城市路网交通拥堵传播模型分析_黄艳国.pdf

基金项目:国家自然科学基金项目(72061016);留学基金委资助项目(201908360225);江西省教育厅科技项目(GJJ160608)收稿日期:20210329修回日期:20210412第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02015506城市路网交通拥堵传播模型分析黄艳国，刘红军，张升升(江西理工大学电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000)摘要:城市交通拥堵已成为制约各大城市可持续发展的主要问题，为了研究路网拥堵传播规律，采用建模的思想阐述交通拥堵传播和消散的动态过程。通过对交通拥堵传播特征进行分析，依据传染病 SI 模型，建立城市交通拥堵传播模型，并利用常微分方程来分析拥堵的扩散和恢复过程，对城市交通数据分析，验证了所提出模型的有效性。仿真结果表明，采用的交通拥堵传播模型能有效得到拥堵的持续时间和恢复时间，不同地区拥堵的传播和消散时间不同，这与路网的拓扑结构和出行需求有关，利用交通拥堵和信息交互传播的动力学行为特征，揭示交通拥堵的扩散及蔓延的传播特性，对交通拥堵演化分析有一定的借鉴意义。关键词:交通拥堵;传播规律;出行需求;拥堵传播中图分类号:TP391.9文献标识码:BAnalysis of Propagation Model of Traffic Congestionin Urban oad NetworkHUANG Yanguo，LIU Hongjun，ZHANG Shengsheng(School of Electrical Engineering Automation，Jiangxi Unversity of Science Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China)ABSTACT:Urban traffic congestion has become a major problem that restricts the sustainable development of majorcities In order to study the law of road network congestion propagation，Use the idea of modeling was used to illus-trate the dynamic process of traffic congestion propagation and dissipation By analyzing the characteristics of trafficcongestion propagation，we establishing established an urban traffic congestion propagation model based on the infec-tious disease SI model，and using used ordinary differential equations to analyze the spread and recovery process ofcongestion，and analyzing analyzed urban traffic data，the The effectiveness of the proposed model wais verifiedThe simulation results show that the adopted traffic congestion propagation model can effectively obtain the durationand recovery time of congestion，and the propagation and dissipation time of congestion in different regions are differ-ent，which is related to the topological structure of the road network and travel demand The dynamic behavior char-acteristics of traffic congestion and information interactive propagation are used to reveal the diffusion and propagationcharacteristics of traffic congestion，which has certain reference significance for the analysis of traffic congestion evo-lutionThe propagation and dissipation time of congestion in different regions are different This is related to the topol-ogy of the road network and travel demand It uses traffic congestion and interactive information dissemination Thedynamic behavior characteristics of traffic congestion reveal the spread of traffic congestion and the spreading charac-teristics，which have certain reference significance for the analysis of traffic congestion evolutionKEYWODS:Traffic congestion;Propagation law;Travel demand;Congestion propagation5511引言随着汽车保有量的持续增长，大大超过了同期城市交通网络和交通设施的发展速度，道路交通资源供需矛盾不断加剧，城区道路的拥堵状况愈来愈严重，这已成为影响居民生活品质、阻碍城市发展的突出问题之一。交通状态演变是一个复杂的动态过程，研究交通拥堵传播，对拥堵的形成原因和形成过程以及缓解道路拥堵具有非常重要的理论意义1 2。目前针对交通拥堵的现状，改善城市交通道路的交通拥堵问题，国内外学者开展了许多相关研究3。早期的有交通波理论，以流体力学为基本原理，将车流密度的变化类比成水波的波动，分析交通波的传播速度和方向，寻求交通流参数与车辆排队长度之间的关系，阐述车流的变化过程4。Cats5 提出了一种动态随机交通分配模型，通过提高运力效益的方法对路网的可靠性和车流拥挤的演化过程进行了动态建模。Sajjad6 等提出了一种基于机器学习的技术，根据从路网中大量高速公路环路检测器获得的数据对交通流基本图进行分类和校准，描述了拥堵在时间和空间上的传播和消散模式。JiangZhibin7 提出了一种基于 SI 传染病模型的拥堵传播模型，通过拥堵易感恢复的状态变化过程来描述拥堵传播过程。文献 8 利用复杂网络分析交通拥堵的动力学传播特征，建立了交通拥堵病毒传播模型。文献 10 11 使用模拟数据从一个校准和验证的中观动态交通流模型，并验证了模型在交通拥堵方面的应用。文献 12通过对拥堵蔓延速度的影响因素进行量化分析，建立时变的拥堵蔓延速度模型，该模型能够描述交通事件下拥堵蔓延的特征。在现有研究成果中，城市交通通常为复杂的空间相关性和时间相关性，具有人类行为驱动性和传播性的特征，类似于传染病在人群中的传播或言论在社会网络中的传播。随着移动传感器的发展，路网交通数据有了可靠的来源，这进一步可以实时和宏观地估计道路交通状况。本文通过交通拥堵 SI 模型来模拟城市路网中的拥堵扩散，通过实时监视路网并观察拥堵路段的数量，模拟出最小化拥堵的总持续时间以及最小化恢复时间，这可为交通管理和控制策略提供一定支持。2拥堵特性分析2.1交通拥堵特征及成因分析城市路网交通是随着车流变化而动态变化的过程，它包括行人活动、车流波动、道路结构变化之间的相互作用。交通状态一般分为畅通和拥堵，在畅通和拥堵之间存在阈值，阈值可以是车流速度、车流量、车流密度等可量化的交通流指标来表示。在不同的道路结构、不同的时间段、不同的天气状况其交通拥堵产生原因、严重程度存在明显差异。交通路网中拥堵状态的产生与交通网络的内因和外因有关，外因包括天气、突发状况等，内因包括路网结构、道路通行能力和出行需求等。拥堵状态的传播媒介为路段间运行的车流，主要集中在交叉口处。城市交通拥堵传播特征包括13:交通控制策略、出行环境等多个复杂因素对交通路网的影响。拥堵一般发生在路段口，因此拥堵传播与交叉口在路网中的拓扑结构、出行需求相关，路段通行能力越大，拥堵消散越快。车流是城市交通路网拥堵传播的媒介。利用车辆实际速度与道路最大速度比值来定义拥堵强度，当拥堵强度大于道路的阈值时，则路段就会产生拥堵。路网中的队列溢出对路段容量很敏感，路段容量在欠饱合和过饱合的条件下难以保持稳定，拥堵还会在恢复过程中表现出碎片化，从而导致更大的空间异质性14。2.2基于传染病传播思想的交通拥堵特性分析传染病有三种典型的个体:易感染者 S，与感病者接触后易受到感染;已感染者 I，可以传播给 S 类个体;移出者，被隔离或因病愈而具有免疫力的个体，既非易感染者 S 也非已感染者 I15。同时也有两个传播过程，首先是易感个体与感染个体接触后发生感染，若没有通过及时隔离和治疗，感染者会继续传播给接触的人，然后若每个感染个体被隔离和控制，将会变成移除状态，这个状态的个体将不会再次感染上病毒，也不会再去感染其它个体16。在传播过程中，感染者作为传播源，携带者受到病毒的感染，也会变成传播者。传染病的传播过程如图 1 所示，图中圆形表示个体，箭头指向表示传播方向。图 1传染病的传播过程根据传染病的传播过程，来分析城市道路拥堵的传播过程。城市路网结构由路段交叉口和路段组成，因此采用路段来分析交通拥堵传播过程。为了能更好的表示交通拥堵的传播，首先构造交通拥堵信息传播的路段，如图 2 所示。若L0 路段处发生交通拥堵，下游路段 L5、L6、L7 会变得畅通，当后续车辆陆续到达该处时，会将该处的拥堵状态以传递的形式传播到 L1 路段，邻近路段 L3 和 L4 也会造成一定程度的拥堵。若拥堵持续，则 L2 也会加入拥堵状态，拥堵会通过道路传播到上游路段，同时，由于道路本身的通行能力机制作用和交通管理人员的共同作用，下游路段拥堵会逐渐消散，而且上游路段拥堵蔓延会继续向后传播，若交通拥堵一直持续，则最终会由点到线，甚至到面的传播。邻近的非拥堵路段在拥堵路段发生时，可能受其影响，被“感染”成拥堵路段。也可能会因拥堵源慢慢消散或者交通控制策略，使得651上游拥堵得到缓解变成非拥堵路段。这种现象与传染病的传播具有一定的相似性，都具有渐变过程和人工干预特性。对于渐变性，路段成为拥堵路段前，具有易感和免疫特点。对于人工干预性，医疗水平可以控制传染病的传播，交通控制也能减缓拥堵。因此传染病与交通拥堵有类似的传播规律，可借鉴传染病模型来研究交通拥堵的传播规律。本文根据研究需要，选用交通流速度、排队长度、行程时间等数据，并对数据处理得到可作分析需要的数据结构。图 2拥堵传播道路结构3基于 SI 的交通拥堵传播模型3.1SI 模型SI 模型中节点状态分为易感染态(S)、感染态(I)和治愈态()。治愈态节点是由感染态转化到正常状态的节点，将不再受感染节点的影响。易感染态节点被感染后将会以 的概率转换为感染态节点，而感染节点会以概率 恢复为治愈节点，三种状态之间的转化过程如图 3 所示。图 3SI 模型状态转化过程假设在 t 时刻，s