小區(qū)開放對(duì)道路通行影響的探究

陳學(xué)識(shí)，豆 亮，周俐俐

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化率的提高，城鎮(zhèn)人口的增加，緊跟其后的汽車數(shù)量也隨之增多，這給城市道路交通帶來了巨大的壓力.現(xiàn)代城市里的居住小區(qū)都以封閉式結(jié)構(gòu)為主，隨著社會(huì)發(fā)展和居民精神需求提高，封閉式結(jié)構(gòu)居住小區(qū)的弊端逐步顯現(xiàn)出來.2016年2月21日，國(guó)務(wù)院在《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中提出，將通過開放封閉住宅小區(qū)，來對(duì)現(xiàn)有的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.其中關(guān)于小區(qū)開放問題的論述表達(dá)了兩層意思：一是新建小區(qū)不再封閉；二是已建小區(qū)要逐步打開.正確對(duì)封閉式小區(qū)開放帶來的對(duì)道路周邊的影響作出指標(biāo)評(píng)價(jià)與相關(guān)分析能夠?yàn)榻煌ú块T的路況分析管理提供理論依據(jù).

對(duì)于開放小區(qū)對(duì)道路通行的影響方面已有相關(guān)成果，李向朋對(duì)小區(qū)周圍的交通量進(jìn)行了較為深入的研究［1］，采用了OD分析對(duì)小區(qū)周圍交通量和道路網(wǎng)進(jìn)行調(diào)查，使用brass悖論分析接口處的影響，并得到了開放小區(qū)的交通量變化.李健華將小區(qū)分為向心式、軸線式和圍合式三種，認(rèn)為不同類型小區(qū)開放后對(duì)道路通行的影響不同［2］.Kumar K所論述的馬爾科夫鏈［3］，可以用于初始車輛的分配估計(jì)，在得到初始的分配結(jié)果后，其他一些工作應(yīng)用排隊(duì)論對(duì)開放小區(qū)以后的周邊道路影響作預(yù)測(cè).由于在實(shí)際交通情況下，紅綠燈是一個(gè)不可忽略的因素，也有多位研究人員提出了使用休假排隊(duì)模型對(duì)周邊道路進(jìn)行預(yù)測(cè)仿真.

1 模型的假設(shè)

為便于解決問題，本文提出如下假設(shè)：①假定某車道車速限制范圍的中間值可以粗略代替實(shí)際通過車輛的平均車速；②假設(shè)交叉路口的指示燈周期為60 s；③假設(shè)兩交叉路口之間的距離對(duì)道路通行能力計(jì)算的影響可以忽略；④問題三中假設(shè)不同類型小區(qū)周邊的車流量是一樣的；⑤在車流量對(duì)道路通行影響的研究中，假設(shè)車道的通行能力對(duì)研究結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)；⑥小區(qū)開放后車輛的分流不考慮司機(jī)的個(gè)人意愿，僅以仿真模擬結(jié)果為準(zhǔn).

2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 道路通行狀況分級(jí)

按照道路擁堵程度的不同分為五個(gè)等級(jí)，分別為非常通暢、通暢、緩慢、擁堵以及非常擁堵.

2.2 道路通行指標(biāo)的選取

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取與評(píng)價(jià)結(jié)果密不可分，為了評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)、客觀以及盡可能完整，我們從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面來考慮.靜態(tài)指標(biāo)為路段飽和度，它是反映道路服務(wù)水平的高低，即道路飽和度越大，服務(wù)水平越差，道路通行能力也就越差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)為路網(wǎng)可靠度，它是用來反映車輛在給定的時(shí)間到達(dá)目的地的概率.

2.3 道路通行指標(biāo)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路飽和度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)《美國(guó)道路通行能力手冊(cè)》［4］以及我國(guó)有關(guān)交通管理規(guī)定，將擁堵程度按照飽和度值分為五級(jí)，如表1所示.

表1 路段飽和度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

（2）路網(wǎng)可靠度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).路網(wǎng)可靠性實(shí)際反映的是車輛在給定時(shí)間到達(dá)目的地的概率，因此它的取值是［0，1］，并且可靠性值越接近1，說明道路的通暢性越強(qiáng)，反之，道路越擁堵.在這里我們按照道路的擁堵狀況給路網(wǎng)可靠性一定的閾值［5］，如表2所示.

表2 路網(wǎng)可靠度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

（3）綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).同一道路的路網(wǎng)可靠度和路網(wǎng)飽和度反映的道路通行狀況可能會(huì)存在差異，為了使小區(qū)開放對(duì)道路通行影響的分析更加可靠，我們利用主成分分析法對(duì)兩個(gè)指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一.

Ⅰ.數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理：將各指標(biāo)值aij轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)，有j=1,2，其中

Ⅲ.計(jì)算特征值和特征向量.計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λ1≥λ2≥0，及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化特征向量μ1,μ2，其中，μj=[μ1j,μ2j]T由特征向量組成2個(gè)新的指標(biāo)變量y1=u11x1+u21x2，y2=u12x1+u22x2.

Ⅳ.計(jì)算特征值的信息貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率.

Ⅵ.取表1、表2中區(qū)間范圍的中值，利用Matlab軟件求得相關(guān)系數(shù)矩陣的特征根及貢獻(xiàn)率，如表3所示.

表3 特征根表

根據(jù)表3中的貢獻(xiàn)率，構(gòu)建主成分綜合評(píng)價(jià)模型為將表1、表2中的數(shù)據(jù)分別代入（1）式，得到道路通行狀況不同等級(jí)的綜合評(píng)判表如表4所示.

表4 道路通行狀況綜合評(píng)判表

綜上所述，給出小區(qū)開放對(duì)道路通行影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示.

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 建立路段飽和度評(píng)價(jià)模型

3.1 模型的準(zhǔn)備

小區(qū)開放主要增加了小區(qū)周邊的分叉路口，并且在一定程度上降低了某一路段的負(fù)荷，另外道路的允許車速范圍以及道路的形狀會(huì)對(duì)司機(jī)的選擇產(chǎn)生一定的影響，從而影響到小區(qū)周邊道路的通行狀況，因此我們對(duì)城市道路進(jìn)行了分類，并結(jié)合我國(guó)道路交通的有關(guān)規(guī)定給出了每種道路的最高車速，如表5所示.

表5 城市道路分類表

3.2 模型的建立

1）單個(gè)車道通行能力計(jì)算

其中，C0為單條道路的理論通行能力，α條為車道折減系數(shù)，自中心線起第一個(gè)車道的折減系數(shù)是1.00，第二個(gè)車道的折減系數(shù)是0.80～0.89，第三個(gè)車道的折減系數(shù)為0.65～0.80，第四個(gè)車道的折減系數(shù)是0.50～0.65，第五個(gè)以上的折減系數(shù)是0.40～0.50；α交為交叉口折減系數(shù)，根據(jù)不同的道路設(shè)計(jì)速度取對(duì)應(yīng)的建議值，如表6所示.

表6 車道理論通行能力表

根據(jù)道路設(shè)計(jì)速度以及兩個(gè)交叉口之間的距離確定交叉口折減系數(shù)，計(jì)算公式為α交=，其中，l為兩交叉口之間的距離（m），a為車輛起動(dòng)時(shí)的平均加速度，b為車輛制動(dòng)時(shí)的平均加速度，Δ為車輛在交叉口處平均停車時(shí)間，取紅燈時(shí)間的一半.α車道為車道寬度折減系數(shù)，根據(jù)車道寬度確定折減系數(shù)，如表7所示.

表7 車道折減系數(shù)表

2）單向（由東向西、由南向北等）車道通行能力計(jì)算

其中，C單為單向通車能力，n為單向車道的個(gè)數(shù).

3）路中段飽和度的計(jì)算公式如（4）式.

其中，B路為路中段飽和度，V為實(shí)際交通流量.

4）交叉路口的飽和度計(jì)算：直行車道的通行能力計(jì)算公式如（5）式.

其中，Cs為條直行車道的設(shè)計(jì)通行能力（pcu·h-1），T為信號(hào)燈周期，tg為信號(hào)每周期內(nèi)的綠燈時(shí)間，t0為綠燈亮后第一輛車啟動(dòng)、通過停車線的時(shí)間，如無(wú)本地實(shí)例數(shù)據(jù)，可采用2.5 s.ti為直行或右行車輛通過停車線的平均時(shí)間（s·pcu-1）.φ為折減系數(shù)，可用0.95.

直右車道的通行能力CSR=CS，直左車道的通行能力CSL=CS×(1-/2)，右轉(zhuǎn)車道的通行能力CR=CSR×βR，左轉(zhuǎn)車道的通行能力CL=CSL×βL，丁字路口總通行能力C丁=CR×2+CL（虛線所示），或C丁=CSR+CS+CSL（實(shí)線所示）.丁字路口綠燈時(shí)車輛行駛示意圖如圖2所示.

圖2 丁字路口綠燈時(shí)車輛行駛示意圖

十字路口總通行能力C+=4×CS+CSL×2.十字路口綠燈時(shí)車輛行駛示意圖如圖3所示.

圖3 十字路口綠燈時(shí)車輛行駛示意圖

其中，βR為右轉(zhuǎn)車的比例，βL為左轉(zhuǎn)車的比例，β′L為直行車道上左轉(zhuǎn)車的比例.

交叉路口飽和度B交=進(jìn)口實(shí)際流量/總通行能力.

5）利用路段飽和度模型分析小區(qū)開放對(duì)周邊道路通行的影響.城市道路由路中段和交叉口兩部分構(gòu)成，而交叉口大致分為丁字路口和十字口路兩類，這是我們建立此模型的基礎(chǔ).根據(jù)路段飽和度模型分別計(jì)算出小區(qū)開放前后各中路段以及交叉口的道路飽和度.其次比較小區(qū)開放前后共有的路中段的飽和度，若小區(qū)開放后的該路中段的飽和度低于小區(qū)開放前的飽和度，則說明小區(qū)開放可以緩解交通壓力.

4 建立路網(wǎng)可靠度評(píng)價(jià)模型

4.1 模型的準(zhǔn)備

為了準(zhǔn)確描述道路通行能力和交通流的不斷變化，將路段可靠度的閾值定義在［0，1］區(qū)間.小區(qū)開放后，路網(wǎng)密度提高，道路面積增加，從而交叉口也隨之增加.因此交叉口可靠度的分析對(duì)研究小區(qū)開放對(duì)周邊道路通行的影響有重要意義.

4.2 模型的建立

小區(qū)開放使得城市道路的交叉口增多，而交叉口是城市道路的瓶頸，交叉口的通暢程度影響著相關(guān)路段的連通可靠度.交叉口的信號(hào)燈周期時(shí)長(zhǎng)、交叉口的形狀及飽和流率等都會(huì)影響交叉口的通暢程度.為了簡(jiǎn)化模型，我們主要將交叉口的通行能力和交通量作為研究路網(wǎng)交叉口可靠度的主要參數(shù)來定義連通可靠度.即

其中，kij表示第i個(gè)交叉口不同方向的可靠度修正系數(shù)，如當(dāng)j=1,2,3時(shí)，kij分別表示左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)的可靠度修正系數(shù)，v表示路口的機(jī)動(dòng)車交通量，c表示路口的實(shí)際通行能力.

設(shè)路網(wǎng)交叉口從節(jié)點(diǎn)ai到aj有s條通路，分別記為l1,l2,…,li,…,ls，則根據(jù)上述連通可靠度的定義，通路li的連通可靠度為r(li).當(dāng)通路r(li)由路段ei1,ei2,…,eik,…,eit連通組成一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，假設(shè)某一路段eik的可靠度為r(eik),k=1,2,…,t，則通路li的連通可靠度為r(li)，可用串聯(lián)構(gòu)造函數(shù)如（7）式.

5 模型在實(shí)際中的應(yīng)用

假設(shè)不同類型的小區(qū)周圍的總車流量是一樣的，并且為了便于討論只考慮單個(gè)車道的通行狀況，根據(jù)我國(guó)交通網(wǎng)查到的數(shù)據(jù)以及城市交通的管理規(guī)定我們確定了有關(guān)數(shù)據(jù)，如表8所示.

表8 小區(qū)周邊道路通行表（兩小時(shí)內(nèi)）

以內(nèi)環(huán)式小區(qū)為例，計(jì)算小區(qū)開放前后的路段飽和度，內(nèi)環(huán)式小區(qū)道路通行示意圖如圖4所示.

圖4 內(nèi)環(huán)式小區(qū)道路示意圖

假設(shè)從A點(diǎn)到E點(diǎn)1小時(shí)內(nèi)的車流量為415，中型車65，小型車350，在小區(qū)未開放前從A點(diǎn)到E點(diǎn)只能通過路段AC和路段CE，但是在小區(qū)開放后從A點(diǎn)到E點(diǎn)可以有兩種路徑：AB-BD-DE以及AC-CE.因此，在小區(qū)開放前路段AC的車流量=路段CE的車流量=415，小區(qū)開放后小區(qū)內(nèi)的道路屬于支路會(huì)比較窄，不適合大中型車的行駛，所以，路段BD的車流量是來自小型轎車的分流，經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)得出路段BD可能的車流量（1小時(shí)），利用Vissim軟件做模擬實(shí)驗(yàn)如圖5、圖6所示.

圖5 小區(qū)開放前行車圖

圖6 小區(qū)開放后行車圖

根據(jù)Vissim軟件的模擬結(jié)果匯總?cè)绫?所示.

表9 仿真模擬結(jié)果匯總表

結(jié)合模型I中的（2）式～（4）式和模型II中的（5）式、（6）式以及表9中的數(shù)據(jù)計(jì)算出小區(qū)開放前后的路段通行能力、路段飽和度以及可靠度如表10所示.

表10 內(nèi)環(huán)式小區(qū)道路通行程度表

將以上小區(qū)開放前后路段以及交叉口的飽和度和可靠度利用問題1中的綜合評(píng)判模型，分別計(jì)算出各路段以及交叉路口的綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如表11所示.

表11 內(nèi)環(huán)式小區(qū)道路通行綜合評(píng)判表

從表11可以看出，內(nèi)環(huán)式小區(qū)開放前的路段BC飽和度是0.340，而小區(qū)開放后的路段BC飽和度是0.318，路段BC的交通壓力緩解了0.022，但是小區(qū)開放后新增加的路段BD飽和度僅0.119，道路是比較通暢的，從側(cè)面可以反映出小區(qū)開放后小區(qū)內(nèi)部的道路沒有得到充分的利用；新增加的交叉口B的飽和度為0.821，是相當(dāng)擁堵的.

6 結(jié)論

內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)整齊，道路相對(duì)較寬的小區(qū)開放后對(duì)于周邊道路通行狀況的改善程度較大；內(nèi)部路徑多且構(gòu)成多樣的小區(qū)開放后對(duì)于小區(qū)周邊道路通行的改善程度較大.同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)小區(qū)開放后對(duì)周邊道路通行的改善較小，主要體現(xiàn)在交叉路口擁堵，因此，在考慮小區(qū)開放時(shí)需在交叉口設(shè)置規(guī)范的交通規(guī)定，做好治安工作.