（交通运输规划与管理专业论文）城市道路平面交叉口复杂度计量模型研究.pdf

摘要 摘要 城市道路平面交叉口的结构与形式日趋多样化、复杂化，但是，其综合运行效率却并无根本性 改善。为了提升城市道路平面交叉口功能( 包括交叉1 3 通行能力与交叉口安全性) ，本文对城市道路 平面交叉口复杂度的计量方法进行了研究 本文从系统复杂度的研究理论基础出发，回顾了有关复杂性与复杂度的相关研究成果，从城市 道路平面交叉口系统角度入手，阐述了城市道路平面交叉口构成与分类，并对城市道路平面交叉口 系统内的各种冲突及其形成的冲突点进行了分析，在此基础之上，提出了城市道路平面交叉口复杂 度定义：城市道路平面交叉口复杂度是对城市道路平面交叉口的空间布局和运行组织复杂性程度的 度量。 笔者分析有关城市道路平面交叉口复杂度的已有研究成果发现城市道路平面交叉口各类交通 冲突点数是交叉口复杂度的综合性指标。因此。本文分析了交叉口空间布局和运行组织对城市道路 平面交叉口各类交通冲突点数的影响。在交叉口空间布局中，分析了交叉口相交道路的条数、交叉 口各进口道的横断面形式( 交通方式种类) 、以及交叉口各进口道的机动车道数对交叉口各类交通冲 突点数量的影响；在交叉口运行组织中，分析了交叉口信号控制、交叉口进口道各车道功能的划分 对交叉口各类交通冲突点数量的影响；与此同时，还分析了我国混合交通布局模式对城市道路平面 交叉口复杂度的影响。最后，基于不同冲突形式产生的各类交通冲突点数和基于不同交通方式产生 的各类交通冲突点数，提出了两种城市道路平面交叉口复杂度计量模型 关键词：城市道路；平面交叉口系统；交通冲突：交通冲突点；混合交通布局模式；交叉口复杂度 计量模型： a b s t r a c t i ti sm o r em u i r i p i ea n dc o m p l e x i t ya tt h eu r b a nr o a di n t e r s e e t i o n , b u tt h e r ei sn of o n d e m e u t a l i m p r o v e m e n tf o rt h ec o m p r e h e n s i v eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h a t i no r d e rt ou p g r a d et h ef u n c t i o no ft h e u r b a nr o a di n t e r s e c t i o n , w h i c hc o n t a i n e dc a p a c i t ya n ds a f e t ya tt h ei n t e r s e c t i o n ，t h eq u a n t i t a t i v ea l g o r i t h m o ft h ed e g r e eo fc o m p l e x i t ya tu r b a nr o a di n t e r s e c t i o n sw a ss t u d i e d s t a r t i n gf r o mt h et h e o r e t i c a lp r i u c i p l eo ft h es y s t e mc o m p l e x i t y , t h er e s e a r c hr e s u l t so i lt h ec o m p l e x i t y a n dt h ed e g r e eo f l p i e x i t yw e r er e v i e w e d i nt e r m so fu r b a nr o a di n t e r s e c t i o ns y s t e m t h ec o m p o s i t i o n a n dc l a s s i f i c a f i o no ft h er o a di n t e r s e c t i o nw a si l l u m i n a t e d ，a n dt h ec o n f l i c t sa n dt i a f 五cc o n f l i c tp o i n t sw e r e a n a l y z e da tt h eu r b a nr o a di n t e r s e c t i o n b a s e do i lt h er e s e a r c h c o n p to ft h ed e g r e eo fc o m p l e x i t ya t u r b a nr o a di n t e r s e c t i o nw a sb r o u g h tf o r w a r d , w h i c hw a su s e dt om e 枷mt h ed e g r e eo ft h el a y o u ta n d o p e m t i n go r g a n i z a t i o na tu f o a um a d i n t e r s e c t i o n o nt h eb a s i so ft h er e c e n tr e s e a r c h e s , f r a n cc o n f l i c tp o i n t sw c r eg e n e r a l l yc o n s i d e r e da st h e c o m p r e h e n s i v ei n d e xo fq u a n t i t a t i v em o d e lo i lt h ed e g r e eo fc o m p l e x i t ya tu r b a n r o a di n t e r s e c t i o n s t h e r e f o r e ，t h ei n f l u e n c eo ft h ec o n f l g u m t i o na n dt h eo p e r a t i o no fi n t e z s e c t i n n so nt h en u m b e ro fv a r i o u s c o n f l i c lp o i n t sw e r ea n a l y z e da tu r b a nr o a di n t e r s e c t i o n s r e g a r da st h el a y o u to fu r b a nr o a di n t e r s e c t i o n s , t h ei n f l u e n c eo ft h en u m b e ro fc r o s s i n gr o a d ，a n dt r a n s e a ：t i o up a t t e r no f e a c ha p p r o a c h ( t r a m cm o d e s ) ，a n d t h en u m b e ro fa u t o m o b i l el a n e sa te a c ha p p r o a c h0 1 3t h en u m b e ro fv a r i o u sc o n f l i c tp o i n t sw e r ea n a l y t 训 i nt e r m so fm eo p e r a t i o no f u r b a nm a di n t e r s e c t i o n s t h ei n f l u e n e eo ft h em o d eo fs i g n a lc o n t r o la n d f u n c t i o n a lp a r t i t i o n i n go fe a c hl a n ea ta p p r o a c ho bt h en u m b e ro fv a r i o u sc o n f l i c tp o i n t sw a sa n a l y z e d a t t h e 鼢m ct i m e ，t h ei n f l u e n c eo ft h el a y o u tf o r mo fm i x e dt r a f f i ci no u rc o u u i r yo nt h ed e g r e eo fc o m p l e x i t y a tu r b a nr o a di n t e m e c t i o nw a sa l s oa n a l y z e d f i n a l l y , o ut h eb a s i so fv a r i o u sc o n f l i c tp o i n t s w h i c hw e r e g e n e r a t e db yt h ed i f f e r e n tc o n f l i c tf o r m s , a n dv a r i o u sc o n f l i c tp o i n t s ，w h i c hw e r eg e n e r a t e db yt h ed i f f e r e n t t r a f f i cm o d e s , t h eq u a n t i t a t i v em o d e lo i lt h ed e g r e eo fc o m p l e x i t ya tu r b a nr o a di n t e r s e c t i o nw a sb u u l k e yw o r d s ：u r b a nr o a d ：i n t e r s e c t i o ns y s t e m ：t r a f f i cc o n f l i c t ：t r a f f i cc o n f l i c tp o i n t ；l a y o u tf o r mo f m i x e d t r a f f i c ；d e g r e eo f c o m p l e x i t ya tu r b a nr o a di n t e r s e c t i o n ；q u a n t i t a t i v em o d e l ； 符号表 符号表 正文第三章，第四章中，笔者使用的各符号见表1 如无特别注明，正文中的符号含义均以文 中注释为准 表1 符号及其意义明细表 符号符号意义备注 n l 交叉口交又冲突点数 j 代表交叉冲突点j 岫c l i 锄的首字母 n t 交叉口分流冲突点数d 代表分流冲突点，d i v e r g e 的首字母 曩 交叉口合流冲突点数m 代表合漉冲突点，删弘的首字母 a 代表机动车，a m o m o b i l e 的首字母， n h 交叉口非左转机动车与机动车交叉冲突点教 j 为j 如m 蛐的首字母。为曲面曲l 的首字母。 r 为订g h t - t u r n 的首字母 n i 1 交叉口左转机动车与机动车交叉冲突点数 j 为j t m c t i o d 的首字母，l 为l e f t - t a m 首字母 j 代表交叉冲突点，j u n c t i o n 酋字母， n 交叉口机动车与机动车交叉冲突点数 4 代表机动车，a u t o m o b i l e 首字母 j 代表交叉冲突点，j u m c t i o n 的首字母， n m 交叉口非机动车与机动车，非机动车交叉冲突点数 b 代表非机动车b i q d e 的首字母 j 代表交叉冲突点，j u a c i l o n 首字母， n * 交叉口行人与机动车，非机动车交叉冲突点教 p 代表行人，p c d t f i 首字母 d 代表分流冲突点，d i v e r g e 酋字母， 0 交叉口机动车分漉冲突点数 - 代表机动车。a u t o m o b i l e 首字母 d 代表分流冲突点，d i v e r g e 的首字母- n m , 交叉口非机动车分流冲突点数 b 代表非机动车。b i c y c l e 的首字母 m 代表合流冲突点，m e r g e 的首字母， 榭 交叉口机动车合流冲突点数 a 代表机动车a u t o m o b i l e 的首字母 m 代表合流冲突点，m e r g e 的首字母 0 交又口非机动车合流冲突点数 b 代表非机动车，b i c y c l e 的首字母 i 代表机动车车道，i 为l a n e 的首字母。 n i n e 交叉口东进口道机动车车道条数 a 代表机动车，a u t o m o b i l e 的首字母， e 代表东进口，e a s t 的首字母 1 代表机动车车道，i 为l a n e 的首字母， 交叉口南进口道机动车车道条数_ 代表机动车a u t o m o b i l e 的首字母 s 代表南进口s o u t h 的首字母 l 代表机动车车道，l 为l a n e 的首字母。 ，k 交叉口进口道机动车车道条教 a 代表机动车，a u t o m o b i l e 首字母 一 交叉口相交道路条教r 代表相交道路r o a d 的酋字母 d c 城市道路平面交叉口复杂度e 代表复杂性，c o m p l e x i t y 的首字母 v 符号表 交叉口信号控制相位数c 代表信号控制方式，c o a t r o l 首字母 毛 交叉口交叉冲突点系数 屯 交叉口合流冲突点系数 岛 交叉口分流冲突点系数 以。 机动车与机动车之间的神突点数对交叉口复杂度影响系敦- 代表机动车，a u t o m o b j l c 的首字母 a 代表帆动车，a u t o m o b i l e 的首字母； 兄4 非机动车与机动车之阃的冲突点数对交叉口复杂度影响系数 b 代表非机动车b i c y c l e 的首字母 非机动车与非机动车之间的冲突点教对交叉口复杂度影响系 k 。 b 代表非机动车b i c y c l e 的首字母 敷 n i 。 机动车与机动车之间的各类交通冲突点教- 代表机动车，a u t o m o b i l e 的首字母 a 代表机动车，a u t o m o b i l e 的首字母； n l - 非机动车与机动车之间的冲突点数 b 代表非机动车，b i c y c l e 的首字母 n i 。 非机动车与非机动车之间的备类交通冲突点数b 代表非机动车，b i c y c l e 的首字母 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名f 量2 - 坌；：旨锄 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 本文依托国家“十一五。科技支撑计划项目子课题：城市交叉口功能提升与设计关键技术( 课 题编号：2 0 0 6 b a j l 8 8 0 7 ) 开展研究 1 1 1 城市道路平面交叉口特点及现状 城市道路平面交叉口是组成城市道路网的基本单元，其功能是把相互独立的道路连接起来使其 构成相互关联的道路网在平面交叉口，由机动车、非机动车、行人等不同交通方式组成的混合交 通由于各自的驾驶行为、运行速度等基本特征的不同，造成了平面交叉口的干扰与冲突增多机 动车和非机动车对通行时空资源的争夺。不可避免地造成了它们在平面交叉口的相互干扰。机非干 扰一方面增加了交通事故隐患，另一方面又降低了交叉口的通行能力相关资料研究表明：由于非 机动车因素的干扰，使机动车的车头时距平均增加1 6 - 2 5 ，相应地，交叉口机动车直行车道通行 能力降低1 4 - 2 0 左右 近几年来，随着经济的发展和社会的进步，人们对交通的需求越来越大虽然城市道路的密度 和各种配套设施有了很大程度的提高，但是交通负荷还在持续增长，小汽车的保有量逐年快速增长 影响了城市道路的运转能力。在城市道路交通系统中随着城市交通流量的增大，交叉口由于交通 组成的复杂性和多向性。而首先接近饱和状态在北京。高峰小时交通流量超过1 0 0 0 0 辆的交叉口 数从1 9 9 4 年的2 9 个增加到1 9 9 9 年的5 2 个，高峰小时交通流量超过4 0 0 0 辆的交叉口数达到9 8 个， 作为交通干道的二、三环路高峰小时主要于道的负荷度在0 9 左右，1 9 9 9 年1 2 月2 9 日，宁波市对 2 2 个主要交叉口( 其中2 0 个是信号交叉口) 进行了7 ：0 0 - 1 0 ：0 0 、1 5 ：0 0 - 1 8 ：0 0 的交通流量、流向调查， 发现其中交通负荷度超过1 0 的交叉口有1 1 个，占到5 0 ；交通负荷度超过0 9 的交叉口有7 个， 占到3 2 ，交通负荷度最低的为0 7 9 2 0 0 2 至2 0 0 5 年，上海市中心区干道和内外环间射线干道沿 线主要交叉口高峰时段平均饱和度为0 9 0 。理论上。交通负荷度超过0 9 ，就会出现交通拥堵1 1 1 交又口瓶颈己经成为制约整个道路交通系统充分发挥功能效率的重要因素之一城市现有道路 交叉口体系普遍存在交通流量大、冲突点多、运行速度低、混合交通干扰严重、交通管理不到位等 特征尤其是在信号控制交叉口处的拥堵现象时有发生。在通常条件下，平面信号交叉口的通行能 力只相当于路段上的4 0 4 5 车辆通过平面交叉口所消耗的时间约占全程时间的4 0 。而交叉 口延误却占了全程延误的9 0 左右：美国平面交叉口事故数占总事故的3 6 左右，而我国城市道路 交通事故5 0 8 0 发生在道路交叉1 ：3 及其邻近地段田由于缺乏集交通组织、空问布局、安全保 障和信号控制为一体的交叉口综合优化设计，因此，无法对混合交通流进行合理有效的组织、分流、 引导、规范及控制，从而导致交叉口效率低下、事故频发，更为严重的是，发生在道路交叉口及其 邻近地段的局部问题( 比如拥堵和事故) 能借助网络的开放性，以非线性模式朝周围迅速扩散和积 累，若处理不当往往造成路网和交通系统功能的大范围长时间受损甚至完全瘫痪可见，交叉口是 城市综合交通系统。问题的发生地、矛盾的集中地” 1 1 2 城市道路平面交叉口复杂度计量模型研究的必要性 交叉口本身是一个五脏俱全的微观系统，在我国混合交通环境下其运行状况更是错综复杂，影 响交叉口功能的因素亦很多而以往的研究对这些影响因素的处理往往是孤立的、片面的、缺乏协 同的，以相互割裂的理论指导实践则只能“头痛医头、脚痛医脚 i 东南大学硕士学位论文 事实上，国内城市交通领域的实践者、研究者和决策者早已意识到交叉口综合设计对于城市交 通健康发展的重要性。特别是白2 0 0 0 年以来，由国务院批准、公安部、建设部共同负责实施的全国 城市交通“畅通工程”在全国6 0 0 多个城市如火如荼地开展。我国城市交通建设与管理的科学化水 平得到了明显提高，以交叉口渠化设计、信号优化控制和标志标线合理施划等现代交通技术为手段 改善包括交叉口在内的城市交通环境已成为共识。 应该说，交叉口综合设计“应该做”早无异议，但“如何做”却各有千秋，不得其法、适得其 反者也为数不少：小至信号周期、绿时分配、相位设置等信号控制关键参数与交叉口各进口交通流 的流量、流向不协调，造成各进口、各车道间的交通负荷严重不均，影响通行效率；大至城市交通 建设盲目推崇“宽马路、大路口。高技术、多相位”，交叉口的空间布局和运行组织都相当复杂， 但对通行效率和安全度的提高却相当有限甚至有害 根据系统论：在一定范围内随着系统结构复杂性的增加，系统功能稳定性增强，但超过一定l 临 界点时，系统结构复杂性增加会导致系统功能稳定性降低。就作为微观系统的交叉口而言，交叉口 的空间布局和运行组织过于简单则缺乏交叉口功能稳定性，而过于复杂则导致交叉口功能稳定性降 低，可见。对城市道路平面交叉口复杂度计量模型的研究是必要的、迫切的。 此外本论文的开展还有利于城市道路平面交叉口的结构( 供给) 复杂度与交叉口功能内在关 系的研究：有利于基于交叉口复杂度与交叉口功能二者关系，提出通过合理控制交叉口复杂度来提 升交叉口功能与交叉口规划设计方法的研究 1 2 国内外研究概况 目前国内外对城市道路平面交叉口复杂度计量模型相关的研究主要有系统复杂性，城市道路 交叉口综合复杂性等 1 2 1 国内外研究概况介绍 关于复杂性定义，国内外学者仍然看法各异，莫衷一是不同学者基于不同的学科背景和研究 对象，给出不同的复杂性定义。以下是一些学者提出的定义： r 罗森：复杂性不但是系统相互作用的功能，而且是我们自身的功能； r t n p p l ：复杂性是我们仅仅部分知道和不能把握的人工自制的自然系统的性质诩； r a 西蒙：系统具有多么复杂或多么简单，关键取决于我们描述它的方式。人工性和复杂性这 两个论题不可避免地相互交织在一起”j ： 钱学森：所谓复杂性实际是开放的复杂巨系统的动力学，或开放的复杂巨系统学例，等等。 据塞思劳埃德统计复杂性定义已有4 5 种，比如可以分为：香农信息、共有信息，玻尔兹曼嫡、 分数维、算法复杂性、同源复杂性、随机复杂性、时间计算复杂性、空间计算复杂性、复杂适应系 统、混沌边缘，等等1 6 l o 复杂性分类有多种多样，体现了复杂性概念的多样性特征由于不同学科 从自己学科视角观察和研究本学科复杂性问题所得到的复杂性概念不同或有差异，因而造成了复杂 性概念的多样性。 关于复杂性的确切定义问题，至今没有唯一的答案，以下是几种主要的观点： ( 1 ) s a n t af ei n s t i t u t e 的科学家认为，复杂性是处于混沌的边缘，复杂系统是一种复杂适应系 统( c o m p l e x a d a p t i v es y s t e m ) n ； 。 ( 2 ) 新英格兰复杂系统研究所的科学家认为，复杂系统是指系统整体行为不能从组成单元的行 为加以推断的系统p i 。 ( 3 ) 钱学森指出，复杂性是开放的复杂巨系统的动力学特征，复杂性问题是开放的复杂巨系统 的动力学或开放的复杂巨系统的问题例。 研究复杂性的基本方法是唯物辩证法指导下的系统科学方法，可总结为以下几种方法： 2 第一章绪论 ( 1 ) 定性判断与定量计算相结合； ( 2 ) 微观分析与宏观综合相结台； ( 3 ) 还原论和整体论相结合； ( 4 ) 科学推理与哲学相结合 有关城市道路交叉口综合复杂性的研究，前人已做了一定的研究工作。早在上世纪八十年代， 前苏联学者费舍里松从三类冲突点( 分流冲突点、合流冲突点、交叉冲突点) 数量入手，对交叉口 综合复杂性进行了研究，其目的是做到定量描述交叉1 2 的复杂性程度我国学者徐吉谦教授在费舍 里松研究的基础上综合考虑了我国混合交通流的具体情况，从四类冲突点( 分流冲突点、合流冲 突点、交织冲突点、交叉冲突点) 数量入手对费舍里松的研究成果作了改进 费舍里松从交叉口内车流运行过程中所产生的冲突点入手，以分流冲突点、合流冲突点及交又 冲突点为主要研究对象，从而得出城市道路交叉口综合复杂性公式为1 1 q ： kn0+巩+如，(i-i) 式中： k 交叉口综合复杂性5 车流的分流冲突点数。 屯车流的合流冲突点数； 捍车流的交叉冲突点致 徐吉谦教授提出的城市道路交叉口复杂性公式为【1 0 j ： t - 毛，h + 七2 + k 3 n j + 七n - ( 1 - 2 ) 式中： 七改进后的交叉口复杂性系数； 毛，七2 ，毛，k 4 系数： 、n ，、n v t 分别为平面交叉口各类交通冲突点数 徐吉谦教授提出的城市道路交叉口复杂性公式是对前苏联学者费舍里松所作研究的深化徐教 授不仅考虑到平面交叉口内的冲突形式，而且还将冲突角度一起作为研究对象。 东南大学在上述研究的基础上，对平面交叉口综合复杂性系数作了进一步深入研究，主要考虑 平面交叉口3 个影响方面和1 1 个影响因素，采用系统分析方法，建立了平面交叉口综合复杂性系数 a h p 分析模型1 1 0 l ： 爿。莩弓萃m 。3 ， 式中： a - 平面交叉口综合复杂性系数指标； 只复杂性第j 个影响方面的权重； 忍交叉口第i 个构成要素对第j 个影响方面的影响权重； 3 东南大学硕士学位论文 a 口霞叉口第j 个构成要素对第j 个影响方面的影响分值 东南大学所建立的城市道路平面交叉口综合复杂性模型由于采用的是层次分析方法建模，而 这种方法主要适用多层次复杂系统的方案比选，成本效益决策资源分配次序。此外，该方法权重 计算中相对重要度的确定一般需专家咨询，受主观因素影响大1 1 l 】，因此该方法不宜用于指导城市 道路平面交叉口的规划设计 1 2 2 国内外研究概况小结 前苏联学者费舍里松和我国学者徐吉谦教授对城市交叉口复杂性的研究都是从交叉1 3 中各类交 通冲突点入手，并以各类交通冲突点的数量作为核心，提出了应用性强的城市道路平面交叉口复杂 性公式可以看出，交叉i = l 中的各类交通冲突点是影响城市道路平面交叉口复杂性的综合性指标 因此，有关各类交通冲突点数量的研究是城市道路平面交叉i = l 复杂性建模的核心研究内容。然而， 前苏联学者费舍里松和我国学者徐吉谦教授在各类交通冲突点数量方面的研究却相对薄弱。 因此，本文主要对影响城市道路平面交叉口复杂性的各类交通冲突点数量进行研究并从交叉 口范围内不同的相交道路、不同的进口车道致、不同的交通方式、不同的交通组织等方面对交叉口 各类交通冲突点数量的影响进行分析建模，深化完善城市道路平面交叉口复杂性研究工作，从而服 务于论文所依托课题的研究目标：通过合理控制交叉口复杂度来提升交叉口功能及改善交叉l = l 规划 设计方法 1 3 本文主要研究内容 基于研究现状分析和研究目标，确定论文主要研究内容如下： ( 1 ) 城市道路平面交叉口复杂度的内涵研究。城市道路平面交叉口自身是一个完整的系统因 此，本文从复杂性理论入手，通过对事物复杂性的深入分析，找出城市道路平面交叉口复杂度的本 质。通过分析城市道路平面交叉口系统的构成要素、交叉口的类型，围绕城市道路平面交叉口复杂 性的成因进行分析，从而明确城市道路平面交叉口复杂度内涵，并给出道路平面交叉口复杂度定义。 ( 2 ) 城市道路平面交叉e l 复杂度影响因素分析。交叉口中各类交通冲突点数量是反映城市道平 面交叉口复杂程度的综合性指标，然而，影响冲突点数量的因素却很多，从宏观的方面来讲，包括 交叉口空间布局和交叉口运行组织：从微观的方面来讲，主要包括交叉口相交道路的条数、交叉口 各进口横断面的构成、交叉口各进口车道条数、交叉口内部信号相位数、交叉口进口车道功能划分。 因此，本文对城市道路平面交叉口各类交通冲突点数的影响因素进行深入研究，从而为城市道路平 面交叉口复杂度计量模型的建立奠定基础。 ( 3 ) 城市道路平面交叉口复杂度计量模型的建立。以城市道路平面交叉口各类交通冲突点影响 因素分析为基础，构建城市道路平面交叉口复杂度计量模型 本文研究内容的技术框架如图1 - 1 所示： 4 第一章绪论 圈i - 1 本文研究内容及技术路线框架国 5 东南大学颈士学位论文 第二章城市道路平面交叉口复杂度内涵分析与定义 城市道路平面交叉口本身是一个复杂的微观系统，为了深入研究城市道路平面交叉口复杂度， 本章从系统复杂性定义出发，对城市道路平面交叉口系统的系统构成、分类及交叉口复杂性成因进 行分析，提出城市道路平面交叉口复杂度定义 2 1 系统复杂性与复杂度 自然科学中，复杂性( m p l e x i l y ) 与复杂度( d e g r e eo f c o m p l e x i t y ) 两种概念没有精确的定义” 社会科学中，可以把复杂性分成两个层面：一是复杂性现象：另一个是复杂性刻画与度量c l l p 复杂 度) 。为了更好地理解复杂性，从而为复杂度的研究奠定基础，本节先从复杂性的含义入手，紧接着 阐明复杂性原理，然后，综合介绍复杂性现象、复杂度及其研究方法 2 1 1 复杂性的含义 按照传统的理解，简单与复杂是相对的，一个事物在未被认识之前是复杂的，一旦被认识就成 为简单的了从人类认识事物的过程看，这种情形是常见的。但现代科学技术的发展表明：不能把 复杂性全部归结为认识过程的不充分性，必须承认存在客观的复杂性，真正的复杂性应当具备自身 特有的规定性，即使己被人们认识，即使找到解决办法它仍然是复杂的复杂性建立在多样性、 差异性之上应当承认不同意义上的复杂性，承认不同层次有不同的复杂性，因此，不同的学派对 复杂性的概念有许多不同的观点，但他们有一点是共同的就是都力图从不同的侧面、角度使自己 的概念与直觉上的复杂性概念相符合，并尽可能精确地解释这些直觉上的复杂性概念。然而，关于 究竟什么是复杂性的确切定义问题，至今没有唯一的答案，以下是三种主要的观点： ( 1 ) s a n t af ei n s t i t u t e 的科学家认为，复杂性是处于混沌的边缘，复杂系统是一种复杂适应系 统( c o m p l e xa d a p f i v es y s t e m ) 混沌是指确定性系统中存在的内在随机性；而混沌的边缘是指没有新奇的东西能够从高度有序 和稳定的系统和等级分明、实行严格的中心控制的组织环境里出现比如，相对于严格的直线职能 制，网络式和扁平化的组织管理的运作效率、创新能力等都要好得多。复杂性表明，系统的状态可 以被看到，也可以被理解，但却无法把各要素或单元间的复杂而简单的相互作用进行一一对应的还 原。虽然在混沌的边缘，但系统是健壮的和稳定的。因此可以认为复杂性是一种观察、分析对象 的方式，它把混沌复杂的对象转化为简单的和易于理解的对象。 ( 2 ) 新英格兰复杂系统研究所的科学家认为，复杂系统是指系统整体行为不能从组成单元的行 为加以推断的系统 复杂系统之所以会有这样的特性，根本的原因是非线性相互作用，而不是因为系统内部巨大的 个体数目。当一个系统的行为具有多个结果，且其行为的结果并不随行为的变化成比例地增大或减 小、上升或下降、前进或后退等，该系统即非线性的。因此，非线性意味着从一般归纳得出的人们 熟悉的方法，如趋势外推、样本均值、均衡测定等失去作用；将系统各部分相加所得到的只能是系 统内部的各部之和，不能表达系统整体的量或者行为。也就是系统的整体不再体现为部分之和部 分和整体之间不再只是现象上的因果关系。部分的行为集合如何表现为整体的行为，只能经过涌现 如单只蚂蚁的行为是非常简单的，但当大量的蚂蚁集合在一起时，他们的行为明显表现出具有一定 的智能。 涌现与整合在事物的发展中具有本质的不同。涌现会带来新质的产生，而整合无非是在同一层 次上量的多少、范围的大小等区别。整合仍然是还原论和二元论的平面思维，没有从较底层次上升 6 第二章城市道路平面交叉口复杂度内涵分析与定义 到较高层次的内涵。一般说来，各部分整合形成的系统整体行为可以根据单个个体行为加以推测 而涌现是在高一层次上集积了系统内各部分的行为、意向这个涌现出的系统整体的行为、意向， 对系统内各部分的行为、意向就构成了选择和适应的压力，因此一个进化变易( e v o l u t i o n a r y c h a n g e s ) 和学习的环境得以形成。 ( 3 ) 钱学森先生指出复杂性是开放的复杂巨系统的动力学特征，复杂性问题是开放的复杂巨 系统的动力学或开放的复杂巨系统的问题 复杂性表示这类系统通过自组织与不断的适应，历经不同的复杂的变化阶段，不断向优化的、 高级的秩序演进的过程、复杂性研究就是揭示开放的复杂巨系统在不同层次上的复杂组成，认识它 们之间的相互作用、它们与环境之间的相互作用、系统整体的特性及系统整体的作用机理与机制等 等。 2 1 2 复杂性原理 复杂性从根本上说是个相对的和心理的反映，为了更全面、深入地了解复杂性，应该首先从四 个维度或两对维度上来研究复杂性，即：( 1 ) 从人与事物维度研究复杂性：( 2 ) 从系统的元素以及 元素之间相互关系维度上研究复杂性【“抽象点说，就是来自于人的“主观”复杂性和来自于物的 “客观”复杂性。 主观的复杂性包括三个方面： ( 1 ) 人本身的局限性是产生复杂性的根本 这里实际上是要强调一下“复杂性”概念也具有相对意义。因为假如说人类没有足够发达的思 维和意识功能，那最多只能像猴类一样成天只需应付眼前生活就足够了，虽然也想捞出水底之月， 但似乎还未能提出个“为什么”，因此，更说不上去探讨，所以对于猴类，客观世界反倒不复杂，皆 因它还没有产生复杂性概念；再则，假如人类都成了自己理想的。神”，能站在客观世界的最高处、 最深处和最广处，实际上就是把客观世界融入自己的意识中了，自然对它来说整个大自然就是个简 单系统，因而在它看来也没有复杂概念。唯独人类智力处于猴与神之间，既有质疑的能力，又有探 索未知的动机却没有完全解决问题的本事，致使这位人类“愚公”在大自然之“山”上世世代代也 挖不尽、看不透 ( 2 ) 人的性格空间之间的差异造成社会的复杂性 为了便于叙述，这里借助一些符号表征：设社会上人的集合为l ，任一人e l ，其性格记为，j ， 皆由很多因素构成，它是一个高维空间函数可记为l = i i 。，a 2 ，a ，) ，其中 口一 l ，口2 ，口，) r 7 ，比如喜怒情绪可归为a i ( 喜为口? ，怒为a i ，不喜不怒为q 为0 点) 哀乐情绪可归为口2 ( 哀为口? ，乐为a i ，不哀不乐为a 2 为0 点) 。显然有性质： 性质一、l 性格的范畴记为 ，f ( a ) ) ，它必是r 7 中一个有界子空间，记为，f ( 口) 一彤ra q 作, 的“性格空间”，它的坐标轴与r ，的对应平行但其原点( 记为p ) 不与r ，的原点0 重合； 性质二、适当取r 后可使得l 中所有人的性格空间皆为彤中一个有界子空间，各自的坐标轴相 互平行，但各自的原点独立，互相不重合。这叫作性格空间的差异性； 7 东南大学硕士学位论文 性质三、各子空间或说各子空问原点集记为 口 ，它在r 7 中的分布如星空，但有一个规律， 即离r 7 的总原点0 越近则密度越大，离。点越远则密度越小。同时0 点即 f ) 的统计均值点实 践中对应于人们的性格集之中，客观上存在一个“标准性格”。离标准性格不远范围内的性格叫作正 常性格，远离标准性格者叫非正常性格。应该看到，一个社会群体中，正因为人人的性格都共处一 个空间r 7 ，才说得上有共通性。同时也正因为性格处于正常状态者是绝大多数，才说得上有共能 的正常生活。比如在某种程度上存在共同的世界观与价值观，但这时更应强调的是，正因为各自的 性格有差异才能形成五彩缤纷的世界也就是复杂的世界。 ( 3 ) 人心理世界的模糊性和难度量性造成人的复杂心理 人的思维本身是非数量性的，特别是已知人对事物的分辨能力其精细程度一般不超过1 1 ，可 是模糊系统论告诉我们，客观世界总是模糊构成的，事物之间的分明性总是相对而言的或者说是人 为的。这就是说当事物之间的模糊度低于1 1 时，我们仅凭思维认识是难以继续进行的。那么这时 可否借助工程技术上的度量原理对社会事物进行精确度量，以帮助人的深入认识呢? 这是不可能的。 因为社会事物不具有物理空间或一般欧氏空间的局部特征而是属于空间 客观的复杂性包括两个方面： ( 1 ) 系统中需要识别的元素种类越多，数量越大，系统就越复杂 如果只从经典力学的观点来研究二体运动，例如简化了的地球围绕太阳的运动，需要区别的是 两个质心，地球与太阳的相互运动系统，自然就比较简单而如果用同一观点同一理论来研究大量分 子，在标准状态下每立方厘米的气体分子有2 7 0 5 x 1 0 ”个，要识别它们并分别进行研究就相当复杂， 以至于我们不能精确地研究它们的相互作用，不能。完全理解”它们，而只能用统计力学的方法进 行研究，求个统计平均；即使这样，即将这些分子大体上看做同质的，也比研究二体运动的力学复 杂得多。而如果我们研究的不是同质分子，即不把它们看做同质分子进行研究，例如在生命有机体 中有着几百种乃至几千种不同的大分子需要识别。这样一个系统自然就比热分子系统复杂得多。所 以系统中元素的数量及其多样性是复杂性的第一个基本的客观标准。因为，在其他情况不变的情况 下，系统有较多的部分需要区分，有较多的种类需要识别，有较多的数量需要计算，就有较多的认 识模型需要建立，因而就要求有较多的时间，需要进行较多的计算，这样的系统就有较大的复杂性。 ( 2 ) 系统元素之间的相互关系越紧密，相互联系的范围越广泛，系统就越复杂。 元素之间的关系越紧密就意味着它们的特征相互约束、相互依赖和相互规定越强烈要了解 其中之一必定需要了解相关的其他，要了解整体依赖于我们对部分的分析，而要了解部分又要对 整体进行了解。所谓牵一发而动全身。这时系统的元素或模块很难运用分析和分解的方法加以分离 而不破坏其系统整体本身，而不对其组成部分进行过细的分析又很难深入理解整体。这样无论理解 整体还是理解部分都更为困难建模工作更难展开，预测系统的性状和控制系统的行为便更加困难如 是就呈现出一种较为错综复杂的局面。 2 1 3 系统复杂性的刻画与度量 复杂性的含义与对复杂性的刻划、度量，虽然密切相关，但二者是有区别的。前者指的是“什 么是复杂性”：而后者则指的是“如何标定或度量复杂性”。 虽然复杂性分为不同的类型和不同的层次，但是，由于复杂性是系统获得涌现的必要条件，因 此，如果回避复杂性，就不可能有任何形式的人造系统此外，系统论是处理复杂性要求的产物。它 b 第二章城市道路平面交叉口复杂度内涵分析与定义 并不企图回避复杂性，而是力求找到一些原理与方法以处理各种各样的复杂性为要处理复杂性， 就必须对复杂性进行度量i “j 。 一般，复杂性用一个非负的实数度量，并且这种度量应满足以下三条法则： ( 1 ) 若系统a 与系统b 是同构的，则它们的复杂性相等； ( 2 ) 若系统a 是系统b 的强同构映像，则系统a 的复杂性不应大于系统b 的复杂性。 ( 3 ) 若系统c 由系统a 和系统b 组成，系统a 与系统b 之问无相互作用，并且它们中没有一 个是另一个的同构映像，则系统c 的复杂性等于系统a 与系统b 的复杂性之和。 2 1 4 复杂性的研究方法 研究复杂性的基本方法是在唯物辩证法指导下的系统科学方法，可总结为以下几种方法【1 5 1 ： ( 1 ) 定性判断与定量计算相结合 通过定性判断建立系统总体以及各个子系统的概念模型，并尽可能将它们转化为数学模型，经 求解或模拟后得出定量的结论，在对这些结论进行定性归纳以取得认识上的飞跃，形成解决问题 的建议 任何系统都有定性和定量特性两个方面，定性特性决定定量特性，定量特性表现定性特性。只 有定性判断，对系统行为特性的把握难以深入准确。但定性判断是定量计算的基础，定性认识不正 确，不论定量结果多么精确漂亮，都是毫无意义的，甚至还会把认识引入歧途。定量计算是为定性 判断服务的。借助定量计算能使定性判断深刻化、精确化 ( 2 ) 局部分析与整体综合相结合 从系统论的角度来看，局部分析只有和整体综合相结合，才能够形成系统的观点和看法。局部 分析的目的是为了了解系统的组成元素以及它们之间的层次结构，而整体综合则是从功能结构和形 成过程的角度来认识系统。 整体由局部构成。整体统筹局部局部支撑整体，局部受到整体的约束与支配。因此，应在系 统的整体观对照下建立对局部的分析，综合所有局部分析以建立关于系统整体的综合 ( 3 ) 还原论和整体论相结合 还原论和整体论的结合就是微观和宏观的结合。还原论从局部机制和微观结构入手，对系统构 成元素进行深入的分析，而整体论则强调系统内部构成元素之间内在的关系和相互作用。因此，只 有还原论和整体论相结合，才能够深刻的了解系统的发展演化过程 ( 4 ) 科学推理与哲学思辨相结合 科学理论是具有某种逻辑结构并经过一定试验检验的概念系统，科学家在表述科学理论时总是 力求达到符号化和形式化，使之成为严密的公理化体系。但是，科学的发展往往证明任何理论都不 是天衣无缝的，总有一些“反常”的现象和事件出现。这是就必须运用哲学思辨的力量，从个别和 一般、必然性和偶然性等范畴，以及对立统一、否定之否定等规律来加以解释。 2 2 城市道路平面交叉口系统构成与分类 2 2 i 城市道路平面交叉口系统构成 从宏观上来看，城市道路平面交叉口系统是一个由交叉口空间布局、交叉口运行组织、交叉口 9 东南大学硕士学位论文 环境等构成的综合体【州州；从微观上来看，城市道路平面交叉口系统是由人、车、路、环境这四种 交通要素组成【“ 2 2 1 1 城市道路平面交叉口空间界定 为了明确研究对象，需要确定交叉口的设计范围。传统的交叉口空间概念是由机动车停车线断 面围成的区域。 通过对交通流运行状态的观察，当车辆行驶接近交叉口时，由于转向的需要其运行状态会发 生变化，在车速降低的同时，开始变更车道，寻找自己通过交叉口时的目标车道。因此，将交叉口 空间限定在交通运行状态发生变化的断面所围成的区域，即交叉口进口道展宽起始位置以内的整个 区域，是比较合理的( 如图2 1 ) 另外，可以引进交叉口通行区域i l q 这一概念来表征交叉口空间范围。根据上面谈到的交叉口空 间概念变化，可以将交叉口通行区域分为交叉口外围通行区域和交叉口内部通行区域。交叉口外围 通行区域是指道路横断面变化处( 或机动车道增减处) 直至停车线的范围。包括：机动车道、非机 动车道、人行道。由此分别组成：交叉口外围机动车通行区域：交叉口外围非机动车通行区域：交 叉口外围行人