基于仿真系统的小区开放对道路通行影响分析

王洋++杨璐++曲文天

摘要： 文章主要通过建立数学模型的方法来研究开放小区对道路通行能力的影响。首先文章运用层次分析法确定了评价指标体系并对各项指标进行量化，之后建立了关于车辆通行的交通系统仿真模型，用以研究小区开放对周边道路通行的影响。最后由于小区开放产生的效果，可能会与小区结构及周边道路结构、车流量有关，文章选取了三种不同类型的小区，应用建立的模型以及VISSIM仿真系統，定量的比较了各类型小区开放前后对道路通行的影响。

Abstract： This paper mainly studies the influence of open residential area on road capacity through the establishment of mathematical model. Firstly， the article uses the analytic hierarchy process to determine the evaluation index system and quantify the indicators. Then， the traffic system simulation model of the vehicle traffic is established to study the influence of the open residential area on the surrounding road traffic. Finally， due to the opening of residential area may be related to the structure of the residential area， the surrounding road structure and traffic flow the article chooses three different types of communities， uses the established model and the VISSIM simulation system to quantitatively compare the influence of various types of residential area on the road capacity.

关键词： 平均延误时间；仿真模型；VISSIM；层次分析法；泊松分布

Key words： average delay time；simulation model；VISSIM；analytic hierarchy process；Poisson distribution

中图分类号：U270.1+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0062-03

国务院发布关于推广街区制意见——不再建设封闭住宅小区，已建成的住宅小区和单位大院要逐步开放等引起了广泛的关注和讨论。议论的焦点之一是：开放小区能否达到优化路网结构，提高道路通行能力，改善交通状况的目的，以及改善效果如何。本文建立了数学模型，就小区开放对周边道路通行的影响进行研究。

本文首先明确了确定指标的的四个准则，分别是完备性、独立性、目的性、实用性原则。然后选取了3个一级指标：路网分析、交叉口分析、行程时间；5个二级指标：车流量、平均延误时间、平均车速、出入口连接、出入口渠化，并利用层次分析法建立目标层和准则层，构建判断矩阵，利用MATLAB计算出各个指标的权重，并通过了一致性检验。由于出入口渠化的权重过低，我们假设将其省略。具体描述如下：

车流量：单位时间内通过某路段的车辆。

平均延误时间：由于小区周边路网通行的平均延误主要由于交叉口堵塞，故本文采用交叉口平均延误计算方法。平均延误计算表达式：d1=■

出入口连接：由小区特性决定，出入口设置应与支路相连，而不与主干道直接相连，本文对不同出入口所连接的不同层次的道路赋予相应的分值，即与支路相连，分值为 1；与主干道相连，分值为 2。

出入口渠化：由居民小区特性决定，人与机动车为小区周边主要的交通构成，为小区交通安全起见，应设置出入口渠化，本文对不同渠化程度赋予不同的分值，即机动车与人不完全分离，分值为 1；机动车与人完全分离，分值为 2。

行程时间：行程时间是车辆与行人判断两地之间便捷度的重要的标准。由于小区周边行人更多，对机动车影响远大于非机动车，为简化模型，本文只考虑行人对机动车影响，将影响度融合到现有的 BPR 模型，建立综合 BPR 模型。原有的 BPR 阻抗函数为：

结合已有数据给出的行人干扰修正系数。综合实际情况，我们认为行人干扰情况综合为一般，故为简化模型，我们恒取 η=0.8 综上可以得到改进后的 BPR 阻抗函数模型：D=？琢

为充分描述道路交通系统，建立具有差异性的结构，本文根据所要研究的对象及系统的功能要求，建立了相应的仿真系统模型结构，用来描述道路通行评价指标体系中各个指标的作用及影响，以及整个仿真系统的核心模型及作用。仿真系统模型包含路网结构模块、交通生成模块、车辆行驶模块等，具体描述如下：

路网结构模块：描述道路的车道划分及长宽度特性，包含路网模型和交叉口模型。

交通生成模块：按照某种概率分布规律，随机地在某个断面发出一定量的车辆，作为进入仿真模型的小区周围道路车流量。

车辆行驶模块：因VISSIM道路仿真软件采用的核心算法为车辆跟驰模型，且由于小区周围道路车道较少，车流量较多，速度较慢的特性，本文仅考虑跟驰模型。

信号控制模块：对交叉口的信号控制进行设置。

显示统计模块：对车辆运行状况进行动态演示，并计算、统计得到车辆通行数据。

本文利用VISSIM软件建立了交通路网仿真模型，但在初始化参数的问题上，我们通过对小区门口的车流量进行统计，结合文献归纳出断面车流量服从泊松分布，并将车辆生成数转化成与时间相关的关系函数并确定泊松参数？姿=7.0356，即在15秒内通过断面或某一固定点的车辆数为7，即1800辆/小时，后利用最小二乘法进行拟合与实际数据进行比较来检验模型结果。且在小区周围交通环境中，必须要考虑交叉口对道路车况的影响，对此我们利用VISSIM软件建立了交叉口模型，并针对绿灯和红灯情况给出了在交叉口区域车辆到达或驶离的加速度函数。综合以上两个模型，我们运用VISSIM来得到仿真数据并进行分析，对问题一中已给出的指标，我们发现红绿灯时间配比对车辆平均排队时间、平均排队长度和平均延误时间的影响较大，而道路合理增多且具备合适的信号控制系统有利于缓解交通堵塞，缓解车辆排队较长状况。然而通过对数据的分析，单条车道的合理宽度约为3.5m，当宽度大于3.5m后对车辆平均排队时间、平均排队长度和平均延误时间不再产生较大影响。

开放式居住小区不仅仅是单一的开放，它也可以形成几种开放的形式。本题主要研究了适合具体环境的开放式小区类型。

类型 1：街区型

街区型住宅区是街道围合而形成的若干居住组团的集合。街区型居住空间可以结合建筑与空间的组合关系，并与城市的公共开放空间体系产生关联。街道是住宅小区的一条动脉，它贯穿和流动的地方也就是人们居住、生活和工作的场所。通过网络状的街道使得住宅小区划分为若干个街区。而这些网络状的街道和城市干道是紧密相连的，互相融合的。住宅形成了若干个独立的组团，每个小组团都可以拥有自己的景观设施和康乐设施。大规模的集中居住不见了，但是社区却拥有了开敞的空间、人性化街道和公共设施建筑。

类型 2：联动型

联动型是针对片区内多个居住小区而言的开放类型。它强调多个小区之间进行开放共享，互相之间形成联动型社区，这样的小区往往就会成为一个片区的重要人口集中地和流散地，同时能够带动片区的人气活力和商业发展。此外，对于某些规模较大而又相对独立的居住小区，在开放式的建设上，可以通过商业、景观等形成半围合的空间保证安全与私密性。在这样的小区内，建造内外合理的交通组织，适宜的步行环境有利于增加居民的愉快感。

类型 3：个体型。

个体型是完全围合的封闭小区，其内部是围合的景观。从道路向内望去，仅有高大的建筑，且没有配套的商业设施，也无法形成热闹精彩的街道，此外，居民活动全部集中在小区内部。

本文选用以上三种不同类型的小区进行讨论。并利用VISSIM建立三种小区的交通仿真系统，我们先限定进入模型的总车流量为 1800辆/小时；车道宽度为国家一般宽度标准 3.5m/车道；车道为双向车道；信号灯周期为 74s；红绿灯时间比为 4：3；车辆类型比为：小轿车占 90%，公共汽车占 10%；限制主路上最高车速为 60km/h，支路上最高车速为 30km/h。

①固定发车流量 1800 辆/小时，研究在时间轴上通过主干道一固定点的车辆总和。通过 VISSIM 进行仿真得到相关数据

我们将三种开放型小区分别与封闭型小区的数据进行对比，运用MATLAB进行作图。

其中浅色线表示开放型小区，深色线表示封闭型小区。

从图1中可以看出，小区开放相对于小区封闭，对单位时间内车流量有较好的改善。在小区合理开放的情况下，街区型小区所呈现的曲线最陡，也就是说街区型小区对车流量的提升最为明显。然而街区型小区与封闭小区车流量之比变化幅度较大，从中反映出了街区型小区的不稳定性，而个体型小区与联合性小区与封闭小区车流量之比稳定，反映了而个体型小区和联合性小区的交通稳定性。

②固定时间间隔为 1s，改变发车流量，调查每秒通过主干道一固定点的车辆数，研究交通系统承受程度。同样得到数据，通过 MATLAB作图。

由图2可以得出当总流量达到 2000 辆/小时，街区型小区的道路通行车流量不如封闭型小区，即在双向单车道的条件下，当出现车流总量过多的情况，网状型道路反而会阻礙车辆的正常通行，增加其延误时间。故在本文限定条件下，2000 辆/小时是采用街区型开放小区而非封闭型小区的临界值。而在 1800 辆/小时的车流总量条件下，街区型小区交通状况优势明显。另一个方面可以说明，车流总量增加时，街区型小区交通承受能力较差。在车流量较少的情况下，即也可以是在小区人数较少的情况下，采用联合型小区和个体型小区开放方式，则道路交通情况相对畅通度大。总的评价，在一般情况下，车流总量几乎不能达到 4000 辆/小时，而个体型小区和联合型小区畅通度均大于封闭型小区，即这两种开放型小区交通承受能力好。

对于各类型小区平均速度及平均延误时间的关系，通过仿真可以得出未开放小区、个体型小区、街区型小区、联动型小区通过规定范围路程平均速度分别为51、42.6、43.3、44km/h，通过交叉口平均延误时间为44.5、17.1、3.3、9.25s。

首先在该组模型规定车辆平均速度为排除排队停车时间的情况，通过的交叉口为主干道交叉口。对各类型小区分析可知，对于封闭小区，在主干道上平均行驶速度相对各类型开放小区较快，然而其通过交叉口平均延误时间最长；对于街区型小区，由于对车流量有较大的分流效果，所以主干道上车辆通过交叉口的平均延误时间最低。通过对比各类型小区平均速度和平均延误时间可得，可以适当地通过牺牲车辆平均速度的方法来实现平均延误时间的降低。

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