不同類型小區開放后對道路交通能力的影響

吳橋宇，吳宇佳，阮 寧

不同類型小區開放后對道路交通能力的影響

吳橋宇，吳宇佳，阮 寧

不同類型的小區開放后對周邊道路可能有不同的影響。開放小區所帶來的交通影響主要體現在主干道上，因此根據小區四周所鄰主干道數量進行了分類，并通過AHP建立綜合評價指標，建立改變了換路規則的STCA模型，分別討論各類小區對周圍道路通行的不同影響。之后選取了南京市紅廟小區，大石橋小區，仁恒翠竹園這三個具有代表性的小區進行定量研究，使用了小區道路網密度和入口在公路上的所處位置，對各項參數進行優化。最后使用元胞自動機中進行仿真，得到我們評價體系中的各項指標，從而確定了綜合評價指數。與開放前所模擬的數據對比后，發現開放相鄰兩條主干道的小區效果最好。

元胞自動機；小區分類；STCA模型；綜合評價指數

一、問題陳述

2016年，《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》中提出了在我國開放現有封閉小區，推廣街區制的建議，一度引起了火熱的討論。與國外不同，中國由于人口眾多等原因，目前全面開放小區的條件尚未成熟。開放小區能否達到優化路網結構，優化情況具體如何，也要根據小區種類討論。本文便選取不同類別的小區，根據其周邊結構，車流量等相關數據，利用建立的數學模型定量計算了開放后對道路通行的影響。

由于本文對小區周圍主干道路使用了排隊論進行建模，因此我們對小區的分類也與小區四周主干道的分布有關。我們默認小區有多個出入口并且小區內道路為正常的兩車道，能滿足正常的通行需要。

分類情況如下：

（一）小區的一側為主干道，如圖1。

（二）小區不相鄰的兩側為主干道，或者相鄰的兩側為主干道，如圖2，3。

（三）小區有三側都為主干道，如圖4。

（四）小區的四周都為主干道，此種情況較少，在本題不作為主要情況討論。

圖1 小區周圍只有一條主干道

圖2 小區四周有兩條主干道（1）

圖3 小區四周有兩條主干道（2）

圖4小區周圍有三條主干道

二、建立綜合評價體系

由CJ137-2012《道路工程設計規范》等文獻可規定如下評價指數：區域路段綜合車速，路段道路飽和度和交叉口延誤時間。具體解釋如下：

（一）首先，小區開放之后直接影響的便是道路的暢通即車速，為了體現這一因素，我們依據所調查路段車速和路長、交通流量加權平均計算得到的值記為區域路段綜合的車速V。

（二）其次，小區開放會對周圍道路的車流量進行再分配，即影響該區域路段的道路飽和度，所以我們采用研究區域內所有道路飽和度帶權平均的方法處理，各路段的權重為路段的通行能力與所有路段通行能力之和的比值，得到區域路段飽和度C。

（三）最后，由《美國通行能力手冊》（HCM）給出的信號交叉口延誤控制公式可以推得區域交叉口延誤時間D。

由APH對上述三項評價指數加權處理，估算出3X3的判斷矩陣A，解判斷矩陣A的特征方程|A-λI|=0，I為單位方陣，得到的特征值為λi(i=1,2,3)，記最大特征值為λmax，對應于λmax的標準化特征向量為Y=(y1,y2,y3)T，則yi(i=1,2,3)為因素ai對目標的權重，也即對應于判斷矩陣最大特征值的特征向量表示因素間的相對重要程度（權重）。

則最終加權求和有

可得量化的綜合評價指標Y。

三、基于元胞自動機的新換路規則STCA模型

（一）新分流規則

STCA模型作為一種經典微觀換道模型，可通過換路規則對元胞自動機進行相關的模擬。

在這里，我們設xin為1代表換路，為0則保持。設第i輛車的位置為Xnow，小區距離該路段最近的門的位置為Xdoor。當Xnow＜Xdoor＜Xnow+vn時，車輛尚未到達小區入口且經過一個單元時間就可以進入小區，此時車輛可以選擇換路進入小區。

在這里我們定義新的換路規則：

設在如下兩種情況下，可能發生換路：

1.穿過小區抵達目的地的距離/時間小于不穿過小區抵達目的地的距離/時間，即L小區至目的地＜L主干道至目的地。該情況下轉入小區的概率設為β1，容易得知β1也受到小區服務隊長影響。

2.類似院STCA模型，當沿原道路行駛受阻，且V小區＞V主干道，即距離前車車距不滿足以當前速度繼續行駛時，若車輛轉入小區后隊長允許車速加快，就認為發生換路，否則該車輛減速減速。該情況下轉入小區的概率設為β2。

為了區分小區種類的影響，更準確地確定β1和β2，我們引入了兩個修正：

1.小區內部路網密集程度，密集程度越大，車輛轉入小區行駛的概率越高。

2.小區入口與相鄰主干道的相對位置（由實際情況決定）。

（二）元胞自動機算法

基于如上規則，我們可以構筑元胞自動機交通流模型。車速取值為[0，Vmax]，道路分成等距的基元，即元胞。每個時刻任意的元胞輛可能被車輛占據，也可能是空的。在時刻t到t+1的過程中，元胞自動機的狀態遵循如下的過程而自我演化：

第一步：加速，vn→min(vn+1,vmax)。

第二步：通過式（2）進行換路，車輛進入小區或者保持原位。

第三步:如（一）情況（2），車速減慢。vn→min(vn,dn)

由此可模擬出小區開放前后綜合評價指標Y以及其他各參數的變化情況。

四、各類小區影響的計算

通過上文對小區的分類，我們對前三類各選取了具有代表性的小區進行分析，用交通流的排隊論模型在元胞自動機中進行模擬從而求解出相應的各項評價指標，從而定量地比較各類型小區開放前后對道路通行的影響。

（一）小區實例

1.四周只有一條主干道，如紅廟小區，大石橋小區，如圖5。紅廟小區只有左側有一條主干道。

2.四周有兩條主干道，如大石橋小區，如圖7。大石橋小區左右兩側各有一條主干道。

3.四周有三條主干道，如仁恒翠竹園，如圖6。仁恒翠竹園右側為高架橋，其余幾側為主干道。

圖5 紅廟小區平面圖

圖6 仁恒翠竹園

圖7 大石橋周邊地圖

（二）修正指數的求解

上文已經提及，為了更好地確定車輛在小區入口轉入小區的概率，引入了小區內部路網密集程度m和小區入口與相鄰主干道的相對位置X，此處m和X可以由以上三個小區的具體情況確定，見表1。

表1 小區路情況對比圖

（三）評價體系指標的確定

在確定完各小區的兩個修正系數后，我們又采取了各小區周邊相應主干道的各項參數，見表2。

表2 小區周邊道路情況對比圖

接著根據我們所建立的車輛在小區入口處的排隊論模型在元胞自動機中進行仿真模擬，分別得到各小區開放前后我們評價體系中的各項指標，按照權重得到綜合指數并進行對比。得到如表3～5的結果。

表3 各小區區域交叉口延誤時間對比表

表4 各小區區域路段車速對比表（m/s）

表5 區域路段飽和度對比表

最后得到的綜合評價指標的變化如表6。大石橋小區的改進情況最好，仁恒翠竹園改進情況較差。

表6 區域綜合評價指標對比表

五、結果分析

通過表中綜合指數的對比，我們可以發現，紅廟小區和大石橋小區在小區開放之后，附近交通得到明顯的改善，尤其是大石橋小區，有60%以上的改善程度，我們認為可能的原因有兩點：一是大石橋街的相鄰主干道有2條。相較1條的情況可帶來的分流影響更大，也不會像臨近3條的小區由于引流過多而帶來堵塞情況。且大石橋小區較高的小區路網密集程度為大石橋路較大的車流量提供了很好的幫助。二是小區的入口距離路口較近，車輛從一開始就得到了較大程度的分流，減少了主干道的擁堵情況。

相比之下，仁恒翠竹園的改善則不夠明顯，由于相鄰3條主干道，周邊道路上進出小區交叉口的車輛也相應增多，同時我們可以發現，仁恒翠竹園小區內部的道路較少，所以其內部路網密集程度較低，小區內部易產生堵塞，加上三條主干道大量的車流量進入，所以此小區開放之后得到的改善非常有限。

綜合來看，四周有兩條主干道的小區開放后效果最佳。這是由于此時的車流量適中，小區開放后能較好地分擔主干道的交通壓力。而其他幾種道路結構中，一條主干道的車流量較少，開放小區對周圍影響相對較小。而臨近三條主干道的小區，由于總體車流量較大，且小區內道路較為稀疏，開放小區只能承擔較小比例的車流，同時可能因為小區周邊主路上進出的車輛增多而導致堵塞，從整體上來看效果不佳。因此根據上述分析，應優先選取周圍有兩條主干道的車流量適中的小區實行開放。

[1]卓金武等.MATLAB在數學建模中的應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[2]姜啟源等.數學模型[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3]孫曉燕.元胞自動機交通流模型研究現狀[J].黑龍江：交通科技與經濟，2012，(04).

[4]謝娟.基于元胞自動機的單車道交通流模型研究[D].西安：長安大學，2014.

[5]劉冰.淺議我國城市支路網的規劃與設計[J].廣西：規劃師，2009，(06).

F292

A

1008-4428（2017）08-41-03

吳橋宇，男，安徽蕪湖人，南京郵電大學光電工程學院學生，研究方向：光通信；

吳宇佳，男，浙江無錫人，南京郵電大學光電工程學院學生，研究方向：光通信；

阮寧，女，江蘇高郵人，南京郵電大學理學院學生，研究方向：應用數學。