基于車道的城市交通網絡模型★

張 水 艦

(湖州職業技術學院，浙江 湖州 313000)

基于車道的城市交通網絡模型★

張 水 艦

(湖州職業技術學院，浙江 湖州 313000)

分析了交通網絡的幾何和交通流特征，建立了以車道為基本建模單元的交通網絡模型，并探討了交通網絡模型中拓撲關系的表達方法，建立的城市交通網絡模型為交通網絡的優化提供了基礎。

城市交通網絡，網絡建模，拓撲關系

0 引言

現今隨著交通技術的快速發展，給人們出行帶來了便利，提高了出行效率，增進了人們之間的交流，但同時也隨之出現了一些不容忽視的問題，交通事故和交通堵塞在交通網絡上時而發生[1]，不僅影響了普通市民的出行，城市經濟的發展在一定程度上也受到了影響。為了改善交通網絡擁堵的狀況，減少交通事故的發生[2]，有必要優化交通網絡，在交通網絡上合理分配交通流量[3]。現有許多學者對交通優化做了相關研究，并取得了大量的成果。交通優化的基礎是建立交通網絡模型，而現有交通網絡模型對交通網絡特征考慮不足，對交通網絡的實際特征描述不到位，從而導致優化算法不夠有效。而且在現有的交通網絡模型中，自由車交通網絡和公共交通網絡是分開的。在同一個優化系統里，兩個網絡分開可以使系統實現起來比較簡單，但這會增加整個系統的數據，反而降低系統的優化效率。本文將利用線性參照系統和動態分段技術把自由車交通網絡和公共交通網絡組成一個統一的交通網絡。

1 交通網絡特征分析

事物的特征是復雜的，是客觀存在的，是由狀態、關系、功能等構成的基本實體單元，對事物特征的描述可以從事物的幾何分布、組成要素和時態三個方面來進行[4]。交通網絡的幾何特征主要包括兩個：弧和節點，由交通線路抽象而成的弧；由線路相交點抽象而成的節點。交通網絡除具有空間分布的幾何特征外，交通網絡上還分布了交通流，而且交通流的特征是動態的，在同一時刻交通網絡上不同空間位置的交通流狀態是不同的，對交通網絡建模還應充分考慮到交通流的這一特征，否則將影響到交通優化的有效性。一般情況下，交通網絡特征可以總結為以下四個主要特征：1)線性和網絡分布特征，城市交通網絡是由線性空間分布的交通線路構成，眾多的交通線路構成一個復雜的連通網絡，可以看出圖論和拓撲論是交通網絡建模的理論基礎；2)具有分段分布的特征，交通線路都是由不同的路段組成的，在同一時間段內相同的線路中不同路段也有可能具有不同的交通狀況；3)交通網絡的動態性，交通網絡上的交通狀態是時間的函數，會隨著時間的變化而變化；4)組成交通流的車輛具有自主性，駕駛車輛的出行者在遵守交通規則的前提下能自由選擇出行的道路。

如果只用于信息數據系統的數據顯示，傳統的點—弧交通網絡模型具有很高的效率，但如果用在交通優化系統中，傳統的交通網絡模型由于對交通網絡特征考慮不足，往往會降低交通優化的有效性。交通流是按車道分布的，在一條多車道的道路上，方向相反的車道上往往會有不同的交通流特征，如每天的上下班高峰期，進出中心城區的車道上的交通流分布往往相差很大，往往會出現一個方向的車道擁堵，而另一方向的車道通暢。在同一道路不同方向上的車道的拓撲關系也往往不同。交通線路上的潮汐車道、限行、左右轉向限制等交通規則也往往是針對車道制定的。從上分析可知交通網絡的特征是與車道密切相關的。

2 交通網絡幾何模型

2.1 交叉口和道路模型及拓撲關系的表達

交通網絡建模的理論基礎是圖論，但在實際的建模過程中，要充分考慮到交通網絡的特征。交通網絡的實際情況是比較復雜的，傳統的交通網絡模型采用道路中心線來表示道路，并不區分車道，這無法描述道路上的具體情況。從以上分析我們知道：一條道路上不同車道上有不同的交通屬性，因此不能把一條道路簡單地抽象成交通網絡的一條邊，必須分車道進行建模。在交通流分配等網絡分析中，往往要考慮到這些車道上的信息，要不分析結果肯定會不準確。因此把車道作為交通網絡建模中的基本單元更為合理，以下為多車道的道路建模方法。

1)在交通干線上的道路往往是四車道以上，同一方向的車道有兩條車道以上，此時同一方向的車道的屬性大致相同，可以合并為一條同向的車道，交通流信息可以為同向各車道的和，見圖1。

2)道路交叉口是交通網絡的重要組成部分，道路交叉口在交通網絡模型中可以用節點表示，由于在交通網絡中道路相交的情況比較復雜，又有以下兩種情形：

a.兩條或多條道路簡單相交所形成的交叉口的情況比較簡單，如圖2所示。

b.當兩條道路并不是完全交叉，而是與單向的車道交叉，此時要對不同的車道分開建模，如圖3所示。

拓撲關系是交通網絡的重要特征[5]。交通網絡模型是由節點和弧段構成，因此包含的拓撲關系主要是點線和線線拓撲關系，傳統的交通網絡拓撲關系表述方式是用節點—弧段的拓撲屬性表來描述的。然而，如上所述在交通網絡中有一些針對車道的交通規則，如限行、轉向限制等會影響交通線路之間的拓撲關系，傳統的模型不能表達這種拓撲關系，而在基于車道的交通網絡模型中，車道間的拓撲關系被記錄在轉向表中，此種方式能表達車道之間不同的拓撲關系。以圖2所示的道路交叉口模型為例，模型中各車道之間的拓撲可表示為線線拓撲關系，可用表1來描述。

2.2 立交橋模型及其拓撲關系的描述

立交橋在城市交通網絡中起著重要的作用，立交橋的建設可以使道路交叉口的通行能力大大提高。立交橋是多條道路在同一點匯集，但橋上的車道與橋下的車道又不是在同一平面內，并不交叉，為此把立交橋當作一個節點就不能很好地描述實際的情況，把車道作為基本建模單元比較合理，如圖4所示。

表1 車道與車道之間的拓撲關系描述表

在圖4的立交橋模型中，在立交橋各車道的交匯處增加了4個節點，這能比較有效地描述各車道相連接的真實情況，見表2。

表2 立交橋各車道拓撲關系

3 結語

城市交通網絡具有空間分布等不同于其他網絡的交通特征，在基于圖論對交通網絡進行優化時，首要是建立一個合理的交通網絡模型，建立的交通網絡模型要能反映交通網絡有別于其他網絡的屬性特征。本文對交通網絡特征進行了分析，提出了基于車道的交通網絡模型。本文建立的交通網絡模型，能比較合理地描述交通路網特征，運用在交通網絡優化中可以提高優化算法的有效性。

[1] 王子豪,王修山.公交優先治理城市交通擁堵問題研究[J].山西建筑,2014,40(2):1-2.

[2] 董旭明.公路交通安全設施技術狀況評定體系研究[J].山西建筑,2014,40(11):139-141.

[3] 劉 巖，趙 顗，張衛華.城市道路五路交叉口交通流組織優化設計[J].公路交通科技(應用技術版)，2014(3):285-289.

[4] 陸 鋒，周成虎，萬 慶.基于特征的城市交通網絡非平面數據模型[J].測繪學報，2000，29(4):334-341.

[5] 陸 忠，錢翔東，張登榮.基于最短路徑查詢的城市公交網絡拓撲建模研究[J].遙感信息，2002(1):11-14.

Research on modeling urban traffic network based on lane★

Zhang Shuijian

(HuzhouVocationalandTechnicalCollege,Huzhou313000,China)

The article analyzes geometric and traffic flow characteristics of traffic network, establishes traffic network model with lane as basic modeling unit, explores topological relation expression methods in traffic network model, and finally establishes urban traffic network model, which has laid a foundation for optimizing traffic network.

urban traffic network, network modeling, topological relation

2015-08-28

張水艦(1972- )，男，講師

1009-6825(2015)31-0004-02

U491.13

A

★：浙江省教育廳自然科學研究計劃項目(項目編號：Y201432450)；湖州市科技局項目(項目編號：2014YZ09)