基于MFD的拥堵收费控制研究

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交通拥堵是城市问题的热点话题,城市有限的空间资源无法满足人们日益增长的出行需求,因此交通需求管理显得尤为重要。交通流的变化规律是进行宏观调控的重要依据,近些年交通流宏观基本图(Macroscopic Fundamental Diagram,简称MFD)在路网控制和路网交通状态识别方面应用广泛,该模型关注网络交通流参数(加权平均流量、平均密度和平均速度)之间的关系,以及网络平均流入量(inflow)与流出量(outflow)间的关系。MFD能够大范围、短时间地监测路网交通状态,可为区域拥堵收费的定价研究提供可靠依据。本文首先基于交通效益定义总车公里指标表征路网容量,将二维宏观基本图(MFD)拓展为三维广义宏观基本图(GMFD),发现网络平均速度是平均密度和密度标准差的非线性函数,基于此将路段流量延误函数的BPR(Bureau of Public Roads)形式拓展到网络上,将密度标准差纳入模型变量,建立网络通行速度函数,描述网络交通流变化规律,结合统计法与理论推导方法标定函数参数,采用青岛市台东商圈的数据验证发现:考虑密度标准差的网络通行速度函数更符合实际交通的物理变化规律。然后联合MFD理论和多智能体模拟器(MATSim)建立区域拥堵收费定价模型,从公平性和可靠性角度出发,通过MFD获取路网容量(即实施控制的临界密度),设置比例控制器调整收费方案,由仿真获得定价收费后的MFD形状,形状最好的MFD对应着最佳收费方案。本论文划定青岛市台东商圈为警戒线控制区域,通过仿真验证该收费定价方法的有效性,发现:最佳收费方案不仅消除路网中出行者的延迟时间,且缩短拥堵高峰区间的长度。此外,实际出行和计划延迟的节省成本远高于所支付的总费用,即达到用户最优的平衡状态。由交通大数据获取的MFD内禀路网容量的时空特性,通过MFD理论确定费率标准是拥堵定价较为有前景的方法,本论文可为城市路网拥堵收费政策的制定和评估提供借鉴。
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