小區(qū)開放對道路通行的影響

(天津理工大學中環(huán)信息學院 天津 300000)

小區(qū)開放對道路通行的影響

王博宇蘇曉飛王啟銘

(天津理工大學中環(huán)信息學院天津300000)

2016年2月21日，國務院發(fā)布《關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》，其中第十六條關于推廣街區(qū)制，原則上不再建設封閉住宅小區(qū)，已建成的住宅小區(qū)和單位大院要逐步開放等意見，引起了廣泛的關注和討論。

除了開放小區(qū)可能引發(fā)的安保等問題外，議論的焦點之一是：開放小區(qū)能否達到優(yōu)化路網(wǎng)結構，提高道路通行能力，改善交通狀況的目的，以及改善效果如何。一種觀點認為封閉式小區(qū)破壞了城市路網(wǎng)結構，堵塞了城市“毛細血管”，容易造成交通阻塞。小區(qū)開放后，路網(wǎng)密度提高，道路面積增加，通行能力自然會有提升。也有人認為這與小區(qū)面積、位置、外部及內部道路狀況等諸多因素有關，不能一概而論。還有人認為小區(qū)開放后，雖然可通行道路增多了，相應地，小區(qū)周邊主路上進出小區(qū)的交叉路口的車輛也會增多，也可能會影響主路的通行速度。

問題

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

2.請建立關于車輛通行的數(shù)學模型，用以研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

3.小區(qū)開放產生的效果，可能會與小區(qū)結構及周邊道路結構、車流量有關。請選取或構建不同類型的小區(qū)，應用建立的模型，定量比較各類型小區(qū)開放前后對道路通行的影響。

4.根據(jù)研究結果，從交通通行的角度，向城市規(guī)劃和交通管理部門提出關于小區(qū)開放的合理化建議。

針對問題1，我們建立了一套完整的評價指標體系去對在不同開放條件下的道路通行能力進行逐一分析，并搜集了不同地區(qū)和同一地區(qū)不同時間的小區(qū)的相關數(shù)據(jù)，經(jīng)過主成分分析得出小區(qū)周邊道路的同行能力、小區(qū)所在位置等因素是影響開放與否的重要指標。

針對問題2，收集了在該領域其他學者的研究成果，針對其要求，運用層次分析法設計了一套完整的數(shù)學模型，通過對比開放前后的車流量等因素，進而解決車輛通行能力問題。

針對問題3，我們給出了新的方案，并采用新的方法討論了其合理性，得到了較為符合實際的結論。

針對問題4，我們在前三問解決的基礎上，提出了較為穩(wěn)妥的建議以供參考。

評價指標體系；道路通行能力；層次分析法

一、問題重述

(一)背景

2016年2月21日，國務院發(fā)布《關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》，其中第十六條關于推廣街區(qū)制，原則上不再建設封閉住宅小區(qū)，已建成的住宅小區(qū)和單位大院要逐步開放等意見，引起了廣泛的關注和討論。

除了開放小區(qū)可能引發(fā)的安保等問題外，議論的焦點之一是：開放小區(qū)能否達到優(yōu)化路網(wǎng)結構，提高道路通行能力，改善交通狀況的目的，以及改善效果如何。一種觀點認為封閉式小區(qū)破壞了城市路網(wǎng)結構，堵塞了城市“毛細血管”，容易造成交通阻塞。小區(qū)開放后，路網(wǎng)密度提高，道路面積增加，通行能力自然會有提升。也有人認為這與小區(qū)面積、位置、外部及內部道路狀況等諸多因素有關，不能一概而論。還有人認為小區(qū)開放后，雖然可通行道路增多了，相應地，小區(qū)周邊主路上進出小區(qū)的交叉路口的車輛也會增多，也可能會影響主路的通行速度。

(二)問題

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

2.請建立關于車輛通行的數(shù)學模型，用以研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

3.小區(qū)開放產生的效果，可能會與小區(qū)結構及周邊道路結構、車流量有關。請選取或構建不同類型的小區(qū)，應用建立的模型，定量比較各類型小區(qū)開放前后對道路通行的影響。

4.根據(jù)研究結果，從交通通行的角度，向城市規(guī)劃和交通管理部門提出關于小區(qū)開放的合理化建議。

二、問題分析

小區(qū)開放對周邊道路的影響程度受很多因素影響，例如小區(qū)的所在位置，道路的通行能力，道路的行駛時間，延誤時間等。因此研究某一地區(qū)小區(qū)開放對周邊道路的影響問題需要綜合考慮諸多因素，為了能更好的研究各因素的重要程度，就需要提煉出一個綜合指標，并且其能夠綜合的反應小區(qū)開放前后對道路通行能力的影響程度。

三、模型假設

1、假定原有路程行駛時間和原有道路寬度等剛性指標相對不變。

2、假定原有小區(qū)內部的通行能力在一定時間內，不發(fā)生改變。

3、假定市區(qū)的交通都正常運行，沒有突發(fā)事件影響整體城市交通的運行。

四、問題1

請選取合適的評價指標體系，用以評價小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

查閱相關資料，某市10條城市主要道路在固定時間內的車流量相關數(shù)據(jù)如下：

某市道路交通車流量統(tǒng)計表

(一)模型的建立

在用統(tǒng)計分析方法研究多變量的課題時，變量個數(shù)太多就會增加課題的復雜性。人們自然希望變量個數(shù)較少而得到的信息較多。在很多情形，變量之間是有一定的相關關系的，當兩個變量之間有一定相關關系時，可以解釋為這兩個變量反映此課題的信息有一定的重疊。主成分分析是對于原先提出的所有變量，將重復的變量刪去多余，建立盡可能少的新變量，使得這些新變量是兩兩不相關的，而且這些新變量在反映課題的信息方面盡可能保持原有的信息。

通過對數(shù)據(jù)的分析可知，影響“小區(qū)開放前后道路通行能力”的因素有很多，我們希望找出影響平衡的一個綜合指標。如果考察加權平均，則主觀性太大。而利用主成分分析法，可以根據(jù)每個指標的重要程度給出一個綜合指標，進而全面的研究開放前后的通行能力。一般地，我們把信息完全明確的系統(tǒng)稱為白色系統(tǒng)，信息完全不明確的系統(tǒng)稱為黑色系統(tǒng)，信息部分明確、部分不明確的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。當事物之間、因素之間、相互關系比較復雜，特別是表面現(xiàn)象，變化的隨機性更容易混肴人們的直覺，掩蓋事物的本質，使人們在認識、分析、預測、決策時，得不到全面的、足夠的信息，不容易形成明確的概念。這些都是灰色因素，灰色的關聯(lián)性在起作用.

假設X0=(x10,x20,…,xn0)T為母序列，X1=(x11,x21,…,xn1)T，…，Xm=

(x1m,x2m,…,xnm)T為子序列(比較序列)，則定義Xi與X0在第k點的關

灰色關聯(lián)度分析應用非常廣泛.例如當需要對n個方案進行評價時，有m個指標可以從不同的側面反映出被評價的n個方案效益的情況.于是，可采取如下步驟：

1.選定母指標：可選取對方案效益影響最重要的指標作為母指標，如選Xj為母指標.

2.對原始數(shù)據(jù)(指標值)進行處理：由于各指標的量綱不同，指標值的數(shù)量級也差別很大，為了用這些數(shù)據(jù)進行綜合評價.首先必須對原始數(shù)據(jù)進行無量綱、無數(shù)量級的處理.處理的方法通常有兩種：其一是均值化處理，即分別求出各個指標的原始數(shù)據(jù)的平均值，再用均值去除對應指標的每個數(shù)據(jù)，便得到新的數(shù)據(jù)；其二是初值化處理，即分別用原始數(shù)據(jù)每個指標的第一個數(shù)據(jù)去除對應指標的每一個數(shù)據(jù)，得到新的數(shù)據(jù).

小區(qū)車輛保有數(shù)2997899122567185874332527內部通行能力182754811211107837731471所在位置5774173248674404220209094安全290672661889168659002478其他61817316595383817258796路段通行能力54011998561524267238931218交叉口通行能力2569822020631927867047682總能力266274482016．159846252357高峰期1402364510242771522367155

7.排序：將各方案的指標值帶入得到該方案效益綜合得分Zk,k=1,2,…,n.依據(jù)綜合得分從大到小排序，也就得到個方案的綜合效益的排序.

類別數(shù)字代號相對權重(%)重要程度排序小區(qū)車輛保有率12．868小區(qū)內部通行能力21．697小區(qū)所在位置因素影響36．474安全因素影響42．586其他因素影響50．679路段通行能力614．422交叉口通行能力710．653道路總通行能力855．．371小區(qū)周邊道路高峰期的交通影響93．065

(二)模型的求解

選取道路通行能力、道路總行駛時間、小區(qū)所在位置、路段行駛時間、交叉口延誤時間(分)、安全系數(shù)等指標作為“小區(qū)開放與否對周圍道路通行能力程度”的影響指標。得到如下圖所示的關聯(lián)法：

(三)結果分析

由最終數(shù)據(jù)可知，在眾多影響因素中，起決定性作用的是道路通行能力與行程時間，其中道路通行能力有眾多剛性指標約束，而行程時間則由車輛通行的實際情況決定，因此，為了定量的分析車輛通行能力，我們建立了一套新的數(shù)學模型用以分析小區(qū)開放對車輛通行的實際影響。

五、問題2

請建立關于車輛通行的數(shù)學模型，用以研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

搜集該領域其他學者的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，道路交通的通行能力指標與道路的類型，道路的截面寬度，車輛的速度，車輛的類型，路段行駛時間，交叉口行駛時間，總行駛時間，車流量等眾多因素有關，我們根據(jù)已有的研究成果，建立了新的數(shù)學模型，用以定量的研究車輛通行能力。

1、路段行駛時間；路段行駛時間定義為將一段有路段有交叉口的實際道路抽象為一段完整的，無交叉口的模型路段，從而簡化數(shù)學運算過程。

路段行駛時間是在不考慮交叉口通行能力的影響下的路段行駛能力，其計算方法如下：

其中，不受到路交叉口的通行能力影響的計算公式如下：

νe=Nm*ac

這其中ac表示機動車道通行能力分類系數(shù)，如下表所示

計算行車速度(KM/H)50403020可能通行能力(PCU/H)1690164015501380

道路分類快速路主干路次干路支路ac0．750．800．850．90

根據(jù)上述計算方法，我們使用MATLAB進行了模型計算，得到了如下所示的結果：

可以看到，在理想狀態(tài)下，路段的通行能力基本保持不變，大多數(shù)時間均保持一定的通行能力不變。

2、交叉口延誤時間：交叉口延誤時間定義為在等延誤原則條件下，(即各個車道延誤時間均相等)；可用某一車道的延誤時間代替交叉口延誤時間。

其中，對于一般的城市道路，在路段中車輛不僅受到行人和非機動車的干擾,而且還會受到對向車輛行駛的影響。因此,必須研究這些因素對機動車道的綜合影響程度,即路旁干擾系數(shù)。毫無疑問,由于路旁非機動車及行人等的突然出現(xiàn),正在機動車道上的駕駛員會意識到必須采取防范措施,以免發(fā)生意外事故,從而導致車速下降?？梢哉J為,路旁干擾越大,車速下降越大,使道路通行能力越小。因此,我們用車速下降率作為路旁干擾系數(shù),即路旁干擾系數(shù)。其中為受干擾后的車速為未受干擾的車速。為了研究方便,我們把受干擾道路的情況劃分成以下七類:

(1)不受非機動車干擾,不受對向車流干擾,不受行人干擾的車道即四塊板道路及有行人隔離的兩塊板機動車專用道

(2)不受非機動車干擾,不受對向車流干擾,受行人干擾的車道即無行人隔離的兩塊板機動車專用道

(3)受非機動車干擾,不受對向車流干擾,不受行人干擾的車道即兩塊板有行人隔離的機非混行車道

(4)不受非機動車干擾,受對向車流干擾,不受行人干擾的車道即一塊板有行人隔離的機動車專用道及三塊板道路

(5)不受非扣動車干擾,受對向車流干擾,受行人干擾的車道即一塊板機動車專用道

(6)受非機動車干擾,不受對向車流干擾,受行人干擾的車道即兩塊板機非混行道路

(7)受非機動車干擾,受對向車流干擾,受行人干擾的車道即一塊板機非混行道路。

在一系列觀測基礎上，分析各個道路的車速下降情況，得出干擾系數(shù)為：

第一種：a1=1；

第二種：a2=1-0.00054p

第三種：a3=1-0.00201x

第四種：a4=1-0.0027q

第五種：a5=(1-0.00054p)*(1-0.0027q)

第六種：a6=(1-0.00201x)*(1-0.00054p)

第七種：a7=(1-0.00201x)*(1-0.00054p)*(1-0.0027q)

式中：p為行人流量/5MIN

q為對向機動車流量/5MIN

x為非機動車流量/5MIN

通常情況下，路寬及側向凈空修正有國際標準做參考如下表所示：

車道寬度(M)修正系數(shù)ωgt;3．251．003．000．942．750．882．500．82

側向凈空修正系數(shù)如下表所示：

測向凈寬修正系數(shù)γ單側不足兩側不足gt;0．751．001．000．500．980．950．250．950．910．000．930．86

在實際道路設計中，為使道路在后期使用中有良好的改造能力，在規(guī)劃之初即設計了“規(guī)劃通行能力”如下所示：Cd=C*(V/C)*α*ω*γ

其中C表示理論通行能力

(V/C)表示某一服務水平下的飽和度

α路旁干擾修正系數(shù)

ω路寬修正系數(shù)

γ側向凈寬修正系數(shù)

其中服務水平飽和度參考如下：

服務水平飽和度(V/C)交通狀態(tài)一0．25城市道路自由流二≤0．50道路穩(wěn)定流三≤0．70交叉口溢流周期低于3%四≤0．85穩(wěn)定溢流五≤0．95交通堵塞

由上述分析可以看到，交叉口通行能力的影響因素有很多，合理的研究方法很重要，結合眾多學者的研究成果，我們選擇了美國HCM2000評價體系作為分析的依據(jù)，如下所示：

分類因素道路車道數(shù)交叉口間距車流量密度交通轉向密度信號信號控制

最終選用了美國HCM2000中的延誤計算公式：

d=d1(PF)+d2+d3

其中

d1為均勻到達車均延誤

PF為均勻到達修正系數(shù)

d2無初始排隊情況考慮車輛到達隨機性的附加延誤

d3為初始排隊延誤。

由此我們使用MATLAB進行數(shù)據(jù)處理和計算得到如下結果：

可以看到，在X軸的中間點，即時間段在中午12：00到下午3：00之間，交叉口的延誤時間達到最大，其次是上午6：00到9：00之間，有一第二高峰，其余時間段延誤時間均不高。

即：

由此模型我們得到了如下圖所示的分析結果，該分析結果是針對小區(qū)未開放時的車輛通行能力研究，圖中：

粉線代表通行能力；

亮綠線代表車流量；

藍線代表延誤時間；

紅線代表總行程時間；

深綠線代表交叉口時間；

可以看到，未開放時小區(qū)各項指標均改變不大，外部交通對小區(qū)的影響有限。與此同時，我們繼續(xù)研究了小區(qū)開放后的車輛通行能力，并得出了如下結論：

可以看到，開放后，小區(qū)的道路通行能力均發(fā)生了較大改變，其中，在下午4：00到6：00期間的車流量有較大增加，延誤時間有所增加，通行能力下降。

六、問題三：小區(qū)開放產生的效果，可能會與小區(qū)結構及周邊道路結構、車流量有關。請選取或構建不同類型的小區(qū)，應用建立的模型，定量比較各類型小區(qū)開放前后對道路通行的影響。

問題3中針對不同類型的小區(qū)開放后進行分析，我們應用上述結論，建立了如下模型

先做如下假設：(1)假設小區(qū)的人數(shù)保持穩(wěn)定；

(2)車輛保有率在短時間內不會發(fā)生重大變化；

(3)假設交通秩序正常，沒有影響出行的突發(fā)事件。

我們將層次分析法應用到本問題中，首先介紹層次分析法的基本理論。

1、模型的建立

層次分析法是決策者通過將復雜問題分解為若干層次和若干因素(如圖3-1)，在各因素之間進行簡單的比較和計算，就可以得出不同方案的權重，為最佳方案的選擇提供依據(jù)。

首先，要對不同的準則做好分層：

2、模型的求解

不同層的因素間都有影響，不同類的因素間也有影響，起相互影響的各個主要因素的分析結果如下

(1)小區(qū)的位置影響

圖中：藍線表示市中心開放前車流量；

綠線表示市區(qū)開放后車流量；

紅線表示郊區(qū)開放后車流量；

該圖表示市中心，市區(qū)，郊區(qū)開放后的車流量變化，可以看到，對于市中心與市區(qū)的小區(qū)來說，開放后，特別是在午間高峰時期，車流量居高不下。

而在郊區(qū)，車流量變化較為平穩(wěn)，值得注意的是，郊區(qū)的車流量在晚間4：00到6：00之間達到最大。

此外，其他因素的影響也不能忽略，我們針對上述不同類型，定量的分析了其他因素的影響

(2)小區(qū)上下班高峰期對通行的影響

可以看出，伴隨著12:00高峰期的到來，車流量也有較大增加。

(3)小區(qū)內部道路建設的影響

可以看出，隨著小區(qū)內部道路的優(yōu)化，通行能力也在增強。

(4)小區(qū)私家車保有量的影響

可以看出，隨著小區(qū)業(yè)主私家車保有量的增加，開放后車流量增加的更快，更多。

模型的分析

綜合上述結果，我們得到了最終分析模型如下所示：

圖中，Z軸代表車流量密度，Y軸代表距市中心的距離(以Y軸中點為市中心)，X軸代表時間，可以發(fā)現(xiàn)，時間在下午3：00到6：00，距市中心1到2公里處，車流量達到最大。

綜上所述，我們可以得到以下結論：

(1)在眾多影響小區(qū)開放后道路通行能力的因素中，影響最大的是小區(qū)自身所處的位置，這是因為，由于道路本身的通行能力一定，因而開放后小區(qū)內部的道路所能承載的通行能力也是一定的，因此在其他因素不改變的情況下，開放可以視為只是單純的增加了道路以及交叉口的數(shù)目，而又由第二問可以看出，位于市中心和市區(qū)的道路在路段與交叉口的數(shù)目增多后，反而會更加擁堵。因此，小區(qū)自身所在位置便成為決定性的因素。

(2)第二大影響因素則是時間，由上述計算結果可以看出，無論是在市中心還是市區(qū)，無論道路通行能力有多大提升，如果不能錯開行車高峰時段，只是單純的開放小區(qū)路段，無法從根本上解決道路擁堵問題。

(3)分析小區(qū)開放對城市道路交通的利弊，必須具體情況具體分析，綜合各類影響因素得出最優(yōu)方案，不能以偏概全，照搬照抄，同時充分尊重小區(qū)業(yè)主的意見。

問題四：根據(jù)研究結果，從交通通行的角度，向城市規(guī)劃和交通管理部門提出關于小區(qū)開放的合理化建議。

建議1：

小區(qū)開放與否與城市發(fā)展，小區(qū)內部道路密集程度，小區(qū)人口的居住數(shù)量，小區(qū)所在的地段以及小區(qū)所在路段的高峰期時間段等眾多因素有關。應以：

小區(qū)所在地段gt;高峰期時間段gt;小區(qū)內部道路通行能力gt;私家車保有量為準則進行優(yōu)先考慮。

建議2：

若該小區(qū)由于某種特殊原因，例如臨近學校，火車站等，可依據(jù)情況分時間段開放。對于人口稀少，小區(qū)地段遠離城市中心地帶，為了減少安全隱患，建議不進行小區(qū)開放。

建議3：

充分征求業(yè)主意見，具體情況具體分析，綜合各類影響因素得出最優(yōu)方案，不能以偏概全，照搬照抄，同時慎重考慮安全因素的影響。

指導教師：李旭東

[1]李揚.基于可持續(xù)發(fā)展理論的我國公路交通發(fā)展模式研究[D].大連海事大學，2013.5

[2]茹紅雷.城市道路通行能力的影響因素研究[D].同濟大學，2008.3

[3]詹斌,蔡芮東,胡遠程,曹夢鑫.基于城市道路網(wǎng)絡脆弱性的小區(qū)開放策略研[J].武漢理工大學交通學院，2016.4

[4]商仲華.居住小區(qū)開發(fā)交通影響分析研究[D].長安大學，2006.6

[5]呂斌.城市居住區(qū)“開放性”模式研究[D].大連理工大學，2006.6

[6]鄺先驗.城市混合交通流微觀仿真建模研究[D].華南理工大學，2014.9