城市快速交通拥堵形成模拟和控制研究

本文是一篇硕士毕业论文研究，本文主要针对城市快速路交通流拥堵的热点问题进行研究。首先，通过分析国内外研究交通流拥堵机理的研究成果，总结了研究方法的优缺点；其次，分析了影响城市快速路交通状态的主要因素，并利用Python网路爬虫技术对长沙市万家丽路高架的交通流进行了分析，利用改进元胞传输模型对万家丽路高架由南往北的车流进行了仿真分析；最后，利用ALINEA算法对万家丽路高架入口匝道进行了控制，以达到缓解城市快速路拥堵的目的。

第一章绪论

1.1研究背景及意义
城市快速路系统作为城市道路交通网中的主动脉，主要承担出行者中、长距离出行，为机动车提供高效的交通出行环境，同时也是连接城市各区域或团组之间的纽带，以提高城市交通运行效率。目前，我国大部分城市都修建了快速路，尤其是北京、上海、广州、深圳等沿海发达城市，其快速路系统已经颇具规模。但是，由于机动车保有量的迅速增长、居民出行选择习惯以及快速路与周边普通路网的连通性等因素，短距离出行交通大量汇入快速路，频繁的车流交汇使得快速路的拥堵状况严重，其优势已经在逐渐消失，且城市快速路拥堵日趋严重。截止2015年年底，北京的快速路里程达到了382.2公里，上海快速路里程为197公里，并且还在不断的完善快速路的路网结构。但是实际上，大部分的快速路正遭受严重的交通拥堵困扰。根据《2017年度中国主要城市交通分析报告》显示，北京高峰时期拥堵延时指数为1.95，其中快速路的拥堵指数达2.5；济南高峰时期拥堵延时指数为2.01，其中快速路拥堵指数3.0ｍ。因此，如何缓解城市快速路拥堵的问题也成为了众多学者研究的重点，城市快速路交通拥堵一般可以分为两类，即常发性交通拥堵和突发性交通拥堵。经研究发现，城市快速路常发性交通拥堵主要是在与普通路网衔接处，即出入口匝道。快速路的出口匝道一般与城市普通道路的交通节点连接，交叉口通行能力较弱且受到信号灯的影响可能出现排队现象，使得出口匝道的车流无法得到及时的疏散，引发出口匝道交通拥堵，甚至倒灌到快速路主线上，从而影响主线交通流；当城市快速路入口匝道处车流量较大、发生频繁交织、车道数量发生变化时，都极易引发交通拥挤问题，尤其当与快速路衔接处的常规路网结构不完善，连通性不够，快速路是该片区对外唯一的联系通道时，拥堵最为严重。而城市快速路发生突发性的交通拥堵主要是在基本路段发生交通事故时，事故的发生会造成临时的动态瓶颈，从而影响主线车辆运行状态，随着事故的处理，这种瓶颈将会逐渐消失，其依据交通事故的大小，消散的时间长短不同。而城市快速路常发性交通拥堵发生的时间一般是在早晚高峰，在这期间大量的车辆涌入快速路，远远的超出了快速路的设计通行能力，从而使得快速路发生严重的交通拥堵，造成了严重的经济和时间损失。因此，缓解快速路拥堵已经成为一个亟待解决的问题，这也是本文研究的重点。
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1.2国内外研究现状及评述
1.2.1交通流模型和仿真模拟交通流模型是开展城市快速路交通流拥堵疏散机理研究的基础理论，依据不同的分类标准，交通流模型复杂多样，其中依据描述细节的程度，可以将交通流模型分为微观、中观以及宏观交通流模型，常用的交通流仿真模型一般为微观和宏观交通流仿真模型。
（1）微观交通流仿真模型
微观交通流仿真模型以车辆为研究个体，分析各个车辆间相互作用的关系，现阶段主要有跟驰、换道、元胞自动机等仿真模型。

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第二章快速路交通流拥堵特征分析

2.1交通流基本理论特征分析
2.1.1快速路系统特征分析
城市快速路具有很强的通过性交通特征，是城市道路交通中的“高速公路”，不仅具有城市普通道路的基本特征，如车流量大、车辆密度高、车辆交织严重、附属设施齐全等基本属性，还具备高速公路的一些特征，如无横向干扰、通行能力高、严格控制出入等属性。机动车是快速路主要的服务对象，并配套了安全、管理设施，其中央设有中央分隔带，容量大、速度快、车辆进出依靠匝道，被称作城市道路交通系统的“主动脉”。随着城市的快速扩张，快速路在城市客、货运系统中的交通战略地位日益突出。目前北京、上海、广州、深圳等城市已经形成了一个较为完善的快速路网系统，市内出行者的出行模式一般是“普通道路一快速路一普通道路”。
快速路作为城市快速交通发展导向的重要基础设施，在很大程度上引导和制约着城市空间结构的设计和调整，并以快速、高效、舒适的方式满足城市大容量的交通需求，支撑着城市的可持续发展。但是，近年来随着机动车的增加，城市快速路“快速、高效、舒适”的优势正在逐步消失，拥堵时常出现，出行效率急剧下降，出行者的正常生活工作受到了严重的影响。因此，如何改善城市快速路的运行效率，缓解发生拥堵和引导拥堵消散，成为了一个亟待解决的问题。

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2.2万家丽快速路交通流分析
2.2.1交通流状态分析
结合交通流的运行特征以及基本图理论，按照交通流的时空特性，城市快速路的交通流运行状态可以分为自由流、稳定流、拥挤流以及阻塞流四种状态。自由流状态的主要特征是速度快、占有率低、车辆行驶基本或者不会受到其他车辆的干扰，是一种趋于稳定的状态，速度不会发生质的变化。处于稳定流状态下的车辆能保持较快的速度自由行驶在道路上，占有率较高，道路的通行效率达到最大化。拥挤流状态的主要特点是交通流与占有率不存在明显的函数关系，交通流处于一种亚稳定的状态，速度产生质的变化可能性较大。阻塞流状态的主要特点是交通流速度较低，各个车道之间的速度基本趋于一致，速度甚至会出现零的状态，交通流出现停顿现象，在阻塞流中，交通流率和占有率存在明显的函数关系。结合交通流理论对万家丽路高架从南往北的速度——流量进行分析，如图2.2所示：

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第三章基于PYTHON网络爬虫的快速路交通流分析.......................19
3.1基于PYTHON网络爬虫数据采集简介....................19
3.1网络爬虫....................19
3.1.2数据爬虫网络搭建....................19
第四章基于改进CTM的城市快速路交通流仿真.................27
4.1改进元胞传输模型简介.................27
4.1.1符号及使用变量说明.................27
4.1.2可变元胞传输模型.................27
第五章城市快速路匝道拥堵控制方法研究................43
5.1现有匝道控制方法及意义分析................43
5.1.1现有匝道控制方法................43
5.1.2匝道控制的意义................43

第五章城市快速路匝道拥堵控制方法研究

5.1现有匝道控制方法及意义分析
5.1.1现有匝道控制方法
根据出入口间距布设位置，可以分为四种情况，即入一入、出一出、出一入、入一出，道路设计者会依据道路地形、道路功能等情况对四种情形进行组合设计。现实中出一入、入一出，这两种情形是常见的出入口匝道布设情况，一般都是交替出现，而当出入口匝道距离较近时，就会形成交织区，随着交通流的增加，出入口匝道交织严重，经常会出现交通拥堵问题。目前，针对快速路出入口匝道控制的研究国内外的理论研究已经相当的成熟了，根据其控制范围可以将其分为单点控制和协调控制，具体如下图5.1所示：

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结论与展望

结论
本文主要针对城市快速路交通流拥堵的热点问题进行研究。首先，通过分析国内外研究交通流拥堵机理的研究成果，总结了研究方法的优缺点；其次，分析了影响城市快速路交通状态的主要因素，并利用Python网路爬虫技术对长沙市万家丽路高架的交通流进行了分析，利用改进元胞传输模型对万家丽路高架由南往北的车流进行了仿真分析；最后，利用ALINEA算法对万家丽路高架入口匝道进行了控制，以达到缓解城市快速路拥堵的目的。具体研究成果如下：
（1）首先，通过对城市快速路的交通流基本特征进行分析，对长沙市万家丽路高架的交通流状态划分为四个阶段，即自由流阶段、稳定状态、拥堵形成阶段、拥堵消除阶段，确定了早晚高峰时间段；其次，分析了影响城市快速路拥堵形成的影响因素，并确定了拥堵评价指标，为后文奠定了评价基础。
（2）利用网络爬虫技术，构建数据爬虫网络，对高德城市交通数据进行了数据抓取。通过利用获得的数据分析了长沙市万家丽路高架交通拥堵的空间和时间，由此得知万家丽路高架由北往南的交通流拥堵状况更为严峻，其主要拥堵地点是人民南路入口匝道和晚报大道入口匝道，在拥堵严重时，拥堵甚至会从人民南路入口匝道蔓延到晚报大道入口匝道，主线排队长度将近3公里。
参考文献（略）