的重点产业，而高速公路控制、诱导、 管理系统集成软件和交通规划与交通特性分析成套软件是i t s 发展的两 个重点领域。交通部颁布的( 2 0 0 1 2 0 1 0 年公路水路交通行业政策及产业 发展序列目录的第3 5 条，提到鼓励开发适合我国国情的i t s ，并指出 加强对道路运输应急系统等关键技术的研究。根据公路、水路交通的“十 五”计划和公路、水路交通信息化“十五”发展规划，十五期间i t s 领域的研发重点包括高速公路紧急事件管理系统。由此可见，i t s 已是中 国城市建设的重点工程。 目前我国有上海、北京、广州、济南等1 1 个城市被国家科技部列为 i t s 试点城市。上海市科技发展基金项目“上海市地面机动车交通信息采 集、处理和发布系统”的研究，表明了上海市正在加快实施智能运输系统， 城市交通流诱导将是未来城市交通管理的重点。然而，通过我们长期对i t s 上簿交通大学博士后研究工作报告 实施技术的研究，发现由于出行者的偏好以及交通管制滞后等原因，交通 流诱导后，驾驶员的路线选择行为导致的网络交通流重新分配可能出现两 种交通拥挤现象，即“交通集聚现象”和“拥挤转移现象”。 交通集聚现象产生的主要原因是由于出行者的出行偏好造成的。根据 i t s 提供的路网交通信息，具有相同出行偏好的出行者往往会选择相同的 出发时间和相同的出行路线，这样就会导致路网交通流分布不均匀，使某 些路线拥挤，而同时又使某些路线交通设旌闲置。目前，上海市区的交通 集聚现象非常严重，在早晚高峰期，高架路交通非常拥挤，而相邻街道的 交通流量却很少。同样在北京市，当车辆从外环线向市中心行驶时，这种 现象也经常发生。研究表明，道路交通状况改善得越好，交通集聚现象越 严重。 拥挤转移现象产生的主要原因在于控制策略实施的滞后。当网络发生 突发事件引起交通拥挤时，可通过i t s 提供的诱导信息实施交通分流，引 导驾驶员转向可替换路线。但由于可替换路线的控制策略不能及时改善， 合理的分流交通量不能及时发送给驾驶员，则会导致大量的车辆涌向可替 换路线，这又可能引起可替换路线的交通拥挤。此时，即便采取了交通分 流策略，拥挤也会蔓延，车辆的运行时问也得不到保障，网络性能同样会 下降。 毫无疑问，交通集聚、拥挤转移是由于交通流诱导而在交通分流中可 能产生的两个负效应，如果不能得到及时有效地解决。势必对城市交通网 络的性能、交通运输规划的实践以至i t s 作用的发挥都将产生极大的负面 影响。因此，城市交通流诱导必须考虑合理诱导问题。 城市交通流诱导是智能运输系统的重要组成部分，是解决城市交通问 题的关键。通过对城市交通流合理诱导问题的研究，可望在提高城市交通 运输系统运行效率、降低能源消耗和环境污染方面做出有益的工作，同时， 在坚持i t s 基本思想的前提下，通过对城市交通运输规划理论与方法的改 进和城市交通控制系统的改进，在基础理论与应用方法方面研究出有实际 参考价值的成果。 本出站报告基于下列科研项目： 第一章绪论 上海市教委重点项目城市交通可持续发展中交通规划新方法的研究 中国媳士后科学基金资助项目拥挤转向交通量估计及控制的模糊推 理算法 上海市博士后科研资助项目基于信息技术的城市交通流诱导与控制 研究 1 - 3 本报告的主要研究工作 本报告的研究主要涉及到对城市交通流合理诱导的理论、方法和实施 技术的研究。其主要研究工作为： 交通流合理诱导的基本原理研究 反映交通拥挤程度的指标预测研究 分流交通量对替换路线服务水平的影响研究 分流交通量的预测研究 分流交通量的控制研究 拥挤路线交通量的控制研究 i t s 条件下的城市运输规划方法研究 1 4 本章小结 城市交通流诱导是i t s 实施的关键技术。然而，城市交通流诱导在城 市交通网络中的引入，必然引起网络中交通流量的重新分配。重新分配的 交通流量对网络性能产生影响，两种不合理的交通分配现象，即“交通积 聚”和“拥挤转移”现象降低了运输网络性能，影响了交通流诱导技术的 有效实施和发展。针对这个问题，本报告提出了城市交通流合理诱导的基 本思想。 如何合理诱导交通流是交通流诱导技术实施的一个非常重要的理论 问题，也是i t s 实施后，全球目前面临的主要解决的问题。目前国外虽有 一些交通运输领域的专家学者认识到了这个问题，但没有系统深入地进行 上海交通大学博士后耐f 冤工作报告 ii l l l i 研究。本报告将对交通流合理诱导的基本原理、分流交通量对替换路线服 务水平的影响、反映拥挤程度指标的预测，分流交通量的预测和控制、拥 挤路线交通量的控制和i t s 条件下的城市交通运输规划方法等进行研究， 从整体上对交通流合理诱导问题的解决建立一个系统的、科学的解决思 路，为城市交通管理者进行决策时，提供参考。 第二章城市交通流合理诱导的基本顾理 第二章城市交通流合理诱导的基本原理 本章首先对城市交通管理的发展进行了概述，其次对城市交通流诱 导在理论上和方法上的研究进行了回顾，提出了只有为驾驶员提供合理 的分流交通量信息，并对分流交通量进行控制，才能从根本上实现交通 流合理诱导的基本原理。 2 1 城市交通流诱导的理论和方法回顾 2 1 1 城市道路网络管理的发展 从二十世纪六十年代以来，在城市交通领域里，相继闯世了许多“智 能”系统，如动态标识板、监控系统、车辆自动检测系统、公共汽车定位 和优先系统，以及城市交通控制系统。然而，这些系统之间没有进行信息 的有效分配，没有提供能够影响出行者出行行为和监视目标实施的信息， 没有最有效地使用可行技术，尤其是计算机技术和通信技术。上述问题导 致的结果是系统之间很少进行体化研究或进行信息共享，使许多交通专 家学者不能成功地降低系统实施和运行成本。 多少年来，交通领域的专家学者都把降低车辆的全部延误时间作为使 用道路网络的基本目的 3 。最近几年，由于i t s 的深入研究，城市交通 网络的管理目标也在扩展，现在的管理目标包括： 1 ) 对出行者出行行为的影响，尤其是对运输方式选择、路线选择和出行 时间选择方面的影响； 2 ) 降低城市交通对周围环境的影响； 3 ) 公共汽车优先权； 4 ) 为行人、骑自行车者和其他易受伤害的道路使用者提供更好和更安全 设施； 5 ) 限制敏感区域的交通； 上海交通大学博士后研究工作报告 6 ) 更有效地对需求和拥挤进行管理。 为了满足上述的网络管理目标，单独依赖于城市交通控制系统是不能 完成的。因此，相应的城市交通管理系统随着i t s 的不断研究而提出，如 先进的交通管理系统( a t m s ) 和先进的驾驶员信息系统( a d i s ) 。英国的 运输研究实验室( t r l ) 于1 9 9 3 年，代表英国的运输部( d o t ) ，更新了 城市交通控制系统( u t c s ) ，以期具有适应更广泛的网络管理目标的能力。 其中一部分的研究工作就是将“管理”引进u t c s ，即建立一种基于u t c s 的“城市交通管理和控制系统( u r b a nt r a f f i cm a n a g e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m s ，u t m c s ) ”。这种系统利用u t c s 的硬件设备( 如交通信号控制 器和检测器) 和应用软件( 如s c o o t 系统的应用软件) ，将一部分管理工 作加进u t c s 中，使决策者能够灵活地发展和选择控制目标，使交通管理 由被动变为主动，更好地适应目前的交通状况。另一种应用于城市交通管 理的系统，即“城市交通流诱导系统( u t f g s ) ”亦在世界某些国家进行 研究，期望通过向驾驶员提供实时交通信息，诱导其行驶，以改善目前的 交通状况。 2 1 2 城市交通流合理诱导研究的理论和方法回顾 实时交通分流和路线选择是缓解突发性交通拥挤的最有效方法之一。 然而，随着i t s 研究和应用的不断深入，交通领域的专家学者也逐渐认识 到实时交通分流，不仅能够极大地改善城市交通环境，缓解交通拥挤，而 且同时也会对城市交通系统产生负面影响。本文将从理论上和研究方法上 对国内外研究现状进行分析。 理论上 b o bm c q u e e n 和j u d ym c q u e e n 于1 9 9 9 年在他们出版的一书 ( ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s a r c h i t e c t u r e s ) ) 4 】中，提出了两个问题： 一个是“i t s 将提供什么样的数据和信息能够改善我们对出行需求和运输 系统动态性的理解”，另一个是“i t s 的实施将如何影响目前预测和规划 基于的土地利用模式和出行摸式”。这两个问题的提出，表明国际