杭电暑期数学建模集训6城市交通流优化配置与调整问题 终极版

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城市交通流优化配置与调整问题

摘要

随着人们生活水平的提高，购买能力也越来越强，个人拥有车辆数在人群中的比例也越来越大。自驾出行虽然方便自己，但是道路拥堵却多的时间都浪费进去了，极大不方便出行。杭州市虽然有四纵五横的规划，但是随着规划的逐步完善，收益却甚微。造成这种原因是因为管理技术的研究滞后，而本文就此给出对杭州市四纵五横交通流的优化模型布置。

针对问题一：由高德地图给出的高德指数得到杭州市四纵五横路段一天的早高峰和晚高峰以及最近7天平均每天车流量统计，经过统计得出了最拥堵的路段，然后我们通过2个方面来减少主路车流量。第一个方面如5.1.2所述，通过基于元胞传输模型得到快速路出口匝道区域辅导不发生拥堵的情况下主路所能承受的最大车流量为：快速路的车流量为2000veh/h，自由流速度为80km/h；城市道路车流量为1800veh/h，自由流速度为50km/h。若监控的主路区域超过这一车流量，我们就在对应的节点处设置车辆绕行提示。另一方面如5.1.3，通过控制交通登的时间来使车流量尽量少停留，确保车辆能以最快时间通过最堵路段。其次利用ALINEA控制算法优化控制快速路各个出口的交通灯的信号周期及绿信比，尽量减缓在出口闸道处造成的车辆拥挤。

针对问题二：我们选取选取影响范围、事发位置、事发时间等作为评判指标，运用模糊综合评价法对事件的应急等级进行判定，并根据应急等级制定相应的组织预案，为交通应急管理部门快速处置交通突发事件提供科学有效的方法。最后，论文假设杭州市下城区中河高架和庆春路交叉口某处发生公交车自燃，根据研究对事件实施应急交通组织，采用了Ⅱ级应急方案，并给出了相应的交通疏导图。

关键词：元胞传输模型ALINEA控制算法模糊综合评价法应急等级交通应急预案

一、问题重述

城市交通拥堵是一个世界性的难题。许多业内专家认为，交通拥堵的主因是汽车过多，新的道路建设的速度又跟不上车流量增加的速度（道路容量不足），而且道路交会过多等等。毋容置疑，这些都是导致交通拥挤的重要原因。然而，导致交通拥堵另一重要因素-城市交通的管理与优化不到位-还没有引起人们的足够重视。

交通流优化配置与调整问题是一个十分复杂研究的课题。杭州市早就规划了“四纵五横”的交通干道计划并逐步完工。但是，交通拥堵问题的改善往往不尽如人意。例如，人们原来期待秋石高架的开通将大大缓解市区南北向的交通状况的愿望在并未实现，甚至导致东西向的德胜快速路更加拥堵。这不能不说是管理技术的研究滞后所致。通俗的说，就是硬件已经更新而没有更新相应的软件。

为减少拥堵，使得交通快捷、流畅，试建立数学模型研究如下交通流优化配置与调整问题

1. 考虑杭州市区的“四纵五横”（见图1），假设其全部完工。那么如何在

现有道路及车辆拥有条件下实现交通流的优化配置。

2. 在道路变化的情形下（见注1）如何快速调整原来的布局达到优化配置。

3. 除了“四纵五横”，再同时考虑杭州市区的的其他若干主要交通要道，

研究1、2中的问题。

（图1）

注1 道路变化的情况很多，例如（新建道路的开通、高架桥、地铁线路的增加，道路管控（重大活动如G20。奥运会期间可能在某些道路临时采取禁行、禁左等等）

注2 优化的指标可有有多个选项、如流量大，安全度高、便民性（满意度）好等等，这些指标有的还是互相关联。建议各队独立思考确定自己的优化指标。注3.所需要的数据最好能搜集到，如有难度，可以考虑模拟或自己合理假设。

二、问题分析

针对问题一：题目要求我们给出针对杭州四纵五横路段合理的交通流优化模型，我们打算建立元胞传输模型以及交通灯控制模型来得到使快速路不产生严重拥堵情况下的最大车流量。若某些路段发生拥堵，则在节点处设置提醒并且在辅路交通灯处延长绿灯时间使得车辆在最短时间内通过。

针对问题二：我们打算考虑在市区发生紧急情况下，交通应该怎么分流的情况，并且打算画出分流图来详细说明。

三、符号说明

四、模型的假设

1、高德地图得出的统计车辆平均速度是指其中的一段，我们假设它为四纵五横期中一段的平均速度；

2、假设出口匝道处交通灯可以根据我们的模型更改。

五、模型的建立于求解

5.1现有道路及车辆拥有条件下实现交通流的优化配置

5.1.1 早晚高峰及最近7天车流量统计

由高德地图给出的高德指数得到杭州市四纵五横路段一天的早高峰和晚高峰以及最近7天平均每天车流量统计如表1、2、3、4。

表1 表2

表3 表4

于是我们可以根据以上数据画出这个四纵五横区域里经常发生拥堵的区域路段如图2、3。

图2 图3

可以预见，杭州市几乎每天的早高峰和晚高峰在不出现突发事件情况下基本上都是这些路段，所以我们考虑2个方面减少这些路段的车流量。第一个方面如5.1.2所述，通过基于元胞传输模型得到快速路出口匝道区域辅导不发生拥堵的情况下主路所能承受的最大车流量。若监控的主路区域超过这一车流量，我们就在上图的节点处设置车辆绕行提示。另一方面如 5.1.3，通过控制交通灯的时间来使车流量尽量少停留，确保车辆能以最快时间通过最堵路段。

5.1.2基于元胞传输模型的快速路出口匝道区域交通流模型

通过针对交通流问题我们采用元胞传输模型对快速路出口匝道路网进行建模。首先介绍了元胞传输模型(CTM)的概念以及原理，然后对快速路出口匝道区域进行了分类，依据是否存在出口匝道下游临近交叉口分成两大类，分别使用CTM对第一种类别建模和使用改进CTM对第二种类型建模。最后，通过对杭州市一般路段的车左转右转概率假设得到辅路不会产生拥堵对应的主路最大车流量。

5.1.2.1元胞传输模型概念

元胞传输模型(Cell Transmission Model，CTM)是一种模拟交通流传播的有效工具，它可以方便、简单地模拟不同条件下的交通流传播情况。通过改变某一个或几个元胞的参数就能使整个路段适用新的场景．而且CTM在快速路和普通道路上都能够使用。因此，使用CTM来建立快速路出口匝道区域模型方便、快捷。并且经过适当的改进，能够反应该区域的真实交通流特点。

5.1.2.2基于元胞传输模型的快速路出口匝道路网模型

5.1.2.2.1快速路出口匝道区域路网分类

在现实中，出口匝道相邻辅路交通流可以分为独立辅路交通流(即周围

无临近交叉口)和临近交叉口辅路交通流。经过查询，杭州市的各条快速路基本如此，故快速路出口匝道区域可以依据出口匝道相邻辅路是独立存在还是有下游临近交叉口而分成两类。