模糊数学在交通拥堵状态评价中的应用毕业设计论文 推荐.docx

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模糊数学在交通拥堵状态评价中的应用

摘要

交通拥堵已成为困扰当前城市发展的难题，目前国内外很多城市交通拥堵状况仍旧比较严重，我国的机动车拥有量及道路交通流量急剧增加，日益增长的交通需求与城市道路基础设施建设之间的矛盾已成为目前城市交通的主要矛盾，由此导致交通拥挤和堵塞现象频频发生。

交通拥堵严重地影响了人们的日常出行活动，制约着城市经济的发展。

本文通过调查和分析，建立了交通拥堵模糊评价模型。

综合行程速度、行程延误、停车次数、停车时间以及负荷度五种评价指标，对江门市区路网实际调研的数据进行回归拟合分析，确定每种指标的评价参考标准，最终形成科学的交通拥堵模糊评价模型，根据交通拥堵指数的概念评价城市路网的拥堵严重程度。

利用本文的模型，可以通过采集到的交通数据，实现对城市路网的定性和定量分析，得出相应路网的交通拥堵系数的大小，确定每个路网的拥堵严重程度，为交通管理部门提供科学合理的依据。

关键词交通拥堵；状态评价；模糊；评价指标；交通拥堵指数

Abstract

Trafficcongestionhasbecomeaproblemofthecurrentsituationofcitydevelopment,trafficcongestioninmanycityathomeandabroadisstillrelativelyserious,vehicleourcapacityandtrafficflowincreasesrapidly,thecontradictionbetweentheincreasingtrafficdemandandcityroadinfrastructureconstructionhasbecomethemaincontradictionofthecitytraffic,causingtrafficcongestionandblockingphenomenonoccurredfrequently.Trafficcongestionhasseriouslyaffectedpeople'sdailytrips,restrictsthedevelopmentofcityeconomy.

Throughtheinvestigationandanalysis,establishedthefuzzyevaluationmodeloftrafficcongestion.ThensettheevaluationindexsuchasTravelspeed,Traveldelay,thefrequencyofparking,parkingtimeandthedegreesofthesections.RegressionanalysisonthedataofpracticalresearchofJiangmen’surbanarea,determinetheevaluationofeachindexreferencestandard,eventuallyformingthefuzzyevaluationmodeloftrafficcongestion,andputsforwardtheconceptoftrafficcongestionindex,toevaluatetheevaluationoftrafficcongestionstatemodel.

Usingthismodel,thetrafficdatacanbecollected,realizethequalitativeandquantitativeanalysisofcityroadnetwork,drawthecorrespondingroadnetworktrafficcongestionindexsize,determineseachnetworkcongestionseverity,providescientificandrationalbasisforthetrafficmanagementdepartment.

Keywordstrafficcongestion;evaluation;fuzzy;evaluationindex;trafficcongestionindex

第1章绪论

1.1课题背景

交通拥堵问题是一个世界性的难题，通常一出现在各大市区以及连接市区间的高速公路，汽车占有率及使用率好的城市也容易发生交通拥堵问题。

开国以来我国国民经济不断快速增长，城市化进程加快，但令人担忧的是我国同几十年前的西方国家一样，发生了人口增长过快、交通拥堵、环境污染、住宅空间贫乏等问题，而且问题越来越严重，尤其是在我国的一二线城市。

交通拥堵的危害主要表现在给人们的出行带来极大的不方便，我国很多城市出现了交通拥堵问题，浪费了大量的社会资源，目前我国正处在高速发展时期，这对我国社会的发展是及其不利的。

目前国内外的专家学者研究了一些评价方法，如北京市采用的122电话报堵方法，该方法通过居民主动打电话报堵，交通管理部门从而可以确定拥堵路段的具体位置，该方法取得了一定的成效，但缺点就是存在一定的主观性；另外常采用的方法就是划分速度区域，该方法根据速度的变化显示出不同的交通拥堵级别，以此来评价路段的交通状态，此方法也存在一定的主观性，因为速度的大小可以人为干扰控制，对交通拥堵状态的评价也有一些不合理。

也就是说，目前国内的交通拥堵状态评价体系还有待完善，要不同领域的专家学者共同研究，从而解决我国的交通拥堵问题。

1.2研究的目的和意义

在我国城市交通拥堵正成为一个普遍的社会现象，主要原因是由于经济的高速发展，城市的机动车保有量不断增长，在大城市交通拥堵问题越来越明显，交通拥堵问题己经影响到城市机能的正常运作以及城市的可持续发展。

交通拥堵会影响到到社会的功能，会给我国经济发展带来负面影响，严重时还可能阻碍城市的发展，进而导致城市的生存环境不断恶化。

交通拥挤最根本的影响是增加了居民的出行时间和出行成本。

出行成本会妨碍居民的日常活动，影响居民的工作和生活效率，进而影响人们的生活质量，造成不必要的损失。

交通拥挤也会引发交通事故，反过来交通事故的增多又会增加交通拥堵的程度，这样的恶性循环会增加城市交通系统的负荷。

城市环境的不断恶化很大程度上源自交通领域，而交通拥堵首当其冲。

在机动车迅猛增长的背景下，环境也在不断恶化。

从伦敦20世纪90年代的检测报告可以看出，汽车尾气排放的氮氧化物占据74%。

交通拥挤导致车辆只能在低速状态行驶，低俗行驶又会引发频繁的停车和启动，这样不仅增加了能源消耗，同时也引发了噪声污染，更重要的是造成空气污染。

分析英国SYSTRA公司对发达国家大城市交通状况可知，交通拥堵造成的经济损失约占国民生产总值的2%，同时交通拥堵引发的噪声、大气污染等又会造成额外的损失，可见，解决交通拥堵问题刻不容缓。

要解决交通拥堵问题，不能单纯地增加道路基础设施建设、扩大路网规模来满足不断增长的交通需求量，必须加强交通拥挤管理。

城市交通拥挤管理的目的是引导交通流在路网上合理均匀分布，及时预测和判别交通状态，在发生拥挤的情况下进行有效快速的疏导。

在过去的数十年间，不同领域的国内外专家学者针对交通拥挤管理问题做了大量有益的探索，在分析交通拥挤形成的机理和寻找解决交通拥挤问题的途径上进行大量的研究，但是国内外针对交通拥堵的研究基本都是针对单因素评价模型，本文借鉴国内外专家学者的研究成果，确定五种交通拥堵评价指标，建立交通拥堵评价体系。

本文借鉴前人的研究结果，首先定义了交通拥堵状态，然后定义了城市路网的交通拥堵级别，最后根据模糊数学理论着手建立交通拥堵模糊评价模型，本文定义的交通拥堵指数可为交通有关部门判断交通拥堵程度提供一个科学合理的依据，为相关部门提供决策支持，从而确定采取什么措施去缓解交通拥堵问题。

本文总结了目前交通拥堵问题研究的缺陷与不足，吸收了专家学者的研究成果，建立起一套合理有效的城市路网交通拥堵模糊评价体系，对城市路网规划以及居民出行都有非常重要的指导意义。

1.3交通拥堵评价研究现状

世界各国都在着手研究城市交通拥堵问题，本文对国内外研究成果进行了的分析说明，为交通拥堵模糊评价模型的建立做理论基础。

国外的研究对我国交通拥堵问题的缓解有现实指导意义，国外的交通管理部门和研究机构研究交通问题比较早，尤其是美国、日本、欧洲等国家，美国最早开展交通拥堵状态评价研究，建立了相当完善的交通拥堵评价体系，欧洲和日本起步也较早，一些研究成功也得到世界范围内的借鉴与引用，此外其他国家也有一些值得学习的评价标准，对我国交通问题的研究具有深刻的指导意义，尤其是美国的畅通性研究报告交通拥堵评价等系统。

国外在交通拥堵问题上的研究本文做了以下说明：

（1）道路拥堵指数

1994年德州交通运输协会定义了道路交通拥堵指数这个概念来评价城市道路拥堵水平。

道路拥堵指数定义为：

每公里平均每日交通量的加权平均数（包括主干路，快速路和高速公路）。

已广泛应用于美国各大城市。

（2）出行时间指标

2006年美国华盛顿州交通运输部发布的交通拥堵报告中，第一次用平均高峰出行时间作为交通拥堵评价指标，出行高峰时间是一个非常重要的指标，居民在日常出行时会参考此指标，平均高峰出行时间为在高峰期间的平均出行时间。

1.4本文研究的主要内容

本文通过调查和分析，根据城市路网的交通拥堵特征，确定交通拥堵状态评价指标，从行程速度、停车次数、停车时间、行程延误以及负荷度五种评价指标着手，对江门市区路段实际调研的数据进行回归拟合分析，同时根据相关数据确定每种指标的评价参考标准，得到每种指标的隶属度函数，然后得到模糊判别矩阵，最终科学合理的建立了交通拥堵模糊评价模型，并提出并定义了交通拥堵指数的概念，用来评价路段的交通拥堵严重程度。

1.5本文章节安排

本文共分成五章。

第一章综述了城市路网交通拥堵问题的研究背景和意义；第二章介绍了交通拥堵的定义、分类、以及评价方法；第三章介绍了模糊数学的理论基础以及模糊数学评价体系；第四章介绍了交通拥堵状态评价指标的选取过程；第五章介绍了交通拥堵模糊评价模型的评价步骤。

第六章进行VISSIM仿真研究及实例研究，评价仿真生成的数据及江门市实时数据。

第2章交通拥堵

2.1交通拥堵定义及分类

2.1.1交通拥堵定义

交通拥堵的定义有很多种，由于其具有主观性，不同国家或地区对其的定义不一样，目前交通拥堵的定义尚无统一的国际标准，各个国家的研究进展也不一。

交通拥堵也常成堵车、塞车等，通常在上下班、节假日等高峰期间出现，本文参考国内外相关研究成果，定义了交通拥堵：

交通拥堵是一种交通流停滞在路段上的现象，其根本原因是单位时间内通过某路段的车辆总数超过该路段的设计交通容量。

2.1.2交通拥堵分类

目前，国内外对交通拥堵的分类还没有形成统一的标准，不同的国家和地区采用的划分方式都有不同，下面介绍以下几类分类情况：

（1）平均速度作为划分依据，这种依据得到普遍的应用，要依平均速度来评价道路的交通拥堵程度，分为畅通、拥挤、堵塞和严重堵塞四种程度，另外不同规模的城市和地区，划分的标准也有所不同，我国很多城市也采用平均速度进行划分，由于交通拥堵程度具有主观性，不同的人有不同的感觉，最后评价出来的等级可能不一样，我国在综合国外的研究成果，将平均车速20km/h作为畅通与拥挤的分界线，以平均车速10km/h作为拥挤与堵塞的分界线。

（2）等待红绿灯数为划分依据，对于交叉口拥堵程度的判定，我国规定在城市交通信号灯控制的交叉路口，3次绿灯显示车辆未能通过路口的为阻塞，5次绿灯显示车辆未能通过路口的为严重阻塞。

（3）排队长度和速度为划分依据。

《2006年快速路与主干路交通状况调查报告》报告中对交通拥堵的标准作了说明，如表2-1所示。

表2-1《2006年快速路与主干路交通状况调查报告》中路段相关标准

路段

排队长度km

速度km/h

拥堵

0.5≤排队长度＜1.0

15＜速度≤20

中度拥堵

1.0≤排队长度＜4.0

5＜速度≤15

严重拥堵

4.0≤排队长度

速度≤5

本文根据深圳市交通运输委员会（深圳市港务管理局）定义的道路交通运行指数，交通指数范围为0～5，将交通拥堵状态分为五个等级：

畅通（0～1）、基本畅通（1～2）、缓行（2～3）、轻度拥堵（3～4）、拥堵（4～5）。

各种交通拥堵状态下对应的路况和出行情况如表2-2。

表2-2交通拥堵状态下路况和出行情况表

交通拥堵程度

对应路况

出行耗时

畅通

基本没有道路拥堵

可以按道路限速标准行驶

基本畅通

有少量道路拥堵

比畅通时多耗时0.2至0.5倍

缓行

部分环路和主干路拥堵

比畅通时多耗时0.5至0.8倍

轻度拥堵

大量环路和主干路拥堵

比畅通时多耗时0.8至1.1倍

拥堵

全市大部分道路拥堵

比畅通时多耗时1.1倍以上

2.2交通拥堵评价方法

我国交通拥堵评价方法的研究起步比较晚，目前还处在不断摸索阶段，现有的很多评价方法都比较简单，存在一定的局限性。

很多只是考虑了单个交通拥堵评价指标的影响，也就是说只考虑了单因素的作用，缺乏全面性和统筹性，不可以从多方面反映道路的交通拥堵程度，借鉴国外的研究成果，从我国的实际出发，本文做了一些简单的研究。

交通拥堵评价方法是指通过定性或定量的评价指标对某路段或区域内的交通拥堵状况进行评价，其主要作用是对比分析时空范围内的拥堵水平，从而确定拥堵治理政策和措施的可行性和有效性，为进一步治理拥堵提供重要的参考依据。

交通拥堵评价方法是定性或定量的评价道路或区域内的交通拥堵状况，主要功能是比较时间和空间的拥挤程度，确定拥塞控制的政策和措施，比较分析的范围内的可行性和有效性，从而为更进一步的堵塞控制提供了一个重要的参考标准。

（1）交通流理论

交通流理论是通过收集大量的历史数据，建立数学模型来确定流量与速度之间的关系，然后将实际测得的各道路上的交通量转换为在理想条件下的平均峰值速度，然后通过速度的大小来确定的交通拥堵的水平。

交通流的方法需要较长的研究时间，但理论也相对完善成熟，得到各个领域的专家学者的认可，但这种方法要拟合速度-流量曲线，各国各城市都有自身的独特性，因此工作量较大，比如要对江门市的交通情况进行评价时，就要拟和适用于江门市的速度-流量曲线图。

（2）综合评价法

综合评价法主要运用不同等级道路进行加权针，确定了不同等级道路的车辆行驶里程，车辆行驶里程，对该指标用车辆行驶里程进行加权平均。

虽然在严格意义上所得到的结果不属于交通拥堵程度，但可以通过比较获取时间范围内的交通拥堵程度以及变化趋势。

这种方法的原理和运作都相对简单作，目前在国外得到广泛地应用。

（3）模糊数学理论

主要是通过模糊数学理论，通过专家介绍和用户选择来创建城市道路网交通拥堵评价体系，根据交通拥堵信息、问卷调查和模糊数学理论知识建立模糊关系函数，此方法的基于人的感官意识，根据道路交通拥堵情况完全符合人类感官意识这个道理，是模糊数学在交通拥堵评价中的重要应用。

（4）计算机仿真

计算机仿真在交通运输领域的应用，仿真原理是通过模拟交通环境，预测或者评价采取未知的策略后的各种交通参数，主要步骤如下：

第一步：

选择合适的仿真软件，如VISSIM等，并根据实际确定计算公式和相关理论原理。

第二步：

根据相应的算法和原则来确定输入参数，并通过实地调研和人为定义等方式获得这些参数。

第三步：

通过计算机仿真，仿真输出参数，并与预期值或标准值进行比较分析，以确定措施的可行性。

计算机仿真系统的逻辑非常严密，节省了大量的财力和物力，但该方法是不全面的，因为要考虑的因素不能完全反映真实的情况，而且可仿真的参数也有一些限制，在交通拥堵评价问题上。

计算机仿真只是一个很有意义的参考依据，对决策提供支持但并不是说具有决定性。

2.3交通拥堵原因

从2000年到现在，我国每年用在公共交通的投资金额不断增加，累计超过2万亿人民币，但是交通拥堵问题任然没有得到基本改善，相反，交通拥堵问题逐步发展到我国的部分中小城市。

交通拥堵的主要原因通常认可的有三种，其一是经济增长背景下汽车保有量和使用率的增加，其二是机动车驾驶员以及居民不遵守交通规则，造成非常不必要的拥堵，其三是道路的规划与设计存在缺陷，不能满足日益发展的交通量需求，造成道路容量不足，路段负荷度加大。

我国目前正处在高速发展时期，城市化进程不断加快。

到2020年将会有50%的人口居住于城市。

目前我国的大城市交通拥堵问题十分严重，城市化进程会加快城市的交通机动化，从而造成交通受限，进而造成交通拥堵，其原因主要是城市化和机动化的双重作用。

随着人们生活水平的提高，汽车的出行需求越来越高，导致道路交通供需矛盾进一步激化，城市交通拥堵成为一种常态，尤其是在城市中心城区。

2.4本章小结

交通拥堵的定义具有主观性，本章借鉴参考国内外相关研究成果，定义了交通拥堵，并根据深圳市交通运输委员会（深圳市港务管理局）定义的道路交通运行指数将交通拥堵状态分为五个等级：

畅通、基本畅通、缓行、轻度拥堵和拥堵。

然后介绍交通拥堵评价方法，最后介绍了交通拥堵形成的原因。

第3章模糊数学理论

3.1模糊数学理论概述

模糊数学是以不确定性的事物为研究对象的一门科学，模糊集合的理论将具有模糊性的对象加以确切化，从而使研究确定性对象的数学与不确定性对象的数学沟通起来。

在模糊数学中，目前己有模糊拓扑学、模糊群论、模糊图论、模糊概率、模糊语言学、模糊逻辑学等分支，显示了强大的生命力和渗透力，使数学的应用范围大大扩展。

模糊集是模糊数学的基础，模糊数学是研究和处理模糊性现象的数学方法，是研究现实世界中许多界限不分明甚至是很模糊的问题的数学工具。

在模式识别、人工智能等方面有广泛的应用。

模糊数学从诞生至今已经四十多年了，早在1978年，国际上第一本以模糊数学为主题的学术刊物《FuzzySetsandSystems》在欧洲创刊。

模糊数学自1976年传入我国后得到了迅速发展：

1980年成立了中国模糊数学与模糊系统学会，1981年创办了《模糊数学》（武汉，华中工学院）杂志，1987年创办了《模糊系统与数学》（长沙，国防科技大学）杂志。

我国已经成为模糊数学研究的四大中心（美国、西欧、日本、中国）之一。

北京师范大学汪培庄、四川大学刘应明等教授对模糊数学的研究取得了显著成绩[1][2]。

3.2模糊关系

模糊关系的定义从普通集合A到普通集合B的一个模糊关系R是指：

以笛卡尔积A×B={（a,b）|a∈A，b∈B}为论域的一个模糊子集R记作R：

AB，或R∈（A×B），其隶属函数为R（a,b），称为（a,b）具有模糊关系R的程度，表示如下。

（3-1）

若A=B，称

，

为A上的模糊关系。

对一普通关系来说，两事物间要么有这种关系，要么没有这种关系，径渭分明，然而在实际问题中，事物之间的许多关系很难用“有”或“无”来回答，如冶炼过程中，原料、炉温、出钢时间等因家对钢的质量都有一定的影响，但有时某因素的改变却又不影响钢的合格，其原因在于因素对钢质量的影响也有程度上的差异，我们把具有程度上差异的关系叫做模糊关系。

普通关系定义为直积U×V的普通子集，很自然地把模糊关系定义为U×V的模糊子集。

记为U→V。

3.3模糊集合

在现实生活中，模棱两可的概念很多，因此需研究模糊集合，模糊集合是用来表达模糊性的集合，又称模糊集或模糊子集。

我们通常所说的集合是康托创立的，是指具有某种属性的对象的全体。

每个对象对于集合的隶属关系是明确的，不属于这个集合就属于那个集合。

人们的思维中还有着许多模糊的概念，如饥饿、极大、寒冷、早晨等，这些概念所描述的对象属性不能简单地用“是”或“否”来回答，模糊集合就是指具有某个模糊概念所描述的属性的对象的全体。

由于概念本身界限有些不分明，存在一定的主观性，因而对象对集合的隶属关系也不是很明确。

当模糊集合中的元素有限时，模糊集合可表示为：

论域U={u

（1）,u

（2）,....,u（n）}。

3.4隶属度及隶属度函数

若对论域（研究的范围）U中的任一元素x，都有一个数A（x）∈0，1与之对应，则称A为U上的模糊集，A（x）称为x对A的隶属度。

当x在U中变动时，A（x）就是一个函数，称为A的隶属度函数。

隶属度A（x）越接近于1，表示x属于A的程度越高，A（x）越接近于0表示x属于A的程度越低。

用取值于区间[0,1]的隶属函数A（x）表征x属于A的程度高低。

隶属度属于模糊数学评价体系里的概念。

隶属度函数是研究模糊控制的理论基础，常见的隶属度函数有三角形、菱形等，构造科学合理的隶属度函数是研究模糊控制的前提，否则模糊控制精度不高，达不到设计要求。

隶属度函数的确定过程带有一定的客观性，不同的人研究不同问题可能选取不同的隶属度函数，但不同的人对模糊理论的理解可能千差万别，因此隶属度函数也存在一定的主观性。

隶属度函数的确立还没有形成一套科学实用的体系，隶属度函数的确定往往建立在数据的基础之上，因此需要相关的经验以及不断的实验探究。

同一个模糊概念不同的人会也会建立不完全相同的隶属度函数，但是只要可以反映出相同的模糊概念，有自己的实用领域，就达到了目的。

下面介绍几种常用的方法。

（1）模糊统计分析法：

模糊统计分析法的是对论域U上的一个确定元素V是否属于论域上的一个可变动的清晰集合A3作出清晰的判断。

对于不同的试验者，清晰集合A3可以有不同的边界，但它们都对应于同一个模糊集A。

模糊统计法的计算步骤是：

每次统计V是固定的，A3的值是可变的，作n次试验，其模糊统计可按下式进行计算：

V对A的隶属度=v0∈A的次数/试验总次数n（3-2）

随着n的增大，隶属频率也会趋向稳定，这个稳定值就是V对A的隶属度值。

这种方法较直观地反映了模糊概念中的隶属程度，但缺点是计算量相当大。

（2）专家经验法：

专家经验法是根据专家的实际经验给出模糊信息的处理算式或相应权系数值来确定隶属函数的一种方法。

在许多情况下，经常是初步确定粗略的隶属函数，然后再通过学习和实践检验逐步修改和完善，而实际效果正是检验和调整隶属函数的依据。

（3）二元对比排序法：

二元对比排序法是一种较实用的确定隶属度函数的方法。

它通过对多个事物之间的两两对比来确定某种特征下的顺序，由此来决定这些事物对该特征的隶属函数的大体形状。

二元对比排序法根据对比测度不同,可分为相对比较法、对比平均法、优先关系定序法和相似优先对比法等。

3.5模糊判别矩阵

模糊关系可以用模糊矩阵、模糊图和模糊集表示法等三种形式来表示。

目前广泛用模糊判别矩阵来表示二元模糊关系。

模糊矩阵的定义：

当

是有限集合时，则X×Y的模糊关系R可以用下列m×n阶矩阵来表示：

（3-3）

其中

。

R矩阵称为模糊判别矩阵。

3.6模糊关系合成运算

在日常生活中，两个单纯关系的组合可以构成一种新的合成关系。

例如，有u,v,w三个人，若u是v的妹妹，而u又是w的丈夫，则v与w就是一种新的关系，即姑嫂关系，用关系表示额话，可以写作：

姑嫂=兄妹°夫妻。

模糊集合中的并、交、补等运算可以这样定义。

并：

并A∪B隶属函数分别

对所有

被逐点定义为取大运算，即

（3-4）

式中，符号“

”为取极大值