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关于小区开放对道路通行影响的研究摘要由于目前道路状况过于拥堵，小区道路开放是今年新出台的一项措施，首要目标是联通城市现有的路网系统，增加城市路网密度，缓解城市公路的交通压力。本文对于开放小区产生的四个问题运用了平面几何知识，对交通模型黑箱化，在线性模型基础上提出抛物线形流量密度模型，并针对不同小区结构给出设计。针对问题一，采用层次分析评价体系，首先针对目标提出各项准则，其次对于目标（影响交通状况）的准则（指标）的权值进行分析并计算，对比各指标权值的大小，分析其对总体的影响。由于开放小区加大的道路长度指标的权值最大对道路通行的影响最为剧烈。 针对问题二，对道路的各项指标进行了分析并在线性模型基础上作出改进，提出不同密度情况下的流量密度模型，并基于已知数据对模型的正确性作出判定，对比线性的流量模型，此模型在密度一般时为开口向下的二次函数（见图4），密度较大时为开口向下对数的函数（见图5），本模型为抛物线形，在不同K值具有不同的意义，考虑得更加全面，各项指标分析更加具体，更容易在实际应用中得出正确的结论。针对问题三，由于存在小区结构、车流量、周边道路结构差异，针对这种情况，应用已经建立的模型，选取并构建了三种不同类型的小区：贯通式、环通式和尽端式，对不同密度状况的小区应用不同的流量密度模型进行分析，得出当K更接近于道路最大流量时Km值，交通量更大。针对问题四，结合构建的不同小区类型及其模型进行综合分析，得知不同交通拥有量及道路长度会综合影响交通量，在实际情况中，应该联合各方面指标对其得出的车辆密度以及最大流量时的密度进行对比，得出不同小区开放后对交通产生的影响并给出合理的建议。最后，对所建立模型和求解方法的优缺点给出客观评价，基于不同小区结构、道路结构、车流量从道路通行角度对模型提出改进方法。关键字：层次分析法 权分析 交通量 流量密度模型0 前言 城市道路交通问题是一个复杂的社会系统工程。它不仅与市民的生活密切相关,而且关系到经济的发展和社会的进步，随着我国的经济的快速发展，城市规模不断壮大，近十年来，中国城镇化率由42%提高至56.1%，年均增长1.4个百分点，城镇人口也大量增加。各大城市机动车保有量先后超过百万量级，机动车总量的增加对城市的空间和道路提出了更大的要求。然而道路不可能一直加宽或增多。随着改革开放居住模式的变化，形成了如今的封闭型小区，在小区内没有开放性道路从而导致城市交通网闭塞。但是，封闭小区的存在也有其合理性，但封闭型小区规划体系破坏了城市交通。所以关于小区开放对城市道路通行影响的研究，我们提出了以下问题和概念。一、研究问题的提出 从我国现阶段的发展来看，封闭型小区规划体系阻碍城市交通主要表现在：小区内部结构是以封闭性和完整性的存在，使其于城市开放性要求产生冲撞。另一方面，小区边界规划模式使其自身独立，导致城与区之间联系缺失。封闭型小区内部道路系统呈现内向型树状结构，多为断头路。这种道路系统增加了城市道路压力，还延长了出行者的出行时间，但也并未消除小区内部行车对行人安全隐患；封闭型小区破坏了城市道路网之间的联系，降低支路网的密度，使道路之间的可达性下降。与国外大城市相比，我国私家车拥有量低于国外，但城市交通却很拥挤，这主要是由国内道路网密度偏低引起。2、 概念（1）道路交通的概念道路交通由车、路、环境等因素组成。其中，车指机动车和非机动车；路指道路，即指公路、城市道路和所在单位管辖范围但允许社会机动车通行的地方；而环境是指道路上的通行空间及其周围的建筑、设施、林木等景观以及各种交通现象所构成的静态和动态的交通环境。其中涉及到交通量、车流量以及道路结构等量。交通量即为在单位时间内，通过道路上的某一地点或者某一断面实际参与交通的参与者的数量。车流量是指在单位时间内通过某路段的车辆为标准，在一定的时间内，某条公路点上所通过的车辆数。用公式表示为：车流量=单位时间*车速/（车距+车身长）。道路结构主要是指构成路面的各铺砌层，按其所处的层位和作用，主要有面层、基层和垫层。（2）小区道路开放小区道路开放是指优化街区路网结构，加强街区的规划和建设，推动发展开放便捷、尺度适宜、配套完善、邻里和谐的生活街区。三、评价指标体系（1）建立层次结构模型：图1 层次结构图 (2) 构造判断矩阵：通过相互比较确定各准则对于目标的权重，即构造判断矩阵。在层次分析法中，为使矩阵中的各要素的重要性能够进行定量显示，引进了矩阵判断标度（19标度法） : 设准则层包含4个准则，交通状态：C1，汽车属性：C2，汽车状态：C3，道路属性：C4，。相对于目标层，分析道路交通情况，进行两两比较打分。图2 判断矩阵 （3）层次单排序： 所谓层次单排序是指，对于上一层某因素而言本层次各因素的重要性的排序。具体计算是：对于判断矩阵B，计算满足的特征根与特征向量。式中为B的最大特征根，W为对应于的正规化的特征向量，的分量即是相应元素单排序的权值。在决策问题中，通常要把变量Z表示成变量 x1，x2， ，xn的线性组合：其中则叫各因素对于目标Z的权重，叫权向量。利用判断矩阵计算各因素C对目标层Z的权重（权系数）图3 带权值的层次结构图利用层次结构图绘出从目标层到方案层的计算结果：评价：道路属性的影响因素为道路长度和道路宽度，开放小区会增加有效道路长度、宽度等属性，由于道路属性占权值比重较大，开放小区后对交通影响情况改变较大。四、模型的建立及其分析1、模型假设 （1）、忽略交通事故和突发事件的发生 （2）、忽略红绿灯控制对交通的影响 （3）、忽略路面情况对车辆行驶的影响 （4）、规定只考虑小型机动车的行驶状况 2、符号说明 （1）、流量流量是指在单位时间内，通过道路单位长度的车辆数（我们只考虑小汽车的车辆数）。通过定点调查可以获得： q= （1）其中： q流量（veh/h）； N观测时段内的车辆数； T观测时段长度。通过观察和测量，时段长度和车头时距有如下关系： （2）其中： 第辆车与第辆车的车头时距。将式(1)代入式(2)，就可以获得平均车头时距和流量之间的关系： 其中：平均车头时距。 （2）、速度、瞬时速度：为车辆通过道路某一点瞬间的速度，公式为： （3） 其中和分别为时刻和的车辆位置。、平均速度：()时间平均速度，就是观测时间内通过道路某观测点所有车辆瞬时速度的算术平均值： （4） 其中：第辆车的瞬时速度； 观测的车辆数。 （）区间平均速度，有两种定义：一种定义为车辆行驶一定距离与该距离对应的平均行驶时间的商： （5） 其中：车辆行驶距离D所花的行驶时间。 （6）其中：车辆行驶距离的行驶速度。式(5)适用于交通量较小的情况，所观察的车辆应具有随机性。对式(5)进行如下变形： （7） 此式表明区间平均速度是观测路段内所有车辆行驶速度的调和平均值。区间平均速度的另一种定义为某一时刻路段上所有车辆地点速度的平均值。可通过沿路段长度调查法得到，以一定时间间隔对路段进行多次统计，据此即可得所有车辆的区间平均速度和瞬时速度，公式如下： （8） （9） 其中：第辆车平均速度； 两张照片的时间间隔； 在间隔内，第辆车行驶的距离。(3)、密度交通密度代表车辆的空间密集度，就是某一瞬间单位道路长度上存在的车辆数，即： 密度只能通过沿路段长度调查法即根据航拍照片来获得：根据图上测量获得的距离和车辆数计算得出。若记为第辆车与前车的车头间距，则： （10） 其中：第辆车与前车的车头时距； 第辆车的车速。所以平均密度如下： （11）或 （12） 其中：平均交通密度； 记录的车头间距数。式(12)说明平均交通密度等于各股交通流密度的调和平均值。3、 建立模型已知交通量与交通密度和速度的关系如下： （13） (1)一般形式抛物线流量密度模型：假设线性关系： (14)a,b待定常数：令K=0时，代入(14)中得：当密度达到最大值，即时，车速，代入式(14)得： (15)将a,b代入(14)得： (16)代入（13）得： （17）为求最大流量，可令，并定义为最大流量，为最大流量时的密度即最大密度，为最大流量时的速度，于是可得： （18） （19） （20）BDCA如图4所示为抛物线形的模型。图中，曲线上任意一点的矢径的斜率表示该区段上的区间平均速度，切线的斜率则表示流量微小变化的速度分布。 图4 抛物线形qk模型图示(2) 较大密度流量密度模型 （21） 并且可求出： （22） （23） 图5为这种现场拟合的模型，图中，图5 对数qk曲线k（veh/k）q(veh/h)(3) 较小密度流量密度模型 （22） 求出： （23） （24） （25）113km/h 105km/h 1450pcphl 97km/h 1600pcphl 89km/h 1750pcphl120100806040200平均车速（km/h） 2200pcphl0 400 800 1200 1600 2000 2400流量（veh/h）97km/h90km/h85km/h81km/h1300pcphl下图为引用的美国1994版道路通行能力手册中所采用的速度流量曲线（pcphl=veh/h） 图6 1994年美国道路通行能力手册采用的速度流量曲线4、对于模型的分析：表1 模型的数据分析基于所建立的模型选取数值进行拟合得到以下表格分析：此模型速度和密度的标准差分别为5.24和4.03，经过计算得出此模型拟合度在0.8级，大致符合选取标准。 此模型用于解决交通状况问题，旨在对交通量的计算基础上，分析交通状况，基于以上数据，验证提出的模型是合理的，在一定程度上具有实际分析能力。 五、基于不同类型小区的模型分析结果假设最大速度固定为5m/s，每车长S=7m。假设各小区外围主干道为方形，且每条道路长度为0.5km表2 各类型小区调查情况通行情况如下：车辆数N(veh)开放后路段长度T(km)拥堵程度贯通式1863非常拥挤环通式1542.8一般拥堵尽端式1482一般拥堵A. 贯通式：图7 引用较大密度的流量密度模型： （21）开放小区前车流量：100veh/h开放小区后车流量：128veh/h结果：图8qKB. 环通式：图9引用一般密度的流量密度模型： （17）开放小区前车流量：178veh/h开放小区后车流量：165veh/h结果：qK图10C. 尽端式图11引用一般密度的流量密度模型： （17）开放小区前车流量：179veh/h开放小区后车流量：179veh/h结果：=图12qK研究结果分析：根据本文的研究，只选取了三个典型的小区类型作为分析对象。1、 贯通式小区这种小区结构简洁，多出口，道路笔直通畅，道路网结构清晰，住宅群分布均匀。结合这种小区结构以及道路情况，在本文数据条件下，未开放小区时K值本身大于最大交通量时Km值，增加道路长度会减小K值，导致其交通量增大。说明了本文贯通式小区开放后空间利用率提高，城市公共交通效率提高，人们出行更方便快捷，节约城市公共资源。2、 环通式小区 这种小区主干道少，支路多，车流于主干道汇合次数多，在本文数据条件下，未开放小区时K值本身大于最大交通量时Km值，增加道路长度会减小K值，导致其交通量减小。说明了本文环通式小区开放后空间利用率降低，拥堵情况加剧。3、 尽端式小区 这种小区道路系统由若干尽端式道路组成，小区虽然道路繁多，但由于各道路不相连通，开放小区后其有效道路长度并未增加，对K值无影响，因此此类小区开放后其交通状况没有变化。6、 基于分析结果给出的合理建议根据本文研究结果,建议综合不同类型小区尽快完善城市交通法规。对于此类贯通式小区，由于交通量在开放后增加，可以先逐步开放此类型小区，作为措施试点，逐步提高城市空间利用率、公共交通效率，以达到缓解城市交通拥堵的目的。对于环通式小区，因为此类型小区开放后交通量降低，拥堵情况会加剧，所以应尽量避免在城市交通特别拥堵的路段开放此类型小区，防止在城市交通拥堵情况加剧。对于尽端式小区，由于此类型小区内各道路不相连通，开放小区后，对交通量没有变化，交通状况没有影响，所以此类型小区应保持原有状态，没有开放的必要。此模型在小区密度较大和较小时，模型都为开口向下的抛物线，在K=Km时，交通量最大，但由于小区的数据具有不确定性，Km值对应的交通量与K值在开放小区前后对应的交通量的情况不唯一，有可能增加，也有可能降低。所以在做开放小区调查时应结合具体小区，结合小区实际情况，先计量其最佳交通密度，再对比高峰、低谷和平时的交通密度，得出交通量的变化情况，为与其最大交通流时的Km值逼近，计算预计开放道路长度，结合其他道路属性，综合评价开放不同位置道路对交通、环境、安全、开放代价的影响程度。再具体试点，逐步开放适合以上所诉的各种类型小区。7、 对模型的优化建议由于本模型在不同交通状况下存在差异，随着车辆的大量增加，模型的相对误差和误差均值逐步加大，不能充分准确反映出数量极大时的车辆通行交通量，可以运用二分非线性插分方程，建立logistic回归模型，此模型在2011年提出，是研究混沌的一个基本模型，来对多因素影响的事件进行概率预测，它是普通多元线性回归模型的进一步扩展。在医学上有极大运用，且在此多交通的研究