深圳关内外交通拥堵探究与治理

题目：深圳关内外交通拥堵探究与治理摘要本文主要就深圳各关口交通拥堵的深层原因，影响梅林关交通拥堵的直接原因以及如何缓解交通拥堵的问题展开了讨论。对于问题一，本文首先对附件 1 的数据进行筛选，去掉不合理的数据，修改异常的数据；然后通过分析车速，车流量以及车道数三者之间的关系，建立交通拥堵指数模型。任意选取其中的两个关口和各关口的任意两天绘出其交通拥堵指数的变化图像，对交通拥堵情况进行分级讨论。最后结合深圳的实际情况，得到造成各关口交通拥堵的深层原因是经济的增长以及造成梅林关交通拥堵的直接原因是其关口道路布局存在缺陷。而今后进一步研究关口广场拥堵问题所需交通数据的采集侧重内容为出入关口的车流量密度，该路段的红绿灯个数以及周末与节假日的车流量。对于问题二，首先我们先了解了深圳城市分区功能以及形成原因，探讨城市分区功能对交通流量的影响；然后对改变关口区域功能架构，我们通过建立同心圆模型缩短不同城市功能区域的距离与减少各功能分区的面积，进而减少了交通流量，缓解交通压力。最后在交通管控措施方面，我们通过优化路网结构，大力发展公共交通，利用潮汐车道等措施来减少其拥堵指数。关键词：交通拥堵 交通拥堵指数 同心圆模型一、问题重述为了解决这一长期困扰深圳发展的问题，政府在道路建设上投入了大量的资源。目前，主要关口道路的互联互通程度越来越高，直接增加了关口交通管控工作的复杂度。与此同时，大规模的基础设施建设也对交通信息采集设备的完好性和可靠性造成了不良影响，从而使关口交通管控和事故应急处理决策愈加困难。因此，使用数学方法对不完整的交通信息进行建模分析，就成为定量分析关口交通特性及构成要素的重要手段。如果能在不断修正、调整的基础上取得较可靠的分析结果，将对制定有效、合理的交通管控及事故应对方案提供有益的帮助。本题附件给出了交警部门记录的各主要关口进出通道瓶颈断面代表时段的交通流量、对应车速数据和行车道数，对拥堵严重的梅林关还以样本抽取方法给出了部分与关口广场连接道路对应时段的相关参考数据。请根据这些数据以及你收集到的深圳城市功能分区规划、以及实际城市发展等方面的相关资料分析讨论以下问题：1.分析造成各关口拥堵的深层原因。以梅林关为例，考虑信息不完备的影响因素构建关口交通模型，分析造成关口广场区域高峰期拥堵的直接原因，对关口广场各连接道路进行分类或定出拥堵指数；根据你的模型参数，给出今后进一步研究关口广场拥堵问题所需交通数据的采集侧重内容建议。2.在不增加关内外通道数量的情况下，能否通过调整城市分区功能、改变关口区域功能架构以及改善交通管控措施等来缓解梅林、布吉等关口的交通拥堵；3.如果可以增加关内通道，试问应选在哪些地方（不考虑建设成本） 。二、模型假设1.排除交通事故发生、自然灾害、恶劣天气、阻塞发生时车辆状态等的影响；2.假设关口无红绿灯，无人行道；3.假设司机均能做到按交通规则进行行车；4.假设题中所给的数据真实可信；5.假设一段路上的多条道上车流量较平均，即没有所谓内侧道车流量多，外侧车流量少；6.假设关口检查站不对车辆进行检查；7.假设各交通基础设施是正常工作的；三、符号说明符号 意义k交通拥堵指数Q单位小时内的车流量v车速n车道数四、问题分析4.1 问题一我们建立相关的关口交通模型，并确立拥堵指数,对同一关口多天内不同时间的拥堵指数，不同关口一天内各个时间拥堵指数进行对比分析，建立数据处理及数理统计模型，同时建立起车道数目，车流量及拥堵指数间的数学关系，结合对实际情况的猜想，对各关口拥堵的深层原因给予解答。以梅林关为例，通过模型， 确定函数关系里各变量对拥堵指数的影响，分析造成关口拥堵的直接原因，并依据此原因，分析关口广场拥堵问题所需交通数据的采集侧重内容。4.2 问题二结合深圳的交通实际情况，道路网分布及深圳市的规划，我们对深圳市的交通拥堵状况作出改善建议。首先我们先了解了深圳城市分区功能以及形成原因，探讨城市分区功能对交通流量的影响；然后从各功能区域的距离与面积对交通流量的影响进行分析，研究关口功能区域架构对交通流量的影响；最后在交通管控措施方面，我们通过优化路网结构，大力发展公共交通，利用潮汐车道等措施来减少其拥堵指数，从而减缓关口交通压力。4.3 问题三通过对前两问的分析，得到了车道拥堵的原因是由于关口是多个车道的汇合点，从而导致车流量超过关口所能承受的容量。因此，我们通过对关内各个路口车流量的分析，结合现有关口在整个市区分布情况与其交通拥堵状况的相关联系，得出关口密度及车道数量与交通拥堵指数的函数关系，建立数据图表分析模型，通过最优化方法，分析新关口最优化设置节点位置，得到最应在关内增加通道的位置节点。通过新修建四条道路的方案（倒 U 型）来缓解交通压力。五、模型的建立与求解5.1 问题一的建模及求解5.1.1.各关口造成拥堵的原因（1）我们定义在某一单位时间内单一车道的单位长度上分布的车辆数为描述交通拥堵的交通拥堵指数 ，其运算公式如下：k20vnQ其中：Q单位小时内的车流量；v车速；n车道数；交通拥堵指数是一个连续变量,指标值的大小代表了不同的交通运行状态和拥堵强度，值越大则评价时段内的道路运行状态越差，拥堵强度越大；反之，道路的运行状态越好，拥堵强度越轻。本文中将采用深圳市发布的交通拥堵指数 的取值范围为 0-5，分为畅通（ 0-1） 、基本畅通（1-2） 、缓行（2-3） 、轻度k拥堵（3-4 ） 、和拥堵（4-5）等五个等级。 【1】 表示如下：拥 堵轻 度 拥 堵缓 行基 本 畅 通畅 通5-432-10k 5.1.2 时间对关口交通拥堵的影响我们根据附件 1 中给出的数据，任意抽取了其中两个关口（清坪快速清水河，107 国道南头）在给出数据的 7 天内各小时的交通拥堵指数变化情况。通过上述图像可以看到，交通拥堵指数变化趋势大致呈现“ M ”型，出现交通拥堵主要集中在早上8点左右及傍晚18点左右，该时间段是人们上班下班的高峰期。因此可以得到各关口交通拥堵的深层原因之一是上班下班时车辆通行较为集中，在一个较短的时间范围内大量车辆同时通过同一关口，造成交通拥堵 2。根据附件1中给出的数据，任意抽取了其中两天（1月8号，1月11号）多个关口的交通数据，得到各个关口的交通拥堵指数变化情况如下图所示： 通过图形可以看出，各路段在上下班期间车辆数相对于其他时段的车辆数较高，同一时间段不同关口的拥堵指数情况相差较大，尤其图中选出的几个关口，107 国道南头关口的交通拥堵指数明显大于其他关口。综上所述，经济增长伴随的车流量压力增大，道路建设又刺激了交通需求的增长，进而最终导致车流密度持续增加。而落后的交通信息调度，伴随车流密度的增长，衍生出越来越严重的交通拥堵问题，尤其是在上下班期间更为显著。关口名称路段或路口名称 断面及方向车道数20130402早高峰流量(辆/h)车速20130402晚高峰流量(辆/h)车速梅林关 梅观公路梅观公路普滨加油站南行-北-战略7 4810 8km/h 5790 12km/h梅观公路南行-市区方向 4 3931 7.5km/h 4104 49km/h梅观公路南坪立交桥下北行-南-战略5 3370 63km/h 4034 48km/h南坪快速 南坪快速路1.3公里东行-西-战略 4 3671 46km/h 4094 54km/h南坪快速路1.3公里西行-东-战略 4 4825 43km/h 3987 55km/h由上表可以看出梅观公路普滨加油站南行早高峰的车流量（4810辆/h）与南坪快速路1.3公里西行的车流量（4825辆/h）相近，梅观公路普滨加油站南行的车道数（7条）比南坪快速路1.3公里西行的车道数（4条）多，但南坪快速路1.3公里西行的车速（43km/h）却比梅观公路普滨加油站南行的车速（8km/h）快得多，由此可以看出车道数不是影响梅林关交通拥堵的直接原因；同样的，由梅观公路南行早高峰的车流量（3931辆/h）与其晚高峰的车流量(4104辆/h)较接近，可是其晚高峰的车速（49km/h）却比其早高峰的车速（7.5km/h）大，所以也可以得到车流量也不是影响梅林关交通拥堵的直接原因。而梅林关的关口道路布局存在缺陷，梅林关口两侧形成“关口广场” ，关内、外广场的关口通道数为：进关通道有11条，其中3条公交专用道（含两条进站车道） ，出关通道有6条，其中1条公交专用道；关内广场与南坪快递（以立交桥连接） 、彩田、皇岗路连接；关外广场与梅观高速、梅板大道、梅龙、民治路连接。入口较多与出口较少导致关内总车辆数增加，同时就增加了关内交通压力，又因为梅林关是一个大的交通枢纽，是多条道路的汇合点，所以造成了交通堵塞。所以说，关口的布局对交通的畅通有着不可忽视的影响。因此，造成梅林关交通拥堵的直接原因是其关口道路布局存在缺陷。今后进一步研究关口广场拥堵问题所需交通数据的采集侧重内容为出入关口的车流量密度，该路段的红绿灯个数以及周末与节假日的车流量。5.2 问题二的建模以及求解5.2.1 调整城市分区功能城市分区划分 3的主要依据是城市的规模和总体结构，在一定程度上也与其历史上的形成过程有关。但分区规划在我国起步较晚，深圳独特的城市发展方式和短周期的规划技术更新使其分区规划固有的不足凸显出来。5.2.2.调整城市分区功能，使交通成本可以得到降低深圳市关内外区分明显，关内主要演变成了以商业、服务业为主的商业区，而关外则是演变成了以发展工业的工业区和提供住房的居住区。归结起来,深圳市功能分区的形成、变更受到如下因素的影响：1、地租水平变化。在成都市人口、经济规模迅速膨胀的情况下，城市的环状圈层在向外扩展，地租水平提高使得象工业区和居住地等要求大规模用地的功能区块向城市的外围扩展，反过来促进城市规模增大，由此推知成都市未来的功能分区将形成以住宅区为主导，商业区起辅导，工业区遥相呼应的格局。2、道路网络变化。深圳市路网的改、扩、建都对原有的城市功能分区形态进行了大规模地改造使得追逐高利润的商业区不断向干道和次干道逼近，从而促使住宅区等向城市格网地块的内部和外围迁移 工业区沿道路末端分布。3、城市发展定位的更新。深圳市由早期的渔村向综合性城市过渡，再到如今休闲型城市建设城市通过行政、市场和法律等手段进行了大规模的产业结构和布局调整，工业区逐步从城市的中心向周边郊县搬迁为提升城市宜居性。因此在上下班时，城市分区的交界处交通难免发生拥堵状况。当城市功能分区越来与模糊，即每个功能分区的土地面积减小且相互融合时,交通成本可以得到降低。5.2.3 改变关口区域功能架构 从上图可知关内”包括罗湖区、福田区、南山区、盐田区， “关外”包括宝安区、龙岗区。关口是连接关内外的通道，因而对关口功能区域架构的改进即是对关口附近功能区的调整与改善。以梅林关为例，在梅林关南边的关内主要是以发展商业为主的商业区，在梅林关北边的关外主要是以居住地和农业用地为主的居民区和农业区，在此为简化考虑，可假设关内外只有商业区和居民区，面积相等，且各占半圆，不失一般性，假设两块功能区域所占地块的半径为R，不同分区及分布如下图所示。因此，改善前后，两个功能区的吸引力不变，即只需考虑改善前后两个功能区之间任意两点之间距离的变化，用几何画板画出在改善前后的变化利用重积分对改善前做出计算得任意点间距离平方和 41222112()()DIxydxyD、D 分别为图 1 中所示区域算出结果为 261849RI同理，可算出图二中任意两点间距离平方和 62148RII即得图二中关口区域功能采取的架构的总交通成本大于图一，因此可得出以下结论：同心圆模式的区域功能架构的总交通成本小于原来南北分界的交通区域功能架构。5.2.4 优化路网结构（一）关口道路网的布局形式缺陷关口道路布局对交通的畅通有着不可忽视的影响，在道路网布局方面 5，包括平面交叉路口车道数的设置，车道功能的划分，以及车道宽的的设置等都可能引发交通拥挤。深圳市由于自然地理原因分为关外、关内两区，从附件中我们可以得到各个路断的车流量，从这些车流量可以看出，在道路建设上是没有进行确切的评估，导致一个关口不同路段的拥挤程度不同。而在道路的整体布局上我们不难发现只抓主干道，不注重次干道、支路的建设的问题。这造成了道路密度低，交通流量过于集中，主/ 次干道、支路比例失调，特别是在主/ 次干道过渡或衔接路口、路段通行能力低，等等后果。出现道路维修、自然灾害及其他突发事件时，支路建设的不足又将对疏散工作带来不利影响，从而引发更严重的交通堵塞。（二）拓宽道路及打通断头路完善梅林、布吉等关口地区交通网络，优化路网结构，合理实现车辆的有效分流。梅观高速主要承担深圳中部地区对外交通及中部地区与特区组团中心间的快速交通联系，通过扩建梅观高速，增加快速路的辅道，并北移梅林收费站至清湖立交，实现过境交通与片区集散交通的分离，增强对沿线片区城市服务功能，降低市民交通出行成本。5.2.5 确立公交优先制度，大力发展公共交通。目前我国公交的运输效率在多种出行工具中是最低的。这其中不仅由于公共交通投入不足导致发展缓慢的原因，也包括目前道路状况还不能满足过多公交车辆行驶的情况。但公共交通的应用可大量减少道路上的车流密度，在一定时间内缓解交通拥堵。因此，可以设立更多的公交专线，提高公交车的运载效率。有目的的从已有交通需求中降低了机动车尤其是私家车上路的概率，从而降低交通需求，以减少关口通道的拥堵指数5.3 改善交通管控措施5.3.1 对新开通道路及新建交通系统的交通引导通过各类媒体不定期的对广大市民公布路网状况，包括既有道路的交通状况，新建道路的开通情况等，引导市民合理选择出行路径。5.3.2 建立统一的快速处理道路突发事件的联动机制对于道路突发事件的快速处理，建立从接到报案到处理完毕的一整套快速处理联动机制，大大降低突发事件的交通影响。由于资金的原因，目前交通管理部门可以对已有的交通设施进行功能发掘。例如对于监控设备的功能发掘，引进的交通管理系统在实际应用中遇到的问题解决，建立畅通的信息发布渠道等。结合实际可以发现，交通疏导的不及时导致可别路口产生严重拥堵现象，因此可知，交通信息的快速发布与有效疏导也是解决交通问题的有效途径。5.3.3 其他措施可以设立出租车待客点，减少突发情况时的损失；重新规划关口的交通网络，加长关口的通行长度，将某一点的交通压力释放到一条线或者一个面上；简化关口道路，减少红绿灯的个数，从而减少车辆等待时间，提升车速，减小拥堵指数等。5.4 利用潮汐车道，提高车道的使用效率5.4.1 深圳潮汐现象分析交通潮汐现象 6，是指由于城市中工作区域集中于城市中心而生活区域多集中于城市周围，在每天早高峰期往市区方向交通量大而出城方向交通量小，而晚高峰期却出现出城方向交通量大而进城方向交通量小的一种类似于潮汐涨落的交通现象。深圳市的交通也存在交通潮汐现象，特别是在梅林关和布吉关显得尤为严重和明显引发交通潮汐现象的主要原因是上下班高峰期的存在5.4.2 潮汐车道的作用潮汐车道，是特别针对早晚高峰期的交通潮汐现象，车道交通灯的指示方向可变换，各方向车道数量可调整的道路潮汐车道的应用可以在较低资金投入下，充分挖掘和利用即有城市道路资源。特别是在高峰期控制车道方向，可利用重交通量方向占用轻交通量方向一个车道来缓解交通压力、减少延误、提高服务水平以期改善交通潮汐现象造成的交通堵塞状况。结合梅林关口路段实际情况，控制改变车道行车方向可以适当缓解交通潮汐现象导致的交通拥挤因此，根据深圳各路段早晚高峰交通流量不同情况，我们可以对有条件的道路开辟潮汐车道，通过车道灯的指示方向变化，控制主干道车道行驶方向，来调整车道数。对提高道路通行能力，缓解交通拥堵有重要意义。5.5 流量大车速小的关口应增加通道对于问题三，通过对前两问的分析，得到了车道拥堵的原因是由于拥堵关口是多个车道的汇合点，从而导致车流量超过关口所能承受的容量，于是在只增加关内通道的限制条件下，就可以采用修建新车道来分解、疏散车流的方法，将拥堵的道路上的车流引到相对畅通的道路上。比如再增加环路或在市区内修建高架桥，都是相对不错的方法。通过对关内各个路口车流量的分析，本文提出了新修建四条道路的方案（倒 U 型）来缓解交通压力。假设驾驶者的目的地均匀，如果车道分散的越平均，那么车辆一般便分布更趋均匀，拥堵的可能性也就随之降低了。对于可以增加关内通道的情况，结合现有关口在整个市区分布情况与其交通拥堵状况的相关联系，得出关口密度及车道数量与交通拥堵指数的函数关系，建立数据图表分析模型，通过最优化方法，分析新关口最优化设置节点位置，得到最应在关内增加通道的位置节点。如图中的黑色线为增加的道路。从关外到关内的主要关口广场是梅关路，如下图的 1、2、3、4 几个入关口造成梅关路的拥堵。增加的道路可以使一部分车流量不通过梅关广场，直接进入关内。这样梅关路的交通拥堵得到缓解。1 代表梅龙路、民治路南行进入关口广场2 代表南坪快速路东行进入关口广场3 代表关口广场与梅观高速4 代表南坪快速西行进入关口广场A 为梅关路六、模型优缺点与模型推广七、参考文献1 深圳交委 21日发布交通指数，五级五色分辨拥堵/n/2012/1121/c202846-17752212.html2【1004-4914（2010）09-062-02】孙新梅解决城市交通拥堵问题的对策浅议 经济师2010年第9期3 朴庆日，吕斌，赵鹏军，城市功能区划的数量化方法研究及其应用_以深圳市南山区物流中心选址为例，，2013 年 5 月 6 日。4范玉妹 徐尔等著 数学规划及应用 第二版 冶金工业出版社；5 刘灿齐交通网络设计问题的模型与算法的研究，，2013 年 5月 6 日。6 深圳二线关潮汐车道设置的方案论证以梅林关和布吉关为例 (深圳职业技术学院学报)/Periodical_szzyjsxyxb201303011.aspx附录程序 1%107国道 (广深公路）南 头检查站南行-北-战略交通拥堵指数的变化情况%Q为单位小时 内的车流量； v为车速；n为车道数clcclearn=4;Q=xlsread（textdata1.xls） ；v=xlsread（textdata1.xls） ；x=0:23;y=zeros(24,24);for j=1:7for i=1:24tc(i)=