基于矩形法的交通擁堵傳播模型研究

吳琰飄，蔡曉禹，陳明亮，李 靜

(1.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川成都61031；2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶4074；3.重慶交通大學(xué)山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶4074；4.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都61031)

0 引言

改善城市面貌、提高人們出行質(zhì)量的當(dāng)務(wù)之急是解決城市道路交通擁堵問題，而解決擁堵的前提是分析擁堵形成的規(guī)律及特征，即位置、時(shí)間及原因，為交通規(guī)劃和管理制定及時(shí)、合適的措施提供理論依據(jù)及決策支持。

縱觀國(guó)內(nèi)外關(guān)于道路擁堵狀態(tài)識(shí)別、分析的成果，大多為算法描述或理論方法，將道路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字或模型，不能給道路分析者關(guān)于擁堵演變過程的動(dòng)態(tài)描述及直觀感受。文獻(xiàn)[1]提出新的交通擁堵判別指標(biāo)，建立形態(tài)識(shí)別模型對(duì)擁堵狀態(tài)進(jìn)行判定。文獻(xiàn)[2]利用臨界占有率將交通流狀態(tài)分為擁堵和非擁堵，提出以速度-占有率、速度差雙指標(biāo)判定交通擁堵狀態(tài)發(fā)生、結(jié)束時(shí)刻的方法。文獻(xiàn)[3]利用移動(dòng)檢測(cè)技術(shù)獲取表征交通擁堵的參數(shù)，采用VISSIM仿真技術(shù)確定其閾值，再應(yīng)用多級(jí)模糊模式識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)道路交通的狀態(tài)評(píng)價(jià)。通過自主開發(fā)的數(shù)據(jù)抓取軟件，文獻(xiàn)[4]篩選新浪微博中關(guān)于交通擁堵的數(shù)據(jù)，通過多時(shí)間尺度分析，利用ArcGIS點(diǎn)密度分析工具及可視化處理，得到交通擁堵的時(shí)空分布規(guī)律。文獻(xiàn)[5-6]則認(rèn)為傳統(tǒng)提取交通參數(shù)的方法準(zhǔn)確性偏低，分別提出基于視頻序列和圖形圖像處理技術(shù)的方法進(jìn)行城市快速路交通狀態(tài)的識(shí)別、分類。

現(xiàn)有研究成果中，利用不同的數(shù)據(jù)采集方法、指標(biāo)和模型來判斷道路擁堵已相對(duì)成熟，但本文重點(diǎn)考慮擁堵狀態(tài)的展現(xiàn)形式，提出用可視化形式展現(xiàn)道路每階段的擁堵傳播特征，為交管部門呈現(xiàn)清晰、直觀的道路狀態(tài)動(dòng)態(tài)演變過程；將大量的歷史數(shù)據(jù)疊加的目的是預(yù)測(cè)未來交通擁堵狀況，提出具有針對(duì)性的解決方案。本文參考已有文獻(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)造馬賽克時(shí)空?qǐng)D，建立道路擁堵狀態(tài)演變的傳播模型，深入分析擁堵在道路上的傳播規(guī)律與特征。

1 道路交通狀態(tài)判斷與等級(jí)劃分

不同國(guó)家、地區(qū)對(duì)道路擁堵等級(jí)的量化標(biāo)準(zhǔn)及劃分不同[7]，表明交通擁堵是一個(gè)感覺量，它與城市發(fā)展水平、交通需求、道路通行能力、人的交通行為方式和心理承受能力等因素密切相關(guān)。日本對(duì)城市高速公路擁堵定義為：以時(shí)速40 km·h-1以下低速行駛、反復(fù)停車，且行駛的隊(duì)列保持在1 km以上同時(shí)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)在15 min以上的交通運(yùn)行狀態(tài)。美國(guó)芝加哥交通運(yùn)輸部對(duì)擁堵的定義為：大于30%的車道占有率，同時(shí)持續(xù)時(shí)間5 min以上的交通運(yùn)行狀態(tài)。中國(guó)公安部《城市交通管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》(202年)以城市主干路上機(jī)動(dòng)車的平均行程速度來定義交通擁堵程度，閾值劃分如下：≥30 km·h-1為暢通，20～＜30 km·h-1為輕度擁堵，10～＜20 km·h-1為擁堵，＜10 km·h-1為嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

速度作為一種極容易觀測(cè)和獲取的交通數(shù)據(jù)，通常被用作評(píng)價(jià)道路交通狀態(tài)的參數(shù)。本文對(duì)速度指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種既能反映擁堵強(qiáng)度又能體現(xiàn)出行者對(duì)交通擁堵感受的指標(biāo)，即速度延伸判別指數(shù)(Extended Speed Distinguish Index,ESDI)[1]。ESDI從速度角度出發(fā)，基于“線”判斷擁堵點(diǎn)是否相連，若路段的起訖點(diǎn)有重合則表示相連，否則擁堵點(diǎn)獨(dú)立，可以體現(xiàn)其交通運(yùn)行狀態(tài)和擁堵強(qiáng)度，適用于分析某條路段“線”的擁堵狀態(tài)。本文對(duì)其進(jìn)行深入研究，確定道路擁堵等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為后文進(jìn)行路段擁堵狀態(tài)判定提供依據(jù)。

1.1 EESSDDII

瞬時(shí)速度與流量同屬隨機(jī)變量范疇，隨道路條件、天氣條件、道路使用者心情等影響因素不斷變化。研究中通常把平均行程速度作為評(píng)判道路擁堵程度的重要指標(biāo)，本文提出的ESDI為道路設(shè)計(jì)車速與通過某路段的全部車輛的平均行程速度的比值，表征研究路段的擁堵狀況，即

1.2 等級(jí)界定

根據(jù)一般道路流量-速度關(guān)系，將道路狀態(tài)分為5種情況：低速低流(嚴(yán)重?fù)矶?、低速高流(擁堵)、中速中流(擁堵狀態(tài)適中)、高速高流(暢通)、高速低流(非常暢通)。綜合公安部公布的交通擁堵定義、北京交通發(fā)展研究院的相關(guān)成果以及各項(xiàng)學(xué)術(shù)研究，本文提出5個(gè)道路交通擁堵狀態(tài)等級(jí)：1級(jí)為非常暢通，2級(jí)為基本暢通，3級(jí)為輕度擁堵，4級(jí)為中度擁堵，5級(jí)為重度擁堵。采集設(shè)計(jì)車速為80 km·h-1的城市快速路的車輛平均行程速度，根據(jù)公式(1)計(jì)算對(duì)應(yīng)的ESDI(k)，結(jié)合該道路相同時(shí)間段根據(jù)視頻判定的擁堵狀態(tài)結(jié)果，得到適用于設(shè)計(jì)車速為80 km·h-1的城市快速路擁堵狀態(tài)具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即各擁堵等級(jí)對(duì)應(yīng)的ESDI取值范圍(見表1)，以及5個(gè)擁堵等級(jí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)描述，后文將構(gòu)造擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D標(biāo)定顏色。

2 道路交通狀態(tài)演變分析流程

本文核心思想是分析任意道路交通擁堵狀態(tài)的時(shí)空演變。下文給出道路交通狀態(tài)演變分析流程(見圖1)。

1）時(shí)空劃分。采集交通量時(shí)，計(jì)數(shù)時(shí)間間隔一般取15 min，根據(jù)需要計(jì)數(shù)時(shí)段可取更?。粚?duì)研究路段進(jìn)行空間劃分，按需求確定單位長(zhǎng)度。

2）采集數(shù)據(jù)。以方便、準(zhǔn)確為目的，采用可行手段采集檢測(cè)時(shí)段k=1,2,3,…內(nèi)的平均行程速度-vji(k)。

3）計(jì)算ESDI。采用MATLAB軟件根據(jù)公式(1)得出ESDI(k)。

4）等級(jí)判定。根據(jù)表1判定ESDI(k)值所屬范圍及對(duì)應(yīng)擁堵等級(jí)。

5）構(gòu)造擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D。將判定結(jié)果對(duì)照表1中顏色屬性數(shù)據(jù)，在單元格填充對(duì)應(yīng)顏色，形成色彩鮮明的擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D。

擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D在Excel表格中進(jìn)行，步驟為：①第一行設(shè)定為空間劃分，連續(xù)單元格代表連續(xù)路段；②第一列設(shè)定為時(shí)間劃分，連續(xù)單元格代表連續(xù)檢測(cè)時(shí)段；③根據(jù)步驟4)結(jié)果從第二行、第二列開始，在對(duì)應(yīng)時(shí)空劃分單元格中填入擁堵等級(jí)；④將擁堵等級(jí)替代為相應(yīng)顏色。

6）建立矩形法傳播模型分析法，從定性、定量?jī)煞矫娣治鰮矶埋R賽克時(shí)空?qǐng)D。

3 基于矩形法的交通擁堵傳播模型分析法

以擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D為基礎(chǔ)分別繪制水平、垂直兩種箭頭線，描述擁堵或消散狀態(tài)在空間、時(shí)間上的演變特征。為方便建立與描述模型，本文設(shè)置兩條規(guī)則：

圖1 道路交通狀態(tài)演變分析流程Fig.1 Congestion classification flow chart

表1 交通擁堵等級(jí)界定Tab.1 Definition of traffic congestion levels

1）箭頭始端(無箭頭一端)落在擁堵等級(jí)低的單元格內(nèi)，末端(有箭頭一端)落在擁堵等級(jí)高的單元格內(nèi)，隨著箭頭方向，擁堵等級(jí)逐漸增高。

2）水平箭頭線左端從演變剛開始發(fā)生的單元格所代表的空間劃分的起始點(diǎn)開始，右端到該演變過程完全結(jié)束的單元格結(jié)尾點(diǎn)結(jié)束；垂直箭頭線上端從演變剛開始發(fā)生的單元格所代表的時(shí)間段起始點(diǎn)開始，下端到該演變過程完全結(jié)束的單元格結(jié)尾點(diǎn)結(jié)束。

3.1 定性分析

通過采集某路段數(shù)日交通量數(shù)據(jù)，繪制多張擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D，對(duì)比分析出常發(fā)或偶發(fā)性擁堵現(xiàn)象，得到發(fā)生擁堵或消散的大致時(shí)間及地點(diǎn)。若出現(xiàn)多張擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D中，在某一時(shí)刻之前道路均呈現(xiàn)低擁堵等級(jí)(顏色為深綠色或淺綠色)，而該時(shí)刻之后擁堵等級(jí)逐漸增強(qiáng)(顏色逐漸變?yōu)辄S色、橙色或紅色)，表示該時(shí)刻為常發(fā)性擁堵的產(chǎn)生時(shí)刻。

對(duì)于常發(fā)性擁堵地點(diǎn)，可采取改變道路結(jié)構(gòu)布局、設(shè)置引導(dǎo)標(biāo)志等措施消除或轉(zhuǎn)移該擁堵點(diǎn)；對(duì)于固定發(fā)生擁堵時(shí)間點(diǎn)，可采取交通警察定時(shí)巡邏指揮、引導(dǎo)車輛提前繞行等方式疏導(dǎo)交通；對(duì)于偶發(fā)性擁堵可暫時(shí)不作處理。

3.2 定量分析

3.2.1 空間演變

以馬賽克時(shí)空?qǐng)D為基礎(chǔ)繪制水平箭頭，表示在同一時(shí)間段內(nèi)，擁堵或消散狀態(tài)在空間上發(fā)生演變。水平箭頭不能單獨(dú)做出擁堵或消散判斷，而垂直箭頭可以。完成箭頭線標(biāo)定，如圖2中點(diǎn)劃線箭頭，形成2種情況：

1）如果箭頭向右方，即指向下游(如圖2a中箭頭A1)，且始端落在第i列，末端落在第 j列，表示該時(shí)段內(nèi)，下游擁堵而上游不堵，擁堵或消散波在第 j列所代表的路段開端處形成，向上游傳遞到第i列所代表的路段結(jié)尾處停止，波傳遞的路徑長(zhǎng)度為

圖2 時(shí)空演變的矩形法示意Fig.2 Diagram of the‘rectangle method’to show the temporal and spatial evolution

2）如果箭頭向左方，即指向上游(如圖2c中箭頭B1)，且始端落在第 j列，末端落在第i列，表示該時(shí)段內(nèi)，下游不堵而上游擁堵，擁堵或消散波在第 j列代表的路段開端處形成，并向下游傳遞到第i列代表的路段結(jié)尾處，波傳遞的路徑長(zhǎng)度為

3.2.2 時(shí)間演變

在馬賽克時(shí)空?qǐng)D上繪制垂直箭頭，表示在同一路段劃分內(nèi)，擁堵或消散狀態(tài)在時(shí)間上發(fā)生演變。完成箭頭線標(biāo)定，如圖2中實(shí)線箭頭，形成2種情況：

1）如果箭頭向下方(如圖2a中箭頭C1)，且始端落在第i行，末端落在第 j行，表示在該路段內(nèi)，擁堵在第i行代表的時(shí)段開端ti時(shí)刻形成，傳遞到第 j行代表的時(shí)段結(jié)尾tj后停止，擁堵波傳遞時(shí)間ty=tj-ti；

2）如果箭頭向上方(如圖2b中箭頭D1)，且始端落在第 j行，末端落在第i行，則表示在該路段內(nèi)，擁堵正在消散，消散波在第i行代表的時(shí)段開端ti時(shí)刻形成，傳遞到第 j行代表的時(shí)段結(jié)尾tj后停止，消散波傳遞時(shí)間tx=tj-ti。

3.2.3 時(shí)空演變

按上述方法構(gòu)造各單元格長(zhǎng)度和寬度分別相同的擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D，可定量地分析擁堵或消散的時(shí)空演變。直接在擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D上繪制箭頭圖形，定義矩形法進(jìn)行時(shí)空演變分析：根據(jù)馬賽克時(shí)空?qǐng)D中各單元格的等級(jí)顏色及上文所述規(guī)則，分別繪制兩對(duì)平行、長(zhǎng)度相同但箭頭方向可能不同的水平、垂直箭頭，構(gòu)成封閉矩形，形成5種擁堵或消散狀態(tài)(見圖2)。擁堵狀態(tài)的變化趨勢(shì)按照所設(shè)置的規(guī)則1)，2)執(zhí)行，矩形中4個(gè)頂點(diǎn)若存在兩個(gè)箭頭端，該頂點(diǎn)表示的時(shí)空劃分在整個(gè)矩形中最擁堵；若僅存在一個(gè)箭頭端，該頂點(diǎn)表示的時(shí)空劃分相較于前者擁堵等級(jí)低；若不存在箭頭端，該頂點(diǎn)表示的時(shí)空劃分最暢通。

1）垂直箭頭均向下方，水平箭頭均向右方：隨著時(shí)間推移，上游及下游處擁堵等級(jí)均增高，表示下游擁堵蔓延到上游，上游逐漸擁堵，時(shí)間呈滯后性，且下游擁堵沒有消散跡象，擁堵波傳遞速度為

2）垂直箭頭均向上方，水平箭頭均向右方：隨著時(shí)間推移，上游及下游處擁堵等級(jí)均降低，表示上游擁堵隨下游擁堵消散滯后消散，消散波傳遞速度為

5）s5i處垂直箭頭向下方，處垂直箭頭向上方，ti，tj水平箭頭均向左方：隨著時(shí)間推移，上游擁堵等級(jí)增高，下游擁堵等級(jí)降低，表示下游擁堵造成上游逐漸擁堵，隨后下游擁堵逐漸消散，消散波未及時(shí)傳遞到上游，滯后發(fā)生消散，與情況3存在輕微差異。下游消散波、上游擁堵波的傳播速度為

4 實(shí)例分析

4.1 建立模型

對(duì)重慶市黃花園大橋部分路段進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。選取石黃隧道平臺(tái)架設(shè)視頻采集設(shè)備。為獲取較為常態(tài)的道路時(shí)空演變特征，數(shù)據(jù)采集選擇星期三晚高峰時(shí)段16:30—19:0及星期四早高峰后的平峰時(shí)段直至午高峰時(shí)段9:20—12:0，共5 h 10 min。

1）設(shè)定檢測(cè)交通參數(shù)時(shí)間間隔為1 min。設(shè)大橋北端為0 m處觀測(cè)點(diǎn)，向南每隔50 m假定一個(gè)觀測(cè)斷面，觀測(cè)路段全長(zhǎng)80 m，路段具體劃分如圖3所示。

2）采用視頻獲取速度數(shù)據(jù)，追蹤車輛從0～80 m處通過關(guān)鍵斷面的具體時(shí)間，進(jìn)一步得出各劃分路段平均行程速度。

3）計(jì)算ESDI指標(biāo)值。已知該路段設(shè)計(jì)速度為80 km·h-1，采用MATLAB軟件根據(jù)公式(1)得出各時(shí)空劃分下ESDI(k)。

4）根據(jù)表1，判定相應(yīng)擁堵等級(jí)，示例結(jié)果見表2。

5）根據(jù)矩形法規(guī)則及方法步驟構(gòu)造擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D，構(gòu)建擁堵傳播模型。

4.2 馬賽克時(shí)空?qǐng)D定性分析

對(duì)比總結(jié)同一時(shí)段、同一地點(diǎn)多張擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D，推測(cè)多日內(nèi)常發(fā)或偶發(fā)性擁堵的發(fā)生及結(jié)束時(shí)間、位置，預(yù)測(cè)未來該路段發(fā)生擁堵的時(shí)間、位置，為交通管理者疏導(dǎo)交通提供依據(jù)與理論支持。本文截取部分擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D進(jìn)行定性分析(見圖4)，得出如下結(jié)論：

1.2 社團(tuán)提取問題中的模塊度函數(shù) 假定網(wǎng)絡(luò)包含有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特殊的劃分，即將網(wǎng)絡(luò)劃分為兩個(gè)組，讓si=1表示節(jié)點(diǎn)i屬于第一組，當(dāng)si=-1時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)i屬于第二組。將節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間邊的連接數(shù)目表示為Aij（其值取0和1）。若網(wǎng)絡(luò)中有重邊存在，則Aij可以取比1大的值。Aij就是所謂的網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣中的元素，若節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間邊的連接是隨機(jī)的，則均值為kikj/2m，ki表示節(jié)點(diǎn)i的度，i=1,2,...,n，m=表示網(wǎng)絡(luò)中邊的總數(shù)目，則文獻(xiàn)〔7〕中的社團(tuán)提取問題中模塊度函數(shù)Q可定義為

圖3 路段劃分Fig.3 Road segmentation

1）80 m處觀測(cè)斷面位于黃花園大橋由北向南方向的右轉(zhuǎn)出口匝道上游，該匝道為黃花園大橋在過江后第一個(gè)右轉(zhuǎn)出口，且下一出口距離該位置約1.5 km，因此進(jìn)入該匝道的車流量大。10:0為一個(gè)擁堵分界點(diǎn)，在此時(shí)段之前車輛行駛速度低，擁堵發(fā)生頻繁，之后車輛行駛速度逐漸提高，基本不會(huì)出現(xiàn)車輛長(zhǎng)時(shí)間滯留現(xiàn)象。交管部門可在此時(shí)間之前對(duì)道路進(jìn)行交通管制，以防止該時(shí)間點(diǎn)帶來的常發(fā)性交通擁堵向上游蔓延。另外，該出口匝道使得上游車輛變道頻繁，易形成擁堵，需要采取合理措施緩解擁堵，如設(shè)置引導(dǎo)標(biāo)志等，提醒車輛提前變道。

2）測(cè)量路段無進(jìn)出匝道及車道數(shù)變化等瓶頸區(qū)段，大橋不會(huì)全面癱瘓，僅在高峰時(shí)段整體擁堵等級(jí)高。

3）部分擁堵僅持續(xù)3～4 min，這類短暫的偶發(fā)性擁堵是由于交通事故造成，如變道產(chǎn)生的車輛追尾事故等，不會(huì)對(duì)整體交通狀態(tài)產(chǎn)生太大影響。通過對(duì)長(zhǎng)期觀測(cè)取得的擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D進(jìn)行對(duì)比，可對(duì)這類偶發(fā)性擁堵頻發(fā)路段采取相應(yīng)措施。

4.3 馬賽克時(shí)空?qǐng)D定量分析

為方便觀察和描述，采用矩形法在圖4中繪制出7個(gè)具有明顯代表性的箭頭矩形，分別進(jìn)行如下分析。

1）情況 a矩形覆蓋0～30 m路段、9:35—9:38時(shí)段，下游擁堵逐漸倒灌至上游，擁堵波傳播速度4.5 km·h-1。

2） 情況 b1矩形覆蓋0～30 m路段、9:59—10:01時(shí)段，隨著下游路段擁堵逐漸消散，上游擁堵滯后消散，消散波傳播速度情況 b2矩形覆蓋50～80 m路段、9:58—10:0時(shí)段，消散波傳播速度

表2 ESDI和擁堵等級(jí)判定結(jié)果示例Tab.2 Example of ESDI and congestion level determination results

3）情況c1矩形覆蓋30～50 m路段、9:58—10:01時(shí)段，由于上游某種特殊情況產(chǎn)生擁堵，導(dǎo)致下游到達(dá)車輛總數(shù)減少，下游擁堵逐漸消散，上游擁堵滯后消散，消散波傳播速度km·h-1；情況c2矩形覆蓋20～450 m路段、10:07—10:09時(shí)段，消散波傳播速度vc2=

4）情況d矩形覆蓋30～50 m路段、9:5—9:57時(shí)段，隨著上游擁堵消散，到達(dá)下游車輛增多，下游逐漸形成擁堵，上游消散波、下游擁堵波播速度

5）情況e矩形覆蓋10～40 m路段、9:39—9:40時(shí)段，下游擁堵引發(fā)上游擁堵，同時(shí)下游擁堵開始呈消散趨勢(shì)，上游還未開始消散，擁堵繼續(xù)向上游傳遞，上游擁堵波、下游消散波傳播速度

4.4 分析結(jié)論

基于ESDI繪制馬賽克時(shí)空三維柱狀圖，將矩形回路對(duì)應(yīng)標(biāo)記，形成空間矩形(見圖5)。從空間矩形各邊指向趨勢(shì)、傾斜程度，直觀反映了演變趨勢(shì)、演變速率；柱狀圖整體呈高低起伏的狀態(tài)，起伏越大表示變化速度越快。圖5驗(yàn)證了擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D的變化是一種同時(shí)在時(shí)間和空間上演變的過程，但通過擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D能更準(zhǔn)確地看到擁堵和消散的演變過程，計(jì)算擁堵和消散波的傳播時(shí)間、速度，因此，僅將馬賽克時(shí)空三維柱狀圖作為補(bǔ)充說明。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，受地理位置、周邊環(huán)境和道路本身特點(diǎn)等影響，一周內(nèi)工作日和非工作日在同一時(shí)段的擁堵狀態(tài)分別具有較強(qiáng)的規(guī)律性，周期性相似度較高?；诖罅繗v史數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)張擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D進(jìn)行一系列疊加、融合等專業(yè)處理，結(jié)合定性分析和矩形法擁堵傳播模型分析法，可預(yù)測(cè)道路在未來工作日或非工作日的交通擁堵狀態(tài)演變。定性分析得出道路常發(fā)性、偶發(fā)性擁堵或消散發(fā)生和結(jié)束的大致時(shí)間、路段位置及產(chǎn)生原因，再配合矩形法定量分析，得出每天道路擁堵或消散的持續(xù)時(shí)間、傳播速度。將采取措施前后的擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)，反映該措施實(shí)施效果。

針對(duì)常發(fā)性擁堵，根據(jù)多張擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D總結(jié)得出的擁堵起始和持續(xù)時(shí)間，交管部門可定時(shí)在擁堵路段的上一個(gè)分流點(diǎn)，甚至更遠(yuǎn)處布設(shè)引導(dǎo)標(biāo)志標(biāo)牌、交通誘導(dǎo)指示牌，采用地圖APP、微博、交通電臺(tái)廣播等方式發(fā)出通告，建議通行車輛適當(dāng)繞行、提前換道等，緩解路段局部瓶頸帶來的整體擁堵。針對(duì)偶發(fā)性擁堵，若路段某部分偶發(fā)性擁堵頻繁發(fā)生，表明該地可能存在設(shè)計(jì)問題，需要進(jìn)一步分析擁堵產(chǎn)生原因，及時(shí)排除擁堵因素，優(yōu)化路段狀態(tài)。

圖4 擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)DFig.4 Congestion mosaic time-space diagrams

圖5 基于ESDI的馬賽克時(shí)空三維柱狀圖Fig.5 3D congestion mosaic time-space bar graph based on ESDI

5 結(jié)語

本文從實(shí)際交通擁堵狀態(tài)入手，結(jié)合對(duì)城市道路交通擁堵問題的研究，提出速度延伸判別指數(shù)ESDI，將道路擁堵狀態(tài)劃分5個(gè)等級(jí)，界定每個(gè)等級(jí)的閾值。然后利用擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D可視化方法，建立基于矩形法的交通擁堵傳播模型分析法，通過定量和定性分析，準(zhǔn)確得出擁堵傳播狀態(tài)特征。再繪制路段的馬賽克時(shí)空三維柱狀圖作為擁堵馬賽克時(shí)空?qǐng)D的補(bǔ)充和驗(yàn)證，更直觀地展現(xiàn)擁堵動(dòng)態(tài)演變過程。最后以重慶市黃花園大橋?yàn)槔M(jìn)行建模驗(yàn)證。實(shí)例表明，本文構(gòu)造的判別方法能正確劃分道路各時(shí)空劃分下所處擁堵狀態(tài)，基于交通擁堵傳播分析法——矩形法的傳播模型能有效得到道路擁堵演變特征，包括常發(fā)或偶發(fā)性擁堵或消散的覆蓋范圍、起止時(shí)間、傳播速度及發(fā)生原因等狀態(tài)特征。建立矩形法傳播模型，明確劃分擁堵形成和消散的過程，將路段中影響交通運(yùn)行情況的特殊點(diǎn)抽出，對(duì)其狀態(tài)特征進(jìn)行細(xì)致研究，可為管理部門找到最行之有效的解決方法。但該傳播分析模型在構(gòu)造矩形時(shí)存在一定誤差，未來研究可進(jìn)一步優(yōu)化分析模型，提高結(jié)果精度。