城市道路交通拥堵扩散时间变化机理研究

崔志明舒美均姜国辛

青岛市公安局黄岛分局交通警察大队

摘要：随着汽车保有量的不断增加，以交通拥堵、交通安全、交通污染为特征的交通问题，已经成为困扰世界各国的普遍问题。如何有效缓解交通拥堵问题，已经成为城市交通问题研究中的重点对象之一。按交通拥堵涉及的范围和交通流的关联性，城市道路交通拥堵的分布主要包括点拥堵、线拥堵和面拥堵。本文从点拥堵、线拥堵和面拥堵三方面介绍城市道路交通拥堵扩散时间变化机理。

关键词：交叉口交通拥堵；路段交通拥堵；路网交通拥堵；拥堵扩散时间

1.交叉口交通拥堵形成过程

交叉口是各个方向交通流的汇集地，受信号控制的影响，连续运行的车流受到中断，是引发交通拥堵的核心点之一。若交叉口的通行能力不能满足交通需求，车辆就会在某些通行方向出现二次排队，需要几个信号周期才能通过交叉口，出现拥堵现象。下面分析交通需求与通行能力的关系，阐述交叉口常发性交通拥堵的形成过程。设交叉口的通行能力为Ca，交通需求为A(t)，通行能力与交通需求随时间的变化关系如图2-1所示。

对于一个固定的交叉口，在不受到其他干扰的情况下，通行能力通常为一个固定值，随时间的推移，交叉口通过的流量为Ca(t)。在t0时刻，交叉口累积的车流量大于在有效绿灯时间内交叉口的通行能力，开始出现车辆滞留的现象。随着时间的推移，排队等候的车辆不断增加，排队长度不断延长，在[t0，t1]时间段内，滞留车辆数为Nw(t)=A(t)-Ca(t)。当到达t1时刻时，滞留在交叉口处的车流数达到最大，排队长度达到最大值。在t1时刻之后，道路的交通需求开始减小，由于车流的到达率小于交叉口的通行率，在有效绿灯时间内，驶出交叉口的车辆数大于到达的车辆数，在绿灯时，滞留在交叉口的车辆开始逐渐消散，排队长度不断减小。当到达t2时，累积在交叉口的车辆等于交叉口的通行能力，在绿灯时间内恰好全部驶出交叉口，道路上没有出现滞留的车辆，交叉口交通状态恢复正常状态。从图1-1中可知，由于交通需求大于交叉口的通行能力，出现拥堵现象，增大了行车的延误，车辆总延误在数值上等于曲线A(t)和Ca(t)之间围成的面积。

2路段交通拥堵形成过程

路段上发生的交通拥堵主要是路段瓶颈处的通行能力不能满足当前的交通需求所导致。路段交通瓶颈可分为静态瓶颈和动态瓶颈两种。静态瓶颈主要包括道路车道宽度窄、车道数减少、道路的转弯处以及道路的出入口等。在交通需求不变的情况下，若当前的通行能力小于当前的实际交通量，在瓶颈处就会出现车辆滞留和排队慢行的情况。随着时间的推移，在交通需求增加的情况下，将不断向路段的上游蔓延，形成拥堵。

交通瓶颈的产生本质上是交通需求超过道路实际承受的负荷，是道路的动态通行能力不能满足交通需求的结果。下面以突发事件引起道路实际通行能力下降为例，分析偶发性交通拥堵的形成过程。交通拥堵发生、形成及消散的过程表述如图2-1所示。

从时间上来看，在时刻t1时发生突发事件，在事件发生前后，事件点的上游和下游路段交通流速度、流量、密度等会发生比较显著的变化。在上游，车辆速度骤减到低速甚至为零，密度逐渐增加，流量急剧下降；在下游，速度基本不受影响，流量和密度明显降低；从空间上看，在事故发生点形成瓶颈，道路通行能力降低。在道路车辆到达率不变的理想情况下，当该处的实际通行能力小于上游到达的累计交通流量时，在事故点的上游开始出现车辆排队，并迅速向上游路段蔓延，直至回溯到上游交叉口，使上游交叉口相关路段也产生车辆滞留现象，导致交通拥堵的产生。如图2-1中，在t2时刻开始出现排队，在[t2，t3]时间段内，排队长度不断增大。在t3时刻，交通事件排除，道路的通行能力恢复到原来的状态，大于车辆的到达率，排队车辆开始逐渐消散。在t4时刻时，所有排队车辆全部消散，道路恢复正常的运行状态。在这一过程中，事件点的下游路段车速逐渐增加，车流密度和流量逐渐增大，整个运行状态比较平稳。设路段进口道车辆的到达率为q(t)，观测点位置处的通行能力为Ca(t)。从图2-1可以看出，事件的持续时间为t3-t1。在t3时刻，事件排除后，排队车辆开始消散，拥堵消散的时间为t4-t3，由事件发生时产生拥堵到事件解除后滞留车辆全部疏散，拥堵持续时间为t4-t1。图中阴影部分即为偶发性交通拥堵引起的总延误。

3路网交通拥堵形成机理分析

交通拥堵的本质是交通供给与交通需求不平衡的结果，在供需不平衡所造成的干扰下，道路上的交通流呈现两种变化态势。一种是干扰——失稳——稳定；另一种是干扰——失稳——拥堵。为描述城市道路交通拥堵形成、发展及演变的过程，将路网中形成的交通拥堵分为三个阶段，即起始阶段、发展阶段和严重拥堵阶段。

（1）起始阶段

在交通拥堵的起始阶段，交通拥堵首先出现在路网的关键位置，如关键路段、关键交叉口或交通事件地点。在该位置，通行能力开始下降，车队行驶速度下降，在道路或交叉口处开始出现车辆滞留和排队现象。

（2）发展阶段

随着时间的推移，不同方向的车流逐渐在拥堵点汇集，受阻车辆不断向上游、各个支路和各个方向蔓延，相关联的道路交通状态受到影响，原来畅行的道路行车速度也急剧下降，相关路段和交叉口的交通流出现停停走走的现象，致使局部路网的通行能力下降，交通供给满足不了交通的需求。

（3）严重拥堵阶段

即大面积交通堵塞阶段。在这种情况，区域内交通流基本处于饱和状态，相邻路段和交叉口均出现拥堵现象，整个区域的交通形成一个闭环，交通陷入停顿和瘫痪状态。

结语

本文以构成路网的交叉口和路段为对象，分别分析常发性拥堵和偶发性拥堵的形成过程，在此基础上，进一步分析城市路网交通拥堵的形成、发展以及演变过程，将路网交通拥堵分为初始阶段、发展阶段和严重拥堵三个阶段，从深层次分析交通拥堵发生的过程和原因，揭示城市道路交通拥堵产生的机理。

参考文献

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