（载运工具运用工程专业论文）城市道路网机动车通行容量模型研究及应用.pdf

摘要 当前城市交通拥挤、堵塞状况严重，这现象已经成为社会各界当前最关注 的热点问题之一。 自八十年代以来，为了使城市交通现状有所改善，交通工程研究者开始对整 个路网进行系统研究，分析和探讨整个路网的宏观容量，为城市交通规划和管理 提供依据和决策。 在马森理论的基础上，笔者对时空消耗概念下的城市机动车道路网容量模型 进行了改进和完善，提出了一种更科学、更实用、更可靠的城市路网容量计算模 型。通过实际调查、分析，确定出影响路网容量的关键因素，研究了路网时空总 资源。从交通流特征出发，分析与探讨了高峰时段交通个体时空消耗函数。但是， 模型还需继续完善，对影响路网容量的关键因素还有待进一步研究。 笔者利用v i s u a lb a s i c6 0 和a c c e s s ，开发了城市路网容量计算软件系统，可 运算得到机动车道路网处于不同运行状态下时的实际容量，为城市机动车道路网 容量计算提供了一种通用的程序计算方法。 路网容量的确定可知城市整个路网的容纳能力；可以判断出路网的饱和现状 和土地的开发潜力：可以确定路网的关键路段与交叉口；可以深入分析交通的供 给状况，为城市机动车道路网供需动态平衡模型提供前期工作。 模型已经在昆明市应用，验证了模型的准确性、实用性，得到了昆明城市主 城区现状机动车道路网处于不同运行状态下时的宏观动态容量，为避一步解决与 完善昆明城市现有交通问题提供依据与决策。 关键词：路网容量，交通个体，时空资源，时空消耗 a b s t r a c t t h ec i t yt r a f f i cj a ma n dc o n g e s t i o na r es e r i o u s t h i sp h e n o m e n o nh a s a l r e a d y b e c o m eo n eo ft h ef o c u sp r o b l e m s ， s i n c et h e19 8 0 s ，i no r d e rt o i m p r o v i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc i t yt r a f f i c ，t h e r e s e a r c h e r so ft r a f f i c e n g i n e e r i n g b e g i nt os t u d yt h ew h o l ew a ys y s t e m a t i c a l l yb y n e t w o r k ，a n a l y z ea n dp r o b ei n t ot h em a c r oc a p a c i t yo fw h o l en e t w o r k s i tm a k e su p t h eb a s i so fu r b a nt r a f f i cp l a n n i n ga n d m a n a g e m e n t i nm a k i n g p o l i c yf o rc i t yt r a f f i c o nt h eb a s i so fm a s o n s ，t h ea u t h o ri m p r o v e sa n dp e r f e c t st h em o d e lo ft h e c a p a c i t yo fr o a dn e t w o r ko fm o t o r i n gl a n eo fc i t yu n d e rt h ec o n s u m p t i o nc o n c e p to f s p a c e t i m e p r o p o s eo n e ak i n do fs c i e n c e ，p r a c t i c a l ，r e l i a b l ec a l c u l a t em o d e lo ft h e c a p a c i t yo fr o a dn e t w o r ki nt h ec i t y 。t h r o u g ht r a f f i cs u r v e ya n da n a l y s i s ，t h ew r i t e r g i v e st h ek e yf a c t o ro fi n f l u e n c ：i n gt h ec a p a c i t yo fr o a dn e t w o r k h ea l s os t u d i e st h e t o t a lr e s o u r c e so ft i m ea n ds p a c eo ft h er o a dn e t w o r k p r o c e e df r o mt r a f f i cs t r e a m c h a r a c t e r i s t i c ，h a sa n a l y z e da n dp r o b e di n t ot h ei n d i v i d u a le x h a u s t i o no ft i m ea n d s p a c ei np e a k - h o u rt r a f f i c b u tt h i sm o d e ls h o u l db ep e r f e c t e dc o n t i n u o u s l y w ea l s o s h o u l ds t u d yt h ek e yf a c t o r st h a ti n f l u e n c i n gt h ec a p a c i t yo f r o a dn e t w o r k t h ea u t h o ru t i l i z e sv i s u a lb a s i c6 0a n da c c e s s ，a n dd e v e l o p sw a yo fc i t y n e t w o r k c a p a c i t y c a l c u l a t es o f t w a r e s y s t e m ，a n d t h i s s y s t e m c a n g e t t h ea c t u a l c a p a c i t i e so fr o a dn e t w o r k so fm o t o r i n gl a n ea td i f f e r e n tr u n n i n gs t a t e s c a l c u l a t e d a n do f f e r e dap r o c e d u r eo f p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yf o rt h ec a p a c i t yo f r o a dn e t w o r k w ek n o wt h ec a p a c i t yo ft h ew h o l ec i t yn e t w o r k ；t h e nw ec a nj u d g et h en e t w o r k s a t u r a t i o nd e g r e ea n dd e v e l o p m e n tp o t e n t i a l i t yo ft h en e t w o r k ；c a nd e f i n et h ek e y s e g m e n t sa n dc r o s s i n g so ft h e r o a dn e t w o r k ；c a na n a l y z et h es u p p l ys t a t eo ft h e t r a f f i ci nd e p t h ，o f f e rt h ep r e v i o u sw o r kf o rm o t o r i n gl a n er o a dn e t w o r ki ns u p p l y i n g a n dd e m a n d i n gd y n a m i ce q u i l i b r i u mm o d e lo ft h ec i t y t h em o d e li su s e d i n k u n m i n gc i t y ，h a s b e e nv e r i f i e dt h e a c c u r a c y ， p r a c t i c a b i l i t y ，r e c e i v et h em a c r od y n a m i cc a p a c i t i e sa td i f f e r e n tr u n n i n g s t a t e so ft h e m a i nu r b a ni nt h i s c i t y o f f e r t h eb a s i sf o rs o l v i n ga n dp e r f e c tt h ee x i s t i n gu r b a n t r a f f i cp r o b l e m so fk u n m i n gc i t y k e y w o r d s ：f h ec a p a c i t yo fr o a dn e t w o r k ，t r a f f i cu n i t ，t i m ea n ds p a c es o u r c e s ，t h e e x h a u s t i o no ft i m ea n ds p a c e 1 1 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：索l 寺司珲 日期：加牛年月z 。日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理2 y - 大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：丝：担堑墨论文作者签名：查! 查煎箪 日期： 至翌垡生圭目星! 旦 一垦塑堡三茎兰堡主兰垒笙奎 1 1 引言 第一章概述 当前城市主城区交通拥挤、堵塞状况严重，这一现象已经成为社会各界当前 最关注的热点问题之。并且随着城市人口规模的扩大，机动车数量的迅猛增加， 交通问题将更为严峻。 随着城市的发展，城市路网初步由愈来愈多的路段与交叉口构成。交通需求 日益急剧增加，城市路网系统变得越来越复杂，从原来简单地面运输系统发展到 如今的地面、地下、地上快速路等的三维路网系统。如果我们仅仅只研究他们中 单个或部分交通量，那么我们只注重了部分路段与交叉口，丽忽视了他们之间的 关联。譬如，简单地加宽一些拥堵的路段或交叉口。随着部分路段或交叉口的加 宽，致使会吸引愈来愈多的车辆，从而不仅导致最近加宽的路段或交叉口未得到 改善，而且在其附近的路段或交叉口将很可能出现新的拥挤。结果由于彼此相互 传递作用而使整个路网不仅没有改善，而且拥挤更严重，运行效率更低。这说明 了仅仅对个别拥堵路段、交叉口或他们中的部分进行改善，问题不能得到实际性 的解决。所以，在研究城市交通时，我们的眼光不能只停留在个别交叉口、路段 或它们的小部分，那种哪儿拥堵就解决哪儿的传统交通对策已不能使当今的城市 交通现状有所改善，而应对整个路网系统进行研究，得到整个路网的宏观容量， 为城市交通规划和评价提供一个基础数据。自八十年代以来，交通工程研究者就 已经开始注意到这个问题，他们提出了交通综合设计模型，把城市路网作为整体 研究。越来越多的人们更加关注整个路网所能承担的最大交通数量或交通容量。 这一切反映了定量地分析路网容量的紧迫性。【1 1 本文主要目的是通过建立城市路网容量模型，实现模型的应用，为城市规划 提供依据与决策。 1 2 城市路网容量的发展与现状 美国是对路网容量研究最早的国家。他们对这个问题的研究由简单到复杂a 研究初期，路网被简化成是一个简单的单起终点的网络，而路网容量就是在路段 通行能力的制约下，从一个特殊的起点到另一个特殊的终点，能运送的最大交通 量。随着对问题理解的深入，路网被看成是一个非线性的、随机开放的、多起终 第1 页 城市道路网机动车通行容量模型研究及应用 点的复杂系统，于是他们从系统最优的角度出发，建立了新的路网容量概念，即 路网容量是在路段通行能力的制约、并满足路网系统最优的情况下，路网所能承 担的最大交通流量1 2 j 。 从类别上划分美国的研究大致可以分为如下3 种：一种是美国普林斯顿大学 运筹学教授f o r dl r j r 和f u l k e l s o nd r 用图论方法研究的路网容量，其 成果是运用最大流最小割定理建立的路网容量模型，同时给出了求解网络最大流 的第一算法一一标号法：第二种是交通分配模拟法，该方法产生的模型是基于图 论和交通分配两种方法建立的；第三种是线性规划法，其中又分为单层和双层路 网容量模型，单层模型主要用来分析那些相对简单、起终点和道路有明确规定的 网络。而双层模型是从系统最优的角度，在单层模型的基础上改进的结果。该模 型既考虑了路网的物理容量又考虑了交通选择的平衡( 交通个体出行费用最小) ， 是美国至今确定路网容量的最新模型【2 】。 日本是亚洲国家中对路网容量研究最为深入的国家。6 0 年代，山村信吾、三 好逸二及西村昂就开始研究路网的最大通行能力。其后，日本京都大学的饭田恭 敬教授采用图论法研究单一物流路网通行能力，采用交通分配法研究考虑了驾驶 员线路选择条件下的路网最大通行能力，其研究方法和思路与美国相似【2 j 。 8 0 年代初，法国的工程师路易斯马尚提出了“城市的时间与空间消耗”的 概念。这一概念抓住了问题的实质，即城市路网在一定时段内的物理容量是受时 间、空间限制的。这样，很自然的将路网看成是种具有时间、空间属性的容器， 而该容器在一定时段内的容量就是路网的容量。这种思路为路网容量的研究开辟 了一条新的道路。 我国对路网容量的研究较其他国家要晚，研究始于二十世纪八十年代，主要是 在参照国外研究经验的基础上，对其进行改进。其中，东南大学的杨涛基于最大 流最小割定理，将f o l d - - f u l k s o n 算法进行改进，提出了解决随机、开放路网的 衍生割集网络极大流算法( e c s ) ；湖南大学的李硕提出了狭义路网容量的理论及模 型【”。另外，北方交通大学的高自友、同济大学的杨东援等人从系统的角度出发， 提出了满足用户平衡和系统平衡的路网容量模型。 1 3 本课题的提出与研究内容 1 3 1 课题的提出 在城市交通规划及交通经济研究中，路网容量的计算和评价是重要的基础工 作。另外，尽管交通工程理论对通行能力做了较为深入的研究，但对整个路网容 第2 页 一 垦望矍! ；查兰堡生鲎竺丝兰 量的研究则比较薄弱，所以路网容量的研究对于完善交通工程理论也是不可缺少 的部分。 近年来大部分城市机动车量以1 0 - 2 0 的速度递增，使得城市路网容量处于饱 和甚至是超饱和的状态，由此引发了诸多的交通问题。昆明城市近7 年的小汽车 年平均增长率为1 2 8 ，此增长速度远远超过交通基本设施的增长，使本来就存 在的路、车矛盾加剧，致使现在昆明城市的交通问题已日益突出。昆明城市位于 祖国西南，成为连接东南亚、南亚主要通道。昆明城市交通现状与未来规划的好 坏直接影响着祖国西南的经济发展，则解决昆明城市现有交通问题迫在眉睫。 本文主要目的是先通过建立城市路网容量模型，然后笔者利用v i s u a lb a s i c 和a c c e s s ，开发了城市路网容量计算软件开发系统，为城市路网容量研究提供一 种更加准确而又可信的方法。模型具体应用在昆明市，得到昆明城市主城区机动 车道路网容量，为进一步勰决与完善昆明城市现有交通问题和规划提供依据与决 策，从而提出本课题。 1 3 2 研究的主要内容 1 、汇集、调查有关基础资料 首先，在“昆明城市交通综合整治”项目调查资料的基础上，搜集本课题初 步所需原始入库资料与部分已统计整理的可靠数据，然后，笔者调查了昆明城市 部分路网信息，最后对它们用v i s u a lb a s i c6 0 数据库与m i c r o s o f ta c c e s s 进行处 理分析，得到适合于本课题的所需数据。为路网容量模型在昆明城市的具体应用 提供了可靠、准确的基础数据。 2 、城市路网容量模型建立 在已有的时空消耗概念下的城市道路网机动车运行容量模型理论的基础上， 参照国内外已有研究方法与经验，笔者对此模型进行了进一步改进与完善，提出 了一种更科学、更实用、更可靠的城市路网交通容量计算分析模型。对模型中的 关键影响参数函数和交通个体时空消耗函数进行分析与讨论，最终可得到路网不 同运行状态下的实际容量。 3 、城市路网容量计算软件开发系统 笔者利用v i s u a 】b a s i c 和a c c e s s ，开发了城市路网容量计算软件。为不同的 城市路网容量研究提供了一种通用计算机计算方法，只要按要求事先建立城市交 通调查基础信息库，运行计算软件就可得到路网容量。 4 、模型应用和验证 模型在昆明城市主城区机动车道路网的具体应用后，分析现有路网状况，验 第3 页 城市道路网机动车通行容量模型研究及应用 证模型的实用性和可靠性。 1 4 课题的研究意义 本课题在已有的时空消耗概念下的路网容量模型理论的基础上，参照国内外 已有研究方法与经验，笔者对此模型进行了进一步改进与完善，提出了一种更科 学、更实用、更可靠的城市路网交通容量计算分析模型。对模型中的关键影响参 数函数和交通个体时空消耗函数进行分析与讨论，最终可得到路网不同运行状态 下的实际容量。该法比较充分地考虑了交通载体与交通个体的容量平衡关系，模 型兼顾了动态与静态几方面影响路网容量的关键因素，给容量平衡工作提供了较 理想的解决办法。 笔者利用v i s u a lb a s i c 和a c c e s s ，开发了城市路网容量计算软件。为不同的 城市路网容量研究提供了种通用计算机计算方法，只要按要求事先建立城市交 通调查基础信息库，运行计算软件就可得到路网容量。 路网容量计算模型建立后，其概念清楚，准确度高，适合较大范围的路网容 量计算，可为城市交通的规划与管理提供有力的依据。路网容量的确定可知城市 整个路网的容纳能力，从而确知整个城市机动车拥有量对该城市道路网的饱和程 度：可以判断出路网土地的开发潜力；可以确定路网的关键路段与交叉口：可以 深入分析交通的供给情况，为城市机动车道网供需动态平衡模型提供前期准备工 作。 模型具体应用在昆明城市主城区机动车道路网，可得到现状路网交通宏观动 态容量，为进一步解决昆明现有交通问题与近远期规划提供依据与决策，并对建 设现代新昆明定会起到一定的引导作用。 第4 页 一 垦翌望三奎兰堡主兰垡堡塞 第二章城市机动车道路网容量模型建立 2 1 路网容量现有研究方法 路网容量分析是指交通网络在一定的条件和要求下所能容纳的最大标准车 辆数。可进步分为宏观层次与中观层次。对于宏观层次的交通容量分析，主要 是建立在微观车辆的时间与空间消耗的基础上，而后研究一定规模的交通网络能 够容纳的车辆数。譬如。时间消耗法。中观层次的交通网络分析问题与通讯网、 电网等容量的情况不同，它需要限定一些交通流以特定的节点为起讫点，因而是 一个相互间保持一定比例关系的多种流网络容量问题。譬如，线性规划法、割集 法、交通分配模拟法和狭义路网容量模型等p j 。下面对路网容量的主要研究理论 与方法逐一进行介绍。 2 1 1 时空消耗法 每一个交通个体在一次出行中须占一定的时间、空间资源，而对于城市道路 设施来说，在一定时期内资源是有限的，相对稳定的。这些设施在特定的时问、 空间内所能容纳的交通个体是极其有限的。交通流中的某个交通个体会占用道路 设施一定的时间和空间，而其他交通个体只能使用除此之外的时空资源，于是产 生了时空消耗法。常见模型是以道路有效运营长度与有效运营时间的乘积作为路 网的时空总资源，其目标是计算交通设施在时空总资源的约束下，单位空间、时 间内所能服务的最大标准车辆数。此模型计算虽然必须通过大量的调查来获得 些关键基础资料，并且由于路网运行状态千差万别所以资料的调查、整理必须 花费大量的时间，但是路网容量计算模型建立后，其概念清楚，可信度高，适合 较大范围的路网容量计算，其结果的可信度一般较高。在时空消耗概念下建立了 城市路网交通容量计算模型，该法比较充分地考虑了交通载体与交通个体的容量 平衡关系，模型兼顾了动态与静态几方面影响路网容量的关键因素，给容量平衡 工作提供了较理想的解决办法。1 2 】 2 1 2 线性规划法 线性规划法的目标是在路段通行能力限制条件下，计算路网的最大流量。这 种概念与时空消耗法不同。基于这种理论建立的模型较多，但按照约束条件的不 同，可以分为如下两类。 给定弧容量( 边的通行能力) 并指定o d 间路线情况下的最大流量 第5 页 城市道路网机动车通行容量模型研究及应用 该模型假设：( 1 ) 路网o d 形态一定( 即每对起讫点之间的o d 量与整个路网所 承担的o d 之比为已知的) ；( 2 ) 满足可行流条件( 即每条道路的流量大于或等于零， 而且任何交叉口的流入量等于流出量) ；( 3 ) 道路通行能力制约。在此前提下，求 解路网最大流量的极值模型。 本模型的问题在于：( 1 ) 需要预先确定每对o d 所承担的流量比，但是由于交 通个体的路径选择是一种很随机的行为，所以这种做法很难保证指定的o d 分布 与实际符合；( 2 ) 该模型是一个非凸函数，从数学角度无法得出精确解。尽管已有 学者对这种非凸函数提出了解决的方法一一启发式算法，即通过程序不断迭代， 向路网上不断分配交通量，从而得出模型的近似解。但是由于这种算法本身与实 际交通加载方式存在一定的差距，因此这种方法的准确性较差。 两层极值模型 两层极值模型是一个由上、下两层极值组成的模型。上层计算的是在系统最 优( 路网中所有出行者的出行时间之和最小) 的条件下，路网的最大流量；下层计 算的是满足可行流条件下，整个路网的最小出行时间。 与前者相比，该模型的改进之处在于，认识到路网容量问题是一个系统问题， 因此该模型建立了系统最优的予模型，从而使路网容量模型更趋完整化。该模型 的不足之处在于：( 1 ) 该模型的上层极值函数仍是一个非凸函数，无法从数学上得 出精确解；( 2 ) 交通个体的路径选择原则与实际不符，即该行为不是由出行时间最 短这样的单一原则决定的。因此，尽管该模型有一定的改进，但仍无法计算出“正 确的”路网容量。 总之，线性规划法最突出的特点是( 1 ) 对于路径选择的处理，尽管与时空消耗 法相比，可以用数学公式表达，但是由于这种行为的随机、复杂性，这些以一段 时间内采集的数据为基础，基于研究者本身因素提出的公式，其计算结果具有很 强的研究者倾向，与交通个体实际的路径选择倾向还有一定的差距；( 2 ) 该模型是 一个非凸规划模型，无法从数学上确定出精确解，只能靠一些方法去近似，而这 些方法本身也存在很多问题，因此导致这种方法可用性较差。l z j 2 1 3 割集法 割集法主要依据图论中的如下定理：任一带收发点的容量网络中，最大流的 流量等于最小割集的容量。 因此，可以来用任一割集将网络分为、：两个部分，割集k 的容量等于组 成割集的所有边的通行能力之和。设s 为网络所有割集的集合，割集k 的容量为 c ( k 1 ，割集所截断的o d 交通量占交通总量的比值为e ( k ) ，即： 第6 页 昆明理工大学硕一卜学位论文 p ( i ) = 弓i n 。，j n ：。 i j 因而割集t 所对应的容量为： 爿( j i ) = c ( k ) p ( k ) ，k s ， 当求出所有的x ( k ) 后，可得路网容量为： 五。2 r a i n x ( 女) ，k s 。 从以上可知，割集法计算的路网容量的概念明显不同于时空消耗法，割集法 是运用图论的相关理论与方法，计算最大交通量。由于该方法采用的基本理论是 最大流最小割定理，而且实际路网又是一个多起、终点，随机开放的复杂系统， 如何将实际的路网抽象成一个单起、终点的理想图及如何寻求路网的最小割集是 这种割集法的关键。因此如何既合理地简化路网，又能得出合理而准确的结果是 这种方法目前亟待研究的重点： 本方法的问题是：假设割截面的容量仅为o d 端点分属、v ，的交通流所利 用，因而存在过大估计容量的可能性，应用于实际网络时人们发现，s 大得惊人， 同样造成实现上的困难，因此导致这种方法可用性较差。【2 3 1 2 1 4 交通分配模拟法 交通分配模拟法基本原理是将o d 交通量采用i a ( i n c r e m e n t a la s s i g n m e n t ) 逐 步分配到路网上，每次分配都以前次分配为基础( 即将该次分配量加上去) ，当有 边达到饱和时，就将达到饱和的边不断删除，当网络被分成为两个部分时，所对 应的分割线即为最小割集，此时的累加总流量即为路网容量。 本算法是一种将交通分配和图论结合起来的算法，所以该算法具有两种算法 的优点和缺点。而该模型的问题在于：( 1 ) 由于交通个体路径选择行为是种随机 行为，所以i a 分配结果很难与实际交通形成的o d 分布相同，这样模型就失去了 正确的根基；( 2 ) 该模型没有考虑对迂回路线的限制，因而会由于包含了不合理迂 回而过大估计容量。鉴于此，该算法有待进一步完善。【2 j 2 2 城市路网容量模型的建立 2 2 1 城市路网容量模型研究结构框图 从时空消耗角度建立城市路网容量模型，这一思路的殊胜之处，在于充分地 考虑到交通载体与交通个体的容量平衡关系，并提供了较理想的、较可靠的解决 办法，所建立的模型兼顾了动态和静态影响因素，思路清晰，适合较大范围的路 第7 页 城市道路剜机动车通行容量模型研究及应用 网容量计算“。本文先建立路网容量模型，其次笔者开发了城市路网容量软件丌 发系统，然后结合昆明城市现有路网状况信息具体应用，验证其可靠性、准确性， 并分析昆明城市现有路网状况，最后确定模型。其模型研究结构如图2 一l 所示： 图2 1城市路网容量模型研究结构简图 2 2 2 基本概念介绍 城市道路设施的时间、空间资源，在一定的时期内是有限和相对稳定的，每 一个交通个体在这一特定的时间、空间资源内只占有其中的一部分。因此，这些 设施在一定的时间、空间内所能容纳的交通需求随着交通个体对时空资源的消耗 而变化，即所能容纳的交通需求是极其有限的a 篱8 面 垦堕堡王茎兰塑主堂堡垒垄 ( 1 ) 城市道路设旖时空总资源1 5 1 t 6 1 7 jf 8 】 车辆在行驶中占有一定的道路净空面积，在次出行时间内以动态方式只占 有一次，每辆车出行使用的道路面积在单位服务时间内又可提供给其它车辆重复 使用。因此，城市道路设施时空总资源c 。为： c 总2 s t3 l d x t ， 式中：s 一路网机动车道总面积( 米2 ) ； 三一一路网中机动车道总长度( 米) ； d 一一路网中每条车道的平均宽度( 米) ； 7 1 一一路网单位服务时间( 秒) ，一般取高峰小时作为路网运营时间。 ( 2 ) 交通个体时空消耗【5 1 6 】【7 】【8 1 时空消耗是指交通个体所占的平均动态面积及所花费的一次出行消耗的平 均行使时间的乘积。因此，交通个体时空消耗为c + 。为： c 十体2 占，2 h x d f = h d ( z v ) ， 式中：s 一一机动车行使过程中的平均动态面积( 米2 ) ： h 一一机动车行使过程中的平均动态车头间距( 米) ： d 一一机动车的平均动态横向宽度( 米) ： ，一一机动车一次出行平均行驶时间( 秒) ； f 一一机动车平均一次出行距离( 米) ； v 一一机动车平均行驶速度( 米秒) 。 ( 3 ) 理论路网容量【8 1 所谓理论路网容量是指假设在路网的道路设施上布满车型一致的标准运行 车辆，并且所有这些车辆保持最佳行驶车速及该速度下对应的最佳车头间距稳定 行驶的状态下，即在路网处于临界状态下，单位时间( 般为高峰小时) 内所能 容纳的最大动态标准车辆数。 那么“时空消耗”概念下的理论路网容量就是单位时间内在上述这种状态下 最多有多少交通个体才能将同样时间内所拥有的路网道路时空总资源消耗掉。从 时空消耗角度来看，理论路网容量就具体化为某理想路网所能提供的交通个体时 空消耗量。 基于理论路网容量定义可知，此状况下的路网恰好处于流量最大、车速最佳 的l 临界状态。如果我们把路网交通流大致分为3 种运行状态：通畅、拥堵、临界 状态，那么显然理论路网容量的路网交通流恰好处于通畅、拥堵之间的中间临界 状态。 第9 页 一塑立垄堕塑盟塑皇望堑查苎蔓翌型垒堡些里 ( 4 ) 实际路网容量 2 1 所谓实际路网容量是以其理论路网容量为基础，符合实际路网道路、交通状 况及运行状态下，所能提供的最大服务容量。也就是城市道路网在单位时间( 高 峰小时) 内实际允许运行的标准动态车辆数。 2 2 3 时空消耗概念下的城市路网容量模型数学公式的标定 ( 1 ) 理论路网容量模型数学公式的标定 2 1 基于时空消耗的概念及理论路网容量的定义，理论路网容量应等于： ， 一 单位时间内路网的时空总资源 一 三d r h 论一覃面丽雨甄孺不雨葫丽丽添下丽霸西隔一h ( v ) xd t ( v ) 此处：f ( v ) = l v 。 式中：c 理论一一理论路网容量，辆小型汽车： h ( v 1 一一机动车在此状态下的最佳动态车头间距，米： v 一一机动车在此状态下的匀速行驶速度，米秒； 卜一一机动车平均一次出行距离，米；其它参数意义同上。 考虑到由于除支路外，其它等级的道路上都有行车道标线，这种标线的存在 使得车辆在其上只能各行其道，这样即使车道的宽度大于车辆行驶所需要的宽度， 多余的车道宽度也不可被其它车辆利用；而对于支路来说，按照城市道路设计 规范中的要求，通常设置两条行车道，而且当路网达到其容量状态时，支路上 的车辆也是以临界( 最佳) 行使车速匀速稳定跟驰行驶，因此为了保障支路的正 常运行，本论文对于支路只考虑两条车道，而其它的道路宽度作为非机动车之用。 这样可以理解为d = d 。鉴于此理论路网容量公式简化为如下形式： 门 一c 总一 工r 论一瓦一h ( v ) x t ( v ) 并可进一步变换为： 门 一c 总一 工丁 c 尊 h 论一百一丽二 v ( k ) k 式中，c 。表示路网时空总资源，k 表示车流密度，其它参数意义同上。 从公式可以得知，理论路网容量的关键在于如何确定交通个体在临界状态下 的时空消耗，其中路网机动车道总长度和机动车平均一次出行距离经过实际调查 可得。 ( 2 ) 实际路网容量模型数学公式的标定【2 4 卜【1 3 】 第1 0 页 昆明理工大学硕士学位论文 基于时空消耗概念及实际路网容量的定义，它应该首先对道路时空总资源中 不符实际路网的道路条件、交通条件等进行修正，以得到有效道路时空总资源( 即 有效道路总运营面积或长度和有效运营时间) ，然后分析计算路网处于不同运行状 态( 通畅、搠堵、中间过渡状态) 下的交通个体时空消耗，最后获得不同运行状 态下的服务容量。因此，实际路网容量应等于： 一 单位时间内路网的有效时空总资源 。盛际单位时间内交通个体在路网不同运行状态下的时空消耗 l d t x 兀k ，( x ) 此处：n k ，( x ) 5 k l ( 口) z ( 声) 如( 6 ) x k 一( y ) s ( a ) ： t ( v ) = l v ( h ) 。 式中：c 实际一一实际路网容量，辆小型汽车； h ( v ) 一一路网不同运行状态下机动车的动态车头间距，米： v 一一路网在不同运行状态下机动车的匀速行驶速度，米秒； k l ( 口) 一一道路类别修正系数函数，以主干道为标准，把其它道路转化为主干 道形式； k 2 ( ) 一一车道位置修正系数函数，以经验及规范为准： k 3 ( 占) 一一路旁干扰修正系数函数，主要考虑非机动车的干扰，用横断面形式 来讨论； k 4 ( y ) 一一路线平均使用频率修正系数函数，由于出行者对路线的熟悉程度和 行车时的选择偏向以及路网结构的合理性等因素而造成，用负荷度来表征： t ；m ) 一一路网运营时间( 交叉口利用) 修正系数函数，对于城市道路来说， 运营时间主要考虑交叉口的影响：其它参数意义同上。 同理可以理解为d = d ，因此，实际路网容量公式可以简化为如下形式： c 总k 。( z ) 上r 兀t ( x ) c 实* 2 f 2 了i i 而 并可进一步变换为： 第l l 页 城市道路网机动车通行容量模型研究及心用 c 实际2 c 十体 一三丁y i 七( x ) c 有撤 矗( v ) f ( v ) ! v ( 七) k 式中，c 。为路网有效时空总资源，其它参数意义同上。 从公式可以得知，实际路网容量的关键在于如何确定修正系数及交通个体在 路网不同运行状态下的时空消耗，其中路网机动车道总长度和机动车平均一次出 行距离经过实际调查可得，而路网研究时段一般取高峰小时。另外，公式中的5 个修正系数都是对道路时空总资源的修正，其中k 。一k 。可理解为对机动车道总长 度的修正，那么这4 个系数可合并归类为机动车道路长度修正系数；k ，为对运营 时间高峰小时的修正，即交叉口利用系数，从而分别把机动车道总长度和运营时 间转化为有效机动车道总长度和有效运营时间。因此，所求得的容量符合实际路 网状况。 第1 2 页 昆明理工夫学硕士学位论文 第三章机动车道路网时空总资源研究及其数学算法 从路网容量公式可知，容量模型的确定关键在于如何确定时空总资源和交通 个体时空消耗，而路网理论容量和路网实际容量分别对应于路网时空总资源和路 网有效时空总资源，下面分别对此进行讨论。 3 1 路网时空总资源研究及其实现 从理论路网容量公式容易看出，路网时空总资源应等于路网机动车道实际总 长度与运行时间( 高峰小时) 的乘积，其中机动车道实际总长度可经过调查所有 路段机动车道数和长度及结合软件( 如m a p i n f 0 等) 知识求得，那么路网时空总 资源c 。如下。 c 总= t2 ( j k ) t 式中：l ，一一某一路段双向机动车道条数： 置一某一路段长度，米； r 一一路网运营时间，取高峰小时( 3 6 0 0 秒) 。 3 2 路网有效时空总资源研究及其实现 从宏观上计算路网实际容量，首先应该确定路网有效时空总资源，即路网有 效机动车道总长度和道路的有效运行时间，在他们中又包含了许多的修正系数。 在实际应用中，影响道路网容量的因素很多，如道路类别因素、区位因素、车道 位置因素、路网密度因素、交通源匹配程度系数、路线平均使用频率系数、路旁 干扰因素及交叉口影响因素等等，为保障模型的实用性，实际路网容量公式中修 正系数考虑了5 个主要因素，它们以实测、调查和交通工程经验、理论知识为基 础进行取值，以提高模型的可信度。并把入选的5 个主要因素进行合并归类为有 效机动车道总长度系数和有效运营时间系数来综合反映上述因素对模型的影响。 那么路网有效时空总资源c 有效如下。 5 c 有敏2 c 总i - i k 。( x ) 2c 总d i d 2 n = ( j x k ) k l ( 口) k 2 ( ) k 3 ( 占) k 4 ( ，) t k 5 ( 旯) f 第1 3 页 城市道路阐机动车通行容量模型研究及应用 式中：q 一一机动车道总长度修正系数( d 。：k ，( 口) k 2 ( ) k 3 ( 万) 女；( y ) ) ： 日2 一一路网运营时间修正系数( 2 = k 5 ( 五) ) ，其它参数意义同上。1 3 1 下面分别对这5 个主要影响修正系数( 道路类别修正系数、车道位置修工f 系 数、路线平均使用频率修正系数、路旁干扰修正系数及交叉口影响修f 系数) 函 数进行讨论研究。这些系数数学方法的实现无疑是路网实际容量模型确定的关键 部分。 3 2 1 道路类别修正系数函数算法确定 对于城市机动车道路来说，目前大部分城市主要分为主干路、次干路、支路 三类不同类别的道路。一方面由于人们长期以来重在研究城市主干路道路的信息 ( 如交通流量、车道宽度、负荷度等) 状况，则它的信息比其它道路容易取得， 以减轻后期的工作量，提高模型的实用价值；另一方面由于城市主干路路网构成 了城市道路整个路网的骨架，它承担的机动车交通负荷一般为6 5 左右，但是它 的长度一般仅占2 5 左右。鉴于此，我们常以主干路为标准，把不同类别的道路 转化为主干路道路。具体方法是：根据一条车道可能通行能力和它们在道路系统 中所占比例进行转化而得。通常取0 7 5 0 8 0 。道路类别修正系数算法函数表达 式如下。 姒妒只+ 等竹等异 式中：p o 、只、鼻分别是路网主干路、次干路、支路的机动车道面积占路网 道路系统中机动车道总面积的比例，而。、，、，分别是它们一条车道的平均 可能通行能力。l i 0 1 道路通行能力的具体计算与分析是比较复杂的。不同道路设施由于车辆运行 状态和影响因素的不同，使得其通行能力的研究方法亦不同。目前通常采用的通 行能力研究方法主要有理论公式法、模拟模型法和宏观统计法等。这几种方法是 根据通行能力的基本定义和车辆运行特征，来寻求通行能力与相关因素之间或交 通流之间的关系。 路段是道路的基本部分，路段上的车流不受分流、合流和交织流的影响，车 辆运行特征为连续流。道路通行能力计算首先要确定在理想条件下一条车道的理 论( 基本) 通行能力：然后考虑实际道路条件、交通条件和管制条件确定各种影响 系数，修正理论通行能力，得到一条车道可能通行能力。 基本通行能力是指在理想的道路条件和交通条件下， 条车道在单位时间内 通过的最大小汽车车辆数。理想的道路条件是指车道宽度不小于3 7 5 米，侧向净 第1 4 页 昆明理工大学硕“l 掌位论文 空为1 7 5 米，平、纵线形和路面良好，纵坡平缓并有足够的行车视距；理想的交 通条件是指车流组成的单一的标准汽车，在一条道路上，以相同的速度连续行驶， 车辆之间均保持与车速相适应的最小安全车头间隔，且流向分配均衡，无任何方 向的干扰。在理想条件下，得出的最大交通量，即为理论通行能力，亦称基本通 行能力。一条车道基本通行能力见表3 1 。 1 4 1 一条车道理论通行能力表3 1 l设计车速( k m h ) 。 6 05 04 03 0 2 0 基本通行能力( p c u h ) 1 7 3 01 6 9 01 6 4 01 5 5 0l3 8 0 参见城市道路设计规范( c j j 3 7 9 0 ) 各等级道路设计车速及对应表l 知 识，可得在一般情况下城市各等级道路的基本通行能力( 见表3 2 ) 。( ”j 各类别道路基本通行能力表3 2 道路类别快速路主干路次干路支路 设计车速( k m h ) 6 05 04 03 0 基本通行能力( p c u h ) l7 3 0】6 9 01 6 4 015 5 0 可能通行能力是指在实际的道路交通条件下，单位时间内通过道路上某一点 的最大可能交通量。计算可能通行能力是以基本通行能力为基础，考虑到实际的 道路和交通状态，确定其修正系数，用基本通行能力乘上一系列的修正系数m ， 即得到实际道路交通与一定环境下的可能通行能力。 路段机动车道可能通行能力计算公式如下。【“】 n 。2 n8 x m l 式中： ，一一可能通行能力( 小型汽车4 时) ： 。一一基本通行能力( 小型汽车小时) ； m 一一修正基本通行能力的系数。 对于城市道路可能通行能力的确定，其修正系数除了考虑车道宽度、非机动 车与机动车混行、侧向净空、沿途条件和交通条件外，还应考虑平面交叉口、街 道化程度、重型车等修正系数。而其中车道宽度、机非混行是影响通行能力的关 键，则在此为了简化起见，抓住主要影响因素、忽略次要因素来计算可能通行能 力。 ( a ) 车道宽度影响系数m 1 6 】 根据道路宽度影响通行能力的实际观测，当车道宽度达到莱一数值时，其通 过量能达到理论上的最大值，当车道宽度小于该值时，会影响车速，以致通行能 力降低，其折减系数为m 。根据国内外对车道宽度影响通行能力的实际观测，认 第1 5 页 垫亘望塑旦垫垫兰塑堑窒墨塑型坚塞墨窒旦 为车道宽度小于3 5 米时，应按表3 3 进行折减。 车道宽度影响系数m 表3 3 i车道宽度( m )3 5 03 2 53 0 0 2 7 5 车道宽度影响系数1 o oo 9 40 8 4 o 7 7 ( b ) 机非混行影响系数m ，【1 7 】 对于机非混行的一块板道路，当自行车流量达到一定时，自行车靠近或占用 机动车道行驶，均为影响机动车行驶速度。降低通行能力，若有公共汽车停靠站、 行人过街等影响通行能力的现象会更为明显。机动车道与非机动车道之间有分隔 带( 如栅栏、绿化带、隔离墩等) 时，m ，取1 0 0 ；机动车道与非机动车道之间无 分隔带时，m ，取0 8 0 。 从以上分析，经过对道路类别修正系数函数数学公式推导为如下形式。 妒只+ 糟哪箍鼻 2 只+ 鲁只+ 露n p s 异 此处：口。= m l 。x m 2 。； 口。= m l j m 2 j ； 嘶2m f ，x m 2 ，。 公式中c l 。、a ，、a ，分别为修正主干路、次干路、支路基本通行能力的系数， 瓦、瓦、瓦、瓦、瓦、瓦分别为主干路、次干路、支路车道宽度和机 非混行平均影响系数，。、。、。和n ，