地理信息在交通上的分析

黑龙江科技学院利民校区

毕 业 设 计

题 目： 地理信息在交通拥堵上的分析

所在专业： 测绘工程

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I

任务书

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目 录

摘 要 ...................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................... II 第1章 绪论............................................................................................................................ 1

1.1 研究背景 ................................................................................................................... 1

1.1.1 研究问题、现状 ............................................................................................ 1 1.1.2 相关理论研究 ................................................................................................ 2 1.2 课题研究的目的、意义 ........................................................................................... 2

1.2.1 研究的目的 .................................................................................................... 3 1.2.2 研究的意义 .................................................................................................... 3 1.3 基于 GIS 技术的国内外交通管控研究现状 .......................................................... 3

1.3.1 国内研究现状 ................................................................................................ 4 1.3.2 国外研究现状 ................................................................................................ 5 1.4 研究的内容及框架 ................................................................................................... 6 第2章交通管理 ...................................................................................................................... 8

2.1 交通管理的现行实践分析 ....................................................................................... 8

2.1.1 基于城市建设的管理..................................................................................... 8 2.1.2 基于交通法规的管理..................................................................................... 9 2.1.3 监控调度管理 ................................................................................................ 9 2.2 交通管制理论解析 ................................................................................................. 10

2.2.1 交通管制基本理论分析 ............................................................................... 10 2.2.2 交通管制最高理论分析 ............................................................................... 15 2.3 本章小结 ................................................................................................................. 15 第3 章 交通拥堵状况及交通流信息 .................................................................................. 16

3.1 GIS 在交通缓堵中的理论应用 .............................................................................. 16 3.2 交通拥堵的因素及信息 ......................................................................................... 16

3.2.1 交通拥堵的因素 .......................................................................................... 16 3.2.2 交通拥堵的信息 .......................................................................................... 17 3.3 交通网络流分析的 GIS 方法 ............................................................................... 17

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3.3.1 应用 GIS 分析交通网络 ............................................................................ 18 3.3.2 应用 GIS 进行交通缓堵调度..................................................................... 18 3.4 GIS 在交通缓堵中的理论应用 .............................................................................. 19 3.5 本章小结 ................................................................................................................. 19 第4章 结论.......................................................................................................................... 20

4.1 ARCGIS 软件在实际缓堵中的应用 ...................................................................... 20 4.2 GIS 技术缓堵方案的研究内容及创新点 ............................................................... 20 4.2 研究得出的结论 ..................................................................................................... 21 致谢 ....................................................................................................................................... 22 参考文献 ............................................................................................................................... 23

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摘 要

于GIS的城市综合交通信息管理技术研究正越来越受到社会的广泛关注,相关信息系统的设计和开发也已展开,已经到了从整体上对其作进一步研究和集成的优化阶段,这就需要深入进行城市综合交通信息管理技术的研究,进行系统平台的设计、建设,将现有分散、独立运行的数据和系统进行整合、接入与集成,开发研制基于平台、分层次、分等级、统一的综合交通信息管理系统。城市综合交通信息管理系统的技术研究是一个十分复杂的系统工程,论文进行了比较细致地研究,主要内容和创新点如下: 1、分析了当前城市综合交通信息管理技术研究的背景和现状,剖析了综合交通信息管理系统的概念,明确给出了综合交通信息管理系统和平台的定义。分析了当前城市综合交通信息管理技术研究存在的主要问题,明确了论文的研究内容和基本思路。 2、分析了城市综合交通信息数据的需求,阐述了系统研制的主要原则,创新地提出了集约化发展城市综合交通信息管理系统的思想和方法。设计了系统的分级体系结构、功能结构和层次结构,设计了系统的网络结构,阐述了平台的软件系统和硬件系统的组成,进行了系统的接口设计和数据库设计。 3、重点对城市公交信息管理系统及其关键技术进行了分析研究。研究分析了公交换乘模型、线网优化模型和最短路径模型的算法与实现。论文创新地提出了两种公交换乘模型:基于搜索的公交换乘模型、基于有向图和拓扑关系的公交换乘模型。提出了基于成本的城市公交线网优化的算法,并在城市公交信息管理系统中实现。

关键词：地理信息系统；交通拥堵 ；缓堵；空间信息；模拟

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Abstract

Urban integrated traffic information management based on GIS technology research is more and more get the wide attention of the society, the information system design and development also have begun, has arrived on the whole the optimization of its further study and integration phase, which requires in-depth urban integrated traffic information management technology research, design and perform the system platform construction, the existing decentralized, independent operation data and system integration, access and integration, is developed based on the platform, hierarchical, hierarchical, unified integrated traffic information management system. Technology research of urban comprehensive transportation information management system is a very complicated system engineering, the paper compares the detailed research, main content and innovation points are as follows: 1, analyzed the current urban integrated traffic information

Keywords: geographic information system; Traffic congestion; Slow wall; Spatial information; simulation

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第1章 绪论

1.1 研究背景

自改革开放以来，我国的经济迅猛发展，城市化进程快速推进，随之城市交通也进入了一个快速发展的阶段。但是，城市交通的整体发展并不均衡，机动车数量、城市道路、交通法规、管控措施等发展并没有达到协调发展的状况，城市的交通管理也因此存在很大不完善的方面，这就导致了各大城市都出现了很多城市在发展过程普遍遇到的城市交通拥堵问题。

1.1.1 研究问题、现状

在现阶段，我国还属于发展中国家，人口众多。并且，伴随着社会的发展，城市规模的扩大，一些大城市的交通问题也愈加突出。随着我国很多市区面积的逐渐扩大，道路建设不断增多，出行车辆不断增加，城市交通已经进入一个快速发展的阶段。但是，随之而来的就是很多城市都开始出现城市交通拥堵问题。 面对交通拥堵，各个城市都采取了相应的交通管控措施。但是，依然没有很有效的解决办法，相应的程度也主要停留在局部简单缓解交通拥堵问题上。缓解方法也主要采用交通管制、信号灯、路段拥堵提示牌、交警岗亭疏导、单双号现行等等，还停留在浅层交通管理层面，城市交通信息化管理也没有得到足够的重视，在缓解城市交通拥堵方面也没有达到很好的效果。而且，随着经济的快速发展、人民生活水平的提高和车辆保有量的大幅增长，城市交通拥堵问题也愈加严重，成为阻碍大城市发展中多发常见的“城市病”之一[1]。 GIS 技术作为一种新兴的技术手段，在交通领域中的应用也变得更加广泛[2，3，4 ，5]。在交通领域中，如何通过控制调度优化交通，建立良好的交通秩序，提高城市交通效率，从而促进城市经济的发展，是一个很有价值的研究课题。 交通拥堵是现代城市交通普遍存在的问题，而通过交通信息化管理与控制调度是有效地解决这一问题的基本途径[1]。城市交通具有规律性、实时动态性和随机性，因此同样具有可控性。在交通控制方面，已经存在许多理论和实践，尤其通过信息进行控制，并采用 GIS 技术，以进行交通检测、管理与控制，其是 GIS 技术应用与管理需要研究的一个重要课题，对缓解交通拥堵问题有着十分重要的作用。 本文期望通过对交通拥堵地理信息的分析研究，掌握拥堵信息的分析方法，并依据相应特征进行缓

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堵方案的制定，最后进行交通缓堵的模拟运行，以期为交通信息化管理提供些许依据，为缓堵方案的制定贡献资料。

1.1.2 相关理论研究

研究道路交通拥堵问题，首先要明确城市交通在何种条件下运行可以被定义为拥堵，在明确拥堵范围的前提下，进行缓堵方法的研究。广义上讲，交通拥堵主要是指交通需求(在相应时间内想要通过某条道路的车辆数)超过某条道路的交通容量(在相应时间内能通过该道路的最大车辆数)时，超出部分车辆滞留在道路上的交通现象。 当前，各国对交通拥堵的定义没有统一标准。1994 年日本制定新的交通拥堵对策计划，当时将一般道路拥堵长度 1 公里以上或拥堵时间超过 10 分钟的情况定义为城市交通拥堵；而美国部分规范对城市干线街道服务水平的等级划分中，将车速在 22km/h 以下不稳定的车流称为交通拥堵车流；我国相关部分对交通拥堵路口和拥堵路段分别给出了定义:即在无信号灯控制的道路交叉路口外，车辆在车行道上受阻，并且相应排队长度超过250m。或者在存在信号灯控制的道路交叉路口， 车辆在 3 次绿灯显示时间内，均未通过道路交叉路口的状态定义为交通拥堵；拥堵路段则定义为：在车行道上车辆受阻，并且相应排队长度超过一公里的状态[2]。 另外，简单介绍一下 GIS 技术。地理信息系统（Geographic Information System，简称 GIS）是关于地理信息存储、应用和管理的计算机技术系统。该系统的基本特性是每个数据项均按地理坐标进行编码，然后通过对其定位、定性（分类）、定量，而后以此为基础形成数据库，并且具备逐渐完善的信息输入、输出、存储、分析、管理等功能[1]。GIS 技术的特点符合城市交通控制分析的地理信息特性，故进行以下研究，以期找到缓解交通拥堵的 GIS 方案。

1.2 课题研究的目的、意义

现今，随着各地城市化水平的提高，交通拥堵已经成为制约各个城市发展的重要问题。许多城市都采用了各种各样的方式方法进行交通拥堵的治理，但收效甚微，不能很好的解决拥堵问题。城市交通拥堵具有时刻分布的特性，随着时间、地点、交通管制等不定因素的变化，拥堵情况会随时发生改变。针对此种不可预知的变化，提出应用地理信息系统的空间信息管理思维进行缓堵方案的研究。

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1.2.1 研究的目的

本课题通过对各个大城市交通拥堵问题的调研、分析，从对比各个城市采用的方法中，总结出缓解交通拥堵的普遍规律。并根据分析结果，提出应用 GIS 技术缓解交通拥堵的设计策略。即研究用信息进行交通拥堵的分析及对策方案的制定，并进行具体的实践模拟，以验证具体方法的可实施性。

1.2.2 研究的意义

近两年，很多城市市区交通拥堵状况总体已经比较严重，不仅制约城市的发展，而且也严重的影响的广大市民的正常生活。应用 GIS 技术进行交通拥堵的治理，可以有效地缓解交通拥堵，相应的提高交通的运行效率，并通过具体分析，为城市规划工作提供资料，做好城市规划的辅助工作[2]。总的来说，可以促进城市的整体良性发展。 城市交通拥堵具有实时动态性，每个时间段的动态分布特性都会因相关因素的改变而发生改变，所以缓堵理论也将围绕这一中心展开。现今，全世界很多国家都针对交通管制和缓堵理论进行了深入的研究，也制定了相应的疏解方案，同样，成效也存在差异。根据对相关理论的研究，认为现今大部分研究还主要停留在政策、经济、法律等规定层面，缺乏对技术层面系统的分析。本文将在前有技术为支撑的基础上，对 GIS 缓堵方案进行研究，分析、模拟交通缓堵方案的实际运行，并验证其可实施性。最后，在此基础上，深入交通面管路方式的网络实现技术探索。 理论上讲，城市交通路网是由点、线、面组成的。点包括各个车辆及站点，线主要是各条道路及车辆运行线路，而面则是有所有点和线的集成。也就是说由点到线、由线到面。面是最高的组合形式。在城市交通管理控制中，面管理也是最高的管理形式。但是，现阶段的交通面控制研究仍处于理论探索层面，没有很好的应用的实际的方案之中。 本文将以现有的研究经验为基础，结合交通拥堵的基本属性及普遍的管控方法，进行交通缓堵技术的研究。

1.3 基于 GIS 技术的国内外交通管控研究现状

当前,城市综合交通信息管理系统技术的研究在全球范围内发展迅速,其功能和规模不断扩大,但功能构成不尽相同。欧美和日本等发达国家在上个世纪七十年代基本完成大规模的城市交通基础设施建设后,即开始将城市交通的重点定位于交通管理。

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八十年代初、中期着重利用3c(computer、,communication、control)技术对城市交通实行系统管理,八十年代后期至九十年代初期,又强调了城市交通的需求管理。九十年代中、后期,又相继把当时最先进的高科技引入城市交通管理,耗费巨资实施以实现智能化交通环境为目标的各类大型研究计划;在进入本世纪后,大量的智能交通系统逐步投入城市综合交通管理的应用,对城市应急管理、城市交通管理、交通信息管理和交通信息服务等,都发挥了重要作用。

1.3.1 国内研究现状

我国综合交通信息管理系统技术研究起步较晚。但从上世纪80年代开始,我国在交通领域采取了一系列重大举措,加快交通运输行业的改革与发展,加大交通运输结构和增量调整,加强交通行业信息化的建设与推进应用,不仅使交通基础设施总量有较大增长,而且信息技术水平、科技装备水平、服务质量和综合运输能力得到较大提高,为综合交通信息管理系统技术的研究和系统的建立奠定了良好的基础。“九五”期间,国家交通部提出结合我国实际情况,分阶段开展交通控制系统、驾驶员信息系统等5个领域的技术研究开发和系统集成;国家科委、科技部专门立项进行ITS及其框架体系的研究,组织专家组采用面向过程的方法,起草了中国智能交通系统体系框架;国家建设部与欧洲ITS组织ERTICO联合建立了EU一Chj泣a计划;国家发改委将ITS列为100个重点科研领域之一,并指出,tITS近期的产业化重点是加快发展先进的交通管理系统、道路交通信息及服务系统、高速公路通信监控系统及紧急事件处理和救援系统、不停车收费系统。对上述各系统,形成系统设计、设备制造、项目建设、系统运行管理的总体能力以及成套设备规模化生产能力”。我国各大城市在智能交通领域的研究也都取得了重要进展。

从2000年开始集中首都科技资源组织实施重点科技计划课题以来,北京市科委按照国际化大都市和特大城市对交通系统的要求[34],组织了数家科研单位,启动了北京“科技奥运”智能交通系统技术开发与应用课题的研究,并针对北京2008年奥运会提出了“奥运智能交通系统规划”的研究。在智能交通方面安排了:“北京智能交通(ITS)规划及示范研究”、“北京市交通科技发展规划与示范应用”和“北京市城市交通体系(五大系统)研究”等重点科技课题。在综合交通信息管理系统技术研究方面,北京建设了包括多种公共交通运输方式零换乘的客运枢纽管理系统和面向乘客服务的综合信息服务系统;建设了以交通

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2.2 交通管制理论解析

交通管制理论可以简单释义为基于点、线、面（网络）的三种基本管制原理的管制方式。各种应用中的管制理论也是在此基础之上的发展应用。此三种基本管制原理各种特点明细，并且在现实中也有大量的应用。本章将主要对交通管制理论进行相应的解析，为交通缓堵模拟应用打好理论基础。

2.2.1 交通管制基本理论分析

本节主要对交通基本管制理论进行解析，并阐明其与本文研究的重要关系。本文的研究内容也主要是基于以下理论的理想状态下进行的研究。 1．点、线、面控制方式解析 1）交通点控制方式：

点控制的控制方式通常与城市道路网络构成、交通管理控制有关。现今，交通点控制方式是常用的调度控制方法，原理也比较简单，即通过改变道路交叉口的灯信号来指挥调度运行车辆数量和运行方向。点控制是现今比较基本的控制方式，其可以调度交叉路口不同方向交通流量，但是单一的对交叉口信号灯进行控制，很难进行路段的交通控制。如当道路交叉口各个方向的交通流量都很大时，就很难通过点控制方式进行交通分流。 2）交通线控制方式：

线控制方式是统一协调交通路线上的各个控制点，优化交通运行线路，使车辆能够顺畅行驶，形成“绿波带”，即绿波交通。线控制可以较好的解决特定线路的交通控制问题，但是仍然难以进行交通网络的优化。其原因是因为网络具有整体性，线虽然是网络的构成单元，但线体系并不具备网络体系的整体特性和功能。例如：两条相互交叉的“绿波带”很可能形成严重的相互干扰，而且多条线路的相互干扰问题更是不可避免的。 3）交通网络控制方式：

城市道路交通系统就是一个网络系统，而现代的交通更是一个三维的空间结构。另外，交通流在复杂的网络体系中，同样具有网络形态。在固定的道路网络框架中，交通流的时空格局会不断发生变化，这种变化具有时空关联性。 通常情况下，传统城市交通的控制策略是应用相关数学模型进行计算，从而得出最优方案。在应用中，为了简化并解决相应数学上的限制，通常在建立相关模型时需要对模型进行一些不确定条件的理想化处理和人为设定。

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但是这种简化与现代城市、大型城市或特大城市交通系统的特性相反，这些系统通常具有非线性、实时动态性等特征。在复杂且实时变化的现实环境中，这些传统的控制策略经常表现为：

（1）在实际中，这些优化措施并不是最理想的，相反，经常会出现不合理的结果；

（2）面对大量的城市交通数据时，相应方法很难进行实时的合理计算； （3）当发生城市规模的膨胀及城市基础设施改造等情况时，相应策略很难进行及时有效地调整；

（4）当发生不可预知的特殊情况时，这些系统通常过于依赖人为操作，缺乏足够的应对能力。 相对于路线，网络的整体性通常表现为：在交通流上，一个路段不仅仅是与某些特定的路段相关，而几乎与所有路段都是相关的。因此，必须从网络体系角度出发研究城市的交通控制问题。交通流的控制和调度是交通管理的核心，其包括节点管理、线管理和面管理。其中面管理是最高的管理形式，但是还没能很好的应用到实际的运行之中[1]。 通常情况下，城市交通管制理论主要释义为点管理、线管理和面管理（道路网络管理）。各个管理方式都存在相应的优势及不足。总的来说，世界各国普遍认为面管理是城市交通管理的最高层次。但是，由于数学运算及其他与应用相结合方面的问题，总不能很好的应用到现实当中，还存在于高级理论的层面。所以，如何将交通面控制理论应用到实际交通管理之中，是未来研究的发展趋势。 2.交通流理论及相关基础理论

交通管制基本理论设计范围较广，应用也十分广泛。下面，主要对交通流理论以及所涉及到的相关理论进行介绍与分析。以下交通管制基本理论都是本文缓堵方案研究的理论基础，只有在基于以下理论并充分理解这些相应理论的前提下，才能更好地制定缓堵方案。 1）交通流理论

交通流主要是指车辆在道路上连续行驶时形成的车流。广义上讲，交通流还应包括不同种类车辆的车流及人流。 通常情况下，可以用三个参数来定量描述交通流，即：

（1）交通流量，又称交通量，指在单位时间内交通流通过道路横断面的车辆数，单位是每小时通过的车辆数或每天通过的车辆数表示；

（2）交通流速度，又称流速，表示交通流流动速度的快慢程度，单位是米/秒或公里/小时；

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（3）交通流密度，用以表示交通流的疏密程度，即：道路单位长度上的车辆数，单位用辆/公里表示。 以上 3 个参数之间的关系：交通流速度与交通流密度的乘积即为交通流量。在运行状况良好的情况下，交通参与者可以选择以较高速度行驶，这时，交通流可以算作一个整体，且速度较大。但是此时交通流密度却较小，所以交通流量也较小。随着外界因素的改变，道路上车辆逐渐增多，交通流密度也随之逐渐增大，这样车辆的运行速度会受到外界因素影响而有所下降，车流速度也会随之降低，但是交通流量在一定阶段会继续增加，直到达到某一临界条件，此时车流速度和密度的乘积将达到最大值，即流量达到最大值时为止。此时车流速度和密度都将达到最佳值。如果道路上的运行车辆继续增加，密度持续增大，交通流的运行速度也会继续降低。此时，虽然车流密度较大，但是因为车流速度较小，所以车流量反而会发生下降的情况，直到密度达到最大值(这时车流密度称之为拥堵密度）时，即发生交通拥堵，致使车辆无法正常行驶，整个车流的速度也逐渐降低，直至趋近于零，而流量也无限趋近于零为止[1]。在 30 年代初期，一些学者就试图从理论方面阐明交通流运行的规律。这样就引出了另外一个概念，即：交通流理论。其是研究分析道路上车辆和行人在运行中的规律，并研究车流流量、车流流速与密度三者之间的关系。并通过对三者关系的分析研究，来减少交通拥堵的发生并提高城市道路交通相关设施的使用效率。交通流理论是交通工程理论学的基础理论，对研究缓解城市交通拥堵有很大的价值。本文研究中，基于该理论的理想状态，进行信息管理缓堵方案的研究。 理论上讲，交通流理论以数学和力学等相关定律为基础。通常情况下，在交通规划与管理中，可以应用交通流理论科学分析道路和各种交通设施的使用效果，并根据不同的使用情况提出相应的改进措施。具体来说，交通流理论主要包括概率论、排队论、车流波动理论以及跟车理论。 2）概率论的应用：

在研究车流分布的规律时常常应用概率论方法，而且该方法被应用于计算弯车道长度、道路交叉口信号配时、标准车速计算以及道路通行能力确定等方面。在研究城市交通中的车流计数分布、车速分布和间隔分布等三种车流分布方式时常应用概率论的方法[1]。

（1）车流计数分布：在一定时间段内到达某地的车辆数的概率分布，所以又称为到达分布。具体来说，在不受外界因素干扰且车流密度较低的情况下 ，到达分布情况属于泊松分布；在车辆连续运行或发生交通拥堵时，到达

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分布则属于广义泊松分布或二项分布；而在车流受到周期性干扰（如道路交通信号灯干扰）时，到达分布情况属于负二项分布。

（2）车速分布：车辆在道路上行驶时，所出现的不同车速的概率分布情况。

（3）间隔分布：车辆先后到达时，彼此车头之间相隔距离的概率分布。当到达分布属于泊松分布时，该间隔分布符合负指数分布；而当到达分布属于广义泊松分布时，则该间隔分布符合厄兰分布。 文中，通过概率论的方法研究道路上车流的分布情况，以期在理想的状态下进行交通缓堵的研究。另外，应用概率论进行道路交叉口信号配时也能达到较好的效果。 3）排队论的应用：

在交通领域，分析研究交通参与者发生排队拥挤现象的相关数学理论被称为排队论。具体主要研究等待的时间，及排队长度的概率分布，以便能够协调整个系统及其中各参与者的运行，以使其既能满足交通参与者出行目的的要求，又能最大限度的降低系统运行的成本。在交通工程领域，通常把公交场站、道路交叉口、停车场等公共服务设施看作交通服务系统，而把参与车辆看作服务的对象，所以应用排队论可以在交通设施设计和管理以及辅助缓堵方案制定等方面取得一定的作用。另外，也常采用排队论分析道路信号交叉口前车辆的排队现象，并根据道路交叉口车辆的的具体延误情况，确定交叉口信号灯的配时方案，这一应用对城市交通系统的正常运行具有一定的管理及指导作用。

4）车流波动理论：

车流波动理论同样是研究城市交通系统的一个基础理论。因为外界原因等不定因素造成交通运行情况发生改变，从而造成车流密度也随着发生改变，在车流中车辆会产生像水波一样的的传播现象。车流波动理论就是通过分析车流波的传播速度来分析总结车流密度与流量同车速间关系的理论。在研究中，可以通过对车流波动理论的研究，总结车流速度、密度与流量之间的关系。以探寻最佳行车状态下，车流的运行状况，为本文的研究做好理论基础。此理论同样对交通缓堵的研究有着重要的作用。 5）跟车理论：

跟车理论不同于车流波动理论，该理论是一种微观的研究方法，研究的是在道路上行驶的单个车辆之间的关系。该理论用数学方法阐述车辆成队在一条车道上运行时，在后车无法超越的情况下，一种跟随行驶的状态。 当

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车辆连续运行时，车流中运行的单个车辆因为安全原因时常要随着前车车速的变化而改变自身车速，这种变化可以用以下方式表述： 后车车速变化－驾驶员反应灵敏度×前车车速变化（2-1）跟车理论常用于考察交通信号的自动控制等交通控制系统之中。本文将基于此理论，得出研究中合理使用的车流速度与密度值，并将相应的数据应用到缓堵方案的研究之中。本文对该数据的计算不做详细阐述，文中研究内容应用的数据也是相应的一直理想状态[1]。

6）绿波带理论

绿波带理论是保证本文研究可以处于理想状态的一种基本理论。该理论是指车辆在道路上行驶时，以预先计算好的车速运行，然后根据相应路线长度，改变交通信号灯配时，从而保证车流到达每个道路交叉口时均可以遇到绿灯，也就是在相应线路上不遇到红灯而连续行驶。换句话说，就是通过计算车辆通过某一路段的时间，然后对各个路口的红绿信号灯进行协调，使得车辆在通过时能够连续获得绿灯的交通管理技术。 在中国，绿波带的设计时速为 30 公里每小时，但前提是车辆密度较低时才能发挥很好的效果。要充分发挥绿波带的作用，首先应对城市的道路网络进行分流，使得两条主干道上的车流量得到分流；其次通过对非机动车和行人进行综合的交通治理，提高车辆的行进速度，以使绿波带发挥良好的作用。 具体来说，城市道路信号交叉口绿波控制通常是指一条道路上若干个连续交通信号交叉口间进行协调控制。使行驶在主干道上的车辆，可以在不遇到红灯或者较少遇到红灯的情况下，通过对系统中的各交叉口进行协调控制。使得道路上各交叉口信号灯的颜色以绿色向前传播，像波浪一样，因此这种交通信号协调控制的方式也称为“绿波带”控制。 然而，绿波带所带来的并不仅仅是安全和畅通，其实在潜移默化中绿波带还可以使交通参与者的出行时间形成一种规律性。而在没有绿波带控制的道路上行驶，红绿灯的启动则是随机无序的，且不能算出到达目的地所花费的大概时间，但是，在交通参与者熟悉绿波带出行的前提下，就可能估算出出行花费的大概时间，甚至是较为准确的时间，这大大方便了交通参与者的日常出行。 在当今城市道路交通管理控制中，为了使交通参与者能够在车道上畅通行驶，经常会对道路交通信号进行协调配时，即采用“绿波带”控制方式进行交通信号控制。采用“绿波带”模式，虽然可以使车流“一路绿灯”运行通过该管制区域。但是，该方式也存在一定的缺点，就是其主要保障的还是某一交通流的绿色运行。如果多个绿波交通流

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同时运行或交叉，就很可能造成相互干扰从而形成新的交通拥堵。也就是说，不能对交通网络起到很好的缓堵作用。所以，本文将以绿波理论为基础，并向绿波网络理论的延伸，以充分发挥信息管理技术的优势。 以上这些基本交通管制理论都有很大的作用，但是缺少的还是实时的信息。所以，在交通实时监控的条件下，这些理论将会发挥很大的作用。

2.2.2 交通管制最高理论分析

交通管制的最高理论就是面管理，即网络管理。具体来说，就是点、线、面的组合体。由点到线，再由线到面。从而形成一个面状的道路交通网络。交通网络是一个复杂的综合体，具体可以用数学中的矩阵来表示，主要应用交通网络 OD矩阵进行推算。 简单的说，OD（O 即 Origin，起点；D 即 Destination，终点）矩阵是交通网络中起点和终点间出行可达关系的表达，反应了交通参与者对交通网络的基本需求[1]。通常对交通网络 OD 矩阵的研究，需要大量的交通数据调查，这些调查往往会耗费大量的人力物力财力，而现今可以提供交通实时监控系统获得需要的调查数据，对理论深入实践有很好的应用价值。 通过交通网络矩阵分析，结合 GIS 信息管理技术，可以科学的改善网络的连通性，确定网络的可达程度，提供理论分析的依据和实用方法。 本文在对前一部分绿波带基本理论理解的前提下，进行理论的延伸，结合交通网络 OD 矩阵理论。即通过对交通信息的计算处理，进行交通网络的绿波模拟运行，形成一种绿波网络。详细的说，就是在预知交通参与者出行目的地的前提

下，通过系统进行出行规划，不止前行可以一路绿灯，就是在遇到左右转的情况下，同样可以一路绿灯，从而顺利的到达目的地

2.3 本章小结

本章通过对交通管理方法和相应理论的分析，对交通流理论、概率论、排队论、车流波动理论、跟车理论、绿波带等相关基本理论进行了阐述与总结，并且阐明了以上理论与本文研究的相关性，对普遍的交通管理方法有了较为深刻的认识，为以下对具体方法的研究做好了理论基础。

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第3 章 交通拥堵状况及交通流信息

交通拥堵状况需要根据交通拥堵的相关因素及各种交通流的信息判断，掌握实时准确的交通信息，才能做出有效的缓堵方案。现今发生的很多交通拥堵现象大都是因为缺乏有效实时的交通空间信息，从而不能制定出合理的管制手段，最终不利于城市交通的正常运行[1]。由此可见，交通拥堵、交通流等相关信息十分重要，之所以发生交通拥堵，很多原因是因为信息缺乏以

及管制手段的不足，所以 必须进行信息化。

3.1 GIS

在交通缓堵中的理论应用

GIS 技术是研究城市交通缓堵的先进方法。基于 GIS 技术的交通信息化管理方案不仅能对交通实时信息进行分析、统计等等，还可以利用其强大的信息处理功能，对相应的信息进行优化分析、线性规划（运筹学）、动态规划等等，从而制定出若干符合交通参与者具体要求的交通出行方案，并应用相应的地理信息可视化功能，及时反馈给交通参与者，以便及时作出正确的出行方案及出行路线的选择。 此过程可以主要应用 GIS 技术的信息管理功能，以及 ARCGIS 软件中的network 分析模块，即：网络分析工具。从而根据交通参与者设定的某些出行要求么，进行相应的方案分析（如运行时间最短、运行路径最短、运行成本最少等等），制作出相应的可视化图像，并及时传递给交通参与者。当然，此过程也可以应用其他软件进行，本文旨在研究应用 GIS 思想进行城市交通信息化缓堵的研究，并进行相应的 GIS 思想的表述（如：车流的分流、合流，以及其相应的指挥调度）。故具体应用的软件及程序不做相应阐述。

3.2 交通拥堵的因素及信息

引起交通拥堵的因素有很多，并且包含着诸多不可预知的潜在原因。需要深入的分析，才能判断造成某一拥堵的具体原因。另外，交通拥堵也包含很多信息，主要是时间的、空间的等等，掌握相应的信息才能准确的分析，并作出处理方案。

3.2.1 交通拥堵的因素

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交通拥堵的因素一般有很多方面，主要是道路和交通的适应性、车辆的时空分布不均匀性（针对时空分布不均匀，主要是现今常见的道路拥堵中，双向车道行驶车辆分布不均。表现为:

1．道路一侧车辆过于拥堵，形式缓慢，而另一方向车辆稀少，形式畅通。针对此种情况，可以对运行车道进行调度。如：将车辆稀少、运行畅通路段的车道划分出一部分作为反向行驶车道，从而增加交通运行流量。

2．时空分布不均的第二种表现就是某些路段过于拥堵，而某些路段行驶畅通。针对此种情况，同样应该应用 GIS 的思想，进行调度。以分析空间信息，分散车流，缓解拥堵。）另外，拥堵的因素还包括车辆运行速度、可达性、各种意外事故等等。

3.2.2 交通拥堵的信息

交通的控制是有目的、有秩序、有方向的行为，这些完全由信息进行制约。而信息的类型、作用过程和作用方式的不同，将导致相应不同的结果。交通拥堵相关信息包括道路交通性能信息，例如道路长度、宽度、车道数、路面状态等等；实时道路交通状态信息则包括车流流量、方向等等；而交通规定信息包括行速限制、左转限制、单行规定及其他信息等。依据这些信息，可以判断相应路段的交通状况，如交通运行通畅、交通运行正常、交通饱和及交通拥堵。依据交通状况可以做出相应的交通调整对策，如分流、调度。 另外，交通信息存在着随机性（针对驾驶员、驾驶车辆等等各方面因素的不可预知性，包括主观和客观的多各方面）、时空相关性（时空分布均匀性）、主题相关性（大型活动、会议以及公共活动场所）等信息特征.

3.3 交通网络流分析的 GIS 方法

在交通网络流分析的方法中，GIS 方法是是现今应用十分宽泛的方法之一。其包括很多具体的分析模块，根据不同的要求可以分别应用。 具体分析模块主要包括缓冲、拓扑叠加、网络分析（路径分析、网络连接性分析-最近距离等-）等等，以下进行具体应用的了解。 简单来说，通过 GIS 的拓扑叠加模块,将城市交通区位评价图与相应的城市交通要素层进行叠加，来确实城市交通的管制范围；通过 GIS 的网络分析模块,可以对交通拥堵范围进行分析，并根据相应的要求，制定满足需求的解决方案（如：出行距离最短路径、成本最低路径及出行时间最少路径等）；通过 GIS 的缓冲区分析模块，

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可以确定交通拥堵的影响范围或者某交通枢纽、商业中心、旅游景点等等对城市交通的影响范围等。GIS 技术具有强大的信息分析功能，并且可以对大量的数据进行处理。所以符合交通网络分析的要求。应用 GIS 进行交通网络分析，可以对城市交通空间信息进行分析处理，对结合相应的实际数据进行运行模拟，以提供交通参与者需要的分析结果，提高城市交通管控系统的效率。

3.3.1 应用 GIS 分析交通网络

简单来说，通过 GIS 的拓扑叠加模块，将城市交通区位评价图与相应的城市交通要素层进行叠加，来确实城市交通的管制范围；通过 GIS 的网络分析模块，可以对交通堵范围进行分析，并根据相应的要求，制定满足需求的解决方案（如：出行距离最短路径、成本最低路径及出行时间最少路径等）；通过 GIS 的缓冲区分析模块，可以确定交通拥堵的影响范围或者某交通枢纽、商业中心、旅游景点等等对城市交通的影响范围等。GIS 技术具有强大的信息分析功能，并且可以对大量的数据进行处理。所以符合交通网络分析的要求。应用 GIS 进行交通网络分析，可以对城市交通空间信息进行分析处理，对结合相应的实际数据进行运行模拟，以提供交通参与者需要的分析结果，提高城市交通管控系统的效率。

3.3.2 应用 GIS 进行交通缓堵调度

应用 ArcGIS 中的 network 分析功能，可以针对存在交通问题的区域进行缓解方案的制定。并制作出相应的图像分析方案以将相应的结果进行可视化的。如，当发生交通事故或道路障碍时，系统就可以将此情况认为是发生拥堵，不能通行。基于此情况下，进行路线的优化选择，从而应用 ArcGIS 的分析功能，制定出新的运行方案，指挥车辆运行。另外，network中根据站点制定行车路线的功能也可以应用交通缓堵之中。如，根据实时交通信息，将城市中的畅通路段设定若干站点，然后应用分析功能制定出车辆的运行路线，就可以说是缓堵的一个新策略（当然，城市中会同时产生若干个拥堵和畅通路段，应用计算机工具，根据相应的出行起讫点，选择最佳的出行路线，其中包括最省时、运行路线最短等等）。 GIS 技术是研究城市交通缓堵的先进方法。基于 GIS 技术的交通信息化管理

方案不仅能对交通实时信息进行分析、统计等等，还可以利用其强大的信息

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处理功能，对相应的信息进行优化分析、线性规划（运筹学）、动态规划等等，从而制定出若干符合交通参与者具体要求的交通出行方案，并应用相应的地理信息可视化功能，及时反馈给交通参与者，以便及时作出正确的出行方案及出行路线的选择。 此过程可以主要应用 GIS 技术的信息管理功能，以及 ARCGIS 软件中的network 分析模块，即：网络分析工具。从而根据交通参与者设定的某些出行要求么，进行相应的方案分析（如运行时间最短、运行路径最短、运行成本最少等等），制作出相应的可视化图像，并及时传递给交通参与者。当然，此过程也可以应用其他软件进行，本文旨在研究应用 GIS 思想进行城市交通信息化缓堵的研究，并进行相应的 GIS 思想的表述

3.4 GIS 在交通缓堵中的理论应用

GIS 技术是研究城市交通缓堵的先进方法。基于 GIS 技术的交通信息化管理方案不仅能对交通实时信息进行分析、统计等等，还可以利用其强大的信息处理功能，对相应的信息进行优化分析、线性规划（运筹学）、动态规划等等，从而制定出若干符合交通参与者具体要求的交通出行方案，并应用相应的地理信息可视化功能，及时反馈给交通参与者，以便及时作出正确的出行方案及出行路线的选择。

此过程可以主要应用 GIS 技术的信息管理功能，以及 ARCGIS 软件中的 network 分析模块，即：网络分析工具。从而根据交通参与者设定的某些出行要求么，进行相应的方案分析（如运行时间最短、运行路径最短、运行成本最少等等），制作出相应的可视化图像，并及时传递给交通参与者。当然，此过程也可以应用其他软件进行，本文旨在研究应用 GIS 思想进行城市交通信息化缓堵的研究，并进行相应的 GIS 思想的表述（如：车流的分流、合流，以及其相应的指挥调度）。故具体应用的软件及程序不做相应阐述。

3.5 本章小结

本章主要对交通拥堵的相关因素进行了介绍，并对相应的理论进行了了解与说明。通过对相应理论的了解，认识到信息对交通的发展十分重要，并且强调交通监控理论是获取实时信息的有效手段。另外，通过引入 GIS 思想，进行交通拥堵的分析与缓解方案的阐述。认为GIS技术能够很好的应用到城市交通问题之中，有很强的实践性。

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第4章 结论

本文主要对城市交通拥堵及缓堵方案的分析与制定等相关问题进行了研究。通过研究，不仅对城市交通拥堵现状以及常用的缓堵方法有了深刻的研究与认识，对相关理论进行了深入分析理解，而且提出了基于GIS思想的可视信息缓堵方案，并根据分析、模拟以及实际数据的计算、试运行，总结归纳出缓解交通拥堵的 GIS缓堵思想，对未来城市的交通缓堵起到了相应的指导作用。

4.1 ARCGIS 软件在实际缓堵中的应用

通过以上分析模拟，对交通拥堵地理信息的重要性已经有了初步的了解，对信息化缓堵方案的重要作用也有了充分的认识。以上的分析是旨在说明地理信息系统的信息化管理理念在缓解城市交通拥堵中的重要价值，以下将演示应用 ARCGIS软件对该交通路网进行最优路线的分析，及在发生交通拥堵情况下，通过对比，

自动制定新的运行线路等等功能，以说明软件在实践中的应用效果。 1.最佳运行路线分析

应用 ARCGIS 软件中的 NETWORK 分析模块，进行交通网络的最佳运行路径分析。其中可以将运行时间最少、运行路径最短、运行消耗最少、运行成本等等。

作为最佳路径选择的相关因素。然后根据交通参与者的具体需求，制定出相应的最佳运行路线，并及时反馈给交通参与者，以指导其正确行使 其是应用 ARCGIS 软件对本文研究地区进行的最佳路线分析，本分析在尽量通过

运行站点的前提下，只将运行时间最短作为研究的权重因素，故得出如下分析结果。图中绿色运行线路即为分析得出的最佳运行路径。

4.2 GIS 技术缓堵方案的研究内容及创新点

本文引入地理信息系统进行信息管理的思想，对城市交通缓堵进行研究。在城市道路上建立交通监控中心，并通过摄像机、红外探测器或电磁传感器等设备不断收集交通实时路况信息，然后应用信息管理分析系统对各种实时交通信息进行分析处理，以制定处理解决方案。再针对不同需求，通过信息传输系统（如:交通电台、信息提示板、GPS 导航系统等）将实时处理信息传

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输给交通参与者，通过此种方式进行交通信息管控与调度，指导交通参与者采取合理的出行方案（如：绕路行驶、增减行车速度、改变出行时段等等）。其中，发布方式也可以随着技术水平的提高，逐步扩展为针对个人的信息发布，这样会更具有针对性，缓堵效果也会更好。 另外，城市交通面管理实现方法的研究被广泛认可，但是还不能普遍的实践。

应用。本文尝试应用面管理进行交通缓堵的研究，提出将 GIS 空间信息处理的思想应用到城市交通面管理的应用之中，将复杂的信息运算交给具有强大计算功能的计算机系统进行分析处理，从而达到应用面管理进行缓堵研究的层面。

4.2 研究得出的结论

本文通过对基于地理信息系统的交通拥堵缓堵方案进行研究探讨，得出以下结论：

1.应用地理信息系统的拓扑关系理论，可以简化交通面管理的研究，对实现交通面管理起到一定的指导作用。

2.通过分析、模拟以及实际数据的计算、试运行，总结归纳出有益于缓解交通拥堵的 GIS 缓堵思想，认为 GIS 缓堵思想对未来城市交通管控能够起到一定的指导意义，并强调交通信息化管理的重要作用。6.3 GIS 缓堵方案对城市发展的意义 应用 GIS 信息管理技术进行缓堵方案的研究不仅对城市交通拥堵具有很好的缓解作用，对城市其他方面的发展也同样具有较为重要的意义。 具体来说，通过 GIS 缓堵方案改善城市交通运行状况，提高了城市交通系统的整体运行效率。这样不仅使交通得到了良好的发展，对城市的总体发展也起到了很好的促进作用，经济效益、社会效益等都会显著提高，对城市的综合发展也功不可没。并且，相应的缓堵方案也可以从侧面反映出道路建设及规划的不合理之处，从而指导规划建设，促进城市形态的合理发展。 另外，通过研究发现 GIS 空间信息思想可以应用到城市的很多环节之中。大到城市的规划建设发展，小到某单位的资料统计。还包括各个方面，如建筑的信息、活动的信息、景点的信息、历史文物遗址的信息、植物信息，甚至地下的古墓信息、矿产信息、地质信息等等 ，渗透到事物的方方面面，包罗万象。希望今后通过更加深入的研究，能发掘其更为精华的价值，为城市的发展贡献出最大的力量。

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致谢

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