城市道路交通系统涉及多种交通模式,是典型的宏观复杂巨系统。大型活动下短时间内活动区域吸引大量的交通流和客流,在活动开始前和结束后周边道路的交通流呈现时空波动性;节假日期间出行需求增加,目的地分布在城市路网上多个区域,对路网交通流产生长时间影响,交通流空间分布异质性增强。城市交通系统在大型活动和节假日等非常规条件下,存在诸多不同于日常交通的特点,且二者对路网交通流的影响在持续时间和涉及范围上均呈现不同特征,使得交通系统的内在演化规律更为复杂。目前,对大型活动下交通流的研究通常局限在部分道路上;对节假日交通流的研究通常考虑一般周末和工作日的差异。同时,实际路网中存在多种交通模式,其中出租车和公交车在交通系统中承担重要作用,单一模式的交通系统只考虑了车流特性,而双模式交通系统中不仅两种交通模式互相影响,乘客的模式选择也会影响交通流和客流特性,都会导致路网宏观交通流发生变化。因此,为揭示大型活动和节假日期间交通系统的内在演化规律,本文基于宏观基本图(Macroscopic Fundamental Diagram,MFD)理论,分别以大型活动和节假日期间的单模式交通系统和双模式交通系统为研究对象,运用系统科学的理论方法,探讨宏观交通流演化机制,进而建立优化和调控交通系统的方法,为制定科学的交通管控措施提供理论依据。本文主要研究内容如下:(1)针对大型活动宏观交通流特性研究缺乏大范围路网分析的问题,本文基于MFD理论研究了大型活动对区域路网交通流特性的影响,构建了动态演化模型探讨区域交通流演化规律,并设计组合控制策略缓解大型活动造成的区域拥堵。首先,以天津市全运会开幕式为研究对象,将全运会当天管控措施的实施区域划分为限行区域和绕行区域,分析发现,大型活动会导致绕行区域路网平均速度降低,路网状态发生拥堵。进一步构建动态演化模型并以实际数据标定模型参数,揭示了绕行区域拥堵的本质原因。基于标定的模型仿真分析了不同控制策略的控制效果,结果表明组合控制策略,即同时限制绕行区域的车辆进入限行区域和绕行区域内部的出行,在保障限行区域交通畅通的同时能减少对绕行区域日常交通的影响。该研究针对单模式交通系统,为制定大型活动管控策略提供了理论依据。(2)针对缺乏节假日期间路网交通流特征和演化规律研究的问题,本文基于天津市清明节路网实测数据,研究了节假日期间路网交通流时空分布的异质性特征,构建了交通流动态演化模型挖掘了节假日期间异质性路网交通流的演化规律,最后针对拥堵区域设计控制系统流入和流出的策略,以缓解节假日期间的区域拥堵问题。路网密度的时空分布图表明,清明节出行高峰时段相比工作日提前,交通量集中前往公墓的主要道路上,密度分布异质性更为明显。基于标定的异质性路网动态演化模型,设计控制策略,通过控制拥堵区域的系统外部流入流量,可以有效缓解节假日期间的路网拥堵,为制定节假日期间的管控策略提供理论基础。(3)针对现有文献尚未开展大型活动对双模式交通系统影响研究的问题,本文考虑了由出租车和公交车构成的双模式交通系统,结合不同模式的相互影响和乘客模式选择的影响,研究了大型活动下路网交通流和客流特性,并构建了动态演化模型挖掘其演化规律,进一步基于标定的动态演化模型,构建了区域边界控制和公交车发车频率联合优化控制模型。首先,基于北京市田径世界锦标赛开幕式出租车和公交车GPS数据、公交IC卡刷卡数据,研究发现,在绕行区域活动日出租车发生轻微拥堵,公交车的乘客量和平均载客量增加,而两种交通模式单位时间完成行程的车辆数和乘客量均降低。其次,结合实际数据标定了动态演化模型,采用模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)方法,构建了区域边界控制和公交车发车频率联合优化的双模式交通系统优化控制模型。结果分析表明,联合优化控制能够提升两个区域的路网平均速度和乘客完成量,保障限行区域交通需求的同时,缓解大型活动对绕行区域交通流和客流的负面影响。(4)针对大规模路网出行分布不均的问题,本文基于MFD理论中的区域路径,探讨了节假日期间双模式交通系统行程距离的分布规律,并构建了基于路径的动态演化模型挖掘不同路径的交通流和客流动态演化规律,最后提出基于路径选择的MPC联合优化控制模型来减小系统乘客总行程时间。以北京市中秋节双模式交通系统的实际数据为对象展开研究,发现节假日期间不同路径上的乘客行程距离分布形式与工作日不同,且长距离出行比例增加。其次,考虑了两种交通模式不同路径在各个区域的平均行程距离,构建了基于路径的动态演化模型,验证了区域路径在描述系统动态演化过程中的重要性。最后,结合不同路径的行程距离分布进行路径选择,采用MPC方法构建了基于路径选择的区域边界控制和公交车发车频率联合优化控制模型。结果表明,联合优化控制能够影响乘客出行交通模式和路径的选择,并减小乘
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