基于多元化熵權(quán)算法的小區(qū)開放對交通影響研究

左學(xué)武，李紅菊

(安徽新華學(xué)院公共課教學(xué)部,安徽 合肥 230088)

基于多元化熵權(quán)算法的小區(qū)開放對交通影響研究

左學(xué)武，李紅菊

(安徽新華學(xué)院公共課教學(xué)部,安徽 合肥 230088)

目的研究小區(qū)開放對周圍道路通行的影響，確定小區(qū)開放對周圍道路通行影響的具體評價指標(biāo)，為城市規(guī)劃和交通部門制定決策提供理論依據(jù)。方法通過文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)資料等調(diào)研分析小區(qū)開放對道路交通的影響因素，構(gòu)建多元化層次評價體系。運(yùn)用多種影響因素的層次評價體系得到小區(qū)開放對于道路通行的影響大小和利弊，并運(yùn)用多元化子因素賦值法和熵權(quán)法求得模型并對其進(jìn)行分析。結(jié)果定義交通服務(wù)通行能力的變化程度來說明小區(qū)開放對交通的影響，并以此作為評價體系的約束層。然后對交通服務(wù)通行能力變化有影響的因素按層次劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。結(jié)論針對小區(qū)的地理位置、小區(qū)面積、人口密度、車輛狀況、道路類型等特征，將小區(qū)不同路段不同車型的車流量變化率確定為小區(qū)開放對周圍道路通行影響的具體評價指標(biāo)。

小區(qū)開放；道路交通影響；熵權(quán)法

0 引 言

國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，其中第十六條“關(guān)于推廣街區(qū)制，原則上不再建設(shè)封閉住宅小區(qū)，已建成的住宅小區(qū)和單位大院要逐步開放”等意見，引起了廣泛的關(guān)注和討論?，F(xiàn)建立數(shù)學(xué)模型，就小區(qū)開放對周邊道路通行的影響進(jìn)行研究，為科學(xué)決策提供定量依據(jù)，給出下面兩個問題的解決方案。

問題1：選取合適的評價指標(biāo)體系，用以評價小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

問題2：建立關(guān)于車輛通行的數(shù)學(xué)模型，用以研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

1 問題分析

小區(qū)開放主要目的是為了改善當(dāng)前的交通狀況，對于小區(qū)開放的研究主要在于小區(qū)開放對于交通影響的作用大不大，影響是有利還是有弊。對于各種不同的小區(qū)進(jìn)行綜合考慮和分析。

問題1中，要求選取合適的評價體系，用以評價小區(qū)開放對于周圍道路的影響。首先需要將這個影響定義成具體的標(biāo)準(zhǔn)，用服務(wù)通行能力來表示這個影響。而后從這一層開始逐步往下一層次推進(jìn)，得到地理位置、小區(qū)面積、車輛狀況、道路類型等因素對通行能力均有影響。再繼續(xù)往下層推進(jìn)，建立有約束層、目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的多元化層次評價體系。

問題2中，根據(jù)問題1的多元化層次評價體系，從指標(biāo)層開始往上層求得模型，指標(biāo)層到準(zhǔn)則層采用賦值加權(quán)法求取，根據(jù)參考文獻(xiàn)和修正系數(shù)分析得出各個指標(biāo)層指標(biāo)的權(quán)重；準(zhǔn)則層到目標(biāo)層利用熵權(quán)法求取權(quán)重，得出交通通行量的變化量；而后通過問題1中所給的公式求出通行能力的變化。

2 模型的建立與求解

2.1 問題1：多元化層次評價體系

針對小區(qū)開放對于周邊道路交通的影響問題，從道路影響的最頂層開始考慮。同時定義道路路段交通量的變化為對于該路段交通狀況的影響。然后再往下一層次考慮影響交通量變化的因素并修正分析。最后得出合理的多元化層次評價體系。

2.1.1 通行能力定義交通影響

小區(qū)開放與不開放，主要是觀察交通是否更加便利，是否能提高小區(qū)及其周邊街道的通行能力。查閱資料可以知道，小區(qū)及其周邊街道的通行量變化就可以代表小區(qū)對于道路通行的影響。該地區(qū)的通行能力計(jì)算可以通過下述公式得到[1]。

(1)車行道最大服務(wù)通行能力(飽和量)：

式中：

Mi—在理想條件下第i級服務(wù)水平的車道雙向最大服務(wù)交通量(輛/h)

ν—行車速度(km/h)

t0—車頭最小時距(s)

l0—車頭到后一輛車車頭之間的距離(m)

(2)車行道的設(shè)計(jì)通行能力：

計(jì)算通行能力Nk是以最大通行能力為基礎(chǔ)考慮到實(shí)際的道路和交通狀況,確定其修正系數(shù),再利用修正系數(shù)得到實(shí)際道路、交通與一定環(huán)境條件下的設(shè)計(jì)通行能力[2]。

道路條件影響通行能力的因素很多,一般考慮影響大的因素,其修正系數(shù)有:車道寬度修正系數(shù)fs；側(cè)向凈空的修正系數(shù)fd；縱坡度修正系數(shù)fw；視距不足修正系數(shù)ft；沿途條件修正系數(shù)fl。

車行道的設(shè)計(jì)通行能力為：CD=Mi×fs×fd×fw×ft×fl

2.1.2 通行能力影響因素

對于小區(qū)車輛的通行能力來說，影響因素是來自多方面的。要得到小區(qū)開放后對于周邊道路的影響就要得知小區(qū)開放前后小區(qū)內(nèi)通行量的變化，尤其是在高峰期時的通行量變化[3]。由此需要建立小區(qū)路網(wǎng)的通行量與其不同的影響因素之間的函數(shù)關(guān)系，其中利用層次分析方法可得到其影響因素之間的關(guān)系。第一層的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 第一層次因素圖

對于一個小區(qū)而言，在正常情況下，小區(qū)周圍街道的汽車通行總量是不會變化的。因此小區(qū)和周圍街道的通行量之和CD也是固定的：

ΔCD=Δn0+Δn1-f(n2)

當(dāng)小區(qū)內(nèi)的通行量n0增加的時候，周圍街道的通行量n相對減少，此時可以看作街道的交通環(huán)境有所改善。而當(dāng)周圍街道的通行量n增加的時候，街道的交通環(huán)境就受到影響。

由上可知，在此只需分析n的變化就可以得出小區(qū)開放對于周邊是否有影響。經(jīng)過查閱資料，針對對外開放和未開放的小區(qū)進(jìn)行對比。根據(jù)文獻(xiàn)[3]可以得出層次分析的第二層，如圖2所示：

圖2 第二層次因素圖

根據(jù)圖2可以知道，小區(qū)在城市中的位置Pt1、小區(qū)面積Pt2、人口密度Pt3、車輛狀況Pt4、道路類型Pt5，這5個因素直接影響著小區(qū)內(nèi)的通行量n。可以得出各個影響因素和n之間的函數(shù)關(guān)系式:

n0=f(Pt1,Pt2,Pt3,Pt4,Pt5)

因?yàn)檫@5個因素對于小區(qū)通行量均有影響，因此可以根據(jù)上述5個因素構(gòu)成層次評價體系，可以用路網(wǎng)的通行量來對周邊道路通行的影響進(jìn)行描述，這5個影響因素又可以再一次往下一層次分析。

(1)地理位置分為兩項(xiàng)，分別是城市中心、城市邊緣。城市中心地區(qū)車流量較大，城市道路較多，小區(qū)居住人口密度也相對較大，因此道路堵塞情況比較嚴(yán)重。城市邊緣地區(qū)道路交通狀況較好，而且小區(qū)人口較少，一般普通道路的交通量不會達(dá)到飽和，因此小區(qū)開放的影響較小。

(2)小區(qū)面積分為三類，分別是居住區(qū)、居住小區(qū)、居住組團(tuán)。其中居住區(qū)規(guī)模較大，一般人口在5～6萬(不少于3萬人)，用地50～100 hm2左右。居住小區(qū)一般稱為小區(qū)，規(guī)模中等，居住人口規(guī)模7 000～15 000人。居住組團(tuán)一般面積小于10萬m2，居住人口大概300～800戶，規(guī)模在1 000～3 000人。根據(jù)文獻(xiàn)資料可以得到表1。

表1 居住區(qū)內(nèi)占地指標(biāo)(單位：%)

(3)人口密度是反映居住區(qū)(小區(qū))衛(wèi)生條件的另一項(xiàng)重要指標(biāo)。人口密度不再做進(jìn)一步分類。根據(jù)以下公式對人口密度Pt3進(jìn)行計(jì)算：

Pt3=居民人數(shù)/居民建筑用地面積(ha)

(4)通過查閱文獻(xiàn)[4]，將車輛狀況分為5類，分別是微型汽車、小型汽車、中型汽車、大型汽車、鉸接車。在城市中運(yùn)行的車可以根據(jù)車輛的大小分為這5類。其中每一類車在道路上所占的空間和時間都不相同，因此可以得到表2。

表2 各類車型分類與換算

道路類型將之分為四類，分別是快速路、主干路、次干路、支路[5]。這4種道路類型是在速度限制的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在小區(qū)內(nèi)和周圍往往都是限速較慢的次干路和支路，這樣既是為了安全考慮，也是為了通行的便利?？梢愿鶕?jù)資料得到各種不同道路的速度限制(表3)。

表3 城市道路分級修正表

2.1.3 小區(qū)道路與周圍道路接口處影響分析

道路系統(tǒng)之中，交叉路口對于道路的影響是不可以忽略不計(jì)的，論文中對增設(shè)道路開口處,主要利用車頭時距和行人過街時間來判斷人與車、車與車之間的影響,對于丁字類型開口處只對左轉(zhuǎn)與一個車流方向的直行方向進(jìn)行討論。

黃文忠、楊佩昆利用在人行橫道處實(shí)測得的平均每批行人的人數(shù)與流量[6],然后用回歸分析法分析了二者之間的關(guān)系,如下式：

N=0.0017p+0.8580

式中：N——當(dāng)行人流量為p時，平均每次到達(dá)行人的數(shù)量。

支路上的車流進(jìn)入主要道路時有兩種情況,一種是支路上的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn),另一種是支路穿越主要道路時對其干擾。論文中所研究的范圍為城市車流量大和城市各種設(shè)施建設(shè)基本完善的區(qū)域,一般不會允許十字交叉口無信號控制,文中對無信號控制的丁字交叉類型左轉(zhuǎn)進(jìn)行分析。假設(shè)道路上車頭時距服從負(fù)指數(shù)分布,計(jì)算公式如下:

P(H≥t)=e-t/R

本文采用交叉口平均延誤計(jì)算方法。得到如下平均延誤計(jì)算表達(dá)式(Mi表示在理想條件下第2級服務(wù)水平的車道雙向最大服務(wù)交通量(輛/h))。

式中：d1——平均延誤時間(min)

根據(jù)以上公式，可以得到總的延誤時間：d=n2·d1。

此時，交叉口的運(yùn)行能力為：f(n2)=CD(1-n2)

n2個叉路口的運(yùn)行能力為f(n2)·n2。

其中n2表示需要轉(zhuǎn)向的車輛所占百分比。

2.1.4 多元化層次評價體系圖

可以得到多元層次評價體系圖(圖3)。將整個體系分為約束層、目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。

圖3 多元化層次評價體系圖

因此，可以從下往上進(jìn)行多元多因素對小區(qū)開放對周邊道路交通狀況的影響進(jìn)行分析和評價，通過計(jì)算出目標(biāo)層的變化度便可以得出影響因素。

2.2 問題2：基于熵權(quán)賦值法的小區(qū)開放影響模型

根據(jù)問題1得到的多元化層次評價體系，可以根據(jù)這個評價體系求得需要的小區(qū)開放交通影響模型。從評價體系的最下層的指標(biāo)層開始，利用主觀權(quán)重賦值、主成分分析和層次分析等方法求得最終的小區(qū)開放交通影響模型并對1個小區(qū)進(jìn)行研究。

2.2.1 多元化子因素賦值法求權(quán)重

從指標(biāo)層因素的權(quán)重開始，分別計(jì)算地理位置、小區(qū)面積、車輛狀況、道路類型4個因素的具體數(shù)值。將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并且查閱《城市路網(wǎng)規(guī)范》，可以得到表4：

表4 《城市路網(wǎng)規(guī)范》中的城市路網(wǎng)指標(biāo)

依靠上述路網(wǎng)指標(biāo)，再利用公式:

k表示準(zhǔn)則層共有多少個指標(biāo)層因素，求得每一個指標(biāo)層因素的權(quán)重賦值wi。

2.2.1.1 地理位置

由上文可以知道，在城市中心和城市邊緣的小區(qū)周邊街道的車流量和人流量都大不相同。在地理位置的選擇方面，每一個小區(qū)都有唯一一個解，要么在城市中心，要么在城市邊緣。因此將城市中心和城市邊緣分別賦值，可以得到地理位置的值。

根據(jù)《城市路網(wǎng)規(guī)范》規(guī)定：市中心路網(wǎng)密度：3～4 km·km-2,城市邊緣地區(qū)：2～2.5 km·km-2。

此處取其平均值代表路網(wǎng)密度。市中心路網(wǎng)密度為3.5，城市邊緣地區(qū)的路網(wǎng)密度為2.25。將其轉(zhuǎn)化為權(quán)重，可以得到市中心的權(quán)重為0.609，城市邊緣地區(qū)的權(quán)重為0.391。

由此可以得出小區(qū)在城市中的位置Pt1的權(quán)重公式：

由于小區(qū)位置是確定的，所以權(quán)重公式等于計(jì)算公式。

2.2.1.2 小區(qū)面積

本文將小區(qū)分為3個類型，其中居住區(qū)、居住小區(qū)、居住組團(tuán)分別代表著不同面積不同規(guī)模的居住小區(qū)[7]。同之前的地理位置一樣，小區(qū)一旦確定，面積也同樣是固定不變的。因此每一個小區(qū)在類型固定后將有一個固定的小區(qū)面積賦值[8]。

通過第一問中的數(shù)據(jù)可以得知，居住區(qū)道路用地的比率為10%～18%，居住小區(qū)的道路用地為9%～17%，居住組團(tuán)的道路用地為7%～15%。

取均值可以得到3類居住區(qū)的平均道路用地，因此可以根據(jù)道路用地求出其權(quán)重，其中居住區(qū)所占權(quán)重為0.368，居住小區(qū)所占權(quán)重為0.342，居住組團(tuán)所占權(quán)重為0.290。

由此可以得出小區(qū)面積的權(quán)重公式：

同小區(qū)位置一樣，確定的小區(qū)面積是確定的，所以權(quán)重公式等于計(jì)算公式[9]。

2.2.1.3 車輛狀況

根據(jù)問題1中的數(shù)據(jù)，從表3中得出各類車型的車輛換算系數(shù)，其中微型汽車的換算系數(shù)為0.7，小型汽車的換算系數(shù)為1，中型汽車的換算系數(shù)為2，大型汽車的換算系數(shù)為2.5，鉸接車的換算系數(shù)為3.5。

因此可以得出四類汽車的權(quán)重分別是，微型汽車0.072，小型汽車0.103，中型汽車0.206，大型汽車0.258，鉸鏈車0.361。

由此可以求得車輛狀況的Pt4權(quán)重公式：

假設(shè)微型汽車所占比例為k1，小型汽車所占比例為k2，中型汽車的比例為k3，大型汽車所占比例為k4，鉸鏈車所占比例為k5。

得出車輛狀況Pt4的計(jì)算公式：

Pt4=0.072k1+0.103k2+0.206k3+0.258k4+0.361k5

2.2.1.4 道路類型

同上一小問，將問題1中所得到的修正系數(shù)直接引用到此處，求得不同道路類型的通車流量[10]。根據(jù)表4可以得到修正系數(shù)，其中快速路0.75，主干路0.8，次干路0.85，支路0.9。

由此可以計(jì)算出權(quán)重，快速路為0.227，主干路為0.242，次干路為0.258，支路為0.273。

得出道路類型Pt5的權(quán)重公式：

得出道路類型Pt5的計(jì)算公式：

2.2.2 熵權(quán)法求權(quán)模型

在目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的求解過程中，采用熵權(quán)法對于準(zhǔn)則層的五項(xiàng)因素進(jìn)行求權(quán)處理。

選取n個小區(qū)，5個因素，則xij為第i個小區(qū)的第j個指標(biāo)的數(shù)值(i=1,2…,n;j=1,2,…,5)； 因?yàn)樵诒疚漠?dāng)中5個因素都是正向指標(biāo)，因此不需要進(jìn)行同質(zhì)化處理。對于高低指標(biāo)用不同的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理[11]。其具體方法如下:

為了方便起見，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)仍記為xij；

接下來計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個小區(qū)占該指標(biāo)的比重：

而后計(jì)算出第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值：

其中k=1/ln(n)gt;0。滿足ej≥0；

計(jì)算信息熵冗余度：

dj=1-ej

計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值：

計(jì)算各小區(qū)的交通量：

通過MATLAB進(jìn)行熵權(quán)法求解，可以求得5個因素的權(quán)重，由此可得小區(qū)位置所占權(quán)重為w1，小區(qū)面積所占權(quán)重為w2，人口密度所占權(quán)重為w3，車輛狀況所占權(quán)重為w4，街道狀況所占權(quán)重為w5。

根據(jù)調(diào)查得到5個小區(qū)的典型數(shù)據(jù)，經(jīng)過指標(biāo)層的處理之后，得到標(biāo)準(zhǔn)層的數(shù)據(jù)(表5)。

表5 5個典型小區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層數(shù)據(jù)表

根據(jù)MATLAB程序可以得出，小區(qū)位置所占權(quán)重w1=0.2155，小區(qū)面積所占權(quán)重w2=0.1249，人口密度所占權(quán)重w3=0.0753，車輛狀況所占權(quán)重w4=0.2746，街道狀況所占權(quán)重w5=0.3097。

可以得出求解小區(qū)交通通行變化度Δn0的計(jì)算公式：Δn0=0.2155Pt1+0.1249Pt2+0.0753Pt3+0.2746Pt4+0.3097Pt5

2.2.3 比較通行量的影響

表6 交通通行能力變化評價準(zhǔn)則

經(jīng)過上述2.2.1和2.2.2可以求出任意一個小區(qū)的交通通行量n0。問題一中定義的條件成立時，要求小區(qū)開放對周邊地區(qū)的影響可以通過交通通行量的變化ΔCD的大小來確定小區(qū)開放對于周邊道路通行的影響。

又因?yàn)樾^(qū)及其周邊地區(qū)總的交通通行量不變。每小時的通行能力卻會改變，因此需要根據(jù)ΔCD=Δn0+Δn1-CD(1-nz)·n2公式求出小區(qū)開放前后通行能力的變化值，從而判斷小區(qū)開放對于周邊道路交通的影響大小和利弊。求得的ΔCD可以由表6來判斷狀態(tài)。

3 結(jié) 論

本文的模型簡潔明了，同時建立了相應(yīng)的理論體系和新的多元預(yù)測指標(biāo)。這些預(yù)測方法對于中國的交通工程和道路工程等一些重大學(xué)科具有重要的參考意義。研究通道的通行能力理論、路段與交叉口通行能力的統(tǒng)一計(jì)算方法不僅在實(shí)踐中有重要的經(jīng)濟(jì)意義，而且在基礎(chǔ)理論研究方面具有非常重要的學(xué)術(shù)意義。

[1] 李向朋.城市交通擁堵對策：封閉性小區(qū)交通開放研究[D].長沙：長沙理工大學(xué),2014.

[2] 李建華.住宅小區(qū)的交通影響分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,24(01):23-26.

[3] 賈曉敏.城市道路通行能力影響因素研究[D].西安：長安大學(xué),2009.

[4] 李冬梅，李文權(quán).道路通行能力的計(jì)算方法[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,2(02):07-13.

[5] 全永樂，孫正明，李先.優(yōu)先發(fā)展公共交通歷程中的若干問題反思[J].世界建筑,2006,4(01):02-06.

[6] 李強(qiáng).從鄰里單位到新城市主義社區(qū)：美國社區(qū)規(guī)劃模式變遷探究[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào),2004,12(01):50-54.

[7] 田晶,楊玉珍,陳陽舟.短時交通流量兩種預(yù)測方法的研究[J].公路交通科技,2006,23(04):103-106.

[8] 姚智勝，邵春福.城市建設(shè)項(xiàng)目交通影響分析方法探討[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2004,8(05):218-221.

[9] 郭顯光.一種新的綜合評價辦法：組合評價法[J].統(tǒng)計(jì)研究,1995,8(05):56-59.

[10] 王凡，張耀良.關(guān)于權(quán)及確定權(quán)重分配方法的探討[J].系統(tǒng)工程,1993,11(05):11-14.

[11] 李德順，許開立，李春晨.基于集值迭代的多專家主觀權(quán)重確定方法的研究[J].金屬礦山,2009,9(02):42-50.

[責(zé)任編輯：劉守義英文編輯：劉彥哲]

InfluenceofHousingEstateOpeningonTrafficBasedonDiversificationEntropyWeightAlgorithm

ZUOXue-wu，LIHong-ju

(Department of Public Education,Anhui Xinhua University,Hefei,Anhui 230088,China)

ObjectiveTo study the influence of housing estate opening on the surrounding traffic and determine the specific evaluation indicators and to provide theoretical basis for urban planning and transportation departments to make decisions.MethodsThe literature,network and other materials were used to analyze the factors influencing the road traffic and a multi-level evaluation system was build.The level evaluation system of the various influence factors was used to obtain the influence degrees and pros and cons,and diverse factors assignment method and entropy method were used to gain the model and its analysis.ResultsThe degree change of traffic service capacity was defined in this paper to illustrate the effect of housing estate opening to traffic and it was used as a constraint layer of evaluation system;then according to the different levels the factors influencing changes of the traffic capacity were divided into the target layer,criterion layer and index layer.ConclusionIn view of the geographic location,residential area,population density,the vehicle condition and road type of the housing estate,the change rate of traffic flow in different sections of the different models were identified as the specific evaluation indicators of influence of housing estate opening on surrounding traffic.

housing estate opening;road traffic influence;entropy weight method

來稿日期：2016-12-12

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目：“常循環(huán)碼在最優(yōu)碼和量子碼構(gòu)造中的應(yīng)用研究”(KJ2016A307)；安徽新華學(xué)院校級科研項(xiàng)目：“可靠通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)”(2014zr012)。

左學(xué)武(1984-)，男，安徽合肥人，安徽新華學(xué)院公共課教學(xué)部講師。

TB 472

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.11.007