基于级联失效的机场陆侧道路偶发性拥堵影响研究

　　摘 要：偶發性拥堵因其在发生时间和位置上的不确定性，更容易通过拥堵传播引发路网的级联失效。为了研究偶发性拥堵在机场陆侧道路交通系统中的影响，结合北京首都国际机场T3航站楼陆侧道路交通网络，以进出T3航站楼的交通需求和拥堵持续时间为变量，仿真分析机场陆侧道路交通网络的级联失效过程。在此基础上，以道路饱和度为依据，对偶发性拥堵在整个路网中的影响范围以及影响范围内各路段受拥堵事件的影响程度进行研究。结果表明，随着交通需求的增加，偶发性拥堵在路网中的影响范围有所增大，且更早地发生了相继失效;随着拥堵持续时间的增加，偶发性拥堵在路网中的影响范围先逐渐增大后趋向稳定，且在较低交通需求下，该影响范围更早稳定下来。明确偶发性拥堵在机场陆侧道路交通网络中的影响范围，对影响范围内各路段的影响程度进行划分，更加精细地描述了了路网中各路段和初始拥堵路段之间的强弱关系。

　　关键词：交通工程 偶发性拥堵 级联失效机场陆侧交通影响范围

　　“十四五”时期，我国正不断推进综合交通运输体系发展，加快现代化交通强国建设[1]。机场陆侧道路交通系统作为衔接城市交通和机场空侧的纽带，其有效运行是持续提升综合交通运输协同运行效率的重要保障。随着社会车辆保有量和民航旅客周转量的逐年增加，机场陆侧道路交通拥堵现象频繁发生[2]。根据拥堵成因不同，交通拥堵可分为常发性拥堵和偶发性拥堵。常发性拥堵是指由于早晚高峰交通需求急剧增加大于道路通行能力，或道路瓶颈点致使道路通行能力下降引起的交通拥堵。而偶发性拥堵是指由于各类突发事件如交通事故、恶劣天气等造成的交通拥堵[3]。相比于常发性拥堵，偶发性拥堵具有随机性和不可预测性，一旦发生更容易通过拥堵传播影响周边路网中的其他路段的正常通行，是保障机场陆侧道路交通有效运行的重点和难点。研究偶发性拥堵在机场陆侧道路交通网络中的影响，明确拥堵事件在路网中的影响范围以及影响范围内各路段的影响程度，为制定合理的拥堵管控措施提供理论基础。这对于持续提升综合交通运输协同运行效率，建设交通强国具有重要意义。

　　分析国内外学者对偶发性拥堵的影响研究可以发现，元胞自动机、交通波模型等方法刻画了拥堵的传播机制，为偶发性拥堵的影响研究提供了基础[4]。吕奇光等人[5]以车辆能源补给诱发的偶发性交通拥堵问题为出发点，构建了基于开放边界条件下的能源供应站点元胞自动机模型，验证了需求车辆聚集程度与拥堵程度的正相关性;蒋阳升等人[6]以城市轨道交通为研究对象，基于元胞自动机建立城市轨道交通突发客流拥堵传播模型，并分析了突发客流量对拥堵区域面积的影响;李维佳等人[7]以高速公路交通事故为背景，将考虑大型车辆混入率引入到传统交通波模型中，从非干涉情景和干涉情景2个角度对事故影响进行定量分析;WANG Z L等人[8]认为事故影响范围的关键在于影响范围的形状与交通流的波动是否保持一致，为此提出了带约束的BIP模型，可用来估计高速交通事故的影响范围;孙建平等人[9]根据事故信息和事故路段流量数据，建立一种基于速度差异的拥堵判定模型，并量化了事故引起的偶发性拥堵时空影响范围;丁宏飞等人[10]考虑了交通拥堵发生位置上游交通流的粘性耗散变化，提出了一种涵盖时间域和空间域的快速路交通拥堵影响范围预测模型。

　　上述方法主要通过研究偶发性拥堵在当前或邻近路口/路段交通流的演变规律，能够很好地反映拥堵对微观交通流的影响。然而，对于机场陆侧道路交通网络而言，仍需从宏观的角度研究偶发性拥堵在整个路网中的影响范围以及影响范围内各路段的影响程度，这对于及时采取合理的拥堵管控措施，防止拥堵在路网中进一步扩散具有重要的现实意义;同时，在不同的交通需求和拥堵持续时间下，拥堵事件对整个路网的影响范围和路网中各路段受影响的程度会有所不同，需考虑交通需求和拥堵持续时间这两个关键变量在研究中的影响。

　　道路交通网络中的级联失效现象描述了拥堵事件在整个路网中的演变过程[11]。面对偶发性拥堵事件，对机场陆侧道路交通网络的级联失效过程进行仿真，能够从宏观的角度研究拥堵事件在整个路网中的影响。因此，本文在现有研究基础上，结合北京首都国际机场T3航站楼陆侧道路交通网络，仿真分析机场陆侧道路交通网络的级联失效过程，以道路饱和度为依据，在不同交通需求和拥堵持续时间的情况下，对偶发性拥堵在整个路网中的影响范围以及影响范围内各路段受拥堵事件的影响程度进行研究。

　　1 偶发性拥堵下道路交通网络级联失效仿真

　　在道路交通网络中，某个路段或交叉口由于交通事故、恶劣环境等原因发生失效，失效会通过路段、交叉口间的相互关联引起周边其他路段或交叉口相继失效，从而形成连锁反应，最终导致道路交通网络全部或者局部崩溃，这个过程即道路交通网络的级联失效过程[12]。偶发性拥堵由于其具有随机性和不确定性，一旦发生往往会导致路网发生级联失效。

　　道路交通网络级联失效过程常采用负载-容量模型[13]进行分析，主要需要解决两个方面的问题：如何定义路网中的初始负载以及面临失效路段/交叉口，如何将路网中的负载进行重新分配。路网中初始负载定义的问题，其本质就是负载在网络中的初始分配问题。常用的分配方法有用户均衡分配[14]、最短路径分配[15]和多路径分配[16]。用户均衡分配和最短路径分配要求所有出行者对最短路径的选择是一致的，实际中，所有出行者的路径选择准则和对路网中阻抗的认知均有所差异;多路径分配方法在最短路径的基础上定义了有效路径，能够较好的反映出行者在路径选择过程中的差异。面临失效路段/交叉口，路網中的负载可以从局部或全局的角度重新分配。从局部角度分配适用于路网中路况信息传递不及时的情况，出行者在到达失效路段/交叉口的邻近路段/交叉口重新规划路径[17]。随着信息技术的发展，出行者在路径选择时对路网的信息已经具备一定程度的了解，更倾向于从路网全局的角度选择出行路径。

　　因此，本文基于多路径概率下交通流分配模型从全局的角度对道路交通网络进行级联失效仿真。

　　1.1 初始负载的定义

　　在实际道路交通网中，路段的初始负载即为初始交通流量，它是初始交通需求在路网中分配的结果。道路交通网络具有双层网络特性，可将其划分为两个基础网络结构：上层为交通出行网络 ，其中 表示出发点的集合， 表示目的地的集合， 表示起点 到终点 的交通需求量;下层为实际道路网络G_x={V，Y，e_ij }，其中 和 分别表示路网中路段的集合和交叉口的集合， 表示相邻交叉口 、 之间的阻抗。

　　在交通出行网络和实际道路网络的共同作用下，路网上流量增加的同时，路网中阻抗也会相应的增加。因此本文以阻抗为定义初始负载的依据，采用多路径概率下增量加载的方法将交通出行网络中各OD对的OD流量初始分配至实际道路网络中，得到路网中各路段的初始负载 。

　　相邻交叉口 、 之间的阻抗 ，采用相邻节点之间的行程时间来表示。如公式(1)所示， 包括节点 、 之间路段a的行程时间 和交叉口i至交叉口j相邻进口道的延误 。

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文章名称： 基于级联失效的机场陆侧道路偶发性拥堵影响研究

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