基于數學理論分析的街區式住宅綜合評價

尤 賀，崔展銘，費小楠，賀 靜

（河南大學物理與電子學院，開封 475000）

基于數學理論分析的街區式住宅綜合評價

尤 賀，崔展銘，費小楠，賀 靜

（河南大學物理與電子學院，開封 475000）

本文主要闡述了基于數學模型的開放式小區評價體系，對小區開放與周邊道路通行能力之間的關系進行了嚴謹的討論。

街區式住宅；路阻函數；道路通行能力；可插間隙理論

1 引言

封閉式小區在我國城鎮住宅小區中占主導位置，但在人口多、土地少等背景下，封閉式小區的弊端日益顯現，而國外的開放式住宅小區（即街區式）的優勢逐漸凸顯。《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中提到“原則上不再建封閉式小區，已建成的住宅小區和單位大院要逐步打開”，這為城市住宅小區的建設指明了方向。本文將以數學模型為基礎，對開放式住宅小區及周邊道路通行能力進行探討。

2 開放式小區是大勢所趨

隨著我國城市化率的增加，住宅小區占了城市土地的很大一部分，而小區內道路社會使用率極低，這就直接導致了小區外部道路通行壓力增大，造成出行不便、堵塞等問題。有專家指出“再寬的主干道，再多的快速路和立交橋，也解決不了交通堵塞問題”，這就引導我們要通過提高小區內道路的社會使用率來緩解小區周邊道路的堵塞問題。開放式住宅小區固然可以緩解交通壓力，但由此造成的汽車噪聲、尾氣污染和安全問題，成為建設開放式小區必須面對的挑戰。而開放式小區推廣初期民眾的接受能力有限，這就涉及到推廣時分類指導的合理性。由我國現階段封閉式住宅小區與社會交通壓力的矛盾引出對“開放式住宅小區”的通俗解釋，即打破封閉式小區的“紅線”概念。國外絕大多數小區都是開放式，如被時代周刊評為“十大設計成就之一”的佛羅里達州Seaside小鎮，將小區圍墻打破，外部車輛可駛入，從而降低交通壓力。由此可見，開放式小區的最大優勢在于增強整體道路交通通行能力。城市內主干道被稱為“交通大動脈”，而小區內道路則被譽為“城市交通的毛細血管”，只有將“毛細血管”完全打通，才能盤活整個城市的交通網絡，實現“條條大路通羅馬”和“曲徑通幽處”。以下將以科學嚴謹的數學分析和正確的物理規律，分別從基本通行能力、車流量的影響以及用封閉和開放兩個小區的數據比較，建立小區周圍道路通行能力模型和綜合評價模型，給出檢驗建設開放式小區的可行性的基本方法。

3 建設開放式小區的可行性

3.1 城市干道的基本通行能力

如圖1所示，城市干道的基本通行能力是指在理想的交通條件下，當具有標準指標的車輛，以最小車頭間隔連續行駛時，單位時間通過道路斷面的最大車輛數，一般記作N

式中，l0指的是最小車頭間隔，其計算公式為

式中，l1是指剎車時司機在反映時間內汽車行駛的距離；l2是剎車時從制動到汽車完全停止的距離，稱為制動距離；l3是兩車之間的安全距離；l 4是車輛的標準長度。

圖1 城市基本路段車輛通行分析圖

由于

則最小車頭間隔的計算公式可化為

式中，?是輪胎縱向附著系數，與輪胎花紋、路面粗糙度、行車速度等因素有關；t為駕駛員反應時間，一般取2s。然而在實際情況中，道路的通行能力會受到一些因素的影響，如行人因素、施工因素等。尤其是面對開放小區，影響道路通行能力的干擾因素很多，為使模型盡可能的接近事實情況，我們引進道路修正系數。則基本路段可能的通行能力

3.2 平面交叉口車輛通行模型

平面交叉口車輛通行模型是，兩條不同方向的車流通過平面路口時產生車流的轉向、交匯與交叉，在平面交叉路口可能通過的最大交通量就是這個交叉口的通行能力。分類為無信號交叉口、環形交叉口與信號交叉口。

3.2.1 無信號交叉口

在無信號交叉口，根據可插間隙理論，直接計算優先方向交通流中的可插間隙，也就是非優先方向交通可以橫穿的間隙數，作為非優先方向可以通過的最大交通量。將主干道上的車流視為連續行駛的交通流，并假設車輛到達的概率分布符合泊松分布，則車輛之間出現的時間間隔分布為負指數分布。

（1）對于十字形交叉口，當出現可插入間隔為α時，支路上的車流可以通過隨車視句為β，則可得計算公式為

式中，Qb為次干道上可以通過的交通量；Q為干道上的通行量λ=；α是臨界間隔時間；是次干道上的最小車頭時距。

（2）對于T形交叉口（如圖2所示），非優先右轉彎的通行能力為

非優先左轉彎的通行能力為

圖2 T型交叉口示意圖

3.2.2 環形交叉口

如圖3所示，環形交叉口是指在交叉路口中央設置中心島，使駛入交叉路口的所有車輛都以同一方向繞島行進。避免了直接交叉、沖突和大角度碰撞，其實質為自行調節的渠化交通方式。利用沃爾卓普公式

l是交織段內的車輛與全部車輛之比；為交織段長度。根據經驗檢驗，一般情況下設計通行能力應為沃爾卓普公式最大值的80%，所以沃爾卓普公式可以修改為

當我們進行計算時，應將所有的車型都換為小汽車，這是符合開放小區的實際情況的。換算系數為小汽車是1，中型車1.5，大型車2，特大型車3.5。

圖3 環形交叉口示意圖

3.2.3 信號交叉路口

如圖4所示，在信號交叉路口時，信號燈控制的道路通行能力，是指在某一相位下單位時間通過停止線的最大車輛數。記信號燈的周期是T；某個相位的通行時間為tg；第一輛車通過停止線的時間為t0；反映車輛通過路口不平均性的指標為折減系數?；則計算公式為

圖4 信號交叉路口示意圖

為建立一個合理的評價體系，來定量描述小區周邊道路的通行狀態，我們選擇了信號交叉口延誤和行程時間兩項指標，其中信號交叉口延誤可以反映小區周邊道路的運行狀態；行程時間則基于美國聯邦公路局路阻函數（BPR函數），用以確定路段行駛時間與交通量及道路行駛時間的關系。由于是考察小區周邊道路的通行狀況，我們認為必須加入非機動車和行人對機動車的行駛影響，反映到模型上就是加入了非機動車和行人的干擾修正系數。藉由修正后的評價體系，我們可以對小區周邊道路的通行情況進行較為全面地綜合評價。信號交叉口延誤交叉口平均延誤計算方法為

式中，T是信號周期長度（單位s）；tg是有效綠燈時間（單位s）；x是車道組飽和度，指在理想條件下，最大服務交通量與基本通行能力之比。信號交叉口延誤是評價信號交叉口交通服務水平和運營效率的重要指標，信號交叉口延誤越低，說明運行狀態越好，反之越差。

路段行駛時間是交通分配乃至交通規劃的重要組成部分，確定路段行駛時間函數模型就是確定路段行駛時間與交通量及道路行駛時間的關系。美國聯邦公路局路阻函是數路段行駛時間些模型（BPR函數）

式中，t是在某路段上的行駛時間（單位s）；t0是某路段上是自由流時的行駛時間（單位s）；δ, γ是路段延誤參數，一般情況下δ=0.15,γ=4。但此模型只考慮流量對行駛時間的影響，不考慮非機動車和行人因素。對于中國，有代表性的模型是

式中，q是機動車流量；Q是機動車道路設計通行能力；qb是非機動車流量；Qb是非機動車道路設計通行能力；a1, a2,β1, β2為待定參數。交通開放的小區內的道路屬于城市支路的級別，一般為雙向兩車道，交通構成為混合交通，不僅受到非機動車的影響，而且該類型的道路往往沒有設置中間隔離帶，機動車會受到對向車輛和行人的影響。特別注意，在這種類型的道路上，行人的影響因素是很大的，要特別注意。因此，我們建立行人干擾修正系數，如表1所示。

表1 行人干擾修正系數建議值

記非機動車對機動車的的干擾系數為εb，則有

式中，f1是單向非機動車道寬度；f2是單向機動車道寬度。于是，綜合考慮非機動車因素和行人因素對行駛速度影響的綜合模型為

應用上述模型，采集實際數據，并進行計算對比，我們發現，對于大部分交叉口，小區的開放可以減少其對應的平均延誤時間，即有利于周邊道路的通行，提升的比率在12%左右；但也有少數交叉口，小區的開放反而會增加平均延誤時間。所以小區的開放不應盲目，應該在仔細考察小區各個交叉口道路面積與外圍道路面積的比例后再做決定。但同時我們也發現，小區的開放可以使交叉口各方向的流量變得更加均衡，降低通過交叉口的延誤時間，提高通行效率；封閉小區的開放使得基本路段的有效長度減少，從而使車輛通過基本路段的時間增加；開放小區增加了交叉口，增加了車輛行駛阻礙，降低了小區內車輛運行的平均速度，從而使得道路的通行能力降低；開放小區使得道路密度增加，道路的平均車流密度減小，從而使得主干道上平均車速增加；開放式小區知識在一定程度上減小了封閉規模，對于交通方面，即在原有的主干道基礎上，新增加了支路及其他副主干道，可適當地緩解交通擁堵。

4 結束語

隨著交通問題的日益突出，合理高效的使用每一寸土地成為城市規劃的必然要求。開放式小區以其“流通、共享、充滿活力”的特點成為解決交通問題乃至重塑城市住房規劃概念的必由之路。本文通過嚴謹可靠的數學模型論證了開放式小區在解決其輻射區域內交通問題的有效性，并給出了相應的衡量指標。開放式小區以“開放其道路”為方式，使小區與周邊更加融合，在解決交通問題的同時，更帶動小區的活力發展，使居民與城市的聯系更直接，更緊密。我們必須承認開放式帶來了很多問題，使其推廣發展坎坷艱難，但我們若保證物權明確下多方共贏的原則，開放式小區的發展就大有可觀。

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[5] 方萬春，周新年，王秀明，繆小紅．某市新建居住小區交通影響評價研究．森林工程，2009年第25卷第2期

[6] 王一飛，車偉光，陳賢，鄭鋒．住宅小區對城市交通的互動影響．云南農業大學學報，2010年第4卷第3期

中國航天科工集團公司成立首家智能交通技術中心

2016年12月30日，中國航天科工集團公司首家智能交通技術中心揭牌儀式在京舉行，本次儀式由中國航天科工信息技術研究院主辦，中國航天系統工程有限公司承辦。成立智能交通技術中心是中國航天科工集團公司深入貫徹“軍民融合”、“一帶一路”、“京津冀一體化”、“互聯網+”等國家重大戰略的重要舉措；是利用航天技術服務國家交通運輸管理、解決交通擁堵、尾氣排放、交通安全等民生問題的重要體現；是落實中國航天科工集團公司“1+2+3+4+5+N”發展戰略的有力手段。技術中心的成立，標志著中國航天科工集團公司將智能交通產業作為集團公司三大業務板塊—— 信息技術板塊的重要組成部分，標志著將航天技術服務公眾交通出行問題的決心和意愿。

2015年底，中國航天科工集團公司正式批準成立“中國航天科工集團公司智能交通技術中心”，是進一步落實國家戰略要求、集團公司工作部署、一院具體措施的又一新的里程碑。“中國航天科工集團公司智能交通技術中心”是集團公司智能交通產業發展戰略和規劃制定、系統級解決方案研究、關鍵技術攻關和產品創新、技術交流與成果轉化的專門機構。智能交通技術中心揭牌后，一院將充分發揮牽引作用，整合集團公司相關單位，聯合行業優勢資源，共同發展好集團公司智能交通產業，樹立好“中國航天科工集團公司智能交通技術中心”這個品牌。

在中國航天科工集團公司智能交通技術中心揭牌儀式上，中國航天系統工程有限公司副總經理王振華博士重點介紹了技術中心北斗衛星應用相關的交通系統級解決方案和成功案例。包括：北斗車輛城市交通緩堵治污系統，北斗高速公路管理服務系統，北斗海關物流車輛管控系統。

結合國際、國內智能交通技術及產業發展趨勢，中國航天科工集團公司智能交通技術中心立足長遠發展，利用航天空天地先進技術服務于城市智能交通系統建設以及公眾交通出行，主要業務方向包括：基于北斗的區域車輛安全管控服務系統、基于北斗的城市交通緩堵治污系統、北斗高速公路智能管理服務系統、京津冀交通一體化系統、低排放區管控誘導系統、基于衛星定位的路側停車管理系統等系統級方案、省級交通“互聯網+”平臺系統等。

中國航天科工集團公司智能交通技術中心，將充分依托航天空天地先進技術，圍繞智能交通產業重點領域，形成一系列智能交通領域有一定影響力的系統級解決方案，建立起一支智能交通專業化隊伍，具備較強的技術和產品研發能力，在智能交通領域具備一定的國際影響力，通過承擔并出色完成國家級智能交通重點科技任務以及各省市重大智能交通工程，在北斗交通應用等方向成為國內同行業中公認的技術權威，以航天系統工程技術，助力智能交通的發展，服務國家交通運輸管理、解決城市交通擁堵、空氣污染、能源消耗等民生問題，以科技進步服務社會。

Comprehensive Evaluation About Block Based on the Mathematical Theory Analysis

You He, Cui Zhanming, Fei Xiaonan, He Jing

(School of Physics and Electronics, Henan University, Kaifeng, 475000)

This article mainly expounds the evaluation system of the block on the basis of the mathematical model, open to the community and the surrounding the relationship between the traffic capacity had serious discussions.

Block; Impedance function; Capacity of road; Gap acceptance theory

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.010

U412.37，F570.3文獻標示碼：A

1672-7274（2017）01-0037-05