譚景元，鐘添翼，閆建華，蔡曉禹

(1.重慶市市政設(shè)計研究院, 重慶 400020；2.重慶市公安局交通巡邏警察總隊(duì)，重慶 400055；3.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

山地城市干線的不均衡性對交通管控提出了新要求，單一固定的管控方法難以滿足日益增長的交通需求。交通控制子區(qū)作為協(xié)調(diào)控制的重要單元，是指在對路網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管控時，將交通特征相似的相鄰節(jié)點(diǎn)或路段劃分為同一控制區(qū)域，將交通特征差異性較大的節(jié)點(diǎn)或路段劃分為不同的控制區(qū)域，以此將路網(wǎng)分為多個控制區(qū)域，針對不同控制區(qū)域?qū)嵭羞m合該控制區(qū)域交通特性的管控方案，交通控制子區(qū)劃分結(jié)果將直接影響管控方式及其實(shí)施效果。

Walinchus[1]首先提出交通控制子區(qū)的概念，建議將行政區(qū)劃、路網(wǎng)條件、交通流特性等影響因素作為交通控制子區(qū)的劃分依據(jù)。目前，交通控制子區(qū)研究集中在靜態(tài)交通控制子區(qū)劃分和動態(tài)交通控制子區(qū)劃分方法。本文通過總結(jié)靜態(tài)劃分方法和動態(tài)劃分方法領(lǐng)域中關(guān)聯(lián)度指標(biāo)計算與子區(qū)劃分算法部分，分析山地城市干線多維不均衡性，提出相應(yīng)算法思路和關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合交通領(lǐng)域相關(guān)研究前沿，對未來交通控制子區(qū)劃分方法領(lǐng)域發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 現(xiàn)有交通控制子區(qū)劃分方法

1.1 靜態(tài)交通控制子區(qū)劃分方法

靜態(tài)交通控制子區(qū)劃分研究主要通過分析不同影響因素，如道路幾何條件、歷史交通流參數(shù)等，對交通子區(qū)進(jìn)行劃分，當(dāng)子區(qū)劃分方案確定后，原則上不再進(jìn)行改動。TRANSYT(定時式脫機(jī)操作交通信號控制系統(tǒng))[2]與Robertson模型[3]是典型的運(yùn)用靜態(tài)子區(qū)劃分方法的控制系統(tǒng)，結(jié)合路網(wǎng)條件、交通流量、信號控制方案等影響因素，實(shí)現(xiàn)了對控制子區(qū)最原始的靜態(tài)劃分。Stockfisch[4]提出了典型靜態(tài)交通控制子區(qū)影響因素，包括交叉口間距、交通流特性、交通流離散程度和信號方案等。

Whitson等[5]和Chang[6]以及Synchro軟件內(nèi)的協(xié)調(diào)系數(shù)[7]明確了控制子區(qū)劃分算法模型中關(guān)聯(lián)度計算指標(biāo)以及交叉口間合并閾值等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步量化了路網(wǎng)條件、交通流特征、信號控制方案等影響因素對子區(qū)劃分的影響。靜態(tài)控制子區(qū)劃分方法大多依靠經(jīng)驗(yàn)主觀確定各因素對控制子區(qū)劃分的影響程度。在前人研究基礎(chǔ)上，別一鳴等[8]總結(jié)并提出了交通控制子區(qū)劃分方法的3個重要原則：

(1)周期原則：交叉口信號周期差異性過大，一定程度上會影響交通狀態(tài)的差異。因此，同一個子區(qū)內(nèi)的信號周期建議保持一致。

(2)距離原則：交叉口間距是影響車隊(duì)離散性的重要因素，故同一子區(qū)內(nèi)相鄰交叉口距離不能過大，否則車輛過于離散。

(3)流量原則：相鄰交叉口間流量相似，表示交叉口交通狀態(tài)相似，同時存在緊密聯(lián)系，可以劃入同一控制子區(qū)。

1.2 動態(tài)交通控制子區(qū)劃分方法

1.2.1 關(guān)聯(lián)度指標(biāo)計算

關(guān)聯(lián)度指標(biāo)計算可以量化相鄰節(jié)點(diǎn)劃入同一交通控制子區(qū)的適宜程度，為子區(qū)劃分奠定基礎(chǔ)。Yagoda等[9]提出交叉口關(guān)聯(lián)度概念和計算方法，建議將關(guān)聯(lián)度>0.5的交叉口劃為同一控制子區(qū)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。Chang[10]充分考慮道路交通狀態(tài)時變性和交通流離散性等動態(tài)交通因素，以交叉口合并閾值0.35，建立了交叉口關(guān)聯(lián)度模型，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)交通控制子區(qū)劃分。Park[11]通過研究交叉口服務(wù)水平與各交叉口間的交通流量關(guān)系，提出了基于分布式車路協(xié)同的控制理論，并以分離閾值0和1，確定交叉口間的關(guān)聯(lián)度,該閾值由專家經(jīng)驗(yàn)法得出。高云峰[12]以下游交叉口排隊(duì)長度為影響因素建立了最大流量與各路徑總流量比的路徑關(guān)聯(lián)度指標(biāo)。馬萬經(jīng)等[13]綜合交叉口間距、信號相位、排隊(duì)和路徑流量的不均衡性，建立了路徑關(guān)聯(lián)度模型指標(biāo)。楊曉光等[14]和盧凱[15]建立了基于綠信比優(yōu)化的相鄰交叉口關(guān)聯(lián)度計算模型，在提高過飽和路網(wǎng)通行能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制子區(qū)劃分。梁杰[16]和別一鳴等[8]結(jié)合國內(nèi)交通狀況，基于車隊(duì)離散程度建立了量化模型，提出了分層控制子區(qū)劃分思想策略，并在考慮周期差異性條件下提升了交叉口關(guān)聯(lián)度計算精度，為交通控制子區(qū)劃分提供依據(jù)。

1.2.2 子區(qū)劃分算法

交通控制子區(qū)劃分算法是在計算得到交叉口關(guān)聯(lián)度的基礎(chǔ)上，將各個交叉口劃入不同控制子區(qū)。Moore等[17]提出了利用聚類方法，分析交叉口進(jìn)口道流量比，進(jìn)而劃分子區(qū)，該方法相比最初僅用交叉口關(guān)聯(lián)度劃分的方法更加全面。Lin[18]建立了交通控制子區(qū)影響因素的定量模型和基于搜索算法的控制子區(qū)方法，實(shí)現(xiàn)了交通控制子區(qū)的全動態(tài)劃分。Tian等[19]建立了基于啟發(fā)式算法的交通控制子區(qū)劃分方法，證明了3～5個交叉口組成1個協(xié)調(diào)控制子區(qū)時，協(xié)調(diào)控制效果最佳，實(shí)現(xiàn)了綠波帶寬最大化。莫漢康等[20]基于誘導(dǎo)條件提出了控制子區(qū)的自動劃分方法，基于距離、周期、流量三大劃分原則分別建立了控制子區(qū)自動劃分方法，提升了交通系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。李瑞敏等[21]基于協(xié)調(diào)程度系數(shù)對定周期的區(qū)域進(jìn)行控制子區(qū)劃分。段后利等[22]提出了基于超圖模型的動態(tài)子區(qū)劃分方法，在保證控制子區(qū)劃分實(shí)時性的基礎(chǔ)上能夠有效對超大規(guī)模路網(wǎng)進(jìn)行處理。陳寧寧[23]基于三大劃分原則，以協(xié)調(diào)控制為目標(biāo)，提出了一種基于關(guān)聯(lián)度由大到小的路網(wǎng)搜索算法，建立了考慮交通流狀態(tài)變化和控制效果的子區(qū)劃分方法。盧凱等[24]采用遺傳算法和降維算法快速優(yōu)化控制子區(qū)，解決了在最優(yōu)方案計算中維數(shù)過高的問題，實(shí)現(xiàn)了交通協(xié)調(diào)控制子區(qū)的快速動態(tài)劃分。

1.3 現(xiàn)有研究評述

通過靜態(tài)控制子區(qū)劃分方法，可以簡單快速得到子區(qū)劃分方案，但由于對影響因素定量分析相對缺乏，難以量化影響因素對子區(qū)劃分的影響程度。道路交通狀態(tài)復(fù)雜多變，僅憑靜態(tài)子區(qū)劃分方法，難以獲得最佳的子區(qū)劃分方案。

動態(tài)控制子區(qū)劃分方法利用實(shí)時交通流數(shù)據(jù)，根據(jù)道路交通狀態(tài)的變化自動調(diào)整劃分方案，使協(xié)調(diào)控制區(qū)域始終保持著最佳的子區(qū)劃分狀態(tài)。當(dāng)前研究成果多為關(guān)聯(lián)度指標(biāo)計算與子區(qū)劃分算法，在一定程度上為交通管控提供了支持。

動態(tài)控制子區(qū)劃分中，關(guān)聯(lián)度模型算法在科學(xué)性、客觀性方面存在不足，過多依賴主觀性的關(guān)聯(lián)度閾值確定，缺少系統(tǒng)性理論支持，在實(shí)際交通問題中難以直接應(yīng)用，亟須建立一種科學(xué)、客觀、精準(zhǔn)的交通控制子區(qū)劃分方法。

2 山地城市干線多維不均衡性分析

2.1 道路標(biāo)準(zhǔn)條件

相較于平原城市地形平坦、規(guī)則，山地城市道路條件復(fù)雜多變，山川曲折，溝壑縱深，地形地貌均不規(guī)則。山地城市道路的修建受到復(fù)雜地形限制，城市往往被山水分隔，城市結(jié)構(gòu)整體呈自由式組團(tuán)分布，組團(tuán)間聯(lián)系不暢，需要靠大量橋梁隧道相連，瓶頸路段和立交節(jié)點(diǎn)不均衡。

重慶典型干線機(jī)場路，作為城市快速路，承擔(dān)組團(tuán)之間交通銜接，但由于地形條件等限制，道路標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，干線車道標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,造成路段瓶頸。山地城市道路瓶頸示意如圖1所示。在橋隧路段連接處，車道數(shù)不統(tǒng)一會導(dǎo)致通行能力不同，飽和流量存在差異。機(jī)場路全線長26 km，穿越多個城市組團(tuán)，共有9處立交橋，間距較小的僅為1 km，間距較大的超過3 km，且立交橋等級不一，如人和立交橋?yàn)榈燃壿^高的全互通立交橋，石盤河立交橋等級較低。道路位置條件標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，則要求協(xié)調(diào)管控之前必須進(jìn)行子區(qū)劃分，劃分結(jié)果將影響管控方案實(shí)施效果。

圖1 山地城市道路瓶頸示意

2.2 交通運(yùn)行狀態(tài)

山地城市干線的交通運(yùn)行狀態(tài)在時空分布上存在較大差異性。機(jī)場路干線及沿線早高峰交通狀態(tài)時空分布如圖2所示。

(a)8：00

由圖2可知，早晚高峰交通狀態(tài)較擁堵，其余時間為緩行或者暢通；在道路條件較好、車道寬且車道數(shù)多、飽和度不高的路段，交通狀態(tài)通常為暢通；在立交匝道交織區(qū)及橋隧連接處等瓶頸路段，交通狀態(tài)通常呈現(xiàn)為擁堵；通常狀況下，城市道路交通狀態(tài)呈現(xiàn)為緩行。不同的交通狀態(tài)應(yīng)對應(yīng)不同的管控措施，暢通狀態(tài)，通常不會采取管控措施，多以情報板發(fā)布警示信息為主；緩行狀態(tài)，通常進(jìn)行誘導(dǎo)防止擁堵；擁堵狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際需要采用外圍路網(wǎng)協(xié)調(diào)管控等方案。山地城市干線的交通狀態(tài)分布通常較為復(fù)雜，且交通事故、施工占道等突發(fā)性因素會改變交通狀態(tài)，單一固定的管控方式已不適合當(dāng)前需求，交通現(xiàn)狀對交通控制子區(qū)劃分提出了更高要求。

2.3 出行需求分布

山地城市干線全線的交通出行需求并不均衡，城市地形和發(fā)展原因會導(dǎo)致某些區(qū)域、路段、節(jié)點(diǎn)承擔(dān)大量交通出行需求。以重慶市內(nèi)環(huán)快速路與學(xué)府大道相交的四公里立交橋?yàn)槔?，主城區(qū)由南向北交通出行必須途經(jīng)四公里立交橋，此處承擔(dān)南岸區(qū)、巴南區(qū)、九龍坡區(qū)由南向北方向的交通需求，導(dǎo)致四公里立交橋及周邊的交通量巨大，常年處于擁堵狀態(tài)，而內(nèi)環(huán)快速路與學(xué)府大道其他路段，出行路徑可替代，交通狀態(tài)運(yùn)行良好。

2.4 管控要求

山地城市干線全線重要程度存在差異，重要程度決定著管控要求。從人和立交橋至金渝立交橋方向，由于承載大量交通需求，機(jī)場路的重要程度和管控需求較高，某些路段管控需求相對較低。同時城市干線承擔(dān)著警保衛(wèi)等特殊任務(wù)，不同位置的管控措施也不相同。

相較于平原城市，山地城市的交通環(huán)境更為復(fù)雜，道路開口數(shù)量較多，通勤干線數(shù)量較少，橋隧瓶頸流量沖擊性較大，交通控制子區(qū)劃分難度將更大。因此，更加高效、精細(xì)化的交通協(xié)同管控十分必要。

3 面向?qū)崟r調(diào)控的干線子區(qū)劃分關(guān)鍵技術(shù)分析

以緩解山地城市實(shí)際交通問題為出發(fā)點(diǎn)，綜合考慮山地城市地形地貌、交通特性，面向?qū)崟r調(diào)控進(jìn)行干線交通控制子區(qū)劃分，即建立一套根據(jù)干線交通狀態(tài)自動將干線劃分為最適宜管控的若干控制子區(qū)的方法。技術(shù)路線如圖3所示，主要分為數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度建模、干線子區(qū)劃分和模型優(yōu)化4個部分。

圖3 技術(shù)路線

3.1 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

構(gòu)建完備的數(shù)據(jù)庫是后續(xù)開展節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度建模和干線子區(qū)劃分的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫由交通靜態(tài)數(shù)據(jù)和交通動態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)成，交通靜態(tài)數(shù)據(jù)主要描述干線道路結(jié)構(gòu)，是干線道路結(jié)構(gòu)組成的關(guān)鍵因素，同時對相鄰節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)度產(chǎn)生重要影響，主要包含相鄰立交節(jié)點(diǎn)間距、立交節(jié)點(diǎn)等級、路段車道數(shù)、車道寬度等；交通動態(tài)數(shù)據(jù)主要表征干線交通流特性，主要包含流量、速度、排隊(duì)長度、行程時間、通行能力等。將上述數(shù)據(jù)清洗后，采用多源數(shù)據(jù)融合處理，包括不同數(shù)據(jù)格式的歸一化、數(shù)據(jù)清洗篩選等，得到適用子區(qū)劃分的交通參數(shù)，為后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。

3.2 節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度建模

交通控制子區(qū)劃分最終為協(xié)調(diào)管控服務(wù)，可以用干線路段、立交節(jié)點(diǎn)是否需要進(jìn)行協(xié)調(diào)管控，來表示將其劃入同一子區(qū)的必要程度，利用協(xié)調(diào)系數(shù)(coordinatability factor, CF)表示相鄰節(jié)點(diǎn)間需要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的必要程度[21]。CF值越大，表示節(jié)點(diǎn)越有必要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，即越需要將相鄰節(jié)點(diǎn)劃入同一個交通控制子區(qū)；CF值越小，則表示沒有越必要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制?？紤]到山地城市道路標(biāo)準(zhǔn)條件、交通運(yùn)行狀態(tài)、出行需求分布和管控需求在整條干線上的不均衡性，本試驗(yàn)選取距離d、交通流量q、交通流構(gòu)成o共3個影響因子，其影響系數(shù)分別為距離影響系數(shù)DF、交通流量影響系數(shù)QF和交通流構(gòu)成影響系數(shù)OF，基于多影響因素權(quán)重法計算協(xié)調(diào)系數(shù)。

3.2.1 距離影響系數(shù)(DF)

山地城市干線存在多維不均衡性，相鄰立交節(jié)點(diǎn)間距差異性突出，節(jié)點(diǎn)間距對協(xié)調(diào)控制影響顯著，相鄰節(jié)點(diǎn)間距小，一般認(rèn)為節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)度大，需要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，將其劃入同一子區(qū)的必要性大；相鄰節(jié)點(diǎn)間距大，車輛離散性會隨之增大，導(dǎo)致車輛交通特征不穩(wěn)定，協(xié)調(diào)控制必要性也較小。

利用距離影響系數(shù)DF表征節(jié)點(diǎn)間距對干線協(xié)調(diào)控制必要性的影響，計算公式見式(1)。

(1)

式中，d為相鄰節(jié)點(diǎn)間距，m；dmin為最小關(guān)聯(lián)間距，m，相鄰節(jié)點(diǎn)間距小于最小關(guān)聯(lián)間距時，距離影響系數(shù)DF為1，則相鄰節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制必要性大，需要劃入同一個交通控制子區(qū)；dmax為最大關(guān)聯(lián)間距，m，相鄰節(jié)點(diǎn)間距大于最大關(guān)聯(lián)間距時，則距離影響系數(shù)DF為0，相鄰節(jié)點(diǎn)間沒必要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，不需要劃入同一個交通控制子區(qū)。

3.2.2 交通流量影響系數(shù)(QF)

山地城市干線主線承載交通流量較大，且差異性較小，但相交道路等級不一樣，包括高速公路、快速路、主干路和次干路等，相交道路流量對干線流量存在沖擊，流量越大，沖擊越強(qiáng)。外部干擾較小時，干線適合進(jìn)行協(xié)調(diào)控制；外部干擾較大時，干線協(xié)調(diào)控制必要性反而較低。利用交通流量影響系數(shù)QF表征相交道路流量對干線協(xié)調(diào)控制的必要性，計算公式見式(2)。

(2)

式中，q為相交道路流量，pcu/h；qmin為最小干擾流量，pcu/h，相交道路流量小于最小干擾流量時，則交通流量影響系數(shù)QF為1，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制必要性大；qmax為最大干擾流量，pcu/h，相交道路流量大于最大干擾流量時，則距離影響系數(shù)DF為0，相鄰節(jié)點(diǎn)間沒必要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

3.2.3 交通流構(gòu)成影響系數(shù)(OF)

交通流構(gòu)成影響系數(shù)OF表示通過連續(xù)節(jié)點(diǎn)車隊(duì)中，非直行車輛數(shù)所占比例。直行通過下游節(jié)點(diǎn)的車輛數(shù)所占直行通過相鄰上游節(jié)點(diǎn)車輛數(shù)的比例o表示協(xié)調(diào)控制的必要性，同時在一定程度上反映了干線車隊(duì)的離散性，用交通流構(gòu)成影響系數(shù)OF表示，計算公式見式(3)。

OF=1-o

(3)

式中，OF值越大，則表示干線協(xié)調(diào)控制的必要性越大，反之則必要性越小。

3.3 子區(qū)劃分算法

利用多影響因素權(quán)重的計算方法，計算協(xié)調(diào)系數(shù)CF，計算公式見式(4)。

CF=α·DF+β·QF+γ·OF

(4)

式中，α、β、γ分別為DF、QF、OF的影響權(quán)重，根據(jù)實(shí)際路網(wǎng)情況而定。交通控制子區(qū)劃分方案如表1所示。

表1 交通控制子區(qū)劃分方案

注：某個影響系數(shù)較大或較小可能會影響CF值，此類情況需要根據(jù)實(shí)際交通情況決定控制子區(qū)劃分。

3.4 干線子區(qū)劃分和模型優(yōu)化

交通控制子區(qū)劃分以利于交通協(xié)調(diào)控制方案的實(shí)施為目標(biāo)，確定相鄰節(jié)點(diǎn)是否為同一子區(qū)只是干線交通控制子區(qū)的初步劃分，進(jìn)而確定各交通控制子區(qū)的邊界。車輛運(yùn)行情況在干線可以用交通狀態(tài)表征，交通狀態(tài)一般分為暢通、緩行和擁堵。每一個控制子區(qū)都應(yīng)該包含至少一個控制節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度模型，以各節(jié)點(diǎn)的交通狀態(tài)為依據(jù)調(diào)整子區(qū)邊界，優(yōu)化控制子區(qū)劃分。控制子區(qū)劃分方案的優(yōu)劣最終需要根據(jù)管控的效果來檢驗(yàn)，對管控后的干線交通狀態(tài)進(jìn)行評價，并采用反饋優(yōu)化干線交通控制分區(qū)模型。

4 總結(jié)

交通控制子區(qū)劃分方法已存在五十余年，從最初依照行政邊界、道路幾何條件、交通管理者經(jīng)驗(yàn)等較主觀、粗獷的靜態(tài)劃分方法，經(jīng)過對節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度指標(biāo)計算、子區(qū)劃分算法的研究，發(fā)展到當(dāng)前可根據(jù)交通實(shí)時狀態(tài)的改變而改變的動態(tài)劃分方法，建立了相對成熟的子區(qū)劃分理論體系，更能滿足當(dāng)前精細(xì)化交通管控的需求。

交通控制子區(qū)劃分結(jié)果將直接影響交通管控效果，傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度閾值確定缺乏理論支持，無法避免子區(qū)劃分結(jié)果帶有主觀性。本文通過分析山地城市干線的多維不均衡性，提出了面向?qū)崟r調(diào)控的干線子區(qū)劃分方法思路，為交通管理提供理論支持。山地城市交通環(huán)境復(fù)雜，以緩解實(shí)際交通問題為目標(biāo)導(dǎo)向，基于交通大數(shù)據(jù)并配合交通管控系統(tǒng)，建立客觀、準(zhǔn)確的交通控制子區(qū)劃分方法體系將成為未來研究重點(diǎn)。