城市快速路交通拥堵特征与实时排队长度确定方法研究

摘要

近年来，城市交通拥堵现象已经成为了我国大中城市普遍面临的一个严峻问题。尽管建设城市快速路最初的目的是为了缓解城市交通拥堵问题，但随着交通需求量的逐渐增大，城市快速路交通拥堵（尤其是早、晚高峰期时段）问题日益突出，严重地影响了人们的生活水平。
　　城市快速路交通瓶颈是导致常发性交通拥堵的主要原因。本文以城市快速路常发性交通拥堵问题作为研究对象，深入地分析和研究了城市快速路交通拥堵特征和实时排队长度（排队尾部位置）估计方法。该研究对缓解城市快速路常发性交通拥堵问题具有重要意义。
　　本文首先调查和分析了包括交通崩溃（排队初始时间）、道路通行能力、驶离排队交通流和车辆排队密度在内的城市快速路常发性交通拥堵相关特征。（1）传统理论认为，当交通流率超过道路通行能力时将诱发交通崩溃的发生，然而通过考察城市快速路实测数据，发现不同城市快速路排队情景下的交通崩溃流率不完全相同，具有一定的随机性。因此不能严格依靠特定的道路通行能力作为识别车辆排队初始时刻的条件，本文基于速度骤降现象提出了识别交通崩溃的方法。（2）本文鉴于城市快速路交通拥堵会导致道路通行能力下降的现象，并基于最小二乘法建立了估计双通行能力值的方法。（3）驶离排队交通流的确定对准确估计排队长度尤为重要，在之前的研究中驶离排队交通流往往被假设是一种确定性行为。为了进一步提高城市快速路实时排队长度估计的准确性，本文基于城市快速路实测数据考察了驶离排队交通流动态性，并将动态驶离排队交通流作为随时间变化的变量引入模型，从而提高车辆排队长度估计准确性。（4）除此之外，排队车辆密度是描述拥堵程度的指标之一，与车辆排队长度息息相关。本文基于交通拥堵状态下交通流参数的关系，建立了考虑通行能力下降的城市快速路车辆排队密度的估计方法。
　　在对城市快速路交通拥堵特征分析的基础上，本文分别基于输入输出理论和冲击波理论建立了适用于估计城市快速路排队长度的时空离散模型。（1）基于输入输出理论基础上建立的传统输入输出模型是一种最常见的估计连续性交通流车辆排队长度的模型。但有学者认为传统输入输出模型往往低估排队长度。本文分析了传统输入输出模型低估排队长度的原因，对其进行改进，建立了用来估计城市快速路实时排队长度的改进输入输出模型。（2）冲击波理论作为另一种常见的排队估计方法，目前广泛用于间断性交通流情况下车辆排队长度的估计，但并非用于城市快速路这种连续性交通流情况下的车辆排队长度的估计。因此，本文基于冲击波理论建立了估计城市快速路车辆排队长度的时空离散模型，即冲击波模型。此外，本文基于VISSIM仿真平台对两种模型的有效性进行了验证，验证结果表明两种模型均可适用于城市快速路车辆排队长度的估计。
　　近数十年来，许多基于智能交通技术的动态交通控制方法被用来缓解交通拥堵。主动式交通管理（Active Traffic Management，ATM）手段可作为一种绿色的、有效的治理交通拥堵的措施。本文基于对城市快速路车辆拥堵特征和排队长度估计的研究成果，探讨了如何利用主动式交通管理手段缓解城市快速路交通拥堵问题,并提出了相应的建议。常见的主动式交通管理手段主要包括：匝道控制、路径诱导和可变限速控制。匝道控制是目前国外最常使用的缓解城市快速路、城市公路的ATM手段，针对我国城市快速路交通拥堵实际情况，本文提出了考虑主路车辆排队长度构建多匝道协调控制策略的建议及策略构建框架。我国目前使用最广泛的缓解城市快速路交通拥堵的方法是通过可变信息标志进行路径诱导。本文以西安市二环路交通向导牌为例，提出了基于本文所建立的城市快速路实时排队长度模型对现有的可变信息标志提供的实时可变交通信息进行进一步完善的建议。此外，本文对以缓解交通拥堵为目的DynaTAM-VSL模型进行改进，考察了该改进策略对交通拥堵的有效性，分析了可变限速实施过程中车辆排队现象出现的起因，提出了为有效缓解城市快速路交通拥堵为目的的考虑实时车辆排队长度的可变限速控制策略构建框架。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 论文框架结构和技术路线

第二章 交通流相关理论

2.1 交通流基本参数

2.2 交通流基本参数间关系

2.3 交通流模型

第三章 城市快速路交通流拥堵特征分析

3.1 研究对象和数据

3.2 城市快速路拥堵识别分析

3.3 交通流通行能力估计

3.4 驶离排队交通流

3.5 排队车辆密度确定方法

3.6 小结

第四章 基于改进输入输出模型的城市快速路排队长度估计方法

4.1 排队长度估计实施流程

4.2 传统输入输出模型

4.3 改进输入输出模型建立方法

4.4 模型验证

4.5 小结

第五章 基于冲击波模型的城市快速路排队长度估计方法

5.1 城市快速路交通流冲击波理论

5.2 冲击波模型建立方法

5.3 模型验证

5.4 对比改进输入输出模型

5.5 时间间隔对排队长度估计的影响

5.6 小结

第六章 城市快速路拥堵现象缓解策略建议

6.1 交通拥堵缓解策略分析

6.2 匝道控制策略

6.3 路径诱导策略

6.4 可变限速控制策略

6.5 小结

结论与展望

1. 论文主要研究工作和结论

2. 研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢