面向拥堵治理的广义城市交通控制

在我国，城市交通拥堵治理的概念形成于21世纪初，当时城市交通管理水平相对落后，因此提升城市交通管理水平是当时拥堵治理工作的核心。随着交通需求的快速增长，单纯交通管理的边际效益明显下降，并且交通设施供给问题日益突出。因此，在后来的城市改造和建设过程中城市道路、轨道交通建设成为重中之重。

目前，一些城市道路建设已近完善，轨道交通也已成网，但城市交通依旧拥堵。于是，我们不得不再次确认一个观点：城市交通拥堵问题的最主要根源在于城市土地利用。近年来，随着城市土地利用的强度增加和外延扩张，城市交通需求总量在不断增加的同时，交通需求强度也在增加。一个城市的土地利用一旦成型，将在短期内固定不变，因而基于土地利用的交通需求也将固定。

在确定的区域内，交通设施基本确定，但交通需求仍在增长，如何治理城市交通拥堵问题？我们可以从两方面入手：一是从供给的角度提高交通设施的利用效率；二是从需求的角度改变交通需求的分布或结构来降低交通需求强度。在实施过程中，从控制论的角度可以把治理拥堵过程理解为广义交通控制，具体逻辑如下图所示。

由上图可知，广义交通控制包含两个层面的三种控制：第一层面是交通设施层面的控制，即交通信号控制，可称之为狭义交通控制，该层面的控制是通过交通信号灯与交通标志、标线等的共同作用，控制交通流运行；第二层面是交通需求层面的控制，包括行为控制和结构控制。其中，行为控制是通过对交通参与者出行方案规划从时空上来控制道路交通需求强度；结构控制就是通过政策法规或经济杠杆调整出行方式结构，从而控制交通需求强度。

交通信号控制的基本功能是实现交通流在交叉口的安全、有序和高效运行。此外，交通信号控制还能实现大范围交通流的科学组织、合理利用交通设施、节约出行者时间等目标。

经过近30年“跟踪—引进—消化—吸收—创新”的发展过程，我国在交通信号控制系统研究与开发方面已取得显著成效，但信号控制系统的功能还尚未充分发挥，如我国城市绝大部分交叉口实施单点控制，有控制但无优化，干线很少实施绿波控制，缺乏效果评价。综上分析，导致我国信号控制系统应用效果不佳的主要原因如下：

一是技术力量制约。信号控制系统需要信号配时、交叉口渠化设计、标志标线合理设置和相关交叉口之间相互协同才能较好地发挥作用，但我国城市交通管理部门专业技术人才相对短缺，无法对成千上万的信号控制交叉口进行精确管控；

二是交通行为干扰。信号控制最大限度体现配时效果的前提是机动车、行人等交通参与者能够遵章守法，但我国交通参与者规则意识较为薄弱，如行人和自行车（电动车）闯红灯、机动车转弯抢行等行为都使得信号控制系统难以发挥其应有的功能；

三是设施损毁。大多城市用于系统维护的费用不足，常出现传感器或通信线路损毁而缺乏资金维修的现象，导致控制系统不得不降级使用；

四是数据闲置。由于专业人才短缺以及管理机制制约，使得海量传感数据（包括线圈、雷达、视频等数据）未能充分利用。

信号控制在我国城市交通拥堵治理中还有很大的提升余地，但当交通供需矛盾达到一定程度后，仅仅依靠交通控制系统并不能从根本上解决城市交通拥堵问题。当路网各个交叉口通行能力都得以充分利用时（所有交叉口都实现了最优控制），交通控制系统所起到的作用便达到了极限状态，如果此时城市交通拥堵问题还不能解决，就必须采用其他手段。

城市交通严重拥堵的发生是由于交通参与者缺乏可靠的信息支配，若所有的交通参与者能够获得一种既能让路网功能得以充分发挥，又不产生拥堵排队的出行方案，那么交通参与者既达到了出行目的，又节约了出行时间，城市交通拥堵现象也将大大缓解。

这种出行方案的制定与执行过程称之为行为控制，这是一种基于交通需求的时空分布控制。理想的行为控制是在交通需求确定和信息条件充分的条件下，为每个交通参与者制订出行方案（包括出发时间和路径等），且交通参与者严格按方案执行。

行为控制是一种设想的交通管控手段，其实现需要严苛的环境和条件。行为控制方案规划与现有导航系统出行规划最大的不同在于：导航规划是把路网交通状态作为不可控的背景，而行为控制的路网交通状态是规划的结果，是可控的。目前，行为控制还难以实现，但随着技术的高速发展，这一理想出行状态将在不久的将来实现。

行为控制也有其效果极限。一旦控制效果出现，城市交通拥堵缓解，就会有更多的交通参与者选择驾车出行，这将导致交通需求增至规划的极限，即规划方案也无法满足交通需求，此时应求助于更好的城市交通拥堵治理策略。

行为控制是在交通需求（机动车交通需求）不变情况下控制交通需求的时空分布，但其所能解决的问题仍存在极限。但若能从交通方式调整入手，将部分（也可能是大部分）时空利用效率低的出行方式转换成时空利用效率高的出行方式，则会降低道路交通需求强度，这种交通治理方式称之为需求管理，本文将其称之为交通需求的结构控制。之所以称之为结构控制而不是需求管理，是因为这里把管理过程按系统控制的逻辑进行了设计，如下图所示。

按照上图所示逻辑对交通需求结构进行控制能够达到控制者（管理者）所要实现的目标。城市交通是一个复杂系统，交通结构控制涉及交通设施变量、政策变量以及其他社会经济因素，各变量和因素之间存在着紧密联系。如果不能梳理清晰这些关系逻辑而单独实施某一政策，极易形成“头痛医头、脚痛医脚”的状态，这也正是我国许多城市交通整治效果欠佳的一个重要原因。借助系统动力学模型逻辑，不仅能够梳理各要素间以及各要素与控制变量（政策变量、交通供给结构变量等）之间的作用机理和相互作用机制，而且还能够借助系统动力学软件进行仿真，形成城市交通结构控制的具体方案。

与行为控制相比，结构控制所要解决的技术难点更为复杂。结构控制实施的技术核心是建立城市交通结构演化的系统动力学模型，设计开发城市交通结构演化和结构控制的仿真软件，并建立“交通结构控制―政策方针”实验室。