城市交通系统恢复力研究
2019-10-10

交通拥堵已经成为困扰我国城市发展的“城市病”,而交通时空资源的供需矛盾是其主要病因,具体表现为短时交通需求的急剧增长与交通供给能力提高缓慢之间的不匹配。城市交通需求的特点是短时增加快空间差异大,很容易形成局部的拥堵,在资源配置不合理的情况下难以及时疏解,就有可能形成拥堵的时空传播,导致城市交通的区域性瘫痪。在极端天气、大型活动或其他应急场景下,甚至会形成全市范围的大规模拥堵和交通能力降级。而现有解决方案一方面集中在路段和交叉口层面的微观调控,较少考虑路网层次的拥堵疏解;另一方面,交通路网包含大量路段和路口,状态空间巨大,直接调控就容易出现“组合爆炸”。这其中的一个关键基础问题就是理解城市交通的时空组织特点。从系统可靠性的角度讲,即是对系统的故障(拥堵)模式识别。唯有正确辨识交通的组织行为和拥堵模式,才能支撑及时和精准的可靠性管理决策。

针对这一问题,我们研究了城市交通流的时空模式。基于北京和深圳的实时路况数据,通过渗流理论对高峰、平峰等不同时段的路网交通资源时空配置进行分析,我们发现了两种典型模式:其中一种模式出现在工作日非高峰期以及休息日中,组织特点类似高维渗流,整个城市交通流组织相对均匀;而在工作日的高峰期,其组织特点接近经典的二维渗流,城市交通被“降维”,导致交通资源的配置“模块化”明显,模块之间的通行能力大幅下降。通常一个网络只会对应一种渗流模式,而从实际交通数据中挖掘的这两类模式区分明显,表现为渗流过程的两种普适类。进一步挖掘原因,研究团队发现,北京、深圳这类特大城市的市内“快速”路段具有较强的调控效果,少量地疏解这些“快速”路段,就有可能使得城市的交通组织从不均匀的低维“模块化”向均匀的高维状态转化,以提高路网整体的通行能力。这一结果同时也得到了模型的验证。

在研究交通拥堵模式的基础上,我们开展了交通韧性的研究。系统韧性的研究始于对生态系统自恢复的探究。通常,面对生物入侵或环境突变,生态系统可以凭借一定的适应能力从这些扰动中恢复。这种系统从扰动中恢复的能力被称为韧性。自从Holling在生态学中提出了韧性的概念,韧性理论已经被扩展到包括大气、经济甚至大脑研究中,对系统的可靠性管理提供了新思路。在城市交通的供需矛盾随着城市化进程愈加突出的背景下城市管理者在交通可靠性管理上面临着严峻挑战。如果能够提高交通韧性,就可以避免交通系统大范围崩溃,并且更快从性能降级中恢复而目前对于城市交通的韧性规律理解较少,其中如何度量城市交通的韧性是首先要回答的问题。

针对上述问题,我们发现了城市交通韧性的标度关系与以往的研究相比,该研究基于拥堵的时空传播定义了系统韧性(图1),更加立体和自然地反映了城市交通的适应和恢复能力。基于大量实证数据,研究发现城市交通的韧性分布遵循幂律形式(图2)。这些结果说明不同时空尺度上城市交通具有相同的适应规律。我们提出的城市交通的渗流建模方法,将能够对城市交通流的疏导、城市交通时空资源分配等提供科学依据,为不同尺度、不同方式的城市交通系统宏观调控提供一定的理论支持。而城市交通韧性标度关系的发现,也说明了城市交通韧性的内在禀赋,将能够为城市交通管理的新范式提供建议。

1 交通的时空韧性定义。(A)城市交通拥堵区域的演化示意图;(B)拥堵时空子团截面面积随时间变化曲线。拥堵时空子团截面面积关于时间的积分,即图示灰色区域代表拥堵时空子团的尺寸,是交通韧性的度量;(C)前三大拥堵时空子团尺寸随时间的变化曲线。

2 交通韧性的无标度律。(A)、(C)、(E)分别代表北京、深圳和京沈高速的拥堵时空子团尺寸分布;(B)、(D)、(F)分别代表北京、深圳和京沈高速的拥堵恢复时间分布。

李大庆,可靠性与系统工程学院,研究员,E-mail: daqingl@buaa.edu.cn

参考文献

Limiao Zhang, Guanwen Zeng, Daqing Li*, Hai-Jun Huang*, H. Eugene Stanley*, Shlomo Havlin. Scale-free resilience of real traffic jams. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116 (18) 8673-8678.