交通流量分析与实时最优控制研究

摘要：交通流量分析关系到整个交通运行水平，随着社会不断发展，私家车的数量不断猛增，这给交通管理带来了压力。交通流量分析是路上权重变化最直接的表现方式，它将准确的体现出路况信息。本文主要将交通流量问题，通过实例进行解决，将Dijkstra方法运用到交通流量监测中，为交通流量控制带来可行性的算法。

关键词：交通流量；控制；研究

Abstract: Relationship between the level of traffic operation analysis of traffic flow, with the continuous development of society, the number of private cars has soared, which puts pressure on traffic management. Analysis of traffic flow is the most direct way of road weight changes, it will accurately reflect the traffic information. In this paper, the main traffic flow problems, solving by examples, the Dijkstra method is applied to the traffic flow monitoring, bring the feasibility of the algorithm for traffic flow control.

Key words: traffic; control; research

中图分类号：D035.37文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

一、交通流量问题

随着科技水平不断提高，各类型的机动车、私家车不断俱增这给交通运输带来了阻碍，道路上常常出现堵车，交通事故等等事件出现。当前，我国大多数城市交通已经从之前的拥挤状态发展全面的紧张状态。举个例子，在我国一个大城市内，它的早晚交通流量为最高点，路面的堵车长度为1000多米。这仅仅是一个路口的堵车现象，连接着的路口同样是堵车长度为1000多米。恶劣的堵车情况使得交通正常流动受到了破坏，车辆无法行驶，人们的正常生活和工作被影响。一个交叉路口的堵车时间最短在三十分钟以上，这给城市交通发展造成了巨大的负荷。拥挤不仅给出行的人们造成时间浪费，还会导致车辆行驶系统混乱，车辆行驶不安规则进行行驶，常常出现公交车不能按点到站。车上的人们因为时间延误，上班出现迟到现象。人们的愤怒情绪伴随堵车时间不断累积，严重的还会出现社会动荡。大量的计划和工作被耽误，紧张的局势不断提升，成为城市发展重大问题，阻碍了国民经济增长。面对这实际问题，相关部门要技术的采取应对措施，将城市交通堵塞问题解决，还给人们通畅的交通路面。

（一）信号灯与交通流量关系

出现交通堵塞的现象，主要是因为，交通信号与交通流量之间不对接，交通信号控制方法落后，跟不上繁忙的交通路面发展趋势。当前，各大城市交通交叉口，设定的是单定点的控制方式。该方式在面对出行高峰期时，不能灵活的运转，不能进行更换定点控制。因此，周期控制常常出现障碍，导致车辆行驶得不到科学的引流，无法使用高负荷的交通运行需要。而且在定期的周期内，一定红绿灯的时间确定之后，就不再改动。但是路面的车流量和人流量是变化的，他们随机性、经常性的在同一个周期内变化。然而，红绿灯是固定不变，这就形成了一对矛盾体。矛盾体得不到解决，将造成大面积的交通堵塞，堵塞时间不短延长，社会动荡趋势更加明显。

（二）车流量影响因素

车流量之间的差异将直接影响绿灯控制时间，要根据不同的路段车流量情况制定出合理的控制时间。这样的方式将极大的提高客观实际性，将路面交通堵塞情况降低。根据相应的车辆流通机率，制定合适的红绿灯时间。红绿灯停留时间和车流量形成反比关系，缩短了停留时间，提高运行效率。在行驶中，常常预见这样的情况，车辆在等待信号灯时，时刻的信号等是红灯，车辆等待摆着长队，红灯的时间也非常久。然而，在对面一侧，是在绿灯的状态下，车流量和人流量却稀少，使得路口流通资源被浪费、城市发展为了克制这现象，技术人员开始考虑统计、概率方法，开始将这些方法投入交通管理中。在收集了大量的数据之后，将周期的红绿灯时间和车流量的记录进行优化计算，选择出合理的信号灯时间和流量比率，在概率计算下，提高了资源利用率。统计工作开始之后，是制定出调节方案，对规律的行车和信号灯时间进行控制。该方案准确的制定出行车时间，根据实际的行车速率，将信号时间确定下来。在工作的实现，需要在事前对路面工作进行了解，了解地面地质结构，收集路段车辆流通数据，进行详细的分析。摒弃以往的数据，利用当下收集到的数据，将数据利用起来，制定出合理的方案，方案需要在深入研究中，收集足够的数据资源下，进行优化选择。方案对城市交通发展作用非常大，优质的方案将提高城市交通管理。

二、建立数学模型

想要提高城市运输效率，首要解决的问题是交通堵塞和拥挤问题，这些问题的解决不能单纯的依靠城市路面的长度和面积。关键是要完善落后的路面交通网，加强现代交通事业管理，提高路网结构。单个车辆的管理和控制工作需要提高重视度，要加强对单个车辆的引导。交通流量是个静态交通状态，该状态需要被调整和优化成合理的状态。举个例子，在一个城市街区内，车辆的流动速度会被限制，针对车辆行驶速度进行调控。交通道路一般是使用拓扑结构，该结构分布是否合理，需要相应的原理进行分析。图形都是由“点”和“边”两大部分组成，该拓扑网可以认为是一种抽象概念的图形结构。可以理解为交叉路口中，边和线的组成有向图。有向图内的有向线段是指引车辆行驶的方向标，有向图中的边，是车辆正常运行的控制因素。现代交通路面，总存在诸多的交叉口，该属性使得目的地和始发地之间有了虚拟的区域网。因此要先对路网进行研究，研究其中的影响因素，根据研究结果寻找应对方案。

（一）路面的基本假设

交通道路的具有一样的宽度，每一条道路的行车情况良好，基本不会出现等待信号灯现象。车辆在行驶过程中的车速恒定，不会被路面情况影响而出现减速或者提速的行为。而且道路的宽度和长度是已知数值，从始发点到终点的行驶速度为v1和v2，速度和路程和时间相关。

（二）建立起模型

该模型建立不考虑交通事故的影响，将车辆的始发点设置为vs，目的地地段设置为vt，这样的标致就可以计算出车辆所行驶的时间，车辆的行驶路段长度可以用p来表示。从出发地到终点站的行驶时间为t=d（vs，vt）/v，从公式中可以得知，vs，vt为两点距离，分别为始发点和终点。两个支点之间的速度为V，是路程中车流速度。根据以上的具体数据就可以计算出数学模型，模型之间的长度和弧长，通过任意的一条路面就可以计算出现，为优化路面提供了数据保障。

（三）模型的求解

在有向线段中，可以随意选择一个起点和终点进行计算，使用最常用的迪克特拉算法，该算法的基本思想比较简单， 是从起点开始，逐步寻找线段最短的有向线。在实行该方法时，需要将每个线段的端点要记录下来，每个端点对应不同的数据点，这些点成为后续进行的坐标点。在选择点时，可以将最短的点作为应用点，最短的路线权记录为p点坐标，v1为起点最短的权上界标志。在进行计算时，将每一个步骤的T点去掉，把T点对应的坐标转化成P坐标点。从而使得p集合点不但增多，顶点数值也不断变化，最后经过P-1的步骤将每个起点的速度和终点的速度求出来，最后获得最短的路线。

（四）模型改造过程

模型改造主要针对的是静态的加权问题，建立起的数学模型较好的解决了线路短问题。在实际运行中，这些状态的存在，严重的影响了交通运行时间。例如，当交通道路宽度不一致时，车辆流动的速率也不尽相同。在上班高峰期，这样的现象最明显，路段出现堵塞、交通系统瘫痪。某一段路段出现严重的交通堵塞，而有的路段却非常流畅，这就是交通宽度不一致造成的问题。要解决该问题，需要对整个路面进行探究，常看路段宽度是否一致，从静态的角度出发，尽量的掌握路面信息，更好处理路面交通情况。这些问题需要通过建立模型来处理，理想的模型方法，将更好的处理了路况问题。数据的准确性，需要在前期收集资料，从粗糙的结果中分析车流速，对单个实际问题进行引导控制。从点到面的掌控了整个路况信息，在资料总结的基础上，通过模型形式计算出每个时间段的车流量。计算中将路宽问题、交通堵塞问题考虑进去，再根据路段确定车行最短的距离，从静态把握上把握整个交通形态，采用因素转化法，将紧密联系在一起的复杂因素化为简单的单个问题，通过这样的方式来建立起优化的模型。

（五）检验模型

从前面的铺垫工作看出，一般的优化模型需要根据具体的问题，制定出合适的模型，模型的科学性需要进行计算。

例如图一，这是一个普通的交通路线，在复杂的路网中属于单行型的路线。当车辆以最初的速度行驶时，每个弧旁的数据会相应的发生改变，两个坐标点之间的距离会随着变动。假设一辆出租车在Vt点出发，在整个交通网线中，它将选择v8最短路线。根据t=d（vs，vt）公式，将具体行驶的时间计算出来。在通过Dijkstra算法就可以计算出最短的线路速度。时常需要考虑到速度因素和路程因素，当路况出现问题时，车辆速度将发生改变，每个计算点和公式也随之相应的发生变化。例如当2v=平均速度的0.5倍时，路面的高峰期堵塞将延长白分之五的百分点，主干线通畅率也随之下降。

三、结束语

交通路线不是单个车辆组成，在研究问题时，不单从车辆的路程和速度角度进行分析，它需要囊括整个交通路况，考虑到路面平坦性、考虑到路面的宽度。从信号路灯设置出来，收集每个时段的车流量资料，再将这些资料进行整合，得出最优的数据。建立起的概率计算方式，更好的应对路况问题。

参考文献

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[3]程文远，袁舜尧.基于交通流量分析的交通组织方案设计[J].当代研究，2011年2期