基于阻塞流和突变理论的城市交通拥堵机理及疏导控制策略研究

The urban traffic is the foundation of sustainable development of modern city, while the traffic congestion has become the common problems of the countries all over the world during in the city development. The existing research results can not provide accurate description for the dynamic characteristics of traffic demand and traffic capacity under the condition of real traffic network, so the traffic jam formation mechanism, space-time characteristics and control strategy are still the academic focus hot and difficult problems. Therefore, the project will explore the traffic congestion formation mechanism of urban road network and the evolution and spread rule of traffic jams with the principles and methods of blocking flow theory and catastrophe theory, and establish a dynamic measurement model of road traffic capacity which is fit for the urban traffic characteristics of China, and put forward the necessary conditions which keep traffic smooth in different road structural networks, and reveal the mutation characteristics of traffic flow state, and build traffic congestion real-time criterion model and traffic state prediction model. Then the project team will work out the traffic congestion control methods which can be realized within the framework of intelligent transportation system and traffic organization plan for the traffic demand under emergency. Finally, a set of dynamic demo software will be designed and developed, on which the typical traffic jams phenomenon and emergency traffic organization project can be simulated. The research results will have important theoretical and practical significance for the severe urban traffic congestion problems.

城市交通是支撑现代城市健康发展的基础，而以交通拥堵为特征的交通问题已经成为困扰世界各国城市发展的普遍问题。由于现有研究成果都难以对在真实路网条件下交通需求和交通通行能力的动态变化特性给出准确描述，因此有关交通拥堵的形成机理、时空特性和疏导控制策略仍然是学术界关注的热点和难点问题。为此，本项目将采用阻塞流理论和突变理论的有关原理和方法，探索城市道路网交通拥堵的形成机理及交通拥堵的演化传播规律，建立具有我国城市交通特点的道路通行能力的动态测算模型，提出城市道路网保持结构性畅通的必要条件，揭示交通流状态的突变特性，建立交通拥堵实时判据及拥堵演化预测模型，制定出在智能交通系统框架内具有可实现性的交通拥堵疏导控制方法和满足应急交通需求的交通组织方案，设计开发一套能对典型交通拥堵现象和应急交通组织方案进行仿真分析的动态演示软件。项目研究对缓解我国城市日趋严峻的城市交通拥堵问题具有重要的理论和现实意义。

城市交通拥挤及其由此带来的交通安全、交通污染和交通效率问题是当下我国城市交通的主要表现形式，本项目围绕城市交通拥挤机理及其疏散控制策略开展相关研究，研究内容涉及有基于突变理论的路网交通状态判别及交通拥堵预警、城市交通拥堵疏导控制策略及方法、城市快速路交通拥堵疏导控制策略等相关内容。成果包括有依据交通拥堵状态演变时行程时间的变化特性，分析了交通拥堵状态演化与行程时间变化的关系，引入行程时间观测值与预测值的偏差作为新息，通过监测新息的均值和方差的变化，实现了对预测系统噪声和观测噪声修正系数的在线调节，该方法克服了传统自适应卡尔曼滤波行程时间预测算法自适应差的缺陷，实例分析验证了通过对行程时间变化的预测来分析交通拥堵状态的演化具有可行性；针对交通流状态的不确定性和突变性，运用突变理论分析交通拥堵突变现象及交通拥堵状态演化机理，以交通波速为状态变量，建立了交通流突变模型，通过模型稳定性分析，确定了交通流畅通状态和拥堵状态，以及交通流状态突变的临界范围，在此基础上以便于观测的速度作为状态变量，建立了三维交通流速度尖点突变模型，该模型揭示了交通流不同状态之间的突变机理，以及交通流拥堵状态沿不同路径演化的不同模式；针对城市快速路的常发性拥堵现象，利用实测数据样本，从拥堵的形成和消散两个角度分析对比了流量、速度、占有率三个参数的关联特征，将交通流参数随时间的分布与尖点突变平衡曲面联合，提出了一种利用坐标变换将实测数据转换成尖点突变的投影分布的方法，利用交通流在尖点突变曲面的分布情况，预测拥堵出现的临界点以及消散过程，并在空间上通过分析不同车道拥堵的形成和消散过程，完整地展示出城市快速路交通拥堵的时空演化机理，实现了对交通拥堵演化过程时空特性的详细描述。.项目研究已发表期刊论文22篇，会议论文3篇，其中三大检索论文12篇，成果“基于子区动态划分与协调交互技术的交通信号控制系统”获得2014年广东省科技进步二等奖项。